ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК F02G1/43 F01K21/02 

Паровой двигатель относится к паросиловым установкам, паровым двигателям с внешним подводом тепла преобразующим энергию пара в механическую при циклическом переходе жидкости в пар, перемещении его в замкнутом пространстве с последующим переходом в жидкое состояние. Он может использоваться абсолютно в любых климатических условиях, даже в экстремальных и его конструкция может легко модернизироваться для любых нужд. Двигатель можно применять на любых стационарных объектах, на движущемся наземном и подземном транспорте, надводных и подводных судах, в авиации и так далее. Он работает от любого источника тепла, включая солнечную и ядерную энергию. Все детали двигателя находятся внутри теплошумоизолированного корпуса, поэтому он практически бесшумен, а выделение тепла в атмосферу минимальное. В качестве рабочего тела может использоваться практически любая жидкость, а в условиях низких температур сжиженный газ. Главными достоинствами двигателя являются его универсальность, «всеядность» топлива, хорошая мощность при малых габаритах, небольшом весе и невысоких давлениях. Например, мощность двигателя с диаметром поршней 80 мм и давлением пара в 5 атмосфер, изображенный на фиг. 1, составляет примерно 3 л/с, а если увеличить диаметр поршней до диаметра корпуса камеры переменного давления фиг. 2, то уже почти 6 л/с.

Недостатком является стопроцентная герметичность двигателя, необходимое для создания частичного или полного вакуума внутри него, без которого невозможна конденсация пара. Но и этот недостаток можно решить установкой сильфонных поршней или мембран.

Новизна этого изобретения заключается в том, что весь поршневой паровой двигатель объединен в едином корпусе, который разделен теплоизолированными перегородками на три камеры, в которых жидкость проходит стадии парообразования и конденсации с последующим возвратом в парогенератор замыкая цикл. Что позволяет ему работать при небольших объемах рабочего тела и малых затратах тепловой энергии на его нагрев, а теплоизоляция предотвращает излишние потери тепла в атмосферу. Все это существенно уменьшает объем и вес двигателя, делая его мобильным и удобным в использовании.

Изобретение схематично изображено на чертежах фиг. 1 и фиг. 2 (максимальное использование объема двигателя). Оно представлено в виде единого герметичного корпуса разделенного теплоизолированными перегородками или теплоизоляционными перегородками на камеры парагенератора 1, камеру переменного давления 2 и камеру конденсатора пара 3, в которых создан частичный или полный вакуум. Парогенератор 1 служит для превращения рабочего тела в насыщенный пар высокого давления он теплоизолирован снаружи 19, кроме нагревательной поверхности. В нем установлены клапаны подачи пара 4 и возврата конденсата 5, приводимые в действия тягой 15 от поршня 7. Также в нем имеются отверстие 16 для периодичного соединения камеры 1 и камеры 2 через клапан 4, отверстие 18 для перехода рабочего тела из конденсатора 3 в парогенератор 1 с помощью клапана 5 и отверстие 22, соединяющее подпоршневое пространство цилиндра 9 с полостью камеры 1 высокого давления.

Клапан возврата конденсата 6 всегда закрыт, в нем нет сквозных, открывающихся отверстий. В его вращающемся сердечнике сделаны углубления, в которых скапливается жидкость и при повороте на 180° выливается в парогенератор 1, поэтому он должен быть теплоизолирован или сделан из теплоизоляционных материалов. В качестве клапанов 4 и 6 можно использовать шаровые краны, рассчитанные на работу в заданных температурах и давлении.

Камера переменного давления 2 предназначена для периодичного создания в ней высокого давления, подаваемого из парогенератора 1 через клапан 4, необходимого для работы двигателя она теплоизолированна 19 изнутри или изготавливается из материалов не проводящих тепло. В ней размещены цилиндры 9 и 10 с поршнями 7 и 8, соединенными между собой шатунами 11 и 12 под углом 180° через коленчатый вал 13, и клапан конденсатора 6 соединенного с валом 13 через тягу 14.

