УНИВЕРСАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА ГРЕБЕННИКОВА Российский патент 2006 года по МПК F02B41/00 F02B61/00 

Изобретение относится к машиностроению. Является универсальной тепловой машиной, предназначенной прежде всего для создания тепловых двигателей и холодильных машин циклического действия высокой энергетической экономичности.

Известны четырехтактные двигатели, спроектированные на базе термоцикла Миллера. В этом цикле изменение наполнения цилиндра производится изменением фазы впуска. Реализуется следующим образом. При впуске разрежение в цилиндре зависит от сопротивления впускной системы. При конкретном угле фазы осуществляется перекрытие впускной заслонки и этим обеспечивается необходимое давление в цилиндре, Дмитриевский А.В. "Автомобильные бензиновые двигатели", Москва, Астрель, ACT, 2003, с.38.

Базовым недостатком данного цикла является:

1. Относительно низкий КПД.

2. Потери тепловой энергии при выбросе в атмосферу отработанной рабочей смеси.

3. Необходимость применения вредных для среды октановых добавок.

4. Невозможность его использования для тепловых машин других типов.

5. Повышенный шум при выбросе отработанной рабочей смеси.

Наиболее близко принятой за прототип является Энергетическая техническая система Гребенник, RU 2216635, F 02 В 61/06, 2003, содержащая энгретическую подсистему.

В энергетической подсистеме пневмопреобразователь способен работать в трех режимах: двигателя внутреннего сгорания, пневмодвигателя и компрессора. Базовой сущностью энергетической подсистемы является такая техническая конструкция, в которой разделены процесс сжатия воздуха и расширения рабочей смеси после ее воспламенения. Принятые технические решения дают возможность: оптимизировать работу энергетической подсистемы, работающей в режиме двигателя внутреннего сгорания, и рекуперацию энергии торможения того транспортного средства, в котором используется данная энергетическая подсистема.

Недостатками данной энергетической подсистемы являются:

1. В ресивере происходит адиабатное сжатие воздуха, что приводит к существенным дополнительным энергетическим потерям в энергетической подсистеме.

2. Неуправляемое непосредственное соединение форкамеры с цилиндром не дает возможности стопроцентного изохорного нагрева рабочей смеси в форкамере.

3. Большие тепловые потер и при выбросе в атмосферу отработанной рабочей смеси.

4. Невозможно использование энергетической подсистемы в качестве универсальной тепловой машины.

5. Нельзя использовать тепловую энергию при ее внешнем подводе к форкамере, т.е. при внешнем сгорании топлива.

6. Не позволяет преобразовывать механическую энергию в полезную тепловую энергию.

7. Не позволяет использовать источник внешней тепловой энергии с температурой ниже температуры среды для реализации двигательного режима тепловой машине.

Технический результат, который достигается практическим использованием заявленного устройства, это:

1. Универсальность тепловой машины, которая может использоваться в качестве:

- теплового двигателя внешнего или внутреннего сгорания, теплового двигателя с внешним теплоносителем, имеющим температуру ниже температура среды;

- холодильной машины;

- преобразователя механической энергии в тепловую рабочего вещества машины выше температуры среды.

2. Высокая энергетическая экономичность, превосходящая известные тепловые машины.

3. Высокая экологичность, которая определяется:

- бесшумностью работы;

- отсутствием теплового нагрева атмосферы;

- сниженным выбросом вредных веществ (в частности, из-за отсутствия октановых добавок);

- отпадает необходимость в использовании фреонов.

