Машина для получения сжатого газа, работающая гретым воздухом Советский патент 1931 года по МПК F04B19/24 

Уже известны машины для получения сжатого газа, работающие гретым воздухом, поршни которых прогоняют рабочие газы сквозь регенератор из холодного рабочего пространства в обогреваемое и обратно, при чем .обогре, вание производится путем внутреннего сжигания топлива; подводимого извне.

Предлагаемое изобретение имеет целью повышение термического коэффициента полезного действия машины путем перкодического впуска предварительно сжатого и охлажденного воздуха в холодное пространство регенератора, при чем в отличие от известных уже устройств, впуск этого воздуха производится только во время периода подачи машиною воздуха .в резервуар для сжатого газа.

На чертеже, фиг. 1. изображает схематически продольный разрез газонагнетающего генератора, работающего в открытом круговом прсце.ссе-и приводя щего в движени е Jypбинy, действующукэ сжатым воздухом; фиг. 2-схематический разрез газонагнетающего генератора, работающего газообразным горючим ,в,замкнутом круговом процессе с повышенным давлением и приводящего в движение турбину, действующую сжатым воздухом; фиг, 3 - схематический разрез газонагнетающего генератора со

вделанным в него холодильником; фиг. 4- запорный золотник, расположенный между вспомогательным цилиндром и тепловым аккумулятором, и приводимый в действие от распределительного механизма.

На фиг. 1 буквою Л обозначена основанная на общеизвестных принципах машина для получения.сжатого газа, и состояш,ая в существенной своей части из цилиндра 1, в котором может перемещаться в обоих направлениях плунжерный поршень 2, приводимый в движение от коленчатого вала 3 при посредстве кривошипа 4; для вращения вала может быть использована некоторая часть мощности работающего сжатым воздухом двигателя В, приводимого в действие помощью получаемого в машине А сжатого газа. Цифрою 5 обозначен тепловой аккумулятор, холодная сторона которого обозначена через 5а, а горячая сторона через 56. Между горячею стороною 56 теплового аккумулятора и поршнем 2 находится горячее рабочее пространство 66. Пространство, смежное с холодной стороной 5а теплового аккумулятора,, находится в сообщении, при помощи обходящего тепловой аккумулятор 5 соединительного трубопровода 7, с расположенным по другую сторону поршня 2 холодным рабочим пространством 6«с,.

1Дифрою 8 обозначен насос для- горючего, вводящий, например, жидкое щрючее через сопло 9- в горячее рабочее пространство 6. В случае, если рабочим веществом для машины служат газообразные тродукты горения и если, следо, вательно, всасываемые газы оказываются не в состоянии поддерживать орение, то кроме них должен быть вводим также еще потребньш для. горения воздух. Цифрою 10 обозначаны всасывающие, а цифрою И нагнетательные клапаны, .при чем камера этих последних клапанов сообщается при помощи трубопровода 12 с резервуаром 13 для сжатого/ газа, откуда газ может быть подводим для любого его применения,. Согласно представленной на чертеже формы вы.полнения, сжатый газ предназначается .для питания по трубопроводу 14, работакЗщей сжатым воздухом машинь В, -с целью производства механической работы. Цифрою 15 обозначен вспомогат льный цилиндр, в котором переме.,, щае7ся поршень 16, связанный с коленчатым валом 3 тгод Таким углом по отнощению к поршню 2, что, когда этот почгледний поршень находится в своей нижней мертвой точке, то поршень Тб успевает уже пройти значительную часть своего восходящего хода.

При более простых формах выполнения машины этот вспомогательный цилиндр может отсутствовать и в таком Случае пространство, расположенное под холодной стороной 5а теплового аккуму.ля-тора, замыкается в направлении наружу неподвижным поршнем, а устанавливаемою ниже отверстия трубопровода 7..неподвижною стенкою 15а, обозначенною на фиг. 1 пунктирною линией. В дальнейшем- будет снанала предположено, что описываемая машина работает без вспомогательного цилиндра и что тепловой аккумулятор находится в своем установившемся состоянии, при котором холодная сторона 5а теплового | аккумулятора имеет, приблизительно, температуру наружного воздуха, горячая же | торона эЬ того же аккумулятора-обладаетврзможно более высокой температурой, .например, около 900° Ц; прадг(олож м, что поршень 2 находится в своем самом низком положении, при, чем про- I странство ба наполнено холодным газом, j

