двигатель для преобразования тепловой энергии в механическую энергию

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего испарения, содержащий источник тепла, рекуперативный теплообменник, камеру переменного объема с подвижным элементом, холодильник, насос и рабочее тело в виде жидкости, на входном трубопроводе которой из холодильника в камеру переменного объема установлены насос и дополнительно дозатор, подвижный элемент соединен с потребителем механической энергии, а на выходном трубопроводе из этой камеры в холодильник установлен управляемый клапан, управление работой которого, а также дозатором согласовано с положением подвижного элемента относительно стенок этой камеры, отличающийся тем, что соединение подвижного элемента камеры переменного объема с потребителем механической энергии выполнено гидростатическим, а камера переменного объема расположена внутри герметичной камеры с подводящим и отводящим патрубками теплоносителя и конденсатоотводчиком.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько камер переменного объема, подвижные элементы которых соединены с общим потребителем механической энергии, циклы которых смещены относительно друг друга по времени на величину, равную продолжительности цикла одной камеры, деленную на количество камер.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что насос подачи рабочего тела в камеру переменного объема через дозатор выполнен постоянного давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую энергию и двигателям для его осуществления.

Общеизвестен способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию в паровых поршневых машинах и двигателях внутреннего сгорания, включающий в себя подачу или получение в камере переменного объема с подвижным элементом горячего газообразного рабочего тела при расширении которого совершается перемещение подвижного элемента.

Недостатком данного способа является необходимость использовать лишь высокопотенциальное тепло с рассеиванием низкопотенциального тепла в окружающую среду, что, кроме снижения термического коэффициента полезного действия (КПД) требует, зачастую, использования части произведенной механической энергии на работу системы охлаждения.

Известен свободнопоршневой двигатель, содержащий качающийся цилиндр с установленным внутри его свободным поршнем, который образует камеры переменного объема относительно головок цилиндров с клапанами куда подают газ под избыточным давлением. (См. патент РФ № 2304227, F02B 71/04, F01B 59/00).

Недостатком данного технического решения является то, что оно преобразует лишь часть энергии избыточного давления газовой среды в механическую энергию без значительного изменения ее термодинамического состояния.

Известен двигатель Стерлинга, где используется внешний источник теплоты, а рабочее тело (газ) работает по замкнутому циклу без фазового перехода газ-жидкость и также требует высокопотенциального источника тепла. (См.книгу Г.Н. Алексеев "Общая теплотехника", М., "Высшая школа", 1980, с.187-182).

Известно также техническое решение по преобразованию теплоты в механическую энергию, осуществляющее этот процесс по бинарному циклу и содержащее ртутный котел, ртутную турбину, ртутный конденсатор, он же котел для воды, пароперегреватель водяного пара, турбину водяного пага, конденсатор водяного пара. (См. книгу "Справочник машиностроителя" под редакций Е.А. Чудакова, М., "Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы", 1951, т.1, с.457). То есть здесь реализован способ для увеличения термического КПД согласно цикла Карно путам увеличения начальной температуры цикла использованием ртути в качестве рабочего тела, не понижая нижней температуру цикла, то есть также как и в моноцикле с паровой турбиной водяного пара без использования теплоты фазового перехода при конденсации водяного пара для преобразования ее в механическую энергию, причем теплота фазового перехода во много раз превышает теплосодержание перегретого водяного пара, используемого в качестве рабочего тела и повышение параметров которого ограничено возможностями современных конструкционных материалов. Такие устройства позволяют иметь КПД в 60-70%, но из-за дороговизны сложности и опасности ртути распространения не получили. Наибольшее распространение получили способы и устройства, работающие по теплофикационному циклу, где отработанный в турбине пар служит для производства теплоты. (См. книгу Г.Н. Алексеев "Общая теплотехника", М., "Высшая школа", 1980, с.157). Однако, зачастую, в местах нахождения ископаемого топлива (уголь, торф) нет крупных потребителей тепла, транспортировка же топлива к промышленным центрам удорожает стоимость производимой энергии. Атомные электростанции, работающие по теплофикационному циклу, также приходится размещать в местах потребления тепла, что небезопасно. Значительно выгоднее было бы тепловые станции размещать в местах наличия ископаемого топлива, а атомные в малонаселенных районах и производимую на них энергию передавать потребителям в виде электроэнергии, тем более, что в южных районах и в теплый период повсеместно потребление тепла снижается, а потребление электроэнергии изменяется мало. Кроме того все перечисленные способы и устройства работают на высокопотенциальном тепле и не способны преобразовывать низкопотенциальное тепло, в том числе тепло окружающей среды, в механическую энергию.

