СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F01K25/06 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в двигателях, работающих в круговом процессе.

Известен способ работы теплового двигателя, который предусматривает осуществление замкнутого цикла с использованием в качестве рабочего вещества смеси веществ химически активного и химически инертного к конструкционным материалам установки [1]. Способ предусматривает нагрев и смешение веществ при одинаковых давлениях, расширение смеси веществ с совершением работы, охлаждение смеси с последующим ее разделением и сжатием.

Недостатком этого способа является невысокий коэффициент полезного действия и то, что использование химически активного вещества вызывает трудности в его реализации.

Известен тепловой двигатель, работающий в круговом процессе с цилиндрической камерой, ограниченной подвижной стенкой. В цилиндрической камере предусмотрена масса испаряемой жидкости в качестве рабочего тела при исходной температуре котла. В первой рабочей фазе объем цилиндрической камеры увеличивается от внутренней мертвой точки через движение подвижной стенки кнаружи до внешней мертвой точки. В нижней мертвой точке движение стенки удерживается на заданный период времени. Вследствие этого должна начаться конденсация переохлажденного пара жидкости, что должно вызвать внезапное падение давления. Во второй рабочей фазе подвижная стенка движется к внутренней мертвой точке. Охлажденный конденсат подогревается посредством теплообменника до исходной температуры. Рабочее вещество состоит лишь из одного компонента [2] .

Недостатком этого способа является невысокий коэффициент полезного действия.

Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности работы теплового двигателя и повышение его экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе работы теплового двигателя, включающем введение рабочего вещества в закрытое посредством рабочей стенки пространство при температуре котла, объем которого в первой рабочей фазе расширяется движением подвижной стенки от внутренней мертвой точки до внешней мертвой точки, в области которой поддерживается постоянным на период заданного времени, а во второй рабочей фазе через движение вовнутрь подвижной стенки сжимается до исходного объема к внутренней мертвой точке, при этом рабочее вещество посредством теплообмена доводится до температуры котла, в качестве рабочего вещества используют газожидкостный раствор, отвечающий следующим условиям:
кривая равновесного состояния давление - концентрация более летучего компонента при постоянной температуре содержит область со значением производной меньше нуля;
на кривой равновесного состояния удельный объем - концентрация более летучего компонента при постоянной температуре изобары обнаруживают излом, при котором увеличивается нарастание каждой изобары при уменьшении упомянутой концентрации;
критическая температура более летучего компонента лежит ниже температуры котла, а критическая температура менее летучего компонента лежит выше температуры котла;
например, в качестве рабочего вещества используют раствор азота в бутане.

На фиг.1 изображена диаграмма, в которой абсцисса образована концентрацией более летучего компонента в газожидкостном растворе C, а ордината -давлением P, линии росы и линии кипения для различных температур.

На фиг. 2 схематически изображен тепловой двигатель в первой рабочей фазе.

На фиг. 3 схематически изображен тепловой двигатель в положении внешней мертвой точки.

На фиг. 4 схематически изображен тепловой двигатель во второй рабочей фазе.

На фиг.5 изображена P - C диаграмма, в которой абсцисса образована концентрацией более летучего компонента в газожидкостном растворе, а ордината - давление.

На фиг.6 изображена экспериментально полученная V - C диаграмма, в которой абсцисса образована концентрацией более летучего компонента в газожидкостном растворе, а ордината - удельный объем, а также семейство изобар и кривая равновесного состояния (фазовая граница).

На фиг.7 изображена V - C диаграмма.

На фиг.8 изображен ход адиабаты при замедленной конденсации в сравнении с адиабатой "равновесия", при которой в каждый момент происходит ретроградная конденсация, соответствующая наблюдаемому в этот момент давлению.

На фиг.9 изображена P - V диаграмма теплового двигателя, представленного на фиг.2-4.

Физические основы способа заключаются в следующем. Если исходить из точки диаграммы рабочего вещества, лежащей при температуре котла в области ретроградной конденсации, то увеличение объема и связанное с этим падение давления ведет к конденсации. При достаточно быстром увеличении объема наступает, однако, замедление конденсации. В результате того, что объем после достижения мертвой точки в основном держится постоянным, наступает конденсация. Конденсация приводит к падению давления. При последующем сжатии кривая состояния в P - V диаграмме проходит ниже кривой при расширении. При достижении начального давления вследствие подачи тепла из котла конденсат испаряется и подогревается до начальной температуры. В P - V диаграмме получается закругленная по часовой стрелке плоскость, т.е. механическая работа.

