СИСТЕМА ПАРОВОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА С ПОДВОДОМ ТЕПЛА ОТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК F01K11/00 F01K13/00 F03C1/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к паровым двигателям, работающим от разогретого 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, являющиеся более экологичными, экономичными, обеспечивающими большую мощность при меньших затратах энергии.

Из уровня техники известны различные конструкции пневматических и паровых 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 двигатели 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 парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя является решение, принадлежащее автору, по патенту RU 2824060 С1, 01.08.2024, включающее систему комбинированного парового двигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя, которая включает комбинированный с компрессором паровой двигатель, включающий цилиндропоршневую группу, а также головку блока цилиндров с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами парового двигателя, включающий узел впуска и узел выпуска рабочей среды, при этом

первый контур трубопровода проходит от узла выпуска через маслоотделитель, исключающий попадание жидкости в данный контур и далее в пароперегреватель, подогреваемый от источника тепла, и связан с впускным коллектором парового двигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода,

выпускной коллектор по второму контуру трубопровода связан с узлом впуска компрессора, при этом трубопровод на своем пути дополнительно проходит через охладитель, где осуществляется охлаждение рабочей среды, маслоотделитель, исключающий попадание жидкости в данный контур, паровую камеру, где осуществляется понижение давления и температуры в контуре и отбор конденсата,

при этом система включает третий контур трубопровода, проходящий через узлы парового двигателя для снятия тепла и осуществления его охлаждения, где данный контур трубопровода на выходе из парового двигателя последовательно проходит через первый теплообменник, охладитель второго контура трубопровода и второй теплообменник, комбинированный с компрессором паровой двигатель содержит масляный контур, выполненный с возможностью перекачивания масла между соответствующими узлами парового двигателя и компрессора, где масляный контур включает влагоотделитель, обеспечивающий отделение жидкости из масла, и маслонасос, перекачивающий масло для его циркуляции.

Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде задействованной двухконтурной системы взаимодействия пневмодвигателя и компрессора, что усложняет количество фазовых изменений рабочей среды, а также требует точных температурных параметров рабочей среды в различных их узлах для корректной работы системы.

Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных систем парового пневмодвигателя.

В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы парового пневмодвигателя в один рабочий контур с подводом тепла от пароперегревателя, устраняющая недостатки аналогов.

Техническим результатом является упрощение системы парового пневмодвигателя. В качестве дополнительного результата достигается повышение эффективности работы системы.

Данный результат достигается тем, что система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя включает

паровой пневмодвигатель с нагревательной рубашкой, имеющий цилиндропоршневую группу, взаимодействующую с коленчатым валом, а также головку блока цилиндров с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, где коленчатый вал связан с выходным валом, при этом

выпускной коллектор по контуру трубопровода связан с входом конденсатора, содержащего блок охлаждения с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, блок сбора конденсата связан с вакуумным насосом,

выход конденсатора по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника пароперегревателя, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр, а также регулировочно-запорный кран, где

пароперегреватель включает спиральный теплообменник, а также нагревательный котел, где нагревательный котел выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником для перегрева рабочей среды до состояния пара,

выход спирального теплообменника связан с впускным коллектором парового пневмодвигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды и осуществления работы парового пневмодвигателя с передачей вращения от коленчатого вала на выходной вал.

Трубопровод на пути от спирального теплообменника к впускному коллектору включает уловитель окалины, а также переключатель контура, выполненный с возможностью переключения потока рабочей среды на контур, подведенный к нагревательной рубашке парового пневмодвигателя.

Нагревательная рубашка парового пневмодвигателя содержит выпускной контур, связанный с контуром трубопровода, идущего к конденсатору.

Трубопровод перед впускным коллектором включает регулировочный клапан сброса.

Нагревательный котел включает регулировочный шибер, связанный с вентилятором, где регулировочный шибер направляет воздух в поддувало нагревательного котла и в его верхнюю часть для дожигания топлива.

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

Выходной вал связан со стартер-генератором и/или коробкой передач.

