СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА С ПОДВОДОМ ТЕПЛА ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ Российский патент 2023 года по МПК F01B23/08 F01K25/00 F03G4/02 F03G6/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха/газа, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов стационарного размещения.

В сегодняшнее время, набирают обороты идеи связанные с развитием альтернативных источников энергии, использование энергии солнца, ветра, земли и пр, для сохранения природных богатств и задействия восполняемых природных ресурсов.

Из уровня техники известны различные конструкции пневматических двигателей, включающие статор с эксцентрично установленным в нем ротором, в радиальных пазах которого расположены лопасти с возможностью их передвижения в плоскостях, проходящих через ось ротора, контактирующие своими концами с внутренней цилиндрической поверхностью статора, см., например, SU 1698459 А1, 15.12.1991 или SU 1165804 А, 07.07.1985, или SU 1188336 А, 30.10.1985, или DE 29811693 U1, 08.10.1998.

Однако, эти пневмодвигатели малоэффективны, поскольку требуют источника сжатого воздуха с большим давлением, что приводит к повышенному его расходу, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются большие габаритные размеры двигателя, поскольку в передаче крутящего момента фактически участвует только одна лопасть, и, следовательно, чем больше рабочая площадь лопасти, тем больший крутящий момент передает двигатель. Кроме того, очень сложна технология изготовления этих двигателей, поскольку требуется высокая точность изготовления ротора с пазами, в которых с минимальными допусками должны двигаться лопасти. КПД этих двигателей также снижается из-за большого трения стенок лопаток в пазах ротора, а также из-за трения их концевых кромок о внутреннюю поверхность статора.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы комбинированного пневматического двигателя можно принять пневматический двигатель по патенту RU 2520768 С2, 27.06.2014, включающий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, с фланцами, расположенными по его торцам с, по меньшей мере, одним впускным отверстием, сообщенным с источником сжатого воздуха и с, по меньшей мере, одним выпускным отверстием, эксцентрично установленный внутри статора ротор, выполненный в виде цилиндра с, по меньшей мере, двумя осевыми отверстиями, ориентированными вдоль его оси и проходящими по периферии упомянутого цилиндра, при этом каждое из этих осевых отверстий сообщается с наружной цилиндрической поверхностью ротора посредством продольного паза или, по меньшей мере, одного стыковочного отверстия, предназначенных для последовательной стыковки с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями статора, причем упомянутые осевые отверстия выполнены глухими с двух сторон.

Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде необходимости использования источника сжатого воздуха с большим давлением, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются также большие габаритные размеры двигателя. Кроме того, система имеет низкий КПД и не задействует восполняемые природные ресурсы.

В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы работы пневмодвигателя, устраняющую известные недостатки аналогов.

Техническим результатом является повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента с использованием восполняемых природных источников энергии.

Данный результат достигается тем, что система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, включает комбинированный с первым и вторым компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллекторов с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушных компрессоров, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, включающий узлы впуска и узлы выпуска рабочей среды, при этом,

узел выпуска первого компрессора по первому контуру трубопровода проходит через первый вспомогательный теплообменник, где осуществляется подогрев рабочей среды до температуры окружающей среды и основной теплообменник, подогреваемый третьим контуром природного источника тепла и, далее, связан с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретой до заданной температуры рабочей среды,

по второму контуру трубопровода, выпускной коллектор связан с узлом впуска второго компрессора, а от узла выпуска второго компрессора трубопровод проходит через воздушный теплообменник, где осуществляется охлаждение рабочей среды, через дроссель и испаритель в узел впуска первого компрессора, при этом выравнивание данных потоков второго контура осуществляется по связанному с ними второму вспомогательному теплообменнику и узлу выравнивания давления.

Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура дополнительно включает промежуточный теплообменник, через который проходят первый и второй контуры трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура и охлаждения рабочей среды второго контура.

Природный источник тепла имеет рабочую температуру от -10°С до +110°С и выше.

