Способ и устройство получения энергии в двс с выделением холода

 

Изобретение относится к поршневым и газотурбинным двигателям. Способ получения энергии взаимодействия углерода, водорода и кислорода при избыточном давлении осуществляется путем совмещения жидкого углеводородного топлива или воды со сжиженным газом в камере взаимодействия поршневого или газотурбинного двигателя. Совмещение осуществляют импульсным дозированием, причем топливо перед совмещением подогревают или используют перегретую воду, а в качестве сжиженного газа используют воздух или другой сжиженный газ. Предложен двигатель, реализующий данный способ. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для получения энергии в процессе работы поршневых и газотурбинных двигателей.

Известен способ получения энергии взаимодействием углерода, водорода и кислорода при избыточном давлении путем совмещения жидкого углеводородного топлива или воды со сжиженным газом в камере взаимодействия поршневого или газотурбинного двигателя (см. заявку Франции N 2313553, кл. F 01 K 27/00, 1977).

Из вышеуказанного источника информации известен двигатель поршневого или газотурбинного принципа работы, содержащий камеру взаимодействия двигателя, в которой происходит совмещение жидкого углеводородного топлива или воды со сжиженным газом.

Известно, что химические реакции как с выделением теплоты, так и с выделением холода (трактуются с поглощением теплоты) сопровождаются энергетическим процессом.

Энергетический процесс окисления топлив горением сопровождается выделением теплоты. Причиной же образования энергетического процесса, горением топлив, является формирование топлива и кислорода воздуха разнотемпературного состояния при температуре топлива всегда выше температуры кислорода воздуха. Учитывая, что выделение энергии взрывом есть энергетический процесс горения в более короткий отрезок времени, то мощность энергетического процесса пропорциональна его скорости.

Скорость энергетического процесса взаимодействующих топлив с кислородом воздуха зависит от разности температур и величины избыточного давления системы, в которой образуется энергетический процесс.

Известно, что энергия при сжигании топлив в топках выделяется меньше, чем от использования такого же количества топлива в поршневых двигателях.

Причиной малого коэффициента полезного действия (КПД) в случаях сжигания топлив является низкая скорость энергетического процесса горения в условиях системы с давлением, близким к атмосферному.

Другой причиной низкого КПД энергетического процесса горения топлив является ограничение величины разности температур между нагретым топливом и более холодным кислородом воздуха.

Эти два фактора - избыточное давление системы и разность температуры между нагретым топливом и более холодным кислородом воздуха и определяют скорость энергетического процесса, протекающего взаимодействием углерода, водорода и кислорода в энергоустановках.

Например, при окислении твердых топлив горением в зону высокотемпературного топлива поступает с воздухом более холодный кислород, который, подвергаясь тепловому излучению раскаленного топлива, нагревается им еще до образования энергетического процесса, и разность их температуры снижается.

Причем, чем выше температура раскаленного топлива, тем быстрее уравнивается их температура, и получить разность температуры выше той, которой определяется мощность энергетического процесса /известного тепловым эквивалентом топлива/, практически невозможно. Ибо, снизив температуру кислорода, при малом давлении в системе невозможно увеличить скорость энергетического процесса, потому что нагретое топливо охлаждается, что также приводит к снижению разности температуры между топливом и кислородом воздуха.

Причиной зарождения энергетического процесса взаимодействующих топлива и кислорода воздуха в двигателях внутреннего сгорания является разность их температур. При сжатии топливной смеси выделяется теплота, которой нагреваются топливо и кислород воздуха. Топливо нагревается быстрее, а кислород воздуха медленнее, чем и достигается разность их температур. Но как бы медленнее не нагревался воздух, он все равно нагреется, следовательно, получить высокую разность их температур невозможно. Для этого необходимо увеличивать сжатие топливной смеси, но с ее увеличением увеличивается скорость энергетического процесса, что при возникновении большей величины разности температур между топливом и кислородом воздуха приводит к самопроизвольному энергетическому процессу, известному явлением детонации топлива.

Вот и "ловят" момент искрового воспламенения топливной смеси при избыточном ее давлении в камере взаимодействия двигателя, чтобы получать устойчивый, управляемый энергетический процесс.

