СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ДРУГОГО ВИДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02B1/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топливной смеси, в иной вид энергии, преобразуемой в полезную работу.

Изобретение может быть использовано для производства распространенного и многочисленного класса тепловых машин - двигателей внутреннего сгорания.

Широко известны традиционные способы преобразования тепловой энергии в механическую, в основе которых лежит круговой замкнутый тепловой цикл, состоящий из различных термодинамических процессов с результирующей положительной работой, возможной лишь в том случае, когда на одних участках цикла тепло подводится, а на других отводится.

Устройства для осуществления указанных способов содержат системы подготовки топливно-воздушной смеси и цилиндры с поршнями, совершающими возвратно-поступательное движение. Поршни через кривошипно-шатунный механизм соединены с различными потребителями энергии. Устройства имеют индивидуальные конструктивные особенности, обеспечивающие, например, уменьшение габаритов, снижение механических и гидравлических потерь, повышение эффективности работы. КПД таких двигателей теоретически достигает значения 0,73 (при степени сжатия 12), а практически не превышает значения 0,35-0,41 (35-41%) [см., например. Малая советская энциклопедия, т.7, с.446-447, т.9, с.231, изд. "Советская энциклопедия", 1960 г.; з. РФ №93018064, опубл. 27.08.1996, МПК F 02 B 71/04; з. РФ №94016348, опубл. 20.12.1995, МПК F 02 B 1/00; з. РФ №97103884, опубл. 27.03.1999, МПК F 02 B 33/22; з. РФ №99119829, опубл. 27.06.2001, МПК H 02 N 11/00; п. РФ №2063560, опубл. 10.07.1996, МПК F 04 F 7/00; п. РФ №2066384, опубл. 10.09.1996, МПК F 02 B 75/32, 75/18, 41/06; п. РФ №2120046, опубл. 10.10.1998, МПК F 02 B 75/28, 75/32; п. РФ №2136926, опубл. 10.09.1999, МПК F 02 B 71/04; п. РФ №2151891. опубл. 27.06.2000, МПК F 02 B 33/22; п. РФ №2196236, опубл. 10.01.2003, МПК F 02 B 71/00, 75/32; п. РФ №2209324, опубл. 27.07.2003, МПК F 02 B 71/04; п. РФ №2212544, опубл. 20.09.2003, МПК F 01 B 3/04 и др.].

Основным недостатком известных, указанных выше, способов преобразования тепловой энергии в механическую и устройств для их осуществления является относительно низкий КПД.

Известны также способы преобразования тепловой энергии в механическую с использованием бескривошипных или бесшатунных устройств. Такие устройства содержат блоки цилиндров, а для обеспечения кругового возвратно-поступательного движения поршней снабжены, например, кулачковым диском или маховиками с рабочими и опорными роликами [см., например, п. РФ №2182241, опубл. 10.05.2002, МПК F 02 B 75/26, F 01 B 9/02; з. РФ №99101287, опубл. 27.10.2000, МПК F 02 B 75/32 и др.].

Подобные способы и устройства за счет увеличения степени расширения по сравнению со степенью сжатия хотя и снижают расход топлива (позволяют использовать практически весь энергозапас сгоревшего топлива) и механические потери, являются достаточно сложными (как технологически, так и конструктивно) и КПД повышают незначительно.

Кроме того, известны способы преобразования тепловой энергии с использованием термочувствительного рабочего тела в виде жидкости с растворенной в ней легко испаряемой (или легко замерзаемой) составляющей. В этих способах могут также использоваться жидкости, постоянно пребывающие в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла, или две несмешивающиеся жидкости.

Реализация данных способов осуществляется в устройствах, содержащих испарители (парогенераторы), поглотители тепловой энергии, систему преобразования с импульсным гидроприводом и инерционным аккумулятором, а также различные исполнительные механизмы [см., например, з. РФ №92009037, опубл. 20.01.1995, МПК F 03 G 7/06; з. РФ №96116166, опубл. 27.11.1998, МПК F 02 B 71/04; з. РФ №97100003, опубл. 20.02.1999, МПК F 01 K 19/08; п. РФ №2006672, опубл. 30.01.1994, МПК F 03 G 7/06; п. РФ №2081345, опубл. 10.06.1997, МПК F 03 G 7/06; п. РФ №2189496, опубл. 20.09.2002, МПК F 03 G 7/06 и др.].

В последних из описываемых способов и устройств использовано свойство жидкостей расширяться, обеспечивая возвратно-поступательное движение поршней с раскручиванием маховиков исполнительных механизмов.

