СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК F02G1/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к двигателестроению, и может быть использовано на транспорте, в судостроении, в том числе в морских надводных и подводных аппаратах, в энергетике, космосе.

Известен способ работы двигателя с внешним подводом теплоты, заключающийся в сжатии рабочего тела с отводом теплоты в регенераторе и охладителе и одновременном вытеснении его из рабочей камеры в холодную полость, вытеснении рабочего тела из холодной полости в горячую, нагрев его в процессе вытеснения и одновременное расширение рабочего тела в горячей полости и рабочей камере (патент РФ №2305605, F02G 1/04).

Недостатками данного способа являются:

1. гидравлические потери при перетекании рабочего тела по магистралям двигателя;

2. низкий кпд двигателя;

3. использование только одного рабочего тела, что не позволяет обеспечить повторное использование всей отводимой от рабочего тела теплоты во время работы двигателя.

Известен способ преобразования теплоты в работу по регенеративному циклу Стирлинга (Двигатели Стирлинга под ред. М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1977 г., с.14), заключающийся в том, что в замкнутом рабочем пространстве производят циклическое изменение объема рабочего пространства и рабочего тела, подводят теплоту к рабочему телу, отводят теплоту от него и регенерируют некоторую часть теплоты.

Недостатками данного способа является то, что процессы теплообмена обеспечиваются самим рабочим телом при его движении, что не позволяет двигателям с несколькими рабочими телами обмениваться отводимой от них в процессе работы теплотой.

Известен двигатель (АС №1275104, F02G 1/04) с внешним подводом теплоты, содержащий рабочий цилиндр, поршень, установленный в рабочем цилиндре и образующий с его крышкой полость сжатия, вытеснительный цилиндр, поршень-вытеснитель, установленный в вытеснительном цилиндре и разделяющий его объем на горячую и холодную полости, первую магистраль с установленным в нем охладителем, подключающую полость сжатия к холодной полости, и вторую магистраль с установленным и в ней нагревателем и регенератором, подключенную одним концом к горячей полости.

Двигатель дополнительно снабжен вторым регенератором, причем второй регенератор установлен в первой магистрали последовательно с охладителем, второй конец второй магистрали подключен к первой между полостью сжатия и вторым регенератором.

Недостатками двигателя являются:

1. Одностороннее действие рабочего поршня на кривошипно-шатунный механизм.

2. Изменение объема в рабочем цилиндре приводит к изменению давления во всех магистралях, что приводит к нарушениям процесса теплопередачи в элементах двигателя.

Известен двигатель (патент РФ №2224129, F02G 1/043) с внешним подводом теплоты, содержащий, по крайней мере, вытеснительный и силовой цилиндры с герметичными камерами, соединенные магистралью, проходящие через тепловые преобразователи, механизм преобразования движения; герметичные камеры в вытеснительном и силовом цилиндрах соединены между собой, по крайней мере, двумя магистралями, оборудованными газораспределительным механизмом, позволяющим поочередно впускать газ в герметичную камеру силового цилиндра из газовых магистралей, а сами герметичные камеры выполнены в форме, способной изменять свой объем (например, в виде гофр, сваренных из плоских снабженных доньями сильфонов, пакетов, гармошек из эластичного материала), установлены в заполненных жидкостью цилиндрах и воздействуют на привод механизма преобразования движения.

Управление газораспределительным механизмом производится электрическим, пневматическим, гидравлическим, механическим или комбинированным механизмом.

Кинематическая связь с преобразователем движения выполнена либо в виде жесткой связи - толкателя, штока или жесткой тяги, либо гидравлической, либо гибкой - троса, каната, цепи, шнура, ленты, ремня, гибкого толкателя, либо комбинированной.

Механизм преобразования движения выполнен в виде роторного преобразователя с гидравлической связью с цилиндрами.

Роторный механизм преобразования движения содержит цилиндрический статор, по крайней мере, с одной разделительной пластиной, внутри которого соосно расположен цилиндрический ротор, по крайней мере, с одним кулачком, приводимый во вращение посредством давления жидкости.

Ротор выполнен цилиндрическим, установлен на кривошипе силового вала и перекатывается по внутренней поверхности статора.