Далее принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы на чертеже, где изображена предпочтительная схема системы парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя, где

1 - пневмодвигатель;

2 - впускной коллектор;

3 - выпускной коллектор;

4 - конденсатор;

5 - блок охлаждения;

6 - блок сбора конденсата;

7 - вакуумный насос;

8 - пароперегреватель;

9 - водяной насос;

10 - манометр;

11 - регулировочно-запорный кран;

12 - спиральный теплообменник;

13 - нагревательный котел;

14 - регулировочный шибер;

15 - вентилятор;

16 - нагревательная рубашка;

17 - уловитель окалины;

18 - переключатель контура;

19 - выходной вал;

20 - регулировочный клапан сброса давления.

Система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя включает паровой пневмодвигатель 1, работающий от энергии пара. Паровой пневмодвигатель включает вокруг себя нагревательную рубашку 16, служащую для подогрева корпуса, для уменьшения теплопотерь рабочей среды, поступающей во впускной коллектор 2. Нагревательная рубашка 16 образует тепловую оболочку вокруг парового пневмодвигателя 1, в которой воздух подогревается, тем самым поддерживая температуру корпуса в заданном диапазоне температур, как правило, около 110-130°С для повышения эффективности системы.

Паровой пневмодвигатель 1 имеет цилиндропоршневую группу, взаимодействующую с коленчатым валом, а также головку блока цилиндров с системой впускного 2 и выпускного 3 коллектора с клапанным механизмом. В качестве клапанного механизма могут применяться подходящие для работы в паровой системе элементы, например, лепестковые клапаны.

Коленчатый вал связан с выходным валом 19, служащим для передачи вращения и снятия полезной нагрузки.

В качестве рабочей среды в системе используется вода, имеющая жидкую фазу в определенных местах системы и парообразную (пар) в других.

Выпускной коллектор 3 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 4. Конденсатор 4 обеспечивает снижение температуры рабочей среды, переход рабочей среды в виде пара в рабочую среду в виде жидкости для ее дальнейшей перекачки по контуру системы. Конденсатор 4 содержит блок охлаждения 5 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, а также блок сбора конденсата 6 с вакуумным насосом 7. Охлаждающей жидкостью, как правило, является вода, обеспечивающая через какой-либо теплообменник или иной узел в блоке охлаждения 5 охлаждение поступающей рабочей среды с ее фазовым переходом из пара в воду. Блок сбора конденсата 6 представляет собой какую-либо емкость, например, поддон для сбора в него рабочей среды в виде жидкости. Вакуумный насос 7 корректирует уровень воды в блоке сбора конденсата 6 и рабочее давление.

Выход конденсатора 4 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 12 пароперегревателя 8. Трубопровод на своем пути включает водяной насос 9, служащий для перекачки рабочей среды по контуру трубопровода из конденсатора 4 в спиральный теплообменник 12 пароперегревателя 8. Трубопровод на своем пути включает, по меньшей мере, один манометр 10. Предпочтительно использовать на данном участке трубопровода два манометра 10. Трубопровод на своем пути также включает регулировочно-запорный кран 11, служащий для открытия/закрытия контура в системе, а также регулировки степени открытия контура для дозированной подачи рабочей среды. Регулировочно-запорный кран 11 может быть выполнен с электронным управлением и автоматической регулировкой в зависимости от выставленных параметров.

Пароперегреватель 8 включает спиральный теплообменник 12, а также нагревательный котел 13. Нагревательный котел 13 выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником 12 для перегрева рабочей среды до состояния пара. Нагревательный котел 13 представляет собой, как правило, жидкостной котел (дизельный, газовый) либо твердотопливный котел (дровяной, пеллетный и пр.), однако может являться и иным видом котла. Нагревательный котел 13 нагревает спиральный теплообменник 12, обеспечивая перегрев рабочей среды.

Нагревательный котел 13, как правило, включает регулировочный шибер 14, связанный с вентилятором 15. Регулировочный шибер 14 направляет воздух в поддувало нагревательного котла 13 и в его верхнюю часть для дожигания топлива, что обеспечивает лучшее сгорание топлива и повышение эффективности системы.

Спиральный теплообменник 12 представляет собой в целом спиральные каналы, навитые из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки. Конструкция спирального теплообменника 12 может меняться в зависимости от типа котла, производительности и иных факторов и не является исключительно указанной выше. Рабочая среда поступает в верхнюю часть спирального теплообменника 12 и, проходя вниз, нагревается, переходя в пар, имеющий высокую рабочую температуру. Рабочая среда выходит в нижней части спирального теплообменника 12 и перемещается во впускной коллектор 2 парового пневмодвигателя 1.

