Машина для получения сжатого газа, работающая гретым воздухом

 

№ 18881

Класс 27b, ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ машины для получения сжатого газа, работающей гретым.

ВоздуxON.

К патенту ин-ца M. Мартиика (Michae) Nartinka), в г. Ракосцентмихали,. в 8енгрии, заявленному 23 сентября 1926 года (заяв. свид. М 17039).

О выдаче патента опубликовано 31 января 1931 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 31 января 1931 года.

Уже известны машины для получения .: сжатого газа, работающие гретым воз= духом, 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 периодического 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 процессе .и приводя-щего в движение турбину, действующую сжатым воздухом; фиг.2 — схематический разрез газонагнетающего генератора, работающего газообразным горючим в.замкнутом круговом процессе с повы шенным 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 !

j в действие от распределительного механизма.

На фиг. 1 буквою А обозначена основанная на общеизвестных принципах машина для получения сжатого газа, и состоящая 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 можег быть использована некоторая часть мощ ности 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 5Ь. Между горячею стороною 5b теплового аккумулятора и поршнем 2 находится горячее рабочее пространство бЬ. 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 бк.

Цифрою 8 обозначен насос для горючего, вводящий, например, жидкое го; рючее через сопло 9- в горячее рабочее пространство 6b В случае, если рабочим веществом для машины служат газообразные продукты горения и если, следовательно, всасываемые газы оказываются не в состоянии поддерживать горение, то кроме них должен быть вводим также еще потребный для. горения воздух.

Цифрою 10 обозначаны всасывающие, а цифрою 11 нагнетательные клапаны, :при чем камера этих последних клапанов сообщается при помощи трубопро вода 12 с резервуаром 13 для сжатого, .;.газа, откуда газ- может быть подводим .для любого его примененйя, Согласно .представленной на чертеже формы вы:полнения., сжатый газ предназначается для питания по трубопроводу 14, работающей сжатым воздухом машины В,: .с целью производства механической ра- баты. Цифрою 15 обозначен вспомогательный цилиндр, в котором переме- 1 ., щается поршень 16, связанный с колен-, чатым валом 3 под Таким углом по oTHo- шению к поршню 2, что, когда этот по-

-следний поршень находится в своей нижней мертвой точке, то поршень 16 успевает уже пройти- значительную часть своего восходящего хода.

- При более простых формах выполне.ния машины этот вспомогательный ци.линдр может отсутствовать и в таком случае пространство, расположенное под .холодной стороной 5а теплового аккуму- j .лятора, замыкается в направлении на-, ружу неподвижным поршнем, а уста- j навливаемою ниже отверстия трубопровода 7,.неподвижною стенкою 15а, обо.значенною на фиг, 1 пунктирною линией.

В дальнейшем- будет сначала 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, тем- пературу наружного воздуха, горячая же сторона 5b того же аккумулятора обла- дает возможно более высокой темпера- турой, например, около 900 U,, предло- ложим, что поршень 2 находится в своем

1 . самом низком положении, при чем про- странство ба наполнено холодным газом.

Если теперь поршень начинает двигаться кверху, то холодный газ из пространства ба вытесняется в горячее простран-.-ство бо по соединительному трубопроводу-7 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, 6b, вызывает повышение давления; давление это постепенно повышается во время восходящего движения поршня 2 приблизительно, до положения х — х, при котором величина его достигнет величины давления, действующего на нагнетательный клапан 11. При дальнейшем подьеме поршня он прогоняет сквозь тепловой аккумуля ор в горячее пространство 6b дальнейшее количество холодных газов; при прохождении сквозь тепловой аккумулятор это количество газа .: нагревается сначала до наивысшей температуры аккумулятора, а затем, вследствие сжигания вводимого через сопло 9 горючего, 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 -бо через нагнетательный клапан 11 и трубопровод-12 в резервуар 13 с сжатым газом. Этот период подачи продолжается от упомянутого выше положения х — х до конца восходящаго хода поршня 2, т.-е. на протяжении участка /ь хода. При начале нисходящего хода поршня, находящийся в пространстве бв горячий газ перемещается сквозь тепловой аккумулятор 5 по соединительному трубопроводу 7 в холодное рабочее пространство ба. При прохождении сквозь тепловой аккуМу-— лятор этот ra3 охлаждается и испытывает поэтому уменьшение объема, вследствие чего, и в виду неизменности общего.объема, происходит уменьшение давления. По прохождении поршнем при своем нисходящем движении йекоторой части хода, например, по достижении им положения у — у, давление в рабочих пространствах оказывается понизившимся ниже действующего на всасывающий— клапан-10 наружного давления, поэтому при дальнейшем движении поршня книзу

