Изобретение относится к паросиловым установкам и может быть использовано в транспортных машинах в качестве двигателя.
Известны различные способы преобразования теплоты в полезную механическую работу, которая используется для приведения в действие силовых установок разнообразного назначения. В последнее время все большее внимание уделяется использованию в транспортных средствах экологически чистых источников энергии, что обусловлено в первую очередь загазованностью вредными выхлопными газами, создаваемыми двигателями внутреннего сгорания. Другой причиной поиска новых технических решений в данном направлении является энергетический кризис, связанный с постепенным исчерпанием традиционных тепловых источников, что, с одной стороны, требует повышения КПД используемых термодинамических циклов преобразования энергии, а с другой стороны поиска возможности использования менее дефицитных топлив.
Поэтому неудивителен тот интерес, который проявляется к малогабаритным паросиловым установкам и их использованию в транспортных средствах, в частности в автомобилях.
В качестве прототипа изобретения по большинству сходных признаков выбрано техническое решение, раскрытое в [1] В нем предложен способ преобразования энергии пара в механическую работу в паросиловой установке путем испарения жидкости в парогенераторе, периодической подачи образующегося при этом пара в рабочую камеру паровой машины и отвода отработанного пара в конденсатор.
С целью расширения диапазона регулирования в широком диапазоне нагрузок подачу жидкости в парогенератор осуществляют дискретными дозами с частотой рабочих циклов паровой машины, причем величину дозы жидкости изменяют для изменения частоты рабочих циклов и мощности паровой машины.
С целью повышения удельной мощности жидкость перед подачей в парогенератор сжимают до давления, большего величины давления в парогенераторе в момент окончания подачи в него жидкости, и подогревают до температуры, меньшей температуры ее кипения при давлении ее сжатия.
Паросиловая установка для реализации данного способа, содержащая соединенные между собой парогенератор, конденсатный насос с приводным механизмом, конденсатор и объемную паровую машину с цилиндром и размещенным в нем с образованием рабочей камеры переменного объема поршнем, снабжена форсункой клапанного типа, установленной на входе парогенератора, выход которого постоянно сообщен с рабочей камерой переменного объема, вход форсунки с выходом конденсатного насоса, приводной механизм которого кинематически связан с поршнем.
С целью повышения быстроходности и удельной выходной мощности выход парогенератора сообщен с рабочей камерой через синхронизированный с движением поршня парораспределитель, выполненный в виде регулируемого объемного дозатора, а приводной механизм кинематически связан с поршнем и парораспределителем.
Недостаток известного технического решения заключается в том, что в нем используется парогенератор, в котором жидкость сначала преобразуется в пар, который затем подается в рабочую камеру. Нагрев пара является более энергоемким процессом по сравнению с нагревом жидкости, что предопределяет снижение КПД преобразования тепла в механическую работу. Другим недостатком является недостаточно высокая степень регенерация тепла, поскольку охлаждаемая в конденсаторе жидкость подается непосредственно на дозатор и подогревается дополнительно лишь перед впрыском в парогенератор горячими газами от горелки. Термодинамически невыгодным является сжатие пара в рабочей камере при ходе поршня к верхней мертвой точке.
Задачей изобретения является повышение КПД цикла преобразования теплоты в механическую работу, повышение степени утилизации отработанного тепла, снижение вредных выбросов в атмосферу.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, выражается в выносе источника теплоты за пределы двигателя, что позволяет использовать различные виды топлива и оптимизировать процессы горения, а также в более полном использовании теплоты сжигаемого топлива.
Сущность технического решения состоит в следующем. В способе преобразования теплоты в механическую работу, заключающемся в том, что рабочее тело нагревают, подают его в цилиндр, энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу поршня, а отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, используют двухкомпонентное рабочее тело, причем газообразную компоненту сжимают в цилиндре поршнем, и, при достижении последней верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивают вторую компоненту - жидкостной теплоноситель, который предварительно нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразной компоненты в конце сжатия, при этом жидкостной теплоноситель подают непрерывно и дозированно в соответствии с законом поддержания постоянства температуры в течение половины хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке либо импульсно при нахождении поршня в верхней мертвой точке. В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или другую жидкость, которые нагревают при давлении выше соответствующего данной температуре нагрева рабочего тела давления насыщенных паров используемого жидкостного теплоносителя.
Силовая установка для преобразования теплоты в механическую работу, содержащая машину сжатия расширения, автономный источник теплоты, не совмещенный с машиной сжатия расширения, и конденсатор, содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела, один из которых, для подачи жидкостного теплоносителя, состоит из последовательно соединенных гидробака с рубашкой обогрева, насоса для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан в пневмогидроаккумулятор с ресивером, регулирующего дросселя, нагревателя-теплообменника, дозатора-распределителя, форсунки и цилиндра машины сжатия расширения с рубашкой обогрева, соединенного через выхлопное окно с конденсатором и гидробаком, а второй контур, для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно воздушного фильтра и цилиндра машины сжатия расширения, при этом цилиндр выполнен общим для обоих контуров. Кроме того, конденсатор снабжен дополнительным выходом, соединенным с впускным окном цилиндра, дозатор распределитель конструктивно выполнен совместно с форсункой, имеющей клапан, управляемый днищем поршня при подходе его к верхней мертвой точке, а нагреватель теплообменника выполнен в виде беспламенной горелки, работающей на жидком топливе.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлена структурно-функциональная схема способа преобразования и силовой установки; на фиг. 2 схема соединения конденсатора с цилиндром; на фиг.3 - схема дозирования и управления впрыском; на фиг.4 схема нагревателя - теплообменника.
