ПАРОВАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ СВОБОДНЫМ ПОРШНЕМ
STEAM MACHINE OF DOUBLE ACTION WITH COMBINED FREE PISTON

Устройство относится к области тепловых машин, в частности к паровым машинам с испаряющимся жидким рабочим телом.
В паровых машинах с испаряющимся жидким рабочим телом, в ходе рабочего цикла машины рабочее тело за счет нагревания и охлаждения претерпевает фазовый переход "жидкость-пар-жидкость".
За счет испарения рабочего тела паровая фаза оказывает давление на поршень паровой машины, из-за чего этот поршень перемещается.
Механическая энергия перемещения поршня может передаваться на внешние устройства и механизмы.
Паровые машины с изменением фазового состояния рабочего тела в результате его испарения и конденсации, по сравнению с другими тепловыми машинами позволяют получить больший диапазон изменения давлений и, как следствие, большую удельную мощность машины.
Так, например, они имеют удельную мощность большую, чем у тепловых машин Стирлинга, имеющих такой же перепад температур нагревателя и холодильника.
Известны паровые машины с испаряющимся жидким рабочим телом, в частности решения по патентам US Patent 6,931,852; US Patent 7,185,491; US Patent 6,973,788; US Patent 7,073,331; US Patent 6,976,360.
Известные паровые машины включают в себя емкости для рабочего тела в жидкой и паровой фазах (резервуары, цилиндры, трубопроводы, паропроводы), рабочее тело в жидкой и паровой фазах, тепловые устройства (нагреватели/испарители, охладители/конденсаторы) и устройства съема/приема механической работы рабочего тела (поршни, турбины, мембраны).
Недостатком указанных паровых машин является сложность конструкции.
Наиболее близким к заявляемому решению является паровая машина по US Patent 7,021,900.
Данная машина включает в себя рабочее тело (в жидкой и паровой фазах), емкости для хранения и перемещения рабочего тела (резервуары, трубопроводы), питающие (жидкостные) насосы, тепловые устройства (нагреватели/испарители, охладители/конденсаторы) и устройства съема/приема механической работы испаряющегося/расширяющегося рабочего тела.
Один из вариантов данной машины включает в себя свободный поршень, который не имеет жесткой механической связи с устройствами съема/приема механической работы и перемещается в цилиндре машины под действием давления испаряющегося/расширяющегося рабочего тела.
Недостатком указанной паровой машины является сложность ее конструкции.
Задачей, поставленной в заявленном  изобретении, является устранение недостатков известных решений, в частности - максимальное упрощение конструкции.
КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это достигается тем, что паровая машина двойного действия содержит две одинаковые паровые машины, соединенные вместе и образующие в результате данного соединения одно общее симметричное рабочее устройство двойного действия.
Каждая из машин выполнена в виде вертикального цилиндра (трубы) для рабочего тела, в верхней части которого расположен нагреватель/испаритель, а в нижней - холодильник/конденсатор.
Внутренние полости цилиндров машин заполнены рабочим телом в жидкой и паровой фазах без примесей посторонних жидкостей или газов.
Рабочим органом каждой из машин является ее жидкий поршень (рабочее тело в жидкой фазе, частично заполняющее внутренний объем цилиндров обеих машин).
Внутренние полости цилиндров обеих машин в своей нижней части, ниже уровня расположения холодильников/конденсаторов данных машин напрямую (без клапанов и/или распределителей) соединены с одним общим для обеих машин цилиндром магнитной защелки.
Цилиндр магнитной защелки представляет собой расположенную горизонтально трубу из немагнитного материала, внутри которой размещен поршень магнитной защелки.
Поршень магнитной защелки расположен в цилиндре магнитной защелки с возможностью свободного перемещения вдоль оси цилиндра, без механического закрепления внутри цилиндра.
Поршень магнитной защелки плотно и герметично прилегает к внутренней поверхности цилиндра магнитной защелки и разделяет внутреннюю полость цилиндра на две герметично изолированные друг от друга полости переменного объема.
Для обеспечения герметичности двух полостей переменного объема друг относительно друга и для предотвращения перетекания жидкости жидких поршней обеих машин между двумя данными полостями через зазор между поршнем магнитной защелки и стенками цилиндра магнитной защелки, поршень и цилиндр выполняются (изготовляются) с минимальным зазором друг относительно друга.
Для обеспечения дополнительной герметичности поршень может быть снабжен кольцевым уплотнителем (прокладкой).
К обоим противоположно расположенным торцам поршня магнитной защелки через отверстия в торцах (крышках) цилиндра магнитной защелки примыкают жидкие поршни соответствующих паровых машин.
Два противоположно расположенных торца (крышки) цилиндра защелки напрямую (без клапанов и/или распределителей) соединены с цилиндрами паровых машин, расположенных со стороны соответствующих торцов цилиндра защелки.
При этом для каждой из паровых машин, ее внутренняя полость и полость переменного объема с соответствующей стороны цилиндра защелки, в совокупности образуют единую полость.
Полость цилиндра каждой из паровых машин частично заполнена рабочей жидкостью.
Для каждой из паровых машин рабочая жидкость, заполняющая ее цилиндр, образует жидкий шток поршня данной машины.
Жидкий шток поршня каждой из машин оказывает давление на поршень магнитной защелки со стороны соответствующей паровой машины.
Каждая из частей/сторон поршня и цилиндра магнитной защелки выполнена с возможностью подачи рабочего тела в нагреватель/испаритель соответствующей паровой машины.
