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

Изобретение относится к энергетике 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. Способ предусматривает нагрев и смешение веществ при одинаковых давлениях, расширение смеси вещества с совершением работы, охлаждение смеси с последующим ее разделением и сжатием (см. авт.св. СССР N 1477907, F 01 K 25/06, 1986).

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

Известен способ работы теплового двигателя путем введения 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, 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 (см. патент России по заявке 94009482/06 (009394), 1994).

Недостатком этого способа является невысокий коэффициент полезного действия, а также трудности в реализации изотермического цикла.

Целью настоящего изобретения является повышение термодинамической эффективности работы теплового двигателя.

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, 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, обладающий обратной растворимостью по температуре, причем введение рабочего вещества осуществляют при давлении и концентрации, при которых газожидкостный раствор при температуре котла находится в зоне обратной растворимости, при этом парциальное давление паров жидкого компонента в газожидкостном растворе является минимальным.

Фиг. 1 схематически изображает тепловой двигатель в первой рабочей фазе.

Фиг. 2 схематически изображает тепловой двигатель во второй рабочей фазе.

Фиг. 3 изображает P - V диаграмму термодинамического цикла, построенного на экспериментальных зависимостях изотермического расширения газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости при температурах T = - 24^oC и T = 30^oC при концентрации газового компонента C = 0,3.

Фиг. 4 изображает экспериментальную зависимость подводимого тепла Q₁ от температуры при изотермическом расширении газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости при температуре T = 30^oC и концентрации газового компонента C = 0,3.

Согласно классическим представлениям тепловой эффект растворения газа в жидкости меняет знак в точке перехода от обратной к прямой растворимости. При прямой растворимости с увеличением температуры растворимость газа в жидкости при постоянном давлении уменьшается и растворение газа сопровождается выделением тепла. С переходом на обратную растворимость знак теплового эффекта растворения газа в жидкости меняется на обратный, т.е. при увеличении температуры растворимость газа при P = const возрастает и процесс идет с поглощением тепла. Поэтому газожидкостный раствор, представляющий двухкомпонентную смесь, обладает определенными свойствами в зоне обратной растворимости, если его использовать в качестве рабочего тела теплового двигателя.

В процессе изотермического расширения газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости по температуре происходит увеличение объема за счет выделения газового компонента из жидкой фазы, которое сопровождается выделением тепла и повышением температуры. В то же время увеличение объема газовой фазы сопровождается и чистым испарением жидкой фазы, которое требует подвода тепла. Совершение работы требует также эквивалентное количество тепла. При низких температурах давление насыщенного пара жидкой фазы мало, поэтому при больших давлениях термодинамического цикла теплота чистого фазового перехода мала по сравнению с теплотой выделения азота, за счет этого подводить тепла надо меньше, что повышает эффективность цикла.

В процессе изотермического сжатия газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости по температуре происходит растворение газового компонента в жидкости, которое сопровождается поглощением тепла и понижением температуры. Поэтому процесс сжатия можно начать при более высокой температуре, что уменьшает работу сжатия и повышает эффективность цикла.

На фиг. 1 и 2 схематически изображен тепловой двигатель. Он работает на газожидкостном растворе. Тепловой двигатель содержит котел 1, который поддерживается при температуре котла, которая выбирается таким образом, что при выбранном давлении и концентрации газожидкостного раствора он находится в зоне обратной растворимости по температуре и парциональное давление паров жидкого компонента минимально. Котел 1 соединен через вентильное устройство 2 с цилиндрической камерой 3 цилиндра 4. Цилиндрическая камера 3 закрыта подвижной стенкой 5, которая может перемещаться между внутренней мертвой точкой - заштриховано на фиг. 1 - и внешней мертвой точкой - заштриховано на фиг. 2. Подвижная стенка 5 соединена через шатун 6 и неравномерную передачу 7 с маховиком 8. Цилиндрическая камера 3 через вентильное устройство 9 соединена с теплообменником 10, находящимся в котле 1. Теплообменник 10 может и не находиться в котле, а быть с ним соединен. Теплообменник 10 обеспечивает тепловой контакт с нагревателем и холодильником (на чертеже не показаны).

