ТЕПЛОВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01K27/00 F03G7/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к тепловым машинам, служащим для преобразования теплоты в механическую энергию и/или при помощи гидравлического двигателя в варианте энергетической установки, или для подачи текучей среды (жидкости, газа и др.) - вариант насоса.

Наиболее близкой к изобретению является тепловая машина, содержащая первую емкость, полностью или частично заполненную текучей средой, вторую емкость, причем к выходу из первой емкости подключен вход во вторую емкость [1].

Недостаток данного решения: испаритель и конденсатор должны иметь большую площадь теплопередающей поверхности, так как в испарителе и в конденсаторе имеет место фазовый переход рабочего тела, а скрытая теплота парообразования у жидкостей, как известно, имеет значительную величину. Все это увеличивает габаритные размеры и материалоемкость.

Габаритные размеры машины увеличиваются и вследствие того, что для достижения уровня удельных затрат теплоты, характерных для традиционных тепловых двигателей, необходимо иметь высокое значение гидростатического давления жидкости на входе в гидродвигатель, а это возможно только при большом расстоянии между уровнем поверхности жидкости в емкости и уровнем, на котором установлен гидродвигатель.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, уменьшение площади теплопередающей поверхности теплообменников, а следовательно, уменьшение габаритных размеров и материалоемкости установки.

Задача изобретения решается тем, что в усовершенствованной тепловой машине не происходит фазового перехода рабочего тела, т.е. рабочее тело в процессе работы находится в жидком состоянии.

Для решения поставленной задачи вторая емкость заполнена той же жидкостью, что и первая емкость, но имеющей более высокую температуру, чем температура жидкости в первой емкости, выход из второй емкости подключен к входу во второй теплообменник, где от жидкости (являющейся рабочим телом) отводится теплота; данная машина как единая конструкция выполнена с возможностью вращения вокруг некоторой оси, при этом обе емкости с жидкостями и гидродвигатель расположены на некотором расстоянии от оси вращения.

При этом разная температура жидкостей в первой и второй емкостях обеспечивает то, что жидкости в первой и второй емкостях будут иметь разную плотность. Как известно, при повышении температуры плотность жидкости уменьшается. Следовательно, на жидкости, находящиеся в первой и второй емкостях, при вращении будут действовать в центробежные силы инерции, имеющие разные значения. А следовательно, на рабочем органе гидродвигателя будет существовать перепад давления жидкости, что и будет способствовать выработке механической энергии. Первая и вторая емкости при этом имеют равную длину в направлении от оси вращения (к периферии).

Отсутствие фазового перехода рабочего тела позволит подводить к жидкости (и отводить от нее) меньшее количество теплоты, чем у прототипа, что позволит уменьшить потребную площадь теплопередающей поверхности, а следовательно, уменьшить габаритные размеры и материалоемкость.

Гидродвигатель может быть установлен как между выходом из первой емкости и входом в первый теплообменник, так и может быть подключен к выходу из второй емкости, или может быть установлен в самой второй емкости. Во втором случае гидродвигатель может быть выполнена невращающимся вместе с машиной.

В качестве гидродвигателя может быть использован любой его тип, как, например, центростремительная турбина, аксиально-поршневой двигатель, ковшовая турбина и др. В последнем случае у входа на рабочий орган гидродвигателя должно быть установлено реактивное сопло (или иное эквивалентное устройство), преобразующее гидростатическое давление жидкости в высокоскоростную струю жидкости.

в качестве рабочего тела может быть использована любая текучая среда (жидкость, газ, мелкодисперсное твердое тело и др.). Это возможно потому, что у газа и у твердого тела при их нагревании (так же как и у жидкости) увеличивается занимаемый ими объем, а следовательно, уменьшается их плотность.

Теплота к текучей среде (к рабочему телу) в первом теплообменнике может подводиться любым возможным образом - при помощи теплоносителя, излучением, при помощи химической реакции и др.

Теплота, подводимая к рабочему телу в первом теплообменнике, может образовываться при сжигании органического или ядерного топлива, использоваться отходящая теплота других производств и др.

Изобретение может быть использовано и в качестве насоса, служащего для подачи текучей среды (жидкости, газа, мелкодисперсного твердого тела и др.) В этом варианте исполнения заявляемого решения гидродвигатель может отсутствовать.

