ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ, В КОТОРОМ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ СМЕСЬ Российский патент 2000 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, в котором рабочий цикл осуществляется 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 г.).

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

Известен способ работы теплового двигателя, использующий в качестве рабочего вещества газожидкостный раствор, обладающий обратной растворимостью по температуре. В первой рабочей фазе раствор расширяется с совершением работы с последующей отдачей тепла, а во второй рабочей фазе сжимается до исходного объема, после чего посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры (см. патент США 4779424, F 01 K 25/06, 27.12.83.

Недостатком этого способа является то, что в области обратной растворимости цикл может быть осуществлен при больших давлениях, что приводит к увеличению веса энергоустановки.

Целью настоящего изобретения является повышение термодинамической эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что в энергетическом цикле, использующем в качестве рабочего тела смесь веществ в виде газожидкостного раствора, в котором в первой фазе при первоначальной температуре рабочее тело расширяется с совершением работы с последующей отдачей тепла, а во второй фазе сжимается, после чего посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры, в качестве рабочего тела используют смесь, состоящую из нескольких компонентов находящихся в жидкой и газовой фазах, при этом пропорции компонентов в смеси, диапазон давлений и температур рабочего тела выбирают так, что
- в процессе изотермического расширения при одновременной регистрации подводимого тепла выполняется соотношение:
V₂(P₁-P₂)≥Q,
где Q - подведенное тепло,
P₁ - начальное давление,
P₂ - конечное давление,
V₂ - конечный объем.

Фиг. 1 изображает цикл, состоящий из изотермы расширения, изобары охлаждения и адиабаты сжатия в котором объемы при изобарическом охлаждении относятся как температуры начала и конца охлаждения V₂/V₃=T₂/T₃.

Фиг. 2 изображает экспериментальные зависимости подводимого тепла и изотерму при температуре 30^oC смеси азот - бутан при концентрации газового компонента 0,3; от давления 100 кг/см² до давления 30 кг/см².

Фиг. 3 изображает P-V диаграмму термодинамического цикла,
Фиг. 4 изображает кривые постоянных КПД циклов при изменении температуры изотермического расширения от -30^oC до 70^oC и изотермического сжатия при -30^oC в пределах давлений от 100 до 20 кг/см², считая верхнее давление 100 кг/см².

Фиг. 5 изображает P-V диаграмму обратимого термодинамического цикла, построенного на экспериментальных зависимостях адиабатического расширения и сжатия смесит азот - бутан при концентрации газового компонента 0,2 от давления 250 кг/см² до давления 50 кг/см² в диапазоне температур от 30^oC до -29^oC.

В энергетическом цикле рабочее тело представляет собой смесь веществ, состоящую из нескольких компонентов, находящихся в равновесии в жидкой и газовой фазах. При изменении давления и температуры происходят равновесные процессы изменения количества и концентрации фаз, происходящие с тепловыми процессами, величины которых зависят от выбора давления и температуры. Использование такой смеси в качестве рабочего тела в замкнутом цикле за счет наличия внутренних процессов измерения концентрации фаз, происходящих с тепловыми эффектами позволяет при сжатии аккумулировать часть тепла, а при расширении выделять тепло, что позволяет существенно повысить термодинамическую эффективность цикла.

Рассмотрим цикл, изображенный на фиг. 1, состоящий из изотермы расширения 1-2, изобары охлаждения 2-3 и адиабаты сжатия 3-1. Выбираем режим цикла, при котором объемы при изобарическом охлаждении относятся как температуры начала и конца охлаждения V₂/V₃=T₂/T₃. При изотермическом расширении подводится тепло Q.

Начальное давление P₁ и конечное давление P₂ выбираются так, чтобы площадь цикла была равна площади треугольника с основанием (V₂-V₃) и высотой (P₁-P₂). Это практически осуществляется при P₁≤2P₂. Коэффициент полезного действия такого цикла составит:

Максимальный теоретический КПД составит так как температура отвода тепла (T₂+T₃)/2 при теплоемкости C_p2 = C_p3, что для выбранных условий справедливо.

Приравнивая η = η_max получаем условие при котором КПД нашего цикла максимальный.

или
V₂(P₁-P₂)=Q.

Это условие является критерием поиска рабочего тела.

На фиг. 2 в калибровке P-V показана полученная экспериментально изотерма 30^oC при расширении от 100 кг/см² до 30 кг/см² смеси, состоящей из двух компонентов - азота в газовой фазе и бутана в жидкой фазе при концентрации газового компонента 0,3 и подводи мое тепло в калибровке Q-V. Для получения максимального КПД при P₁ = 60 кг/см² и P₂ = 30 кг/см² подведенное тепло должно быть:
Q=V₂(P₁-P₂)= 28 кДж/кг,
а экспериментальные данные дают значение Q = 13 кДж/кг, то есть реальный КПД получается больше максимального. Таким образом, критерием выбора пропорции компонентов в смеси, диапазона давлений и температур рабочего тела является выражение:
V₂(P₁-P₂)≥Q,
На фиг. 3 изображен энергетический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изобар.