Заявленный результат достигается тем, что универсальная тепловая машина, включающая в себя ресивере 1, форкамеру 2, свечу зажигания 5, аккумулятор топлива высокого давления 3 с насосом подачи топлива через обратный клапан, цилиндры 6 с поршнями 7, шатунами и коленвалом, управляющую подсистему, согласно изобретению содержит изотермическое устройство 8, сосуды хранения рабочего вещества 15, три изохорных устройств 9, 10, 11, теплопроводящие устройства 12, теплообменное теплоизолированное устройство 13, теплоизолирующие устройства внешней тепловой энергии 20, 21, аккумулятор тепловой энергии 17, механическую передачу с дистанционным расцеплением устройств 18, изохорное устройство 9, 10, 16 представлено парой цилиндров 6 равного рабочего объема, поршни 7 у которых движутся в противофазе, соединенные через последовательно соединенные теплопроводящее устройство 12 и дистанционно управляемый клапан 14; изотермическое устройство 8 представлено последовательно соединенной цепочкой из групп устройств, в которую входят последовательно соединенный цилиндр 6, теплопроводящее устройство 12 и дистанционно управляемый клапан 14, причем в первой и последующей соседних группах изменение рабочих объемов цилиндров кратно наперед заданному числу и монотонно изменяется вдоль цепочки, а поршни в соседних цилиндрах движутся в противофазе; в целом машина представлена кольцевым соединением изотермического устройства 8, к первому цилиндру которого через дистанционно управляемый клапан 14 и последнему цилиндру через теплопроводящее устройство 12 и дистанционно управляемый клапан 14 подключены сосуды хранения рабочего вещества 15, которое через дистанционно управляемый клапан 14 соединено с ресивером 1, который через дистанционно управляемый клапан 14 соединен с первым изохорным устройством 9, которое через дистанционно управляемый клапан 14 соединено с форкамерой 2, которая через дистанционно управляемый клапан 14 соединена со вторым изохорным устройством 10, которое через дистанционно управляемый клапан 14 соединено с третьим изохорным устройством 16, которое через дистанционно управляемый клапан 14 соединено с теплопроводящим устройством 12, которое соединено с первым цилиндром изотермического устройства 8 и через дистанционно управляемый клапан 14 - с атмосферой; форкамера 2 и теплопроводящее устройство 12 второго изохорного устройства 10 оснащены убираемыми теплоизолированными устройствами внешней тепловой энергии 20, 21, теплопроводящие устройства 12 первого 9 и третьего изохорного устройства 16 и теплопроводящие устройства 14, соединяющие третье изохорное устройство 16 с изотермическим устройством 8, объединены в единое теплообменное теплоизолированное устройство 13; форкамера 2 оснащена свечой зажигания 20 и подключена через обратный клапан и насос подачи топлива к аккумулятору топлива высокого давления 3; аккумулятор тепловой энергии 17 подключается к тепловой машине по тепловому потоку к форкамере 2 или к теплопроводящему устройству 12 второго изохорного устройства 10; коленвалы изохорных устройств и изотермического устройства соединены через механическую передачу 18 с возможностью их дистанционного расцепления, от которой выведен вал механической энергии 19.

Конструкции наиболее распространенных современных циклических тепловых машин представлены цилиндрами, поршнями, шатунами и коленвалом. В свою очередь, тепловые машины представлены двумя главными группами, это холодильные машины и тепловые двигатели, которые также представлены двумя главными группами, это карбюраторные и дизельные. Представленные тепловые двигатели изобретены более 100 лет назад. За это время сменилось много поколений двигателей, но такой их важнейший показатель как их энергетическая экономичность не улучшается на протяжении многих десятилетий (КПД карбюраторных двигателей составляет примерно 25%, а дизельных - 35%).

Согласно теореме Карно, максимальный КПД тепловых машин определяется как разность температуры между максимальным и минимальным значениями температуры рабочего вещества, используемого в термоцикле, разделенной на максимальную температуру рабочего вещества.

Определим предельный КПД двигателя внутреннего сгорания. Верхний предел рабочей смеси в цилиндрах ДВС составляет примерно 2800К. Нижний предел температуры выхлопных газов ДВС не может быть ниже температуры среды, в которой работает ДВС, т.е. атмосферы. Поскольку изменение температуры ниже температуры среды, в принципе, невозможно осуществить без дополнительных затрат внешней энергии, поэтому примем за нижний предел температуры выхлопных газов ДВС температуру атмосферы, численно равную примерно 300К.

