Способ работы свободнопоршневой тепловой машины

 

Использование: двигателестроение, холодильная техника, теплонасосные установки. Сущность изобретения: в процессах сжатия и расширения свободнопоршневой тепловой машины Стирлинга полости сжатия и расширения отсоединяют друг от друга и частично или полностью от всех теплообменников. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и холодильной технике и может быть использовано в двигателях с внешним подводом теплоты, а также в теплонасосных установках.

Известен способ работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснение рабочего тела из полости расширения в полость сжатия. Вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят через теплообменники, а взаимные перемещения поршней, соответствующие термодинамическому циклу, происходят вследствие их взаимодействия с рабочим телом.

Недостатком данного способа является то, что силы взаимодействия поршней с рабочим телом создают за счет разности площади горячей и холодной поверхностей вытеснителя. При этом для обеспечения высокой удельной мощности и частоты необходим выстеснитель с большой массой, из-за чего приходится создавать дополнительные упругие связи высокой жесткости между вытеснителем и цилиндром или между вытеснителем и рабочим поршнем, что приводит к дополнительным потерям и снижению КПД.

Целью изобретения является повышение эффективных показателей свободнопоршневой машины.

Поставленная цель согласно изобретению достигается способом работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения сжатого рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения рабочего тела из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один теплообменник, в котором в процессах сжатия и расширения полости сжатия и расширения отсоединяют друг от друга, при этом по меньшей мере полость расширения отсоединяют от всех теплообменников. Кроме того, в процессах сжатия и расширения обе полости отсоединяют от всех теплообменников, а подсоединение полостей производят последовательно во времени.

На фиг. 1 изображена схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения; на фиг. 2 схема теплового насоса с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением одного теплообменника от обеих полостей; на фиг. 3 схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением всех теплообменников от обеих полостей.

Способ осуществляется следующим образом.

В начале процесса сжатия рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 находятся вблизи н.м.т. Давление в полости расширения 3 и полости сжатия 4 ниже, чем в буферной полости 5. Управляемый клапан 6 закрыт и таким образом полости сжатия и расширения отсоединены друг от друга.

Так как давление в буферной полости 5 выше давления в полости сжатия 4, а полость сжатия 4 отсоединена от полости расширения 3, рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 перемещаются вверх. Происходит сжатие рабочего тела. Относительная скорость перемещения поршней определяется соотношением объемов полости расширения 3 и полости сжатия 4 с подключенными к ней теплообменниками 7, 8 и 9, соответственно подводящим, регенерирующим и отводящим тепловую энергию. Это обусловлено тем, что вытеснитель 2 всегда занимает положение, при котором перепад давлений в полости расширения 3 и полости сжатия 4 минимален. При этом скорость вытеснителя 2 всегда меньше скорости рабочего поршня 1. Давление в полости сжатия 4 увеличивается и становится больше давления в буферной полости 5. Далее рабочий поршень 1 перемещается по инерции, продолжая сжимать рабочее тело. При этом скорость его уменьшается. В конце процесса сжатия открывается управляемый клапан 6 и вытеснитель 2 начинает перемещаться независимо от рабочего поршня 1. Сила, тормозящая его, определяется только сопротивлением переходу рабочего тела через теплообменники и значительно меньше силы, тормозящей рабочий поршень 1. В связи с этим скорость вытеснителя 2 становится выше скорости рабочего поршня 1 и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3, получая тепло в теплообменниках 7 и 8 и повышая давление над рабочим поршнем 1. Рабочий поршень 1 останавливается и начинает перемещаться вниз. В это время клапан 6 закрывается. Давление в полости расширения 3 становится ниже, чем в полости сжатия 4, и вытеснитель 2 тоже начинает перемещаться вниз. При этом сила, вызывающая ускорение вытеснителя, определяется всей площадью его поверхности и может быть большой даже при небольшом перепаде давлений.

В процессе расширения скорость перемещения вытеснителя определяется так же, как и в процессе сжатия.