Та же закономерность энергетического процесса и в дизельных двигателях, т. е. топливо нагревается выше температуры кислорода сжатого воздуха, что по законам термодинамики недопустимо, ибо считается, что нельзя нагреть холодное топливо распыленное в сжатый состав нагретого воздуха выше его температуры. Но это справедливо лишь при атмосферном давлении, где энергетические процессы обладают самыми низкими скоростями.

В системе с избыточным давлением все происходит иначе.

При распыливании топлива в сжатый состав высокотемпературного воздуха топливо нагревается выше температуры нагретого воздуха потому, что внутренняя энергия топлива имеет родственную связь с теплотой, а кислорода воздуха - с холодом. В момент распыливания жидкого топлива в сжатый состав нагретого воздуха между ними происходит обмен теплотой и холодом, которые переходят в соответствие состояний их внутренних энергий, холода - во внутреннюю энергию строения кислорода, а теплоты - во внутреннюю энергию вещества топлива.

Обмен теплотой и холодом между кислородом воздуха и топливом протекает мгновенно, что сопоставимо со скоростью света.

Не будь этого явления, жидкость углеводородов при ее распыливании в систему с избыточным давлением мгновенно сконденсировалась бы. Этого не происходит потому, что пылевые фракции углеводородов мгновенно поглощают теплоту системы, становясь как будто полученные их нагреванием, а кислород воздуха при этом охлаждается.

Таким путем в дизельном двигателе достигается разность температур между нагретым топливом выше температуры ранее нагретого кислорода воздуха, что и является причиной образования между ними энергетического процесса. Однако, и в дизельном двигателе невозможно получить разность температур топлива и кислорода воздуха выше той, которая формируется, ибо и в дизельном двигателе имеет место уравнивание температур разнотемпературных масс вещества явлением теплообмена.

Хотя скорость перехода теплоты и холода во внутреннее состояние энергии топлива и кислорода воздуха и мгновенна, распыливание же топлива в сжатый состав нагретого воздуха не мгновенно. За этот период и происходит уравнивание их температур путем теплообмена, причем со скоростью, пропорциональной разности температуры между топливом и кислородом воздуха.

Вот почему при дальнейшем увеличении сжатия воздуха в двигателе образуется предел увеличению его мощности. Температура воздуха с увеличением его сжатия увеличивается и при одной и той же температуре распыливаемого топлива увеличивается разность их температур.

Следовательно, увеличивается и скорость уравнивания их температур теплообменом, достигая скорости перехода теплоты и холода в состояние внутренних энергий топлива и кислорода воздуха. Дальнейшее увеличение степени сжатия дизельного двигателя не имеет смысла.

Итак, существующие способы получения энергии с выделением теплоты не позволяет достигать эффекта непрерывного роста разности температуры между нагретым топливом и более холодным кислородом воздуха, следовательно, ограничена возможность получения большего количества энергии от одного и того же их количества.

Задачей изобретения является получение энергии с выделением холода.

Поставленная задача решается тем, что способ получения энергии взаимодействием углерода, водорода и кислорода при избыточном давлении осуществляется путем совмещения жидкого углеводородного топлива или воды со сжиженным газом в камере взаимодействия поршневого или газотурбинного двигателя, причем совмещение осуществляют импульсным дозированием, топливо перед совмещением подогревают, для совмещения используют подогретую воду, а в качестве сжиженного газа используют воздух или другой сжиженный газ.

Разнотемпературные массы рабочего тела предпочтительно могут быть совмещены в жидкой фазе.

Поставленная задача также решается тем, что двигатель внутреннего взаимодействия поршневого или газотурбинного принципа работы содержит камеру взаимодействия, которая снабжена форсункой для импульсной дозированной подачи подогретого топлива или подогретой воды и дозатором для сжиженного воздуха или другого сжиженного газа, причем камера взаимодействия отделена от полости над поршнем или от полости над лопатками газовой турбины, обратным клапаном.

Камера взаимодействия поршневого двигателя может быть выполнена с возможностью заполнения ее сжиженным газом под избыточным давлением независимо от давления над поршнем, а поршни поршневого двигателя могут быть выполнены из композитных материалов с малым коэффициентом теплового расширения без компрессионных колец.

Избыточное давление условной степени сжатия рабочего тела в камере взаимодействия двигателя может быть уравновешено усилием возвратной пружины обратного клапана.