Первый и второй теплообменники могут быть выполнены как отдельные детали, так и совместно со второй и первой емкостями соответственно.

На чертеже показана описываемая тепловая машина - энергетическая установка.

Тепловая машина содержит первую и вторую емкости 1 и 5, заполненные жидкостями 2 и 6, гидравлический двигатель (гидродвигатель) 3, первый и второй теплообменники 4 и 7, ось вращения обозначена поз.8.

Две тепловые машины могут быть установлены таким образом, что второй теплообменник первой тепловой машины соединен в тепловом отношении, например, посредством теплоносителя, с первым телпообменником, второй тепловой машины, а текучая среда во второй емкости первой тепловой машины имеет более высокую температуру, чем текучая среда во второй емкости второй тепловой машины.

Тепловая машина в режиме энергетической установки работает следующим образом. Машина как единая конструкция вращается вокруг оси 8 с угловой скоростью ω . На жидкости 2 и 6, которые имеют разную температуру, будет действовать центробежная сила инерции. Но так как увеличении температуры жидкости ее плотность уменьшается, следовательно, давление жидкости на рабочий орган гидродвигателя 3 со стороны жидкости 2 будет выше, чем со стороны жидкости 6 (так как первая и вторая емкости 1 и 5 имеют равную длину в направлении от оси 8 к гидродвигателю 3). Следовательно, на рабочем органе гидродвигателя 3 будет существовать перепад давлений жидкости, за счет чего и будет вырабатываться им механическая энергия, которая любым возможным образом, например, при помощи механической передачи, передается потребителю (не показана).

Жидкость 2, пройдя гидродвигатель 3, поступает в первый теплообменник 4, где к ней при помощи теплоносителя подводится теплота. Движение теплоносителя через первый теплообменник 4 на чертеже показано стрелкой _→. При этом температура жидкости повышается, а ее плотность соответственно уменьшается. За счет того, что на жидкость 6, имеющую большую температуру и меньшую плотность, давит жидкость 2, имеющая меньшую температуру и большую плотность, жидкость 6 начинает перемещаться в направлении от первого теплообменника 4 к оси 8 (ко второму теплообменнику 7). Движение жидкости 6 во второй емкости 5 на чертеже показано стрелкой _··→.

Во втором теплообменнике 7 от жидкости 6 при помощи теплоносителя отводится теплота в количестве, равном подведенной в первом теплообменнике 4. Движение теплоносителя через второй теплообменник 7 на чертеже показано стрелкой _→. При этом температура жидкости понижается, а ее плотность соответственно увеличивается. Жидкость из второго теплообменника 7 поступает в первую емкость 1 и далее на вход в гидродвигатель 3. Движение жидкости 2 в первой емкости 1 в направлении от второго теплообменника 7 к гидродвигателю 3 на чертеже показано стрелкой _·→. В дальнейшем все периодически повторяется.

На чертеже приведен вариант исполнения, когда первая и вторая емкости 1 и 5 и первый второй теплообменники 4 и 7 представляют из себя отдельные детали. Однако возможен вариант исполнения, когда второй теплообменник 7 и первая емкость 1 объединены в единую конструкцию. В единую конструкцию также могут быть объединены первый теплообменник 4 и вторая емкость 5. Все это будет способствовать снижению габаритных размеров и материалоемкости установки.

В варианте исполнения, когда выход из второго теплообменника 7 не подключен к первой емкости 1, для непрерывной работы в первую емкость 1 должна поступать жидкость из других источников. В этом случае система получается гидравлически не замкнутой.

Возможен вариант исполнения машины, когда она выполняет роль насоса, служащего для подачи текучей среды. В данном варианте исполнения будет отсутствовать гидродвигатель.

В варианте исполнения, когда второй теплообменник 7 выполнен вращающимся вместе с тепловой машиной вокруг оси 8, он расположен ближе к оси 8, чем первый теплообменник 4.

В варианте исполнения, показанном на чертеже, выход из первой емкости 2 посредством гидродвигателя 3 и первого теплообменника 4 и вход во вторую емкость 5 соединены между собой на более далеком расстоянии от сои 8, чем соединенные между собой выход из второй емкости 5 и вход в первую емкость 1.