Целью изобретения является повышение доли выхода вырабатываемой механической энергии как на проектируемых, так и существующих тепловых электростанциях, что позволяет строить проектируемые тепловые станции в местах добычи топлива, а атомные в малонаселенных районах, преобразовывать ее в электроэнергию и передавать потребителям, а также производить механическую энергию от низкопотенциальных источников тепла, таких как: отработанный пар паровых машин, теплота отходящих газов котельных и тепловых двигателей, от сжигания попутного газа на нефтепромыслах поскольку установки могут быть выполнены мобильными и любой единичной мощности, геотермальные воды, солнечная радиация, особенно в космосе, тепло окружающей среды, например тепло океанских вод в том числе и для привода движителей судов и тому подобное, что, все вместе взятое, позволит существенно снизить стоимость механической энергии, а, следовательно, и электрической при преобразовании ее в последнюю.

Технический результат, достигаемый изобретением заключается в том, что в герметичную камеру переменного объема с подвижным элементом, который соединен с потребителем механической энергии, в положении ее наименьшей) объема порционно подают рабочее тело в виде жидкости, причем стенки этой камеры располагают в среде, температура которой выше температуры кипения подаваемой в камеру жидкости, затем, по испарении этой порции жидкости и перемещении вследствие этого повышения давления из-за фазового перехлда жидкости в пар в положение наибольшего объема камеры, ее соединяют со сбросом давления. Сброс давления осуществляют в, холодильник-конденсатор, а сконденсировавшуюся в нем жидкость повторно подают по замкнутому циклу в камеру переменного объема. Рабочим телом служит низкокипящая жидкость.

Данный процесс осуществляют в двигателе внутреннего испарения, который содержит рекуперативный теплообменник в виде герметичной камеры переменного объема с подвижным элементом, который соединен с потребителем механической энергии, а наружные стенки этой камеры омываются теплоносителем. Внутренний объем камеры переменного объема соединен с внутренним объемом холодильника посредством трубопроводов, причем на входной трубопроводе в камеру из холодильника установлены насос постоянного давления и дозатор, а на выходном из камеры в холодильник - управляемый клапан управление работой которого, а также дозатором, согласовано с положением подвижного элемента относительно стенок камеры. Соединение подвижного элемента камеры переменного объема с потребителем механической энергии выполнено гидростатическим с использованием гидроаккумулятора. Двигатель содержит несколько камер переменного объема, подвижные элементы которых соединены с общим потребителем механической энергии, а рабочие циклы их смещены относительно друг друга по времени на величину, равную продолжительности* цикла одной камеры деленную на количество камер. При использовании в качестве теплоносителя горячего газа или пара нагреваемая часть камеры переменного объема заключена в герметичную камеру с подводящим и отводящим патрубками теплоносителя и конденсатоотводчиком.

Изобретение поясняется чертежом.

Двигатель внутреннего испарения содержит рекуперативный теплообменник 1 с герметичной камерой подвода теплоносителя, камеру переменного объема 2 с подвижным элементом 3 и связью этого элемента с потребителем механической энергии, отводящий 5 трубопровод рабочего тела от камеры переменного объема 2 в холодильник 6 на котором установлен управляемый клапан 7,подводящий рабочее тело из холодильника 6 в камеру переменного объема 2 трубопровод 8 на котором по ходу рабочего тела установлены насос 9 постоянного давления и дозатор 10. Герметичная камера теплоносителя рекуперативного теплообменника 1 содержит впускной 11 и выпускной 12 с задвижкой патрубки теплоносителя и конденсатоотводчик 13. При исполнении связи гидростатической камера 2 содержит герметичную камеру 14 с подводящим рабочую жидкость передачи движения трубопроводом 15 и отводящим потребителю механической энергии трубопроводом 16, причем на этих трубопроводах установлены запорные клапаны, а подвижный элемент 3 может быть выполнен общим как для камеры 2,так и для камеры 14 в виде поршня или диафрагмы.