Если теперь поршень начинает двигаться кверху, то холодный газ из прострфнства ба вытесняется в горячее простр§1И; ство 66 по соединительному трубопррводу7 и сквозь тепловой аккумулятор 5, при чем газ, при прохождении сквозь тепловой аккумулятор, нагревается до наивысшей температуры этого последнего; вследствие этого нагревания происходит увеличение объема перетекающего газа, которое в виду неизменности во время движения поршня общего объема обоих общих пространств ба, 66, вызывает повышение давления; давление это - постепенно повышается во время восходящего движения поршня 2, приблизительно, до положения х-г, при котором величина его достигнет величины давления, действующего на нагнетательный клапан 11. При дальнейшем подъеме поршняон прогоняет сквозь тепловой аккумулятор в горячее пространство 66 дальнейшее количество холодных газов; при прохождении сквозь тепловой аккумулятор это количество газанагревается сначала до наивысшей тем-, пературы аккумулятора, а затем, вследствие сжигания вводимого через соппо 9; горюч.его, и еще выше. Вследствие нроисходящего во время такого нагревания расширения этих газов, соответствующее количество газа переводится, во время начинающегося теперь периода подачи, из холодного пространства 66 через нагнетательный клапан 11 итрубопровод 12 в резервуар 13 с сжатым газом. Этот период подачи продолжается от упомянутого выше положения до конца восходящаго хода поршня 2, т.-е. Hai протяжений участка h-, хода. При начале нисходящего хода порллня, находящийся в пространстве бб горячий газ перемещается сквозь тепловой аккумулятор 5 по соединительному трубопроводу 7 в холодное рабочее пространство ба. При прохождении сквозь тепловой аккумулятор этот газ охлаждаемся и испыть вает поэтому уменьшение объема, вследствие чего, и в виду неизменности общегообъема, происходит уменьшение. давления. По прохождении поршнем при своем нисходящем движении некоторой части хода, например, по достижении им положения / -J/, давление в рабочих пространствах оказывается понизившимся

ниже действующего на всасывающий клапан 10 наружного давления, поэтому при дальнейщем движении порщня книзу клапан 10, открывается, при чем происходит засасывание свежего воздуха из атмосферы или какогб -лйбо другого газа из соответствующего резервуара:

, Из изложенного следует, что во-время одного двойного хода поршня 2 --происходит смена нижеследующих четырех периодов работы.

1)Начиная от нижней мертвой точки до Х---X поршня, т.-е. на протяжении участка h восходящего хода происходит повышение давления всего содержимого рабочих пространств, при чем часть находящегося в этих последних рабочего вещества переходит сквозь тепловой аккумулятор с холодной стороны на горячую, вызывая этим повышение давления, вследствие чего это количество воздуха называется в дальнейшем „сжимаемым количеством.,

2)Начиная от положения х-х до верхней мертвой точки, т.-ё. на участке Лз хода поршня, продолжается период подачи, т.-е.. вытеснение частй содержа-щихсяв холодном пространстве 6а уже сжатЫх газов или „полезного количества при наивысшем давлении, в нагнетательный трубопровод, при чем одновременно другая часть находящегося в

холодном рабочем пространстве газа или „перемещаемое количество только пе-. реводится с холодной стороны сквозь, тепловой аккумулятор на горячую его сторону 5& и остается в раоочем ripoстранстве 6-6.

3)Начиная от верхней мертвой точки До положения г/-у, т.-е. на протяжении части Лз хода поршйя, происходит уменьшение давления всего содержимого рабочих пространств.

4)Начиная от положения у - нижней мертвой точки, т.-е. на протяжении части Л хода поршня, продолжается всасывание свежих газов в холодное рабочее пространство 6а.

Во время обоих последних периодов работы упомянугые выше „сжимаемое и „перемещаемое -количества снова возвращаются с горячей стороны сквозь тепловой аккумулятор на холодную сторону.