Силовая установка (фиг.1) для преобразования теплоты в механическую работу, реализующая способ, содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела. Первый контур предназначен для подачи жидкостного теплоносителя и содержит последовательно соединенные гидробак 1 с рубашкой обогрева 2, насос 3 для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан 4 в пневмогидроаккумулятор 5 с автономным источником давления газа 6 в виде ресивера, регулирующего дросселя 7, нагревателя теплообменника 8 с автономным источником теплоты 9, дозатора распределителя 10, форсунки 11, цилиндра 12 машины сжатия расширения с рубашкой обогрева 13, соединенного через выхлопное окно 14 с конденсатором 15 и гидробаком 1. Второй контур для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно 16 воздушного фильтра 17 и цилиндра 12 машины сжатия расширения, который имеет поршень 18 и шатун 19. Кроме того, конденсатор 15 (фиг.2) может быть снабжен дополнительным выходом 20, соединенным с впускным окном 16. Дозатор распределитель 10 может иметь несколько иную конструкцию (фиг.3), которая совмещена с форсункой 11, имеющей клапан 21, управляемый фланцем поршня 18 через шток 22 при подходе поршня 18 к верхней мертвой точке. Нагреватель теплообменник 8 (фиг.4) может быть выполнен в виде беспламенной горелки 23, работающей на жидком топливе.
Способ работы описанной силовой установки осуществляется следующим образом. При движении поршня 18 вверх происходит сжатие и разогрев воздуха, попавшего в рабочую камеру через впускное окно 16 и фильтр 17. При достижении поршнем 18 верхней мертвой точки происходит впрыск через форсунку 11 в рабочую камеру цилиндра 12 жидкостного теплоносителя, предварительно нагретого в нагревателе теплообменнике 8 автономным источником тепла 9 до температуры, равной или превышающей температуру нагретого в цилиндре воздуха в конце сжатия. Перегретая жидкость при впрыске через форсунку 11 в цилиндр в момент, когда поршень 18 находится в верхней мертвой точке, диспергируется при открывании форсунки 11 из-за большой разности давлений в пневмогидроаккумуляторе 5 и в цилиндре 12. Жидкость впрыскивают импульсно или подают непрерывно и дозированно во время движения поршня 18 вниз в течение половины хода поршня 18 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Шатун 19 движущегося вниз поршня управляет дозатором распределителем 10, подготавливая следующую дозу перегретой жидкости, и кинематически связан с насосом 3, который засасывает жидкость из подогреваемого гидробака 1 и подает ее через обратный клапан 4 в пневмогидроаккумулятор 5. Под действием давления сжатого воздуха, поступающего из ресивера 6, жидкость через регулирующий дроссель 7, выполняющий роль акселератора, поступает в нагреватель - теплообменник 8, нагрев в котором осуществляется автономным источником теплоты 9.
В качестве источника теплоты наиболее целесообразно использовать беспламенную горелку 23 (фиг. 4). Сжатая нагретая жидкость поступает в дозатор распределитель 10, замыкая контур жидкостного рабочего тела. При очередном такте отработанное рабочее тело из рабочей камеры выталкивается поршнем 18 через выхлопное окно 14 в конденсатор 15, откуда конденсат стекает в гидробак 1.
В соответствии с п.4 формулы вместо воздушного контура установки, включающего воздушный фильтр 17, может использоваться контур, образованный дополнительным выходом 20, соединенным с впускным окном 16, что приводит к упрощению силовой установки. Установка упрощается также и в том случае (без изменения способа работы), если в соответствии с п.5 формулы (фиг.3) вместо дозатора распределителя 10 используется форсунка 11 с клапаном 21, которая срабатывает при воздействии поршня 18 на шток 22 в момент достижения им верхней мертвой точки.
Таким образом, при использовании способа и силовой установки для его реализации повышается КПД цикла преобразования теплоты в механическую работу, степень утилизации отработанного тепла, снижается количество вредных выбросов в атмосферу, что выражается в более полном сгорании используемого топлива, более эффективно и полно используется энергия сжигаемого топлива.
Использование: паросиловые установки. Сущность изобретения: в способе используют двухкомпонентное рабочее тело, причем газообразную компоненту сжимают в цилиндре поршнем и при достижении последним верхней мертвой точки в цилиндр впрыскивают вторую компоненту - жидкостной теплоноситель, который предварительно нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразной компоненты в конце сжатия, притом жидкостной теплоноситель подают непрерывно и дозированно в соответствии с законом поддержания постоянства температуры в течение половины хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, либо импульсно при прохождении поршня в верхней мертвой точке. Силовая установка содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела, один из которых, для подачи жидкостного теплоносителя, состоит из последовательно соединенных гидробака с рубашкой обогрева, насоса для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан в пневмогидроаккумулятор с ресивером, регулирующего дросселя, нагревателя - теплообменника, дозатора-распределителя, форсунки и цилиндра машины сжатия - расширения с рубашкой обогрева, соединенного через выхлопное окно с конденсатором и гидробаком, а второй контур, для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно воздушного фильтра и цилиндра машины сжатия - расширения, при этом цилиндр выполнен общим для обоих контуров. 2 с.и 4 з.п.ф-лы., 4 ил.
Способ преобразования энергии пара в механическую работу и паросиловая установка для его осуществления | 1983 |
|
SU1564372A1 |
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Авторы
Даты
1997-03-20—Публикация
1994-04-19—Подача