|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Тепломеханический двигатель (ТМД), содержащий соединенные трубопроводом с циркулирующим рабочим телом насос, парогенератор, устройство преобразования тепла в механическую работу, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД содержит основной контур, заполненный рабочим телом, переходящим из жидкого агрегатного состояния в парообразное и обратно, последовательно связывающий насос высокого давления (НВ), расположенные в теплоизоляционном кожухе парогенератор перегретого под давлением не менее 5 мПа пара, ресивер, распределители рабочего тела, рабочие цилиндры, поршни которых кинематически связаны посредством механизма преобразования с блоком цилиндров расширительной конденсации, а теплоизоляционный кожух связан посредством стыковочного узла со сторонним источником тепла от горячих газов, например, из выхлопной трубы ДВС. 2. ТМД по п.1, отличающийся тем, что распределители рабочего тела установлены на крышках рабочих цилиндров. 3. ТМД по п.1, отличающийся тем, что механизм преобразования выполнен в виде ромбовидного механизма. 4. ТМД по п.1, отличающийся тем, что на днищах поршня и непосредственно на стационарных крышках цилиндров установлены тепловые накопители. 5. ТМД по п.1, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД дополнительно содержит вспомогательный замкнутый контур циркуляции рабочего тела, соединяющий насос низкого давления (НН) и систему впрыска конденсата в камеру сжатия рабочих цилиндров. 6. ТМД по пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется вода. 7. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу путем испарения рабочего тела, перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру цилиндра поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, подачи его в рабочую камеру цилиндра в начале такта расширения, проведения процесса расширения изотермически, регенерации теплоты отработавшего пара, его конденсата, теплоты от внешних поверхностей исполнительных узлов, заключенных в теплоизолирующий кожух, и отвода отработавшего пара, отличающийся тем, что изотермический процесс расширения рабочего тела ведут путем сжатия его в жидком агрегатном состоянии до высокого давления, не менее 5 мПа, а испарение и перегрев рабочего тела производят за счет подвода горячих газов из сторонних источников тепла, например выхлопной трубы транспортных средств. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что теплоту регенерируют с помощью тепловых накопителей, установленных с подводом к ним тепла горячих газов непосредственно на стационарных крышках рабочих цилиндров, а также на днищах поршней рабочих цилиндров. 9. Способ по одному из пп.7 или 8, отличающийся тем, что отвод отработавшего пара для формирования рабочего тела очередного цикла производят в расширители, кинематически связанные с рабочими цилиндрами посредством ромбовидного механизма и циклически - посредством распределителей рабочего тела и трубопровода.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Тепломеханический двигатель (ТМД), содержащий соединенные трубопроводом с циркулирующим рабочим телом насос, парогенератор, устройство преобразования тепла в механическую работу, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД содержит основной контур, заполненный рабочим телом, переходящим из жидкого агрегатного состояния в парообразное и обратно, последовательно связывающий насос высокого давления (НВ), расположенные в теплоизоляционном кожухе парогенератор перегретого под давлением не менее 5 мПа пара, ресивер, распределители рабочего тела, рабочие цилиндры, поршни которых кинематически связаны посредством механизма преобразования с блоком цилиндров расширительной конденсации, а теплоизоляционный кожух связан посредством стыковочного узла со сторонним источником тепла от горячих газов, например, из выхлопной трубы ДВС. 2. ТМД по п.1, отличающийся тем, что распределители рабочего тела установлены на крышках рабочих цилиндров. 3. ТМД по п.1, отличающийся тем, что механизм преобразования выполнен в виде ромбовидного механизма. 4. ТМД по п.1, отличающийся тем, что на днищах поршня и непосредственно на стационарных крышках цилиндров установлены тепловые накопители. 5. ТМД по п.1, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД дополнительно содержит вспомогательный замкнутый контур циркуляции рабочего тела, соединяющий насос низкого давления (НН) и систему впрыска конденсата в камеру сжатия рабочих цилиндров. 6. ТМД по пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется вода. 7. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу путем испарения рабочего тела, перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру цилиндра поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, подачи его в рабочую камеру цилиндра в начале такта расширения, проведения процесса расширения изотермически, регенерации теплоты отработавшего пара, его конденсата, теплоты от внешних поверхностей исполнительных узлов, заключенных в теплоизолирующий кожух, и отвода отработавшего пара, отличающийся тем, что изотермический процесс расширения рабочего тела ведут путем сжатия его в жидком агрегатном состоянии до высокого давления, не менее 5 мПа, а испарение и перегрев рабочего тела производят за счет подвода горячих газов из сторонних источников тепла, например выхлопной трубы транспортных средств. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что теплоту регенерируют с помощью тепловых накопителей, установленных с подводом к ним тепла горячих газов непосредственно на стационарных крышках рабочих цилиндров, а также на днищах поршней рабочих цилиндров. 9. Способ по одному из пп.7 или 8, отличающийся тем, что отвод отработавшего пара для формирования рабочего тела очередного цикла производят в расширители, кинематически связанные с рабочими цилиндрами посредством ромбовидного механизма и циклически - посредством распределителей рабочего тела и трубопровода.
