Приспособление, предназначенное для преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1924 года по МПК F01K27/00 

Предлагаемое изобретение имеет целью преобразовать возможно большее количество тепловой энергии газа высокой температуры, взятого при атмосферном давлении, в механическую энергию в виде кинетической энергии струи газа того же давления, но низшей температуры, или же в виде потенциальной энергии газа, сжатого до давления более высокого, чем начальное, но с температурою пониженною против начальной, причем в том и другом случае полученная механическая энергия предназначается для производства внешней полезной работы. Таким образом имеется ввиду получить возможность удобного и экономического использования энергии всевозможных родов топлива для производства самых разнообразных видов работы.

На фиг. 1-16 схематического чертежа изображен пример выполнения предлагаемого приспособления. На фиг. 1 изображен термодинамический цикл преобразователя, работающего без подогревания свежего воздуха; на фиг. 2 - продольный разрез трубчатого преобразователя простейшего вида; на фиг. 3, 4 и 5 - схемы устройств для использования кинетической энергии выходящего

из преобразователя газа; на фиг. 6- продольный разрез трубчатого преобразователя, дающего механическую энергию в потенциальном виде; на фиг. 7 - схема устройства для понижения давления и температуры подаваемого в аккумулятор газа с одновременным увеличением количества его; на фиг. 8-термодинамический цикл преобразователя, работающего с подогреванием свежего воздуха теплотою отработанных газов; на фиг. 9 и 10 - схемы установок с трубчатым преобразователем, работающих с подогреванием свежего воздуха теплотою отработанных газов; на фиг. 11-схема устройства для регулирования температуры поступающего в преобразователь газа; на фиг. 12- схема устройства для регулирования подачи охлаждающей воды; на фиг. 13 и 14 схемы устройств для пуска в ход трубчатаго преобразователя энергии; на фиг. 15 - схема установки с независимым подогреванием воздуха; на фиг. 16-схема установки с использованием полученной энергии для производства внешней работы ранее сжатия газа.

Действие приспособления основано на применении специального термодиначале и конце расширения. Кроме того, количество охлаждавощей воды расчитывается так, что она вся испаряется ранее достижения сжимающимся газом атмосферного давления и далее сжатие идет уже адиабатически с более быстрым повышением температуры.

Схема установки, работающей с пологреванием свежего воздуха, изображена на фиг. 9.

Здесь продукты горения из печи 10 поступают в трубчатый преобразователь 21 и выходят из него с весьма больщой скоростью и с температурой более высокой, чем температура внешнего воздуха. В приборе 22, схематически изображенном в виде турбинного колеса, они теряют почти всю свою скорость, производя потребную работу, но сохраняют, по выходе из него, ту же температуру, как и по выходе из преобразователя. Далее, оставаясь все время отделенными от внешнего воздуха дурно проводящей теплоту оболочкой 25, отработанные газы поступают в подогреватель 24- Подогреватель действует по принципу встречных токов. Он состоит из двух систем ходов 25-25 и 26-26, отделенных одна от другой тонкими металлическими стенками; по ходам системы 25-25 проходят отработанные газы, отдавая постепенно свою теплоту металлическим стенкам, и, достигнув возможно низкой температуры, выходят в атмосферу; навстречу им, по ходам системы 26-26 проходит свежий воздух и постепенно нагревается от соприкосновения с металлическими стенками, нагретыми отработанными газами; достигнув наивысшей возможной температуры, воздух по каналу 27 направляется в печь. Для уменьшения потери теплоты, стенки, отделяющие ходы подогревателя от внешнего воздуха, а также разделяющие ходы одной и той же системы между собою, должны делаться из дурных проводников тепла и поверхность их должна быть возможно малой. Напротив, стенки, отделяющие ходы одной системы от другой, для лучшей - передачи тепла, должны делаться из хороших проводников тепла и иметь возможно-малую толщину и большую поверхность; их можно, например, изготовлять из тонких металлических листов.

гладких или даже гофрированнь1х, так как давление в ходах той и другой системы почти одно и то же.