Из принятых исходных данных следует: теоретический предел КПД ДВС примерно равен 90%, что более чем в 2 раза превышает КПД лучших ДВС. Из сказанного следует, росту КПД тепловых машин мешает какая-то скрытая фундаментальная причина принципиального характера. Авторский анализ данного вопроса показал: фундаментальной причиной, накладывающей жесткие ограничения на рост КПД тепловых машин, являются используемые в тепловых машинах термоциклы. Практически во всех машинах циклического действия используется следующий термический цикл: адиабатно-изохорно-изобарно-адиабатный без рекуперации тепловой энергии выхлопных газов. Именно относительно низкая энергетическая экономичность этих циклов и является базовой, фундаментальной причиной, накладывающей жесткие ограничения на рост КПД ДВС вне зависимости от конкретной конструкции тепловой машины.

В предлагаемой тепловой машине используется авторский тепловой цикл, а именно изотермо-изохорно-адиабатно-изохорный (Фиг.2), в котором осуществляется теплообмен между изохорными участками термоцикла.

ДБКЕД - термоцикл при температуре выше температуры среды.

ДБВМД - термоцикл при температуре ниже температуры среды.

Рассчитаем КПД рассматриваемой тепловой машины, работающей в качестве теплового двигателя. Рассмотрим такой пример расчета, который представляет конкретный практический интерес, а именно, рабочим веществом термоцикла является воздух. В этом случае можно рассмотреть следующий вариант тепловой машины (фиг.3): первый цилиндр изотермического устройства непосредственно связан с атмосферой, а третье изохорное устройство связано с атмосферой через теплообменное теплоизолированное устройство. Пример термоцикла такой тепловой машины приведен на фиг.1.

Приведем расчет КПД авторского термоцикла на примере тепловой машины, используемой в качестве теплового двигателя, который работает в атмосфере. Если взять в качестве рабочего вещества воздух, то в этом случае начало и конец термоцикла рабочего вещества можно брать равными параметрам атмосферного воздуха, что представляет и конкретный практический интерес. Формулы для расчета взяты из Савельев И.В. "Курс общей физики" (книга 3), Москва, Астрель, ACT, 2003.

Термический цикл используемый в расчетном примере приведен на фиг.1.

ДБ - изотермическое сжатие;

БК - изохорный нагрев;

КЕ - адиабатное расширение;

ЕП - изохорное охлаждение;

ПИ - адиабатное сжатие и выброс в атмосферу отработанного рабочего вещества;

Q - передача тепла от участка ЕПИ к участку БН.

Поскольку тепловая машина предназначена для работы в атмосферной среде, поэтому исходными тепловыми параметрами будут следующие:

- рабочее вещество, это атмосферный воздух;

- исходная температура рабочего вещества равна Т_о (например, 300°К);

- исходное давление рабочего вещества равно атмосферному давлению Р_о (например, 0,1 МПа);

- Т_о и Р_о - соответственно, температура и давление среды;

- V_o - начальный объем рабочего вещества.

КПД рассчитаем, исходя из следующих исходных положений:

1. Десятикратное первичное изотермическое сжатие рабочего вещества (участок ДБ).

2. На участке БН предварительный изохорный нагрев рабочего вещества за счет охлаждения отработанного рабочего вещества на участке ЕПИ.

3. Изохорный результирующий десятикратный нагрев рабочего вещества на участке БК (10 Т_о).

4. Адиабатное двадцитипятикратное расширение объема рабочего вещества на участке КЕ до давления Р_о.

5. Изохорное охлаждение рабочего вещества на участке ЕП до температуры среды (Т_о).

6. Адиабатное сжатие рабочего вещества на участке ПИ до давления среды Р_о с охлаждением до температуры среды Т_о и выброс отработанного вещества в атмосферу.

7. КПД определим как отношение работы, полученной на участке КЕ, к суммарной затраченной энергии на участках ДБ и НК с рекуперацией тепловой энергии Q от участка ЕПИ к участку БН.

Выполним расчет КПД:

1. Определим температуру рабочего вещества в точке Е:

(10Т_о)^γ-1V₁=T_E ^γ-1V₃

2. Примем, что конструктивными решениями удастся рекуперировать 70% тепловой энергии, содержащейся в рабочем веществе на участке ЕПИ, получим:

Т_н=0,7·2,8Т_о=2Т_о

3. Определим затраты энергии при изотермическом сжатии рабочего вещества (участок ДБ):

4. Определим энергию изменения состояния рабочего вещества на участке НК через изменение внутренней энергии рабочего вещества:

5. Определим энергию изменения состояния рабочего вещества на участке КЕ:

6. Рассчитаем КПД авторского термоцикла:

Универсальная тепловая машина приведена на фиг.3.