Механизм преобразования движения выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма.

Регулирование скорости изменения объема герметичной камеры осуществляется либо путем регулирования количества рабочего газа в газовой магистрали, либо путем изменения проходного отверстия гидравлических магистралей, либо комбинированным способом.

Поршни и цилиндры оборудованы тепловой изоляцией.

Рубашки силовых и вытеснительных цилиндров заполнены теплоносителем и соединены посредством теплопередающей связи, например, в виде тепловых труб с нагревателями и холодильниками тепловых преобразователей соответственно.

Цилиндры омываются охлаждающей жидкостью.

В цилиндрах или в гидравлических магистралях трансмиссии установлены тепловые фильтры в виде свободного теплоизолированного поршня, разделяющего горячий и холодный объемы жидкости.

Гидравлические магистрали оборудованы радиаторами (холодильниками).

Увеличение оборотов и/или мощности осуществляется посредством вытеснения газа из цилиндра управления с герметичной камерой посредством поршня управления.

Привод поршня управления осуществляется посредством усилителя, например, пневматического, вакуумного, гидравлического, электрического, механического или комбинированного.

Поддержание минимального давления газа в газовой магистрали осуществляется посредством газового редуктора из баллона с газом.

Рабочий цикл выполнен открытым.

Между дисками гофра герметичной камеры вставлены теплопроводные элементы (пластины), имеющие площади снаружи и внутри герметичной камеры.

Недостатками данного двигателя являются:

1. Сложность конструкции и, как следствие, низкая надежность.

2. Повышенная вибрация, акустический шум из-за механизма газораспределения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ работы теплового двигателя (заявка №2007140388/06 (044206 от 31.10.2007 F02G 1/00 «Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель В.В. Медведева»), заключающийся в циклическом изменении замкнутого рабочего пространства и рабочего тела, подвода теплоты к рабочему телу, отвода теплоты от него, регенерации теплоты, передачи теплоты в холодильник в режиме запуска и остановки, форсированном режиме работы двигателя, причем двум рабочим телам, изменяющим свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечивают тепловую связь между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термическое взаимодействие с рабочими телами, передачу теплоты, отводимой от одного рабочего тела другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя; в экономичном режиме работы двигателя температуру теплоносителя на входе в теплообменник холодильника поддерживают равной температуре холодильника.

Недостатками данного способа являются:

1. Сложность реализации данного способа.

2. Не обеспечивается постоянно низкая температура теплоносителя, входящего в теплообменную камеру, что, в свою очередь, не обеспечивает работоспособность двигателя.

3. Предусматривается только по одному каналу движения теплоносителя с каждой стороны теплообменной камеры. В этих каналах размещаются регенераторы, которые задерживают теплоту теплоносителя при его движении из теплообменной камеры в теплообменник холодильника, а при обратном движении теплоносителя из теплообменника холодильника в теплообменную камеру регенератор возвращает запасенную теплоту теплоносителю и повышает его температуру. Повышение температуры теплоносителя при обтекании теплообменников рабочих тел повышает температуру и давление сжимающегося рабочего тела. Это уменьшает разность сил давления сжимающегося и расширяющегося рабочего тела, что в свою очередь, приводит к уменьшению полезной работы, вплоть до нуля при повышении температуры теплоносителя до температуры нагревателя.

4. На вход в теплообменной камеры в каждом цикле подается теплоноситель с температурой, большей, чем температура холодильника, что снижает работоспособность двигателя.

5. Данный способ обеспечивает регенерацию теплоты теплоносителя за счет регенераторов, но при этом теряется возможность отвода теплоты сжатия от рабочих тел и совершение полезной работы.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является тепловой двигатель (заявка №2007140388/06 (044206 от 31.10.2007, F02G 1/04 «Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель В.В. Медведева»).

Тепловой двигатель, содержащий вытеснительный и силовой цилиндры с герметичными камерами, соединенные теплопередающей связью, проходящей через тепловые преобразователи, нагреватель, теплообменники рабочих тел, регенераторы, теплообменники холодильника, механизм преобразования движения. При этом надпоршневое пространство силового цилиндра двухстороннего действия соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела.