Тепловой двигатель работает следующим образом. На фиг. 3 показана P - V диаграмма термодинамического цикла, построенного на экспериментальных зависимостях изотермического расширения газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости при температурах T₁ = 30^oC и T₂ = -24^oC. Концентрация газового компонента C = 0,3. На фиг. 4 показана экспериментальная зависимость подводимого тепла Q₁ от температуры при изотермическом расширении газожидкостного раствора в зоне обратной растворимости при температуре T₁ = 30^oC и концентрации газового компонента C = 0,3. Выбираются давление, концентрация и первоначальная температура - в данном случае это температура котла, при которых рабочее вещество - газожидкостный раствор - находится в зоне обратной растворимости по температуре и парциальное давление паров жидкого компонента минимально. На диаграмме фиг. 3 это точка 11, которая соответствует давлению P₁ = 150 кг/см², концентрации C = 0,3, температуре T₁ = 30^oC. Рабочее вещество из котла 1 через вентильное устройство 2 вводится в камеру 3 и посредством теплообменника 10 приводится в тепловой контакт с нагревателем. В первой рабочей фазе фиг. 1 объем камеры 3 расширяется, давление падает от P₁ = 150 до P₂ = 30 кг/см² (фиг. 3 отрезок 11-12). При расширении рабочее вещество выполняет механическую работу. Подводимое тепло согласно фиг. 4 составляет Q₁ = 63,5 кДж/кг. Рабочее вещество приходит в состояние точки 12 на диаграмме фиг. 3. Далее рабочее вещество изобарически охлаждается до температуры T₂ = -24^oC (фиг. 3 отрезок 12 - 13) и посредством теплообменника 10 приводится в тепловой контакт с холодильником. Это соответствует состоянию точки 13 на диаграмме фиг. 3, в котором давление P₂ = 30 кг/см² и температура T₂ = -24^oC. При этой температуре во второй рабочей фазе фиг. 2 рабочее вещество сжимается изотермически до первоначального давления P₁ = 150 кг/см², отдает количество теплоты Q₂ холодильнику и переходит в состояние точки 14 (фиг. 3 отрезок 13 - 14). Из этого состояния рабочее вещество изобарически нагревается до первоначальной температуры и возвращается в исходное термодинамическое состояние в точку 11 (фиг. 3 отрезок 14-11). Видно, что график P - V фиг. 3 является замкнутой кривой, которая ограничивает плоскость и цикл проходит по часовой стрелке. Следовательно тепловой двигатель при каждом цикле совершает механическую работу.

Описанная функция предполагает неравномерное движение подвижной стенки 5. Подобная двигательная характеристика достигается посредством неравномерной передачи между шатуном 6 и маховиком 8. Неравномерная передача 7 может быть рассчитана так, что подвижная стенка 5 будет иметь желаемую двигательную характеристику.

Работа цикла на фиг. 3 составляет A = 14,755 кДж/кг. Подведенное тепло в цикле согласно фиг. 4 составляет Q₁ = 63,5 кДж/кг. Коэффициент полезного действия экспериментального цикла составил η_э= 0,232. Теоретический КПД составляет η_t= 0,190. В этом нет противоречия. Повышение эффективности достигается тем, что при использовании в качестве рабочего вещества газожидкостного раствора, обладающего обратной растворимостью по температуре, в зоне обратной растворимости в первой рабочей фазе происходит выделение тепла, что позволяет на несколько градусов понизить температуру нагревателя, а во второй рабочей фазе происходит поглощение тепла, что позволяет на несколько градусов повысить температуру холодильника.

Таким образом, предложенный способ работы теплового двигателя позволяет получить замкнутый термодинамический цикл с высокой эффективностью.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в двигателестроении, в частности в двигателях, работающих в круговом процессе. В качестве рабочего вещества используют газожидкостный раствор, обладающий обратной растворимостью по температуре. В первой рабочей фазе объем камеры расширяется, давление падает, при расширении выполняется механическая работа, при увеличении объема и падении давления происходит выделение газовой фазы, которое сопровождается выделением тепла, поэтому подведенное тепло может быть меньше. При сжатии происходит растворение газа в жидкости, которое сопровождается поглощением тепла, поэтому работа сжатия уменьшается. Изобретение позволяет повысить термодинамическую эффективность цикла. 4 ил.

Способ работы теплового двигателя, включающий использование в качестве рабочего вещества газожидкостного раствора, который вводят 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, который затем отдает тепло, а во второй рабочей фазе через движение подвижной стенки к внутренней мертвой точке газожидкостный раствор сжимается до исходного объема, при этом рабочее вещество посредством теплообмена доводится до температуры котла, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют газожидкостный раствор, обладающий обратной растворимостью по температуре, при этом выбирают давление и концентрацию газожидкостного раствора, при которых он при температуре котла находится в зоне обратной растворимости по температуре и парциальное давление паров жидкого компонента в газожидкостном растворе является минимальным.