Двигатель дополнительно может быть оснащен сосудом Дьюара с возможностью содержания в нем под избыточным давлением жидкого газа, и поступления его в камеру взаимодействия через электромагнитный клапан, электрический насос жидкого газа и дозатор, последний может быть выполнен с возможностью наполнения камеры взаимодействия поршневого двигателя жидким газом за время движения поршня из нижней до верхней мертвой точки.

Предлагаемый способ получения энергии от взаимодействия кислорода жидкого воздуха с углеводородным топливом выгодно отличается от известных тем, что им предоставляется неограниченная возможность создания любой необходимой температуры между нагретым топливом и более холодным кислородом воздуха при их совмещении в камере взаимодействия двигателя.

Действительно, при заполнении камеры взаимодействия двигателя жидким воздухом не увеличивается его температура той величиной давления, которая известна существующими степенями сжатия двигателями /а потребуется и на порядок меньше/, ибо жидкости не сжимаются так, как газы. Поэтому температура кислорода воздуха сохраняется до температуры жидкого воздуха до совмещения его с подогретыми углеводородами /топливом/.

Импульсное распыление топлива в сжатый состав жидкого воздуха преследует цель получения высокой скорости, их совмещения, которая исключает возможность уравнивания их температуры теплообменом.

Контактирование разнотемпературных и разнородных масс вещества сопровождается электрическим энергетическим процессом, что является причиной высокой скорости энергетического процесса, протекающего с выделением энергии.

Холод, содержащийся в объеме жидкого воздуха или в объеме жидкого гелия, при их взаимодействии с углеводородами или с перегретой водой выделяется в количестве, пропорциональном скорости энергетического процесса, который протекает диссоциацией взаимодействующих веществ на атомы их химических элементов. Следовательно, количество выделяемого при этом холода будет получено больше, чем его выделится испарением жидкого воздуха или жидкого гелия, на величину увеличения скорости их перехода в газообразное состояние энергетическим процессом.

Из вышеизложенного понятно, что факторов ограничения скорости энергетического процесса уравниванием температуры топлива и кислорода воздуха до возникновения между ними энергетического процесса не существует. Следовательно, от одного и того же количества топлива и кислорода воздуха можно получить любое количество выделяемой энергии /ее мощность/, причем в управляемом режиме ее выделения в ДВС.

Например, при существующих способах получения энергии в ДВС существуют факторы богатой и бедной топливной смеси. В предлагаемом способе это явление отсутствует полностью. Известно, что распыливание углеводородов в сжатый состав газообразного технического кислорода, при любых /самых малых/ дозах углеводородов и при больших массах сжатого кислорода сопровождается взрывом.

Кислород в составе жидкого воздуха значительно активнее кислорода в свободном газообразном состоянии.

Известно, что древесные опилки, пропитанные жидким кислородом, используются в виде взрывчатого вещества, активируемого электрической искрой.

Кислород в составе жидкого воздуха не требует активации при совмещении с подогретым топливом, применяемым жидкими углеводородами /мазут/ подобно, как и при совмещении с перегретой водой.

Поэтому совмещение любого, самого малого количества углеводородов с жидким воздухом, сопровождается образованием энергетического процесса, мощность которого может регулироваться величиной сжатия двигателя и количеством дозируемых углеводородов, выполняющих роль активатора энергии кислорода.

Таким образом, работу двигателя можно выполнять энергией, выделяемой кислородом, а углеводороды применять его активатором.

Наиболее перспективным для получения энергии является жидкий гелий, который активируется при избыточном давлении перегретой водой.

В перспективе это самый энергоемкий носитель энергии. Причем затраты энергии на получение жидкого воздуха перекрываются тем количеством энергии, которая выделяется взаимодействием. Баланс энергии является положительным.

Положительным в получении энергии с выделением холода является и то, что в составе отработавших газов не образуется вредных веществ для окружающей среды, ибо азот воздуха не взаимодействует с кислородом при отрицательных температурах /величина которых может достичь минус 90oC, минус 100oC/. Не образуется при этих температурах и угарный газ. Кроме того, энергетический процесс от совмещения при избыточном давлении жидкого воздуха или жидкого гелия с перегретой водой протекает энергетической диссоциацией совмещаемых веществ на атомы их химических элементов. Подобные энергетические процессы известны при подпитке пароводогрейных котлов "сырой" /не подогретой/ водой.

