Способ преобразования теплоты в механическую работу и силовая установка для его осуществления

 

Использование: паросиловые установки. Сущность изобретения: в способе используют двухкомпонентное рабочее тело, причем газообразную компоненту сжимают в цилиндре поршнем и при достижении последним верхней мертвой точки в цилиндр впрыскивают вторую компоненту - жидкостной теплоноситель, который предварительно нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразной компоненты в конце сжатия, притом жидкостной теплоноситель подают непрерывно и дозированно в соответствии с законом поддержания постоянства температуры в течение половины хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, либо импульсно при прохождении поршня в верхней мертвой точке. Силовая установка содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела, один из которых, для подачи жидкостного теплоносителя, состоит из последовательно соединенных гидробака с рубашкой обогрева, насоса для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан в пневмогидроаккумулятор с ресивером, регулирующего дросселя, нагревателя - теплообменника, дозатора-распределителя, форсунки и цилиндра машины сжатия - расширения с рубашкой обогрева, соединенного через выхлопное окно с конденсатором и гидробаком, а второй контур, для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно воздушного фильтра и цилиндра машины сжатия - расширения, при этом цилиндр выполнен общим для обоих контуров. 2 с.и 4 з.п.ф-лы., 4 ил.

Изобретение относится к паросиловым установкам и может быть использовано в транспортных машинах в качестве двигателя.

Известны различные способы преобразования теплоты в полезную механическую работу, которая используется для приведения в действие силовых установок разнообразного назначения. В последнее время все большее внимание уделяется использованию в транспортных средствах экологически чистых источников энергии, что обусловлено в первую очередь загазованностью вредными выхлопными газами, создаваемыми двигателями внутреннего сгорания. Другой причиной поиска новых технических решений в данном направлении является энергетический кризис, связанный с постепенным исчерпанием традиционных тепловых источников, что, с одной стороны, требует повышения КПД используемых термодинамических циклов преобразования энергии, а с другой стороны поиска возможности использования менее дефицитных топлив.

Поэтому неудивителен тот интерес, который проявляется к малогабаритным паросиловым установкам и их использованию в транспортных средствах, в частности в автомобилях.

В качестве прототипа изобретения по большинству сходных признаков выбрано техническое решение, раскрытое в [1] В нем предложен способ преобразования энергии пара в механическую работу в паросиловой установке путем испарения жидкости в парогенераторе, периодической подачи образующегося при этом пара в рабочую камеру паровой машины и отвода отработанного пара в конденсатор.

С целью расширения диапазона регулирования в широком диапазоне нагрузок подачу жидкости в парогенератор осуществляют дискретными дозами с частотой рабочих циклов паровой машины, причем величину дозы жидкости изменяют для изменения частоты рабочих циклов и мощности паровой машины.

С целью повышения удельной мощности жидкость перед подачей в парогенератор сжимают до давления, большего величины давления в парогенераторе в момент окончания подачи в него жидкости, и подогревают до температуры, меньшей температуры ее кипения при давлении ее сжатия.

Паросиловая установка для реализации данного способа, содержащая соединенные между собой парогенератор, конденсатный насос с приводным механизмом, конденсатор и объемную паровую машину с цилиндром и размещенным в нем с образованием рабочей камеры переменного объема поршнем, снабжена форсункой клапанного типа, установленной на входе парогенератора, выход которого постоянно сообщен с рабочей камерой переменного объема, вход форсунки с выходом конденсатного насоса, приводной механизм которого кинематически связан с поршнем.

С целью повышения быстроходности и удельной выходной мощности выход парогенератора сообщен с рабочей камерой через синхронизированный с движением поршня парораспределитель, выполненный в виде регулируемого объемного дозатора, а приводной механизм кинематически связан с поршнем и парораспределителем.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что в нем используется парогенератор, в котором жидкость сначала преобразуется в пар, который затем подается в рабочую камеру. Нагрев пара является более энергоемким процессом по сравнению с нагревом жидкости, что предопределяет снижение КПД преобразования тепла в механическую работу. Другим недостатком является недостаточно высокая степень регенерация тепла, поскольку охлаждаемая в конденсаторе жидкость подается непосредственно на дозатор и подогревается дополнительно лишь перед впрыском в парогенератор горячими газами от горелки. Термодинамически невыгодным является сжатие пара в рабочей камере при ходе поршня к верхней мертвой точке.