В обеих паровых машинах для предотвращения нарушения парообразования вследствие вытеснения жидкой фазы рабочих тел из области контакта с нагревателем/испарителем, на каждом цикле/такте используется принудительное удержание рабочего тела в контакте с соответствующим нагревателем/испарителем.
Для этого в обоих противоположных торцах/сторонах цилиндра магнитной защелки расположены магнитные замки, способные удерживать поршень магнитной защелки в плотном контакте с соответствующими торцами/сторонами цилиндра магнитной защелки.
Магнитные замки могут быть реализованы путем размещения постоянных магнитов в/на обоих торцах/сторонах поршня, и одновременного размещения втулок из ферромагнитной стали в/на обоих соответствующих торцах/сторонах цилиндра (в обеих крышках цилиндра).
Взаимное расположение магнитов и втулок обеспечивает притяжение соответствующих торцов/сторон поршня к соответствующим торцам/сторонам цилиндра.
Схема расположения магнитов/втулок в магнитной защелке может быть, например, следующей:
- На крышке цилиндра со стороны паровой машины "А" (левой): Втулка из ферромагнитной стали;
- На левом торце/стороне поршня (со стороны машины "А"): Магнит - N-S;
- Поршень (например, в виде магнитопровода из ферромагнитной стали);
- На правом торце/стороне поршня (со стороны машины "В"): Магнит - N-S;
- На крышке цилиндра со стороны паровой машины "В" (правой): Втулка из ферромагнитной стали.
При таком расположении магнитов поршень магнитной защелки может попеременно притягиваться к ферромагнитным втулкам на обоих противоположных торцах/сторонах цилиндра.
Внутренняя полость цилиндра каждой из паровых машин заполнена рабочим телом таким образом, что после завершения рабочего цикла/такта каждой паровой машины (расширения ее рабочего тела), ее рабочее тело находится в контакте (соприкасается) с холодильником/конденсатором соответствующей паровой машины.
При этом поршень магнитной защелки находится в таком из своих двух крайних положений, при котором объем полости переменного объема, соединенной с полостью цилиндра данной паровой машины, является максимально возможным, а объем полости переменного объема, соединенной с полостью цилиндра второй паровой машины, равен нулю.
В обеих паровых машинах во внутренней полости цилиндра ниже границы раздела паровой и жидкостной фаз рабочего тела расположены разделительные поршни.
Разделительные поршни расположены в полостях цилиндров с зазором от стенок и могут перемещаться вместе с перемещением жидкости рабочего тела каждой из машин.
Разделительные поршни предназначены для сохранения целостности границ раздела паровой и жидкостной фаз рабочих тел, подавления развития неустойчивости поверхности жидкой фазы рабочих тел, находящихся под давлением их паровых фаз, и для предотвращения конвекционного перемешивания жидких фаз рабочего тела внутри цилиндров паровых машин.
Разделительные поршни в жидкости рабочего тела имеют отрицательную плавучесть.
Разделительные поршни каждой из паровых машин удерживаются в цилиндрах паровых машин в своих верхних положениях посредством магнитных держателей, а в своих нижних положениях - посредством ограничителей.
Верхнее положение каждого разделительного поршня соответствует такому его положению между нагревателем и холодильником соответствующей паровой машины, при котором часть рабочего тела в жидкостной фазе, расположенная выше разделительного поршня, находится в контакте с нагревателем/испарителем соответствующей паровой машины.
Нижнее положение каждого разделительного поршня соответствует его положению при перемещении поршня магнитной защелки в другое крайнее положение и обеспечивает гарантированный захват разделительного поршня магнитным держателем при движении жидкости в сторону нагревателя.
Верхнее и нижнее положения каждого разделительного поршня задаются положениями соответствующих магнитных держателей, и соответственно ограничителей.
Магнитные держатели могут быть реализованы, например, путем размещения в каждом разделительном поршне сердечника из ферромагнитного материала, а снаружи рабочего цилиндра - магнитов, ориентированных в направлении взаимного притяжения магнитов и сердечников, при этом магниты могут быть снабжены теплозащитой в виде прокладок.
Паровые машины работают в режиме противофазы друг относительно друга, образуя агрегат двойного действия с одним общим комбинированным поршнем, работающим как единое изделие.
При этом общий комбинированный поршень включает в себя один общий для обеих машин поршень магнитной защелки, два жидких поршня, два разделительных поршня для каждой из паровых машин.
После запуска паровой машины двойного действия нагреватели и холодильники обеих паровых машин начинают одновременно нагревать и охлаждать их рабочие тела.
При этом жидкие поршни и разделительные поршни паровых машин относительно их нагревателей и холодильников расположены друг относительно друга в двух крайних противоположных положениях.
В одной из паровых машин рабочее тело в жидкой фазе контактирует и соприкасается с нагревателем/испарителем данной машины, вследствие чего нагревается/испаряется.
При этом в другой паровой машине рабочее тело в жидкой фазе контактирует и соприкасается с холодильником/конденсатором данной машины, вследствие чего охлаждается, а паровая фаза рабочего тела данной машины - охлаждается и конденсируется.
Охлаждение, конденсация и уменьшение давления рабочего тела в одной паровой машине происходит одновременно с нагреванием, испарением и увеличением давления рабочего тела в другой паровой машине, и наоборот.
Увеличивающееся давление рабочего тела через жидкий поршень передается на поршень магнитной защелки, удерживаемый магнитным замком.
При этом поршень магнитной защелки находится в одном из своих крайних положений, а именно в положении, ближайшем к паровой машине, в которой идет нагрев/испарение.
При достижении давлением рабочего тела величины, равной силе притяжения (раскрытия) магнитного замка, замок раскрывается, и комбинированный поршень, состоящий из поршня магнитной защелки и жидких и разделительных поршней обеих паровых машин, начинает движение.
