Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель
Изобретение относится к теплоэнергетике и двигателестроению. Способ работы теплового двигателя заключается в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющими свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, и обеспечении тепловой связи между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, обеспечении термического взаимодействия с рабочими телами и передачи теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя. Теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела теплоносителя соответственно. Изобретение позволяет получить полезную работу за счет обеспечения разности работ сжатия и расширения рабочих тел при упрощении конструкции и повышении надежности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к двигателестроению, и может быть использовано на транспорте, в судостроении, в том числе в морских надводных и подводных аппаратах, в энергетике, космосе.
Известен способ работы двигателя с внешним подводом теплоты, заключающийся в сжатии рабочего тела с отводом теплоты в регенераторе и охладителе и одновременном вытеснении его из рабочей камеры в холодную полость, вытеснении рабочего тела из холодной полости в горячую, нагрев его в процессе вытеснения и одновременное расширение рабочего тела в горячей полости и рабочей камере (патент РФ №2305605, F02G 1/04).
Недостатками данного способа являются:
1. гидравлические потери при перетекании рабочего тела по магистралям двигателя;
2. низкий кпд двигателя;
3. использование только одного рабочего тела, что не позволяет обеспечить повторное использование всей отводимой от рабочего тела теплоты во время работы двигателя.
Известен способ преобразования теплоты в работу по регенеративному циклу Стирлинга (Двигатели Стирлинга под ред. М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1977 г., с.14), заключающийся в том, что в замкнутом рабочем пространстве производят циклическое изменение объема рабочего пространства и рабочего тела, подводят теплоту к рабочему телу, отводят теплоту от него и регенерируют некоторую часть теплоты.
Недостатками данного способа является то, что процессы теплообмена обеспечиваются самим рабочим телом при его движении, что не позволяет двигателям с несколькими рабочими телами обмениваться отводимой от них в процессе работы теплотой.
Известен двигатель (АС №1275104, F02G 1/04) с внешним подводом теплоты, содержащий рабочий цилиндр, поршень, установленный в рабочем цилиндре и образующий с его крышкой полость сжатия, вытеснительный цилиндр, поршень-вытеснитель, установленный в вытеснительном цилиндре и разделяющий его объем на горячую и холодную полости, первую магистраль с установленным в нем охладителем, подключающую полость сжатия к холодной полости, и вторую магистраль с установленным и в ней нагревателем и регенератором, подключенную одним концом к горячей полости.
Двигатель дополнительно снабжен вторым регенератором, причем второй регенератор установлен в первой магистрали последовательно с охладителем, второй конец второй магистрали подключен к первой между полостью сжатия и вторым регенератором.
Недостатками двигателя являются:
1. Одностороннее действие рабочего поршня на кривошипно-шатунный механизм.
2. Изменение объема в рабочем цилиндре приводит к изменению давления во всех магистралях, что приводит к нарушениям процесса теплопередачи в элементах двигателя.
Известен двигатель (патент РФ №2224129, F02G 1/043) с внешним подводом теплоты, содержащий, по крайней мере, вытеснительный и силовой цилиндры с герметичными камерами, соединенные магистралью, проходящие через тепловые преобразователи, механизм преобразования движения; герметичные камеры в вытеснительном и силовом цилиндрах соединены между собой, по крайней мере, двумя магистралями, оборудованными газораспределительным механизмом, позволяющим поочередно впускать газ в герметичную камеру силового цилиндра из газовых магистралей, а сами герметичные камеры выполнены в форме, способной изменять свой объем (например, в виде гофр, сваренных из плоских снабженных доньями сильфонов, пакетов, гармошек из эластичного материала), установлены в заполненных жидкостью цилиндрах и воздействуют на привод механизма преобразования движения.
Управление газораспределительным механизмом производится электрическим, пневматическим, гидравлическим, механическим или комбинированным механизмом.
Кинематическая связь с преобразователем движения выполнена либо в виде жесткой связи - толкателя, штока или жесткой тяги, либо гидравлической, либо гибкой - троса, каната, цепи, шнура, ленты, ремня, гибкого толкателя, либо комбинированной.
Механизм преобразования движения выполнен в виде роторного преобразователя с гидравлической связью с цилиндрами.
