Тепловой двигатель Советский патент 1989 года по МПК F03G7/00 

У

7

,« J5

/ Л.

(Л

Изобретение позволяет повысить быстродействие двигателя. В противоположных концах рабочей камеры 3, частично заполненной легкокипящей текучей средой, размещены зона испарения (ЗИ) 4 и зона конденсации. Камера имеет жесткую торцовую стенку 6, расположенную в ЗИ 4, покрытую изнутри капиллярно-пористым слоем 8, и подвижную жесткую торцовую стенку, выполненную в виде поршня 7, и связанную с кривошипно-шатунным

со

Ф1/&Ч

механизмом, Боковая стенка камеры выполнена в виде вертикально установленного цилиндра, при этом ЗИ 4 размещена в его верхней части.Свободная поверхность слоя 8 ЗИ А м.б. выполнена выпукло-сферической, а в :днище поршня выполнено соответствую- ;щее этой поверхности сферическое I углубление. Зона конденсации вьтол- нена в виде охватывающего нижнюю часть цилиндра 9 охлаждаемого коллектора (к) 5, Последний сообщен с камерой посредством окон 13, вьтол- йенных в цилиндре, а днище покрыто капиллярно-пористым слоем 14. Слой 8 имеет полость 15, coeдинeннyкJ трубопроводом 16 с К, Механизм patno1A4970I

ложен в нижней части корпуса I, выполненной в виде картера 17, соеди- ненного с К трубопроводом 18. Нижние стенки К вьтолнены наклонными в сторону окон 13 для стока конденсата. При таком выполнении конденсат среды, находящийся на днище поршня, за счет капиллярных сил переходит в слой 8 ЯИ 4. К последней подводится от внешнего источника теплота, которая затрачивается на испарение среды из слоя 8. Возможно использование любого вида тепловой энергии - солнечной, энергии сгорания топлива, тепла выхлопных газов и нагретых поверхностей оборудования, 5 з.п, ф-лы, 6 ил.

I1

; Изобретение относится к машино- строению, а именно к устройствам

преобразования низкопотенциальной ; тепловой энергии в механическую ра- I боту в процессе осуществления паро- I конденсационного термодинамического I цикла в камере переменного объема I .с подвижной стенкой, и может быть i использовано для привода различных : машин и механизмов.

Целью изобретения является повышение быстродействия путем обеспече- НИН транспортировки конденсата подвижной стенкой в зону испарения,

На фиг,1 представлена схема теплового двигателя; на фиг. 2 - узел двигателя со сферической поверхность капиллярно-пористого сдоя зоны испарения и соответствующим сферическим углублением в днище поршня; на фиг, 3 - схема двигателя с окнами в нижней части цилиндра, сообщающими зону конденсации с рабочей камерой и с капиллярно-пористым слоем на днище поршня; на фиг. 4 - то же, с трубопроводами, -соединяющими коллектор зоны конденсации с зоной испарения и с картером; на фиг, 5 - идеальный цикл описываемого двигателя в P-v, координатах (Р - давление, v - удельный объем рабочего тела); на фиг.6 шарнирное соединение поршня с шатуном.

Двигатель содержит по крайней мере один корпус 1 с размещенной в нем частично заполненной в качестве рабочего тела легкокипящей текучей средой 2 (например, фреоном, спиртом) рабочей камерой 3 с размещенными в ее противоположных концах зоной 4 испарения и зоной конденсации, выполненной в виде охлаждаемого коллектора 5, Снизу и сверху камера 3 ограничена соответственно неподвижной жесткой торцовой стенкой 6 и подвижной жесткой торцовой стенкой, вьтол- ненной в виде поршня 7. Стенка 6 расположена в зоне 4 испарения и покрыта изнутри капиллярно-пористым слоем 8, Боковая стенка камеры 3 выполнена в виде вертикально установленного цилиндра 9, Выходной вал 10 двигателя связан с поршнем 7 кри- вошипно-шатунным механизмом 11.