При этом противоположные части/стороны комбинированного поршня (а именно жидкие поршни паровых машин) одновременно работают в двух противофазных циклах (режимах).
Одна часть/сторона комбинированного поршня, а именно соответствующий жидкий поршень первой паровой машины, работает в режиме ее рабочего хода (движения под воздействием давления расширяющегося пара).
Одновременно с этим, другая часть/сторона этого же комбинированного поршня (а именно соответствующий жидкий поршень второй паровой машины) перемещает/подает рабочее тело в жидкой фазе в зону нагрева/испарения второй паровой машины и работает в режиме питающего насоса второй паровой машины.
Такое перемещение является рабочим тактом всей паровой машины двойного действия.
При перемещении комбинированного поршня в обратном направлении паровая машина двойного действия также совершает рабочий такт.
При этом для каждой из паровых машин режимы работы меняются на противоположные, а именно первая паровая машина работает в режиме такта ее питающего насоса, а вторая паровая машина работает в режиме рабочего хода.
За счет того что цилиндры обеих паровых машин сообщаются с цилиндром магнитной защелки, расположенным между ними, энергия расширения рабочего тела одной паровой машины используется для питания (подачи рабочего тела в нагреватель/испаритель) другой паровой машины, и наоборот.
На каждом такте работы паровой машины двойного действия часть энергии расширяющегося рабочего тела расходуется на:
- отрыв поршня магнитной защелки от торца/крышки цилиндра (раскрытие магнитного замка с соответствующей стороны цилиндра магнитной защелки);
- преодоление трения при перемещении комбинированного поршня из одного крайнего положения в другое крайнее положение, с соответствующим перемещением входящих в его состав магнитного, жидких и разделительных поршней;
- сообщение кинетической энергии комбинированному поршню;
- сжатие несконденсировавшегося пара и/или пара, образующегося в процессе подачи рабочей жидкости в нагреватель паровой машины, работающей в такте ее питающего насоса.
Избыточная энергия расширения (рабочего хода) может сниматься и приниматься на внешнее устройство.
После отрыва поршня магнитной защелки от магнитного замка, расположенного на одной стороне (крышке) цилиндра, он под действием давления перемещается по цилиндру и по инерции приближается к другой стороне цилиндра, в крышке которой расположен второй магнитный замок.
Поршень (соответствующая его часть/торец) попадает в зону притяжения второго магнитного замка и притягивается к нему.
За счет резкого (нелинейного) увеличения силы притяжения магнита поршня и ферромагнитной втулки крышки при их взаимном приближении они соприкасаются, и магнитный замок "закрывается" (защелкивается).
После соприкосновения магнита и втулки крышки сила их взаимного притяжения становится максимальной, и для их разъединения и отрыва поршня от втулки крышки (раскрытия магнитного замка) требуется приложение значительного усилия.
Притяжение магнита поршня к втулке крышки создает усилие, дополнительно способствующее подаче рабочего тела в нагреватель/испаритель соответствующей паровой машины.
После закрытия магнитного замка для соответствующей паровой машины начинается цикл нагрева/испарения/расширения ее рабочего тела.
Когда давление достигает величины, достаточной для отрыва поршня магнитной защелки от ферромагнитной втулки крышки, магнитный замок раскрывается, комбинированный поршень начинает движение в обратном направлении и цикл работы паровой машины двойного действия повторяется.
При этом циклы работы каждой из паровых машин меняются на противоположные.
Первая паровая машина начинает работать в цикле питающего насоса, а вторая - в рабочем цикле.
Дополнительно, энергия движения комбинированного поршня может сниматься/приниматься посредством внешних устройств, связанных магнитной связью с поршнем магнитной защелки, и использоваться для совершения внешней работы.
Дополнительно, тепловые устройства паровых машин (нагреватели/испарители, и холодильники/конденсаторы) могут быть выполнены в виде единого для обеих паровых машин нагревателя, и/или единого для обеих паровых машин холодильника.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1. изображена общая схема паровой машины двойного действия с комбинированным свободным поршнем.
Машина состоит из двух одинаковых и взаимно симметричных паровых машин, машины "А" (левая) и машины "В" (правая).
Каждая из машин "А", и "В" содержит:
- трубчатый теплообменник (1);
- нагреватель/испаритель (2);
- холодильник/конденсатор (3);
- рабочее тело в жидкой фазе (4);
- рабочее тело в газообразной/паровой фазе (5);
- поршень (7);
- жидкий шток поршня (6);
- цилиндр (8);
- магнитный замок поршня, состоящий из ферромагнитной втулки на крышке цилиндра (9) и магнита на торце поршня (10);
- разделительный поршень (11, 18);
- магнитный держатель разделительного поршня (12);
- ограничитель разделительного поршня (13);
- заправочный штуцер (14).
Поршень машины "А" (7), поршень машины "В" и магниты на торцах поршней (10) - соединены между собой и образуют единое конструктивное изделие/деталь - "поршень магнитной защелки", которое вместе с жидкими штоками и разделительными поршнями обеих машин образуют комбинированный свободный поршень паровой машины двойного действия.
Цилиндр машины "А" (8) и цилиндр машины "В" - объединены в единое конструктивное изделие/деталь, - "цилиндр магнитной защелки", которое вместе с трубчатыми теплообменниками является комбинированным цилиндром паровой машины двойного действия.
Жидкую (4) и газообразную/паровую фазу (5) рабочего тела разделяет граница раздела фаз (16, 19).