Роторный механизм преобразования движения содержит цилиндрический статор, по крайней мере, с одной разделительной пластиной, внутри которого соосно расположен цилиндрический ротор, по крайней мере, с одним кулачком, приводимый во вращение посредством давления жидкости.
Ротор выполнен цилиндрическим, установлен на кривошипе силового вала и перекатывается по внутренней поверхности статора.
Механизм преобразования движения выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма.
Регулирование скорости изменения объема герметичной камеры осуществляется либо путем регулирования количества рабочего газа в газовой магистрали, либо путем изменения проходного отверстия гидравлических магистралей, либо комбинированным способом.
Поршни и цилиндры оборудованы тепловой изоляцией.
Рубашки силовых и вытеснительных цилиндров заполнены теплоносителем и соединены посредством теплопередающей связи, например, в виде тепловых труб с нагревателями и холодильниками тепловых преобразователей соответственно.
Цилиндры омываются охлаждающей жидкостью.
В цилиндрах или в гидравлических магистралях трансмиссии установлены тепловые фильтры в виде свободного теплоизолированного поршня, разделяющего горячий и холодный объемы жидкости.
Гидравлические магистрали оборудованы радиаторами (холодильниками).
Увеличение оборотов и/или мощности осуществляется посредством вытеснения газа из цилиндра управления с герметичной камерой посредством поршня управления.
Привод поршня управления осуществляется посредством усилителя, например, пневматического, вакуумного, гидравлического, электрического, механического или комбинированного.
Поддержание минимального давления газа в газовой магистрали осуществляется посредством газового редуктора из баллона с газом.
Рабочий цикл выполнен открытым.
Между дисками гофра герметичной камеры вставлены теплопроводные элементы (пластины), имеющие площади снаружи и внутри герметичной камеры.
Недостатками данного двигателя являются:
1. Сложность конструкции и, как следствие, низкая надежность.
2. Повышенная вибрация, акустический шум из-за механизма газораспределения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ работы теплового двигателя (заявка №2007140388/06 (044206 от 31.10.2007 F02G 1/00 «Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель В.В. Медведева»), заключающийся в циклическом изменении замкнутого рабочего пространства и рабочего тела, подвода теплоты к рабочему телу, отвода теплоты от него, регенерации теплоты, передачи теплоты в холодильник в режиме запуска и остановки, форсированном режиме работы двигателя, причем двум рабочим телам, изменяющим свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечивают тепловую связь между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термическое взаимодействие с рабочими телами, передачу теплоты, отводимой от одного рабочего тела другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя; в экономичном режиме работы двигателя температуру теплоносителя на входе в теплообменник холодильника поддерживают равной температуре холодильника.
Недостатками данного способа являются:
1. Сложность реализации данного способа.
2. Не обеспечивается постоянно низкая температура теплоносителя, входящего в теплообменную камеру, что, в свою очередь, не обеспечивает работоспособность двигателя.
3. Предусматривается только по одному каналу движения теплоносителя с каждой стороны теплообменной камеры. В этих каналах размещаются регенераторы, которые задерживают теплоту теплоносителя при его движении из теплообменной камеры в теплообменник холодильника, а при обратном движении теплоносителя из теплообменника холодильника в теплообменную камеру регенератор возвращает запасенную теплоту теплоносителю и повышает его температуру. Повышение температуры теплоносителя при обтекании теплообменников рабочих тел повышает температуру и давление сжимающегося рабочего тела. Это уменьшает разность сил давления сжимающегося и расширяющегося рабочего тела, что в свою очередь, приводит к уменьшению полезной работы, вплоть до нуля при повышении температуры теплоносителя до температуры нагревателя.
4. На вход в теплообменной камеры в каждом цикле подается теплоноситель с температурой, большей, чем температура холодильника, что снижает работоспособность двигателя.
5. Данный способ обеспечивает регенерацию теплоты теплоносителя за счет регенераторов, но при этом теряется возможность отвода теплоты сжатия от рабочих тел и совершение полезной работы.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является тепловой двигатель (заявка №2007140388/06 (044206 от 31.10.2007, F02G 1/04 «Способ работы теплового двигателя и тепловой двигатель В.В. Медведева»).
Тепловой двигатель, содержащий вытеснительный и силовой цилиндры с герметичными камерами, соединенные теплопередающей связью, проходящей через тепловые преобразователи, нагреватель, теплообменники рабочих тел, регенераторы, теплообменники холодильника, механизм преобразования движения. При этом надпоршневое пространство силового цилиндра двухстороннего действия соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела.