Подпоршневое пространство реверсивного насоса теплоносителя соединено через теплообменник холодильника, первый регенератор с входом - выходом теплообменной камеры нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю, а выход - вход теплообменной камеры через второй регенератор, теплообменник холодильника - с подпоршневым пространством реверсивного насоса теплоносителя.

Недостатками данного устройства являются:

1. В конструкции двигателя предусмотрено по одному каналу, связывающих входы-выходы теплообменной камеры с теплообменниками холодильника. По одному и тому же каналу теплоноситель движется из теплообменной камеры в холодильник и обратно в теплообменную камеру через регенератор. Теплота, отводимая от одного рабочего тела, например, рабочего тела, переданная в предыдущем процессе регенератору, передается не другому рабочему телу, а снова этому же рабочему телу в теплообменнике.

2. Если регенератор в предыдущем процессе поглотил количество теплоты, которое обеспечивает понижение температуры теплоносителя от Т₁ до T₂, то в последующем процессе он вернет тому же рабочему телу это же количество теплоты, нагрев его до T₁. А так как источник теплоты нагревает другое рабочее тело до той же температуры T₁, то никакого движения рабочего поршня происходить не будет.

Таким образом, рассматриваемый двигатель наиболее близкого аналога не обеспечивает полезной работы.

Задача заявляемого изобретения - получение полезной работы за счет обеспечения разности работ сжатия и расширения рабочих тел, упрощение конструкции и повышение надежности, обеспечение постоянно низкой температуры теплоносителя, входящего в теплообменную камеру двигателя, что определяет и обеспечивает работоспособность двигателя.

Поставленная задача, решается за счет того, что:

1. В способе работы теплового двигателя, заключающемся в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющим свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечивают тепловую связь между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термическое взаимодействие с рабочими телами, передачу теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя, причем теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела.

2. Тепловой двигатель, содержащий: реверсивный насос теплоносителя, под- и надпоршневое пространства которого соединены с первым и вторым теплообменниками холодильника соответственно; механизм преобразования движения; силовой цилиндр двухстороннего действия, надпоршневое пространство которого соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела; теплообменную камеру нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю. Выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно; входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя двухстороннего действия соответственно.

Новые существенные признаки:

1. теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник и охлаждают до температуры холодильника;

2. теплоноситель направляют в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела;

3. выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно;

4. входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат.

1. Обтекание холодным теплоносителем теплообменника сжимающегося рабочего тела понижает давление и температуру сжимающегося рабочего тела, что обеспечивает разность давлений сжимающегося и расширяющегося рабочих тел.

2. Обтекание горячим теплоносителем теплообменника расширяющегося рабочего тела повышает давление и температуру расширяющегося рабочего тела, что обеспечивает полезную работу за счет разности сил давления расширяющегося и сжимающегося рабочего тела в циклах.

3. В каждом цикле обеспечивается отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела холодным теплоносителем и передача ее в сумме с теплотой нагревателя расширяющемуся рабочему телу.

4. Предлагаемый способ и устройство для его реализации технологичен, содержит минимум элементов, не содержит сложных элементов, что позволяет изготовить тепловой двигатель с повышенной экономичность и надежностью работы, пониженной виброактивностью и низким уровнем акустических шумов за счет отсутствия взрывного горения топлива, присущего, например, двигателям внутреннего сгорания.

5. Обеспечение постоянно низкой температуры теплоносителя на входе в теплообменную камеру в процессе сжатия рабочего тела обеспечивает отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела в каждом цикле.

6. Нагрев расширяющегося рабочего тела за счет суммарной теплоты (теплоты сжатия и теплоты, полученной от нагревателя) обеспечивает работоспособность теплового двигателя при повышенной экономичности за счет повторного использования теплоты сжатия рабочих тел, передаваемой от одного рабочего тела к другому, все время работы двигателя.

На фиг.1 - схематично изображен тепловой двигатель при движении поршней слева направо.

На фиг.2. схематично изображен тепловой двигатель при движении поршней справа налево.

