Термоэнергетическая машина, имеющая перемещающийся регенератор

 

Изобретение относится к термоэнергетической машине для получения механической энергии из солнечной энергии. Машина содержит корпус с рабочей средой, заключенной в его рабочем пространстве, а также расположенные в корпусе тепловой источник и теплоотвод, регенератор, образующий промежуточный накопитель тепла, который установлен таким образом, что он может линейно перемещаться в рабочем пространстве, и по меньшей мере один рабочий поршень, который приводится в действие посредством рабочей среды для отвода механической энергии от рабочего пространства и для подвода механической энергии к рабочему пространству. В изобретении рабочий поршень расположен в корпусе или на нем таким образом, что его движение сжатия взаимосвязано с объемным потоком рабочей среды от теплового источника к теплоотводу, его движение расширения взаимосвязано с объемным потоком в обратном направлении, а сила, получаемая от объемного потока, используется для привода регенератора. Такое выполнение термоэнергетической машины позволяет получить более высокие рабочие частоты и удельные мощности. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к термоэнергетической машине такого типа, который упомянут в доотличительной части пунктов 1 и 9 формулы изобретения, раскрыт в патенте Германии DE-A1-4109289 и имеет перемещающийся регенератор. Изобретение, в частности, относится к термоэнергетической машине для получения механической энергии из солнечной энергии.

Одна из характерных форм термоэнергетической машины, имеющей регенератор, представлена, например, двигателем Стирлинга, также называемым горячегазовым двигателем, который олицетворяет собой старейшую термоэнергетическую машину, а также паровую машину. Термодинамический процесс двигателя Стирлинга в идеале содержит четыре переменных состояния: сжатие при низкой температуре (изотермическое с отводом тепла), подвод тепла при постоянном объеме (изохорический), расширение при высокой температуре (изотермическое с подводом тепла) и теплоотвод при постоянном объеме (изохорический). Как правило, двигатели Стирлинга имеют стационарный регенератор. Исключением из этого являются низкотемпературные двигатели Стирлинга и криоохладители.

В случае двигателей Стирлинга такого типа, который разъяснен выше, обычно обеспечивается вспомогательное устройство, посредством которого регенератор перемещается назад и вперед между теплопроводом и источником тепла. Это вспомогательное устройство может быть механически подсоединено между рабочим поршнем и регенератором с промежутком в виде инерционной массы. Недостатком такой компоновки является получение относительно сложной конструкции.

В качестве альтернативы вышеуказанному известно перемещение регенератора двигателя Стирлинга назад и вперед посредством отдельного компонента с переменным объемом в форме небольшого вспомогательного поршня, который получает свою энергию от пульсаций давления рабочей среды в корпусе двигателя Стирлинга. Как и в случае вышеупомянутого решения с использованием механической обратной связи от рабочего поршня к регенератору, о чем говорилось выше, концепция также имеет недостаток, состоящий в том, что требуется дополнительное устройство, а именно вспомогательный поршень. Кроме того, сила, создаваемая вспомогательным поршнем, передается к регенератору через относительно небольшую площадь. Однако силы, преодолеваемые регенератором, а именно его инерция и сопротивление потоку, однородно распределяются по всему объему регенератора. По этой причине физическая разность между силой, получаемой от вспомогательного поршня, и силой, требуемой регенератором, должна быть перекрыта самим упомянутым регенератором. Однако вследствие его высокопористой структуры регенератор не пригоден для относительно больших механических нагрузок. По этой причине использование вспомогательного поршня приемлемо только для весьма низких частот двигателей Стирлинга, при которых отсутствуют значительные силы инерции, а следовательно, только для невысокой интенсивности энергии. С другой стороны, если интенсивность энергии задана, как например в случае двигателей в виде плоских токосъемников, снабжаемых солнечной энергией, эта концепция связана с большими амплитудами перемещения регенератора, а также рабочего поршня вследствие низкой частоты. Кроме того, поскольку необходима относительно большая масса поршня, производственные затраты для термоэнергетической машины этого типа соответственно высоки. Помимо этого, в патенте Японии JP-3-78554A раскрыта термодинамическая машина, которая имеет цилиндр с большим рабочим объемом и соосный по отношению к нему цилиндр для небольшого поршня, при этом цилиндры соединены спиральной пружиной.

