КРИОГЕННАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Криогенная двигательная установка (варианты).
Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к энергетическим установкам, способным производить полезную работу.
Известно изобретение «Способ работы поршневого пневмодвигателя» (а.c. №1818478, SU), в котором предложен способ работы поршневого двигателя, основанного на получении работы не за счет тепла, выделяемого при горении топлива, а за счет охлаждения воздуха окружающей среды в ограниченном объеме с помощью ввода в этот объем хладагента. За счет испарения хладагента давление в этом
объеме падает, и внешнее давление атмосферы может быть использовано для получения полезной работы.
В изобретении «Способ преобразования в механическую работу всего тепла, получаемого рабочим телом теплового двигателя от нагревателя, в частности, тепла, полученного от вещества окружающей среды, и устройство для его осуществления» (патент №2101521, RU) показано, что тепло, полученное хладагентом, может быть эффективно превращено в работу с частичным возвращением тепла источнику. В устройстве, содержащем стандартные элементы поршневого теплового двигателя, рабочие цилиндры разделены на два блока, один из которых находится в тепловом контакте и равновесии с нагревателем, а в другом каждый цилиндр адиабатически изолирован. Поэтому хладагент после расширения снова можно частично перевести в жидкое состояние для последующего использования, а газовую составляющую сжать, охладить до температуры рабочего тела, а затем снова расширить, т.е. контур хладагента сделать замкнутым.
В последнее время появились публикации по использованию криогенных жидкостей для получения полезной работы за счет тепла, накопленного в окружающей среде. Процесс нагрева в этих устройствах заменяет процесс охлаждения рабочего тела на этапе его расширения или перед выхлопом. Таким образом, обеспечивается необходимый теплоперепад между «нагревателем» - теплом окружающей среды и «холодильником» - поглотителем тепла на базе хладагента. В качестве хладагента, использую, например, жидкий воздух или азот.Экологическая чистота такого процесса очевидна, а эффективность преобразования тепла обеспечивается значительной разностью температуры окружающей среды (T=250-350К) и температурой кипения, например, жидкого азота (T~80К).
С целью снижения удельного расхода хладагента в описании к патенту США №2003200751 от 26.04.2002 предложен способ повышения экономичности такого процесса за счет приближения процесса расширения паров азота к изотермическому. Перед расширением пары азота многократно нагревают до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и в дальнейшем расширяют в турбине для получения полезной работы. Охлажденные пары азота после турбины снова подогревают в теплообменнике и подают на следующую турбину, и т.д., до тех пор, пока давление паров на выходе из последней турбины не станет равно конечному давлению процесса. После этого пары азота выбрасываются в атмосферу.
В описании к заявке RU 2000115579 (патент DE №19750589 от 27.05.99) предложен способ работы теплового двигателя с повышенным коэффициентом полезного действия. В предлагаемом техническом решении полезную работу получают за счет использования двух циклов с различными рабочими телами: цикл пара, в котором рабочее тело переходит из фазы жидкости в фазу газа, и цикл газа, в котором рабочее тело всегда находится в газообразном состоянии.
Повышение КПД двигателя происходит благодаря тому, что рабочие тела цикла пара и цикла газа работают на разных температурных уровнях: цикл пара на более высоком уровне, цикл газа - на более низком, причем, пары после получения полезной работы в цикле пара смешивают с сжатым рабочим телом цикла газа, смесь расширяют для получения полезной работы, паровую составляющую смеси сжимают и возвращают в цикл пара, а газовую составляющую цикла газа сжимают, подают для смешивания с газовой составляющей цикла пара и процесс повторяют. Источник тепла нагревает и испаряет жидкую фракцию рабочего тела в цикле пара и смесь паров и газа перед их совместным расширением для получения полезной работы. Ожижение пара и конденсация жидкости осуществляется в холодильнике - конденсаторе, который утилизирует отводимое тепло. Предполагается, что в такой схеме более эффективно используется остаточное тепло цикла пара, т.к., появляется дополнительная работа, полученная от расширения смеси пара и газа, а работа сжатия идет только на увеличение давления газа перед его смешением с паром.
При использовании в качестве рабочего тела цикла пара высокотемпературных сред эффективность преобразования тепловой энергии окружающей среды будет мала.
Повышение температуры источника тепла неизбежно связано с использованием процессов горения, что приводит к возникновению экологических проблем.
В изобретении «Способ работы поршневого двигателя и устройство для его реализации» (патент №2116460, RU) был предложен способ и устройство для получения полезной работы с помощью хладагента, который подавался в термически связанную, но изолированную от замкнутого объема с воздухом полость. В результате теплообмена между воздухом и хладагентом воздух охлаждается, а хладагент испаряется и нагревается. В результате можно получить полезную работу, как от окружающей атмосферы, так и от испарившегося хладагента.
Основным недостатком этого изобретения является трудность обеспечения интенсивного теплообмена между рабочим телом, находящимся в цилиндре пневмодвигателя, и впрыснутым в полость, окружающую камеру, жидким хладоагентом (жидким азотом). По этой причине падение температуры рабочего тела, а, следовательно, и давления внутри цилиндра будет небольшим, и эффективность получения полезной работы может оказаться недостаточной
Основной задачей заявляемого технического решения является повышение мощности двигательной установки, ее экономичности при отсутствии вредных выбросов в окружающую среду во время ее работы.
Поставленная задача достигается тем, что в двигательную установку одновременно подают рабочее тело и хладоагент и охлаждают рабочее тело за счет нагрева и испарения хладоагента. Затем рабочее тело и испарившийся хладоагент сжимают и после этого смесь нагревают до температуры, близкой к температуре источника тепла. После этого смесь в пневмодвигателе расширяют, производя полезную работу. Часть смеси, равная количеству введенного хладоагента, после расширения выводят в атмосферу, а оставшуюся часть снова подают на вход двигательной установки.
