ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02G1/04 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразования внутренней энергии в механическую, в частности к паровым двигателям.

Известны паровые машины, работающие по циклу Карно, имеющему максимальный термический КПД, цикл Ренкина, бинарные циклы и т.п., основанные на том, что происходит парообразование ранее охлажденного и сжатого пара, имеющего параметры P₁ и T₁. Расширение его за счет изменения параметров P₂ и T₁. Совершается работа, часть которой идет вновь на сжатие охлажденного отработавшего пара.

Недостатком всех этих циклов является затрата большого количества энергии на получение пара, ввиду низких начальных параметров его (пара), когда теплота парообразования максимальна. Кроме того, низкие начальные параметры пара (давление вплоть до вакуума) требуют значительно больших размеров конденсатора.

Наиболее близким из известных технических решений является цикл двигателя Стирлинга, имеющего: 1 - такт сжатия рабочего холодного тела при постоянной температуре за счет холодного источника тепла, 2 - такт перемещения холодного рабочего тела через регенератор в горячую полость, где он дополнительно нагревается внешним источником тепла, 3 - расширяется, совершая работу, часть которой идет вновь на сжатие охлажденного рабочего тела, которое постоянно и несменяемо.

Недостатком этого цикла является то, что в качестве рабочего тела используется газ под давлением, в результате чего невозможно обеспечить частую смену температуры теплопроводящей стенки для эффективной работы двигателя. Слишком мал прирост газа на 1^o и составляет 1/273 объема, поэтому применена такая сложная конструкция двигателя Стирлинга, в которой нет условий для образования пара при критических параметрах жидкости. Поршневые кольца не в состоянии обеспечить достаточную герметичность для начального парообразования.

Цель изобретения - создание малогабаритного теплового двигателя с внешним источником тепла, высоким КПД 0,5-0,6 и простого по конструкции.

Для достижения поставленной цели в известном тепловом двигателе, содержащем два замкнутых объема, образованных клапанами, постоянным количеством жидкого рабочего тела внутри них, источник отбора мощности и вал отбора мощности, замкнутые объемы соединены между собой источником отбора мощности и поочередно получают то тепло при закрытом клапане, то холод при открытом клапане, причем смена источников тепла и холода происходит в начале открытия клапана в горячем замкнутом объеме.

На фиг. 1 дана схема работы двигателя в поршневом исполнении, без шатунно-кривошипной системы; а, б, в, г - прогрев двигателя, д - двигатель в рабочем режиме, е - вид А - вид камер 1 снизу, без источников тепла и холода. На фиг. 2 - источник отбора мощности 4 - центробежный, осевой или роторный. Камеры 1 с двигателем вращаются вокруг источников тепла и холода. На фиг. 3 - график кривой рабочих давлений и температур прогретого теплового двигателя при использовании в качестве рабочего тела воды.

Тепловой двигатель содержит камеры парообразования (парогенераторы) 1 с элементами усиления теплопередачи (радиатор, змеевик или др.), порции жидкости 2, клапан 3 высокого давления с пружиной, источник отбора мощности 4 (поршневой, центробежный, осевой или роторный), редуктор 5, вал отбора мощности 6, устройство управления клапаном 7, сальник 8, источник тепла Т, холода Х, устройство управления источником тепла и холода или устройство поворота корпуса двигателя относительно неподвижных источников тепла и холода 9, теплоизоляционная прокладка 10.

Тепловой двигатель работает следующим образом. К одной из камер парообразования 1 подводится тепло при постоянном объеме (фиг. 1а). Порция жидкости 2 превращается в пар высокого давления. Затрачена большая теплота парообразования для воды 539 кал/г. Клапан 3 высокого давления автоматически давлением пара или управляемо (распредвал, электромагнит, термореле) открывается (в двигателе поршневого исполнения одновременно открываются два клапана управляемо). Пар устремляется в источник отбора мощности, расширяется, совершая при этом работу. Часть этой работы на сжатие рабочего тела холодной камеры парообразования (см. фиг. 2б, фиг. 2). Расширение происходит, пока давления пара горячей и холодной камер парообразования не будут равны. Одновременно с началом момента расширения пара меняются местами камеры парообразования или источники тепла и холода относительно неподвижных камер 1 - для экономии времени цикла, поскольку процесс теплопроводности стенок камер 1 имеет инертный характер и нужно опережение теплообмена, подобно опережению зажигания в двигателе внутреннего сгорания. Пар в конце такта расширения имеет значительную удельную энтальпию и температуру (для воды 200^oC). Далее два такта повторяются для второй камеры парообразования 1, помещенной в тепло:
- образование пара высокого давления из жидкости;
- расширение пара с совершением работы (см. фиг. 1 в, г).