Евразийское 027415 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.07.31
(21) Номер заявки 201400955
(22) Дата подачи заявки 2014.06.25
(51) Int. Cl. F01K21/00 (2006.01) F02G1/04 (2006.01) F01K19/10 (2006.01)
(54) ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ
(43) 2015.12.30 (56) RU-C1-2059836
(96) 2014/EA/0046 (BY) 2014.06.25 R^C1-2075^
(71)(72)(73) Заявитель, изобретатель и патентовладелец: RU-C1-2050442
КОТОВИЧ АЛЕКСАНДР GB-A-2453009
НИКОЛАЕВИЧ; МАСАРНОВСКИЙ
СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ;
МАСАРНОВСКИЙ ВИТАЛИЙ
СЕРГЕЕВИЧ (BY)
(74) Представитель:
Дунай Т.Н. (BY)
(57) Изобретение относится к тепломеханическим двигателям (ТМД), основанным на способе I преобразования тепловой энергии в механическую работу в поршневых двигателях с внешним | подводом теплоты, работающих по замкнутому регенеративному циклу со сменой агрегатного состояния рабочего тела, могут использоваться в качестве силовой установки транспортных средств. Технические результаты предложения направлены на повышение КПД, обеспечение экологической безопасности, улучшение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции ТМД. Высокое давление рабочего тела получают путем его сжатия в жидком агрегатном состоянии, без затраты тепловой энергии, с пренебрежительно малой затратой механической работы. Тепловая энергия используется для испарения сжатого рабочего тела и нагрева стенок цилиндра. Работает ТМД по комбинированному способу, состоящему из четырех циклов, рабочие тела которых объединяют в процессе работы. Расширение ведут по изотермическому закону с последующей регенерацией, не преобразованной в работу теплоты, которую используют непосредственно в цилиндре для формирования рабочего тела очередного цикла из впрыскиваемого в объем сжатия конденсата.
Изобретение относится к двигателестроению, основанному на способе преобразования тепловой энергии в механическую работу, предпочтительно в поршневых двигателях с внешним подводом теплоты, работающих по замкнутому регенеративному циклу со сменой агрегатного состояния рабочего тела, могут использоваться в качестве силовой установки транспортных средств или в стационарных установках с использованием различных видов тепловой энергии и могут найти применение в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики.
Известен двигатель Р. Стирлинга с внешним подводом теплоты, работающий по замкнутому регенеративному циклу. В основе его работы лежит принцип разделения горячей и холодной полостей цилиндра, между которыми рабочее тело перемещается с помощью вытеснительного поршня, приводимого в действие от специального механизма преобразования, прокачивая рабочее тело через нагреватель, регенератор и холодильник в каждом цикле в прямом и обратом направлении. Полезная работа обеспечивается за счет сжатия тела, при низкой температуре и расширении того же рабочего тела при высокой температуре (Ридер Г. Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1966, с. 16-40).
Основным недостатком известного двигателя является низкий КПД и малая удельная мощность.