Внутренний объем цилиндра магнитной защелки, ограниченный торцом цилиндра (ферромагнитной втулкой на крышке цилиндра (9)), и торцом поршня (магнитом на торце поршня (10)), образует полость переменного объема (17) (последняя для изображенного состояния машины "В" имеет нулевой объем и на рисунке не показана).
Полость переменного объема (17) напрямую (без клапанов и/или распределителей) соединена с жидким штоком поршня (6).
Жидкий шток поршня (6) образован жидкой фазой рабочего тела, ограниченной стенками трубки теплообменника и выполняющей при своем движении функцию штока поршня.
На фиг. 2. изображен заправочный штуцер, содержащий капиллярную трубку (20), тефлоновую втулку (21), стопорное полукольцо (22) и слой припоя (23).
На фиг. 3. показана P/V-диаграмма работы машин (в противофазе друг к другу).
Значения Р и V приведены для паровой фазы рабочего тела, где: V - объем рабочего тела в газообразной/паровой фазе (5); Р - абсолютное (относительно вакуума) давление.
На фиг. 4 показана соответствующая ей диаграмма изменения этого давления во времени.
Фиг.. 3 и фиг. 4 описывают процессы в одной (любой) из машин.
Подробное описание характерных точек на этих рисунках содержится далее.
Конкретные численные значения давлений и объемов и численные метки времени зависят от используемой рабочей жидкости, рабочих температур нагревателя и холодильника, и геометрических размеров машины.
На фиг. 5 изображена граница пар/жидкость (16, 19) в теплообменнике в варианте отсутствия в полости теплообменника разделительного поршня (I) и в варианте наличия разделительного поршня (II).
На фиг. 6 изображен вариант использования паровой машины в качестве образовательной демонстрационной модели, для целей изучения физики и термодинамики.
На фиг. 7 изображен вариант использования паровой машины двойного действия в качестве привода циркуляционного насоса.
На фиг. 8 изображен вариант использования паровой машины двойного действия в системах отопления на основе солнечного водонагревателя.
На фиг. 9 изображен вариант использования паровой машины двойного действия в качестве привода резервного аварийного циркуляционного насоса системы теплоснабжения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
Паровая машина двойного действия работает по циклу Ренкина, за исключением того, что в ней отсутствует пароперегреватель, повышающий температуру паровой фазы рабочей жидкости выше точки насыщения.
При работе машины насыщенный пар находится в равновесном состоянии с жидкой фазой рабочей жидкости такой же температуры.
Если это условие по каким-либо причинам не выполняется, то имеют место процессы испарения рабочего тела или его конденсации (фазовые переходы), сопровождающиеся изменениями давления и/или температуры.
Комбинированный свободный поршень паровой машины двойного действия образован общим поршнем магнитной защелки (10, 7, 10), жидкими штоками (6) и разделительными поршнями (11, 18).
Исходно поршень магнитной защелки расположен в цилиндре магнитной защелки паровой машины двойного действия в одном из своих двух крайних положений.
Крайние положения соответствуют притяжению и физическому контакту (соприкосновению) ферромагнитной втулки на крышке цилиндра магнитной защелки одной из паровых машин и магнита на торце поршня магнитной защелки этой же машины.
На рисунке показан вариант притяжения и контакта магнита поршня (10) с ферромагнитной втулкой (9) для паровой машины "В".
Контакт поддерживается силой притяжения магнита к втулке.
Система ферромагнитных втулок на крышках цилиндров и магнитов на торцах поршней по принципу своей работы схожа с магнитной системой поляризованного реле, в котором якорь реле фиксируется ("залипает") в одном из двух крайних положений, и характеристика переключения которого обладает триггерными свойствами (два устойчивых состояния).
Рабочее тело в жидкой фазе (рабочая жидкость) в теплообменнике паровой машины "В" (4) находится одновременно в зонах действия (соприкасается со стенками) нагревателя/испарителя (2) и холодильника/конденсатора (3).
При этом рабочее тело в жидкой фазе (рабочая жидкость) в теплообменнике паровой машины "А" (4) находится только в зоне действия (соприкасается со стенками) холодильника/конденсатора (3).
Тепловая энергия нагревателей/испарителей (2) через стенки трубок теплообменников (1) нагревает рабочее тело в паровой фазе (пар) машины "А" (5), и рабочее тело в паровой (5) и жидкой (4) фазах машины "В".
Утечка тепла от нагревателей/испарителей к холодильникам/конденсаторам по трубкам теплообменников незначительна, т.к. трубки протяженные и толщина их стенок невелика.
Давление пара в теплообменнике машины "А" мало и соответствует давлению насыщенного пара при температуре холодильника/конденсатора Т cold (точка 5 на фиг. 4), т.е. практически все рабочее тело находится в холодильнике в сконденсированном состоянии.
В теплообменнике машины "В" тепло от нагревателя/испарителя (2) передается рабочей жидкости (4), что приводит к росту ее температуры и частичному испарению, с переходом в паровую фазу (5).
Это приводит к росту температуры жидкой фазы (4) и увеличению объема и температуры паровой фазы (5) машины "В".
На PV-диаграмме (фиг. 4) этому процессу соответствует участок 1-2 (V - объем паровой фазы).
Утечке тепла из-за конвекции и перемешивания жидкости рабочего тела (4) и жидкости жидкого штока (6) препятствует разделительный поршень (18).
Разделительный поршень (18) удерживается в заданном положении в теплообменнике магнитным держателем разделительного поршня (12).
Давление паровой фазы (5) через зазор между разделительным поршнем (18) и стенками теплообменника, а также жидкий шток поршня (6) воздействует на поршень магнитной защелки (10, 7).
