ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК F01K25/06 

Настоящее изобретение относится к термодинамическому двигателю.

Термодинамические двигатели работают за счет расширения газа или пара, называемых ниже как «рабочая текучая среда», от повышенного давления и температуры до пониженного давления и температуры, обеспечивая эффективную производительность в процессе работы. Обычно это выполняется в поршневом и цилиндровом двигателе или турбине.

Повышение давления и температуры может быть выполнено внутри, как в двигателе внутреннего сгорания, или снаружи, как в паровой турбине.

Обычно используют одну рабочую текучую среду, хотя в случае внутреннего сгорания текучая среда может быть смесью газов, в частности азота из воздуха, используемого при сгорании, и продуктов сгорания, главным образом углекислого газа и водяного пара.

Известно, что жидкость проходит через двигатель, например, в виде воды во влажном паре.

В настоящем изобретении описывается нагревание рабочей текучей среды с другой текучей средой.

Целью настоящего изобретения является предоставление улучшенного термодинамического двигателя.

Согласно настоящему изобретению предоставлен термодинамический двигатель, содержащий:

термодинамический детандер для расширения рабочей текучей среды, объединенной со второй текучей средой;

сепаратор, соединенный с выпуском детандера, для отделения второй текучей среды от рабочей текучей среды;

устройство для пропускания второй текучей среды к его нагревателю и оттуда в область испарения;

конденсатор для конденсации рабочей текучей среды из газообразной формы в форму летучей жидкости и

устройство для пропускания конденсированной рабочей текучей среды в виде жидкости в область испарения для контакта с повторно нагретой второй текучей средой для испарения рабочей текучей среды для ее использования с обеспечением расширения в детандере.

Детандер может представлять собой либо поршневое устройство, например, детандер с возвратно-поступательным движением, либо устройство с переменным перемещением, например, турбину.

Область испарения может быть внутренней по отношению к детандеру, например, объемом верхней мертвой точки поршня с возвратно-поступательным движением и цилиндрового устройства, аналогично камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, или впускной областью турбины.

Альтернативно, область испарения может быть наружной по отношению к детандеру, по аналогии с подогревателем парового двигателя/турбины, с различием в том, что повторно нагретая вторая текучая среда проходит в подогреватель с конденсированной рабочей текучей средой для непосредственного контакта для передачи теплоты рабочей текучей среде и ее испарения.

Обычно вторая текучая среда может быть жидкостью. Сепаратор может быть расположен либо на стороне детандера конденсатора, в данном случае он будет представлять собой сепаратор жидкость/пар, либо на другой стороне конденсатора, в данном случае он будет представлять собой сепаратор жидкость/жидкость.

В предпочтительных вариантах осуществления пентан используется в качестве изменяющей фазу среды, а глицерин (пропан-1,2,3-триол) с оптимальной примесью пропан-1,2-диола используется в качестве жидкого теплоносителя.

Вторая текучая среда может нагреваться различными способами, такими как использованная теплота и посредством солнечной энергии.

Для лучшего понимания настоящего изобретения сейчас будут описаны два конкретных варианта осуществления в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

фиг. 1 представляет собой структурную схему первого термодинамического двигателя согласно настоящему изобретению и

фиг. 2 представляет собой структурную схему второго термодинамического двигателя согласно настоящему изобретению.

Ссылаясь на фиг. 1, показанный на ней термодинамический двигатель 1 содержит детандер по типу поршня 2 и цилиндра 3, перевернутый по сравнению с его обычным положением в двигателе внутреннего сгорания, коленчатый вал 4, который является самым верхним, и «головку» 5 цилиндра, которая является самой нижней. Головка цилиндра содержит пару инжекторов 6, 7 для жидкостей, предназначенных для нагнетания соответствующих жидкостей, пентана и глицерина, в виде тумана, обеспечивая при этом их контакт друг с другом в нижней части цилиндра, в область 8 парообразования между «верхним» положением мертвой точки поршня и головкой цилиндра, при этом «верхнее» положение мертвой точки представляет собой положение наибольшего приближения поршня к головке цилиндра и называется «верхней» мертвой точкой по аналогии с термином в двигателях с традиционной ориентацией. Пентан испаряется за счет передачи к нему скрытой теплоты от глицерина. Предусмотрены соответствующие клапаны 9, 10 нагнетания, работающие за счет насосов 14, 15 с помощью направляющих 11, 12 высокого давления.