Известна силовая установка транспортного средства, имеющая паровой контур открытого типа, включающий парогенератор, установленный на выхлопной коллектор и выхлопную трубу ДВС паро-поршневой двигатель или паросиловую турбину, соединенную с коленчатым валом ДВС (патент РФ 2369764, F02G 3/00, 10.10.2009 г).
К основным недостаткам известной силовой установки относится то, что нагрев парообразующей жидкости, находящейся в парогенераторе, охватывающим выхлопной коллектор и часть выхлопной трубы, производится через их стенки, при этом температура за наружными стенками значительно ниже, чем температура выхлопных газов. Кроме того, другим недостатком является невозможность подачи пара под высоким давлением непосредственно на исполнительные узлы.
Основной задачей известного патента является помощь в работе ДВС с коленчатым валом, с которым соединены все основные узлы установки. При этом в патенте не раскрыты конструкции ни одного из основных узлов силовой установки, а они перегружают автомобиль, усложняют его управление и увеличивают затраты на изготовление.
Известен патент (GB2453009, F01K 21/00, 25.03.2009 г.), в котором представлена паросиловая установка с замкнутым адиабатным циклом расширения вместо традиционной фазы охлаждения с помощью теплообменников типа конденсатора.
Установка имеет как минимум два цилиндра, один из которых, рабочий, приводит в движение кривошипом коленчатый вал, связанный с поршнем другого цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела с падением давления и охлаждением через стенки цилиндра, куда и подводится охлаждающая жидкость (СОЖ). Кроме того, в цилиндрах расширения происходит сжатие рабочего тела, что также как и наличие второго рабочего тела приводит к усложнению конструкции, снижает износостойкость, приводит к дополнительным затратам и снижает КПД установки.
Также недостатком является использование в известной установке рабочего цилиндра одностороннего действия, связанного с цилиндром расширения через коленвал, что делает работу этих цилиндров по сравнению с работой рабочих цилиндров двухстороннего действия малоэффективной. При этом, при адиабатном цикле, к рабочему цилиндру снаружи не подводится тепловая энергия, что уменьшает энтальпию рабочего тела, совершающего в данный момент работу в цилиндре, и как следствие приводит к уменьшению крутящего момента на валу установки.
Известно устройство ТМД, содержащий соединенные трубопроводом с циркулирующим рабочим телом насос, парогенератор, устройство преобразования тепла в механическую работу (патент РФ № 2050442, F01K 21/00, 20.12. 1995 г. - прототип по п.1).
Основным недостатком прототипа является экологическая опасность, вызванная тем, что процесс сгорания топлива связан с выбросом продуктов сгорания, сильно загрязняющих атмосферу. К другим недостаткам известного решения относится невысокий КПД при высокой конструктивная сложности и плохие массогабаритные характеристики, что обусловлено недостаточной регенерацией теплоты продуктов сгорания топлива и отработавшего пара из-за потер, возникающих при передаче между большим числом исполнительных узлов.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и установка для его осуществления (патент РФ № 2075599, F01R 21/00, 20.03.1997 г.), в котором используется двухкомпо-нентное рабочее тело, причем газовую компоненту сжимают в цилиндре поршнем, а жидкую компоненту предварительно нагревают и подают в цилиндр непрерывно или дозированно.
Использование газовой составляющей двухкомпонентного рабочего тела значительно усложняет конструкцию устройства, предназначенного для осуществления известного способа, и увеличивает сопротивление движению поршня, что отсутствует в цилиндрах двустороннего действия, в которых каждый ход рабочий. Также недостатком устройства является использование в его работе сгорания топлива, как источника тепловой энергии, и низкий КПД, связанный с невозможностью работы при высоких давлениях рабочего тела.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую работу путем испарения рабо
чего тела и перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, процесс расширения ведут изотермически за счет подвода теплоты от продуктов сгорания топлива и теплоты, аккумулированной в регенераторе на такте сжатия, регенерируют теплоту отработавшего пара, его конденсата, теплоту от внешних поверхностей агрегатов установки, заключенных в теплошумоизолирующий кожух, и теплоту отработавших продуктов сгорания топлива, используя ее для подогрева конденсата рабочего тела, нагнетаемого в парогенератор, топлива и воздуха, нагнетаемых в камеру сгорания (патент РФ № 2059836, F01K 21/00, 10.05.1996 г. - прототип по п.7).