После того как давление над рабочим поршнем становится меньше, чем давление в буферной полости 5, рабочий поршень 1 продолжает перемещаться по инерции, а скорость его уменьшается. В конце процесса расширения открывается клапан 6 и вытеснитель 2 начинает догонять рабочий поршень 1. Рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4, проходя через теплообменники и охлаждаясь. Давление над рабочим поршнем падает, и он начинает перемещаться вверх. В это время вытеснитель 2 подходит к рабочему поршню 1, а клапан 6 закрывается и цикл повторяется.

Так как силы, которые преодолевает вытеснитель, определяются только сопротивлением в теплообменниках, его масса может быть небольшой, а следовательно и перепад давлений, необходимый для его ускорения, также может быть незначительным, что снижает потери и повышает КПД. При этом цикл может быть реализован с высокой частотой.

Смещение фаз перемещения поршней определяется клапаном 6 и может быть регулируемым.

В описанной схеме ход вытеснителя всегда меньше хода рабочего поршня.

Увеличить ход вытеснителя можно путем изменения соотношений объемов полостей перед началом процесса вытеснения рабочего тела из одной полости в другую. Это можно осуществить с помощью теплообменников, которые отключаются от полостей во время сжатия и расширения рабочего тела. При этом подключение полостей к такому теплообменнику должно осуществляться последовательно во времени. При реализации данного способа в режиме теплового насоса рабочий поршень 1 перемещается от привода (не показан), клапаны 6, 10 и 11 во время сжатия и расширения закрыты, а давление в теплообменнике 7, подводящем тепловую энергию, равно давлению в начале процесса сжатия. В этом случае в процессе расширения из-за отвода теплоты после сжатия давление в цикле снижается до давления в теплообменнике 7, когда рабочий поршень 1 еще не дошел до н.м.т. В этот момент открывается клапан 10 и дальнейшее перемещение рабочего поршня происходит практически при постоянном давлении, так как рабочее тело переходит из теплообменника 7 в полость сжатия 4. Из-за того что к полости сжатия 4 подключается большой объем, скорость вытеснителя 2 почти сравнивается со скоростью рабочего поршня. В дальнейшем открывается клапан 11 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4. При этом температура рабочего тела повышается, вследствие чего та часть рабочего тела, которая перешла из теплообменника 7 в полость сжатия 4, возвращается в этот теплообменник.

Процессы сжатия и вытеснения рабочего тела из полости сжатия 4 в полость расширения 3 происходят аналогично этим процессам в предыдущей схеме за исключением того, что теплообменник 7 при этом отключен.

Отключать также можно два или три теплообменника. При отключении трех теплообменников регенератор делают рекуперативного типа.

В этом случае при работе в режиме двигателя давление в теплообменнике 7 равно давлению в начале расширения и выше давления в конце сжатия, а давление в теплообменнике 9 равно давлению в начале сжатия и ниже давления в конце расширения.

В связи с этим в конце сжатия после открытия клапана 12 давление в полости расширения 3 увеличивается за счет перехода в нее части рабочего тела из теплообменников 7 и 8. Под действием возникшего перепада давления вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 также достигает давления в теплообменнике 7, клапан 13 открывается и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3 с подводом теплоты в теплообменниках 7 и 8. При этом часть рабочего тела возвращается в эти теплообменники.

В конце расширения после открытия клапана 14 давление в полости расширения 3 падает до давления в теплообменнике 9. Вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 сравнивается с давлением в теплообменике 9, открывается клапан 15 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4 с отводом теплоты в теплообмениках 8 и 9, а часть газа, перешедшая в теплообменники, возвращается в полость двигателя.

Данная схема позволяет увеличить ход вытеснителя и сделать его больше хода рабочего поршня.

Таким образом, при реализации способа снижаются потери и повышаются эффективные показатели свободнопоршневых тепловых машин, причем за счет повышения степени сжатия при отсоединении теплообменников высокий КПД может быть достигнут без регенератора.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАБОТЫ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения сжатого рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения рабочего тела из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один теплообменник, отличающийся тем, что в процессах сжатия и расширения полости сжатия и расширения отсоединяют одну от другой, при этом по меньшей мере полость расширения отсоединяют от всех теплообменников.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессах сжатия и расширения обе полости отсоединяют от всех теплообменников, а подсоединение полостей производят последовательно во времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.01.2005

Извещение опубликовано: 10.01.2006        БИ: 01/2006

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.01.2010

Дата публикации: 27.12.2011

---