Надпоршневое пространство цилиндра 10 напрямую сообщается с атмосферным воздухом отверстием 23 в корпусе камеры 2, поэтому и цилиндр 10 и поршень 8 теплоизолируются во избежании конденсации пара через них, и полностью герметизируются для исключения попадания воздуха в полость переменного давления 2.

Клапан 6 перекрывной и служит для цикличного соединения камеры переменного давления 2 и камеры конденсатора пара 3 через отверстие 17.

Конденсатор 3 создает условия для перехода рабочего тела в жидкое состояние из парообразного, он выполнен в виде полой камеры и изготавливается из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. В нем имеются отверстие 17 для периодичного соединения с камерой 2 и отверстие 18 для перехода сконденсированного рабочего тела в парогененратор 1 через клапан 5. При правильном расчете объема камеры 3 и площади охлаждения ее корпуса температура конденсата, например воды, поступающего в парогенератор 1, может составлять 80°С, что многократно сокращает количество затрачиваемой энергии для повторного нагрева рабочего тела. Также можно ограничить доступ воздуха к охлаждаемой поверхности конденсатора 3 с помощью регулируемых, в зависимости от температуры, теплоизолированных жалюзи. Конечно же от камеры конденсации можно отказаться и вовсе, сделав часть теплоизоляции 19 в полости переменного давления 2 открываемой для охлаждения пара, но учитывая высокое давление при котором это будет происходить, затраты на эту работу снизят полезную мощность изобретения.

Двигатель работает следующим образом.

При первом нагреве поверхности парогенератора клапан подачи пара 4 находится в открытом состоянии, из-за атмосферного давления, воздействующего на поршень 8 при отрицательном давлении внутри, а клапан 6 закрыт. Благодаря этому камеры 1 и 2 нагреваются и заполняются паром относительно медленно и равномерно, что практически исключает образование конденсата и избавляет от необходимости дополнительного прогрева полости 2.

При достижении внутри двигателя давления превышающего атмосферное, поршень 8 поднимается вверх, при этом воздействует на поршень 7 через шатуны 11, 12 и коленчатый вал 13, перемещая его вниз, что при равном давлении в камерах 1, 2 происходит беспрепятственно. Когда поршень 8 достигает верхней мертвой точки, поршень 7 находится в нижней мертвой точке и через тягу 15 закрывает клапан подачи пара 4, а тягой 14 открывает клапан конденсатора 6, соединяя камеру переменного давления и камеру конденсатора пара.

Пар высокого давления из камеры 2 устремляется в полость низкого давления камеры 3 через отверстие 17, где конденсируется, благодаря чему давление в обеих камерах выравнивается и возвращается к первоначальному отрицательному значению. Как только давление в полости 2 становится ниже, чем в камере 1, поршень 7 под действием высокого давления в парогенераторе 1 начинает подниматься вверх, воздействуя через шатуны и коленчатый вал на поршень 8, который в свою очередь движется вниз под действием атмосферного давления через отверстие 23.

В это время сконденсированное рабочее тело, скапливаясь в нижней части камеры 3, через отверстие 18 заполняет углубление в сердечнике клапана 5, который вращаясь на 360°, 180° или 90°, перемещает его в полость парогенератора. Отсутствие в клапане возврата 5 сквозного отверстия, полностью исключает прямое взаимодействие между конденсатором 3 и парогенератором 1.

При достижении поршнем 7 верхней мертвой точки, поршнем 8 нижней мертвой точки, клапан 6 через тягу 14 закрывается, одновременно через тягу 15 открывается клапан 4 и пар из полости 1 через отверстие 16 начинает поступать в камеру 2 толкая поршень 8 вверх, а падение давления в парогенераторе компенсируется молниеносным вскипанием рабочего тела, рабочий цикл замыкается.