Энергетическая диссоциация воды на водород и кислород отличается от ее диссоциации теплотой тем, что выделение холода исключает обратимость процесса диссоциации. Атомы водорода и кислорода, образовавшись при значительных отрицательных температурах, не могут образовать молекул воды и переходят в газообразное состояние собственным газом, что является получением водородо-кислородной смеси, т.е. энергетического топлива для ДВС.

Поэтому этим способом возможно достичь работы ДВС на одном рабочем теле в замкнутом цикле. Получая энергию от взаимодействия с перегретой водой, образуются "отработавшие" газы состава водородо-кислородной смеси, которые затем можно использовать в ДВС рабочим телом известным способом, т.е. с выделением теплоты.

При этом пар перегретой воды и выделяемый холод можно использовать в технологиях как при получении энергии, так и при получении жидкого воздуха.

На фиг. 1 показана схема поршневого двигателя; на фиг. 2 - схема газотурбинного двигателя.

Заявленный способ работы показан на примере работы двигателя поршневого или газотурбинного принципа работы.

Устройство, изображенное на фиг. 1 и 2, состоит из традиционных поршневого двигателя A или газотурбинного двигателя A1, содержащих камеру взаимодействия B, которая отделена от полости над поршнем или от полости над лопатками турбины обратным клапаном C.

Двигатели A, A1 дополнительно оснащены сосудом Дьюара 1, заполненным сжиженным воздухом, или жидким гелием, который сообщен с камерой взаимодействия B газотрубопроводом через электромагнитный клапан 2, насос жидкого газа 3 и дозатор жидкого газа 4.

Кроме того, двигатели A, A1 оснащены традиционным топливным баком 5, топливным электронасосом 6, подогревателем топлива 7 и топливной форсункой 8.

Работа поршневого двигателя A осуществляется в двухтактном режиме с отведением отработавших газов через окна в гильзах (на схеме не указаны), а работа газотурбинного двигателя A1 достигается попеременной работой нескольких камер взаимодействия B.

Работа двигателя A, (A1) осуществляется традиционным их запуском, вращением коленчатого вала или вала турбины.

Одновременно с началом вращения вала двигателя A (A1) подается электропитание на катушку электромагнитного клапана 2, электродвигателям насосов жидкого газа 3 и топливного насоса 6, подогревателю топлива 7.

Впускные и выпускные клапаны в двигателе A отсутствуют.

Роль впускного клапана отведена работе дозатора сжиженного воздуха 3 и топливной форсунке 8. Роль выпускного клапана выполняют окна в цилиндрах двигателя, которые открываются при достижении поршнем двигателя A нижней мертвой точки /на схеме окна не указаны/.

При движении поршня холостым ходом, а это возможно лишь при запуске двигателя A, его обратный клапан B, подпружиненный возвратной пружиной, закрыт.

При движении поршня на такт "сжатия" им сжимаются газы (при работе двигателя отработавшие, остаточного их состава, после отведения через окна в гильзах двигателя, а при запуске оставшиеся в зажимаемом объеме или поступившие обратно через окна, если над поршнем образуется разрежение), имеющиеся над поршнем.

В момент начала движения поршня на такт "сжатие" в полость камеры взаимодействия B поступает сжиженный воздух из сосуда Дьюара 1 по теплоизолированному газотрубопроводу через открытый электромагнитный клапан 2, через насос жидкого воздуха 3 и дозатор жидкого воздуха 4, который позволяет наполнять жидким газом полость камеры взаимодействия B лишь при движении поршня на такт "сжатие".

Заполнение камеры взаимодействия B осуществляется избыточным давлением, которое уравновешивается возвратной пружиной обратного клапана C.

При достижении поршнем верхней мертвой точки дозатор жидкого воздуха 4 закрывается и в камеру взаимодействия B, содержащую жидкий воздух, впрыскиваются подогретые углеводороды /или перегретая вода/, поступающие из топливной емкости 5 по топливопроводу под действием топливного насоса 6, через подогреватель топлива 7, топливную форсунку 8.

Совмещение в камере взаимодействия B жидкого воздуха с подогретыми углеводородами или с перегретой водой даже при незначительном избыточном давлении сопровождается выделением энергии, протекающей диссоциацией как вещества жидкого воздуха, так и углеводородов /или воды/ взрывным процессом. Взрывной характер диссоциации этих веществ сопровождается образованием газов с выделением холода и высокого их давления, которым открывается обратный клапан C и избыточное давление этих рабочих газов, преодолев усилие пружины обратного клапана C, передают свое давление на поршень двигателя A, или на лопатки турбины A1.

