способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающийся в том, что в качестве рабочего тела используют смесь из нескольких компонентов, при этом одна группа компонентов смеси представляет собой теплопоглотитель, а другая - жидкий теплоноситель, который предварительно нагревают, после чего в рабочей камере производят передачу тепловой энергии от теплоносителя к теплопоглотителю путем смешивания теплоносителя с теплопоглотителем с последующим расширением рабочего тела, полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу, после чего отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, отличающийся тем, что нагрев жидкого теплоносителя осуществляют за счет тепловой энергии окружающей среды, а в качестве теплопоглотителя используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ в процессе смешивания с теплоносителем, при этом отработанный теплоноситель отводят для повторного нагрева за счет тепловой энергии окружающей среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе смешивания теплоносителя с теплопоглотителем производят диспергирование теплопоглотителя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве жидкого теплоносителя используют жидкость с пенообразующими свойствами, которая в процессе смешивания с теплопоглотителем образует рабочее тело в виде пены.

4. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащее источник тепловой энергии, рабочую камеру, образованную неподвижными стенками ее корпуса и обращенной внутрь этой камеры рабочей поверхностью поршня и снабженную впускными и выпускными клапанами, систему циркуляции теплоносителя, включающую теплообменное устройство, накопитель теплоносителя, насос для его подачи и трубопроводы, отличающееся тем, что в устройство введены хранилище жидкого теплопоглотителя, тракт подачи его в рабочую камеру, дозатор теплопоглотителя, включенный в этот тракт между хранилищем жидкого теплопоглотителя и рабочей камерой, а в качестве источника тепловой энергии использована система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в систему циркуляции теплоносителя перед его накопителем введен сепаратор рабочего тела.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству выполнена в виде блока принудительной подачи атмосферного воздуха к теплообменному устройству.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству выполнена в виде блока принудительной подачи воды природных водоемов к теплообменному устройству.

8. Устройство по п. 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит группу идентичных рабочих камер, поршни которых кинематически связаны между собой, при этом все рабочие камеры подсоединены к системе циркуляции теплоносителя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к силовым установкам и может быть использовано в различных областях техники, например в транспортных машинах в качестве двигателя, в энергетических установках и пр.

Известно много способов преобразования тепловой энергии в механическую работу и устройств для их осуществления.

В качестве аналога выбрано техническое решение, описанное в авт. свид. СССР N 1564372 по кл. F 01 K 21/00. В нем рассмотрены способ преобразования энергии пара в механическую работу в паросиловой установке путем испарения жидкого рабочего тела в парогенераторе, периодической подачи этого пара в рабочую камеру паровой машины и отвода отработанного пара в конденсатор. При этом подача жидкого рабочего тела в парогенератор осуществляется порциями с частотой рабочих циклов паровой машины, рабочее тело предварительно сжимают и подогревают для обеспечения более энергетически эффективного преобразования его в пар.

Недостатком известного технического решения является отсутствие рекуперации тепловой энергии в процесс повторного испарения сконденсированного рабочего тела и, как следствие, недостаточно высокий КПД процесса и тепловой машины.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения по большинству сходных признаков выбрано техническое решение, раскрытое в патенте Российской Федерации N 2075599 по кл. F 01 K 21/00.

Сущность известного способа преобразования тепловой энергии в механическую работу заключается в том, что в качестве рабочего тела используют смесь из двух компонентов. Один компонент смеси представляет собой газообразный теплопоглотитель, а второй - жидкий теплоноситель. Жидкий теплоноситель с помощью автономного источника теплоты нагревают, подают его в рабочую камеру, добиваясь расширения рабочего тела за счет расширения газообразного теплопоглотителя, после чего энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу поршня, а отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла. В соответствии с известным способом газообразный теплопоглотитель предварительно сжимают в рабочей камере поршнем и при достижении последним верхней мертвой точки в рабочую камеру впрыскивают жидкий теплоноситель, который до этого, как указано выше, нагревают до температуры, равной или превышающей температуру газообразного теплопоглотителя в конце сжатия. Во время рабочего хода поршня тепловая энергия от теплоносителя передается к теплопоглотителю, что приводит к улучшению энергетических характеристик процесса расширения и преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Устройство, реализующее известный способ, содержит автономный источник теплоты, рабочую камеру переменного объема, образованную неподвижными стенками цилиндрического корпуса и обращенной внутрь камеры рабочей поверхностью поршня, при этом камера снабжена впускными и выпускными клапанами; систему циркуляции теплоносителя, включающую теплообменное устройство, выполненное в виде нагревателя-теплообменника, накопитель теплоносителя в виде гидробака, дозатор-распределитель теплоносителя и насос для подачи теплоносителя в пневмогидроаккумулятор. Устройство содержит также систему подачи теплопоглотителя в рабочую камеру посредством магистрали через впускное окно воздушного фильтра. В качестве автономного источника теплоты использована горелка, в которой сжигают поступающее в нее топливо.