Существенным для описанного фазового процесса является то, что работа производится в области фазовой диаграммы, в которой кривая равновесного состояния делает дугу назад - область со значением производной меньше нуля. В этой области также происходит ретроградная конденсация. В результате при расширении наступает образование конденсата. При надлежащем выборе смеси из двух компонентов расширение объема может происходить так быстро, что образование конденсата замедляется. Это нестабильное состояние. Во внешней мертвой точке система переходит из этого нестабильного состояния в состояние равновесия. По излому изобар на границе фаз видно, что этот переход в состояние равновесия связан с падением давления.

На фиг.1 в начале координат концентрация равна нулю. Левее будет только менее летучий компонент, т. е. смесь из двух компонентов становится одним веществом. В правом конце области абсцисс концентрация более летучего компонента равна единице. Диаграмма показывает для различных температур линии росы и линии кипения. Можно увидеть, что эти линии у газожидкостного раствора разделены. На левом и правом концах области абсцисс линия росы и линия кипения совпадают. Там только чистые вещества. При температуре T₁ ниже критических T_k1 и T_k2 более летучего и соответственно менее летучего компонента получается линзообразная диаграмма с линией росы 1 и линией кипения 2. Ниже линии росы смесь парообразная, выше линии кипения - жидкая. Если при заданном соотношении между массами обоих компонентов в смеси, исходя из состояния ниже линии росы, давление повышается, как указано стрелкой 3, то при переходе линии росы 1 образуются капельки. Если от точки 4, расположенной между линией росы 1 и линией кипения 2 провести горизонтальную линию 5, то точка ее пересечения 6 с линией кипения 2 даст концентрацию более летучего компонента в каплях, а точка пересечения 7 линии 5 с линией росы даст концентрацию более летучего компонента в остающемся газе. В каплях конденсирует сначала преимущественно менее летучий компонент, в газовой фазе остается сначала преимущественно более летучий компонент. Выше линии кипения 2 концентрация опять становится исходной, теперь в жидкой фазе. Обратными становятся отношения при уменьшении давления исходя из сплошь жидкого состояния газожидкостного раствора, как показано на фиг.1 стрелкой 8. При достижении линии кипениия раствор начинает испаряться. При этом сначала испаряется более летучий компонент, образуется более высокая концентрация более летучего компонента в фазе пара, в то время, как его концентрация в жидкой фазе уменьшается. Ниже линии росы опять восстанавливается начальное состояние компонентов теперь в газовой фазе.

При температуре T₂, равной T_k1, имеем соответственно линию росы 9 и линию кипения 10. Если температура T₃ становится больше, чем критическая T_k1 более летучего компонента, но меньше, чем критическая T_k2 менее летучего компонента, то диаграмма линии росы и линии кипения из "линзообразной" превращается в "каплеобразную" кривую 11, которая не простирается дальше над областью значений абсциссы. При более высоких концентрациях при таких температурах конденсация становится невозможной. Линия росы в этом случае в своем конце 12 слева наверх "перевернута", т.е. идет обратно справа налево до критической точки 13. Имеется также область значений 14, находящаяся в зависимости от температуры, в которой внутренняя часть каплеобразной кривой ограничена "вверху" и "внизу" линией росы. Вверху "перевернутой" линии росы при рассматриваемой температуре конденсация также невозможна, смесь газообразна. Если уменьшать давление исходя из критической точки 13 изотермически так, чтобы точка состояния двигалась вдоль стрелки 14, тогда начнется конденсация, обе фазы разделятся. При этом концентрация более летучего компонента в жидкой фазе уменьшается, а его концентрация в газовой фазе увеличивается. Это происходит в области между критической точкой 13 и горизонтальной линией 15, которая проходит через точку 16, в которой касательная становится вертикальной. Между точками 13 и 16 лежит область кривой равновесного состояния давления - концентрация более летучего компонента со значением производной меньше нуля. В этой области с уменьшением давления происходит увеличение концентрации. Это явление называют ретроградной конденсацией. В этой области производится работа предлагаемого теплового двигателя.