Задачей изобретения является повышение КПД цикла преобразования теплоты в механическую работу, повышение степени утилизации отработанного тепла, снижение вредных выбросов в атмосферу.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, выражается в выносе источника теплоты за пределы двигателя, что позволяет использовать различные виды топлива и оптимизировать процессы горения, а также в более полном использовании теплоты сжигаемого топлива.

Сущность технического решения состоит в следующем. В способе преобразования теплоты в механическую работу, заключающемся в том, что рабочее тело нагревают, подают его в цилиндр, энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу поршня, а отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, используют двухкомпонентное рабочее тело, причем газообразную компоненту сжимают в цилиндре поршнем, и, при достижении последней верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивают вторую компоненту - жидкостной теплоноситель, который предварительно нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразной компоненты в конце сжатия, при этом жидкостной теплоноситель подают непрерывно и дозированно в соответствии с законом поддержания постоянства температуры в течение половины хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке либо импульсно при нахождении поршня в верхней мертвой точке. В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или другую жидкость, которые нагревают при давлении выше соответствующего данной температуре нагрева рабочего тела давления насыщенных паров используемого жидкостного теплоносителя.

Силовая установка для преобразования теплоты в механическую работу, содержащая машину сжатия расширения, автономный источник теплоты, не совмещенный с машиной сжатия расширения, и конденсатор, содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела, один из которых, для подачи жидкостного теплоносителя, состоит из последовательно соединенных гидробака с рубашкой обогрева, насоса для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан в пневмогидроаккумулятор с ресивером, регулирующего дросселя, нагревателя-теплообменника, дозатора-распределителя, форсунки и цилиндра машины сжатия расширения с рубашкой обогрева, соединенного через выхлопное окно с конденсатором и гидробаком, а второй контур, для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно воздушного фильтра и цилиндра машины сжатия расширения, при этом цилиндр выполнен общим для обоих контуров. Кроме того, конденсатор снабжен дополнительным выходом, соединенным с впускным окном цилиндра, дозатор распределитель конструктивно выполнен совместно с форсункой, имеющей клапан, управляемый днищем поршня при подходе его к верхней мертвой точке, а нагреватель теплообменника выполнен в виде беспламенной горелки, работающей на жидком топливе.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлена структурно-функциональная схема способа преобразования и силовой установки; на фиг. 2 схема соединения конденсатора с цилиндром; на фиг.3 - схема дозирования и управления впрыском; на фиг.4 схема нагревателя - теплообменника.

Силовая установка (фиг.1) для преобразования теплоты в механическую работу, реализующая способ, содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела. Первый контур предназначен для подачи жидкостного теплоносителя и содержит последовательно соединенные гидробак 1 с рубашкой обогрева 2, насос 3 для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан 4 в пневмогидроаккумулятор 5 с автономным источником давления газа 6 в виде ресивера, регулирующего дросселя 7, нагревателя теплообменника 8 с автономным источником теплоты 9, дозатора распределителя 10, форсунки 11, цилиндра 12 машины сжатия расширения с рубашкой обогрева 13, соединенного через выхлопное окно 14 с конденсатором 15 и гидробаком 1. Второй контур для подачи газообразной компоненты рабочего тела, состоит из последовательно соединенных через впускное окно 16 воздушного фильтра 17 и цилиндра 12 машины сжатия расширения, который имеет поршень 18 и шатун 19. Кроме того, конденсатор 15 (фиг.2) может быть снабжен дополнительным выходом 20, соединенным с впускным окном 16. Дозатор распределитель 10 может иметь несколько иную конструкцию (фиг.3), которая совмещена с форсункой 11, имеющей клапан 21, управляемый фланцем поршня 18 через шток 22 при подходе поршня 18 к верхней мертвой точке. Нагреватель теплообменник 8 (фиг.4) может быть выполнен в виде беспламенной горелки 23, работающей на жидком топливе.