Спиральный теплообменник 12 связан с впускным коллектором 2 парового пневмодвигателя 1 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды и осуществления работы парового пневмодвигателя 1 с передачей вращения от коленчатого вала на выходной вал 19. Трубопровод перед впускным коллектором 2 может включать регулировочный клапан сброса давления 20, который, например, по патрубку напрямую сбрасывает излишний пар в конденсатор 4 для стабилизации системы, исключения перегрева и повышения эффективности. Взаимодействие рабочей среды с клапанными механизмами впускного 2 и выпускного 3 коллектора обеспечивают работу цилиндропоршневой группы с передачей вращения на коленчатый вал и далее на выходной вал 19.

Трубопровод, предпочтительно, на пути к впускному коллектору 2 оснастить уловителем окалины 17. Уловитель окалины 17 исключает прохождение по контуру нежелательных загрязнений и отложений, образующихся в узлах пароперегревателя 8. Конструкция уловителя окалины 17 может быть различной, например, в виде ряда металлических сеток, образующих фильтр, однако конструкция может быть выполнена и по-иному.

Трубопровод, предпочтительно, на пути к впускному коллектору 2 также оснастить переключателем контура 18. Переключатель контура 18 выполнен с возможностью переключения потока рабочей среды на дополнительный контур, подведенный к нагревательной рубашке 16 парового пневмодвигателя 1. Данный переключатель контура 18 совместно с дополнительным контуром обеспечивает подогрев воздушного пространства между нагревательной рубашкой 16 и паровым пневмодвигателем 1, а также корпус парового пневмодвигателя 1 для повышения эффективности системы, уменьшения потери энергии рабочей среды при контактировании с неподогреваемым паровым пневмодвигателем 1. Кроме того, отсутствие данной нагревательной рубашки 16 может приводить к конденсации влаги внутри узлов парового пневмодвигателя 1 ввиду разницы температур, что также может определенно снижать эффективность системы.

Также предпочтительно, чтобы нагревательная рубашка 16 парового пневмодвигателя 1 содержала выпускной контур (на чертеже не обозначен). Выпускной контур связан с контуром трубопровода, идущим к конденсатору 2 для обеспечения выхода по контуру рабочей среды, отдавшей свою тепловую энергию на подогрев воздушного пространства между нагревательной рубашкой 16 и паровым пневмодвигателем 1, а также корпуса парового пневмодвигателя 1.

Выходной вал 19 на выходе из корпуса парового пневмодвигателя 1, предпочтительно, содержит уплотнительный узел, обеспечивающий герметизацию данного узла. Выходной вал 19 далее может быть связан со стартер-генератором и коробкой передач либо связан иным образом для съема полученной полезной энергии.

Принцип работы устройства следующий:

- система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя запускается в работу, для чего осуществляют запуск парового пневмодвигателя 1, например, стартер-генератором или иным образом, а также включают в работу нагревательный котел 13, а также водяной насос 9;

- рабочая среда начинает циркулировать по контуру трубопровода;

- из блока сбора конденсата 6 конденсатора 4 рабочая среда в виде жидкости водяным насосом 9 перекачивается по контуру трубопровода в спиральный теплообменник 12 пароперегревателя 8;

- в спиральном теплообменнике 12, подогреваемым нагревательным котлом 13, происходит перегрев рабочей среды и ее фазовый переход из жидкого состояния в парообразное;

- разогретая до рабочей температуры рабочая среда передается во впускной коллектор 2, заставляя паровой пневмодвигатель 1 совершать работу, передавая вращение на выходной вал 19;

- рабочая среда из выпускного коллектора 3, имея еще достаточно высокую температуру, передается по контуру трубопровода в конденсатор 4;

- в конденсаторе 4 рабочая среда проходит через блок охлаждения 5, что способствует охлаждению рабочей среды и ее переход в жидкую фазу, стекая в виде жидкости в блок сбора конденсата 6;

- цикл работы системы повторяется.

Предложенная конструкция выполнена для работы под единый контур, с минимальным количеством фазовых переходов рабочей среды, что обеспечивает упрощение системы парового пневмодвигателя, а также повышение эффективности работы системы.

