ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА Российский патент 1997 года по МПК F02G5/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и газовых регенеративных машин, работающих по циклу Стирлинга, предназначено для получения механической и электрической энергии в транспортных и энергетических устройствах.

Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. Наивысшая температура цикла в зависимости от типа источника теплоты может меняться в широком диапазоне значений, например, от 500 до 1500 К. В качестве рабочего тела используются вещества, не разрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т. д. Однако мощность, вырабатываемая машиной Вюлемье-Такониса, полностью расходуется на привод холодильной машины, что не позволяет использовать ее для получения полезной электрической энергии [1]
Известно выражение для определения максимального коэффициента полезного действия (к.п.д.) тепловой машины:

где T_min минимальная температура цикла,
T_max максимальная температура цикла.

Чем ниже T_min, тем выше к.п.д. Однако, поскольку отвод теплоты обычно осуществляется в окружающую среду, то T_min ограничена температурой окружающей среды [2]
Известна энергетическая установка с двигателем Стирлинга, предназначенная для подводного аппарата, которая включается в себя двигатель Стирлинга, систему подачи топливной смеси и систему охлаждения двигателя водой. Однако минимальная температура цикла не может быть ниже температуры охлаждающей забортной воды [3]
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении к.п.д. двигателя Стирлинга.

Для достижения этого технического результата энергетическая установка с двигателем Стирлинга, включающая двигатель Стирлинга, систему подачи топливной смеси, систему охлаждения, снабжена тепловой машиной Вюлемье-Такониса, выполненной в виде механической замкнутой системы, причем отработанные газы от двигателя проходят через охладитель машины Вюлемье-Такониса.

Введение в состав энергетической установки с двигателем Стирлинга тепловой машины Вюлемье-Такониса позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании теплового потенциала отработанных газов для получения холода и снижения минимальной температуры цикла двигателя Стирлинга, что приводит к повышению его к.п.д.

На чертеже изображена энергетическая установка с двигателем Стирлинга.

Энергетическая установка с двигателем Стирлинга состоит из двигателя Стирлинга 1, системы подачи топливной смеси 2, машины Вюлемье-Такониса 3, системы комбинированного охлаждения двигателя Стирлинга 4, системы охлаждения машины Вюлемье-Такониса 5.

Двигатель Стирлинга 1 включает в себя поршневую группу 6, камеру сгорания 7 с встроенным в нее нагревателем 8, регенератор 9, холодильник 10 и кривошипно-шатунный механизм для передачи полезной работы (на чертеже не показан). Двигатель Стирлинга 1 через камеру сгорания 7 связан с системой подачи топливной смеси и отвода отработанных газов 2. В состав системы входят: устройство забора воздуха 11; теплообменник подогрева воздуха 12; канал 13 для подачи воздуха в камеру сгорания 7; трубопровод подачи топлива 14 с топливной форсункой 15; трубопровод отвода отработанных газов 16 с устройством для их выпуска в атмосферу 17. Система подачи топливной смеси и отвода отработанных газов 2 соединена с машиной Вюлемье-Такониса 3 через нагреватель 18, который с регенератором 19 и холодильником 20 составляет блок теплообменников линии двигателя машины Вюлемье- Такониса 3, а холодильник 21, регенератор 22 и охладитель 23 составляют линию холодильной машины Вюлемье-Такониса 3. Движение и порядок распределения рабочего тела машины Вюлемье-Такониса 3. Движение и порядок распределения рабочего тела внутри машины обеспечивается возвратно-поступательным движением поршневой группы 24. Для пуска машины предусмотрено устройство, связанное с приводом двигателя Стирлинга (не показано).

Система комбинированного охлаждения 4 двигателя Стирлинга 1 включает в себя трубопроводы циркуляции охлаждающей жидкости 25, которая контактирует через разделяющие поверхности с рабочими телами двигателя Стирлинга 1 и машины Вюлемье-Такониса 3, соответственно в холодильнике 10 и охладителе 23, а также с окружающей средой в радиаторе 26. Циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется насосом 27.

Система охлаждения 5 машины Вюлемье-Такониса 3 состоит из радиатора 28, насоса 29 и трубопроводов 30, обеспечивающих циркуляцию воды через холодильники 20, 21.