Работает двигатель внутреннего испарения следующим образов. Стенки камеры переменного объема 2,которые для более интенсивной передачи тепла и увеличения площади испарения имеют наружные по всей наружной поверхности камеры в положении подвижного элемента 3,обеспечивающего ее наибольший объем, и внутренние по ее наименьшему объему-оребрение передают тепловую энергию во внутрь этой камеры. Насос 9 забирает сконденсировавшуюся в холодильнике 6 жидкость и подает ее под постоянным давлением но с переменным расходом дозатору 10, который, в свою очередь, согласованно с положением подвижного элемента 3 относительно стенок камеры 2, то есть при его положении, обеспечивающем ее наименьший объем и требуемой величины быстроходности и развиваемого подвижным элементом 3 усилия подает в камеру 2 требуемый объем рабочего тела, в данном случае низкокипящей жидкости, например аммиака. Жидкость, получая тепло через стенки камеры 2, начинает испаряться, давление в камере 2 повышается и подвижный элемент 3 начинает перемещаться, передавая усилие через связь потребителю механической энергии. По мере расширения пара его температура, а, следовательно, давление в камере 2 и усилие на подвижный элемент 3 уменьшаются. Для компенсации этого снижения температуры и давления наружные стенки камеры 2 контактируют с источником тепловой энергии по всей наружной поверхности до положения подвижного элемента 3, обеспечивающего ее наибольший объем, что позволяет поддерживать температуру и давление в камере 2 в требуемых параметрах, поскольку если внутренняя поверхность стенок камеры 2 в положении ее наименьшего объема охлаждается от испарения жидкости, то подогрев паров жидкости будет происходить от неохлажденных еще стенок при перемещении подвижного элемента. По достижении предельной величины перемещения подвижного элемента 3 относительно стенок камеры 2 се внутренний объем клапан 7 через трубопровод 5 соединяет со входом холодильника 6,давление в камере резко падает и подвижный, элемент 3 устройством для возвращения в исходное положение возвратится в положение наименьшего объема при котором клапан 7 закроется, а дозатор 10 подаст в камеру 2 необходимое количество рабочего тела. Во время всего цикла наружные стенки камеры 2,находясь в потоке теплоносителя, нагревают внутренние ее стенки. Изменяя дозатором 10 количество подаваемого в камеру 2 рабочего тела, регулируют усилие перемещения подвижного элемента 3 и его быстроходность. При небольшом требуемом усилии перемещения элемента 3 подачу уменьшают и испарение меньшего объема жидкости с перегревом пара до меньшей температуры займет меньше времени и быстроходность увеличится. Для создания большего усилия на подвижный элемент 3 количество подаваемой дозатором 10 жидкости в камеру 2 увеличивают, но это снижает быстроходность из-за увеличения времени испарения.

При использовании в качестве теплоносителя текучих сред (дымовые газы, горячая вода и т.п.) задвижка, которая установлена на выпускном патрубке 12 теплоносителя, открыта и отработанный теплоноситель удаляется из теплообменника 1, куда он был подан через впускной патрубок 11. При использований в качестве теплоносителя водяного пара задвижка патрубка 12 закрыта и сконденсировавшаяся в теплообменнике 1 вода отводится конденсатоотводчиком 13.

При выполнении двигателя с гидростатическим соединением потребителя механической энергии с подвижным элементом 3,который выполнен в виде диафрагмы либо поршня, одна рабочая поверхность которых воспринимает давление паров в камере 2,а другая воздействует на жидкость передачи движения в герметичной каморе 3 4. При наименьшем объеме камеры 2 камера 14 через трубопровод 15 с установленным на пути потока запорным клапаном заполняется жидкостью передачи движения, причем запорный клапан, который установлен на пути потока жидкости из камеры 14 через отводящий трубопровод 16, закрыт. При рабочем ходе подвижного элемента 3,когда в камере 2 начнет подниматься давление от испарения поданной в нее насосом 9 и отмеренное дозатором 10 необходимое при заданном режиме потребления механической энергии количество низкокипящей жидкости, вначале закроется запорный клапан на пути потока жидкости передачи движения в камеру 14 через трубопровод 15, а затем откроется запорный клапан на пути движения жидкости передачи движения из камеры 14 через трубопровод 16. Когда давление этой жидкости в камере 14, то есть перед запорным клапаном трубопровода 16 превысит давление давление за этим клапаном, механическая энергия перемещения подвижного элемента 3 потоком жидкости передачи движения передается потребителю.

Изобретение позволяет использовать теплосодержание отходящих дымовых газов теплопроизводящих установок вплоть до конденсации водяного пара как при сгорании органического топлива, так и от испарения содержащейся в топливе воды на производство механической энергии, а в случае использования в качестве теплоносителя отработанного водяного пара паровых машин использовать в бинарном цикле с ними даже скрытую теплоту парообразования воды, которая в несколько раз превышает теплосодержание пара. Кроме того возможно использование любого источника теплоты, температура которого выше температуры кипения низкокипящей жидкости, например тепла окружающей среды, воды морей и океанов для привода в действие движителей судов. Эффективно использование в космосе, поскольку велики разница температур стороны, обращенной к светилу для нагревателя и стороны, находящейся в тени, для холодильника. Относительно малая быстроходность предложенного двигателя может быть скомпенсирована как механическим редуктором, так и установкой нескольких камер переменного объема, работающих на общий потребитель механической энергии, особенно при гидростатическом способе передачи движения с использованием гидроаккумулятора, причем невысокая быстроходность, в свою очередь, снижает инерционные нагрузки.