Способ квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа и тепловая машина для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК F02G1/00 

лообменных аппаратов к одной камере сжатия и одной камере расширения переменного объема. Объемы последних и теплообменных аппаратов выполнены в определенном соотношении. При вращении ротора 4 рабочее пространство переменного объема будет последовательно -соединяться в фазе сжатия с теплообменником (Т) А, а в фазе расширения с Т В при помощи использования окон f,.предусматриваемых в стенке рабочего пространства (РП). Длительность соединения между РП с(1 и Т должна разделяться на две фазы. В течение первой фазы рабочий агент (РА) из Т А протекает в направлении

86038

РП а через окно Ь Т А и окно f, обеспечивая вместе с РА рабочего пространства создание полимерной смеси. РА рабочего пространства передает тепло РА, который выходит из Т. Во второй фазе закрытие окна Ь и открытие окна с осуществляются одновременно. Два объема при этом соединяются вместе. Газ протекает от РА к Т через окна f .и С, осуществляя подвод тепла к массе, которая покидает РП. Часть тепла от сжатия газов, выходящих из Т в РП, отводится через стенки Т наружу. Сжатие имеет подади- абатический характер. 2 с.и. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двига- телестроению и позволяет повысить степень изотермизации процессов сжатия и расширения и обеспечить одностороннюю циркуляцию газа в теп- лообменных аппаратах. Квазиизотер- мИческие сжатие и расширение производятся путем последовательного подключения каждой из двух групп тепS В В tN

1.

Изобретение относится к машино- .строению, а именно к двигателестрое- нию, и может быть использовано при создании двигателей с внешним подво- дом теплоты.

Целью изобретения является повышение степени изотермизации процессов сжатия и расширения и обеспечение односторонней циркуляции газа в теплообменных аппаратах.

На фиг. 1 показана принципиальная схема варианта роторно-лопастного двигателя с внешним подводом .теплоты реализующего способ квазиизотерми- ческого преобразования при сжатии и расширении газа; на фиг. 2 - диаграмма квазиизотермических процессов сжатия и расширения в координатах P-Vj на фиг. 3 - диаграмма квазиизотерми- ческих процессов сжатия и расширения в координатах Т - S j на фиг. 4 - теоретическая диаграмма цикла двигателя с внешним подводом теплоты в координатах Р - Vj на фиг. 5 - вариант поршневого двигателя с внешним, подводом теплоты, реализующего способ квазиизотермического преобразования при, сжатии и расширении газа; на фиг.6 - сечение А-А на фиг. 5; на фиг. 7 - деталь уплотнения окон{ на фиг.8 - сечение Б-Б на фиг. 5.

Роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты (фиг. 1) содержит группу независимых охлаждаемых теплообменников А, каждый из ко- торых содержит некоторое количество теплообменных блоков 1, снабженных окнами Ь, с, и группу независимых нагреваемых теплообменников Б,каждый из которых содержит некоторое количество теплообменных блоков 2, снабженных окнами d, е. Блоки 1 и 2 размещены диаметрально противоположно на статоре 3, внутри которого размещен ротор 4 с лопатками 5, образующими камеры рабочего пространства а переменного, объема, снабженные окнами f.

. Двигатель снабжен входным окном 6 выходным окном 7 и окном 8 сжатия. В зависимости от назначения двигателя окна могут быть либо открыты,либо .заглзтпены.

По другому варианту двигатель,-реализующий предлагаемый способ, представляет собой поршневую машину.

Поршневой двигатель с внешним подводом теплоты (фиг. 5) срдержит вращающийся цилиндр 9, в котором размещен поршень 10 двойного действия с уплотняющими кольцами 11. Поршень размещен в подшипниках 12 на кривошипе р коленчатого вала 13 и состоит из дв5гх половинок г, скрепляемых в плоскости разъема подшипников при помощи болтов 14. Коленчатый вал 13 закрепляется основными цапфами q в поперечных крьшках 15 и 16, снабженных окнами t, u, на роликовых подшипниках 17 и 18. Вращающийся цилинд 9 установлен на поперечных крьппках 1 и 16 при помощи роликовых подшипнико 19 и 20, которые располагаются на ос .О-О , перпендикулярной продольной ос цилиндра, разделяя ее на. две равные части. На коленчатом валу размещено зубчатое колесо 21 с наружными зуб- цами, которое осуществляет передачу с отношением 1:2 с зубчатым колесом 22, закрепленным на вращающемся цилиндре 9. В попере.чных стенках вращающегося цилиндра 9 располагается четыре окна f, сообщающиеся попарно с каждой рабочей камерой о переменного объема. На корпусе цапфы вращающегося цилиндра 9 закреплены два распределительных диска 23 с каждой сто- роны от вращающегося цилирздра 9.Каждый из распределительных дисков 23 снабжен двумя окнами s, откуда начинаются проходы 24, которые соединяют окна S с окнами f в стенках вращающег ося цилиндра 9. Во время вращения распределительные диски 23 вместе с вращающимся цилиндром проходят окно s перед радиальными окнами t, U, располагаемыми на том же диаметре, что и окна s.