Задача изобретения заключается в создании термоэнергетической машины такого типа, который упомянут первоначально и имеет перемещающийся регенератор, и в которой могут быть достигнуты более высокие рабочие частоты и удельные мощности, чем для обычного двигателя Стирлинга.

Эта задача решается посредством термоэнергетической машины, имеющей корпус, который образует рабочее пространство рабочую среду, которая содержится в рабочем пространстве, тепловой источник, который расположен в корпусе или на нем, а также теплоотвод, который расположен в корпусе или на нем, регенератор, который формирует промежуточный накопитель тепла и установлен с возможностью перемещения в рабочем пространстве, тепловой источник, который расположен в корпусе или на нем, а также теплоотвод, который расположен в корпусе или на нем, регенератор, который формирует промежуточный накопитель тепла и установлен с возможностью перемещения в рабочем пространстве между тепловым источником и теплоотводом, и по меньшей мере один рабочий поршень, который приводится в действие посредством рабочей среды, в которой согласно изобретению тепловой источник и теплоотвод расположены в зоне одного или другого конца перемещения регенератора, а тепловой источник расположен в корпусе между рабочим поршнем и регенератором, при этом рабочий поршень расположен в корпусе или на нем, так что его движение сжатия вызывает объемный поток рабочей среды от теплового источника к теплоотводу, а его движение расширения вызывает объемный поток в обратном направлении, при этом объемный поток перемещает регенератор относительно рабочей среды в результате сопротивления регенератора потоку.

Регенератор, тепловой источник и теплоотвод образованы в виде плоских элементов, которые проходят параллельно друг другу. Рабочий поршень установлен в его собственной камере, и два рабочих поршня предусмотрены в камере и оба создают привод регенератора объемным потоком.

Термоэнергетическая машина выполнена в сдвоенной форме посредством зеркально симметричного расположения ее компонентов и имеет следующую конструкцию: общий корпус, один или более теплоотводы, которые расположены в центре корпуса, регенератор, расположенный с каждой из двух сторон теплоотвода или теплоотводов, сопровождаемый в каждом случае одним тепловым источником и расположенным снаружи рабочим поршнем, при этом оба рабочих поршня создают привод регенератора объемным потоком, при этом рабочие поршни имеют одни и те же форму, размеры и массу.

В контексте настоящего изобретения рабочий поршень следует понимать как какое-либо устройство, которое приемлемо для изменения рабочего объема, например такое, как мембрана, сильфон, который закрыт с одного конца, столб жидкости или столб газа.

Иными словами, термоэнергетическая машина, сконструированная согласно изобретению, действует без вспомогательного устройства, которое сдерживает высокую частоту, для управления регенератором таким образом, что силы торможения, которые однородно распределены по всему регенератору в течение его перемещения, преодолеваются рабочими силами, которые однородно распределены по всему регенератору, так что регенератор полностью свободен от механических нагрузок в течение его линейного или колебательного движения между теплоотводом и источником тепла. Вследствие линейного безнагрузочного перемещения регенератора он может действовать даже при высоких частотах, например, вплоть до 50 Гц или более.

Иными словами, вследствие своего привода согласно изобретению регенератор переносится посредством объемного потока рабочей среды, причем с этим потоком без какой-либо нагрузки. В данном случае перемещение регенератора происходит со сдвигом по фазе по отношению к перемещению рабочего поршня вследствие его собственной инерции. Сдвиг по фазе может регулироваться посредством массы и сопротивления регенератора потоку и изменяется между >0 и 90^o.

В отличие от первоначально упомянутого двигателя Стирлинга термодинамический процесс в термоэнергетической машине согласно изобретению происходит между двумя изотермами и двумя политропными линиями.

Выбор отбора или подачи полезной энергии от колебательной системы или к ней согласно изобретению сам по себе известен и поэтому в данном контексте не требуется какого-либо отдельного разъяснения.

Предпочтительный вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению обеспечивает конструктивно простое устройство его основных элементов, а именно регенератора, теплоотвода и теплового источника в виде плоских элементов, которые проходят параллельно друг другу. В этой конфигурации термоэнергетическая машина согласно изобретению особенно приемлема для привода в движение от солнечной энергии.

