Тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла
CLOSED CYCLE THERMAL CRANKSHAFT MOTOR

Изобретение относится к энергетическим установкам замкнутого цикла, преобразующим тепловую энергию в механическую. Изобретение может быть применено на транспорте в железнодорожных локомотивах, в автомобилях, сельскохозяйственных, дорожных и карьерных машинах, в надводных и подводных судовых силовых установках, в стационарных силовых установках, в гелиоэнергетике, в космосе.
Повышение КПД - проблема родившаяся вместе с тепловыми двигателями. Проблема, которая никогда не теряла остроты и которая остается актуальной. Собственно главные пути решения этой проблемы давно известны - они были указаны еще Сади Карно. Это увеличение наивысшей и снижение наинизшей температуры цикла. Карно описал цикл, обладающий наивысшим термическим КПД. Приближение циклов двигателей к циклу Карно, так называемая карнотизация остается важным средством снижения расхода топлива. [1]
Прямой обратимый цикл Карно состоит из четырех обратимых процессов (двух изотермических и двух адиабатных).
На фиг. 1 показана диаграмма цикла в координатах р-V. Помимо рабочего тела, заключенного в цилиндре, и аккумулятора механической энергии для осуществления цикла необходимо иметь два тепловых
1
2
аккумулятора. Один из них - аккумулятор А имеет более высокую постоянную температуру (T=const), а другой аккумулятор Б - более низкую температуру (Т=const). В соответствующие периоды цикла рабочее тело может получать теплоту от аккумулятора Л или отдавать теплоту аккумулятору Б.
1
1
Для обеспечения обратимости необходимо вести цикл бесконечно медленно. За начальное состояние примем точку 1. При этом поршень находится в крайнем левом положении, газ сжат до давления p и имеет температуру T, равную температуре аккумулятора А.
1
2
Цикл осуществляется следующим образом. Рабочее тело вводится в контакт с аккумулятором с более высокой температурой, при перемещении поршня вправо осуществляется процесс изотермического расширения (линия 1-2). В течение этого процесса к рабочему телу от аккумулятора А подводится теплота Q и совершается эквивалентная этой теплоте внешняя работа. По достижении точки 2 рабочее тело выводится из контакта с горячим источником и оказывается в условиях адиабатного расширения. Процесс осуществляется до тех пор, пока температура рабочего тела не понизится до температуры Т (точка 3). В процессе адиабатного расширения (линия 2-3) работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела.
2
Для возвращения рабочего тела в начальное состояние с процессами расширения сочетаются два процесса сжатия. В точке 3 газ вводится в контакт с холодильником, и при бесконечно медленном перемещении поршня из крайнего правого положения влево осуществляется процесс изотермического сжатия (линия 3-4), в течение которого от газа в холодильник отводится теплота в количестве Q, эквивалентном работе, затраченной в этом процессе на сжатие. В точке 4 холодный источник отсоединяется, и процессом адиабатного сжатия (линия 4-7) рабочее тело возвращается в начальное состояние. Работа, затраченная на сжатие, идет на увеличение внутренней энергии рабочего тела. [2]
1
2
Термический КПД обратимого цикла Карно, по сравнению с КПД других обратимых и тем более необратимых циклов, осуществляемых в тех же пределах температур T и Т, является наибольшим. Несмотря на это важное свойство, цикл Карно практически в тепловых двигателях не реализуется по следующим причинам: невозможность практического осуществления изотермических процессов, входящих в цикл; тем, что невозможно выполнить условия обратимости - отсутствие трения и потерь теплоты в окружающую среду, равенство температур рабочего тела и теплоотдатчика при подводе теплоты, равенство температур теплоприемника и рабочего тела при отводе теплоты и др. [3]