На фиг. 2-4 схематически изображен тепловой двигатель. Он работает на газожидкостном растворе, например, из двух веществ азота и бутана. Тепловой двигатель содержит котел 17, который поддерживается при температуре котла, которая выбирается таким образом, что критическая температура более летучего компонента лежит ниже температуры котла, а критическая температура менее летучего компонента лежит выше температуры котла. Котел 17 соединен через вентильное устройство 18 с цилиндрической камерой 19 цилиндра 20. Цилиндрическая камера 19 закрыта подвижной стенкой 21, которая может перемещаться между внутренней мертвой точкой - заштриховано на фиг.2 - и внешней мертвой точкой - заштриховано на фиг.4. Подвижная стенка 21 соединена через шатун 22 и неравномерную передачу 23 с маховиком 24. Цилиндрическая камера 19 через вентильное устройство 25 соединена с теплообменником 26, находящимся в котле 17. Теплообменник 26 может и не находиться в котле, а быть с ним соединен.

Тепловой двигатель работает следующим образом. Определенное количество рабочего вещества из котла 17 через вентильное устройство 18 вводится в цилиндрическую камеру 19. Концентрация более летучего компонента азота выбирается, например, в значении 0,26. Это соответствует точке 27 (фиг.5) азот-бутанового раствора при температуре 104,5^oC. В первой рабочей фазе объем цилиндрической камеры 19 быстро адиабатически расширяется. Давление при этом падает. На фиг.5 точка состояния движется по вертикали от точки 27 к точке 28. В этой точке в результате описанной выше ретроградной конденсации должен образоваться конденсат. Жидкая фаза соответствует при этом точке 29 с меньшей долей более летучего компонента, а газообразная фаза соответствует точке 30 на фиг. 5 с повышенной долей более летучего компонента. В результате быстрого расширения достигается то, что во время хода подвижной стенки 21 от внутренней мертвой точки к внешней мертвой точке происходит замедление конденсации. Смесь остается парообразной. При расширении пар выполняет механическую работу. Это изображено на фиг.8 - кривая 31. Для сравнения на фиг.8 показана кривая 32, которая получилась бы при адиабатическом расширении в состоянии равновесия, т.е. когда при каждом уменьшении давления произошла бы сразу соответствующая конденсация. Кривая 31 проходит при использованной здесь смеси азота и бутана выше кривой 32. Это становится понятным из фиг.6.

Фиг.6 показывает диаграмму, абсцисса которой является концентрацией азота в смеси, а ордината - специфический объем, т.е. величина, обратная плотности. На этой диаграмме изображено семейство изобар, которые показывают, какой специфический объем имеет смесь при определенном давлении и определенной доле азота в растворителе. Кривая 33 изображает фазовую границу. Видно, что на фазовой границе изобары имеют излом, при этом нарастание каждой изобары увеличивается на фазовой границе при уменьшении доли азота. Другими словами, на линии насыщения изобары имеется излом выпуклостью вверх. Если при этом смесь остается в нестабильном газообразном состоянии и при переходе 27 -28 на фиг.6 не конденсирует частично в соответствии с точками 29 и 30, тогда "нестабильная" изобара 34 пойдет вдоль штрихпунктирной линии 35, а не вдоль изломанной 36. Конечному объему 37 на фиг.6 цилиндрической камеры 19 будет соответствовать давление изобары 34. Рассмотрим это условие подробнее на фиг. 7. Введены следующие обозначения:
V' - удельный объем жидкой фазы на линии насыщения;
V" - удельный объем газовой фазы на линии насыщения;
V₀ - удельный объем жидкой фазы за линией насыщения (сухой пар) при концентрации y₀;
x - концентрация жидкой фазы на линии насыщения;
y - концентрация газовой фазы на линии насыщения;
0,1 - индексы состояния давлений.

Значение работы можно записать в виде:

Если при каждом из значений давлений V_расш > V_сж, то изотермический цикл выдает положительную работу. Определим значения V_расш и V_сж:


Откуда следует, что полезная работа цикла положительна, если соблюдается условие:

т. е. , если наклон изобар в двухфазной области больше их наклона в области сухого пара, иными словами, излом изобар на линии насыщения имеет выпуклость вверх.

Таким образом, достаточными условиями для осуществления замкнутого термодинамического цикла с положительной внешней работой являются:
кривая равновесного состояния давления - концентрация более летучего компонента при постоянной температуре содержит область со значением производной меньше нуля;
на кривой равновесного состояния объем - концентрация более летучего компонента изобары обнаруживают излом, при котором увеличивается нарастание каждой изобары при уменьшении упомянутой концентрации.