При применении к установкам с подогревателем устройства для понижения давления и температуры в аккумуляторе, изображенного на фиг. 7, можно пользоваться в качестве добавочного воздуха, смешиваемого со струей активного газа,-отбработаиными газами. Такого рода установка изображена на фиг. 10Предварительное подогревание свежего воздуха дает возможность повышать температуру продуктов горения в печи, и, следовательно, увеличивает степень расширения их в трубе преобразователя, а вместе с тем и коэффициент полезного действия последнего. Однако, применение его возможно лишь до известного предела, так как при этом происходит повышение температуры во всех частях установки, и слишком большая степень предварительного подогревания может оказаться вредной для них.

В некоторых случаях может оказаться выгодным применение подогревания свежего воздуха не теплотой отработанных газов, а за счет сжигания добавочного количества топлива или, вообще, от какого либо иного источника теплоты. При таком независимом нагревании тоже повышается коэффициент полезного действия установки, вследствие повышения температуры продуктов горения, поступающих в преобразователь, и увеличения степени расширения газа в трубе преобразователя, но в этом случае повышение коэффициента не так велико, так как преобразователь работает по циклу, изображенному на фиг. 1, более отступающему от идеального цикла Карно, чем цикл фиг. 8. С другой стороны, при независимом нагревании получается повышение температуры только в печи и в трубе преобразователя, в других же частях установки - аккумуляторе, трубопроводе, машинах-температура остается такой же, как и без применения подогревания. Схема установки с независимым подогреванием изображена на фиг. 15.

Действие трубчатого преобразователя можно регулировать помощью специальных устройств и приспособлений.

непостредственно (в активных турбинах, струйнных вентиляторах и насосах - фиг. 3, 4 и 5) или путем предварительного превращения ее в потенциальную энергию сжатого газа. В этом последнем случае, газ, по достижении им атмосферного давления, не выпускается во внешнюю атмосферу, а, двигаясь далее по трубе, имеющей добавочную часть 8-8-//-// (фиг. 6), продолжает сжиматься за счет собственной кинетической энергии. Процесс сжатия идет в этой части трубы уже идиабатически (охлаждающая вода уже вся обращена в пар), давление и температура газа при этом бысгро возрастают, а скорость движения убывает. Достигнув сечении //-// наибольщего возможного давления, газ поступает в резервуар 12, служащий аккумулятором энергии. Аккумулятор должен быть достаточно прочен и непроницаем для применяемых давлений, а также безопасно выдерживать температуру сжатого газа. Из аккумулятора сжатый газ по трубопроводу 13 передается к месту потребления энергии. Часть трубы преобразователи, в которой производится адиабатическое сжатие газа, аккумулятор и отводящий сжатый газ трубопровод могут быть изолированы дурными проводниками тепла, для уменьшения потери теплоты в окружающее пространство. Таким способом утилизации энергии струи газа имеется ввиду накапливать энергию, передавать ее на расстояние и использовать, в .зависимости от характера требуемой работы, в самых разнообразных машинах, как то: турбины всех родов, поршневые машины большой и малой скорости, коловратные машины, пульсометры, струйные насосы и вентиляторы, насосы системы „гейзер, пневматические инструменты прямого действия (копры, молоты, прессы и т. д., пневматические подъемники и проч.). Если температура и давление газа, сжатого в акку.муляторе, окажутся при таком устройстве чрезмерно высокими, их можно понизить помощью устройства, изображенного на фиг. 7, причем количество подаваемого в аккумулятор газа соответственно увеличится. При этом устройстве струя газа, выходящая из отверстия 8 - 8 трубы, изображенной

на фиг. 2, смешивается со струей внешнего воздуха, поступающей через кольцевую щель 14-14 подобно тому, как это происходит в воздухоструйных вентиляторах. Таким образом, количество сжимаемого газа увеличивается, количество энергии, сжимающей газ выше атмосферного давления, остается прежнее, вследствие чего степень сжатия газа, а вместе с нею конечное давление и температура его-уменьшаются. Выбирая определенное соотношение .между количеством выходящего из трубы преобразователя активного газа и смешиваемого с ним добавочного воздуха имеется ввиду получить в аккумуляторе желаемые давление и температуру.