Если отвлечься от сопротивлений трения и от вызываемой наличием поршневого щтока разницы в величине площади порщня 2 на горячей и на холодной стороне, то, вследствие постоянного равенства действующих на обе стороны поршня давлений, все движение поршня происходит без внешней затраты механической работы, а равно без производства механической работы и самим поршнем.. Работа всасывания и нагнетания получается только за счет непосредственногодействия тепла, вводимого с гсэрючим. Вал 3, приводящий во вращение двигатель Б должен,поэтому, отдавать только работут достаточную для преодолевания вызываемых движением сопротивлений, каков&я работа составляет лишь незна-чительную долю работы накопляемой в сжатых газах, получаемых за счет тепла,, израсходованного при сгорании горючего. Так как для периода подачи используется только часть Лз полного восходящего хода Л поршня 2, а для периода всасавания только часть hj полного нисходящего хода того же поршня, то волюметрическде полезное действие машины понижается вследствие того, что часть Л;, соответственно Лз, .хоца затрачиваются на повышение и, соответственно, на понижение давления.

При применении вспомогательного поршня 16, опережающего поршень 2 и выполняющего свой нагнетательный ход ранее восходящего хода поршня 2 а потому повышающего давление в рабочих пространствах до величины давления нагнетания в трубопроводе 12, нагнетательный ход поршня 2 может начинаться уже при более низком его положении vTi - OTj, а всасывающий ход может начинаться при более высоком положении У - у поршня; благодаря этому Kaj для периода нагнетания, так и для периода всасывания, используется уже более значительная часть хода названного поршня.

Хотя получаемые сжатые газы могут, как уже быЛо упомянуто, найти себелюбое применение, но предпочтительно они используются для приведения в действие работающего сжатым воздухом двигателя i, вследствие чего получается термопневматическая силовая установка, при которой производящий механиче-скую работу двигатель сжатого воздуха В «чожет, кроме того, служить для привода главного поршня 2 и вспомогательного прршня 16.

Двигат аь либо может работать с выпуском газа в атмосферу, (фиг. 1), ли-бо, как это показано на фиг. 2, может эаботать таким образом, что получаемые им из резервуара 13 сжатые газы, во время совершения ими работы в двигателе В, не понижают свое давление до -атмосферного, а оя водятся в нагнетательный резервуар 26 с более низким да.влением, чем резервуар 13. Из этого резервуара машина Л всасывает через .клапаны 10 газы, обладающие давлением р,1, и повышает это давление до более высокой величины р давление в резервуаре 13. В этом случае газонагнетающий генератор Л и двигатель В работают в замкнутом круговом процессе, наинизшее давление/ ь которого превышает давление- атмосферы.

Согласно предлагаемого изобретения, действие описанных машинных агрегатов повышается тем , что „перемещаемое количество, вместо того, чтобы быть забранным из самого рабочего простран :тва &Ь термического газонагнетающего генератора, вводится из наружного источника., через- впускной орган 18, присоединенный каналом 17 к холодной стороне 52 теплоЕ Ого аккумулятора 5 (фиг. 1 и 2) и приводимый в действие распре ,делительным механизмом. Поступающие в холодное рабочее пространство при

наивысшем давлении холодное перемещаемое количество при представленной на фиг. 1 форме выполнения, притекает к впускному органу 18 из резервуара

i/c сжатым газом 13 по ответвлению 24 через холодильник 25.

Распределительный механизм 18а

впускного органа 18 устанавливается так,

что по достижении в рабочем простран стве 6fl, ,бй при-конце периода сжатия /Zi

нагнетательного давления т. е. при положении поршня х-х или соответствен«о Xi-Xi, впускной орган открывается и остается открытым , во время периода подачи h, такое устройство имеет целью достичь того,.чтобы подаваемое через впускной орган 18 к холодной стороне теплового аккумулятора количество газа имело давление близкое к давлению газа.

находящегося в холодном рабочем пространстве бд, но обладало более низкой температурой, чем этот последний газ. Во кремя периода подачи, это введенное извне количество газа переводится с холодной стороны 5й сквозь тепловой аккумулятор в пространство 6Ъ. Таким образом, во время периода подачи по соединительному трубопроводу 7 через тепловой аккумулятор 5 совершенно не приходится пропускать сжатый газ из расположенного над поршнем 2 холодного пространства бд и все количество имеющегося в этом холодном пространстве сжатого газа подается наружу через нагйетательный. клапан 11.