"клапан 10, открывается, при чем происходит засасывание свежего воздуха из атмосферы йли какого-либо другого газа из соответствующего резервуара-. . Из изложенного следует, что во.время одного двойного хода поршня 2 происходит смена нижеследую щих четырех периодов работы.

1) Начиная от нижней мертвой точки до х — х поршня, т.-е. на протяжении участка Л1 восходящего хода происходит повышение давления всего содержимого рабочих пространств, при чем часть на ходящегося 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) Ненинеяот положениях — х до верхней мертвой точки, т.-е. на участке Л2

=., хода поршня, .продолжается период подачи, т.-е.. вытеснение части содержа= :--щихся в холодном пространстве ба 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 56 и остается в рабочем пространстве 6b

3) Начиная от верхней мертвой точки до положения у — у, т.-е. на протяжении части h3 хода поршйя, происходит уменьшение давления всего содержимого рабочих пространств.

4) Начиная от положения у — у до нижней мертвой точки, т -е. на протяжении части h< хода поршня, продолжается всасывание свежих газов в холодное рабочее .пространство ба.

Во время обоих последних периодов работы упомянутые выше „сжимаемое"

- и „перемещаемое" - количества снова возвращаются с горячей стороны сквозь, -тепловой аккумулятор на холодную сторону.

Если отвлечься от сопротивлений тре— ния и от вызываемой наличием поршне-вого штока разницы в величине площади ! поршня 2 на горячей и на холодной стороне, то, вследствие постоянного равенства действующих на обе стороны порш-: ня давлений, все движение поршня про1.исходит без внешней затраты механической работы, а равно без производства.механической работы и самим поршнем.

Работа всасывания и нагнетания получается только за счет непосредственного. действия тепла, вводимого с горючим.

Вал 3, приводящий во вращение двига1, тель В должен, поэтому, отдавать только работу-, достаточную для преодолевания, вызываемых движением сопротивлений, каковая работа составляет лишь незначительную долю работы накопляемой в сжатых газах, получаемых за счет тепла, израсходованного при сгорании горючего. Так как для периода подачи исполь- зуется только часть h. полного восходящего хода h поршня 2, а для периода всасавания только часть Ц полного нисходящего хода того же поршня, то волюметрическое полезное действие машины понижается вследствие того, что часть Л„соответственно hs, .хода 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 ра-бочих пространствах до величины давле-ния нагнетания в трубопроводе 12, нагнетательный ход поршня 2 может начинаться уже при более низком его по-ложении х, — х„а всасывающий ход. может начинаться при более высоком положении у1 — у, поршня; благодаря этому как 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 себе. любое применение-, но предпочтительно они используются для приведения в действие работающего сжатым воздухом двигателя В, вследствие чего получается термопневматическая силовая установка, при которой производящий механиче1 скую работу двигатель сжатого воздуха В ( может, кроме того, служить для привода главного поршня 2 и вспомогательного поршня 1б.

Двигате пь В либо может работать с выпуском газа в атмосферу, (фиг. 1), ли-бо, как это показано на фиг. 2, может ,работать 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 о водятся в нагнетательный резервуар 2б с более низким давлением, чем резервуар 13. Из этого резервуара машина А всасывает через .клапаны 10 газы, обладающие давлением „и повышает это давление до ,более высокой величины p. .давление в резервуаре 13. В этом случае газонагне тающий генератор А и двигатель 8 ра- (. ботают в замкнутом круговом процессе, ! наинизшее давлениеp>, которого превы-

-:шает давление. атмосферы.