При этом давление в теплообменнике машины "А" (Р low) соответствует давлению насыщенного пара рабочей жидкости, имеющего температуру, близкую к температуре холодильника/конденсатора.
Данное давление невелико и стремится к давлению точки 5 на PV-диаграмме (фиг. 4).
Это давление (Р low) через зазор между разделительным поршнем (11) и стенками трубки теплообменника, а также через столб жидкости жидкого штока поршня (6) воздействует на противоположный торец поршня магнитной защелки (10, 7).
В результате на поршень магнитной защелки паровой машины двойного действия действует сила, равная результирующей этих двух противоположно направленных сил.
Эта сила стремится раскрыть магнитный замок со стороны машины "В" и оторвать магнит на торце поршня (10) от ферромагнитной втулки на крышке цилиндра (9).
При продолжении нагрева и испарения рабочей жидкости в теплообменнике машины "В" и соответствующего роста давления, в определенный момент времени данная сила превысит силу взаимного притяжения магнита на торце поршня (10) и ферромагнитной втулки на крышке цилиндра (9).
В результате произойдет разъединение магнита и втулки (магнитный замок раскроется), и поршень магнитной защелки вместе с жидким штоком (6) и разделительным поршнем (18) начнет перемещаться в сторону машины "А".
При таком движении будет увеличиваться объем газообразной/паровой фазы рабочего тела машины "В" (5).
При этом давление внутри объема данной фазы не будет уменьшаться (участок 2-3 на PV-диаграмме фиг. 4).
Данное давление пара будет поддерживаться за счет того, что часть перегретой жидкой фазы рабочего тела машины "В" (4) будет закипать и переходить в паровую фазу (5).
Это будет компенсировать падение давления внутри объема паровой фазы (5) на начальном этапе движения.
При движении поршня магнитной защелки по цилиндру, расстояние между ферромагнитной втулкой на крышке цилиндра (9) и магнитом на торце поршня (10) будет увеличиваться.
При этом сила взаимного притяжения между ними будет резко/быстро (нелинейно от расстояния) уменьшаться.
Это приведет к ускорению движения не только поршня магнитной защелки, но и жидких штоков (6) и разделительных поршней (11) обеих машин, т.е. всего комбинированного свободного поршня.
При этом расширение паровой фазы (5) будет происходить квазиадиабатически (участок 3-4 фиг. 4).
Движение деталей машины с ускорением приведет к накоплению ими кинетической энергии, что позволит поршню магнитной защелки переместиться в цилиндре в положение, при котором магнит на другом торце поршня защелки (10) начнет уже притягиваться к ферромагнитной втулке на другом торце/крышке цилиндра (9).
По мере дальнейшего движения сила взаимного притяжения между ними будет резко/быстро (нелинейно от расстояния) увеличиваться.
Увеличивающаяся сила притяжения, и запасенная кинетическая энергия (инерция) комбинированного свободного поршня (поршень магнитной защелки, жидкие штоки (6) и разделительные поршни (11)) позволят перемещать/подавать ранее охлажденное рабочее тело машины "А", находящееся в жидкой фазе (4), в горячую зону нагревателя/испарителя (2).
Нелинейный рост притяжения магнита на торце поршня (10) к ферромагнитной втулке на крышке цилиндра (9) приведет к их соприкосновению (физическому контакту).
При этом сила взаимного притяжения станет максимальной и магнитный замок поршня машины "А" закроется.
По мере движения поршня, рабочее тело машины "А" в жидкой фазе (4) будет поступать в зону нагревателя (2) и начнет нагреваться.
При этом в первоначальный момент времени (вблизи точки 5 Рис. 3) будет происходить конденсация насыщенного пара паровой фазы (5), а тепло, выделяемое при этой конденсации, будет поглощаться охлажденной жидкой фазой (4), ранее находившейся в зоне холодильника (3), и стенками холодильника.
По этой причине, давление в теплообменнике машины "А" на начальном этапе движения комбинированного поршня увеличиваться не будет.
На конечном этапе движения поршня (вблизи точки 1 фиг. 3) давление начнет увеличиваться, однако, его будет недостаточно для преодоления сил инерции движения и сил магнитного притяжения.
В силу тепловой инерции, процесс испарения жидкой фазы (4) потребует времени.
Это время существенно больше, чем время перемещения комбинированного свободного поршня.
Так, например, для построенной демонстрационной модели машины, при Т hot=+140°C, Т cold=+40°C, длительность перемещения комбинированного свободного поршня из одного крайнего положения в другое (время рабочего хода) составляет величину порядка 0,1 с, а длительность нагрева рабочего тела и его испарения до начала движения поршня в обратном направлении - порядка 5 с.
Поэтому поршень успеет переместиться в крайнее положение, соответствующее закрытому магнитному замку машины "А".
Закрытие магнитного замка машины "А" является завершением рабочего хода комбинированного свободного поршня паровой машины двойного действия.
Каждый рабочий ход машин "А" и "В" является рабочим ходом комбинированного свободного поршня и рабочим ходом паровой машины.
После завершения перемещения поршня в зоне действия холодильника машины "В" продолжится дальнейшее охлаждение и конденсация паровой фазы рабочего тела (5).
Пар, совершая работу и расширяясь, охлаждается уже в процессе движения поршня.
По окончании движения поршня объем паровой фазы продолжит уменьшаться (участок 4-5 PV-диаграммы фиг. 4).
Для машины "В" цикл завершается процессом квазиадиабатического сжатия (участок 5-1 PV-диаграммы на фиг. 4), когда поршень защелки начнет движение в обратном направлении.