Благодаря этому ожидаются преимущества весьма разнообразного характера, в виде повышения, напр., волюметричекого и механического полезного действия.

Дпя составления суждения о преимуществах, достигаемых благодаря отсутствию необходимости располагать холодильник в самом рабочем аространстве, можно указать на то, что при газонагнетающем генераторе А, как и при всех термических м ашинах, преобразующих тепло в работу, согласно основных принципов термодинамики, недос аточно только подводить тепло, но необходимо позаботиться и о том, чтобы в том или ином виде некоторое количество тепла отводилось от машины. Отведение получающегося При сжатии тепла непосредт стваннее всего могло бы производиться общеизвестным образом при помощи включенного перед холодной стороной теплового аккумулятора холодильника k (фиг.З), который отниМал бы эту теплоту сжатия у „перемещаемого количества перед его поступлением в тепловой аккумулятор 5 так, чтобы в этот по.следний названное количество поступало с температурою холодильника. Однако расположение холодильника в самом рабочем пространстве является невыгодным, так как оно требует трудно выполнимых и дорогих конструкций и вызывает значительное увеличение вредного пространства. Поэтому выгоднее располагать холодильник вне рабочего пространства, помещая его, в случае замкнутого процесса, в самом резервуаре низкого давления 26, как это показано пунктиром

на фиг. 2, с тою целью, чтобы, путем охлаждения в холодильнике полезного количества газа, отвести как-раз ту теплоту сжатия перемещаемого количества, которая ранее, во время периода всасывания в генераторе, повысила, путем смешения, температуру засосанного по яезного количества газа и отведение которой является безуслоб но необходимым.

Если газонагнетающий генератор работает в открытом круговом процессе, т-о применение особрЕр холодильника, расположенного снаружи машины, является излишним, так как в этом случае выпускаемое из рабочего двигателя в атмосферу полезное количество газа охлаждается самой атмосферой до температуры окружающего пространства, а В то .же время из этой атмосферы всасывается генератором эквивалентное количество воздуха с тою же температурой, так что в этом случае функции холодильника выполняет сама атмосфера.

Согласно предлагаемого изобретения, суть дела заключается в том, что вводимое извне во время периода подачи перемещаемое количество, после предварительного сжатия его, по меньшей мере, до величины давления подачи и, после охлаждения, вводится в рабочее пространство в холодном состоянии в такой момент, после которого оно не подвергается уже в рабочем пространстве никакому дальнейшему повышению давления и, следовательно, никакому выЗываемому им повышению температуры, а поступает в тепловой аккумулятор при своей наинизшей температуре.

Преимущество введения извне холодного перемещаемого количества вытекает из того что при этом (указывается возможным выполнять сжатие при помощи особых насосов, если требуется, то и в нескольких ступенях, с применением действующего во время сжатия охлаждения.

На фиг. 2 показана установка, при которой, приводимый в действие машинным агрегатом, многоступенчатый насос 20 нагнетает газы в резервуар 19, сжимая их до требующегося для поступления в машину давления, при чем включенные после отдельных ступеней насоса холодильники 25, 25 служат для отведения теплоты сжатия.

Если служащие для поддержания горения воздуха или при применении газообразного горючего, перед введением в рабочее пространство, сжи1чаются при помощи насосов 29 и 30 до давления подачи и вводятся в рабочее пространство во время периода подачи у холодной стороны вспомогательного теплового аккумулятора 31, 32, то эти газы образуют собою часть пе ремещаемого количества, вследствие чего подлежащее введению через канал 17 перемещаемое количество газа может, быть соответственно уменьшено. Служащие для подачи насосы 29 и 30 забирают воздух и газ, соответственно, из резервуаров 33 и 34, в которых действует давление, равное нижнему предельному давлению / замкнутого кругового процесса.