Подпоршневое пространство реверсивного насоса теплоносителя соединено через теплообменник холодильника, первый регенератор с входом - выходом теплообменной камеры нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю, а выход - вход теплообменной камеры через второй регенератор, теплообменник холодильника - с подпоршневым пространством реверсивного насоса теплоносителя.
Недостатками данного устройства являются:
1. В конструкции двигателя предусмотрено по одному каналу, связывающих входы-выходы теплообменной камеры с теплообменниками холодильника. По одному и тому же каналу теплоноситель движется из теплообменной камеры в холодильник и обратно в теплообменную камеру через регенератор. Теплота, отводимая от одного рабочего тела, например, рабочего тела, переданная в предыдущем процессе регенератору, передается не другому рабочему телу, а снова этому же рабочему телу в теплообменнике.
2. Если регенератор в предыдущем процессе поглотил количество теплоты, которое обеспечивает понижение температуры теплоносителя от Т1 до T2, то в последующем процессе он вернет тому же рабочему телу это же количество теплоты, нагрев его до T1. А так как источник теплоты нагревает другое рабочее тело до той же температуры T1, то никакого движения рабочего поршня происходить не будет.
Таким образом, рассматриваемый двигатель наиболее близкого аналога не обеспечивает полезной работы.
Задача заявляемого изобретения - получение полезной работы за счет обеспечения разности работ сжатия и расширения рабочих тел, упрощение конструкции и повышение надежности, обеспечение постоянно низкой температуры теплоносителя, входящего в теплообменную камеру двигателя, что определяет и обеспечивает работоспособность двигателя.
Поставленная задача, решается за счет того, что:
1. В способе работы теплового двигателя, заключающемся в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющим свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечивают тепловую связь между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термическое взаимодействие с рабочими телами, передачу теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя, причем теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела.
2. Тепловой двигатель, содержащий: реверсивный насос теплоносителя, под- и надпоршневое пространства которого соединены с первым и вторым теплообменниками холодильника соответственно; механизм преобразования движения; силовой цилиндр двухстороннего действия, надпоршневое пространство которого соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела; теплообменную камеру нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю. Выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно; входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя двухстороннего действия соответственно.
Новые существенные признаки:
1. теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник и охлаждают до температуры холодильника;
2. теплоноситель направляют в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела;
3. выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно;
4. входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса теплоносителя соответственно.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат.
1. Обтекание холодным теплоносителем теплообменника сжимающегося рабочего тела понижает давление и температуру сжимающегося рабочего тела, что обеспечивает разность давлений сжимающегося и расширяющегося рабочих тел.
2. Обтекание горячим теплоносителем теплообменника расширяющегося рабочего тела повышает давление и температуру расширяющегося рабочего тела, что обеспечивает полезную работу за счет разности сил давления расширяющегося и сжимающегося рабочего тела в циклах.
3. В каждом цикле обеспечивается отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела холодным теплоносителем и передача ее в сумме с теплотой нагревателя расширяющемуся рабочему телу.
4. Предлагаемый способ и устройство для его реализации технологичен, содержит минимум элементов, не содержит сложных элементов, что позволяет изготовить тепловой двигатель с повышенной экономичность и надежностью работы, пониженной виброактивностью и низким уровнем акустических шумов за счет отсутствия взрывного горения топлива, присущего, например, двигателям внутреннего сгорания.
5. Обеспечение постоянно низкой температуры теплоносителя на входе в теплообменную камеру в процессе сжатия рабочего тела обеспечивает отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела в каждом цикле.
6. Нагрев расширяющегося рабочего тела за счет суммарной теплоты (теплоты сжатия и теплоты, полученной от нагревателя) обеспечивает работоспособность теплового двигателя при повышенной экономичности за счет повторного использования теплоты сжатия рабочих тел, передаваемой от одного рабочего тела к другому, все время работы двигателя.
На фиг.1 - схематично изображен тепловой двигатель при движении поршней слева направо.
На фиг.2. схематично изображен тепловой двигатель при движении поршней справа налево.