Тепловая машина состоит из изотермического устройства 8, ресивера 1, трех изохорных устройств 9, 10, 16, теплопроводящих устройств 12, устройств изоляции внешней тепловой энергии 21, 22 и теплообменного теплоизолированного устройствами 13. Перечисленные устройства закольцованы по термическому преобразованию рабочего вещества в следующей последовательности: изотермическое устройство 8, ресивер 1, первое изохорное устройство 9, форкамера 2, второе изохорное устройство 10, третье изохорное устройство 16, изотермическое устройство 8. Все поршневые устройства через механическую передачу объединены, от которой выведен вал механической энергии 18. Вход первого цилиндра 6 изотермического устройства 8 через дистанционно управляемый клапан 12 подсоединяется к атмосфере.

Устройства изохорные представлены парой цилиндров 6, у которых поршни 7 движутся в противофазе, соединенные через последовательно соединенное теплопроводящее устройство 12, обеспечивающее теплообмен рабочего вещества с внешней средой, и дистанционно управляемый клапан.

Изотермическое устройство представлено последовательной цепочкой из последовательно соединенных цилиндра 6, теплопроводящего устройства 12 и дистанционно управляемого клапана 14, а в последовательной цепочке из набора цилиндра, теплопроводящего устройства 12 и дистанционно управляемого клапана 14, объемы первого и соседних цилиндров кратны наперед заданному числу и монотонно изменяются вдоль цепочки. Поршни в соседних цилиндрах движутся в противофазе.

Адиабатный процесс обеспечивается цилиндром с быстро изменяющимся рабочим объемом.

Теплообменные устройства 12 первого изохорного устройства 9 и теплообменные устройства 12 третьего изохорного устройства 16 и установленного между третьим изохорным устройством 16 и изотермическим устройством 8 объединены в единое теплообменное теплоизолированное устройство 13, в котором осуществляется теплообмен рабочего вещества. Форкамера 12 и теплопроводящее устройство 12 второго изохорного устройства 10 оснащены убираемыми устройствами теплоизоляции внешней тепловой энергии 20, 21.

В целом, устройство работает следующим образом. Передача рабочего вещества по кольцу осуществляется за счет поршневых устройств с соответствующим включением дистанционно управляемых клапанов 14 относительно положения поршней 7 в цилиндрах 6, причем поршни 7 в соседних цилиндрах 6 движутся в противофазе. Таким образом, в целом, устройство работает по двухтактному механическому циклу. В зависимости от фазы включения клапанов рабочее вещество может перемещаться либо в одном направлении, либо в противоположном. Изотермическое устройство 8 подает рабочее вещество в ресивер 1 (фиг.2) - термоцикл ДБКЕД. Изотермическое устройство 8 работает следующим образом. В первом и последующих соседних цилиндрах степень изменения объема рабочего вещества берется настолько малой, чтобы энергетические потери при адиабатном изменении объема рабочего вещества были меньше наперед заданного значения, например при двукратном изменении объема рабочего вещества энергетические потери составят примерно половину энергии чисто изотермического изменения объема рабочего вещества.

Измененное по температуре рабочее вещество подается в форкамеру 3. Здесь возможны три случая:

- на рабочее вещество не оказывается никакого теплового воздействия, т.е. форкамера теплоизолирована (фиг.2) - термоцикл ДБВМД;

- рабочее вещество нагревается либо внутренним сгоранием топлива, которое подается в форкамеру, либо внешним подводом тепла (Q1) к форкамере (фиг.2) - термоцикл ДБКЕД.

Далее рабочее вещество подается во второе изохорное устройство 10, причем через предварительное адиабатное ее расширение. В результате чего рабочее вещество охлаждается и одновременно происходит преобразование сжатого газа в механическую энергию.