Тепловой двигатель содержит силовой цилиндр 1 двухстороннего действия, в котором находятся рабочие тела 2, 3 по обе стороны адиабатического рабочего поршня 4, механически взаимодействующего с преобразователем движения, например с профилированными планшайбами или кривошипно-шатунными механизмами 5, соединенными кинематической связью 6.

Надпоршневое пространство 7 силового цилиндра 1 двухстороннего действия соединено с теплообменником 8 первого рабочего тела 2, а подпоршневое пространство 9 соединено с теплообменником 10 второго рабочего тела 3.

Надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 соединено первым входным каналом 14 через клапан 15 с входом 16 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 8 первого рабочего тела 2, причем в теплообменной камере 17 теплообменники рабочих тел 8, 10, непроницаемые для теплоносителя 13, симметрично расположены по отношению к нагревателю 18.

Второй выходной канал 19 теплообменной камеры 17 через теплообменник 20 холодильника 21 и клапан 22 соединен с подпоршневым пространством 23 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 и с входом 26 теплообменной камерой 17.

Подпоршневое пространство 23 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 соединено вторым впускным каналом 24 через клапан 25 с входом 26 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 10 второго рабочего тела 3.

Первый выходной канал 27 связан через теплообменник 28 холодильника 21 и клапан 29 с надпоршневым пространством 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13. Надпоршневое 11 и подпоршневое 23 пространства реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 разделяются поршнем 30. Клапаны 22 и 29 установлены на выходе теплообменников 20 и 28 холодильника 21 соответственно

Рассмотрим работу теплового двигателя в установившемся режиме по произвольному циклу. Такой режим работы может обеспечить использование преобразователя движения в виде профилированных планшайб, создающих синхронное или опережающее перемещение поршня 30 реверсивного насоса 12 по отношению к движению рабочего поршня 4, например поршни движутся слева направо (фиг.1).

В процессе расширения рабочего тела 2 поршень 30 реверсивного насоса 12 движется слева направо, перекачивая теплоноситель 13 против часовой стрелки. При этом уменьшается подпоршневое пространство 23 реверсивного насоса 12 и увеличивается надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13. Холодный теплоноситель 13 вытесняется из подпоршневого пространства 23 и через второй входной канал 24 теплообменной камеры 17 и открытый клапан 25 поступает в теплообменную камеру 17. В теплообменной камере 17 холодный теплоноситель 13 охлаждает теплообменник 8 сжимающегося второго рабочего тела 3 и отводит от него теплоту сжатия. Двигаясь дальше, теплоноситель 13, проходя через нагреватель 18, получает от него дополнительную теплоту и повышает свою температуру. Нагретый теплоноситель 13 при дальнейшем движении обтекает теплообменник 8 первого рабочего тела 2, нагревает его, передавая первому рабочему телу 2 часть суммарной полученной теплоты (теплоты сжатия второго рабочего тела 3 и теплоты нагревателя 18). Температура и давление рабочего тела 2 повышаются. За счет разности сил давления первого рабочего тела 2 и охлаждаемого второго рабочего тела 3 совершается полезная работа. При дальнейшем движении теплоноситель 13 при закрытом клапане 15 поступает через первый выходной канал 27 теплообменной камеры 17 в теплообменник 28 холодильника 21, передавая холодильнику 21 теплоту, не использованную в цикле. Далее через открытый клапан 29 охлажденный теплоноситель 13 двигается в надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13.