Основным недостатком известного способа является недостаточная регенерация теплоты продуктов сгорания топлива и отработавшего пара из-за потерь, возникающих при передаче между большим числом исполнительных узлов, что приводит к тому, что устройства, реализующие данный способ, имеют высокую конструктивную сложность, невысокий КПД и плохие массогабаритные характеристики. Другим недостатком является то, что присутствует процесс сгорания топлива, который загрязняет атмосферу.
Задачи изобретения - повышение КПД, обеспечение экологической безопасности, улучшение мас-согабаритных характеристик, упрощение конструкции ТМД, путем повышения степени использования и регенерации теплоты отработавшего пара, теплоты нагретых агрегатов и деталей силовой установки, заключенных в теплоизолирующий кожух.
Поставленные задачи решаются тем, что в известном устройстве тепломеханического двигателя (ТМД), содержащем соединенные трубопроводом с циркулирующим рабочим телом насос, парогенератор, устройство преобразования тепла в механическую работу, компоновочная схема ТМД содержит основной контур, заполненный рабочим телом, переходящим из жидкого агрегатного состояния в парообразное и обратно, последовательно связывающий насос высокого давления (НВ), расположенные в теплоизоляционном кожухе парогенератор перегретого под давлением не менее 5 мПа пара, ресивер, распределители рабочего тела, рабочие цилиндры, поршни которых кинематически связаны посредством механизма преобразования с блоком цилиндров расширительной конденсации, а теплоизоляционный кожух связан посредством стыковочного узла со сторонним источником тепла от горячих газов, например из выхлопной трубы ДВС.
Распределители рабочего тела установлены на крышках рабочих цилиндров.
Механизм преобразования выполнен в виде ромбовидного механизма.
На днищах поршня и непосредственно на стационарных крышках цилиндрах установлены тепловые накопители.
Компоновочная схема ТМД дополнительно содержит вспомогательный замкнутый контур циркуляции рабочего тела, соединяющий насос низкого давления (НН) и систему впрыска конденсата в камеру сжатия рабочих цилиндров.
В качестве рабочего тела используется вода.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе преобразования тепловой энергии в механическую работу, путем испарения рабочего тела, перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру цилиндра поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, подачи его в рабочую камеру цилиндра в начале такта расширения, проведения процесса расширения изотермически, регенерации теплоты отработавшего пара, его конденсата, теплоты от внешних поверхностей исполнительных узлов, заключенных в теплоизолирующий кожух, изотермический процесс расширения рабочего тела ведут путем сжатия его в жидком агрегатном состоянии до высокого давления, не менее 5 мПа, а испарение и перегрев рабочего тела производят за счет подвода горячих газов сторонних источников тепла, например выхлопной трубы транспортных средств.
Теплоту регенерируют с помощью тепловых накопителей, установленных с подводом к ним тепла горячих газов непосредственно на стационарных крышках рабочих цилиндров, а также на днищах поршней рабочих цилиндров.
Отвод отработавшего пара для формирования рабочего тела очередного цикла производят в расширители, кинематически связанные с рабочими цилиндрами посредством ромбовидного механизма, и, циклически - посредством распределителей рабочего тела и трубопровода.
Выполнение кинематической схемы в виде основного и вспомогательных контуров движения рабочего тела позволяет работать предложенному устройству ТМД долгое время без пополнения его рабочим телом. В качестве рабочего тела предпочтительно используется вода, как наиболее дешевый продукт.
Регенерация теплоты с помощью тепловых накопителей, установленных на днищах поршня и непосредственно на крышках рабочих цилиндров для формирования части рабочего тела с целью обеспечения очередного цикла, позволяет регенерировать большую часть теплоты. ТМД, работающему по предложенному способу, не нужна система охлаждения. Впрыск конденсата производят для снижения работы сжатия и формирования из него рабочего тела для последующего цикла. Он частично выполняет функции системы охлаждения двигателя, внесенной в полость сжатия рабочего цилиндра.