Воздух и газ забираются насосами 35 и 36 из атмосферы и из источника газа и нагнетаются в сжатом виде в рбзерByapbj 33 и 34. После каждого рабочего цикла, из рабочего пространства должно быть выводимо весовое количество газообразных продуктов горения,эквивалентное весу введенного горючего и введенного для горения воздуха, так как иначе количество рабочего вещества в рабочем пространстве стало . бы постоянно возрастать. Выводимые газообразнь1е продукты горения выходят во время каждого рабочего цикла при нижнем предельном давлении р замкнутого кругового процесса в резервуар 39, проходя сквозь приводимый в действие от распределительного механизма выпускной орган 43. Энергия давления этих газов может бь1ть с. выгодою использована в двигателе низкого давления, в котором эти газы, производя механическую работу, понижают свое давление от давления р1 до давления атмосферь и затем выходят в эту последнюю. Возникающая вследствие сжатия в насосах 35, 36 теплота сжатия свежих газов передается, отчасти, при помощи рекуператоров 37, 38 или регенераторов, рабочему веществу, притекающему из резервуара 39 к двигателю низкого давления 40, для того, чтобы температура этого вещества при его понижении .давления не опускалась ниже температуры окружающего воздуха, другая же часть упомянутой теплоты сжатия отводится при посредстве холодильников 41 и 42.

При описанном -устройстве изменение состояния в холодном рабочем пространстве свежих газов, образующих собою некоторую чдсть перемещаемого количества, состоит из сжатия, производимого насосами 29, 30, начиная от температуры холодильников 41, 42 до конечной темпёратуры адиабатического сжатия, хотя, в видах понижения ч средней величины нижнего предела температуры, это сжатие, подобно лому, как и сжа.тие остальной части перемещаемого количества в насбсе 20, может быть проводимо также изотермически.

3 ог1исанных выше в связи с фиг. 1. и 2 случаях, разница в состоянии рабочего вещества, находящегося во время периода подачи в холодном рабочем пространстве машинь, и в состоянии вводимого извне перемещаемого количества состоит в том, что это последнее имеет более низкую температуру, чем находящиеся в холодном рабочем пространстве машины сжатые адиабатически газы. Вводимое, снаружи перемещаемое количество может, однако, обладать и более высоким давлением, чем то, которо е имеется в холодном пространстве во время периода подачи. В этом случае, однако, необходимо предусмотреть еще другой приводимый в действие от распре--, делительного механизма запорный орган, который во время введения перемещаемого-количества прерывает сообщение между холодными частями рабочего пространства, расположенными ho обеим сторонам поршня. -Если имеется также и вспомогате Тьный цилиндр 15, то упомянутый запорный орган должен, кроме того, прерывать еще и соединение между вспомогательным цилиндром и тепловым аккумулятором, не нарушая, однако, со- I единений вспомогательного цилиндра с холодной стороной главного поршня 2ЕСЛИ вспомогательный поршень 16, как это изображено на фиг. 2, своей дей,ствующей рабочей поверхностью обращен Непосредственно к холодной стороне теплового аккумулятора, при чем входное отверстие соединительного трубопровода 7 Т1риходится между тепловым аккумулятором и вспомогательным поршнем 16, то означенный запорный орган

должен быть расположен между этигч концевым отверстием трубопровода 7 и холодною стороной теплЬвого аккумулятора.,

На фиг. 4 показано устройство такогозапорного органа. Между холодной стороной 5а теплового аккумулятора и вспомогательным цилиндром 15, включен золотник 21 таким образом, что он оказыв,ается расположенным между выходным отверсгием- соединительного трубопровода 7 и холодной стороной 5а теплового аккумулятра 5. Клапаны 18, впускающие подлежащее введению извне перемещаемое количество, располагаются--при этом по окружности вокруг тела вспомогательного цилиндра 15 и сообщаются с пространством, заключенным между золотником 21 и холодной ctoроной 5а теплового аккумулятора. Зо лотнйк 21 и клапаны 18 приводятся в. действие от соответствующего распределительного механизма таким образом,. что золотник 21 закрывается при достижении давления, равного давлению нагнетания, после чего открываются клапаны 18. При таком устройстве перемещаемое количество может быть вводимопри давлении, превышающем давление подачи, так что. давление, действующее в пространстве 5i (фиг. 2), может быть выше, чем давление в пространстве ба. Клапань 18 снова закрываются еще перед концом -нагнетательного хода порщ,ня 2 и при том так, что в пространстве 6Ь происходит расширение, и, :доокончания хода, давление с обеих сторон поршня 2 снова выравнивается.