После достижения поршнем 30 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 крайнего правого положения (правой мертвой точки) поршни 4 и 30 начинают движение справа налево (фиг.2); теплоноситель 13 начинает перемещаться по часовой стрелке. При этом клапаны 25 и 29 закрываются, а клапаны 15 и 22 открываются. Холодный теплоноситель 13 через клапан 22 поступает в надпоршневое пространство 23 и вытесняется из надпоршневого пространства 11 через открытый клапан 15 и вход 16 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 8 первого рабочего тела 2. Обтекание теплообменника 8 холодным теплоносителем вызывает отвод теплоты сжатия от первого рабочего тела 2, снижение его температуры и давления. При дальнейшем движении теплоносителя 13 через нагреватель 18 к нему добавляется теплота, что повышает температуру теплоносителя. Часть суммарной теплоты (теплоты сжатия, отведенной от первого рабочего тела 2, и теплоты, полученной от нагревателя 18) передается теплоносителем 13 второму рабочему телу 3 при обтекании теплоносителем 13 теплообменника 10 второго рабочего тела 3, что повышает давление и температуру второго рабочего тела 3. Поршни 4 и 30 продолжают движение до крайнего левого положения (левой мертвой точки). В процессе движения справа налево рабочий поршень 4 совершает полезную работу за счет разности сил давления нагреваемого расширяющегося второго рабочего тела 3 и охлаждаемого и сжимаемого рабочего тела 2. После достижения левой мертвой точки поршни 4 и 30 начинают движение слева направо и процессы симметрично повторяются. При этом в каждом цикле в теплообменную камеру 17 перед теплообменниками 8 и 10 входит холодный теплоноситель, обеспечивая отвод теплоты сжатия от рабочих тел 2 и 3, за счет чего периодически понижаются температура и давление одного из рабочих тел, в то время как температура и давление другого рабочего тела повышаются за счет суммарной теплоты нагревателя 18 и теплоты сжатия рабочего тела 2 или 3. Разность сил давления в процессах расширения и сжатия рабочих тел 2, 3 совершает полезную работа каждым рабочим телом. Не преобразованная в циклах теплота передается теплоносителем 13 в холодильник 21 в каждом цикле.

Клапаны 15 и 25 установлены с возможностью открытия как входных 14 и 24, так и выходных каналов 19 и 27 в циклах поочередно. Клапаны в конструкции двигателя могут приводиться в действие механическим, электрическим, гидравлическим или пневматическим способом.

Предложенный способ и двигатель не нарушают законов термодинамики. В способе используется подвод теплоты от нагревателя рабочим телам, отвод теплоты от рабочих тел холодному телу - теплоносителю, рабочие тела циклически изменяют свои параметры. Не преобразованная в работу в циклах теплота передается холодильнику теплоносителем, что ограничивает коэффициент преобразования теплоты в работу значением меньше единицы. Использование нагревателя и холодильника позволяет получить разность сил давления рабочих тел и полезную работу. При этом выполняется утверждение одной из формулировок второго начала термодинамики: нельзя стопроцентно преобразовать теплоту в работу.

Пояснения к Фиг.1 и Фиг.2

холодный теплоноситель,

часть теплоты q₂, отводимой от сжимающегося рабочего тела,

теплоноситель, получивший теплоту q₂,

теплоноситель, получивший от нагревателя часть теплоты $$q{}_L=q_2^{\text{'}}$$ в дополнение к части теплоты q₂,

часть теплоты q₁=q_L+q₂, подведенной к расширяющемуся рабочему телу,

теплоноситель, движущийся в теплообменник холодильника при температуре $$T_2^{\text{'}}<T_2$$ и передающей холодильнику часть теплоты $$q_2^{\text{'}}$$ , не преобразованной в цикле в работу.

Изобретение относится к теплоэнергетике и двигателестроению. Способ работы теплового двигателя заключается в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющими свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, и обеспечении тепловой связи между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, обеспечении термического взаимодействия с рабочими телами и передачи теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя. Теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела теплоносителя соответственно. Изобретение позволяет получить полезную работу за счет обеспечения разности работ сжатия и расширения рабочих тел при упрощении конструкции и повышении надежности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы теплового двигателя, заключающийся в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющими свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечении тепловой связи между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термического взаимодействия с рабочими телами, передачи теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя, отличающийся тем, что теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела.

2. Тепловой двигатель, содержащий: реверсивный насос двухстороннего действия теплоносителя, под- и надпоршневое пространства которого соединены с первым и вторым теплообменниками холодильника соответственно; силовой цилиндр двухстороннего действия, надпоршневое пространство которого соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела; теплообменную камеру нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю; механизм преобразования движения; отличающийся тем, что выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса двухстороннего действия теплоносителя соответственно, а входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса двухстороннего действия теплоносителя соответственно.