Тепловая машина "ило", работающая по замкнутому циклу стирлинга
Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано для преобразования тепловой энергии в механическую работу и может найти широкое применение на транспорте и в энергетике, используя, например, геотермальные источники, солнечную энергию, остаточное тепло двигателей внутреннего сгорания. Тепловая машина содержит регенератор между холодной и горячей зонами и не менее двух замкнутых пространств для размещения рабочего тела, механически связанных своими изменяющимися объемами. Эти замкнутые пространства размещены в горячей зоне. В холодной зоне размещено не менее двух охладителей с равными и постоянными объемами, параллельно соединенных газовыми магистралями с уменьшающимися объемами замкнутых пространств горячей зоны. Увеличивающиеся объемы газовой магистралью связаны между собой. При достижении максимальной величины замкнутое пространство через один из охладителей, сменяющихся в каждом цикле, соединено с наименьшим из уменьшающихся объемов замкнутых пространств, соединенным со всеми охладителями, с последующей изоляцией этого уменьшающегося пространства до достижения им минимального объема. Техническим результатом является упрощение конструкции тепловой машины, улучшение массогабаритных показателей с одновременным увеличением КПД и устранение проблемы быстрого охлаждения обработавшего цикл рабочего тела. 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано для преобразования тепловой энергии в механическую работу и может найти широкое применение во многих областях техники, на транспорте и в энергетике, используя, например, геотермальные источники, солнечную энергию, остаточное тепло двигателей внутреннего сгорания.
Известны двигатели и тепловые машины, работающие по замкнутому циклу Стирлинга, например способ работы двигателя внешнего сгорания, заключающийся в сжатии газообразного рабочего тела в компрессорном цилиндре, перепуске его в нагреватель, снабженный камерой сгорания, подаче нагретого рабочего тела из нагревателя в рабочий цилиндр, преобразовании в последнем энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя и установлении при этом начала подачи рабочего тела в рабочий цилиндр при положении его поршня в ВМТ, причем газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в холодильнике-конденсаторе (Х-К), сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель. (Способ работы двигателя внешнего сгорания и двигатель внешнего сгорания, патент № RU 2022147, F02G 1/00)
Известен способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла, включающий испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, причем расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения. В тепловом двигателе по этому способу, содержащем паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых регенераторов, расширительная машина имеет цилиндропоршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом, и дополнительного регенератора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос. (Способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла и двигатель для его осуществления, патент № RU 2082895, F02G 1/00, F01K 3/02).
Известен двигатель Стирлинга с газообразным рабочим телом, в котором осуществляется замкнутый рабочий цикл, содержащий рабочую и насосную камеры, нагреватель и холодильник, а также связывающие их между собой газовые магистрали. (Ридер Г., Хупер Ч. - Двигатели Стирлинга, Пер. с англ. М.: Мир.,1986)
Наиболее близкой к заявляемой является тепловая машина, включающая кольцеобразный статор, имеющий внутри ротор, высокотемпературную и низкотемпературную камеры. Каждая из указанных камер включает впускное отверстие для впуска рабочего тела в камеру и выходное отверстие для выпуска рабочего тела. Высокотемпературная камера имеет больший объем, чем низкотемпературная камера. Ротор снабжен лопастями, установленными на пружинах, которые находятся в скользящем контакте с поверхностью статора. Изменяя эксцентриситет ротора в пределах камеры ротора можно изменять относительные объемы высокотемпературных и низкотемпературных камер, что позволяет оптимизировать работу тепловой машины при изменениях температуры. (Патент США №4357800)
К недостаткам указанных тепловых машин можно отнести сложность конструкции, большую материалоемкость, присутствие механического вытеснителя либо его механического аналога, а также проблемы с быстрым охлаждением рабочего тела.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции тепловой машины, улучшение массогабаритных показателей с одновременным увеличением КПД и устранение проблемы быстрого охлаждения отработавшего цикл рабочего тела.
Поставленная задача решается тем, что в тепловой машине, содержащей регенератор между холодной и горячей зонами и не менее двух замкнутых пространств для размещения рабочего тела, механически связанных своими изменяющимися объемами. Эти замкнутые пространства размещены в горячей зоне, а в холодной не менее двух охладителей с равными и постоянными объемами, параллельно соединенных газовыми магистралями с уменьшающимися объемами замкнутых пространств горячей зоны, при этом увеличивающиеся объемы газовой магистралью связаны между собой. При достижении максимальной величины замкнутое пространство через один из охладителей, сменяющихся в каждом цикле, соединено с наименьшим из уменьшающихся объемов замкнутых пространств, соединенным со всеми охладителями, с последующей изоляцией этого уменьшающегося пространства до достижения им минимального объема.