Природный источник тепла представляет собой источник геотермальных вод.

Природный источник тепла представляет собой источник солнечной энергии.

Выходной вал комбинированного пневмодвигателя на выходе из корпуса содержит уплотнительный узел.

Комбинированный с первым и вторым компрессором пневмодвигатель включает размещенные в одном герметичном корпусе с ним стартер-генератор и/или гидромотор.

Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по чертежу, где изображена предпочтительная система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, где

1 - пневмодвигатель комбинированный замкнутого контура с компрессором;

2 - впускной коллектор;

3 - выпускной коллектор;

4 - узел впуска первого компрессора;

5 - узел выпуска первого компрессора;

6 - узел впуска второго компрессора;

7 - узел выпуска второго компрессора

8 - воздушный теплообменник;

9 - первый контур трубопровода;

10 - основной теплообменник;

11 - второй контур трубопровода;

12 - третий контур природного источника тепла;

13 - источник природного нагрева;

14 - промежуточный теплообменник-конденсатор;

15 - уплотнительный узел;

16 - герметичный корпус;

17 - стартер-генератор и/или гидромотор;

18 - первый компрессор;

19 - второй компрессор;

20 - первый вспомогательный теплообменник;

21 - второй вспомогательный теплообменник;

22 - узел выравнивания давления;

23 - дроссель и испаритель.

Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, включает комбинированный с компрессорами пневмодвигатель 1, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного 2 и выпускного 3 коллекторов с клапанным механизмом. Система имеет полностью замкнутый контур с двумя основными контурами трубопроводов 9, 11 и третьим контуром 12 природного источника тепла. Комбинированный с компрессорами 18, 19 пневмодвигатель 1 размещается в герметичном корпусе 16.

Комбинированный пневмодвигатель дополнительно включает поршневой блок первого 18 и второго 19 воздушных компрессоров, приводимых в движение узлами пневмодвигателя, например, посредством элементов толкания поршней компрессора, размещенных на коленчатом валу пневмодвигателя или иной схеме, обеспечивающей приведение в движение поршней воздушных компрессоров 18, 19.

Поршневой блок воздушных компрессоров 18, 19 включает узлы впуска 4, 6 и узлы выпуска 5, 7 рабочей среды. В качестве рабочей среды могут использоваться различные воздушные и легкокипящие жидкие смеси и/или газы. Наиболее эффективная работа системы осуществляется при использовании в качестве рабочей среды - фреона. Фреон обеспечивает его быстрый нагрев и охлаждение, большое изменение давления при нагреве, что положительно сказывается при его использовании в системе и ее эффективности.

Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников включает два рабочих замкнутых контура 9, 11 трубопроводов. Система абсолютно герметична и потери в ней рабочей среды исключены.

По первому контуру 9 трубопровода рабочая среда из узла выпуска 5 первого компрессора 18 проходит через первый вспомогательный теплообменник 20, где осуществляется подогрев рабочей среды до температуры близкой к температуре окружающей среды (например, близкой к температуре +25°С в помещении).

Далее, по трубопроводу контур 9 соединяется с основным теплообменником 10, который подогревается третьим контуром 12 природного источника тепла 13. Первый контур 9 трубопровода, после основного теплообменника 10 связан трубопроводом с впускным коллектором 2 пневмодвигателя для передачи разогретой до заданной температуры рабочей среды.

Теплообменники 8, 10, 14, 20, 21 - это технические устройства, в которых осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры. Как правило, теплообменник выполняется в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, и- обеспечивающими нагрев/охлаждение рабочей среды. Конструкция теплообменников может быть и иной, например, спиральный контур, теплообменник типа «труба в трубе» и прочие виды.