Подача потока воздуха из окружающей среды в радиаторы 26, 28 осуществляется соответственно вентиляторами 31, 32. Привод вентиляторов 31, 32 и насосов 27, 29 осуществляется от распределительного вала двигателя Стирлинга 1 (не показан).

Энергетическая установка работает следующим образом.

В камеру сгорания 7 двигателя Стирлинга 1 подается воздух по каналу 13 из окружающей среды через заборное устройство 11, который предварительно подогревается в теплообменнике 12, и горючее, соответственно по трубопроводу 14, которое разбрызгивается с помощью форсунки 16. Образовавшееся в результате сгорания тепло передается рабочему телу двигателя Стирлинга 1 через нагреватель 8. Полученное тепло через теплообменники 8, 9, 10 реализуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы 6, что позволяет получать полезную работу в виде механической или электрической энергии.

Отработанные газы из камеры сгорания 7 по трубопроводу 16 подаются в нагреватель 18 машины Вюлемье-Такониса 3, где отдают свое тепло рабочему телу машины, за счет которого, используя теплообменники 19, 20, 21, 22 и возвратно-поступательное движение поршневой группы 24, генерируется холод в охладителе 23. Отработанные газы из нагревателя 18 поступают в теплообменник 12, где остаточным теплом подогревается воздух, подаваемый в камеру сгорания 7, а затем через устройство 17 выпускается в атмосферу.

Получаемый в охладителе 23 холод используется для повышения к.п.д. двигателя Стирлинга 1, так как известно по формуле определения максимального к. п.д.

где T_min минимальная температура цикла,
T_max максимальная температура цикла, что чем ниже минимальная температура цикла, тем выше к.п.д. двигателя. Для этой цели охлаждаемая жидкость системы комбинированного охлаждения 4 после холодильника 10 сначала подается в радиатор 26, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая полученное тепло от рабочего тела в холодильнике 10 потоку воздуха, прогоняемого через радиатор 26 с помощью вентилятора 31, а затем поступает в охладитель 23 по трубопроводам 25, где дополнительно охлаждается ниже температуры окружающей среды, отдавая тепло рабочему телу машины Вюлемье-Такониса. Охлажденная жидкость насосом 27 подается в холодильник 10, где снижает минимальную температуру цикла двигателя Стирлинга до значений ниже значения температуры окружающей среды.

Для охлаждения машины Вюлемье-Такониса насосом 29 подается вода в холодильники 20, 21, где ей передается тепло от рабочего тела машины, затем вода поступает в радиатор 28 по трубопроводам 30, где отдает полученное тепло воздуху из окружающей среды. Воздух прокачивается вентилятором 32.

Источники информации
1. Архипов А.М. Марфенина И.В. Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М. Машиностроение, 1978. стр. 305.

2. Чирков Ю.Г. Занимательно об энергетике. М. Молодая гвардия, 1981. - стр.76.

3. Батырев А.Н. Кошеверов В.Д. Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С-Пб. Судостроение, 1994, стр.213 прототип.

Использование: энергомашиностроение и транспорт. Сущность изобретения: отработанные газы из камеры сгорания 7 по трубопроводу 16 подают в нагреватель 18 машины Вюлемье-Такониса 3, где отдают свое тепло рабочему телу машины 3, за счет которого генерируется холод в охладителе 23. Охлаждаемая жидкость системы комбинированного охлаждения 4 двигателя 1 поступает после радиатора 26 в охладитель 23, где дополнительно охлаждается ниже температуры окружающей среды, отдавая тепло рабочему телу машины Вюлемье-Такониса 3. Охлажденная жидкость насосом 27 подается в холодильник 10, где снижает минимальную температуру цикла двигателя Стирлинга до значений ниже значения температуры окружающей среды. 1 ил.

Энергетическая установка с двигателем Стирлинга, состоящая из двигателя Стирлинга, системы охлаждения, системы подачи топливной смеси, отличающаяся тем, что снабжена тепловой машиной, работающей за счет теплоты отработанных газов двигателя и генерирующей холод, для снижения минимальной температуры цикла двигателя Стирлинга.