Все время, пока между обеими сторонами поршня 2 имеется разница в давлении,эта разница давлений производит приводящую поршень в движение работу, которая может быть воспринимаема коленчатым валом 3. Машина действует в этом случае не только как газонагнетающий генератор, но одновременно так же, как силовой двигатель, производящий непосредственно механическую работу.

Применение запорного органа между трубопроводом 7, X сообщающим вспомогательный цилиндр со стороною поршня,, соответствующею холодному рабочему пространству, и местом 17 введения перемещаемого количества представляет выгоду и тогда, когда это перемещаемое

количество вводится с давлением, не превышающим давления нагнетания, в «-аковом случае оно служит для того, чтобы совершенно-устранить возможность смешения вводимого холодйого перемещаемого количества с более горячими газами, вытесняемыми из вспомогательного цилиндра в соединительный труболровод 7. Для этой цели, однако, не требуется вполне запирающего и, следовательно, приводимого в действие от распределительного механизма запорного органа, а достаточно снабженной отверстиями перегородки 21а (фиг. 1), каковым .отверстиям придаются такие размерь, что они только затрудняют смешение холодных и более горячих газов сквозь эту перегородку, представляя для прохождения газов из вспомогательного цилиндра в направлении к тепловрму аккумулятору большее сопротивление, чем то, которое соответствует прохождению их через соединительный трубопровод 7. Вследствие этого, при соответствующем ходе вспомогательного поршня 16, рабочее вещество переходит из вспомогательного цилиндра на холодную сторону главного поршня 2 преимущественно по соедииительнбму трубопроводу 7. и лишь в меньшей стёпе ни сквозь перегородку ,

Предмет патента.

1. Машина для получения сжатого газа, работающая гретым воздухом, поршень котЪрой прогоняет рабочие газы сквозь регенератор из холодного рабо,чего пространства в обогреваемое ..и обратно, npli чем обогревание производится путем внутреннего сжигания топлива, характеризующаяся тем, что с цепью повышения термического коэффициента полезного действия путем периодического впуска предварительно сжатого, и охлажденного воздуха в холодное пространство регенератора-применено устройство, состоящее из распределительного механизма 18й (фи,г. 1), регулируемого мащиной и управляющего клапаном 18, помещенным в рукаве 17, соединяющем расположенный вне машины сборник сжатого газа 13 с холодным простра нством 5а регенературы 5, каковой клапан остается открытым во весь период подачи сжатого воздуха через клапан 11 в сборник 13. ч

2.Видоизменение охарактеризованной в п. 1 машины, отличающееся тем, что, с целью увеличения производительности ее, к холодной стороне регенератора 5 (фиг. 1) присоединен цилиндр 15 с поршнем 16, шток которого связан с коленчатым валом 3 машины под таким углом по отношению к штоку поршня 2, что при прложении поршня 2 в нижней мертвой точке, поршень 16 успевает пройти значительную, часть своего восходящего хода. °

3.При охарактеризованной в п. 2 машине применение запорного органа, служащего для введения перемещаемого воздуха при давлении, превыщающем давление периода подачи и состоящего из золотника 21 (фиг. 4), помещенного между входным отверстием трубопровода 7 и холодной стороной 5а регенератора 5 и расположенных по окружности тела цилиндра 15 клапанов 18, управляемых распределительным механизмом, предназначенным для закрывания упомянутого золотника при достижении давления, равного давлению нагнетания, и для открывания затем клапанов 18, впускающих воздух высокого давления из сборника 13.

4.При Охарактеризованной в п. 2 машине применение приводимого в действие машиной многоступенчатого насоса 20 (фиг. 2), служащего для нагнетания в сборник 19 сжатого воздуха, холодильники 25 которого служат для отведения теплоты сжатия, каковой насос работает с большим числом ходов, чем поршень машины. фйггз фИf71 ТЪГ f