Однако и эти способы и устройства имеют конструктивные сложности и низкие КПД и, как следствие, ограниченное применение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида (в механическую энергию) путем сжигания топлива с образованием рабочего тела (газа), передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору (поршню), совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма (кривошипно-шатунного механизма с маховиком и коленчатым валом).

Устройство для осуществления описываемого способа (классический двигатель внутреннего сгорания) представляет собой замкнутую поршневую систему (цилиндры с поршнями внутри), на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а жестко связанные поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом (кривошипно-шатунным механизмом с маховиком и коленчатым валом), снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника (коленчатого вала и маховика).

Данные способ и устройство для его осуществления за счет модернизации некоторых узлов могут достигать величин степени сжатия 13-18 и эффективного КПД 0,35 (35%) [см.Internet autoinf.tgb.ru, "Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС)", дата публикации 18 окт. 2002].

Недостатки прототипа (способа и устройства) общие для подобных объектов, а именно:

- большие габариты и масса;

- сложность конструкции;

- необходимость использования строго определенных видов топлива;

- ограниченная степень сжатия газов;

- низкий КПД и мощность двигателя.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно создание технологии и устройства для ее реализации, обеспечивающих возможность увеличения КПД процесса в целом и снижение эксплуатационных расходов.

Поставленная задача решается тем, что способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору, совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, при этом в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивает получение инерционного напора.

Устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида, представляющее собой замкнутую систему в виде трубы, на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а внутри - поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом, снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника, при этом в качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости; в качестве исполнительного механизма установлен объемный насос, на выходном трубопроводе которого расположен полый карман.

В устройстве труба выполнена прямолинейной или имеет U-образную форму.

В устройстве столб несжимаемой жидкости в прямолинейной трубе снабжен с противоположных сторон уплотнителями, обеспечивающими сохранение его формы.

Заявляемые параметры способа преобразования тепловой энергии в энергию другого вида и предлагаемая конструкция устройства для его осуществления необходимы и достаточны для решения поставленной задачи. Причем замена традиционного исполнительного механизма на столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости приводит к исключению силы, направленной по нормали к зеркалу цилиндра, имеющей место в кривошипно-шатунных механизмах и вызывающей энергетические потери на преодоление сил трения. Наличие указанной силы лимитирует конструктивно-прочностные характеристики современных ДВС.

Кроме того, осуществление способа в заявляемых условиях с помощью предлагаемого устройства приводит к вовлечению в число используемых факторов для получения положительной работы так называемого инерционного напора в момент ускорения или торможения столба жидкости [см. Т.М.Башта и др. "Гидравлика, гидромашины и гидроприводы", гл. 10, "Неустановившееся движение жидкости в трубах", с.136-140]. При этом увеличивается КПД процесса в целом, снижаются эксплуатационные расходы на систему смазки и замену трущихся деталей (металлические поршни, кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал, маховик и т.п.).

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение неизвестно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность изготовления заявляемого устройства для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида из преимущественно серийно выпускаемых деталей и приспособлений свидетельствует о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 и 2 схематично представлено заявляемое устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида: на фиг.1 - устройство с прямолинейной трубой; на фиг.2 - устройство с трубой U-образной формы.

Обозначения на фигурах:

1 - линейная или U-образная труба

2 - камера сгорания

3 - столб «несжимаемой жидкости»

4 - объемный насос

5 - газообразная или жидкая среда

6 - полый карман

7 - уплотнители

8 - поршни объемного насоса

9 - нагнетательная и всасывающая камеры объемного насоса.

Заявляемое устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида состоит из замкнутой поршневой системы, представляющей собой прямолинейную или U-образную трубу 1, выполненную из Ст. 3 с напылением, например, из цинка. На противоположных концах трубы 1 размещены камеры сгорания 2 для образования рабочего тела. В качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости 3. Исполнительный механизм - объемный насос 4, энергетический приемник которого - газообразная или жидкая среда 5, непрерывно движущаяся за счет полого кармана 6, расположенного на выходном трубопроводе насоса 4.

Объемный насос 4 снабжен поршнями 8 и имеет две камеры: нагнетательную и всасывающую 9, функции которых меняются в процессе работы насоса 4.

Столб несжимаемой жидкости 3 (фиг.1) в прямолинейной трубе 1 снабжен уплотнителями 7, например, из нержавеющей стали.

Потребителями энергии могут быть насосы, любые гидротурбины или другие гидро- и пневмомашины.