Во внешней мертвой точке движение подвижной стенки 21 на короткое время останавливается. Рабочее вещество переходит в свое стабильное состояние. Происходит конденсация с концентрациями, соответствующими точкам 29 и 30 для газообразной и жидкой фаз соответственно. Это стабильное состояние соответствует давлению изобары 38 на фиг.6. Смесь как бы "прыгает" с нестабильной изобары 35 на изобару 38. В P - V диаграмме фиг.9 это соответствует участку 39.

Кривая 31 на фиг.8 получается в результате того, что для начальной концентрации, например 0,26, на графике фиг.6 из начального состояния мы идем вертикально вверх и при этом определяем точки пересечения вертикальной линии с различными изобарами 35. Эти точки пересечения дают соответственно пару значений P и V, которая определяет точку на кривой 31 в графике фиг.8. В действительности, с адиабатическим расширением связано охлаждение рабочего вещества. График фиг.6 получен при постоянной температуре 105,5^oC. Поэтому для того, чтобы получить точный ход кривой 31, нужно входить в соответствующие графики для различных более низких температур. В результате описываемый эффект еще больше усиливается, так как при более низких температурах фазовая граница в графике фиг.6 отодвигается направо. В результате увеличивается дистанция между фазовой границей и начальной концентрацией.

Во второй рабочей фазе смесь конденсат-пар вдоль кривой компрессии 40 приводится опять к исходному давлению. В результате конденсации конечная точка 41 находится у меньшего объема, чем при исходной точке 27. Через вентильное устройство 25 смесь отводится опять в котел 17. При этом в нее через теплообменник 26 доставляется тепло из котла 17. Смесь опять испаряется и доводится до температуры котла. На фиг. 9 это горизонтальный участок 42. Затем достигается опять исходное состояние.

Видно, что график P - V фиг.9 является замкнутой кривой, которая ограничивает плоскость и проходит по часовой стрелке. Следовательно, тепловой двигатель при каждом цикле совершает механическую работу.

Описанная функция предполагает неравномерное движение подвижной стенки 21 с остановкой в области нижней мертвой точки. Подобная двигательная характеристика достигается посредством неравномерной передачи между шатуном 22 и маховиком 24. Неравномерная передача 23 может быть так рассчитана, что при останавливающемся движении инерция маховика преобразуется так, что подвижная стенка 21 будет иметь желаемую двигательную характеристику.

Таким образом, способ работы теплового двигателя позволяет получить замкнутый термодинамический цикл с высокой эффективностью и экономичностью, используя любой источник тепла окружающей среды без вредных выбросов в атмосферу.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в двигателях, работающих в круговом процессе. Сущность изобретения: в качестве рабочего вещества используется газожидкостный раствор, например раствор азота в бутане. Рабочий цикл происходит в области ретроградной конденсации. В первой рабочей фазе объем камеры быстро адиабатически расширяется, давление падает, при расширении пар выполняет механическую работу. Из-за быстрого расширения происходит замедление конденсации. Во внешней мертвой точке при короткой остановке рабочее вещество переходит в стабильное положение, и поскольку изобары на фазовой границе имеют излом, происходит скачок давления. Далее конденсат-пар опять приводится к исходному давлению и температуре. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ работы теплового двигателя путем введения рабочего вещества в закрытое посредством рабочей стенки пространство при температуре котла, объем которого в первой рабочей фазе расширяют движением подвижной стенки от внутренней мертвой точки до внешней мертвой точки, в области которой поддерживают постоянным на период заданного времени, а во второй рабочей фазе через движение вовнутрь подвижной стенки сжимают до исходного объема к внутренней мертвой точке и посредством теплообмена доводят рабочее вещество до температуры котла, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют газожидкостный раствор, кривая равновесного состояния давление - концентрация более летучего компонента которого при постоянной температуре содержит область со значением производной меньше нуля, на кривой равновесного состояния удельный объем концентрация более летучего компонента которого при постоянной температуре изобары имеют излом, при котором увеличивается нарастание каждой изобары при уменьшении упомянутой концентрации, критическая температура более летучего компонента которого лежит ниже температуры котла, а критическая температура менее летучего компонента выше температуры котла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют раствор азота в бутане.