Согласно предлагаемого изобретения, действие описанных машинных агрегатов, повышается тем, что „перемещаемое количество", вместо того, чтобы быть забранным из самого рабочего простран<гва бЬ термического газонагнегающего генератора, вводится из наружного источника., через впускной орган 18, присоединенный каналом 17 к холодной стороне 5» теплового аккумулятора 5 (фиг. 1 я 2) и приводимый в действие распределительным 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 с сжатым газом 13 по ответвлению 24 че- рез холодильник 25.

Распределительный механизм 18а впускного органа 18 устанавливается так, что по достижении в рабочем пространстве ба, бЬ при-конце периода сжатия h> нагнетательного давления т. е. при положении поршня х — х или соответствен-но х, — х„впускной орган открывается .и остается открытым во время периода подачи h2, такое устройство имеет целью достичь того, чтобы подаваемое через впускной орган 18 к холодной стороне

-геплового аккумулятора количество газа имело давление близкое к давлению газа, находящегося в холодном рабочем пространстве ба, но обладало более низкой температурой, чем этот последний газ.

l3o время периода подачи, это введенное извне количество газа переводится с холодной стороны 5а сквозь тепловой аккумулятор в горячее пространство 66.

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 хо= лодного пространства ба и все количество имеющегося в этом холодном пространстве сжатого газа подается наружу через нагйета тел ьн ы й. кл а па н 11.

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

- Для составления суждения о преимуществах, достигаемых благодаря отсугствию необходимости располагать холодильник в самом рабочем пространстве, можно указать на то, что при газонагнетающем генераторе А, как и при всех термических машинах, преобразующих тепло в работу, согласно основных принцчпов термодинамики, недостаточно только подводить тепло, но необходимо позаботиться и о том, чтобы в том или ином виде некоторое количество тепла отводилось от машины. Отведение йолу-. чающегося при сжатии тепла непосред-. ственнее всего могло бы производиться общеизвестным образом при помощи включенного перед холоднои сторонои теплового аккумулятора холодильника Й (фиг. 3), который отнимал бы эту теплоту сжатия у „перемещаемого количества" перед его поступлением в тепловой аккумулятор 5 так, чтобы в этот последний 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 давленйя 2б, 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 rioлезного количества газа и отведение ко- торой является безусловно необходимым.

Если газонагнетающий генератор ра- ботает в открытом круговом процессе,! то применение особого 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 вса- сывается 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 иере, 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 выте= кает из того, что при этом оказывается 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, сжимаются 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 перемещаемого 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 р, замкнутого кругового процесса.

Воздух и газ забираются насосами 35 и 36 из атмосферы и из источника газа и нагнетаются в сжатом виде в резервуары 33 и 34. После каждого рабочего цикла, из рабочего пространства должно быть выводимо весовое количество газо= образных 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 газообразные продукты горения выходят во время каждого рабочего цикла при нижнем предельном давлении р1 замкнутого кругового процесса в резервуар 39, проходя сквозь приводимый в действие от распределительного механизма выпускной орган 43. Энергия давления этих газов может быть с выгодою использована в двигателе низкого давления, в котором эти газы, производя механическую работу, понижают свое давление от давления р, до давления атмосферы 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 те— б плоты сжатия отводится при посредстве холодильников 41 и 42.

При описанном. устройстве изменение состояния в холодном рабочем простран-. стве свежих. газов, образующйх собою некоторую часть перемещаемого количества, состоит из сжатия, производимого насосами 29, 30; начиная от температуры холодильников 41, 42 до конечной температуры адиабатического сжатия, хотя, в видах понижения . средней величины нижнего предела температуры, это сжатие,. подобно хому, как и сжатие остальной части перемещаемого .количества в насдсе 20, может быть проводимо также изотермически.

f3 описанных вы.ше в связи с фиг. 1 и 2 случаях, разница в состоянии рабо- чего вещества, находящегося во время периода подачи в холодном рабочем про- странстве машины, и в состоянии-вводимого извне перемещаемого количества состоит в том, что это последнее имеет более низкую температуру, чем находя— щиеся в холодном рабочем пространстве машины сжатые адиабатически газы.