Окна t используются дпя подсоединения камеры а к теплообменникам А или В в первой фазе при помощи некоторого количества соединений 25,окна u используются для подсоединения ка- меры к теплообменникам А и В во второй фазе при помощи соединений 26. Соединения 25 соответствуют выходу, а соединения 26 - входу теплообменно- го блока 1 или 2 (см. фиг. 1).

Каждое из окон t, u закрьшается на трапецеидальном контуре при помощи линейных раскрывающихся сегментов 27 (фиг. 7), располагаемых в гнездах фиксированных крышек 15 и 16. При помощи линейных раскрывающихся сегментов , располагаемых в непрерьгеном ряду на перекрываемом трапецеидальном контуре на том же диаметре, что и окна t, u, также перекрывается два про- странства v, располагаемые между двумя, группами окон t, u соответствующих групп теплообменников А и В.

На наружных крьшзках 15 и 16 в области, соответствующей нижней мерт- вой точке поршня 10, находятся окна W такой же формы и радиального расположения , что и окна t, u, каждое

,, п 5

0

из которых подсоединяется к всасывающему патрубку 6. Так же, как и окна t, u, окна W перекрываются на. трапе- цеидальном контуре при помощи раскрывающихся линейных сегментов 27. Всасывающие окна W могут закрываться после достижения двигателем рабочего режима.

Роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты (фиг. 1) работает следующим образом.

При вращении ротора 4 рабочее пространство а перзменного объема с на-. чальнь1ми параметрами (Р , V , Т,) последовательно подсоединяется в фазе сжатия к теплообменнику А, а в фазе расширения к теплообменнику В при помощи окон f в. стенке рабоче- го пространства. Параметры состояния рабочего агента в первом теплообменнике А равны (Pj , Уд , т| ).

Длительность соединения между рабочим пространством q и теплообменником должна разделяться на две фазы. Первую фазу, в течение которой рабочий агент теплообменника А протекает в направлении рабочего пространства Р через окно Ъ теплообменника А и окно f в стенке рабочего пространства, обеспечивая вместе с рабочим агентом рабочего пространства созда- ние политропной смеси, параметры состояния которой Р , , , Т, , рабочий агент рабочего пространства передает тепло рабочему агенту, который выходит из теплообменника.

Между величинами начального состояния двзгх газов следующие соотношения :

Р р

J

TO

т:,

45

в то время как параметры состояния политропной смеси имеют следзтощие соотношения:

РО р, :

т т т

о 1 f

II

Во второй фазе закрытие окна b и открытие окна с осуществляются одновременно, два объема при этом соединяются, газ протекает от рабочег о пространства к теплообменнику через окна f, с, осзпцествляя подвод тепла к массе, которая покидает рабочее пространство.

В то же время часть тепла от сжатия газов, выходящих из теплообменника и рабочего пространства, отводится через стенки теплообменника нару-f

жу, при этом сжатие имеет подадиаба- тический характер. В момент отсоединения первого охлаждаемого теплообменника А от рабочего пространства, когда окно с закрывается, газ в рабочем пространстве находится в состоянии Р, V,, Т,, а газ в первом охлаждаемом -теплообменнике А находится в состоянии Р, , Vg, , т ,.

По сравнению с начальными состояниями параметры состояния двух газов имеют следующие соотношения;

Рабочее пространство Т,а:То Теплообменник . PI Р, Как только рабочее пространство /И отсоединится от охлаждаемого теплообменника А, оно подсоединяется к следующему охлаждаемому теплообменнику А, где процесс повторяется, как в случае с первым теплообменником. Рабочий агент в теплообменнике А,отсоединяемом от рабочего пространства находится в изохорном состоянии,осуществляя теплообмен в условиях ста- б1-1пьного объема в течение всего периода времени до подсоединения теплообменника к следующему рабочему пространству, которое находится в таком .состоянии, что его параметры могут считаться идентичными начальным параметрам, сохраняющимся до данного момента контакта с первым рабочим пространством Р , V,, TJ ...