Недостатком известного технического решения является следующее.

Предварительное сжатие теплопоглотителя связано с затратами энергии. Для осуществления известного технического решения необходимо сжигание топлива, что связано с дополнительными финансовыми затратами, а также с выделением продуктов сгорания, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии окружающей среды.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом от применения заявляемого технического решения является использование тепловой энергии окружающей среды для совершения полезной механической работы без сжигания какого-либо вида топлива, что улучшает экологические характеристики предложенных процесса и устройства.

Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающемся в том, что в качестве рабочего тела используют смесь из нескольких компонентов, при этом одна группа компонентов смеси представляет собой теплопоглотитель, а другая - жидкий теплоноситель, который предварительно нагревают, после чего в рабочей камере производят передачу тепловой энергии от теплоносителя к теплопоглотителю путем смешивания теплоносителя с теплопоглотителем с последующим расширением рабочего тела, полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу, после чего отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, нагрев жидкого теплоносителя осуществляют за счет тепловой энергии окружающей среды, а в качестве теплопоглотителя используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ в процессе смешивания с теплоносителем, при этом отработанный теплоноситель отводят для повторного нагрева за счет тепловой энергии окружающей среды.

В процессе смешивания теплоносителя с теплопоглотителем может быть осуществлено диспергирование теплопоглотителя.

В качестве жидкого теплоносителя можно использовать жидкость с пенообразующими свойствами, которая в процессе смешивания с теплопоглотителем образует рабочее тело в виде пены.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащее источник тепловой энергии, рабочую камеру, образованную неподвижными стенками ее корпуса и обращенной внутрь этой камеры рабочей поверхностью поршня и снабженную впускными и выпускными клапанами, систему циркуляции теплоносителя, включающую теплообменное устройство, накопитель теплоносителя, насос для его подачи и трубопроводы, в устройство введены хранилище жидкого теплопоглотителя, тракт подачи его в рабочую камеру, дозатор теплопоглотителя, включенный в этот тракт, между резервуаром и рабочей камерой, а в качестве источника тепловой энергии использована система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству.

В систему циркуляции теплоносителя перед его накопителем может быть введен сепаратор рабочего тела.

Система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству может быть выполнена в виде блока принудительной подачи атмосферного воздуха к теплообменному устройству.

Система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству может быть выполнена в виде блока принудительной подачи воды природных водоемов к теплообменному устройству.

Кроме того, предложенное устройство может дополнительно содержать группу идентичных рабочих камер, поршни которых кинематически связаны между собой, а сами камеры подсоединены к системе циркуляции теплоносителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурно-функциональная схема способа преобразования и вариант устройства для его осуществления.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу содержит рабочую камеру 1, образованную неподвижными стенками ее корпуса 2 и обращенной внутрь этой камеры 1 рабочей поверхностью 3 поршня 4. Рабочая камера 1 снабжена впускными клапанами 5 для поступления жидкого теплоносителя и выпускными клапанами 6 для выброса рабочего тела, а также подводом 7 жидкого теплопоглотителя. Через свои впускные клапаны 5 и выпускные клапаны 6 рабочая камера 1 включена в систему циркуляции теплоносителя, образованную последовательно соединенными с помощью трубопроводов 9 накопителем 10 теплоносителя, насосом 11 для подачи теплоносителя и теплообменным устройством 12. В систему циркуляции теплоносителя может быть введен также сепаратор 13 рабочего тела, установленный между выпускными клапанами 6 и накопителем 10 теплоносителя. Тракт подачи в камеру 1 жидкого теплопоглотителя содержит хранилище 14 жидкого теплопоглотителя и дозатор 15 жидкого теплопоглотителя, соединенный с рабочей камерой 1 через подвод 7 жидкого теплопоглотителя. Устройство содержит также систему 16 переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству 12. В варианте, представленном на чертеже, система 16 выполнена в виде блока принудительной подачи атмосферного воздуха к теплообменному устройству 12. Стрелкой 17 обозначен выброс отработанного теплопоглотителя, перешедшего в газообразное состояние.