Пример 1

Система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя включает паровой пневмодвигатель 1 с нагревательной рубашкой 16.

Паровой пневмодвигатель 1 имеет цилиндропоршневую группу на 4 цилиндра, взаимодействующую с коленчатым валом, а также головку блока цилиндров с системой впускного 2 и выпускного 3 коллектора с лепестковым клапанным механизмом.

Коленчатый вал связан с выходным валом 19 через муфту.

Выпускной коллектор 3 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 4.

Конденсатор 4 содержит блок охлаждения 5 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, циркулирующего посредством насоса, а также блок сбора конденсата 6 в виде герметичного контейнера, связанного с блоком охлаждения 5.

Блок сбора конденсата 6 снабжен вакуумным насосом 7.

Выход конденсатора 4 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 12 пароперегревателя 8.

Трубопровод на своем пути включает водяной насос 9, один манометр 10, а также винтовой регулировочно-запорный кран 11.

Пароперегреватель 8 включает спиральный теплообменник 12, а также нагревательный котел 13.

Нагревательный котел 13 выполнен в виде дизельного котла.

Спиральный теплообменник 12 связан с впускным коллектором 2 парового пневмодвигателя 1.

Паровой пневмодвигатель 1 передает вращение от коленчатого вала на выходной вал 19.

Выходной вал 19 связан со стартер-генератором для съема полезной нагрузки.

Таким образом, созданная конструкция системы парового пневмодвигателя обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к паровым двигателям, работающим от разогретого воздуха/газа, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов стационарного размещения. Техническим результатом является упрощение системы парового пневмодвигателя. В качестве дополнительного результата достигается повышение эффективности системы. Данный результат достигается тем, что система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя включает паровой пневмодвигатель 1 с нагревательной рубашкой 16, имеющий цилиндропоршневую группу, взаимодействующую с коленчатым валом, а также головку блока цилиндров с системой впускного 2 и выпускного 3 коллектора с клапанным механизмом, где коленчатый вал связан с выходным валом 19. Выпускной коллектор 3 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 4, содержащего блок охлаждения 5 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя. Блок сбора конденсата 6 связан с вакуумным насосом 7. Выход конденсатора 4 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 12 пароперегревателя 8, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос 9, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр 10, а также регулировочно-запорный кран 11. Пароперегреватель 8 включает спиральный теплообменник 12, а также нагревательный котел 13, где нагревательный котел 13 выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником 12 для перегрева рабочей среды до состояния пара. Выход спирального теплообменника 12 связан с впускным коллектором 2 парового пневмодвигателя 1 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды и осуществления работы парового пневмодвигателя 1 с передачей вращения от коленчатого вала на выходной вал 19. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система парового пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя, характеризующаяся тем, что включает

паровой пневмодвигатель с нагревательной рубашкой, имеющий цилиндропоршневую группу, взаимодействующую с коленчатым валом, а также головку блока цилиндров с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, где коленчатый вал связан с выходным валом, при этом

выпускной коллектор по контуру трубопровода связан с входом конденсатора, содержащего блок охлаждения с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, блок сбора конденсата связан с вакуумным насосом,

выход конденсатора по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника пароперегревателя, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр, а также регулировочно-запорный кран, где

пароперегреватель включает спиральный теплообменник, а также нагревательный котел, где нагревательный котел выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником для перегрева рабочей среды до состояния пара,

выход спирального теплообменника связан с впускным коллектором парового пневмодвигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды и осуществления работы парового пневмодвигателя с передачей вращения от коленчатого вала на выходной вал.

2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что трубопровод на пути от спирального теплообменника к впускному коллектору включает уловитель окалины, а также переключатель контура, выполненный с возможностью переключения потока рабочей среды на контур, подведенный к нагревательной рубашке парового пневмодвигателя.

3. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что нагревательная рубашка парового пневмодвигателя содержит выпускной контур, связанный с контуром трубопровода, идущего к конденсатору.

4. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что трубопровод перед впускным коллектором включает регулировочный клапан сброса.

5. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что нагревательный котел включает регулировочный шибер, связанный с вентилятором, где регулировочный шибер направляет воздух в поддувало нагревательного котла и в его верхнюю часть для дожигания топлива.

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

7. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что выходной вал связан со стартер-генератором и/или коробкой передач.