СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА ИЗ ВОДЫ В ПАРОВОЙ МАШИНЕ Российский патент 2005 года по МПК F01K21/00 

1. Название изобретения

“Способ получения пара из воды в паровой машине

2. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение преимущественно относится к области машиностроения.

3. Уровень техники

Из уровня техники известны следующие оборудования для получения пара и подогрева воды:

1) Паровой котел

2) Котел-утилизатор

3) Пароперегреватель

4) Экономайзер

5) Котел-бойлер

6) Водогрейный котел

Парообразование происходит в среде, где температура ниже критической температуры для воды.

Источник информации:

Паровые котлы, сосуды и паротрубопроводы.: Сборник официальных материалов. - Киев: Издательство “Техника”, 1972. -С.5.

Из уровня техники известны основные части паровой машины:

1) Паровой котел

2) Топочное пространство

3) Цилиндр, в котором ходит поршень

4) Парораспределительный механизм

5) Конденсатор

6) Дымовая труба

Источник информации:

Энциклопедический словарь юного техника.- М.: Педагогика, 1987. -С.245.

Из уровня техники

Из курса физики известно, что каждая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело, которое в результате нагревания совершает работу: приводит во вращение вал турбины, движет поршень и холодильник. В качестве рабочего тела используется пар-газ.

Источник информации:

Гончаренко С.У., Воловик П.Н. Физика: Учебное пособие для 9 класса, 1982. -С.104. М.: Просвещение.

Из уровня техники

При вращательном движении жидкости, пара под давлением происходит увеличение температуры жидкости, пара.

Источники информации:

1) Храмов Ю.А. Физики: Библиографический справочник.- М.: Наука, 1983. -С.168

2) Энциклопедический словарь юного техника.- М.: Педагогика, 1987. -С.250-251

3) Вода сгорает и взрывается //Российская газета.- 2002.- 24 мая (N 91 (2959))

Из уровня техники известны тепловые машины следующими характеристиками:

Смотрите графический материал фиг.1:

где η - коэффициент полезного действия идеальных тепловых машин.

КПД машины - коэффициент полезного действия реальных тепловых машин.

Из уровня техники:

1) Критическая температура для воды - 374,2°С

2) Критическое давление для воды - 225,6 атм

3) Температура кипения или парообразования воды при нормальном давлении - 100°С

4) Нормальное атмосферное давление или нормальное давление - 760 мм рт.ст. или 1 атм

5) При критической температуре удельная теплота парообразования равна нулю. При температуре выше критической газ-пар нельзя обратить в жидкость ни при каких давлениях.

6) При атмосферном давлении удельный объем сухого насыщенного водяного пара примерно в 1600 раз больше, чем удельный объем воды.

Источники информации:

1) Гончаренко С.У., Воловик П.Н. Физика: Учебное пособие для 9 класса.- 1982.- С.108. 124 М.: Просвещение.

2) Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988.- С.36, 86

3) Буховцев Б.Б. Физика: Учебное пособие для 9 класса средней школы. - М.: Просвещение, 1976. - С.69,72,73.

4) Большой Энциклопедический словарь. Политехнический.- М.: Большой Энциклопедический словарь, 2000. - С.358, 359.

Из уровня техники

В дизельных двигателях поршень поднимается из н.м.т. в в.м.т.; при закрытых клапанах и воздух сжимается, а температура его повышается. В конце такта сжатия в цилиндры двигателя впрыскивается форсункой топливо, которое растекается тонкой пленкой по стенке камеры сгорания поршня. Соприкасаясь с нагретой стенкой, оно испаряется, перемешивается и самовоспламеняется при температуре воздуха в камере 600-700°С.

Источник информации

Трактор Т-130М /под ред. М.И.Золотника.- М.: Агропромиздат, 1985. -С.16.

Из уровня техники известны четырехтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания следующими характеристиками рабочего цикла:

Первый такт - впуск

давление в цилиндре от 0,7 до 0,9 атм, температура в цилиндре - от 75° до 125°С

Второй такт - сжатие:

давление в цилиндре от 9 до 15 атм, температура в цилиндре от 350° до 500°С

Третий такт - расширение или рабочий ход:

давление в цилиндре от 35 до 50 атм, температура в цилиндре от 2200° до 2500°С

Четвертый такт - выпуск:

давление в цилиндре от 1,1 до 1,2 атм, температура в цилиндре от 700° до 800°С.

Рабочим является только один такт - расширение, рабочий ход. Подготовительными тактами являются впуск и сжатие, а заключительным - выпуск.

Чередование тактов в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания автомобилей “Волга” и УАЗ смотрите на графическом материале фиг.2.

Диаграмму фаз газораспределения двигателей автомобилей “Волга” и УАЗ-469 смотрите на графическом материале фиг.3:

где в.м.т. - верхняя мертвая точка,

н.м.т. - нижняя мертвая точка.

