СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F01K25/06 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в тепловых 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), F 01 K 25/06, 1994 г.).

Недостатком этого способа является невысокая эффективность, 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 обмена, после чего посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры (см. патент России по заявке 97114538/06(014621), F 01 K 25/06, 1997 г.).

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 работы теплового двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что в тепловом двигателе, использующем в качестве рабочего тела смесь веществ в виде газожидкостного раствора, 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, при расширении и сжатии проводят перемешивание смеси, интенсивность которого выбирают так, чтобы в каждый момент при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела.

Если процессы расширения и сжатия проводят при многоступенчатом изменении давления, то продолжительность каждой ступени постоянного давления выбирают так, чтобы в конце ступени при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела.

Если процессы расширения и сжатия проводят при многоступенчатом изменении давления с перемешиванием, то интенсивность перемешивания и продолжительность каждой ступени постоянного давления выбирают так, чтобы в конце ступени при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа как новыми действиями, так и условиями выполнения этих действий. Следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "новизна".

При изучении других технических решений в данной области признаки, отличающие предложенный способ от прототипа, не были выявлены. Кроме того, проявляется непосредственная связь между отличительными признаками и достигаемой целью, что позволяет сделать вывод о соответствии данного предложения критерию "изобретательский уровень".

Фиг. 1 изображает экспериментальные зависимости адиабатного расширения смеси азота и бутана при концентрации азота в смеси 0,2.

Фиг. 2 изображает схематически устройство, описывающее способ работы тепловой машины.

Фиг. 3 изображает цикл, показывающий изменение состояния рабочего тела при циклическом процессе в тепловой машине.

Фиг. 4 изображает построенный по экспериментальным данным термодинамический цикл теплового двигателя, в котором в качестве рабочего тела используется смесь азота и бутана при концентрации азота в смеси 0,2.

Фиг. 5 изображает диаграмму для смеси азота и бутана, в которой абсцисса образована концентрацией азота, а ордината давлением, линии росы и линии кипения при различных температурах.

При использовании в качестве рабочего тела теплового двигателя многофазных смесей, представляющих газожидкостный раствор, необходимо учитывать то обстоятельство, что при изменении давления и температуры в таких смесях протекают процессы изменения концентрации и количества фаз, что при быстрых процессах расширения и сжатия приводит к химической неравновесности рабочего тела, т.е. несоответствию величин концентрации фаз смеси своим значениям на кривой равновесного состояния рабочего тела. На фиг. 5 приведены кривые равновесного состояния для смеси азота и бутана при различных температурах. В точке 1 при концентрации смеси C = 0,3, температуре 0^oC и давлении 250 кг/см² равновесное состояние соответствует концентрации газовой фазы 0,86 - точка 4 и концентрации жидкой фазы 0,2 - точка 3. Если рассмотреть процесс изотермического расширения на этой диаграмме от точки 1 до точки 2 при температуре 0^oC, то при понижении давления происходит увеличение количества газовой фазы, увеличение концентрации газовой фазы, уменьшение количества жидкой фазы, уменьшение концентрации жидкой фазы. В нашем случае при давлении 250 кг/см² концентрация газовой фазы 0,86; концентрация жидкой фазы 0,2; отношение количества газовой фазы к жидкой фазе 0,16, а при давлении 75 кг/см² эти величины составят: концентрация газовой фазы 0,93; концентрация жидкой фазы 0,04; отношение количества газовой фазы к жидкой фазе 0,4.

Если смесь химически неравновесна, то при сжатии объем рабочего тела оказывается значительно больше, чем при сжатии химически равновесной смеси, поэтому работа сжатия также больше. При расширении химически неравновесной смеси объем рабочего тела меньше, чем при расширении химически равновесной смеси, поэтому работа расширения меньше при неравновесном расширении. Этим объясняются большие потери мощности при химически неравновесных процессах сжатия и расширения в цикле теплового двигателя.