В качестве топлива может быть использован природный газ, пропан - бутан и т.п.

Заявляемые способ и устройство для его реализации прошли испытания в опытно-промышленных условиях УрО РАН (г.Екатеринбург). Пример. Перекачка жидкости к потребителю.

Для осуществления перекачки жидкости использовали устройство с трубой U-образной формы (Фиг.2).

Характеристики устройства:

D_bh=100 мм; D_нар=120 мм; длина U-образного канала 3,8 м; объем полого канала V=30 л.

Параметры способа

Задаваемая мощность N=50 кВт; степень сжатия воздуха ε=30; столб несжимаемой жидкости - воды массой М=30 кг; топливо-природный газ (давление газа в трубопроводе Ртр=3 атм); температура сжатого воздуха перед впрыскиванием топлива в камере сгорания Т=715°С; энергетический приемник - жидкая среда - вода (давление воды в выходном трубопроводе объемного насоса Рнас=3,5 атм); длительность "рабочего хода" τ=0,02 с.

В левую камеру сгорания 2 U-образной трубы 1, где уже находился предварительно сжатый воздух (Рвозд=100 атм), подавали топливо под давлением Ртопл=110 атм. Происходило воспламенение топлива, и столб несжимаемой жидкости 3 - жидкий поршень начинал ускоренное движение из верхней мертвой точки (в.м.т.) в направлении нижней мертвой точки (н.м.т.) под действием давления рабочего тела (расширяющихся продуктов сгорания топлива), осуществляя "рабочий ход". В это же время в правой камере сгорания 2 через открытые клапаны происходило удаление продуктов сгорания с одновременным заполнением U-образной трубы 1 воздухом. При достижении в.м.т. в правой камере сгорания 2 "жидким поршнем" 3 или по отношению к левой камере сгорания 2 - достижении н.м.т. осуществляли впрыск топлива под давлением Ртопл=110 атм, начиная обратный процесс возвратно-поступательного движения. Инерционный аккумулятор - столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости 3 при приближении к н.м.т. тормозился, при этом его кинетическая энергия увеличивалась на величину инерционного напора.

Одновременно в объемном насосе 4 происходило снятие полезной работы, т.е. жидкая среда - вода 5 из заполненной нагнетательной камеры 9 под действием полого кармана 6 непрерывно поступала к потребителю энергии. Причем при выпуске воды из нагнетательной камеры 9 вода из входного трубопровода объемного насоса 4 заполняла всасывающую камеру 9 под действием возникающего разрежения. Функции камер при работе устройства постоянно меняются, совершая попеременно нагнетание и всасывание.

Эффективный КПД η=50%.

Как видно из приведенного примера, осуществление способа преобразования тепловой энергии в другой вид энергии в заявляемых условиях с использованием предлагаемого устройства по сравнению со способом и устройством, взятыми за прототип [см. Internet autoinf.tgb.ru, "Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС)", дата публикации 18 окт. 2002], обеспечивают следующие технические и общественно-полезные преимущества:

- увеличение эффективного КПД на 15%

- снижение габаритов и массы устройства

- упрощение технологии и конструкции устройства

- возможность применения любых видов топлива

- высокую степень сжатия газов

- снижение эксплуатационных расходов

- расширение функциональных возможностей за счет монтажа любых потребителей энергии

- экологическую безопасность.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топливной смеси, в иной вид энергии, преобразуемой в полезную работу. Способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору - столбу нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, которая совершает возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением и обеспечивает получение инерционного напора; последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивающей получение инерционного напора. Устройство представляет собой замкнутую поршневую систему, состоящую из трубы, на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а внутри - поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединенные с исполнительным механизмом, снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника, в качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости, в качестве исполнительного механизма установлен объемный насос, на выходном трубопроводе которого расположен полый карман. Столб несжимаемой жидкости в прямолинейной трубе снабжен с противоположных сторон уплотнителями, обеспечивающими сохранение его формы. Изобретение обеспечивает увеличение КПД и снижение эксплуатационных расходов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору, совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, отличающийся тем, что в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивающей получение инерционного напора.2. Устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида, представляющее собой замкнутую систему в виде трубы, на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а внутри - поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом, снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника, отличающееся тем, что в качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости, в качестве исполнительного механизма установлен объемный насос, на выходном трубопроводе которого расположен полый карман.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что труба может быть выполнена прямолинейной или иметь U-образную форму.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что столб несжимаемой жидкости в прямолинейной трубе снабжен с противоположных сторон уплотнителями, обеспечивающими сохранение его формы.