Коэффициент полезного трубчатого преобразователя энергии в некоторых случаях предполагается повысить применением пведварнтельного подогревания воздуха, поступающего в печь за счет теплоты отработанных газов. В этом случае применяется более сложный термодинамический цикл, изображенный на фиг. 8. Он слагается из следующих последовательных процессов, которым подвергается проходящий через преобразователя воздух: 1) нагревание отработанными газами, изображенное на фиг. 8 отрезком прямой 15 - 16:, 2) нагревание сжиганием топлива (или заимствованием теплоты от иного основного источника энергии), изображенное прямой 16-/7; 3) адиобатическое расширение газа по линии 77-18, 4) изотермическое сжатие до некоторого давления, меньшего чем атмосферное, по линии 18-19, 5) адиабатическое сжатие до атмосферного газа с отдачей теплоты на подогревание свежего воздуха по линии 19-16; 6) охлаждение отработанного газа с отдачей теплоты на подогревание свежего воздуха по линии 16- /5- Утилизация энергии струи газа для производства потребной работы производится между 5 я 6 43 указанных процессов каким либо из способов, описанных выше. При осуществлении на практике цикла, изображенного на фиг. 8, нагревательный прибор и труба преобразователя сохраняют прежнее устройство, но сечения трубы расчитываются на большую степень расширения, соответственно большей разности температуры при настет сильнее, чем при чисто адиабатическом сжатии по линии , температура же-значительно меньше. Изменением количества впрыскиваемой для охлаждения воды и комбинацией этого способа с устройством, изображенным на фиг. 7, можно получить самые разнообразные величины для температуры н давления в аккумуляторах. При расширении газа в машинах, использующих энергию его. происходит конденсация содержащегося в газе пара, что составляет некоторый недостаток этого способа. Другим неудобством его является невозможность применения его к установкам, работающим с подогреванием свежего воздуха теплотой отработанных газов.

При употреблении некоторых сортов топлива может явиться потребность в усиленной тяге воздуха, поступающего в печь. Усиление тяги, т. е. увеличение скорости воздуха, подводимого к топливу, может быть достигнуто уменьшением площади отверстий поддувала 49-49 посредством передвижения решетчатой заслонки 50 - 50 (фиг. 11), прикрывающей эти отверстия. При этом, если печь, для понижения температуры продуктов горения снабжена подвижной заслонкой 28, впускающей добавочный воздух, то эта последняя заслонка также должна быть соответственным образом передвинута.

При установках с подогреванием свежего воздуха теплотой отработанных газов, а также и в иных случаях, можно применять конструкцию с использованием кинетической энергии газа на производство полезной внешней работы ранее использования ее на сжатие самого газа. Такого рода конструкция изображена на фиг. 16. В этом случае, нагретый газ, вступив через отверстие 5-5 в трубу 5-5-7-7 и проходя по ней, постепенно расширяется и, получив наибольшую скорость, выходит через отверстие 7 - 7 в пространство 51-57, отделенное со всех сторон от внешней атмосферы непроницаемыми для воздуха стенками 52 - 52. В этом пространстве помешается турбина 55, производящая внешнюю полезную работу. Газ, по выходе из сопла 54, вступает в турбину и, пройдя через нее.

теряет часть своей кинетической энергии на производство работы, вследствие чего, по выходе из турбины, имеет уже меньшую абсолютную скорость, чем при вступлении в нее. Скорость эта должна быть лишь такова, чтобы оставшейся кинетической энергии газа оказалось достаточно для сжатия его в присутствии распыленной воды до атмосферного давления и для выталкивания в атмосферу. Выйдя из турбины, газ поступает в трубу 55 - 56, где смешивается с распыленной водой, впрыскиваемой через отверстие 9 - 9, сжимается при прохо.ждении по трубе за счет собственной кинетической энергии и, достигнув атмосферного давления, выходит через отверстие 56--56 во внешнюю атмосферу, или же в прибор для подогревания свежего воздуха. При такой конструкции турбина не подвергается соприкосновению с газами высокой температуры даже и в том случае, когда сжатие газа ведется с значительным повышением температуры в конце процесса, как при установках с подогреванием свежего воздуха, теплотой отработанных газов. В пространстве 5/ - 5/, где помещается турбина, должно поддерживаться разрежение, соответствующее наибольшей степени расширения газа, а потому подшипники турбины должны быть по возможности защищены ог проникновения через них внешнего воздуха. Этого можно достигнуть, применяя соответствующую набивку, или же помещая их в масляную ванну, причем масло, прогоняемое внутрь внешним давлением атмосферы, выкачивается обратно специальным насосом.