Двигатель увеличивает обороты. При движении поршня рабочим ходом отработавшие газы отводятся через окна в гильзах, а остаточный их состав повторно сжимается поршнем, которые при последующем поступлении рабочих газов работают единым упругим телом.

При движении поршня на такт "сжатие" в камере взаимодействия B тем же путем набирается жидкий воздух, а при достижении поршнем верхней мертвой точки в сжатый состав жидкого воздуха дозируется подогретое углеводородное топливо или перегретая вода, и двигатели A, A1 продолжают свою работу вышеописанным способом.

Обороты двигателя регулируются количеством поступающего в камеру взаимодействия /B/ жидкого воздуха и подогретого топлива путем изменения оборотов электродвигателей их перекачивающих насосов. Увеличением или снижением объема рабочего тела, поступившего в камеру взаимодействия B ,формируется условная степень сжатия двигателя, которая не влияет на формируемую разность температуры между кислородом жидкого воздуха и подогретыми углеводородами. Таким образом можно достигать любой оптимальной величины скорости энергетического процесса рабочего тела.

Получение энергии с выделением холода позволяет поршни выполнить из композитных материалов /углепластик/ без поршневых колец, а коленчатый вал выполнить с автономной низкотемпературной смазкой.

Композитные материалы выгодно отличаются от существующих своим малым коэффициентом теплового расширения и не требуют смазки при работе скольжением в цилиндре двигателя A.

Исключением высокотемпературных рабочих газов, получением энергии с выделением в рабочих газах холода полностью исключаются тепловые перегрузки на детали двигателя, что очень важно для газотурбинных двигателей летательных аппаратов.

Кроме того, возможность получения большего количества энергии от одного и того же количества рабочего тела позволит и ракетные двигатели перевести работать на более энергоемких энергоносителях, чем водород и кислород, это обычная вода и жидкий гелий. Применение их предлагаемым способом позволит снизить затраты в космической технике.

Формула изобретения

1. Способ получения энергии взаимодействием углерода, водорода и кислорода при избыточном давлении путем совмещения жидкого углеводородного топлива или воды со сжиженным газом в камере взаимодействия поршневого или газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что совмещение осуществляют импульсным дозированием, топливо перед совмещением подогревают, для совмещения используют перегретую воду, причем в качестве сжиженного газа используют воздух или другой сжиженный газ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разнотемпературные массы рабочего тела совмещены в жидкой фазе.

3. Двигатель внутреннего взаимодействия поршневого или газотурбинного принципа работы, содержащий камеру взаимодействия двигателя, отличающийся тем, что камера взаимодействия снабжена форсункой для импульсной дозированной подачи подогретого топлива или перегретой воды и дозатором для сжиженного воздуха или другого сжиженного газа, а камера взаимодействия отделена от полости над поршнем или от полости над лопатками газовой турбины, обратным клапаном.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что камера взаимодействия поршневого двигателя выполнена с возможностью заполнения ее сжиженным газом под избыточным давлением независимо от давления над поршнем.

5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что избыточное давление условной степени сжатия рабочего тела в камере взаимодействия двигателя уравновешено усилием возвратной пружины обратного клапана.

6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что поршни поршневого двигателя выполнены из композитных материалов с малым коэффициентом теплового расширения без компрессионных колец.

7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен сосудом Дьюара с возможностью содержания в нем под избыточным давлением газа и поступления его в камеру взаимодействия через электромагнитный клапан, электрический насос жидкого газа и дозатор.

8. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что дозатор жидкого газа выполнен с возможностью наполнения камеры взаимодействия поршневого двигателя жидким газом за время движения поршня из нижней до верхней мертвой точки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы транспортных дизелей со струйным смесеобразованием, а именно к способам работы дизелей в высокогорных условиях (ВГУ)

Изобретение относится к энергетике, в частности, к преобразованию низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к геотермальным энергетическим установкам с использованием для выработки электроэнергии теплоты геотермальных источников

Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования энергетических установок, в которых осуществляется образование энергии при помощи гидравлических двигателей

Изобретение относится к газотурбинным установкам

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к каскадным электростанциям с использованием низко- и среднетемпературной текучей среды

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности, к тепловым двигателям с внешним подводом теплоты

Изобретение относится к поршневым и газотурбинным двигателям

Наверх