Наличие ромбовидного механизма позволяет за счет наложения циклов максимальных нагрузок от
рабочих цилиндров, смещенных по фазе циклов друг от друга, избежать остановки механизма в мертвых точках, а развернутость точек соединения шатунов со штоками рабочих цилиндров от центра упрощает схему управления блоком цилиндров.
Наличие расширителей позволяет охладить рабочее тело до нужной температуры (с понижением давления до 0,05 мПа), а наличие дополнительного обдува его воздухом гарантирует конденсацию рабочего тела при любых режимах работы. Вспомогательный контур циркуляции рабочего тела предназначен для осуществления впрыска посредством насоса низкого давления (НН) конденсата в камеру сжатия цилиндров для снижения скрытой теплоты парообразования (O2) и уменьшения сопротивления сжатия.
Электрическая энергия затрачивается только на сжатие насосами (НВ) и (НН) рабочего тела, равное 1-3% от мощности ТМД, и поступает от генератора, вращаемого от привода вала ТМД.
Предложенная компоновочная схема ТМД обеспечивает увеличение КПД, упрощение конструкции, преобразование тепловой энергии в работу практически от любого источника теплоты, а также не дает дополнительных выбросов отходов в атмосферу. Предложенное устройство позволяет получить механическую и электрическую энергию без сжигания топлива.
Таким образом, теплоту в отличие от всех известных двигателей, в окружающую среду не отводят, а практически полностью регенерируют, используя для получения части рабочего тела для очередного цикла.
Предложенный способ позволяет получить механическую и электрическую энергию без сжигания топлива. Высокое давление, необходимое для реализации способа и являющееся основной составляющей энергетики рабочего тела, получают не путем его нагрева, как в ДВС, а за счет увеличения концентрации молекул рабочего тела путем сжатия его до высокого давления, предпочтительно 5-20 мПа и выше в жидком агрегатном состоянии, без затрат тепловой энергии и с малой затратой механической работы. Тепловая энергия используется для испарения и перегрева сжатого рабочего тела и нагрева стенок рабочих цилиндров.
Устройство предложенного ТМД поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена компоновочная схема ТМД;
на фиг. 2 - рабочий цилиндр с тепловыми накопителями и установленным в нем поршнем с тепловыми накопителями.
Компоновочная схема тепломеханического двигателя (фиг. 1) выполнена в виде основного 1 и вспомогательного 2 контуров движения рабочего тела (предпочтительно воды). При этом в рабочие цилиндры 3 и 4 рабочее тело поступает из парогенератора 5 под давлением, предпочтительно 5-20 МПа, но может быть и выше, в виде перегретого пара. Блок рабочих цилиндров двухстороннего действия (каждый ход рабочий) представляет собой три цилиндра 3, 4 разных диаметров, связанных между собой и кинематически, и циклически, посредством трубопроводов 6. Объемы рабочих полостей двух крайних рабочих цилиндров 3 в сумме равны объему центрального рабочего цилиндра 4 при одинаковом рабочем ходе.
Трубопровод 6 подачи рабочего тела соединен с насосами низкого (НН) 7 и высокого (НВ) 8 давления. Основной замкнутый контур 1 заполнен рабочим телом в жидком состоянии (предпочтительно конденсатом воды) 90°C. Трубопровод 6 последовательно связывает насос 8 высокого давления с расположенными в термоизоляционном кожухе 9 блоками испарения 10 и нагрева 11, а также датчиком теплоты 12 и ресивером 13, распределители рабочего тела 14, расположенные на крышках рабочих цилиндров 3 и 4, с ромбовидным механизмом-преобразователем 15 и шестернями-кривошипами 16 и 17. Поршни двухстороннего действия 18 и 19 расположены в рабочих цилиндрах 3 и 4 и кинематически связаны с ромбовидным механизмом-преобразователем 15. Вал отбора мощности 20 находится в зацеплении с шестернями-кривошипами 16 и 17. Механизм-преобразователь 15 с противоположной стороны от цилиндров 3 и 4 кинематически связан с блоком цилиндров 21 расширительной конденсации. Блок цилиндров 21 при помощи поршней образует рабочие полости для расширения отработанного пара и превращения его в конденсат. В случае неполной конденсации пара на выходе конденсата из блока цилиндров 21 установлен радиатор 22. Накопитель конденсата 23 принимает конденсат из радиатора 22. Радиатор 22 обдувается воздухом от вентилятора 24. Накопитель конденсата 23 связан трубопроводами 6 с насосами НН 7 и НВ 8. Блок цилиндров 21 расширительной конденсации оснащен клапанными распределителями 25 для впуска отработанного пара и выпуска конденсата. Для использования электрической энергии потребителями и обеспечения исполнительных узлов (насосы, вентилятор, распределители, датчики и система управления) вал отбора мощности 20 связан с генератором электроэнергии 26.