В данном изобретении не нужна коробка передач, его минимальные обороты могут достигать двух, трех оборотов в минуту, а максимальные зависят только от скорости конденсации пара, при этом мощность всегда максимальная при любых оборотах. Частоту вращения, вала для съема полезной мощности 20, можно регулировать несколькими способами:

1) температурой нагрева парогенератора 1 и как следствие рабочим давлением двигателя

2) перекрытием отверстий подачи пара 16 и конденсатора 17 с помощью установки дополнительных шаровых кранов, заслонок, задвижек или иными способами и приспособлениями с ручным управлением или автоматическим

3) перекрытием части внутренней или наружной поверхности конденсатора теплоизолирующими материалами, что увеличивает время конденсации пара

4) подключением клапана подачи пар 4 и клапана конденсатора 6 к дополнительным устройствам, механизмам с регулируемой частотой вращения, например электродвигатель.

Максимальная мощность двигателя зависит от рабочего давления пара внутри, напрямую зависящего от температуры рабочего тела в парогенераторе, которую при необходимости можно регулировать перекрывая нагревательную поверхность несгораемой теплоизолирующей перегородкой, а неиспользуемое тепло запасать в теплоаккумуляторах или просто снижать интенсивность нагрева, уменьшая объем подачи топлива или кислорода воздуха. И еще пусть и немного мощность двигателя зависит от создаваемого в нем частичного вакуума, так как при открытии клапана конденсатора 6 в камере 2 восстанавливается отрицательное давление и атмосферное начинает воздействовать на поршень 8, толкая его к нижней мертвой точке. Все клапаны могут устанавливаться как внутри двигателя, так и снаружи, а при раздельном изготовлении 1, 2, 3 камер, между ними. Также способ возврата конденсата можно использовать для работы паротурбинных установок как показано на фиг. 3.

Двигатель имеет простую конструкцию для его изготовления не требуются сложные инженерные или технические решения, а минимальное количество деталей должны обеспечить большой ресурс работы без обслуживания и малую стоимость производства. Его можно с легкостью, без дорогостоящих переделок, устанавливать на любую существующую технику работающую с двигателями внутреннего сгорания.

Паровой двигатель относится к паросиловым установкам, которые выполнены с внешним подводом тепла, и предусматривают циклическое преобразование энергии пара в механическую работу. Паровой двигатель состоит из парогенератора, камеры переменного давления и камеры конденсатора пара, собранных в едином корпусе, разделённом теплоизолированными перегородками, в котором между камерой высокого давления и камерой переменного давления установлен цилиндр, поршень которого через шатуны и коленчатый вал соединен с другим поршнем, находящимся в цилиндре, расположенном в камере переменного давления, надпоршневое пространство которого сообщается с атмосферным воздухом, которые преобразуют энергию пара в механическую при циклическом переходе жидкости в пар, перемещении его в замкнутом пространстве с последующим переходом в жидкое состояние. Двигатель имеет простую конструкцию, для его изготовления не требуются сложные инженерные или технические решения, а минимальное количество деталей должны обеспечить большой ресурс работы без обслуживания и малую стоимость производства. Его можно с легкостью, без дорогостоящих переделок, устанавливать на любую существующую технику, работающую с двигателями внутреннего сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Паровой двигатель, состоящий из парогенератора, камеры переменного давления и камеры конденсатора пара, собранных в едином корпусе, разделённом теплоизолированными перегородками, в котором между камерой высокого давления и камерой переменного давления установлен цилиндр, поршень которого через шатуны и коленчатый вал соединен с другим поршнем, находящимся в цилиндре, расположенном в камере переменного давления, надпоршневое пространство которого сообщается с атмосферным воздухом, которые преобразуют энергию пара в механическую при циклическом переходе жидкости в пар, перемещении его в замкнутом пространстве с последующим переходом в жидкое состояние.

2. Паровой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что использует закрытый клапан возврата конденсата, в котором нет сквозных или открывающихся отверстий, а в его вращающемся сердечнике сделаны углубления, в которых скапливается жидкость и при повороте на 360°, 180° или 90° перемещается в полость парогенератора, а также закрытый клапан возврата может служить для перемещения жидкости или других веществ и материалов в области с разными давлениями или одинаковыми без их прямого взаимодействия между собой.