Процессы (циклы) в машинах "А" и "В" круговые и противоположны по фазам.
Как в любой тепловой машине, они характеризуются следующей последовательностью: нагретый газ - расширяется, расширенный газ - охлаждается, охлажденный газ - сжимается, сжатый газ - нагревается, нагретый газ - расширяется, и далее, по круговому циклу.
Цикл Ренкина (цикл с фазовым переходом рабочего тела) подразумевает наличие питающего насоса для закачки сконденсированного рабочего тела в нагреватель, а также охлаждение совершившего работу рабочего тела до наступления его конденсации.
В классическом цикле Ренкина питательный насос закачивает конденсат в нагреватель при постоянном давлении.
В предлагаемом варианте машины давление в нагревателе меняется во времени, а также отсутствует перегреватель паровой фазы рабочего тела.
Это снижает эффективность двигателя, но существенно упрощает его конструкцию.
Охлаждение и конденсация паровой фазы в машине "В" (5) идет одновременно с нагревом и испарением жидкой фазы в машине "А" (4).
Нагрев и испарение жидкой фазы в машине "А" (4) является началом ее рабочего цикла, который происходит полностью идентично предшествующему рабочему циклу машины "В".
В силу симметрии конструкции машин "А" и "В" и их жесткой механической связи через общий для обеих машин комбинированный свободный поршень, процессы 2-3-4 и 5-1 (см. фиг. 3) имеют одинаковую длительность.
Комбинированный свободный поршень для обеих машин одновременно является как рабочим органом, так и органом питательного насоса, поэтому длительность рабочего хода и хода питания совпадают.
Одинаковыми по длительности являются также процессы 4-5 и 1-2, причем их длительность на несколько порядков превышает длительность процессов 2-3-4 и 5-1.
Коэффициент поверхностного натяжения любой жидкости при росте ее температуры уменьшается.
Дополнительно, при работе паровой машины границы раздела фаз (16, 19) двигаются с переменным ускорением.
Это способствует развитию релей-тейлоровской неустойчивости движущейся границы раздела пар-жидкость.
При быстром движения любого столба перегретой жидкости в трубке, слой жидкости, прилегающий к стенкам трубки, из-за вязкого трения запаздывает в своем движении, по сравнению с центральной частью столба, и насыщенный горячий пар паровой фазы проникает глубоко в толщу столба жидкости, образуя в том числе и пузыри пара.
Такое нарушение целостности границы раздела пар-жидкость показано на фиг. 5 (I).
При контакте струи пара с холодной жидкостью в зоне холодильника происходит конденсация пара (схлопывание паровых пузырей), что приводит к бесполезной потере энергии нагрева.
Она расходуется на создание гидродинамической ударной волны и на нагрев нижних слоев жидкости, находящихся вблизи холодильника.
Для устранения вышеуказанного негативного эффекта в теплообменниках предлагаемой машины расположены разделительные поршни (11, 18).
Они препятствуют потерям тепла из-за конвекции нагреваемой жидкости жидкой фазы (4) и подавляют развитие релей-тейлоровской неустойчивости границ раздела фаз (16, 19) (фиг. 5 (II)).
Разделительные поршни (11, 18) свободно (с небольшим зазором) расположены внутри трубок теплообменников и могут перемещаться.
Разделительные поршни (11, 18) имеют отрицательную плавучесть.
В своем верхнем положении в трубках теплообменников они удерживаются магнитным полем магнитных держателей (12), а в нижнем - ограничителями (13).
Ограничители (13) могут быть заменены на магнитные держатели, аналогичные или эквивалентные магнитным держателям (12).
Перемещение разделительных поршней (11, 18) и столбов жидкостей жидкой фазы (4) происходит без взаимного проскальзывания (потоки жидкости в своем движении увлекают поршни и движутся вместе с ними, но не огибают их).
Это позволяет считать диапазон перемещения разделительных поршней (11, 18) по высоте ΔН таким же, как и диапазон перемещений уровней жидкости в трубках теплообменников, т.е. ΔH=(S/s)L, где L - диапазон перемещения поршня магнитной защелки, S - площадь сечения цилиндра магнитной защелки (8), s - площадь сечения трубок теплообменников (1).
Силы притяжения разделительных поршней (11, 18) с магнитными держателями (12) и силы притяжения ферромагнитных втулок на крышках цилиндров (9) с магнитами на торцах поршня магнитной защелки (10) имеют консервативный (накапливающий) характер.
Энергия, затрачиваемая на отрыв разделительных поршней (11, 18) от магнитных держателей (12) и на отрыв магнитов на торцах поршня магнитной защелки (10) от ферромагнитных втулок (9), не теряется.
При движении разделительных и рабочих поршней в обратном направлении (на следующем такте) эта энергия возвращается в систему и выполняет полезную работу по перемещению столбов жидкости и поршней.
Из приведенной выше формулы следует, что поскольку S в несколько раз больше, чем s, то в такое же количество раз ΔН больше L.
Это позволяет увеличить расстояние между нагревателем/испарителем (2) и холодильником/конденсатором (3) и снизить, таким образом, потерю тепла, утекающего по стенкам теплообменников.
Для предотвращения снижения магнитами, используемыми в паровой машине двойного действия, своих магнитных свойств последние могут снабжаться теплоизолирующими втулками/прокладками.
Это касается, главным образом, магнитных держателей (12), расположенных вблизи нагревателей/испарителей.
Объемы рабочих жидкостей в паровых машинах "А" и "В" выбираются такими, чтобы при перемещении комбинированного свободного поршня в крайние положения граница раздела фаз (16, 19) в трубках теплообменника не достигала заправочного штуцера (14), оставляя между штуцером и поверхностью жидкости некоторое пространство.