ТМД дополнительно имеет вспомогательный замкнутый контур циркуляции рабочего тела 2 для осуществления впрыска конденсата посредством насоса низкого давления 7 через плунжерные насосы, связанные с распределителями рабочего тела 14, и через форсунки рабочих цилиндров 3 и 4 в камеру сжатия этих цилиндров для снижения скрытой теплоты парообразования (O2) и уменьшения сопротивления сжатия пара. Впрыск конденсата форсунками в камеры сжатия цилиндров 3 и 4 происходит в моменты нахождения поршней цилиндров 3 и 4 в мертвых точках.
В нижней части теплоизоляционного кожуха 9 организован стыковочный узел с источником горячих газов 27. Теплоизоляционный кожух 9 представляет собой трубопровод, внутри которого располо
жены парогенератор 5, блоки испарения 10 и нагрева 11, ресивер 14, рабочие цилиндры 3 и 4 с тепловыми накопителями 28 и установленными в них поршнями 18 и 19 с тепловыми накопителями 29 (фиг. 2). Теплоизоляционный кожух 9 связан с источником горячих газов 27 с температурой на входе в кожух 700-900°C в расчет на нагрев рабочего пара до 400°C и разогрев теплопередающих поверхностей рабочих цилиндров 3 и 4 до температуры 500-450°C.
Предложенный тепломеханический двигатель работает следующим образом.
При работе ТМД от источника горячих газов 27 в парогенератор 5 поступают выхлопные газы от ДВС или других источников и, обтекая теплопередающие поверхности исполнительных узлов, расположенных в теплоизоляционном кожухе 9, передают тепло через блок теплообмена 10 рабочему телу - водному конденсату, переводя его в парообразное состояние при дальнейшем перегреве пара перед его использованием. Теплопередающие поверхности выполнены в виде спирально навитых теплообменных трубок блока испарения 10 и нагрева 11 и концентрично расположены вокруг накопителя тепла и пара ресивера 13. Перегретый пар из теплообменных трубок поступает в ресивер 13, откуда распределяется по рабочим полостям блока рабочих цилиндров 3 и 4 распределителями 14.
Подача рабочего пара в полость цилиндра, где расширение пара, сопровождаемое падением давления до 1-5 мПа, превращается в механическую энергию, осуществляется в зависимости от расположения поршня в цилиндре по жестким законам кулачковых распределителей 14. Так как поршни связаны с ромбовидным механизмом-преобразователем 15, то их плоскопараллельные перемещения в цилиндрах преобразуются в круговое движение шестерен-кривошипов 16 и 17, при этом создается крутящий момент на вале отбора мощности 20.
Механизм-преобразователь 15, с противоположной стороны от блока рабочих цилиндров 3 и 4, кинематически связан с блоком цилиндров расширительной конденсации 21. Блок 21 своими рабочими поверхностями, образованными его поршнями, связанными с механизмом-преобразователем 15, осуществляет за счет создания вакуумированной среды, резкого расширения с падением давления рабочего тела до 0.05 МПа, перевод отработанного пара в жидкость или в состояние близкое к конденсату. Перевод остатков отработанного пара в жидкость осуществляется в радиаторе дополнительной конденсации
22.