ПРЕДМЕТ ПАТЕНТА.

1) Приспособление, предназначенное для преобразования тепловой энергии в механическую, характеризующееся применением трубы, состоящей из сходящейся-расходящейся конической 5, 5- 7, 7 (фиг. 2) и присоединенной непосредственно с ней сходящейся конической части 7, 7-8,8, в месте соединения которых помещается отверстие 9 для ввода воды, через каковую трубу протекают газы из камеры, где сожигается топливо при атмосферном давлении, направляются на колеса турбины

На фиг. 11 изображено устройство для регулирования температуры газов, поступающих из печи в преобразователь; оно состоит из передвижной заслонки 28, через которую в печь впускается в большем или меньшем количестве добавочный воздух, понижающий температуру продуктов горения до требуемой степени.

Для изменения количества газа, проходящего через трубу преобразователя, может быть применено соответствующее устройство.

Для значительно больших установок можно применять преобразователь, состоящий из нескольких труб, включенных параллельно, и регулировать действие его включением или выключением отдельных труб, по мере надобности; более же точную регулировку мощности можно производить, применяя к какой либо из труб соответствующее устройство.

На фиг. 12 изображены приспособления для изменения количества охлаждающей воды, впускаемой в преобразователь; для этой цели можно пользоваться или иглой 32, изменяющей площадь отверстия, через которое вода впрыскивается в трубу, или краном 34, изменяющим напор воды перед впуском; первое из указанных устройств более удобно для применения к отдельным трубам, последнее же--для целей системы одновременно действующих труб.

Все регулирующие приспособления могут быть приводимы в действие как в ручную, так и автоматически, в последнем случае их можно соединять или с регулятором скорости вращения использующей энергию машины, или же с регулятором давления в аккумуляторе, представляющем собою цилиндр 47 (фиг. 6) с поршнем, передвигающимся при изменении давления в аккумуляторе и уравновешенным пружиною 42- При установившемся движении преобразователь работает непрерывно и устойчиво, но для пуска его в ход необходимы специальные приспособления, которые МО1 ли бы создать достато .но быстрое движение продуктов горения в трубе преобразователя. Такими приспособлениями могут служить как всасывающие, так и нагнетательные воздушные насосы или вентиляторы, - различных систем,-

помощью которых воздух или высасывается из конца трубы преобразователя; или же нагнетается в печь (или, вообще, в нагревательный прибор); в последнем случае, необходимо, чтобы печь или та часть ее, i-де сжигается топливо при пуске в ход преобразователя, могла быть герметически закрыта.

Воздушные насосы могут приводиться в действие в ручную, сжатым воздухом, электрическим мотором, часовым механизмом или иным известным способом, в зависимости от мощности установки и имеющегося в распоряжении источника энергии.

При установках с несколькими, параллельно включенными, трубами устройство для пуска в ход можно делать лишь при одной трубе, все же прочие трубы приводить в действие, высасывая из них воздух через трубки, соединяющие их концы со средней частью действующей трубы.

Схемы приспособлений для пуска в ход преобразователя энергии изображены на фиг. 13 и 14.

В некоторых случаях может возникнуть потребность в получении сжатого газа весьма высокого давления при возможно низкой температуре (например, для пневматической передачи на значительные расстояния). Между тем при способах сжатия газа сверх атмосферного давления, описанных выше, температура и давление газа, поступающего в аккумулятор, связаны между собою определенной зависимостью, выражаемой формулой адиабатического процесса сжатия. Для того, чтобы изменить эту зависимость в сторону меньшего пoвышeн fя давления температуры и большего повышения давления, достаточно изменить характер процесса сжатия газа сверх атмосферного давления, приблизив его к изотермическому, что может быть достигнуто путем увеличения количества воды, впрыскиваемой в трубу преобразователя для охлаждения сжимаемого газа. В таком случае, процесс сжатия газа сверх атмосферного давления сначала будет идти почти изотермически, соответственно кривой 4-46 (фиг. 1) и лишь после испарения всей воды перейдет в адиабатический - по линии 46-47. В результате, давление возраЙмф,..в, «- „„, ,™ ГГ---- : I ™, .,. ,, --Д.//,„; «5

Z2

к патенту М.БЕЛОВА Ж525