Также в головке цилиндра установлен выпускной клапан 16, открываемый кулачковым механизмом 17, приводимым в движение при скорости вращения коленчатого вала цепным приводом, не показанным как таковой. Выпускная труба 18 ведет к циклонному сепаратору 19. В данном случае выпускной пар двигателя вызывает завихрение, что приводит к образованию тумана и капелек глицерина, летящих к стенке 20 сепаратора и проходящих к его нижней части 21, оттуда они периодически выпускаются под контролем поплавкового клапана 22. Пар пентана отводится от центра 23 верхней части сепаратора. Следует отметить, что каналы для текучей среды двигателя закрыты, вместо того, чтобы быть открытыми в атмосферу, и внутренняя часть сепаратора также закрыта. Он будет находиться под давлением и температурой выше атмосферных условий.

Через трубу 25 пар пентана проходит в конденсатор 26. Из его нижней части также с использованием поплавкового клапана 27 выпускается жидкий пентан. Соответствующие жидкости проходят по трубам для хранения в резервуарах 28, 29. Они имеют герметизированные крышки. Сеть труб для глицерина предпочтительно опущена вниз от выпуска до сепаратора, а затем поднята вверх к резервуару для глицерина, для протекания глицерина под силой тяжести. По этой же причине детандер выполнен так, что имеет головку цилиндра, расположенную внизу.

Из резервуара для глицерина данная жидкость закачивается с помощью насоса 30 низкого давления в нагреватель 31. Он может относиться ко многим типам, как правило, представляет собой утилизационный теплообменник или солнечный коллектор.

При использовании двигатель может приводить в действие генератор электрического тока для генерирования электрического тока пропорционально доступной теплоте. Система 32 управления предусмотрена для регулирования потока глицерина таким образом, что он покидает нагреватель при заметно повышенной температуре, соответственно 150°C. Потоки горячего глицерина из его резервуара и жидкого пентана из его резервуара закачиваются инжекторными насосами 14, 15, повышая давление жидкостей до давлений в инжекторных направляющих.

Цикл работы для одного цилиндра осуществляется следующим образом, начиная с TDC: количества двух сред, определяемых динамически системой управления, инжектируются при соответствующем временном соотношении друг к другу и к угловому положению двигателя. Когда было инжектировано достаточное количество обеих сред (снова рассчитывается динамически системой управления), инжектирование прекращается. С этого момента, пока поршень не достигнет конца своего хода, испаряемая изменяющая фазу среда расширяется, приводя в движение поршень и обеспечивая энергию.

В конце хода выпускной клапан открывается (и остается открытым во время обратного хода), выпуская смешанную среду в часть извлечения текучей среды двигателя.

Теперь ссылаясь на фиг. 2, показанный на ней термодинамический двигатель 101 содержит турбину 102, приводящую в движение электрический генератор 103. Выпуск от турбины проходит в сепаратор 119, при этом пар пентана проходит в конденсатор 124 и оттуда в резервуар 129 для жидкого пентана. Отсюда он нагнетается насосом 139 под повышенным давлением в подогреватель 140.

Подогреватель вмещает горячий глицерин 141 с вышележащим слоем 142 кипящего пентана. Жидкий пентан распыляется на поверхность кипящего пентана и испаряется в пар 143 пентана в верхней части подогревателя. Глицерин выводится из нижней части емкости и закачивается насосом 144 в нагреватель 131, откуда он течет обратно в емкость и распыляется в пар пентана для максимизации передачи теплоты.

Пар пентана течет из подогревателя со скоростью, контролируемой скоростью турбины, которая сама регулируется нагрузкой генератора. Данный поток содержит глицерин в виде тумана. Именно этот глицерин разделяется циклоном. Поток отделенного глицерина возвращается в подогреватель с помощью дополнительного насоса 145.