Жидкость-конденсат сливается в накопитель конденсата 23. Радиатор 22 обдувается воздухом от вентилятора 24, а блок расширительной конденсации 22 при необходимости может обдуваться вентилятором для сноса излишков тепла.
Часть накопленной жидкости из бака 23 насосом высокого давления 8 закачивается в парогенератор 10 для воспроизводства рабочего пара, а часть с помощью насоса 7 - в распределители 14 для последующего впрыска, в полости сжатия блока рабочих цилиндров 3 и 4 - на тепло в цилиндрах от сжатия рабочего тела и на тепло, подведенное радиаторами стенок цилиндра.
Регенерация тепла производится с помощью тепловых накопителей 29, установленных на днищах поршней 18 и 19, а также накопителей 28, установленных на стационарных крышках рабочих цилиндров 3 и 4 с подводом к ним тепла горячих газов. Это наряду с подводом тепла, осуществляемого через ореб-ренные стенки цилиндров, дает возможность поддерживать в рабочих цилиндрах 3, 4 необходимую температуру и давление.
Впрыск конденсата рабочего тела в цилиндры 3, 4 в процессе сжатия производят для снижения работы сжатия и формирования из него рабочего тела для последующего цикла. Впрыснутый конденсат нагревается до кондиции рабочего пара, превращается в пар и обеспечивает начальный объем рабочего тела в цилиндре для производства механической энергии. Осуществляется реализация замкнутых рабочих циклов в рабочих цилиндрах с максимальным съемом механической энергии от расширения пара и с использованием в цикле энергии сжатия рабочего тела.
Вся последовательность работы во всех полостях блока рабочих цилиндров 3 и 4 осуществляется распределителями 14 с кулачковым управлением, которые кинематически связаны с вращающимися шестернями-кривошипами 16 и 17 механизма-преобразователя 15 (не показаны).
Создаваемый крутящий момент на шестернях-кривошипах 16 и 17 механизма-преобразователя 15 передается по валу отбора мощности 20 на генератор 26, где и вырабатывается электроэнергия заданной мощности.
Предложенный способ преобразования тепловой энергии в механическую работу относится к комбинированному термодинамическому циклу. Масса рабочего тела в процессе работы по предложенному способу остается постоянной, но происходит разделение его на части и дальнейшее слияние при охлаждении.
Первый цикл. Высокое давление рабочего тела в цикле получают за счет увеличения концентрации молекул рабочего тела путем сжатия его насосом высокого давления до давления, не менее 5 мПа, предпочтительно 5-20 мПа, но может быть и выше, в жидком агрегатном состоянии с последующим испарением и перегревом его паров в парогенераторе и периодической подачи пара в рабочую камеру цилиндра поршневой машины с разных сторон поршня, подачи его в рабочую камеру цилиндра в начале такта расширения, проведения процесса расширения изотермически. При этом, перегрев рабочего тела производят за счет подвода горячих газов, например, из выхлопной трубы ДВС транспортных средств.
Второй цикл является циклом регенерации теплоты для формирования части рабочего тела для очередного цикла с помощью тепловых накопителей, установленных непосредственно на крышках рабочих цилиндров, с подводом к ним тепла горячих газов, а также тепловых накопителей на днищах поршня, что наряду с подводом тепла через оребренные стенки рабочих цилиндров делает обогрев всесторонним и дает возможность поддерживать в рабочих камерах цилиндров необходимую температуру и давление рабочего тела. При этом, тепловые накопители, выполняющие функции теплового насоса, поглощают и перекачивают часть не использованной в процессе расширения теплоты рабочего тела.
Третий цикл осуществляют путем впрыска конденсата рабочего тела в рабочий цилиндр в процессе сжатия. Впрыск производят для снижения работы сжатия и формирования из него рабочего тела для следующего цикла. Испаряют впрыснутый конденсат за счет теплоты, не преобразованной в работу в процессе сжатия. Впрыск конденсата выполняет частично функции системы охлаждения двигателя, внесенной в полость сжатия цилиндра.