Источник информации:

Кленников В.М., Ильин Н.М. Автомобиль категории “В”: Учебник водителя.- М.: Транспорт, 1987.- C.11, 12, 29, 30.

Диаграмму изменения давления и объема цилиндра двигателя внутреннего сгорания смотрите на графическом материале фиг.4:

где Р - давление в цилиндре

V - объем цилиндра

отрезок АВ - сжатие

отрезок ВС - сгорание паров бензина

отрезок СД - рабочий ход

отрезок ДА - выпуск

Источник информации:

Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988. -С.110-111.

Из уровня техники:

Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы изобретателем Иваном Ползуновым и Джемсом Уаттом. В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферные, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех медиплавильных печей.

Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м³, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.

Машина Ползунова создавала непрерывные усилия и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

Источник информации:

Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988. -С.107-108.

Леон Серполле внес паровой двигатель поистине революционные изменения. Он изобрел экономичный и самое главное безопасный змеевиковый котел, который обходился небольшим запасом воды и быстро разогревался. Вместо угольной топки Серполле применил горелки на жидком топливе.

Аналогом данного Изобретения является паровой двигатель паромобиля “Добл-Е” 1923 года выпуска, изготовленный в Пасадене, штат Калифорния. “Добл-Е” проходили свыше 100000 км без капитального ремонта. Замкнутый цикл парообразования в паровом котле и эффективный пароконденсатор позволяли проезжать на 91 литре воды 2414 км. При этом средний расход топлива паромобиля с колесной базой 4 м составлял 20 литров на 100 км пути. Для приведения машины в рабочее состояние при помощи автономной системы электроразогрева воды требовалось всего 50 секунд. Температура пара в паровом котле доходила до 300°С. Максимальная скорость машины достигала 200 км/ч. Необыкновенные хорошие ходовые качества обеспечивались за счет характеристик паровой машины, имевшей 4 цилиндра.

Основные сходства данного изобретения с паровым двигателем паромобиля “Добл-Е”

1) Замкнутый цикл парообразования

2) Вырабатываемые давления парогенераторами паромобиля “Добл-Е” и паровой машины пара доходит до 25 атм.

3) Применение электрической энергии для разогрева воды в процессе получения пара.

Недостатками автомобилей с паровыми двигателями являются сложность автоматики управления - подачи воды и топлива, регулирование работы котла, а главное - низкий КПД парового двигателя, следствием чего является значительный большой расход жидкого топлива, чем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в 2-3 раза.

Из-за этих недостатков паровые двигатели не могли конкурировать с двигателем внутреннего сгорания.

Источник информации:

Гордиенко М., Смирнов Л. От повозки до автомобиля.- Алма-Ата: Казахстан, 1990.- С.62-63.

Гагарин И. Развитие конструкций автомобильных двигателей.- М.: Изд-во “Академия наук СССР”, 1962.- С.10.

4. Сущность изобретения

Изобретение направлено на создание паровой машины:

1) с коэффициентом полезного действия значительно выше существующих аналогов паровых машин;

2) не уступающей по техническим характеристикам существующих аналогов соответствующих по мощности тепловых машин с карбюраторными и дизельными двигателями;

3) превосходящей по экологическим параметрам известные тепловые машины.

Существенными признаками, характеризующими изобретение, являются:

1) способ, температурный режим получения пара при определенном давлении;

2) закручивание под давлением воду и пар спиралью для увеличения температуры и внутренней энергии воды и пара;

3) превращение внутренней энергии пара в механическую энергию в паровой машине с двумя и более цилиндрами.

Схему получения пара и превращения внутренней энергии пара механическую энергию в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.5:

где 1 - поплавковая камера

2 - водопровод низкого давления

3 - насос высокого давления

4 - клапаны

5 - водопровод высокого давления

6 - форсунка со спиралью

7 - камера парообразования округлой, шарообразной формы со спиральными отверстиями, выходящими в аккумулятор пара

8 - аккумулятор пара - баллон для пара высокого давления

9 - паропровод высокого давления

10 - кран регулировки подачи пара в цилиндры

11 - цилиндр

12 - коленчатый вал

13 - паропровод низкого давления

14 - конденсатор

15 - бак воды

16 - генератор

17 - аккумуляторная батарея

18 - электронагреватели с терморегуляторами

19 - предохранительный клапан

20 - клапан для выпуска конденсата

21 - клапаны впускные

22 - кожух с теплоизоляционным слоем и с вентиляционными отверстиями

23 - клапаны выпускные

24 - поршень с шатуном

Способ получения пара

Изобретение открывает получение пара из воды, нагретой ближе к критической температуре для воды, давлением ниже критического давления для воды, с подачей под давлением через форсунку со спиралью в камеру парообразования, где температура значительно выше критической температуры для воды и в результате ударов об нагретую стенку камеры парообразования, температура которой значительно выше критической температуры для воды, мельчайшие частицы воды моментально и полностью превращаются в пар, который по спиральным отверстиям под давлением переходит из камеры парообразования в аккумулятор пара дополнительно, увеличивая свою температуру и внутреннюю энергию.