Тепловой двигатель содержит силовой цилиндр 1 двухстороннего действия, в котором находятся рабочие тела 2, 3 по обе стороны адиабатического рабочего поршня 4, механически взаимодействующего с преобразователем движения, например с профилированными планшайбами или кривошипно-шатунными механизмами 5, соединенными кинематической связью 6.
Надпоршневое пространство 7 силового цилиндра 1 двухстороннего действия соединено с теплообменником 8 первого рабочего тела 2, а подпоршневое пространство 9 соединено с теплообменником 10 второго рабочего тела 3.
Надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 соединено первым входным каналом 14 через клапан 15 с входом 16 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 8 первого рабочего тела 2, причем в теплообменной камере 17 теплообменники рабочих тел 8, 10, непроницаемые для теплоносителя 13, симметрично расположены по отношению к нагревателю 18.
Второй выходной канал 19 теплообменной камеры 17 через теплообменник 20 холодильника 21 и клапан 22 соединен с подпоршневым пространством 23 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 и с входом 26 теплообменной камерой 17.
Подпоршневое пространство 23 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 соединено вторым впускным каналом 24 через клапан 25 с входом 26 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 10 второго рабочего тела 3.
Первый выходной канал 27 связан через теплообменник 28 холодильника 21 и клапан 29 с надпоршневым пространством 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13. Надпоршневое 11 и подпоршневое 23 пространства реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 разделяются поршнем 30. Клапаны 22 и 29 установлены на выходе теплообменников 20 и 28 холодильника 21 соответственно
Рассмотрим работу теплового двигателя в установившемся режиме по произвольному циклу. Такой режим работы может обеспечить использование преобразователя движения в виде профилированных планшайб, создающих синхронное или опережающее перемещение поршня 30 реверсивного насоса 12 по отношению к движению рабочего поршня 4, например поршни движутся слева направо (фиг.1).
В процессе расширения рабочего тела 2 поршень 30 реверсивного насоса 12 движется слева направо, перекачивая теплоноситель 13 против часовой стрелки. При этом уменьшается подпоршневое пространство 23 реверсивного насоса 12 и увеличивается надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13. Холодный теплоноситель 13 вытесняется из подпоршневого пространства 23 и через второй входной канал 24 теплообменной камеры 17 и открытый клапан 25 поступает в теплообменную камеру 17. В теплообменной камере 17 холодный теплоноситель 13 охлаждает теплообменник 8 сжимающегося второго рабочего тела 3 и отводит от него теплоту сжатия. Двигаясь дальше, теплоноситель 13, проходя через нагреватель 18, получает от него дополнительную теплоту и повышает свою температуру. Нагретый теплоноситель 13 при дальнейшем движении обтекает теплообменник 8 первого рабочего тела 2, нагревает его, передавая первому рабочему телу 2 часть суммарной полученной теплоты (теплоты сжатия второго рабочего тела 3 и теплоты нагревателя 18). Температура и давление рабочего тела 2 повышаются. За счет разности сил давления первого рабочего тела 2 и охлаждаемого второго рабочего тела 3 совершается полезная работа. При дальнейшем движении теплоноситель 13 при закрытом клапане 15 поступает через первый выходной канал 27 теплообменной камеры 17 в теплообменник 28 холодильника 21, передавая холодильнику 21 теплоту, не использованную в цикле. Далее через открытый клапан 29 охлажденный теплоноситель 13 двигается в надпоршневое пространство 11 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13.