После прохождения через все k теплообменников рабочее пространство а проходит последовательно состояния (РО, V, TJ; (Р,, V,j, Т,),,. ,0, (Р,, , Т) со следующими соотношениями между параметрами состояния :

P,

V, Т

J-v

т.е.

const,,

в TO время как политропная смесь имеет последующие состояния:

P., , V, Т)..,(Р,

21

Zi

ьк Р

) (Р г( V , :

V,

ZK

za. Т

чк

V,+

);

z-k

гргр

,Z2°«

ftT

2К

Это представляет условия квазиизотермического состояния газа в

рабочем пространстве, т.е. уменьшение отклонения с .кажддой стороны от изотермической кривой.

В то же время каждый теплообменник поочередно находится в двух состояниях:

СР V т СР V тМ

СК1 l Q19

fp V )( р V т }

г Q2. -г- -2. a-i J-,..j

,,, (р;,, v,, т ;); (р, v, т;,),

в то время как параметры состояния удовлетворяют следующим соотношениям:

-I

,;

т т т т

2

р р р .

гр чгр )1Х- гр

1, i . . . i| .

р р .

т т

к р

0

0

Подача рабочего агента к теплообменникам при рабочих парамет рах и воспроизведение этих параметров в

5 каждом цикле осуществляется автома- . тически при помощи развития самого цикла, в котором рабочий агент поглощается при помощи всасьшающего канала 6, постепенно заполняя каждьм теплоЬбменник при стабилизированных параметрах, воспроизводимых в каждом цикле. Последовательность явления абсорбции, образования политропной смеси, образование общих объемов и изохорное охлаждение теплообменников

5 обеспечивают стабильное равновесие системы благодаря монотонным изменениям параметров состояния газа в рабочем пространстве, а также в теплообменниках в отношении.ограничений стабильности, самовоспроизводящихся в каждом цикле. Ограничение величин практически достигается после нескольких циклов работы машины.

5

0

5

Таким образом, ограничения, к ко- .торым стремятся давления Р в рабочем пространстве при его отсоединении от каждого теплообменника, определяются следзтощими уравнениями:

,

/ (Р

(V.+Va)

, + ,-J- Р,

,,ITI,-tn

(V,+Va)

( т,

о,)

рГ 0-,

(

ifr;

()-

V,Pf - Р Oi

I

Р

,гп,

(. )

(V, +V,, )

nii-m,

V

J- -im, (-1 K- J

-(ьГ

, 4

Va.) 2 PK 0.

m, - политропньй показатель- смеси двух газовi

m - политропный показатель общего состояния газа в рабочем Ю пространстве и в теплообменнике;

-р4

.IL

т:

- коэффициент изохорного состояния газа в i-M теплообменнике в период ожидания между периодами контактирования с двумя рабочими про странствами.

Газ в рабочем пространстве переменного размера смешивается изотермически с газом в охлаждаемом теплообменнике. Так, при m 1 получим следующие отношения для стабилизированных величин давлений Р, :

Р.

PoVoCVo-bVc,, )

р„

(vv+v,), (,)-

p. V.(V«+Va )

(V +V ) (V, +V r--

p,.

РкУк-.(Ук-.+Уак)

mj-i

(V,+V,,,(V,.,

Величины P.; конечны, если между объемом в рабочем пространстве (У.) и объемом в независимом теплообменнике поддерживается соотношение

(V,.V.r-/J;V, (Vu, -bV,,.

Таким образом обеспечивается циркуляция рабочего агента в теплообменниках А только в одном направлении (показанном вьппе), если между параметрами поддерживается следующее соотношение:

(,,.().0

для квазиизотермического сжатия (V;+v.), (v;-H-v,

для квазиизотермического расширения. , Интенсификация теплообмена до требуемого уровня изотермического . состояния газа в рабочем пространстве при помощи теплообменников очевидна, с одной стороны, благодаря

5

0

5

0

5

0

5

0

5

воздействию политропного показателя общего состояния р,, величина которого лежит в области единицы, а с другой стороны, благодаря изохорно- му теплообмену в теплообменниках, выраженному коэффициентом, который меньше единицы для изотермы сжатия и Bbmie единицы для изотермы расширения.