В качестве рабочего тела пневмодвигателя можно использовать пары азота, а в качестве хладоагента - жидкий азот.
Источником тепла может выступать тепло окружающей среды (атмосфера, вода, и т.д.).
Предлагается два варианта устройства криогенной двигательной установки.
Первый вариант устройства (Фиг. 1), представляет собой двигательную установку, состоящей из кинематически связанных между собой с помощью кривошипа (16) с маховиком (17) пневмодвигателя и компрессора, снабженных рабочими цилиндрами (1), (6) с поршнями (2), (7) и с клапанами для впуска (11), (5) и выпуска (12), (8) рабочего тела, смесителя (3) для смешивания рабочего тела и хладоагента, теплообменника (9) нагрева смеси, установка содержит систему подачи хладоагента, включающую в себя бак с хладоагентом (13), насос (14) и распылитель (4), размещенный внутри смесителя (3), при этом пневмодвигатель через выпускной клапан (12) трубопроводами последовательно связан со смесителем (3), компрессором, теплообменником (9), выход которого соединен с регулятором расхода смеси (10) и впускным клапаном (11) пневмодвигателя, причем выход рабочего тела из пневмодвигателя сообщается как с входом в смеситель (3) так и с атмосферой через настроечную шайбу (15). Система подачи хладоагента для рассматриваемых вариантов двигательной установки одинакова.
В качестве пневмодвигателя и компрессора в двигательной установке могут быть использованы роторно-поршневые машины (Фиг. 2), выполненные в соответствии с Патентом РФ на полезную модель №115414 от 27.04.2012 г, в которых расширение и сжатие рабочего тела происходит в полости, образованной корпусом машины (1), (6), подвижным цилиндрическим поршнем (2), (7) и заслонкой (21), шарнирно связанной с корпусом и поршнем.
На Фиг. 3 представлена конструкция двигательной установки с использованием турбины (22) в качестве пневмодвигателя и газодинамического компрессора (23) (центробежного или осевого)
В качестве рабочего тела в двигательной установке целесообразно использовать газообразный азот, а в качестве хладоагента - жидкий азот. В этом случае смесь, состоящая из газообразного азота и паров хладоагента, находящаяся внутри двигательной установки, в процессе работы по химическому составу не меняется.
Второй вариант двигательной установки (Фиг. 4) отличается от первого тем, что для привода компрессора используют второй пневмодвигатель с регулятором расхода смеси (18), кинематически связанный с компрессором с помощью кривошипа (16) с маховиком (17). Первый пневмодвигатель непосредственно с компрессором не связан и используется для привода потребителей механической энергии. Применение такой конструкции двигательной установки позволяет обеспечивать более глубокое регулирование выходной мощности первого пневмодвигателя.
Работа двигательной установки, выполненной по первой схеме, происходит следующим образом.
Рабочее тело после расширения в пневмодвигателе через выпускной клапан (12) поступает на вход смесителя (3). Часть рабочего тела выбрасывается в атмосферу через настроечную шайбу (15). Одновременно в смеситель также поступает хладоагент по линии бак (13), насос (14) и распылитель (4). В смесителе хладоагент испаряется и смешивается с рабочим телом. В результате испарения хладоагента смесь рабочее тело-пары хладоагента охлаждается и поступает на вход компрессора. В компрессоре в полости, образованной корпусом компрессора (6) и поршнем (7), при движении поршня к верхней мертвой точке смесь сжимается и поступает через выпускной клапан (8) на вход теплообменника (9). В теплообменнике смесь подогревается до температуры, близкой температуре источника тепла, и через регулятор расхода (10) и впускной клапан (11) поступает в пневмодвигатель. В пневмодвигателе рабочая смесь расширяется, производя полезную работу, и процесс повторяется. Настроечная шайба (15) имеет проходное сечение, обеспечивающая выхлоп в атмосферу рабочей смеси в количестве, равном количеству хладоагента, поступившего в смеситель. Этим обеспечивается постоянство количества рабочего тела, участвующего в рабочем процессе двигательной установки. С целью исключения подогрева рабочего тела и смеси трубопровод на участке выхлопной клапан пневмодвигателя - смеситель, смеситель, трубопровод от смесителя до входа в компрессор и корпус компрессора теплоизолированы от окружающей среды.
Работа двигательной установки, выполненной по второй схеме, отличается тем, что компрессор соединен со вторым пневмодвигателем, который приводит его в действие. Компрессор сжимает рабочее тело, и через выпускной клапан (8) подает на вход теплообменника (9). Долее часть смеси через регулятор расхода (18) и впускной клапан (19) поступает на вход второго пневмодвигателя, расширяется, производя полезную работу достаточную для привода компрессора, и затем через выпускной клапан (20) поступает на вход смесителя (3). Другая часть смеси через регулятор расхода (10) и впускной клапан (11) подается в первый пневмодвигатель, расширяется, произведя полезную работу, частично выбрасывается в атмосферу через выпускной клапан (12) и настроечную шайбу (15), а затем поступает на вход смесителя (3). Наличие второго пневмодвигателя с регулятором расхода (18) позволяет расширить диапазон регулирования первого пневмодвигателя.
Предложенные устройства позволяют обеспечить экологическую чистоту рабочего процесса, увеличить мощность двигательной установки с сохранением ее эффективности. Достигается это тем, что в двигательной установке в качестве рабочего тела используют смесь из газообразного азота и паров жидкого азота, а давление рабочего тела перед его срабатыванием в рабочем цилиндре пневмодвигателя существенно больше разрежения, которое может быть достигнуто в прототипе.