При сжатии 1 - 2 происходит увеличение доли жидкой фазы, увеличение концентрации жидкой фазы и увеличение концентрации газовой фазы, затем производим нагрев при постоянном давлении 2 - 3, при котором происходит увеличение доли газовой фазы, увеличение концентрации жидкой фазы и уменьшение концентрации газовой фазы. Затем производится сжатие рабочего тела 3 - 4, при котором происходит увеличение доли газовой фазы с уменьшением концентрации жидкой фазы и увеличение концентрации газовой фазы. Затем производится охлаждение 4-1 до первоначальной температуры с увеличением доли жидкой фазы и увеличением концентрации газовой фазы. В процессе сжатия отводится количества тепла Q₂, в процессе нагрева подводится количество тепла Q₃, в процессе расширения подводится количество тепла Q₁ и в процессе охлаждения отводится количество тепла Q₄. Цикл совершает работу L. В процессах расширения и сжатия при изменении концентрации в жидкой и газовой фазах происходят тепловые эффекты, которые зависят от давления и температуры. Это является специфическим свойством данного рабочего тела. Используя эти свойства, можно найти режимы, например, изотермического расширения, когда подвод тепла для обеспечения постоянной температуры минимален, поскольку идет выделение тепла при протекании внутренних процессов.

Исходя из экспериментальных данных изотерм расширения смеси азот - бутан в различных режимах по критерию V₂(P₁-P₂)≥Q, выбрано рабочее тело с концентрацией азота 0,3 и проведен анализ энергетических циклов, состоящих из двух изотерм и двух изобар при постоянной температуре сжатия - 30^oC, постоянном верхнем давлении 100 кг/см² и переменных нижнем давлении и температуре расширения для рабочего тела одного состава.

На фиг. 4 приведены кривые КПД при изменении температуры расширения от -30^oC до 70^oC и нижнего давления от 100 до 20 кг/см². Как видно из графика КПД цикла можно менять, выбирая режим работы, что позволяет находить наиболее эффективный цикл для тепловой машины.

Таким образом, выбирая состав композитного рабочего тела, обеспечиваем необходимые характеристики изотерм, которые характеризуются эффективностью, приведенной на фиг. 4.

Характерной особенностью цикла, вытекающей из данных фиг. 4, является зависимость КПД от давления при постоянных верхней и нижней температурах.

Реальный цикл ограничен двумя адиабатами и двумя изобарами. На фиг. 5 приведен цикл в пределах давлений от 250 до 50 кг/см² для смеси азот - бутан при концентрации азота 0,2. Адиабата сжатия 1 - 2 начинается от температуры -29^oC при давлении 50 кг/см² и заканчивается давлением 250 кг/см² с температурой смеси -21^oC. Адиабата расширения 3 - 4 начинается с давления 250 кг/см² и заканчивается давлением 50 кг/см² с начальной температурой 30^oC и конечной температурой 20^oC. Подогрев при постоянном давлении 2 - 5 осуществляется за счет регенерации при отборе тепла 4 - 6 при изобарном охлаждении 4 - 1. Температура тачки 6 составляет -21^oC, температура точки 5 составляет 20^oC.

В цикле тепло подводится в процессе 5 - 3, отводится в процессе 6 - 1 и частично 4 - 6, поскольку тепло 2 - 5 меньше тепла 4 - 6. В данном цикле подведенное тепло составляет Q_5-3=27,2 кДж/кг, а работа цикла составляет L = 9,7 кДж/кг, КПД цикла составит Максимальный теоретический КПД приведенного цикла при средней температуре подвода тепла 25^oC и средней температуре отвода тепла -25^oC должен составлять то есть меньше полученного при таких же перепадах температур.

Таким образом, применяя условие V₂(P₁-P₂) ≥Q, при выборе компонентов смеси рабочего тела можно существенно улучшить характеристики тепловых машин.

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, 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 повышает термодинамическую эффективность цикла. 5 ил.

Энергетический цикл, в котором в качестве рабочего тела используется смесь веществ в виде газожидкостного раствора, в котором в первой фазе при первоначальной температуре рабочее тело расширяется с совершением работы с последующей отдачей тепла, а во второй фазе сжимается, после чего посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют смесь, состоящую из нескольких компонентов, находящихся в жидкой и газовой фазах, при этом пропорции компонентов в смеси, диапазон давлений и температур рабочего тела выбирают так, что в процессе изотермического расширения при одновременной регистрации подводимого тепла выполняется соотношение
V₂(P₁ - P₂) ≥ Q,
где Q - подведенное тепло;
P₁ - начальное давление;
P₂ - конечное давление;
V₂ - конечный объем.