Атмосферный воздух из данного пространства удален, а само пространство заполнено насыщенным паром газообразной/паровой фазы (5) рабочего тела.
Это позволяет жидкости при повышении ее температуры беспрепятственно расширяться и дополнительно формирует запас насыщенного пара (депо пара), эффективно расходуемый при последующем движении комбинированного поршня.
Линейное перемещение комбинированного свободного поршня может быть использовано для выработки энергии.
Для этого с внешней стороны цилиндра магнитной защелки (8) могут располагаться устройства съема механической энергии, реализованные, например, в виде магнитных катушек, магнитно (через стенки цилиндра) связанных с магнитами поршня защелки и вырабатывающих электроэнергию.
Поршень магнитной защелки (7) расположен и перемещается в рабочем цилиндре (8) с минимальным зазором между стенками поршня и цилиндра.
Герметичность полостей переменного объема дополнительно может обеспечиваться кольцеобразным резиновым уплотнителем - прокладкой (15), размещаемой в проточке поршня-магнитопровода (7).
Дополнительно, поршень-магнитопровод (7), и/или магниты на торцах поршня (10) могут снабжаться центрирующими втулками, выполненными, например, из тефлона.
Полости переменного объема (17) заполнены жидкостью жидких штоков поршней (6).
При нарушении герметичности и проникновении/просачивании избыточного количества жидкости жидких штоков поршней из одной полости в другую, в полости, принявшей избыточную жидкость, за цикл работы увеличится среднее давление.
Это приведет к обратному просачиванию жидкости и восстановлению равновесия.
Дополнительно, нагреватели/испарители машин "А" и "В" (2), и/или их холодильники/конденсаторы (3) могут быть попарно объединены в единые нагревательные/испарительные, и/или охлаждающие/конденсирующие устройства.
Штуцер машины может быть реализован на базе медной капиллярной трубки с внешним диаметром, например, 1,8 мм и диаметром капилляра 0,3 мм (фиг. 2).
Капиллярная трубка (20) имеет вблизи своего окончания, вводимого в трубку теплообменника (1), кольцевую проточку.
Данная кольцевая проточка служит для размещения стопорного проволочного полукольца (22), предотвращающего проскальзывание тефлоновой втулки (21) внутрь трубки теплообменника (1).
Тефлоновая втулка (21) служит для предотвращения затекания припоя (23) внутрь трубки теплообменника при монтаже (демонтаже) штуцера.
Штуцер в сборе вводится внутрь трубки теплообменника, после чего свободное пространство между стенками капиллярной трубки и трубки теплообменника заполняется слоем расплавленного припоя, что обеспечивает герметичность машины по отношению к окружающей среде.
Паровую машину могут подготавливать к началу работы следующим образом.
Процедуру подготовки могут начинать с любой из машин "А" или "В". Здесь и далее для иллюстрации описана подготовка, начинающаяся с машины "В".
К капиллярной трубке штуцера машины "А" (20) герметично присоединяют заправочное устройство (шприц) №1, поршень которого полностью введен в цилиндр (объем шприца при этом минимален).
К капиллярной трубке штуцера машины "В" (20) герметично через трубку-тройник присоединяют заправочное устройство (шприц) №2.
Свободное плечо трубки-тройника присоединяют к вакуум-насосу.
Шток заправочного устройства (шприца) №1 вытягивают, за счет чего в машине "А" создают форвакуум с давлением ниже атмосферного в количество раз, определяемое соотношением объемов заправочного устройства (шприца) №1 и объема машины "А".
Форвакуум снижает величину перепада давлений на уплотнительном кольце поршня магнитной защелки и облегчает откачку воздуха из машины "В" (уменьшается просачивание воздуха через уплотнительное кольцо).
С помощью вакуум-насоса откачивают воздух из машины "В".
Вследствие падения давления в откачиваемом объеме из жидкости в заправочном устройстве (шприце) №2 начинается выделение газов, растворенных в жидкости.
Процесс откачки продолжают до выхода всех растворенных газов. Пережимают капиллярную трубку, соединяющую трубку-тройник с вакуум-насосом.
Машину "В" полностью заполняют жидкостью, удалив стопор штока шприца.
В машине "В" создается объем (5) посредством частичного вытягивания штока заправочного устройства (шприца) №2, после чего шток поршня фиксируется.
Осуществляют пережатие капиллярной трубки заправочного штуцера машины "В".
Осуществляют обрезку и опайку капиллярной трубки штуцера машины "В".
Для машины "А" восстанавливают исходную конфигурацию трубки-тройника с заправочным шприцем, заправочное устройство (шприц) №1 отсоединяют и вместо него подключаются заправочное устройство (шприц) №2 с новой порцией жидкости.
Верхнюю часть машины "В" нагревают до переключения (щелчка) поршня магнитной защелки, при этом поршень магнитной защелки перемещается к ферромагнитной втулке машины "А".
На этом заправка машины "В" завершается.
После этого аналогичным образом заправляют машину "А".
После заправки машины рабочей жидкостью и откачки воздуха верхние части капиллярных трубок (на рисунке не показаны) пережимают, откусывают и заливают слоем припоя.
Запаивание обеспечивает сохранение вакуума и работоспособность машины при задействованных малых объемах рабочей жидкости.
На этом заправка и герметизация паровой машины считается законченной.
Конструкция штуцеров и методика заправки определяются типом рабочей жидкости и размерами машины и могут отличаться от описанной.
Предлагаемая паровая машина двойного действия может быть использована в качестве образовательной демонстрационной наглядной модели для целей изучения физики и термодинамики.