Следует отметить, что описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой новые варианты органического цикла Ренкина, который позволяет избежать необходимости в любом теплообменнике со стороны впуска. Такой теплообменник заменяется прямым впрыском горячего глицерина в пентан, который выполняет фазовое изменение органического цикла Ренкина.

Рассеивание глицерина-теплоносителя на чрезвычайно мелкие капельки в непосредственном контакте с изменяющим фазу пентаном по большей площади поверхности, чем может быть достигнута с помощью обычного теплообменника, функционирует как эффективный и быстрый механизм теплообмена. Оно устраняет значительную разность температур и, как следствие, потерю эффективности, характерную для обычного теплообменника.

Поскольку циклы детандера полностью замкнуты, выпуск не производится.

Настоящее изобретение не предполагается быть ограниченным описанными выше вариантами осуществления. Например, поршень с возвратно-поступательным движением и цилиндровый детандер могут представлять собой многоцилиндровое устройство.

Термодинамический двигатель включает термодинамический детандер, сепаратор и конденсатор. Термодинамический детандер служит для расширения рабочей текучей среды, объединенной со второй текучей средой, а сепаратор соединен с выпуском детандера для отделения второй текучей среды от рабочей текучей среды. Конденсатор служит для конденсации рабочей текучей среды из газообразной формы в форму летучей жидкости. Двигатель также включает устройство для пропускания второй текучей среды к его нагревателю и оттуда в область испарения, а также устройство для пропускания конденсированной рабочей текучей среды в виде жидкости в область испарения для контакта с повторно нагретой второй текучей средой для испарения рабочей текучей среды для ее использования с обеспечением расширения в детандере. Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термодинамический двигатель, содержащий:

термодинамический детандер для расширения рабочей текучей среды, объединенной со второй текучей средой;

сепаратор, соединенный с выпуском детандера, для отделения второй текучей среды от рабочей текучей среды;

устройство для пропускания второй текучей среды к его нагревателю и оттуда в область испарения;

конденсатор для конденсации рабочей текучей среды из газообразной формы в форму летучей жидкости и

устройство для пропускания конденсированной рабочей текучей среды в виде жидкости в область испарения для контакта с повторно нагретой второй текучей средой для испарения рабочей текучей среды для ее использования с обеспечением расширения в детандере.

2. Термодинамический двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детандер представляет собой поршневой детандер.

3. Термодинамический двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детандер представляет собой турбину.

4. Термодинамический двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что область испарения является внутренней по отношению к детандеру.

5. Термодинамический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что область испарения представляет собой объем верхней мертвой точки поршня возвратно-поступательного хода и цилиндрового детандера.

6. Термодинамический двигатель по п. 5, отличающийся тем, что детандер выполнен таким образом, что «головка» цилиндра расположена снизу.

7. Термодинамический двигатель по п. 3, отличающийся тем, что область испарения представляет собой впускную область турбины.

8. Термодинамический двигатель по п. 3, отличающийся тем, что область испарения является наружной по отношению к детандеру.

9. Термодинамический двигатель по п. 8, отличающийся тем, что область испарения представляет собой подогреватель парового двигателя/турбины, при этом подогреватель предназначен для пропускания повторно нагретой второй текучей среды в себя с конденсированной рабочей текучей средой для непосредственного контакта с ней с целью передачи теплоты рабочей текучей среде и ее испарения.

10. Термодинамический двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, если второй текучей средой является жидкость, сепаратор представляет собой сепаратор жидкость/пар, расположенный на стороне детандера конденсатора.

11. Термодинамический двигатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что, если второй текучей средой является жидкость, сепаратор представляет собой сепаратор жидкость/жидкость, расположенный на стороне конденсатора, удаленно от детандера.

12. Термодинамический двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сеть труб от выпуска к сепаратору и от сепаратора к резервуару для хранения опущена вниз.

13. Термодинамический двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит устройство для нагревания второй текучей среды за счет использованной теплоты.

14. Термодинамический двигатель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что содержит устройство для нагревания второй текучей среды посредством солнечной энергии.

15. Термодинамический двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выполнен и предназначен для использования пентана в качестве рабочей текучей среды и глицерина (пропан-1,2,3-триола) с оптимальной примесью пропан-1,2-диола в качестве второй текучей среды.