ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 2005 года по МПК F02G1/04 F01K25/00 F02B71/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего тела, и может быть использовано в двигателях с внешним подводом тепла.

Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепловой энергии, систему циркуляции теплоносителя, включающую теплообменное устройство, накопитель теплоносителя, насос для его подачи и трубопроводы, камеру рабочего тела. (патент РФ №2166103, См. МПК F 01 K 25/04, опубл. 27.04.01 г.)

Существенными недостатками известного устройства являются:

- низкий коэффициент полезного действия, обусловленный большими затратами энергии на получение жидкого воздуха или азота;

- значительный выброс азота или воздуха с примесями пенообразующих веществ в атмосферу, обусловленный образованием сжатого пенообразующего газа, повышенного до сотен атмосфер давления;

- шумная работа, обусловленная тем, что при смешении в цилиндре двигателя теплоносителя и теплопоглотителя резко увеличивается давление образующего газа;

- низкий ресурс, обусловленный тем, что при температурах минус 25°С и ниже работа двигателя приводит его к перегрузкам.

Наиболее близким к заявляемому является двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, холодные камеры сжатия с изменяемым объемом, горячие камеры расширения с изменяемым объемом, камеры охлаждения постоянного объема и горячие камеры постоянного объема, соединенные с холодными камерами сжатия с изменяемым объемом и горячими камерами расширения с изменяемым объемом, исполнительный механизм (cм. патент Российской Федерации №2042851, МПК F 02 G 1/043, опубл. 27.07.95 г.)

Существенными недостатками известного устройства являются:

- низкий коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что:

- при работе двигателя невозможно получить высокое давление и температуру за счет использования камер сжатия и расширения переменного объема с использованием их в виде сильфонов или цилиндропоршневой группы, при работе которых образуется вредное пространство, в котором остается неиспользованный газ, не участвующий в работе;

- большой протяженностью трубопроводов и каналов рабочего тела, приводящей к большим тепловыми потерям и потерям давления;

- сложная конструкция, обусловленная:

- наличием отдельных холодных и горячих камер сжатия и расширения с изменяемым объемом, а также горячих и холодных камер постоянного объема;

- наличием исполнительного механизма, выполненного в виде рычажно-сферического механизма преобразования расширения рабочего тела во вращение вала двигателя;

- низкий ресурс работы, обусловленный низкой усталостной прочностью камер сжатия и расширения, выполненных в виде сильфонов.

Задачей изобретения является создание двигателя с внешним подводом тепла с высоким коэффициентом полезного действия и ресурсом работы при упрощении конструкции.

Задача достигается тем, что двигатель с внешним источником тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, исполнительный механизм, согласно изобретению дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителей, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя, контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы, контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы, в качестве теплоносителя использована вода, а в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10.

Заявляемое изобретение имеет отличия от прототипа в существенных признаках:

- дополнительно содержит емкость с теплоносителем;

- внутри емкости расположен теплообменник с камерой рабочего тела;

- емкость соединена с нагревателем с образованием контура горячего теплоносителя;

- емкость соединена с радиатором с образованием контура холодного теплоносителя;

- исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления;

- полость рабочего давления соединена с камерой рабочего тела.

Следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию “новизна”.

Введение дополнительной емкости с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, позволит сократить тепловые потери при передаче тепла от теплоносителя к рабочему телу как за счет уменьшения пути движения теплоносителя, так и за счет увеличения поверхности контакта теплоносителя с рабочим телом посредством трубок теплообменника, а соединение емкости с теплоносителем в замкнутый контур горячего и холодного теплоносителей позволит рекуперировать неиспользованное тепло при нагреве и охлаждении рабочего тела и исключить сложную систему теплопередачи в виде горячих камер расширения с изменяемым и постоянным объемом от теплоносителя рабочему телу, при которой имеют место значительные тепловые потери, при этом функции камер нагрева и охлаждения выполняет внутренний объем большого количества трубок теплообменника, которые попеременно являются камерами нагрева и камерами охлаждения, а камера рабочего тела при нагреве выполняет функцию камеры расширения, а при охлаждении - функцию камеры сжатия рабочего тела, увеличивая тем самым ресурс работы двигателя и упрощая конструкцию.

Выполнение исполнительного механизма в виде цилиндра с полостью постоянного давления и с полостью рабочего тела, соединенной с камерой рабочего тела, позволит создать внутри теплообменника, в камере рабочего тела высокое давление (20 МПа), которое при нагреве и расширении рабочего тела увеличивается в несколько раз и передается в полость рабочего давления цилиндра, действуя на поршень, производя работу, при этом увеличивая коэффициент полезного действия работы двигателя.

В предложенном решении все отличительные признаки взаимосвязаны и в сочетании с другими признаками позволяют получить новый технический результат: повысить коэффициент полезного действия работы двигателя, увеличить его ресурс и упростить конструкцию.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен общий вид двигателя в разрезе.

Двигатель с внешним подводом тепла содержит источник тепла, выполненный в виде камеры сгорания 1, теплообменник в виде трубок 2, расположенных в корпусе 3, установленном в емкости 4 с теплоносителем, например водой, внутри которой расположена камера 5 рабочего тела, например, масла АМГ-10.