Диаграммы процессов квазиизотер- мичеекого сжатия и расширения, представленные на фиг. 2 и 3, показывают что кривые действительного преобразования g для сжатия и h для расширения получаются в результате суммирования некоторого количества-последовательных политропных преобразований, непрерывные точки i располагаются над и под- теоретическими изотермическими кривыми j для сжатия и 1 для расширения.. Диаграмма,представленная на фиг. 3, показывает независимость температуры от энтропии. Кривые даны только для действительного преобразования, т.е. кривая п - для сжатия, кривая о - для расширения.

Поршневой двигатель с внешним подводом теплоты согласно фиг. 5 работает следующим образом.

Рабочий агент воздействует через поршень 10 двойного действия на коленчатый вал 13, и вращающийся цилиндр 9 поворачивается вокруг оси 0-0 со скоростью вращения, равной половине скорости вращения коленчатого вала. Движение перемещения в целим является колебательным, максимальный ход поршня равен четырехкратному расстоянию между осью основной и осью коленчатого вала 13, т.е. четырехкратному эксцентриситету кривошипа. Общие силы инерции создают рациональную силу в фазе с положением коленчатого вала. Эта - сила может быть сбалансирована на коленчатом валу при помощи фиксированного противовеса в соответствии с известным способом.

Передача зубчатых колес 21 и 22 не принимает участия в передаче крутящего момента двигателя к коленчатому валу. Теоретически механизм пол- ,ностью работает без этой передачи. Передача 21-22 дублирует кинематическую цепочку поршень - кривошип, и ее целью является облегчение вращения цилиндра, когда направление действующих сил находится под кону

cow трения (сцепления) без участия в передаче крутящего момента.

При введении зубчатой передачи контакт между поршнем и стенками вращающегося цилиндра уменьшается.

В двигателе осуществляется цикл Карно за счет того, что в первой части сжатия рабочее пространство а последовательно приходит в контакт с охлаждаемым теплообменником А через соединения 25 и 26, окна t, и в поперечных крьшках 15 и 16, окно S на распределительном диске 23,проходы 24 и окна f в стенках вращающегося цилиндра 9, подавая часть рабочего агента в эти теплообменники- и сжимая квазиизотермическим способо остальную часть рабочего атента.

Как только рабочее пространство 01 отделяется от охлаждаемого теплообменника А, начинается адиабатическое сжатие рабочего агента, который рстается в рабочем пространстве до верхней мертвой точки поршня. С этой целью двигатель, снабжен соответствующей тепловой изоляцией.

В момент достижения поршнем верхней {жертвой точки рабочее пространство и подсоединяется к теплообменнику В, как описано выше, при этом осуществляется нагрев рабочего агента. После отсоединения рабочего пространства от последнего теплообменника В рабочий агент, оставшийся внутри, подвергается адиабатическому расширению, пока всасывающее окно открыто, и рабочее пространство а всасывает количество рабочего агента, равное количеству, подаваемому в две группы теплообменников А и В во время предыдущего цикла. Затем цикл пбвторяется последовательно для двух ра0очих пространств ог Процесс подачи рабочего агента в рабочее пространство стабилизируется после нескольких оборотов коленчатого вала, при этом всасывание уменьшается до нуля и всасывающее окно w должно закрыться. После закрытия окна w двигатель с рабочим агентом работает в замк-нутом цикле. Мощность двигателя увеличивается продорционально увеличению- давления рабочего агента.

Всасывание рабочего агента может осуществляться либо непосредственно из атмосферы, либо из закрытого объема. В последнем случае параметры состояния рабочего агента могут от-

5

Q

0 5

0

5

0

5

0

5

ичаться по величине от параметров атмосферы. Рабочий агент может представлять собой любой газ, смесь газов или однородную смесь газа с жидкостью. Охлаждение теплообменников А может осуществляться обычным путем при помощи охлаждающего агента, в то время как нагревание теплообменника В может осуществляться при помощи использования любых тепловых источников, включая геотермальную воду, солнечные источники, источники ядерной энергии или топливные горелки любого типа.