Частный случай получения и использования пара в паровой машине “Пул-ат” с проектной мощностью 50 кВт со следующими техническими характеристиками:

1) Таблицу технических характеристик четырехцилиндровой двухтактной паровой машины смотрите на графическом материале фиг.6.

2) Коэффициент полезного действия паровой машины смотрите на графическом материале фиг.7.

3) Рабочие циклы паровой машины:

Первый такт - впуск, рабочий ход.

давление в цилиндре от 10 до 13 атм, температура в цилиндре от 450° до 580°С.

Второй такт - выпуск

давление в цилиндре от 1,1 до 1,2 атм, температура в цилиндре от 110 до 120°С.

4) Чередование тактов в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.8.

5) Диаграмму фаз газораспределения в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.9.

6) Диаграмму изменения давления и объема цилиндра паровой машины смотрите на графическом материале фиг.10: где линия АВС - впуск, рабочий ход;

линия СД - рабочий ход

линия ДД¹А¹ - выпуск

7) Процесс получения и превращения внутренней энергии пара в механическую энергию в паровой машине происходит следующим образом. Смотрите графический материал фиг.5. Вода, нагретая от 90° до 95°С, в поплавковой камере 1 насосом высокого давления 3 до 200 атм по водопроводам высокого давления 5 с клапанами 4, дополнительно нагревая до температуры от 250° до 300°С, через форсунки со спиралью 6 подается в камеры парообразования 7 и в результате ударов мельчайшие частицы воды об нагретую от 550° до 600°С шарообразную стенку камер парообразования моментально превращается в пар и через спиральные отверстия проходят в аккумулятор пара 8. Температура в аккумуляторе пара от 450° до 580°С. Из аккумулятора пара пар через кран регулировки подачи пара 10, через впускные клапаны 21 подают в цилиндры. После такта впуск - рабочий ход пар через выпускные клапаны 23 проходит в конденсатор 14, где пар превращается в воду. Далее вода по водопроводу низкого давления 2 возвращается в поплавковую камеру 1. Совершая рабочий ход поршни через шатуны 24, передают усилия на коленчатый вал 12 с маховиком. Коленчатый вал приводит в действие генератор 16 и совершает полезную работу. Температурные режимы регулируются электронагревателями с терморегуляторами 18. Для дополнительного нагрева воды и пара при запуске и холодное время можно использовать газовые нагреватели или сухой спирт.

Изобретение относится к области машиностроения. Изобретение предусматривает получение пара из воды в камере парообразования, где температура выше критической температуры для воды и давление ниже критического давления для воды путем впрыска форсункой нагретой воды. При этом поэтапно увеличивают внутреннюю энергию воды и пара в поплавковой камере, в водопроводе высокого давления и в аккумуляторе пара с помощью электронагревателей. Изобретение позволяет улучшить технические характеристики паровой машины. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ получения пара в паровой машине путем нагрева до кипения под давлением в среде, где температура ниже критической температуры для воды, а давление ниже критического давления для воды, впрыскивания нагретой воды форсункой под давлением в камеру парообразования в среду, где температура выше критической температуры для воды, а давление ниже критического давления для воды и получения пара путем ударения частиц воды об нагретую выше критической температуры для воды стенку камеры парообразования, отличающийся тем, что поэтапно увеличивают внутреннюю энергию воды и пара в поплавковой камере, в водопроводе высокого давления и в аккумуляторе пара с помощью электронагревателей, причем воду в камеры парообразования подают через форсунки со спиралью, а пар из камер парообразования в аккумулятор пара подают через спиральные отверстия.2. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что в камеру парообразования, где температура от 550 до 600°С, впрыскивают воду форсункой под давлением 200 атм с температурой от 250 до 300°С.3. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что увеличивают внутреннюю энергию воды путем закручивания спиралью под давлением 200 атм при температуре от 250 до 300°С в момент подачи воды в камеру парообразования через форсунку, а внутреннюю энергию пара увеличивают путем закручивания спиралью под давлением от 11 до 25 атм при температуре от 550 до 600°С в момент выхода пара из камеры парообразования.4. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что применяют электрическую энергию путем использования электронагревателей с терморегуляторами.5. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что воду для получения пара нагревают в поплавковой камере от 90 до 95°С и в водопроводе высокого давления от 250 до 300°С.6. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что путем давления пара на поршень с шатуном приводят во вращательное движение коленчатый вал и генератор, соединенный с коленчатым валом.7. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что коэффициент полезного действия паровой машины составляет 63%.