СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
METHOD FOR CONVERSION OF HEAT TO OPERATION IN THERMAL ENGINE

Способ преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе может быть использован для технологических нужд различных отраслей народного хозяйства (легкой промышленности, железнодорожного транспорта и др.), в теплоутилизационных установках, для привода компрессоров на нефтеперерабатывающих и химических производствах.
Известен способ преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе, осуществляемый в газотурбинной установке замкнутого цикла (Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М., «Энергия», 1974. С.299-300). В этой установке рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру, а вещество, образующее рабочее тело, остается в неизменном количестве. Как правило, в качестве рабочего тела газотурбинной установки используют газ. В компрессоре газотурбинной установки рабочее тело сжимается, его давление повышается. Далее оно направляется в регенератор, где подогревается за счет теплоты газа, выходящего из турбины. Затем подогретое в регенераторе рабочее тело поступает в подогреватель, где получает теплоту от горячего источника с высокой температурой. При этом температура рабочего тела повышается. Нагретое в подогревателе рабочее тело поступает в турбину, где, расширяясь, производит работу. В процессе расширения давление и температура рабочего тела понижаются. Отработавшие в турбине газы направляются в регенератор, где отдают теплоту сжатому газу, поступающему из компрессора. Из регенератора рабочее тело поступает в охладитель, где отдает теплоту холодному источнику с низкой температурой. При этом температура рабочего тела продолжает понижаться. Далее указанные процессы повторяются.
При преобразовании теплоты в работу по способу, осуществляемому в газотурбинной установке замкнутого цикла, некоторый объем рабочего тела попеременно получает теплоту от горячего источника с высокой температурой и отдает теплоту холодному источнику с низкой температурой таким образом, что давление этого объема рабочего тела периодически изменяется. При этом процесс теплообмена между рассматриваемым объемом рабочего тела и обоими источниками теплоты происходит попеременно, т.е. не является постоянным.
По указанному способу в качестве рабочего тела возможно применение смеси химически реагирующих или диссоциирующих веществ, при нагреве и охлаждении которых протекают обратимые химические реакции (Теплотехника: Учебник для студентов втузов / A.M.Архаров, С.И.Исаев, И.А.Кожинов и др.; Под общ. ред. В.И.Крутова. М.: Машиностроение, 1986. С.216).
Применение указанного способа преобразования теплоты в работу приводит к усложнению тепловых двигателей, что обусловлено необходимостью использования громоздкого регенератора. Кроме того, повышенные гидравлические потери при циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру приводят к менее эффективному преобразованию теплоты в работу.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ преобразования теплоты в работу, осуществляемый в двигателе Стирлинга (Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. Б.В. Сутугина и Н.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. С.178-186). Двигатель Стирлинга содержит разделенные горячую и холодную полости, по соединительным каналам между которыми под действием вытеснительного поршня перемещается рабочее тело. Между горячей и холодной полостями установлен регенератор. Как правило, в качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используют газ. Рабочее тело двигателя Стирлинга совершает работу в замкнутом термодинамическом цикле, попеременно получая теплоту в горячей полости от горячего источника с высокой температурой и отдавая теплоту в холодной полости холодному источнику с низкой температурой. Происходящие при этом периодические изменения давления рабочего тела воспринимаются рабочим поршнем, который перемещается в цилиндре двигателя и передает мощность на вал двигателя посредством механизма привода. По данному способу в качестве рабочего тела также возможно использование химически реагирующих или диссоциирующих веществ, при нагреве и охлаждении которых протекают обратимые химические реакции (Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. Б.В. Сутугина и Н.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. С.154-157).
Применение данного способа преобразования теплоты в работу приводит к усложнению тепловых двигателей, что обусловлено необходимостью использования дополнительного вытеснительного поршня. При этом способе велики потери энергии из-за протекания в двигателе необратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты при больших разностях температур. Кроме того, данный способ не позволяет конструировать высокооборотные двигатели, так как при больших скоростях перемещения рабочего тела между горячей и холодной полостями велики гидравлические потери и снижается эффективность преобразования теплоты в работу.
Изобретение направлено на упрощение конструкции тепловых двигателей и повышение эффективности преобразования теплоты в работу в этих двигателях. Для этого применяют способ преобразования теплоты в работу, при котором в тепловом двигателе рабочее тело выполняют в виде смеси веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция, используют рабочее тело в замкнутом термодинамическом цикле, в котором оно получает теплоту от горячего источника с высокой температурой и отдает теплоту холодному источнику с низкой температурой таким образом, что давление рабочего тела периодически изменяется, при этом применяют постоянный теплообмен между рабочим телом и горячим и холодным источниками теплоты, в объеме рабочего тела создают градиент температуры, используя разность температур горячего и холодного источников теплоты, а работу получают в процессе периодического изменения давления рабочего тела вследствие протекания в его объеме периодической химической реакции.
Применение постоянного теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты позволяет упростить конструкцию теплового двигателя, так как при этом отпадает необходимость в регенераторе и вытеснительном поршне. Создание в объеме рабочего тела градиента температуры уменьшает потери энергии из-за протекания в двигателе необратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, так как теплообмен происходит при меньших разностях температур. Получение работы в процессе периодического изменения давления рабочего тела вследствие протекания в его объеме периодической химической реакции приводит к более эффективному преобразованию теплоты в работу за счет меньших гидравлических потерь в двигателе и за счет эксплуатации теплового двигателя с более высокими оборотами.
Данный способ преобразования теплоты в работу может быть осуществлен в тепловом двигателе, показанном на фигуре. Двигатель состоит из цилиндра 1 с частично теплоизолированными стенками, в который помещен поршень 2, приводимый в движение механизмом привода 3 с валом 4, двух установленных на цилиндре теплообменных рубашек 5 и 6, заполненных горячим и холодным теплоносителями. В цилиндре 1 над поршнем 2 помещено рабочее тело 7, представляющее собой смесь веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция.
При работе теплового двигателя в теплообменные рубашки 5 и 6 подаются горячий и холодный теплоносители с разными температурами. Из-за наличия разности температур теплоносителей в результате теплообмена между каждым из теплоносителей и рабочим телом 7 через стенку цилиндра 1 в объеме рабочего тела 7 создается градиент температуры. Под действием градиента температуры достаточной величины и при возвратно-поступательном движении поршня 2 в состоянии рабочего тела 7 появляется неустойчивость и в его объеме устанавливаются автоколебания, т.е. незатухающие колебания концентраций веществ и температуры в каждом элементе объема рабочего тела 7. При этом в цилиндре 1 в объеме рабочего тела 7 протекает периодическая химическая реакция и появляются химические колебания. В ходе химических колебаний давление рабочего тела 7 в цилиндре 1 периодически изменяется, что приводит к передаче мощности от поршня 2 к вращающемуся валу 4 через механизм привода 3.