Рабочий поршень термоэнергетической машины согласно изобретению может быть установлен различным способом и в разном положении по отношению к тепловому источнику, теплоотводу и регенератору, с тем чтобы создать привод для регенератора за счет объемного потока. Компактная физическая форма термоэнергетической машины получается в том случае, если поршень расположен противоположно тепловому источнику на корпусе термоэнергетической машины, например в форме обычного поршня, который направляется по стенке корпуса над тепловым источником.

Согласно предпочтительной разработке изобретения созданы два рабочих поршня, с тем чтобы обеспечить объемный поток, требуемый для регенератора, при этом оба рабочих поршня приводятся в действие, начиная со стороны теплового источника при компоновке источник-регенератор-отвод. В этом случае два рабочих поршня предпочтительно устанавливают таким образом, что они могут перемещаться линейно, поперечно по отношению к направлению перемещения регенератора, в камере, которая образована за одно целое с корпусом устройства в виде источника-регенератора-отвода. Кроме того, оба рабочих поршня предпочтительно имеют одни и те же форму, массу и размеры.

Далее, в изобретении предложена охладительная машина в форме сдвоенной термоэнергетической машины, в которой машинные узлы содержат два термоэнергетических машинных узла вышеупомянутого типа, тепловые источники которых направлены наружу, теплоотводы примыкают друг к другу, а два регенератора приводятся в движение отдельными объемными потоками. Если говорить подробнее, то объемный поток, который создается одним рабочим поршнем в данный момент времени, имеет направление, противоположное объемному потоку, создаваемому другим рабочим поршнем, при этом объемный поток в плоскости зеркального отражения машины в любое данное время равен нулю.

В принципе, термоэнергетическая машина согласно изобретению может иметь широкое применение. Одно из особенно предпочтительных применений заключается в использовании термоэнергетической машины в качестве системы, действующей на солнечной энергии.

В приведенном далее тексте изобретение будет разъяснено более подробно посредством примера и с использованием фигур, на которых на фиг. 1 представлен первый вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению с использованием одного рабочего поршня; на фиг. 2 представлен второй вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению с использованием двух рабочих поршней; на фиг. 3 представлен третий вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению в виде сдвоенной охлаждающей машины; на фиг. 4 представлен четвертый вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению с использованием одного рабочего поршня; на фиг. 5 представлена модификация варианта осуществления конструкции согласно фиг. 4.

Как схематически показано на фиг. 1, первый вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению содержит в общем цилиндрический корпус 1 с частью 2a большего диаметра и с частью 2b меньшего диаметра. Рабочему поршню 4 направление придается таким образом, что он может линейно перемещаться назад и вперед в направлении продольной оси корпуса в его части 2b меньшего диаметра. Часть 2а корпуса, имеющая больший диаметр, содержит теплоотвод 5, источник тепла 6, который противоположен теплоотводу 5 и расположен под поршнем 4, и регенератор 7, который расположен таким образом, что он может перемещаться в направлении продольной оси корпуса в рабочем пространстве между теплоотводом 5 и источником тепла 6, каждый из которых имеет плоскую конструкцию. Конструкция теплоотвода 5, источника тепла 6 и регенератора 7 соответствует известному уровню техники и знакома квалифицированным специалистам в области двигателей Стирлинга. В принципе, для этих компонентов термоэнергетической машины могут рассматриваться различные материалы. Важный отличительный признак заключается в том, что регенератор 7 состоит из пористого, влагопроницаемого материала, который пригоден для использования в качестве промежуточного накопителя тепла. Рабочий поршень 4 также может состоять в основном из любого материала, который, например, приемлем для использования в двигателе Стирлинга.

Корпус 1 и рабочее пространство термоэнергетической машины заполнены рабочей средой, например гелием или, что более эффективно в отношении затрат, воздухом.