Свободная поверхность капиллярно- пористого слоя 8 зоны 4 испарения может быть выполнена выпукло-сферической (фиг,2), а в днище поршня 7 в этом случае должно быть выполнено сферическое углубление 12,

Коллектор 5 охватывает нижнюю часть цилиндра 9 (фиг., 3 и 4) и сообщен с рабочей камерой 3 посред15

20

ством выполненных в цилиндре 9 окон 13, а днище 7 покрыто капиллярно-пористым слоем 14 (фиг.З, 4 и 6). Капиллярно-пористый слой 8 зоны

4испарения (фиг.4) имеет полость 15, соединенную трубопроводом 16 с коллектором 5. Кривошипно-шатунный механизм 11 расположен в нижней части корпуса 1, вьтолненной в виде кар- ю тера 17, соединенного с коллектором

5дополнительным трубопроводом 18, Нижние стенки коллектора 5 выполнены наклонными в сторону окон 13 цилиндра 9 для стока конденсата среды 2 .

Соединение поршня 7 с шатуном 19 механизма 11 выполнено шарнирным (фиг.6).

Двигатель может быть вьтолнен многоцилиндровым (не показано).

Тепловой двигатель (фиг.1) работает следующим образом.

Поршень 7 поднимается посредством кривошипно-шатунного механизма П. В верхней мертвой точке поршень

7конденсатом среды ., скопившимся на его днище, входит в соприкосновение с капиллярно-пористым слоем 8.

8результате этого конденсат среды 2, находящийся на днище поршня 7, за счет капиллярных сил переходит в осушенный за предыдущий период капиллярно-пористый слой 8 зоны 4 испарения. К зоне 4 испарения подводится от внешнего источника теплота q , которая затрачивается на испарение легкокипящей текучей среды

2 из капиллярно-пористого слоя 8. Давление паров легкокипящей текучей среды 2 внутри цилиндра 9 (в рабочей камере 3) возрастает, и поршень 7 под его действием опускается, передавая механическую энергию через кри- вошипно-шатунный механизм 1 1 и вал 10 внешней нагрузке. Движение поршня 7 вниз сопровождается осушением капиллярно-пористого слоя 8. При подходе к нижней мертвой точке поршень

ется. Поршень 7 доходит до нижней мертвой точки. При этом капиллярно- пористый слой 8 полностью осушается за предыдущий период. Поршень 7 начинает подниматься, а в рабочей камере 3 в этот момент имеет место разрежение вследствие конденсации паров среды 2. Далее цикл работы теплового двигателя повторяется.

При работе теплового двигателя (фиг.2) конденсат среды 2 стекает и накапливается в сферическом углублении 12 днища поршня 7 и впитывается сферической поверхностью капиллярно-пористого слоя 8 зоны 4 испарения при перемещении поршня 7 к верхней мертвой точке.

При работе теплового двигателя (фиг.З) при подходе к нижней мертвой точке поршень 7 открывает окна 13 цилиндра 9, и при этом пары легкокипящей текучей среды 2 устремляются в коллектор 5, находящийся снаружи 25 цилиндра 9, где эти пары конденсируются, отдавая теплоту q среде, охлаждающей коллектор 5, а образовавшийся конденсат среды 2 стекает по наклонным нижним стенкам коллектора 5 к окнам 13 и впитывается капиллярно-пористым слоем 14 поршня 7. Насыщение конденсатом среды 2 капиллярно-пористого слоя 8 осуществляется путем контакта с ним капиллярно-пористого слоя 14 поршня 7.

При работе теплового двигателя (фиг.4) при движении поршня 7 к верхней мертвой точке оставшееся малое количество паров легкокипящей текучей среды 2 выталкивается через осушенный капиллярно-пористый слой 8 по трубопроводу 16 в коллектор 5, что исклктчает работу сжатия в этом такте. В-другие такты перетока па- 45 ров среды 2 нет, так как гидравлическое сопротивление капиллярно-пористого слоя 8 (насыщенного конденсатом среды 2) велико. Наличие тру- . бопровода 16 уменьшает перепады дав30

35

40

7 открывает коллектор 5,, где на внут- 50 ™ полости 15 при движении ранних стенках цилиндра 9 конденси- поршня 7.

руются пары легкокипящей текучей ере- Идеальный цикл теплового двигателя в P-V координатах представлен

ды 2, отдавая свою теплоту среде, охлаждающей коллектор 5, а образовавшийся при этом конденсат среды 2 стекает по стенкам цилиндра 9 и скапливается на днище поршня 7.Давление паров легкокипящей текучей среды 2 в рабочей камере 3 уменьшана фиг.5. Процесс вг - изотермический, протекающий при температуре насыщения паров легкокипящей текучей среды 2.