В варианте выполнения с двумя (или более) тепловыми машинами обеспечивается разгрузка оси 8. При этом второй теплообменник первой тепловой машины соединен в тепловом отношении любым возможным способом, например, при помощи теплоносителя, с первым теплообменником второй тепловой машины. Текучая среда во второй емкости первой тепловой машины имеет более высокую температуру, чем текучая среда во второй емкости у второй тепловой машины. Таких тепловых машин, последовательно соединенных в тепловом отношении, может быть более двух. При этом они могут представлять из себя как единую конструкцию, вращающуюся вокруг общей оси, так и раздельные конструкции, каждая из которых вращается вокруг собственной оси.

Так как существующие двигатели, преобразующие статическое или динамическое давление текучей среды в механическую работу, могут работать при вполне конкретном конечном перепаде давлений текучей среды на рабочем органе двигателя, то последовательно можно установить несколько таких двигателей.

В варианте насоса, служащего для подачи текучей среды, выход из второй емкости подключен к потребителю текучей среды, а к входу в первую емкость подключен источник текучей среды.

Описанные усовершенствования позволяют обеспечить меньшую материалоемкость и габаритные размеры, что в свою очередь уменьшает потери теплоты через стенки тепловой машины.

Использование: в энергомашиностроении, а именно при проектировании тепловых машин и энергетических установок. Сущность изобретения: машина содержит первую емкость, частично или полностью заполненную жидкость, и вторую емкость. К той части емкости, которая заполнена жидкостью, подключен гидравлический двигатель. К выходу из гидравлического двигателя подключен первый теплообменник, служащий для подвода теплоты к жидкости, выход из которого подключен к входу во вторую емкость. Вторая емкость заполнена той же жидкостью, что и первая емкость. Жидкость во второй емкости имеет более высокую температуру, чем жидкость в первой емкости. К выходу из второй емкости подключен второй теплообменник, служащий для отвода от жидкости теплоты. Выход из второго теплообменника подключен к первой емкости. Машина как единое целое может совершать вращение вокруг некоторой оси. При этом первая и вторая емкости, заполненные жидкостями, гидравлический двигатель, первый и второй теплообменники расположены на некотором расстоянии от оси вращения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловая машина, имеющая первую емкость, или частично, или полностью заполненную текучей средой, к выходу из первой емкости, который заполнен текучей средой, подключен вход во вторую емкость, отличающаяся тем, что вторая емкость заполнена той же текучей средой, что и первая емкость, текучая среда во второй емкости имеет более высокую температуру, чем текучая среда в первой емкости, или сама вторая емкость представляет собой первый теплообменник и/или между выходом из первой емкости и входом во вторую емкость установлен первый теплообменник, выполненный для подвода теплоты к текучей среде, выход из второй емкости подключен к потребителю текучей среды, к входу в первую емкость подключен источник текучей среды, тепловая машина как единая конструкция выполнена с возможностью вращения вокруг некоторой оси, при этом текучая среда в первой и второй емкостях и первый теплообменник расположены на некотором расстоянии от оси вращения тепловой машины, выход из первой емкости и вход во вторую емкость соединены между собой на некотором расстоянии от оси вращения тепловой машины. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что к выходу из второй емкости подключен второй теплообменник, выполненный для отвода теплоты от текучей среды, второй теплообменник выполнен неподвижным или с возможностью вращения совместно с тепловой машиной, при этом во втором случае второй теплообменник расположен ближе к оси вращения тепловой машины, чем первый теплообменник, выход из второго теплообменника подключен или к первой емкости, и/или к иному потребителю текучей среды. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что выход из второй емкости подключен к входу в первую емкость, а сама первая емкость представляет из себя второй теплообменник, выполненный для отвода теплоты от текучей среды, выход из второй емкости и вход в первую емкость соединены между собой на более близком расстоянии от оси вращения тепловой машины, чем соединены между собой выход из первой емкости и вход во вторую емкость. 4. Машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что или между выходом из первой емкости и входом в первый теплообменник, или во второй емкости, или на выходе из второй емкости установлен двигатель, рабочим телом в котором является текучая среда, находящаяся в первой и второй емкостях. 5. Машина по п.2, отличающаяся тем, что на выходе из второго теплообменника установлен двигатель, рабочим телом в котором является текучая среда, находящаяся в первой и второй емкостях.