Для устранения этого недостатка необходимо в процессах расширения и сжатия создать условия, при которых в каждый момент времени при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела. Это можно сделать путем перемешивания с определенной интенсивностью рабочего тела в процессах расширения и сжатия или путем проведения процессов расширения и сжатия при многоступенчатом изменении давления или проводить процессы расширения и сжатия при многоступенчатом изменении давления с перемешиванием рабочего тела в паузах постоянного давления после каждой ступени. Перемешивание смеси или выдержка при постоянном давлении приводит к увеличению площади соприкосновения фаз, поэтому при постоянной скорости растворения растет количество растворимых компонентов в единицу времени.

На фиг. 1 приведены процессы адиабатного расширения смеси азота и бутана при концентрации азота 0,2. Кривая 1 изображает процесс расширения без перемешивания, что соответствует расширению смеси в неравновесном состоянии, кривая 2 изображает процесс расширения при интенсивном перемешивании в процессе расширения, то есть процесс близок к равновесному. Как видно из приведенных кривых адиабатного расширения двухфазной смеси, при равновесном расширении объем в любой точке кривой больше, чем при неравновесном, поэтому и работа расширения больше.

На фиг. 2 схематически показано устройство, описывающее способ работы тепловой машины. На фиг. 3 приведен цикл, показывающий изменение состояния рабочего вещества при циклическом процессе в тепловой машине. Устройство содержит машину сжатия 1, в которой происходит сжатие рабочего тела, и машину расширения 2, в которой происходит расширение рабочего тела. Обе машины находятся на одном валу 3, к которому может быть подсоединен генератор (на рисунке не показан) для выработки электроэнергии. Машины 1 и 2 связаны между собой через трубопроводную систему. Трубопровод 4 связывает машину сжатия 1 с первым входом первого теплообменника 5, первый выход которого трубопроводом 6 связан с первым входом второго теплообменника 7, первый выход которого трубопроводом 8 связан с машиной расширения 2. Трубопровод 9 связывает машину расширения 2 с вторым входом первого теплообменника 5, второй выход которого трубопроводом 10 связан с первым входом третьего теплообменника 11, первый выход которого трубопроводом 12 связан с машиной сжатия 1. Эта система представляет собой замкнутую систему, в которой находится рабочее тело тепловой машины. Рабочее тело течет по направлению стрелок на фиг. 2. Второй выход третьего теплообменника 11 трубопроводом 13 связан со входом первого теплового насоса 14, выход которого трубопроводом 15 связан со вторым входом третьего теплообменника 11. Первый тепловой насос 14 держит третий теплообменник 11 при температуре T₃. Второй выход второго теплообменника 7 трубопроводом 16 связан со входом второго теплового насоса 17, выход которого трубопроводом 18 связан со вторым входом второго теплообменника 7. Второй тепловой насос 17 держит второй теплообменник 7 при температуре T₁. Машины сжатия и расширения состоят из нескольких ступеней, между которыми могут быть установлены механизмы перемешивания рабочего тела с определенной интенсивностью, например, турбулизаторы 19 и спрямляющие решетки 20.

Способ осуществляется в устройстве следующим образом. В машине сжатия 1 рабочее тело сжимается до давления P₁. В процессе сжатия рабочее тело проходит через турбулизатор 19, в котором делится на много мелких потоков и каждый из них закручивается, затем в спрямляющей решетке 20 потоки спрямляются и перемешиваются. Это обеспечивает проведение процесса сжатия рабочего тела при равновесных условиях. Регулируя параметры турбулизатора 19 и спрямляющей решетки 20, можно получить необходимую интенсивность перемешивания. Через трубопровод 4 рабочее тело при температуре T₄ поступает в первый теплообменник 5. Здесь рабочее тело нагревается от температуры T₄ до температуры T₅ за счет охлаждения рабочего тела, поступающего в первый теплообменник 5 после расширения в машине расширения 2. Дальше рабочее тело по трубопроводу 6 течет во второй теплообменник 7. Здесь оно нагревается от температуры T₅ до температуры T₁ за счет работы теплового насоса 17, связанного с теплообменником 7 трубопроводами 16 и 18. Из второго теплообменника 7 рабочее тело при температуре T₁ поступает по трубопроводу 8 в машину расширения 2, где расширяется с совершением работы. Проходя в процессе расширения через турбулизатор 19, рабочее тело делится на много мелких потоков и каждый из них закручивается, затем в спрямляющей решетке 20 потоки спрямляются и перемешиваются. Это обеспечивает проведение процесса сжатия рабочего тела при равновесных условиях. Регулируя параметры турбулизатора 19 и спрямляющей решетки 20 можно получить необходимую интенсивность перемешивания. После машины расширения 2 рабочее тело при температуре T₂ по трубопроводу 9 поступает в первый теплообменник 5, в котором охлаждается от температуры T₂ до температуры T₆, отдавая свое тепло рабочему телу, поступающему в первый теплообменник 5 после сжатия. Из первого теплообменника 5 рабочее тело по трубопроводу 10 поступает в третий теплообменник 11, где охлаждается от температуры T₆ до температуры T₃, отдавая тепло рабочему телу первого теплового насоса 14, связанного с теплообменником 11 трубопроводами 13 и 15.