Четвертый цикл является циклом конденсации путем отвода отработавшего пара в расширители, кинематически связанные с рабочими цилиндрами посредством ромбовидного механизма и циклически -посредством распределителей рабочего тела и трубопровода. Отвод отработавшего пара осуществляется за счет создания вакуумированной среды, резкого расширения с падением давления рабочего тела до 0,05 МПа и перехода отработанного пара в жидкость или в состояние, близкое к конденсату.
Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу может реализовываться в многоцилиндровых конструкциях тепломеханического двигателя, с использованием различных механизмов преобразования. Работа двигателя, его конструкция и получаемый полезный эффект показаны на примере тепломеханического двигателя с противоположно движущимися поршнями двустороннего действия.
В сравнении с ДВС, ТМД, реализующий предложенный способ, имеет лучшие динамические и тяговые характеристики, в нем нет холостых ходов поршней, переходных режимов, крутящий момент максимален на нулевых оборотах, им не нужны коробки передач, электростартер, глушитель, система охлаждения.
Мощность на валах теплового двигателя составляет 0-1000 кВт и более в зависимости от давления рабочего тела подаваемого в цилиндры и объемов рабочих полостей этих цилиндров. Диапазон оборотов вала отбора мощности от 0 до 4000 об/мин.
Испытание опытного образца предложенного ТМД в комплекте с ДВС (источник тепла) показало прирост мощности на 30% от мощности источника.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Тепломеханический двигатель (ТМД), содержащий соединенные трубопроводом с циркулирующим рабочим телом насос, парогенератор, устройство преобразования тепла в механическую работу, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД содержит основной контур, заполненный рабочим телом, переходящим из жидкого агрегатного состояния в парообразное и обратно, последовательно связывающий насос высокого давления (НВ), расположенные в теплоизоляционном кожухе парогенератор перегретого под давлением не менее 5 мПа пара, ресивер, распределители рабочего тела, рабочие цилиндры, поршни которых кинематически связаны посредством механизма преобразования с блоком цилиндров расширительной конденсации, а теплоизоляционный кожух связан посредством стыковочного узла со сторонним источником тепла от горячих газов, например, из выхлопной трубы ДВС.
2. ТМД по п.1, отличающийся тем, что распределители рабочего тела установлены на крышках рабочих цилиндров.
3. ТМД по п.1, отличающийся тем, что механизм преобразования выполнен в виде ромбовидного механизма.
4. ТМД по п.1, отличающийся тем, что на днищах поршня и непосредственно на стационарных крышках цилиндров установлены тепловые накопители.
5. ТМД по п.1, отличающийся тем, что компоновочная схема ТМД дополнительно содержит вспомогательный замкнутый контур циркуляции рабочего тела, соединяющий насос низкого давления (НН) и систему впрыска конденсата в камеру сжатия рабочих цилиндров.
6. ТМД по пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется вода.
7. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу путем испарения рабочего тела, перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру цилиндра поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, подачи его в рабочую камеру цилиндра в начале такта расширения, проведения процесса расширения изотермически, регенерации теплоты отработавшего пара, его конденсата, теплоты от внешних поверхностей исполнительных узлов, заключенных в теплоизолирующий кожух, и отвода отработавшего пара, отличающийся тем, что изотермический процесс расширения рабочего тела ведут путем сжатия его в жидком агрегатном состоянии до высокого давления, не менее 5 мПа, а испарение и перегрев рабочего тела производят за счет подвода горячих газов из сторонних источников тепла, например выхлопной трубы транспортных средств.
1.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что теплоту регенерируют с помощью тепловых накопителей, установленных с подводом к ним тепла горячих газов непосредственно на стационарных крышках рабочих цилиндров, а также на днищах поршней рабочих цилиндров.
9. Способ по одному из пп.7 или 8, отличающийся тем, что отвод отработавшего пара для формирования рабочего тела очередного цикла производят в расширители, кинематически связанные с рабочими цилиндрами посредством ромбовидного механизма и циклически - посредством распределителей рабочего тела и трубопровода.
1.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
027415
- 1 -
(19)
027415
- 1 -
(19)
027415
- 4 -
(19)
027415
- 6 -
027415
- 6 -
|