Использование изобретения по сравнению с прототипом обеспечивает

5

0

ется. Поршень 7 доходит до нижней мертвой точки. При этом капиллярно- пористый слой 8 полностью осушается за предыдущий период. Поршень 7 начинает подниматься, а в рабочей камере 3 в этот момент имеет место разрежение вследствие конденсации паров среды 2. Далее цикл работы теплового двигателя повторяется.

При работе теплового двигателя (фиг.2) конденсат среды 2 стекает и накапливается в сферическом углублении 12 днища поршня 7 и впитывается сферической поверхностью капиллярно-пористого слоя 8 зоны 4 испарения при перемещении поршня 7 к верхней мертвой точке.

При работе теплового двигателя (фиг.З) при подходе к нижней мертвой точке поршень 7 открывает окна 13 цилиндра 9, и при этом пары легкокипящей текучей среды 2 устремляются в коллектор 5, находящийся снаружи 5 цилиндра 9, где эти пары конденсируются, отдавая теплоту q среде, охлаждающей коллектор 5, а образовавшийся конденсат среды 2 стекает по наклонным нижним стенкам коллектора 5 к окнам 13 и впитывается капиллярно-пористым слоем 14 поршня 7. Насыщение конденсатом среды 2 капиллярно-пористого слоя 8 осуществляется путем контакта с ним капиллярно-пористого слоя 14 поршня 7.

При работе теплового двигателя (фиг.4) при движении поршня 7 к верхней мертвой точке оставшееся малое количество паров легкокипящей текучей среды 2 выталкивается через осушенный капиллярно-пористый слой 8 по трубопроводу 16 в коллектор 5, что исклктчает работу сжатия в этом такте. В-другие такты перетока па- 45 ров среды 2 нет, так как гидравлическое сопротивление капиллярно-пористого слоя 8 (насыщенного конденсатом среды 2) велико. Наличие тру- . бопровода 16 уменьшает перепады дав0

5

0

на фиг.5. Процесс вг - изотермический, протекающий при температуре насыщения паров легкокипящей текучей среды 2.

Использование изобретения по сравнению с прототипом обеспечивает

повьшение быстродействия двигателя за счет переноса конденсата среды 2 в зону 4 испарения поршнем 7. Двигатель допускает использование любого вида тепловой энергии солнечной, энергии сгорания топлива, тепла выхлопных газов и нагретых поверхностей оборудования и т.д.

Шарнирное соединение поршня 7 с шатуном 19 улучшает контакт кагшл-- лярно-пористого слоя 8 с капиллярно- пористым слоем 14

Предлагаемый тепловой двигатель может быть использован в качестве утилизатора тепловых потерь например,, в качестве привода компрессора тормозной системы локомотива при использовании теплоты Еьгхлопных газов тягового дизеля.

Формула изобретения

. Тепловой двигатапь содержа-. щий по крайней мере один корпус с размещенной в нем частично заполненной легкокипящей текучей средой рабочей камерой с размещенными к ее противоположных концах зонамг: испарения и конденсации и жесткимх-. торцовыми стенками, одна из которых вьтолнена ПОДВИУШОЙ, а другая, расположенная в зоне испарения, покр.Ы та изнутри капиллярно-пористым слоем, отличающий с я тем, что, с целью повышения быстродействия путем обеспечения транспортировки конденсата подвижной стенкой в зону испарения, он дополнительно снабжен кривошипно-шатуннь М механизмом, связанным с подвижной стенкой

«

Ш И

...

5

0

5

последняя вьтолнена в виде поршня, а боковая стенка камеры - в виде вертикально установленного цилиндра, при этом зона испарения размещена в его верхней части

а днище поршня дополнительно покрыто капиллярно-пористым слоем,

j,

Двигатель по п.4, о т л и

ч а ю щ и к с я тем, что кривошип- но-шатунньгй механизм расположен в нижней части корпуса, выполненной в виде, картера, соединенного с коллектором дополнительным трубопроводом

бе Двигатель по п„5, о т л и - ч а ю щ и и с я тем, что нижние стенки коллектора вьтолнены наклонными в сторону окон цилиндра для стока конденсата,

6

Фиг. 5

/Л.

/7

.3

Щ

tr