Способ реализуется следующим образом. При движении поршня 4 вниз происходит частичное заполнение рабочей камеры 1 жидким теплоносителем. Заполнение камеры 1 теплоносителем может происходить за счет разряжения, создаваемого в рабочей камере 1 при движении поршня 4 вниз, а также за счет принудительной подачи теплоносителя насосом 11. По окончании частичного заполнения рабочей камеры 1 жидким теплоносителем дозатор 15 жидкого теплопоглотителя вводит в рабочую камеру 1 через подвод 7 порцию жидкого теплопоглотителя, поступающего к дозатору 15 из хранилища 14 жидкого теплопоглотителя, одновременно закрывают клапаны 5. В качестве жидкого теплопоглотителя предполагается использовать жидкий воздух или его компонент - жидкий азот, а в качестве жидкого теплоносителя - воду, автомобильный тосол или машинное масло. Поступающий в рабочую камеру 1 жидкий теплоноситель предварительно проходит через теплообменное устройство 12, где нагревается за счет тепловой энергии окружающей среды до ее температуры. Введенная в рабочую камеру 1 порция жидкого теплопоглотителя (жидкого воздуха или жидкого азота) при контакте с жидким теплоносителем, частично заполнившим рабочую камеру 1, переходит в газообразное состояние за счет поглощаемой тепловой энергии от теплоносителя, давление в рабочей камере 1 повышается до нескольких сотен атмосфер, образовавшаяся смесь, представляющая собой рабочее тело, расширяется, давит на рабочую поверхность 3 поршня 4, перемещая поршень 4 и совершая механическую работу.

В процессе расширения рабочего тела расширяющийся, перешедший в газообразное состояние его компонент поглощает дополнительную тепловую энергию от теплоносителя, находящегося в рабочей камере 1, что обеспечивает высокий КПД процесса. По окончании процесса расширения рабочего тела клапаны 6 открываются, поршень 4 начинает обратное движение, выдавливая отработанное рабочее тело за пределы рабочего объема. При этом жидкий теплоноситель сливается в накопитель 10, а газообразный компонент 17 (воздух или азот) рабочего тела выпускается в атмосферу.

Далее цикл повторяется, начинаясь с подогрева теплоносителя в теплообменном устройстве 12.

В процессе смешивания порции теплопоглотителя с теплоносителем в рабочем объеме 1 для увеличения поверхности теплового контакта между теплоносителем и теплопоглотителем последний может быть диспергирован, например, с помощью форсунки, входящей в состав подвода 7 теплопоглотителя (на чертеже не показано).

Для увеличения площади теплового контакта между порцией теплопоглотителя и жидким теплоносителем последний может быть наделен пенообразующими свойствами, например, путем добавления в теплоноситель поверхностно активных веществ.

Для обеспечения надежного разделения жидкой и газообразной фаз отработанного рабочего тела в систему циркуляции теплоносителя перед его накопителем 10 может быть введен сепаратор 13 рабочего тела.

Система 16 переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству 12 может быть выполнена в виде блока принудительной подачи атмосферного воздуха к теплообменному устройству 12.

Эта же система 16 может быть выполнена в виде блока принудительной подачи воды к теплообменному устройству 12 из какого-либо природного водоема.

Рассматриваемое устройство может содержать группу идентичных рабочих камер 1, поршни 4 которых кинематически связаны между собой, при этом все рабочие камеры 1 могут быть подсоединены к системе циркуляции теплоносителя.

Предложенные способ и устройство позволяют создать практически абсолютно экологически безопасный двигатель с хорошими энергетическими характеристиками.