На основе диаграммы фиг. 3 рассмотрим способ работы описанной тепловой машины. Цикл состоит из адиабаты расширения 1-2, изобары 2-3 с отводом тепла, адиабаты сжатия 3-4 и изобары 4-1 с подводом тепла, когда T₄ ≠ T₂. Из точки 2 проведем изотерму сжатия 2-5, а из точки 4 изотерму расширения 4-6. Очевидно, что подводимое тепло в процессе 4-5 является теплом одного потенциала с теплом, отводимым в процессе 2-6, и его можно снова вернуть в цикл с помощью теплообменника-рекуператора. Тепло, отводимое в процессе 6-3, можно с помощью теплового насоса 14 подать в процесс 5-1, а недостающее тепло для компенсации полезной работы подвести с помощью теплового насоса 17 от любого источника, если его температура ниже температуры точки 1 цикла. Рабочее тело выходит из машины сжатия 1 под давлением P₁ и с температурой T₄ - точка 4 на фиг. 3. При постоянном давлении P₁ рабочее тело нагревается от температуры T₄ до температуры T₁ - точка 1 на фиг. 3. При этом объем рабочего тела увеличивается от объема V₄ до объема V₁. В первом теплообменнике 5 температура рабочего тела увеличивается от T₄ до T₅ - точка 5 на фиг. 3, во втором теплообменнике 7 температура рабочего тела увеличивается от T₅ до T₁. В машине расширения при адиабатических условиях давление снижается от P₁ до P₂, объем увеличивается от V₁ до V₂. При этом температура снижается от T₁ до T₂ - точка 2 на фиг. 3. При расширении смесь перемешивается с определенной интенсивностью или расширение происходит при многоступенчатом изменении давления, что обеспечивает в каждый момент соответствие величин концентрации фаз смеси их значениям на кривой равновесного состояния, чтобы обеспечить расширение рабочего тела при равновесных условиях. Далее рабочее тело при постоянном давлении P₂ охлаждается от температуры T₂ до температуры T₃ - точка 3 на фиг. 3. При этом объем рабочего тела уменьшается от V₂ до V₃. В первом теплообменнике 5 температура рабочего тела уменьшается от T₂ до T₆ - точка 6 на фиг. 3. В третьем теплообменнике 11 температура рабочего тела уменьшается от T₆ до T₃. В машине сжатия при адиабатических условиях давление повышается от P₂ до P₁ и объем сжимается от V₃ до V₄. При этом температура изменяется от T₃ до T₄. При сжатии смесь перемешивается с определенной интенсивностью или сжатие происходит при многоступенчатом изменении давления, что обеспечивает в каждый момент соответствие концентрации компонентов смеси их значениям на кривой равновесного состояния. Это обеспечивает сжатие рабочего тела при равновесных условиях.

В описанном примере машина сжатия 1 работает как компрессор, а машина расширения 2 - как двигатель. Через вал 3 машина 1 приводится машиной 2.