После достижения поршнем 30 реверсивного насоса 12 теплоносителя 13 крайнего правого положения (правой мертвой точки) поршни 4 и 30 начинают движение справа налево (фиг.2); теплоноситель 13 начинает перемещаться по часовой стрелке. При этом клапаны 25 и 29 закрываются, а клапаны 15 и 22 открываются. Холодный теплоноситель 13 через клапан 22 поступает в надпоршневое пространство 23 и вытесняется из надпоршневого пространства 11 через открытый клапан 15 и вход 16 в теплообменную камеру 17 перед теплообменником 8 первого рабочего тела 2. Обтекание теплообменника 8 холодным теплоносителем вызывает отвод теплоты сжатия от первого рабочего тела 2, снижение его температуры и давления. При дальнейшем движении теплоносителя 13 через нагреватель 18 к нему добавляется теплота, что повышает температуру теплоносителя. Часть суммарной теплоты (теплоты сжатия, отведенной от первого рабочего тела 2, и теплоты, полученной от нагревателя 18) передается теплоносителем 13 второму рабочему телу 3 при обтекании теплоносителем 13 теплообменника 10 второго рабочего тела 3, что повышает давление и температуру второго рабочего тела 3. Поршни 4 и 30 продолжают движение до крайнего левого положения (левой мертвой точки). В процессе движения справа налево рабочий поршень 4 совершает полезную работу за счет разности сил давления нагреваемого расширяющегося второго рабочего тела 3 и охлаждаемого и сжимаемого рабочего тела 2. После достижения левой мертвой точки поршни 4 и 30 начинают движение слева направо и процессы симметрично повторяются. При этом в каждом цикле в теплообменную камеру 17 перед теплообменниками 8 и 10 входит холодный теплоноситель, обеспечивая отвод теплоты сжатия от рабочих тел 2 и 3, за счет чего периодически понижаются температура и давление одного из рабочих тел, в то время как температура и давление другого рабочего тела повышаются за счет суммарной теплоты нагревателя 18 и теплоты сжатия рабочего тела 2 или 3. Разность сил давления в процессах расширения и сжатия рабочих тел 2, 3 совершает полезную работа каждым рабочим телом. Не преобразованная в циклах теплота передается теплоносителем 13 в холодильник 21 в каждом цикле.
Клапаны 15 и 25 установлены с возможностью открытия как входных 14 и 24, так и выходных каналов 19 и 27 в циклах поочередно. Клапаны в конструкции двигателя могут приводиться в действие механическим, электрическим, гидравлическим или пневматическим способом.
Предложенный способ и двигатель не нарушают законов термодинамики. В способе используется подвод теплоты от нагревателя рабочим телам, отвод теплоты от рабочих тел холодному телу - теплоносителю, рабочие тела циклически изменяют свои параметры. Не преобразованная в работу в циклах теплота передается холодильнику теплоносителем, что ограничивает коэффициент преобразования теплоты в работу значением меньше единицы. Использование нагревателя и холодильника позволяет получить разность сил давления рабочих тел и полезную работу. При этом выполняется утверждение одной из формулировок второго начала термодинамики: нельзя стопроцентно преобразовать теплоту в работу.
Пояснения к Фиг.1 и Фиг.2
холодный теплоноситель,
часть теплоты q2, отводимой от сжимающегося рабочего тела,
теплоноситель, получивший теплоту q2,
теплоноситель, получивший от нагревателя часть теплоты 
часть теплоты q1=qL+q2, подведенной к расширяющемуся рабочему телу,
теплоноситель, движущийся в теплообменник холодильника при температуре 
1. Способ работы теплового двигателя, заключающийся в циклическом изменении замкнутых рабочих пространств с рабочими телами, изменяющими свои параметры в циклах со сдвигом по фазе, обеспечении тепловой связи между ними при помощи теплоносителя, которому сообщают периодические, циклические перемещения в замкнутом пространстве, термического взаимодействия с рабочими телами, передачи теплоты, отводимой от одного рабочего тела, другому рабочему телу в сумме с теплотой нагревателя, отличающийся тем, что теплоноситель в каждом цикле направляют в холодильник, охлаждают до температуры холодильника и направляют теплоноситель в теплообменную камеру, обеспечивая отвод теплоты от сжимающегося рабочего тела.
2. Тепловой двигатель, содержащий: реверсивный насос двухстороннего действия теплоносителя, под- и надпоршневое пространства которого соединены с первым и вторым теплообменниками холодильника соответственно; силовой цилиндр двухстороннего действия, надпоршневое пространство которого соединено с теплообменником первого рабочего тела, а его подпоршневое пространство соединено с теплообменником второго рабочего тела; теплообменную камеру нагревателя, в которой теплообменники рабочих тел, непроницаемые для теплоносителя, симметрично расположены по отношению к нагревателю; механизм преобразования движения; отличающийся тем, что выходные каналы теплообменной камеры соединены с входами теплообменников холодильника, выходы которых через клапаны соединены с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса двухстороннего действия теплоносителя соответственно, а входные каналы теплообменной камеры установлены через клапаны перед теплообменниками рабочих тел и соединяют входы теплообменной камеры с над- и подпоршневым пространствами реверсивного насоса двухстороннего действия теплоносителя соответственно.