Если в форкамере 2 рабочее вещество нагревалось, то во втором изохорном устройстве 10 оно не подвергается температурному изменению, т.е. теплопроводящее устройство 12 второго изохорного устройства 10 теплоизолировано.

Если в форкамере 2 рабочее вещество не подвергается внешним температурным изменениям от внешнего теплоносителя, то после адиабатного расширения во втором изохорном устройство 10 оно нагревается (фиг.4) (термоцикл ДБВМД), забирая тепло из внешней среды (Q2, фиг.5). В третьем изохорном устройстве 16 и на его выходе рабочее вещество обменивается тепловой энергией с рабочим веществом, находящимся в первом изохорном устройстве 9, и далее термический цикл повторяется.

При движении рабочего вещества в направлении от ресивера 1 к изотермическому устройству 8 перед форкамерой 2 (со стороны второго изохорного устройства 10) происходит адиабатное сжатие рабочего вещества, сопровождаемое его нагревом (фиг.4) - термоцикл ДЕКБД. В этом случае если теплообмен рабочего вещества с внешней средой осуществляется через форкамеру 2, то происходит преобразование механической энергии в тепловую (Q1, фиг.3).

Если теплообмен рабочего вещества с внешней средой осуществляется на втором изохорном устройстве 10 (фиг.2) - термоцикл ДМВБД, то здесь должна осуществляться передача тепловой энергии внешнему холодильнику (Q2), и в этом случае тепловая машина способна работать в качестве теплового двигателя.

Применение нескольких сосудов хранения рабочего вещества дает возможность хранить его под давлением, превышающим степень сжатия, обеспечиваемого изотермическим устройством путем изотермической перекачки рабочего вещества из тех сосудов, где уже было осуществлено предварительное изотермическое сжатие рабочего вещества в другие сосуды с большим давлением рабочего вещества. Рабочее вещество может накапливаться в сосудах и в дальнейшем использоваться для обеспечения работы тепловой машины в случае нехватки рабочего вещества для ее нормальной работы, например на подводных лодках. Использование накопленного рабочего вещества осуществляется с возвратом той энергии, которая была затрачена при сжатии рабочего вещества. Заявленное устройство может найти применение:

- в качестве двигателя внутреннего сгорания, заменяющего современные ДВС;

- в качестве двигателя внешнего сгорания, который может найти применение в гелеоустановках, атомных электростанциях, геотермальных установках и т.д., т.е. там, где необходимо прямое преобразование внешней тепловой энергии в механическую;

- в тепловых аккумуляторах.

Изотермическое устройство найдет широкое применение без ее изменений ввиду ее чрезвычайно высокой энергетической экономичности:

- поршневая часть во всевозможных компрессорных устройствах;

- в целом, в аккумуляторах механической энергии, в которых энергия накапливается в виде сжатого газа.

При подключении к форкамере или к теплообменному устройству второго изохорного устройства аккумулятора тепловой энергии (Q3) универсальную тепловую машину можно использовать как аккумулятор механической энергии, в котором механическая энергия накапливается в виде тепловой энергии.

Перечень фигур

Фиг.1 - термоцикл для расчета энергетической экономичности универсальной тепловой машины.

Д - начальная точка цикла;

Т_о - температура среды;

ДБ - изотерма при температуре среды Т_о;

БК - изохора;

КЕ - адиабата;

ЕП - изохора;

ПИ - адиабата;

V_o, P_o - объем и давление исходного состояния рабочего вещества;

V1, Уз - диапазон изменения объема рабочего вещества;

Q - тепловой поток.

Фиг.2 - термоцикл универсальной тепловой машины.

ДБ - изотерма при температуре среды Т_о;

ДБКЕД - термоцикл тепловой машины при температуре выше Т_о;

ДБВМД - термоцикл тепловой машины при температуре ниже Т_о;

Фиг.3 - универсальная тепловая машина.

С - свеча;

ТИ 1, ТИ 2 - устройства изоляции внешней тепловой энергии;

МП - механическая передача с дистанционным расцеплением устройств;

СР - сосуды хранения рабочего вещества;

К - дистанционно управляемый клапан;

Q1, Q2 - потоки тепловой энергии;

Q3 - теплообмен с аккумулятором тепловой энергии.