Регенератор 7 подвешен способом, который сам по себе известен, в корпусе 1, так что он может осуществлять свое колебательное перемещение между теплоотводом 5 и тепловым источником 6 без каких-либо существенных наклонных перемещений. Пружины 8 и 9 установлены под регенератором 7 и на фиг. 1 показаны чисто схематически. Кроме того пли как вариант, буртики, которые подсоединены к регенератору и кромке, и опираются на корпус, также можно считать предназначенным для придания регенератору направления.

Один из важных отличительных признаков изобретения заключается в том, что рабочий поршень 4 расположен, таким образом, что объемный поток, который обеспечивается его линейным перемещением, приводит регенератор 7 в движение без каких-либо механических нагрузок. При этом достигается то, что термоэнергетическая машина может действовать с любой рабочей частотой в широком диапазоне.

Второй вариант осуществления термоэнергетической машины согласно изобретению показан на фиг. 2. Эта термоэнергетическая машина имеет две рабочих системы. Говоря подробно, термоэнергетическая машина согласно фиг. 2 содержит корпусную часть 2a большего диаметра термоэнергетической машины согласно фиг. 1, в которой теплоотвод 5, тепловой источник 6 и регенератор расположены таким же образом, что и на фиг. 1. Корпусная часть 2a расположена в верхней части 11 поршневой камеры 10, нижняя часть 12 которой, имеющая больший объем, вмещает два идентично сконструированных соосных рабочих поршня 13 и 14, направление которым придается таким образом, чтобы они могли скользить. Направляющее кольцо соответственно 15 или 16 служит для того, чтобы придавать направление поршням 13 и 14 таким образом, чтобы они могли скользить поперечно по отношению к направлению перемещения регенератора. Внутренняя часть корпуса 10 заполнена рабочей средой, которая также заполняет пространство в корпусной части 2. Способ работы термоэнергетической машины согласно фиг. 2 в принципе подобен способу работы машины согласно фиг. 1.

На фиг. 3 представлена сдвоенная термоэнергетическая машина, которая образована из двух узлов термоэнергетической машины согласно фиг. 1 и которая действует в качестве охлаждающей машины, снабжаемой тепловой энергией. Подробно говоря, сдвоенная термоэнергетическая машина содержит устройство в виде зеркально отраженных двух корпусных частей 2a из варианта осуществления конструкции согласно фиг. 1, а также расположенные в нем компоненты двигателя Стирлинга. Если использовать те же самые номера позиций, что и на фиг. 1, то сдвоенная термоэнергетическая машина соответственно содержит корпусную часть 2a, в которой установлены теплоотвод 5, тепловой источник 6 и регенератор 7, расположенный между ними. Со стороны теплового источника корпусная часть 2a закрыта поршнем 20, который содержит стенку 21, подсоединенную к корпусной части 2a через сильфоны 22 таким образом, что она уплотнена. Однако в принципе также возможна классическая конструкция поршня 4 согласно фиг. 1.

Преимущество термоэнергетической машины согласно фиг. 2 и 3 по сравнению с термоэнергетической машиной фиг. 1 и фиг. 4 заключается в том, что центр тяжести остается неподвижным, когда машина приведена в действие, поскольку машина в определенной степени уравновешена.

Как уже упоминалось, сдвоенная термоэнергетическая машина согласно фиг. 3 содержит зеркально отраженное устройство корпусной части 2a, как только что было разъяснено, с расположенными в ней компонентами и с поршнем, расположенным снаружи, причем такие же компоненты в зеркально отраженной части обозначены темп же самыми номерами позиций с добавлением к ним "'". В представленном в качестве примера варианте осуществления конструкции два теплоотвода 5 и 5' соединены друг с другом. В качестве альтернативы этому теплоотводы 5 и 5' также могут быть образованы в виде единого целого.

Корпусные части 2a и 2a', которые закрыты поршнями 20 и 20', заполнены общей рабочей средой и таким образом действуют на одни и те же рабочие объемы. Этот сдвоенный двигатель Стирлинга действует в толкающе-тянущем режиме, то есть поршни 20 и 20', а также регенераторы 7 и 7' синхронно осуществляют линейные перемещения и действуют на одну и ту же рабочую среду, и, соответственно, приводятся в движение без какой-либо нагрузки одной и той же рабочей средой, что разъяснено выше.

