СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ И ТЕПЛОВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F25B9/00 F25B30/00 F03G7/06 

Изобретение относится к холодильной технике и двигателестроению и может быть использовано в теплонасосных устройствах для снабжения потребителя теплом и холодом, а также в двигателях с внешним подводом тепла.

Известен способ работы машины тепловой, патент США N 3667215, при котором полости сжатия и расширения периодически отсоединяются друг от друга и от всех теплообменников. Теплообменники с разными температурными потенциалами находятся под разными давлениями, а регенератор рекуперативного типа.

Недостатком подобной тепловой машины является невозможность практического осуществления рабочего цикла без резкого перепада давления в конце процесса расширения при изменении отношений температурных потенциалов в теплообменниках и условий расширения и сжатия, например, при изменении теплообмена и величины утечек, что приводит к потере мощности, снижению КПД и надежности тепловой машины.

Проблемами решаемыми данным изобретением является повышение эффективных показателей тепловой машины, таких как КПД, удельная мощность.

Указанные технические проблемы решаются тем, что в способе работы тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения, вытеснения его из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один из теплообменников, имеющих разные температурные потенциалы, а процесс расширения производят при отключенной полости расширения от теплообменника с низким температурным потенциалам, в процессе работы тепловой машины производят изменение степени расширения в зависимости от изменения отношений температур в теплообменниках и условий расширения и сжатия путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела из теплообменника с низким температурным потенциалом.

Кроме того, изменение степени расширения производят путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела из теплообменника с низким температурным потенциалом с прохождением его через регенератор.

Кроме того, к дополнительному рабочему телу проводят теплоту в теплообменнике с низким температурным потенциалом.

Кроме того, к дополнительному рабочему телу подводят теплоту в теплообменнике с высоким температурным потенциалом.

Указанные технические проблемы решаются также тепловой машиной, включающей полость сжатия, полость расширения, теплообменники с разными температурными потенциалами, магистрали, соединяющие полости сжатия и расширения через упомянутые теплообменники, и механизм газораспределения для периодического соединения полостей сжатия и расширения с теплообменниками, которая снабжена дополнительной магистралью с автоклапаном, соединяющей полость расширения и теплообменник с низким температурным потенциалом.

На фиг. 1. изображена схема двигателя с изменением степени расширения путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела; на фиг. 2.- PV-диаграммы рабочего цикла двигателя в идеализированном виде при разных температурах теплообменника с высоким температурным потенциалом; на фиг. 3.- схема двигателя с изменением степени расширения путем подачи дополнительного рабочего тела в полость расширения с подводом к нему теплоты; на фиг. 4.- схема теплового насоса с изменением степени расширения путем подачи дополнительного рабочего в полость расширения с подводом к нему теплоты; на фиг. 5. PV-диаграмма рабочего цикла теплового насоса в идеализированном виде при разных температурах теплообменника с высоким температурным потенциалом.

Способы тепловой машины осуществляется следующим образом.

При работе тепловой машины в режиме двигателя рабочее тело сжимается в полости 1 сжатия (фиг.1) от объема V₁ (фиг. 2) и давления P₁ до объема и давления соответствующих точке "а". После сжатия рабочее тело через автоклапан 2 и регенератор 3 поступает в теплообменник 4 с высоким температурным потенциалом и далее через управляемый клапан 5 в полость 6 расширения. При этом в регенераторе 3 и теплообменнике 4 происходит подвод теплоты при постоянном давлении и, следовательно, объем рабочего тела увеличивается до величины V₂. Управляемый клапан 5 закрывается и происходит процесс расширения рабочего тела до объема и давления, соответствующих точке "в". В это время открывается автоклапан 8 и в полость 6, объем которой увеличивается до величины V₃, поступает дополнительное рабочее тело из теплообменника 7 через регенератор 3.

После этого рабочее тело вместе с дополнительным рабочим телом через управляемый клапан 9 и регенератор 3 поступают в теплообменник 7 и далее рабочее тело через автоклапан 10 поступает в полость 1, а дополнительное рабочее тело в теплообменник 7. В регенераторе 3 и теплообменнике 7 температура рабочего тела понижается при постоянном давлении и, следовательно, объем его уменьшается до объема V₁, и цикл повторяется.

При изменении температурного потенциала теплообменника 4, например в сторону уменьшения, сжатие рабочего тела заканчивается при объеме и давлении соответствующих точке "а1", а расширение заканчивается при объеме соответствующем точке "в1". Таким образом рабочий цикл всегда осуществляется при оптимальной степени расширения независимо от отношения температурных потенциалов в теплообменниках. Аналогично производят изменение степени расширения и сжатия, например при изменении теплообмена, коэффициента наполнения и величины утечек. Это повышает эффективные показатели тепловой машины. Кроме того, отсутствие резких перепадов давления в конце расширения повышает ее надежность.

Повысить эффективные показатели двигателя можно подводя к дополнительному рабочему телу теплоту в теплообменнике 4 (фиг. 3).