Вводимое. снаружи перемещаемое коли- чество может, однако, обладать и более высоким давлением, чем то, которое имеется в холодном пространстве во время- периода подачи. В этом случае, однако, необходимо предусмотреть еще другой приводимый в действие от распределительного 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 вспомогательный цилиндр 15, то упомянутый запорный орган должен, кроме . того, прерывать еще и соединение между вспомогательным цилиндром и тепловым аккумулятором, не нарушая, однако, со-, единений вспомогательно о цилиндра с холодной стороной главного поршня 2.

Если 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 приходится между тепловым аккумулятором и вспомогательным порш- нем 16, то означенный запорный орган должен быть расположен между этим концевым отверстием трубопровода 7.Ихолодною стороной теплового аккумулятора.На фиг. 4 показано устройство такого. запорного органа. Между холодной стороной 5а теплового аккумулятора и вспомогательным цилиндром 15, включен золотник 21 таким образом, что он ока зывается расположенным между выходным отверстием- соединительного трубопровода 7 и холоднбй стороно" 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, заключеннык между золотником 21 и холодной сто роной 5а теплового аккумулятора. Зо= лотник 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 устройсхре перемещаемое количество может быть вводимо при давлении, превышающем давление подачи, так что давление, действующее в пространстве 5b (фиг. 2) может быть: выше, чем давление в пространстве ба

Клапаны 18 снова закрываются еще пе= " ред концом.нагнетательного хода поршйя 2 и при том так, что в пространстве 66 происходит расширение, и, -:дс окончания 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 рабо- ту, которая может быть воспринимаема коленчатым валом 3, Машина действует в этом случае не только как газонагнетающий генератор, но одновременно так же, как силовой двигатель, пройзводящий непосредственно механическую работу.

Применение запорного органа между трубопроводом 7, ° 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 каковом случае оно служит для того, чтобы совершенно-- устранить возмож ность смешения вводимого холодйого перемещаемого количества с более горячими газами, вытесняемыми из вспомогательного цилиндра в соединительный трубопровод 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 .размеры, ч о они только затрудняют смешение холодных и более горячих газов сквозь эту перегородку, представляя для прохождения газов из вспомогательного цилиндра в направлении к тепловому аккумулятору большее сопротивление, чем то, которое соответствует про- хождению их через соединительный — трубопровод 7. Вследствие этого, при соответствующем ходе вспомогательного I поршня 16, рабочее вещество переходит из вспомогательного цилиндра на холод. ную сторону главного поршня 2 преимущественно по соединительному трубо--, проводу 7 и лишь в меньшей степени сквозь перегородку 21а.

Предмет патента.

1. Машина для получения сжатого газа, работающая гретым воздухом, поршень которой прогоняет рабочие газы сквозь регенератор из холодного рабо- чего пространства в обогреваемое . и обратно, при чем обогревание производится путем- внутреннего сжигания то- ., плива, характеризующаяся тем, что с целью повышения термического коэффициента полезного действия путем rie-: риодического впуска предва рительно сжатого и охлажденного воздуха в холодное пространство регенератора — прийенено устройство, состоящее из распределительного механизма 18а (фиг. 1), регулируемого машиной и управляющего клапаном 18, помещенным в рукаве 17, соединяющем расположенный вне машины сборник. сжатого газа 13 с холодным пространством 5а регенературы 5, каковой клапан остается открытым во весь период подачи сжатого воздуха через клапан 11 в сборник 13.

2. Видоизменение охарактеризованной в и. 1 машины, отличающееся тем, что, с цепью 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 положении поршня 2 в нижней мертвой точке, поршень 16 успевает пройти значительнук1 часть своего восходящего хода.

3. При охарактеризованной в и. 2 машине применение запорного органа, служащего для введения перемещаемого воздуха при давлении, превышающем 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 и. 2 машине применение приводимого в действие ма шиной 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.