На фиг. 4 представлен четвертый вариант осуществления конструкции термоэнергетической машины согласно изобретению. Этот вариант в принципе отличается от первого варианта, показанного на фиг. 1, тем, что весь корпус формирует поршень.

Говоря подробно, рабочему поршню не придается направление таким образом, чтобы он мог скользить в отдельной корпусной части 2b, а весь корпус формирует поршень, за исключением донной пластины 26, которая подсоединена к корпусной части 2a через сильфоны 27, так что она уплотнена, и на которую опирается этот вариант осуществления термоэнергетической машины согласно изобретению.

Кроме того, донная стенка 2c корпуса, к которой подсоединены сильфоны 27 с донной пластиной 26 и которая имеет центральное коммуникационное отверстие для сквозного прохождения рабочей среды, образована в качестве теплоотвода, а противоположная корпусная верхняя стенка 2d образована в качестве теплового источника. Эта термоэнергетическая машина особенно пригодна для использования в качестве солнечной термоэнергетической машины вследствие ее выставленного наружу теплового источника.

Модифицированный вариант осуществления термоэнергетической машины согласно фиг. 4 представлен на фиг. 5. В этом варианте осуществления конструкции корпусная нижняя часть вмещает в себя водяную колонну 28, которая, с одной стороны, несет на себе вес корпуса вследствие разности между поперечным сечением сильфонов и поперечным сечением колонны, и, с другой стороны, по той же самой причине колеблется в противофазе с корпусом, так что масса поршня образуется суммой массы воды и корпуса.

Формула изобретения

1. Термоэнергетическая машина, имеющая корпус (2, 2a, 2b), который образует рабочее пространство, рабочую среду, которая содержится в рабочем пространстве, тепловой источник (6, 6'), который расположен в корпусе (2, 2a, 2b) или на нем, а также теплоотвод (5, 5'), который расположен в корпусе (2, 2a) или на нем, регенератор (7, 7'), который формирует промежуточный накопитель тепла и установлен с возможностью перемещения в рабочем пространстве между тепловым источником (6, 6') и теплоотводом (5, 5'), и по меньшей мере один рабочий поршень (4, 13, 14, 20, 20'), который приводится в действие посредством рабочей среды, отличающаяся тем, что тепловой источник (6, 6') и теплоотвод (5, 5') расположены в зоне одного или другого конца перемещения регенератора (7, 7'), а тепловой источник расположен в корпусе (2b) между рабочим поршнем (4, 20, 20') и регенератором (7, 7'), при этом рабочий поршень (4, 13, 14, 20, 20') расположен в корпусе (2, 2a, 2b) или на нем, так что его движение сжатия вызывает объемный поток рабочей среды от теплового источника (6, 6') к теплоотводу (5, 5'), а его движение расширения вызывает объемный поток в обратном направлении, при этом объемный поток перемещает регенератор (7, 7') относительно рабочей среды в результате сопротивления регенератора (7, 7') потоку.

2. Термоэнергетическая машина по п.1, отличающаяся тем, что регенератор (7, 7'), тепловой источник (6, 6') и теплоотвод (5, 5') образованы в виде плоских элементов, которые проходят параллельно друг другу.

3. Термоэнергетическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что рабочий поршень (13 или 14) установлен в его собственной камере (10).

4. Термоэнергетическая машина по п.3, отличающаяся тем, что два рабочих поршня (13, 14) предусмотрены в камере (10), и оба создают привод регенератора объемным потоком.

5. Термоэнергетическая машина по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена в сдвоенной форме посредством зеркально симметричного расположения ее компонентов и имеет следующую конструкцию: общий корпус (2a, 2a'), один или более теплоотводы (5, 5'), которые расположены в центре корпуса, регенератор (7, 7'), расположенный с каждой из двух сторон теплоотвода или теплоотводов (5, 5'), сопровождаемый в каждом случае одним тепловым источником (6, 6') и расположенным снаружи рабочим поршнем (20, 20'), при этом оба рабочих поршня (20, 20') создают привод регенератора (7, 7') объемным потоком.

6. Термоэнергетическая машина по п.6 или 7, отличающаяся тем, что два рабочих поршня (13, 14) имеют одни и те же форму, размеры и массу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5