Это все идет - прогрев, запуск двигателя, когда на начальное образование пара затрачивается значительная часть тепла (для воды 539 кал/г), что требует значительного времени - в пределах секунд для каждой камеры. Далее технические процессы повторяются, но термодинамические - очень отличны, поскольку для получения пара того же высокого давления, того же количества потребуется значительно меньшее количество тепла (для воды около 100 кал/г и менее), чтобы получить перепад давления пара 200 атм, что при хороших условиях теплопередачи займет доли секунды по времени при расчетной мощности источника Т.

Учитывая высокое давление пара внутри двигателя, в частности внутри источника отбора мощности 4, возможна утечка пара через сальник 8 вала отбора мощности 6, поэтому применен редуктор 5, чтобы применить усиленный сальник 8 на усиленном валу отбора мощности 6. По мере необходимости жидкость 2 в камере парообразования 1 пополняется насосом. Этого можно избежать, если объединить предложенный двигатель с электрогенератором, например по заявке N 93035531/25, используя общую диэлектрическую жидкость в качестве рабочего тела, расположив их на одном валу и объединив в один корпус через изоляционную прокладку 10.

Быстрая смена источников тепла и холода может осуществляться:
1 - путем изменения направления теплопередачи источником (вращающиеся заслонки, жалюзи);
2 - путем включения и выключения источника тепла подобно тому, как в двигателях внутреннего сгорания;
3 - путем перемещения, поворота самих камер парообразования относительно неподвижных источников тепла (см. фиг. 2, обозначено стрелкой). Частота чередования тепла и холода зависит при данном источнике тепла Т от размера камер парообразования, от сечения паропровода и каналов источников отбора мощности. В начале прогрева двигателя при запуске эта частота мала - один период за несколько секунд. В прогретом двигателе - один период за долю секунд. Цикл прелагаемого теплового двигателя содержит два такта:
1 - нагревание рабочего тела при постоянном объеме - адиабатный процесс;
2 - расширение и охлаждение при этом рабочего тела с совершением работы по одну сторону рабочих элементов источника отбора мощности, сжатием его - по другую сторону этих же элементов (поршни, лопасти). Причем первые две пары тактов происходят с потреблением значительного тепла: прогрев двигателя - все остальное такты: рабочие - с меньшим потреблением тепла.

Для увеличения КПД двигателя тепло, отнятое холодильником, можно вернуть обратно в горячую полость путем теплообмена или направить как источник тепла в другой тепловой двигатель с рабочим телом, имеющим малую критическую температуру.

Применение теплового двигателя позволит сэкономить топливо, улучшить экологию в результате полного сжигания топлива или использовать негорючие источники тепла. Конструкция простая, дешевая в изготовлении. В паре с электрогенератором появится новый источник электроэнергии, более мощный, чем химический, при равных габаритах, для переносных устройств (телевизоры, лазерные устройства).

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в энергетике и на транспорте. Двигатель содержит два замкнутых объема с клапанами, в которых размещены постоянные порции жидкого рабочего тела. Замкнутые объемы соединены между собой источником отбора мощности и поочередно получают то тепло при закрытом клапане, то холод - при открытом. Смена источников тепла и холода происходит в начале открытия клапана в горячем замкнутом объеме. 3 ил.

Тепловой двигатель, содержащий два замкнутых объема, образованных клапанами, с постоянным количеством жидкого рабочего тела внутри них, источник отбора мощности, вал отбора мощности, отличающийся тем, что замкнутые объемы соединены между собой источником отбора мощности и поочередно получают то тепло при закрытом клапане, то холод при открытом клапане, причем смена источников тепла и холода происходит в начале открытия клапана в горячем замкнутом объеме.