Двигатель с подводом теплоты
Изобретение относится к энергетике. Двигатель с подводом теплоты содержит цилиндр с головкой и поршнем, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками. Головка и поршень образуют рабочую камеру. Золотники имеют выемки на части боковой поверхности и формируют вытеснительные полости. Вытеснительные полости связаны с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами. Нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра. Холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра. Золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра. Изобретение направлено на уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним подводом теплоты.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип, «Двигатель с внешним подводом теплоты» (RU 2343300 С2, F02G 1/04, 2009). Это устройство, содержащее цилиндр с поршнем, нагреватель, холодильник и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя с вращающимся цилиндрическим золотником, имеющим выемку на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом, имеет недостатки, выражающиеся в низкой удельной мощности, обусловленной недостаточной теплообменной площадью внутренних поверхностей нагревателя и холодильника и значительными утечками теплоты в местах контактов нагревателя и холодильника, а также пространственной габаритностью, обусловленной размещением распределителя в головке цилиндра.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является повышение площадей теплообмена и их взаимное термическое разграничение в двигателе с подводом теплоты.
Решение задачи обеспечивается тем, что в двигателе с подводом теплоты, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
Увеличение количества золотников, размещение распределителя с золотниками не в головке, а между рубашками цилиндра (нагревателем и холодильником) и наличие на боковой поверхности каждого цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом и газоходным каналом-соплом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует со средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно увеличивает площади теплообмена и удельную мощность, уменьшает габаритные характеристики двигателя с подводом теплоты.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид двигателя с подводом теплоты в продольном сечении ВОС; на Фиг. 2 - части поперечных разрезов Е-Е, D-D и вида А на Фиг. 1.
Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, цилиндрические золотники 6, каждый из которых имееет вытеснительную полость 7 с кольцевым каналом 8, газоходные каналы-сопла 9 и привод золотников 10.
Двигатель с подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 5. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 9 и кольцевому каналу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 1. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение по кольцевому каналу 8 и газоходному каналу-соплу 9 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего тела в рабочей камере 4 с совершением работы. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 и от поверхности нагревателя 1 изнутри рабочей камеры.
Синхронное перемещение вытеснительных полостей 7 вращающихся цилиндрических золотников 6 при возвратно-поступательном движении поршня 3 в рабочей камере 4 обеспечивает привод 10, связанный с коленчатым валом 11.
В двигателе с подводом теплоты внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений, согласно изобретению разделены щелью 12 или теплоизолятором 13, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом наличие щелей способствует еще и взаимному ускоренному выравниванию давлений рабочего газа в вытеснительных полостях 7 цилиндрических золотников 6.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9, соединяющие вытеснительные полости 7 с рабочей камерой, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает паразитный мертвый объем рабочей камеры 4, увеличивая удельную мощность.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9 согласно изобретению имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную, через головку 2, с рабочей камерой 4 камеру 14 сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 15 топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 14 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 16, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников 6 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 15 к нагревателю 1 и уменьшения теплоперетока в зонах сопряжения внутренней рубашки цилиндра - нагревателя 1 и внешней рубашки цилиндра - холодильника 5).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 17 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 18 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 через головку 2 соединена с тепловой трубой 19 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца, высокотемпературной теплоты ядерных реакторов, теплоты радиоизотопных ТВЭЛов).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 20 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулятором - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом 21, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также теплопитания двигателя расплавом.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 22 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению цилиндрические золотники 6 на противоположных по своим осям концах выемок, формирующих вытеснительные полости 7, имеют проточки 23 (для более активного движения рабочего газа через поперечное сечение вытеснительной полости и для выравнивания температур на концах цилиндрических золотников 6 в зонах сопряжения: горячая внутренняя рубашка-золотник-холодная внешняя рубашка цилиндра).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых, в том числе, для приготовления горючей топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания, или специально разработанных рабочих газов (рабочих тел).
Для уменьшения утечек рабочего газа используются компрессионные кольца 24 как для уплотнения сопряжений рабочего поршня, так и для уплотнения сопряжений концевых участков цилиндрических золотников со стенками цилиндров их полостей.
Для уменьшения тепловых потерь при движении рабочего газа по кольцевым каналам 8 применяется теплоизоляционное покрытие 25 стенок каналов.
Для управления мощностью двигателя с подводом теплоты используется изменение фазового соотношения между фазой вращающегося коленчатого вала 11 и фазой синхронно вращающихся цилиндрических золотников 6 управляемым круговым поворотом центрального колеса в планетарном редукторе 26, соединяющим ось коленвала 11 с осью привода 10 синхронного вращения золотников, по аналогии с «управлением стерлингами» [Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Перевод с английского Б.В. СУТУГИНА и Н.В. СУТУГИНА, МОСКВА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1985, стр. 201].
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища используется впускной вентиль 27 и впускной обратный клапан 28.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 29 и выпускной обратный клапан 30.
При отсутствии подвода теплоты к нагревателю и принудительном вращении коленчатого вала устройство осуществляет отбор теплоты у нагревателя с передачей в холодильник (для целей сверхнизкой криогенной техники). При изменении фазового угла цилиндрических золотников на 180 градусов относительно «фазы» коленчатого вала отбор теплоты будет происходить от холодильника с передачей теплоты нагревателю.
Благодаря использованию планетарного редуктора 26 двигатель может осуществлять торможение (и реверс) вращающегося коленчатого вала с рекуперацией механической энергии и последующим использованием этой энергии для «разгона» после старта, а также быть трансформированным в холодильную установку или тепловой насос (в полной аналогии с тепловыми машинами, именуемыми СТИРЛИНГАМИ с тем лишь отличием, что математическая модель для проектирования двигателей с подводом теплоты, имеющих цилиндрический золотниковый распределитель, предположительно должна быть намного проще, ибо в этих тепловых машинах объем вытеснительных полостей является величиной постоянной, а у стирлингов - переменный, чем и вызвана чрезвычайная сложность проектирования стирлингов, усугубляющаяся наличием в стирлингах высокого начального давления рабочего газа и регенераторов теплоты).
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты.
1. Двигатель с подводом теплоты, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены щелью или теплоизолятором.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы-сопла, соединяющие вытеснительные полости с рабочей камерой, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную, через головку, с рабочей камерой камеру сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулирующим веществом.
7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания имеет примыкающие к головке и к стенке внутренней рубашки теплообменные ребра, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников.
8. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.
9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой.
10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и головка соединены с теплоэлектронагревателем.
11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени.
12. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические золотники на концах выемок, формирующих вытеснительные полости, имеют проточки.
13. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
14. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов.