На фиг. 4 по экспериментальным данным приведен термодинамический цикл теплового двигателя, в котором в качестве рабочего тела применяется смесь азота и бутана при концентрации азота 0,2. Цикл выбирается так, что температура конца адиабатного расширения (точка 2) равна температуре конца адиабатного сжатия (точка 4).

Таким образом, на фиг. 4 представлены кривые:
1-2 адиабата расширения (равновесная);
3-4 адиабата сжатия (равновесная);
4-2 изотерма расширения;
4-1 изобара с подводом тепла;
2-3 изобара с отводом тепла.

В приведенном цикле количество тепла определялось по теплу, подводимому при изотермическом расширении, и изменение объема при расширении и сжатии в зависимости от давления. По значению объема определяется значение температуры по зависимости объема от температуры при постоянном давлении. Поскольку точность определения количества тепла при постоянном давлении при изменении температуры не может быть высокой, то определение теплот в цикле производится по теплоте, подводимой при изотермическом расширении, определяемой с высокой точностью, а по ряду изотерм строится зависимость объема от температуры при постоянном давлении.

В приведенном на фиг. 4 цикле подведенное тепло на изотерме расширения 4-2 составляет Q₁ = 16 кДж/кг. Температура точки 1 равна 0^oC, температура точки 2 равна -9^oC, температура точки равна -16^oC, температура точки 4 равна -9^oC. Работа цикла 4-2-3-4 L₁ = 2,1 кДж/кг. Тогда КПД цикла 4-2-3-4 составит η = 0,13.

Отводимое тепло в цикле определяется из цикла 4-2-3-4, поскольку наиболее точно можно определить подведенное тепло при изотермическом расширении и работу цикла. Поскольку каждой температуре при постоянном давлении соответствует определенный объем, то по объему V₃ определяем температуру T₃ точки 3. Температуру T₄ точки 4 задаем. Тогда температура подвода тепла T₄, а температура отвода тепла близка к значению (T₂+T₃)/2. При этом максимальный теоретический КПД составляет η_max = 0,013.

Отводимое тепло в цикле при изобарическом охлаждении 2-3 определяется как разность подведенного тепла Q₁ и работы L₁, т.е. Q₂ = Q₁ - L₁ = 13,9 кДж/кг. Определив работу цикла 1-2-3-4-1 L₂ = 3,9 кДж/кг и зная отведенное тепло Q₂, определим подведенное тепло Q = Q₂ + L₂ = 17,8 кДж/кг при изобарическом нагревании 4-1. В нашем случае КПД цикла 1-2-3-4-1 составляет η = 0,22, а максимальный теоретический составит η_max = 0,03.

Таким образом, применяя условие равновесного расширения и сжатия в цикле, можно существенно улучшить характеристики тепловых машин, использующих в качестве рабочего тела многокомпонентные смеси в виде газожидкостного раствора.

Способ предназначен для использования в энергетике, в частности в двигателестроении, а именно в двигателях, работающих в круговом процессе. В качестве рабочего вещества используют смесь, состоящую из нескольких компонентов, находящихся в жидкой и газовой фазах. При изменении давления и температуры в таких смесях протекают процессы изменения концентрации и количества фаз. При быстрых процессах расширения и сжатия это приводит к химической неравновесности рабочего тела. Проводя процессы расширения и сжатия с перемешиванием или при многоступенчатом изменении давления, можно существенно повысить термодинамическую эффективность теплового двигателя. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ работы теплового двигателя, в котором в качестве рабочего тела используется многокомпонентная 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 при расширении и сжатии проводят перемешивание смеси, интенсивность которого выбирают так, чтобы в каждый момент при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процессы расширения и сжатия проводят при многоступенчатом изменении давления, при этом продолжительность каждой ступени постоянного давления выбирают так, чтобы в конце ступени при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процессы расширения и сжатия проводят при многоступенчатом изменении давления с перемешиванием, интенсивность которого и продолжительность каждой ступени постоянного давления выбирают так, чтобы в конце ступени при данном давлении и температуре величины концентрации фаз смеси соответствовали их значению на кривой равновесного состояния рабочего тела.