Заявляемая тепловая машина может быть реализована в различных модификациях, например, в виде роторных пластинчатых машин с различным количеством охладителей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено перемещение рабочего тела в точке максимального объема замкнутого пространства роторной тепловой машины с тремя пластинами, таким же количеством замкнутых пространств и охладителей, на фиг.2 показано соединение охладителей с горячей зоной заявляемой машины до и после точки максимального объема, на фиг.3 - вид сверху, как один из вариантов исполнения тепловой машины, имеющей четыре пластины, четыре замкнутых пространства и два охладителя, на фиг.4 - вид сбоку тепловой машины изображенной на фиг.3, где видно разделение газовых магистралей на два охладителя.
Роторная тепловая машина содержит цилиндрический полый статор 1, ротор 2 в виде тела вращения со свободно перемещающимися в нем пластинами и газовыми каналами 4, которые образуют изменяющиеся замкнутые пространства 3, регенератор 5, охладители 6, газовые магистрали 7 и место их присоединения к боковым поверхностям статора 8.
В основе описываемой конструкции тепловой машины лежит принцип разделения на горячую и холодную рабочие зоны и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной в другую. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей.
Выбор рабочего тела зависит исключительно от конструкции и назначения тепловой машины, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция тепловой машины оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Так, для тепловой машины, представленной на фиг.1, 2, оптимальным является использование в качестве рабочего тела насыщенных паров с жидкой фазой, например фреонов. А для тепловой машины, представленной на фиг. 3, 4, предпочтительно использование в качестве рабочего тела газов, например водорода или гелия.
Заявляемая тепловая машина работает следующим образом. После раскручивания ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к внутренней образующей цилиндра статора, и при подведении тепловой энергии замкнутое пространство 3, образованное частью статора 1, ротора 2 и пластинами, начинает увеличиваться за счет роста давления и расширения размещенного в нем рабочего тела. При достижении одним из замкнутых пространств максимальной величины размещенное в нем горячее рабочее тело, имеющее остаточное высокое давление, перемещается в один из охладителей 6, вытесняя, в свою очередь, находящееся в нем холодное рабочее тело. В данном случае оно и выполняет функцию механического вытеснителя.
Так как в устройстве машины предусмотрено подключение наименьшего из уменьшающихся объема замкнутого пространства ко всем охладителям 6, вытесненное холодное рабочее тело вытесняет горячее рабочее тело из замкнутого пространства наименьшего объема, которое распределяется по остальным охладителям 6 за счет разницы давлений между замкнутым пространством максимального объема и охладителями 6. Замещение рабочего тела происходит по цепочке: замкнутое пространство максимального объема - охладитель - замкнутое пространство наименьшего объема - остальные охладители.
Далее холодное рабочее тело, поступившее в наименьшее замкнутое пространство, изолируется в нем, сжимается и разогревается. Под действием приложенной тепловой энергии происходит увеличение давления. Замкнутое пространство максимального объема, в это время, подключается ко всем охладителям 6 и в нем происходит падение давления. Вследствие чего объем максимального замкнутого пространства уменьшается, а минимального увеличивается. Цикл повторяется с выбросом горячего рабочего тела в следующий охладитель.
Заявляемая тепловая машина обеспечивает высокую эффективность использования замкнутого цикла с хорошо реализуемыми на практике процессами за счет устранения механических промежуточных устройств в передаче рабочего тела, использованного в одном процессе для работы в другом. Таким образом, реализуя заявляемое изобретение можно получить тепловую машину с высокими эксплуатационными параметрами.
Тепловая машина, содержащая регенератор между холодной и горячей зонами и не менее двух замкнутых пространств для размещения рабочего тела, механически связанных своими изменяющимися объемами, отличающаяся тем, что эти замкнутые пространства размещены в горячей зоне, а в холодной не менее двух охладителей с равными и постоянными объемами, параллельно соединенных газовыми магистралями с уменьшающимися объемами замкнутых пространств горячей зоны, при этом увеличивающиеся объемы газовой магистралью связаны между собой, при достижении максимальной величины замкнутое пространство через один из охладителей, сменяющихся в каждом цикле, соединено с наименьшим из уменьшающихся объемов замкнутых пространств, соединенным со всеми охладителями, с последующей изоляцией этого уменьшающегося пространства до достижения им минимального объема.