В этом случае дополнительно подогревают стенки полости 6 расширения, что повышает изотермичность процесса расширения. Остаток теплоты дополнительное рабочее тело отдает регенератору 3 при проходе через него в теплообменник 7. Повысить изотермичность процесса расширения можно разместив в полости 6 регенеративную насадку (на фиг. 3 не показано).

При работе тепловой машины в режиме теплового насоса рабочее тело сжимается в полости 1 сжатия (фиг. 4) от объема V₁ (фиг. 5) и давления P₁, соответствующего точке "С", до давления P₂. После сжатия рабочее тело через автоклапан 2 поступает в теплообменник 4 с высоким температурным потенциалом и регенератор 3 и далее, через управляемый клапан 5, в полость 6 расширения. При этом в теплообменнике 4 и регенераторе 3 происходит отвод теплоты при постоянном давлении и, следовательно, объем рабочего тела уменьшается до величины V₂.

Управляемый клапан 5 закрывается и происходит расширение рабочего тела до объема и давления, соответствующего точке "d". В это время открывается автоклапан 8 и в полость 6, объем которой увеличивается до величины V₃, поступает дополнительное рабочее тело из теплообменника 7. При этом дополнительное рабочее тело подогревает стенки полости 6, что повышает изометричность процесса расширения и, следовательно, повышает эффективные показатели теплового насоса.

Повысить изотермичность можно разместив в полости 6 регенеративную насадку (на фиг. 4 не показана).

После этого рабочее тело вместе с дополнительным рабочим телом через управляемый клапан 9 поступают в теплообменник 7, где температура их повышается. Далее рабочее тело, через регенератор 3 и автоклапан 10, поступает в полость 1, а дополнительное рабочее тело остается в теплообменнике 7.

В регенераторе 3 температура тела повышается, а объем увеличивается до величины V₁, и цикл повторяется.

При изменении температурного потенциала теплообменника 4, например в сторону увеличения, сжатие рабочего тела начинается от давления, соответствующего точке "С₁", а расширение происходит до объема и давления, соответствующих точке "d₁". Таким образом, при изменении отношения температурных потенциалов теплообменников изменяется степень расширения рабочего тела и рабочий цикл всегда осуществляется без резких перепадов давления после процесса расширения, что повышает эффективные показатели тепловой машины и ее надежность.

Тепловая машина для осуществления способа в описанных выше вариантах включает полость 1 сжатия, полость 6 расширения, регенератор 3, теплообменник 4 с высоким температурным потенциалом, теплообменник 7 с низким температурным потенциалом, автоклапан 2 и управляемый клапан 5, установленные в магистрали, соединяющей полости 1 и 6 с теплообменником 4, автоклапан 10 и управляемый клапан 9, установленные в магистрали, соединяющей полости 1 и 6 с теплообменником 7 и автоклапан 8, установленный в дополнительной магистрали 11, соединяющей полость 6 с теплообменником 7.

Работа тепловой машины в режиме двигателя и теплового насоса ясна из описания способа.

Использование: в холодильной технике и двигателестроении. Может применяться в теплонасосных устройствах и в двигателях с внешним подводом тепла. Сущность изобретения: способы работы тепловой машины осуществляется путем сжатия рабочего тела в полости сжатия,вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения, вытеснение его из полости расширения в полость сжатия. Вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один из теплообменников, имеющих разные температурные потенциалы, процесс расширения производят при отключенной полости расширения от теплообменника с низким температурным потенциалом. Причем в процессе работы тепловой машины производят изменение степени расширения в зависимости от изменения отношения температур в теплообменниках и условий расширения и сжатия путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела из теплообменника с низким температурным потенциалом. 2 с.и. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ работы тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения его из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один из теплообменников, имеющих разные температурные потенциалы, а процесс расширения производят при отключенной полости расширения от теплообменника с низким температурным потенциалом, отличающийся тем, что в процессе работы тепловой машины производят изменение степени расширения в зависимости от отношений температур в теплообменниках и условий сжатия и расширения путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела из теплообменника с низким температурным потенциалом. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменения степени расширения производят путем подачи в полость расширения дополнительного рабочего тела из теплообменника с низким температурным потенциалом с прохождением его через регенератор. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что к дополнительному рабочему телу подводят теплоту в теплообменнике с низким температурным потенциалом. 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что к дополнительному рабочему телу подводят теплоту в теплообменнике с высоким температурным потенциалом. 5. Тепловая машина, содержащая полость сжатия, полость расширения, теплообменник с разными температурными потенциалами, магистрали, соединяющие полость сжатия и расширения через упомянутые теплообменники, и механизм газораспределения для периодического соединения полостей сжатия и расширения с теплообменниками, отличающаяся тем, что машина снабжена дополнительной магистралью с установленным на ней автоклапаном, соединяющей полость расширения и теплообменник с низким температурным потенциалом.