Если в соответствии с изобрете- нием тепловая машина работает в качестве компрессора, то группа теплообменников В и выходное соединение

7могут быть исключены при сохранении теплообменников А и увеличении всасывающего патрубка 6, при этом должно быть использовано соединение

8сжатия. Тепловая машина, которая работает в качестве компрессора,должна сжимать газ в одной ступени при относительно высокой степени сжатия, выпуская газ при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Компрессор., который работает в соответствии с изобретением, может содержать синтетические материалы для поршня, сегментов, клапанов и т.д., при этом достигается относительная простота конструкции, уменьшение веса и размеров вследствие исключения промежуточных ступеней сжатия. Если тепловая машина работает в качестве теплового насоса или холодильной установки, то расположение двух групп теплообменников должно быть изменено таким образом, чтобы обеспечить получение цикла в противоположном направлении по сравнению с его работой в качестве двигателя внешнего сгорания. Группа теплообменников В должна . содержать источни- ки тепла и соответствовать той части насоса, которая подает тепло, в то время как вторая группа теплообменников А должна соответствовать той части холодильной установки, которая может осуществлять охлаждение.

Формула изобретения

подключения двух групп теплообменных аппаратов к камерам сжатия и расширения переменного объема, отличающийся тем, что, с целью увеличения степени изотермиэации процессов, в течение сжатия и расширения осуществляют циклические подключения и отключения каждого теплообменного

аппарата каждой группы к одной камере Q дальный контур, контактирующий с рассжатия и одной камере расширения переменного объема для обеспечения газообмена между тештообменными аппаратами и камерами в две фазы: при сжатии в первой фазе поток газа вытекает из охлаждаемого теплообменного аппарата в камеру сжатия переменного объема до момента выравнивания в них давления, во.второй фазе поток газа втекает в охлаждаемый теплооб- менный аппарат из камеры сжатия переменного объема, при расширении в первой фазе поток газа втекает в нагреваемый теплообменный аппарат из камеры расширения переменного объема до момента выравнивания в них давления, во второй фазе поток газа вытекает из нагреваемого теплообменного аппарата в камеру расширения переменного объема.

3,Тепловая машина для квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа, содержащая вращающийся цилиндр, установленный на поперечных крьшках, поршень двойного действия, установленный в цилиндре и образующий с его днищами камеры сжатия и расширения, подключенные каналами соответственно к группам теплообменных аппаратов, контактирующих с охладителем и нагревателем s и коленчатый вал привода поршня и цилиндра, отличающаяся тем, что, с целью увеличения степени изотермизации процессов, машина до- полнительно снабжена распределитель- ньми дисками с окнами распределения

15

20

25

30

35

40

45

пределительными дисками, причем теп- лообменные аппараты в каждой группе выполнены с возможностью независимого контакта с нагревателем и охладителем . и каждый из них подключен к окнам подключения в крышках.

(V.-bV,jr -|3;V,;(V,., у,;Л-ЧО;

( P;(V,--, -bv«; ,

для квазиизотермического расширения: (V;+V ;r -/3|V«.,(V., ) О,

(V;- -V ;A-/5;(V,-., +V „ ,

где V; - объем камеры в момент ее

подключения к i-му теплооб- менному annapaTyj Vgj - объем теплообменника m. - политропный показатель общего состояния газа в по50

Р лести и в теплообменном аппарате;

коэффициент изохорного состояния газа в теплообменнике.

и проходами, закрепленными на дисках и цилиндре, в стенке цилиндра в районе днищ выполнены цилиндровые окна, сообщающиеся с проходами и с окнами распределения, а в поперечных крьш1ках выполнены окна подключения теплообменных аппаратов к камерам сжатия и расширения и уплотняющий трапецеи

пределительными дисками, причем теп- лообменные аппараты в каждой группе выполнены с возможностью независимого контакта с нагревателем и охладителем . и каждый из них подключен к окнам подключения в крышках.

(V.-bV,jr -|3;V,;(V,., у,;Л-ЧО;

( P;(V,--, -bv«; ,

для квазиизотермического расширения: (V;+V ;r -/3|V«.,(V., ) О,

(V;- -V ;A-/5;(V,-., +V „ ,

где V; - объем камеры в момент ее

подключения к i-му теплооб- менному annapaTyj Vgj - объем теплообменника m. - политропный показатель общего состояния газа в по

Р лести и в теплообменном аппарате;

коэффициент изохорного состояния газа в теплообменнике.

Фиг, 2

Фиг.д

Фиг.Ц

21 f В Ю1

11

г5

и

ц

27

Фиг. 7

Фиг.З