Способ работы описанной силовой установки осуществляется следующим образом. При движении поршня 18 вверх происходит сжатие и разогрев воздуха, попавшего в рабочую камеру через впускное окно 16 и фильтр 17. При достижении поршнем 18 верхней мертвой точки происходит впрыск через форсунку 11 в рабочую камеру цилиндра 12 жидкостного теплоносителя, предварительно нагретого в нагревателе теплообменнике 8 автономным источником тепла 9 до температуры, равной или превышающей температуру нагретого в цилиндре воздуха в конце сжатия. Перегретая жидкость при впрыске через форсунку 11 в цилиндр в момент, когда поршень 18 находится в верхней мертвой точке, диспергируется при открывании форсунки 11 из-за большой разности давлений в пневмогидроаккумуляторе 5 и в цилиндре 12. Жидкость впрыскивают импульсно или подают непрерывно и дозированно во время движения поршня 18 вниз в течение половины хода поршня 18 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Шатун 19 движущегося вниз поршня управляет дозатором распределителем 10, подготавливая следующую дозу перегретой жидкости, и кинематически связан с насосом 3, который засасывает жидкость из подогреваемого гидробака 1 и подает ее через обратный клапан 4 в пневмогидроаккумулятор 5. Под действием давления сжатого воздуха, поступающего из ресивера 6, жидкость через регулирующий дроссель 7, выполняющий роль акселератора, поступает в нагреватель - теплообменник 8, нагрев в котором осуществляется автономным источником теплоты 9.

В качестве источника теплоты наиболее целесообразно использовать беспламенную горелку 23 (фиг. 4). Сжатая нагретая жидкость поступает в дозатор распределитель 10, замыкая контур жидкостного рабочего тела. При очередном такте отработанное рабочее тело из рабочей камеры выталкивается поршнем 18 через выхлопное окно 14 в конденсатор 15, откуда конденсат стекает в гидробак 1.

В соответствии с п.4 формулы вместо воздушного контура установки, включающего воздушный фильтр 17, может использоваться контур, образованный дополнительным выходом 20, соединенным с впускным окном 16, что приводит к упрощению силовой установки. Установка упрощается также и в том случае (без изменения способа работы), если в соответствии с п.5 формулы (фиг.3) вместо дозатора распределителя 10 используется форсунка 11 с клапаном 21, которая срабатывает при воздействии поршня 18 на шток 22 в момент достижения им верхней мертвой точки.

Таким образом, при использовании способа и силовой установки для его реализации повышается КПД цикла преобразования теплоты в механическую работу, степень утилизации отработанного тепла, снижается количество вредных выбросов в атмосферу, что выражается в более полном сгорании используемого топлива, более эффективно и полно используется энергия сжигаемого топлива.

Формула изобретения

1. Способ преобразования теплоты в механическую работу, заключающийся в том, что рабочее тело нагревают, подают его в цилиндр, энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу поршня, а отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, отличающийся тем, что используют двухкомпонентное рабочее тело, причем газообразную компоненту сжимают в цилиндре поршнем и при достижении последним верхней мертвой точки в цилиндр впрыскивают вторую компоненту жидкостный теплоноситель, который предварительно нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразной компоненты в конце сжатия, при этом жидкостный теплоноситель подают непрерывно и дозированно в соответствии с законом поддержания постоянства температуры в течение половины хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке либо импульсно при нахождении поршня в верхней мертвой точке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкостного теплоносителя используют воду или другую жидкость, которую нагревают при давлении выше соответствующего данной температуре нагрева рабочего тела давления насыщенных паров используемого жидкостного теплоносителя.

3. Силовая установка для преобразования теплоты в механическую работу, содержащая машину сжатия расширения, автономный источник теплоты, не совмещенный с машиной сжатия расширения, и конденсатор, отличающаяся тем, что она содержит два замкнутых контура для подачи двухкомпонентного рабочего тела, один из которых для подачи жидкостного теплоносителя состоит из последовательно соединенных гидробака с рубашкой обогрева, насоса для подачи жидкостного теплоносителя через обратный клапан в пневмогидроаккумулятор с ресивером, регулирующего дросселя, нагревателя теплообменника, дозатора - распределителя, форсунки и цилиндра машины сжатия расширения с рубашкой обогрева, соединенного через выхлопное окно с конденсатором и гидробаком, а второй контур для подачи газообразной компоненты рабочего тела состоит из последовательно соединенных через впускное окно воздушного фильтра и цилиндра машины сжатия расширения, при этом цилиндр выполнен общим для обоих контуров.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что конденсатор снабжен дополнительным выходом, соединенным с впускным окном цилиндра.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что дозатор-распределитель конструктивно выполнен совместно с форсункой, имеющей клапан, управляемый днищем поршня при подходе его к верхней мертвой точке.

6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что нагреватель теплообменника выполнен в виде беспламенной горелки, работающей на жидком топливе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4