Данный вариант использования изображен на фиг. 6.
При использовании паровой машины в качестве образовательной демонстрационной модели цилиндр магнитной защелки и/или трубчатые теплообменники могут быть выполнены из прозрачных материалов, что позволит визуально наблюдать перемещение поршней, столбов жидкостей и границ жидкой и паровой фаз.
При небольших габаритах машины и малом диаметре трубок теплообменников, разделительные поршни в теплообменниках и связанные с ними держатели и ограничители могут отсутствовать, что упрощает изготовление и использование машины.
В качестве охлаждающего/конденсирующего устройства может использоваться прозрачный просвечиваемый блок (25), а в качестве жидкости рабочего тела может использоваться окрашенная и/или контрастная (на просвет или подсветку) легкокипящая жидкость (на рисунке показана только граница жидкость-пар).
Прозрачность блока холодильника/конденсатора позволяет визуально отслеживать перемещение столбов рабочей жидкости, а при наличии соответствующего оборудования - проецировать на экран изображение жидкости в блоке и трубках на просвет.
Просвечиваемый блок может быть выполнен в виде толстой стеклянной пластины (25), в которой выполнены вертикальные цилиндрические каналы (26), исполняющие функции труб теплообменников холодильника.
Данные каналы сопряжены (например, пайкой) с металлическими вертикальными трубками теплообменников нагревателя (27), изготовленными, например, из сплава "ковар".
Металлические трубки теплообменников соединены (контактируют) с массивной металлической пластиной (28), нагреваемой пламенем свечи или спиртовой горелки (29).
В прозрачной пластине для размещения поршня магнитной защелки выполняют сквозной цилиндрический канал (30), диаметр которого равен диаметру поршня магнитной защелки.
Данный канал выполняет функцию цилиндра магнитной защелки.
В канале размещен свободный поршень магнитной защелки (31).
С двух противоположных сторон в сквозной цилиндрический канал (30) герметично помещены пробки-вставки (32), выполненные из прозрачного материала.
Размеры пробок-вставок соответствуют размерам канала.
В пробках-вставках выполнены сквозные угловые L/Г-образные каналы (33), соединяющие вертикальные цилиндрические каналы (26) и сквозной цилиндрический канал (30) и центрированные относительно данных каналов.
Пробки-вставки предварительно соединены (например вклейкой) с ферромагнитными втулками (34).
Использование сквозного цилиндрического канала, выполненного в прозрачной пластине, и прозрачных пробок-вставок повысит наглядность работы демонстрационной модели.
Предлагаемая паровая машина двойного действия может быть использована в качестве привода циркуляционного насоса.
Данный вариант использования изображен на фиг. 7.
При этом цилиндр насоса (35) располагают коаксиально вокруг цилиндра магнитной защелки, а кольцевой поршень насоса (36) снабжают втулкой (37) выполненной из ферромагнитного материала.
Втулка (37) связана магнитными силами с магнитами поршня защелки.
Цилиндр насоса через систему труб присоединен к входному (38) и выходному (39) патрубку циркуляционной магистрали.
Система труб снабжена клапанами (40), ориентированными таким образом, что каждый ход поршня насоса является рабочим и перемещает жидкость от входного патрубка к выходному.
Циркуляционный насос с приводом от паровой машины двойного действия может использоваться в системах отопления на основе солнечного водонагревателя.
Данный вариант использования изображен на фиг. 8.
Источником тепла для паровой машины является перекачиваемая жидкость, а холодильником - воздушный радиатор при температуре окружающей среды.
В качестве рабочего тела паровой машины используется легкокипящая жидкость.
Циркуляционный насос с приводом от паровой машины двойного действия может использоваться в качестве привода резервного аварийного циркуляционного насоса системы теплоснабжения (отопления) на основе котла (например, газового).
Данный вариант использования изображен на фиг. 9.
Источником тепла для паровой машины является перекачиваемая жидкость.
Резервный аварийный циркуляционный насос подключается к резервной аварийной магистрали, идущей параллельно к основной магистрали.
Основная магистраль снабжена шиберной задвижкой (вентилем) (41), выполненной в конструкции подпружиненной заслонки, имеющей электромагнитное удержание.
Резервная аварийная магистраль снабжена аналогичной задвижкой (42).
Задвижки 41 и 42 подключены в противофазе: когда одна открыта, вторая закрыта и наоборот.
При работе системы теплоснабжения (отопления) в основном штатном режиме, задвижка на основной магистрали (41) открыта, а на резервной (42) - закрыта и перекрывает резервную аварийную магистраль.
При этом теплоноситель перекачивается циркуляционным насосом и циркулирует по основной магистрали.
При возникновении аварийной ситуации, например при аварии, и выходе из строя основного циркуляционного насоса, по команде оператора, или системы аварийной автоматики, обе задвижки (вентили) переключаются в положения, противоположные исходным.
Задвижка на основной магистрали (41) перекрывает основную магистраль, а задвижка на резервной магистрали (42) открывает резервную аварийную магистраль.
При остановке основного циркуляционного насоса из-за аварийного отключения электроэнергии срабатывание задвижек (вентилей) 41 и 42 происходит автоматически благодаря механической работе пружин, потерявших электромагнитную компенсацию усилия сжатия.
В результате открытия резервной аварийной магистрали поток теплоносителя поступает в теплообменник-нагреватель паровой машины и запускает ее в работу.
Паровая машина приводит в действие резервный аварийный циркуляционный насос, который начинает перекачивать теплоноситель, что устраняет угрозу перегрева котла, и выхода его из строя.