Основной теплообменник 10 подогревается третьим контуром 12 от природного источника тепла 13. В качестве природного источника тепла 13 используется энергия подземных природных объектов: грунты и воды, энергия солнца, энергия воды и пр. Это может быть, например, горячий источник геотермальных вод, или водяная скважина, которая также имеет значительную температуру воды, или горизонтальный земляной контур, забирающий тепло с земли и пр. Природный источник тепла имеет рабочую температуру от -10°С до +110°С и выше. По третьему контуру 12 природного источника тепла циркулирует раствор, забирающий тепло среды (воды или грунтов или солнца и пр.) и передающее его в основной теплообменник 10.

Из узла выпуска 5 первого воздушного компрессора 18 осуществляется нагнетание рабочей среды непосредственно в основной теплообменник 10, где уже осуществляется нагрев рабочей среды до заданной температуры. Таким образом, по данному контуру 9 трубопровода осуществляется передача охлажденной рабочей среды, ее нагрев в основном теплообменнике 10 и подача разогретой до заданной температуры рабочей среды во впускной коллектор 2 пневмодвигателя 1, для осуществления его работы.

Поступая во впускной коллектор 2, разогретая до заданной температуры рабочая среда способствует осуществлению работы пневмодвигателя 1. Поступая во впускной коллектор 2, разогретая до заданной температуры рабочая среда приводит к работе ЦПГ, осуществляющие передачу вращения выходному валу, например на стартер-генератор и/или гидромотор 17, которые могут размещаться в одном герметичном корпусе 16 или отдельно, снаружи системы, или по иной схеме передачи вращения.

По второму контуру 11 трубопровода, осуществлена замкнутая (герметичная) связь от выпускного коллектора 3 до узла впуска 6 второго компрессора 19.

Узел выпуска 7 второго компрессора 19 трубопроводом соединен с промежуточным теплообменником 14, воздушным теплообменником 8, дросселем и испарителем 23 и узлом впуска 4 первого компрессора 18.

Рассмотрим второй контур 11 трубопровода подробней с узлами и принципом его работы. Выпускной коллектор 3 по второму контуру 11 трубопровода связан с узлом впуска 6 второго компрессора 19. От узла выпуска 7 второго компрессора 19 трубопровода рабочая среда проходит через промежуточный теплообменник-конденсатор 14, воздушный теплообменник 8, где осуществляется охлаждение рабочей среды до необходимой температуры, предпочтительно до температуры окружающей среды.

Воздушный теплообменник 8 имеет, как правило, радиаторный блок и вентилятор для снятия тепловой энергии и охлаждения рабочей среды. Для повышения эффективности охлаждения в контуре 11 могут дополнительно применяться более эффективные методы охлаждения, например гликолевый блок охлаждения (на чертеже не показан).

Далее, после воздушного теплообменника 8 контур 11 трубопровода проходит через дроссель и испаритель 23. В данном узле осуществляется испарение рабочей среды. Предпочтительно, дроссель и испаритель 23 выполнять с оребрением (пластины охлаждения), и на данное оребрение направить воздушный поток, создаваемый вентилятором, что будет способствовать более эффективной теплоотдаче. Далее рабочая среда поступает в узел впуска 4 первого компрессора 18.

В данном контуре 11 два потока рабочей среды на части трубопровода направлены навстречу друг другу из выпускного коллектора 3 и из узла выпуска 7 второго компрессора 19. При этом охлаждаясь до заданной температуры первый поток рабочей среды направляется в узел впуска 6 второго компрессора 19, а второй поток рабочей среды направляется в узел впуска 4 первого компрессора 18, для их циклического запуска в работу и осуществления функционирования системы. При этом выравнивание встречных потоков осуществляется во втором вспомогательном теплообменнике 21, куда со стороны выпускного коллектора 3 направляется часть потока рабочей среды с достаточно высокой температурой, где происходит ее охлаждение, а в узле выравнивания давления 22 осуществляется его выравнивание. При этом с другой стороны, охлажденный поток рабочей среды также частично направляется во вспомогательный теплообменник 21 и узел выравнивания давления 22.

Под заданной температурой понимается та температура, которая обеспечивает правильное функционирование устройства и в зависимости от используемой рабочей среды, длины контуров, эффективности теплообменников, а кроме того, температура природного источника тепла, может находиться в различных рабочих диапазонах.

Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура дополнительно включает промежуточный теплообменник 14, через который проходят оба контура 9, 11 трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура 9 и охлаждения рабочей среды второго контура 11, что дополнительно повышает эффективность работы системы и ее КПД.

При этом выходной вал комбинированного пневмодвигателя на выходе из корпуса 16 содержит уплотнительный узел 15 для исключения утечек рабочей среды. Уплотнительный узел 15 может иметь различную конструкцию, при этом его особенности конструкции не являются частью испрашиваемого объема охраны данной заявки.

Комбинированный с компрессором пневмодвигатель может включать размещенные на выходном валу или внутри корпуса 16 комбинированного пневмодвигателя устройство передачи вращения в виде стартера-генератора и/или гидромотора 17 либо иметь рабочую обвязку исполнительных и функциональных устройств, выполненную по иной схеме.

Таким образом, созданная модернизированная конструкция системы комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с природным источником тепла обеспечивает повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента с использованием восполняемых природных источников энергии.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха/газа. Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников включает комбинированный с первым и вторым компрессорами 18 и 19 пневмодвигатель 1, включающий цилиндро-поршневую группу, головку блока цилиндра с системой впускного и выпускного коллекторов 2 и 3 с клапанным механизмом, поршневой блок компрессоров 18 и 19, приводимый в движение узлами пневмодвигателя 1, включающий узлы впуска и узлы выпуска 4, 6 и 5, 7 рабочей среды. Узел 5 компрессора 18 по первому контуру 9 трубопровода проходит через теплообменник 20, где осуществляется подогрев рабочей среды до температуры окружающей среды и теплообменник 10, подогреваемый третьим контуром 12 природного источника тепла 13 и, далее, связан с коллектором 2 для передачи разогретой до заданной температуры рабочей среды. По второму контуру 11 трубопровода коллектор 3 связан с узлом впуска 6 компрессора 19. От узла выпуска 7 компрессора 19 трубопровод проходит через теплообменник 8, где осуществляется охлаждение рабочей среды, через дроссель и испаритель 23 в узел впуска 4 компрессора 18. Выравнивание данных потоков контура 11 осуществляется по связанному с ними теплообменнику 21 и узлу выравнивания давления 22. Изобретение направлено на повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента с использованием восполняемых природных источников энергии. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, характеризующаяся тем, что включает комбинированный с первым и вторым компрессорами пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу, а также головку блока цилиндра с системой впускного и выпускного коллекторов с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушных компрессоров, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, включающий узлы впуска и узлы выпуска рабочей среды, при этом

узел выпуска первого компрессора по первому контуру трубопровода проходит через первый вспомогательный теплообменник, где осуществляется подогрев рабочей среды до температуры окружающей среды, и основной теплообменник, подогреваемый третьим контуром природного источника тепла и, далее, связан с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретой до заданной температуры рабочей среды,

по второму контуру трубопровода выпускной коллектор связан с узлом впуска второго компрессора, а от узла выпуска второго компрессора трубопровод проходит через воздушный теплообменник, где осуществляется охлаждение рабочей среды, через дроссель и испаритель в узел впуска первого компрессора, при этом выравнивание данных потоков второго контура осуществляется по связанному с ними второму вспомогательному теплообменнику и узлу выравнивания давления.

2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что включает промежуточный теплообменник, через который проходят первый и второй контуры трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура и охлаждения рабочей среды второго контура.

3. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что природный источник тепла имеет рабочую температуру от -10°С до +110°С и выше.

4. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что природный источник тепла представляет собой источник геотермальных вод.

5. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что природный источник тепла представляет собой источник солнечной энергии.

6. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что выходной вал комбинированного пневмодвигателя на выходе из корпуса содержит уплотнительный узел.

7. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что комбинированный с первым и вторым компрессорами пневмодвигатель включает размещенные в одном герметичном корпусе с ним стартер-генератор и/или гидромотор.