Источники информации, принятые во внимание

1. Дмитриевский А.В. «Автомобильные бензиновые двигателя», Москва, Астрель, ACT, 2003.

2. Патент №2216635.

3. "Курс общей физики" (книга 3) И.В.Савельев, Москва, Астрель, ACT, 2003 г.

Изобретение относится к машиностроению. Универсальная тепловая машина содержит изотермическое устройство, сосуды хранения рабочего вещества, три пары цилиндров равного рабочего объема, теплопроводящие устройства, теплообменное теплоизолированное устройство, теплоизолирующие устройства внешней тепловой энергии, аккумулятор тепловой энергии, механическую передачу с дистанционным расцеплением устройств, при этом пары цилиндров равного рабочего объема, поршни которых движутся в противофазе, соединены через последовательно соединенные теплопроводящее устройство и дистанционно управляемый клапан, изотермическое устройство в виде последовательно соединенной цепочкой групп устройств, в которую входят последовательно соединенные цилиндр, теплопроводящее устройство и дистанционно управляемый клапан. Изобретение обеспечивает универсальность тепловой машины, энергетическую экономичность, экологичность. 3 ил.

Универсальная тепловая машина, включающая в себя ресивер, форкамеру, свечу зажигания, аккумулятор топлива высокого давления с насосом подачи топлива через обратный клапан, цилиндры с поршнями, шатунами и коленвалом, управляющую подсистему, отличающаяся тем, что машина содержит изотермическое устройство, сосуды хранения рабочего вещества, три пары цилиндров равного рабочего объема, теплопроводящие устройства, теплообменное теплоизолированное устройство, теплоизолирующие устройства внешней тепловой энергии, аккумулятор тепловой энергии, механическую передачу с дистанционным расцеплением устройств, при этом пары цилиндров равного рабочего объема, поршни которых движутся в противофазе, соединены через последовательно соединенные теплопроводящее устройство и дистанционно управляемый клапан, изотермическое устройство представлено последовательно соединенной цепочкой из групп устройств, в которую входят последовательно соединенный цилиндр, теплопроводящее устройство и дистанционно управляемый клапан, причем в первой и последующей соседних группах измерение рабочих объемов цилиндров кратно наперед заданному числу и монотонно изменяется вдоль цепочки, а поршни в соседних цилиндрах движутся в противофазе, в целом машина представлена кольцевым соединением изотермического устройства, к первому цилиндру которого через дистанционно управляемый клапан и последнему цилиндру через теплопроводящее устройство и дистанционно управляемый клапан подключены сосуды хранения рабочего вещества, которое через дистанционно управляемый клапан соединено с ресивером, который через дистанционно управляемый клапан соединен с первой парой цилиндров равного рабочего объема, которая через дистанционно управляемый клапан соединена с форкамерой, которая через дистанционно управляемый клапан соединена со второй парой цилиндров равного рабочего объема, которая через дистанционно управляемый клапан соединена с третьей парой цилиндров равного рабочего объема, которая через дистанционно управляемый клапан соединена с теплопроводящим устройством, которое соединено с первым цилиндром изотермического устройства и через дистанционно управляемый клапан - с атмосферой, форкамера и теплопроводящее устройство второй пары цилиндров равного рабочего объема оснащены убираемыми теплоизолированными устройствами внешней тепловой энергии, теплопроводящие устройства первой и третьей пар цилиндров равного рабочего объема и теплопроводящие устройства, соединяющие третью пару цилиндров равного рабочего объема с изотермическим устройством, объединены в единое теплообменное теплоизолированное устройство; форкамера оснащена свечой зажигания и подключена через обратный клапан и насос подачи топлива к аккумулятору топлива высокого давления; аккумулятор тепловой энергии подключается к тепловой машине по тепловому потоку к форкамере или к теплопроводящему устройству второй пары цилиндров равного рабочего объема, коленвалы пар цилиндров равного рабочего объема и изотермического устройства соединены через механическую передачу с возможностью их дистанционного расцепления, от которой выведен вал механической энергии.