Замкнутый контур горячего теплоносителя включает нагреватель 6 теплоносителя, емкость 4, блок управления подачи теплоносителя, состоящий из электромагнитного клапана 7 входа теплоносителя, насоса 8, дроссельного крана 9, электромагнитного клапана 10 выхода теплоносителя, трубопроводов 11.

Замкнутый контур холодного теплоносителя включает радиатор 12 воздушно-водяной с расположенными внутри гофрированными латунными трубками (на чертеже не показаны), емкость 4, блок управления подачи холодного теплоносителя, состоящий из электромагнитного клапана 13 входа теплоносителя, насоса 14, электромагнитного клапана 15 выхода теплоносителя, трубопроводы 16.

Исполнительный механизм выполнен в виде двух цилиндрических корпусов 17 и 18, внутри которых расположен шток 19, соединенный с одной стороны с поршнем 20 с образованием полости 21 рабочего давления, а с другой стороной с поршнем 22 с образованием полости 23 постоянного давления. Полость 21 рабочего давления соединена с камерой 5 рабочего тела трубопроводом 24. Полость 23 постоянного давления соединена трубопроводом 25 с буферным воздушным баллоном 26.

Поршень 22 соединен с золотником 27, расположенным в корпусе 28, на котором установлены контактные переключатели 29 и 30.

Радиатор 12 соединен с камерой сгорания 1 подогревателем 31, внутри которого расположены продольные пластины 32, образующие каналы как для прохода воздуха, поступающего от вентилятора 33, так и отработанных газов из нагревателя 6 теплоносителя. Отработанные газы удаляются из камеры сгорания 1 посредством трубы 34. Трубопроводы 11, 16, 24, 34 и корпуса 1, 3, 6, 12, 18, 31 снабжены термоизоляцией 35.

Двигатель с внешним подводом тепла работает следующим образом.

В камере сгорания 1 происходит сжигание жидкого или газообразного топлива с образованием газообразных продуктов сгорания, которые поступают в нагреватель 6 теплоносителя, выполненный трубчатого типа, который нагревает воду до температуры немного ниже точки кипения и автоматически поддерживается постоянной при работе двигателя. Нагретый теплоноситель посредством насоса 8, открытого клапана 7 и дроссельного крана 9 поступает в емкость 4 и в трубки 2 теплообменника, из которых вытесняет охлажденный теплоноситель в контур холодного теплоносителя, и одновременно при этом происходит передача тепла через стенки трубок 2 рабочему телу, находящемуся в камере 5, которое постоянно сжато до давления 20 МПа посредством поршня 22 полости постоянного давления 23, создаваемого и поддерживаемого сжатым маслом, поступаемым по трубопроводу 25 из буферного воздушного баллона 26.

При передаче тепла рабочему телу происходит увеличение его объема.

Давление при этом возрастает в несколько раз, при котором рабочее тело поступает в полость 21 и воздействует па поршень 20, перемещая его из нижнего крайнего положения (нижняя мертвая точка) в крайнее верхнее положение (верхняя мертвая точка), производя при этом работу. При достижении верхней мертвой точки путем воздействия золотника 27 на контактный переключатель 29 происходит открытие электромагнитных клапанов 13 и 10 и одновременное закрытие электромагнитных клапанов 7 и 15, при этом происходит поступление холодного теплоносителя из радиатора 12 в трубки 2 теплообменника и вытеснение оставшегося горячего теплоносителя в нагреватель 6 и охлаждение рабочего тела, находящегося в камере 5, уменьшение его объема до первоначального, и под действием давления в полости 23 шток 19 с поршнями 22 и 20 перемещается в крайнее нижнее положение, при достижении которого золотник 27 воздействует на переключатель 30, происходит закрытие электромагнитных клапанов 13 и 10 и открытие клапанов 7 и 15 и поступление горячего теплоносителя из нагревателя 6 в емкость 4 и трубки 2 теплообменника, вытесняя холодный теплоноситель с остатками тепла в радиатор 12. Поршень 20 перемещается в верхнее крайнее положение, и далее процесс повторяется.

Скорость поступления горячего теплоносителя регулируется посредством изменения проходного сечения дроссельного крана 9.

К поршню 20 исполнительного механизма присоединяется рабочий механизм, в качестве которого могут быть машины с возвратно-поступательным движением рабочих органов, например насосы, жидкостный насос с гидромотором, линейный электрогенератор и др.

Применение заявляемого изобретения позволит увеличить коэффициент полезного действия работы двигателя, увеличить ресурс работы и упростить конструкцию. Кроме этого, уменьшить токсичность отработанных газов и устранить шумность двигателя.

Двигатель с внешним источником тепла дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителя, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя. Контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы. Контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы. В качестве теплоносителя использована вода, а в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10. Технический результат: увеличение кпд и ресурса работы двигателя, упрощение конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, исполнительный механизм, отличающийся тем, что дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителя, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что замкнутый контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы, а замкнутый контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы.3. Двигатель по пп.1,2, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя использована вода.4. Двигатель по пп.1,2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10.