Известен поршневой двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по замкнутому циклу. Двигатель, использующий нагретый воздух, изобретен в Великобритании в 1816 году шотландским священником Робертом Стерлингом. Двигатель содержит, установленные в цилиндре один над другим два поршня: вытеснитель и рабочий поршень, связанные через ромбический приводной механизм с двумя коленчатыми валами, вращающимися в противоположных направлениях. Валы соединены шестернями, что позволяет снимать мощность с любого из них. Вытеснитель делит полость над рабочим поршнем на две части «горячую» - расположенную между вытеснителем и торцом цилиндра и «холодную» - заключенную между поршнями. Обе части полости сообщаются между собой через перепускную магистраль, в которой последовательно установлены холодильник, примыкающий к «холодной» полости, регенератор и нагреватель, примыкающий к «горячей» полости. Задача вытеснителя состоит в перемещении рабочего тела из «горячей» полости в «холодную» и наоборот, через перепускную магистраль. Поршни в цилиндре движутся попеременно и их мертвые точки смещены. В начале рабочего цикла вытеснитель находится в верхней мертвой точке (ВМТ), а рабочий поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к вытеснителю, уменьшая объем «холодной» полости. При этом тепло от сжимаемого рабочего тела отводится в холодильник, и сжатие происходит с постоянной температурой (изотермически). После того как рабочий поршень достигнет своей ВМТ, начинает перемещаться вытеснитель от ВМТ к рабочему поршню. При этом рабочее тело перетекает из «холодной» полости в «горячую» при постоянном их суммарном объеме. В процессе перетекания происходит подвод тепла к рабочему телу через нагреватель при постоянном объеме, т.е. изохорический подвод тепла. В момент приближения вытеснителя к рабочему поршню почти все рабочее тело находится в «горячей» полости и имеет максимальную температуру. Затем рабочий поршень начинает перемещаться вниз, и дальнейшее движение поршней происходит совместно. При этом объем рабочего тела возрастает, а температура не меняется. Происходит изотермическое расширение. Давление расширяющихся газов с обеих сторон вытеснителя одинаково, а перепад давлений, действующий на рабочий поршень в процессе его перемещения к НМТ, приводит к тому, что он передает работу расширения на вал отбора мощности, и эта работа больше, чем работа сжатия охлажденного газа. В НМТ рабочий поршень снова останавливается, а вытеснитель изменяет направление движения и при этом вытесняет рабочее тело из «горячей» части в «холодную». В процессе вытеснения рабочее тело охлаждается, а поскольку при этом суммарный объем «горячей» и «холодной» частей постоянен, происходит изохорическое охлаждение. Затем цикл повторяется. Регенератор, установленный между холодильником и нагревателем, позволяет использовать тепло отработавшего расширившегося рабочего тела для возвращения его этому же рабочему телу перед нагревом, чем достигается максимальное значение термического КПД цикла. [1]
Теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стерлинга, рассчитанного на практическое применение. Наиболее верным будет определение двигателя Стерлинга как теплового двигателя, работающего по замкнутому регенеративному циклу. [4]
Таков идеальный цикл, реализованный в двигателе Стерлинга. В реальном двигателе поршни не останавливаются, а кинематические схемы разнообразны, но при всех схемах термодинамический цикл близок к идеальному. [1]
Двигатель Стерлинга использует цикл Стерлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. (?). Цикл Стерлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах. [4]
Преимущества двигателя Стерлинга, вытекающие из его термодинамического цикла, привлекают к нему внимание. Высокая экономичность. Применение современных материалов, особенно сталей с высокой термостойкостью, позволило значительно увеличить разность температур между холодной и горячей полостями. Высокопористые материалы с высокой теплоаккумулирующей способностью повысили эффективность регенерации тепла. В результате появления новых материалов улучшилась герметичность двигателей и вместо воздуха стали применять в качестве рабочего тела гелий и водород при средних значениях давления 60-80 атмосфер (по другим источникам 100 атм. и выше [4;5]). Все это позволило довести КПД двигателя до 40%. [1]
Детали двигателя не подвергаются динамическим нагрузкам. В его цилиндрах нет резкого повышения давления. Нет шума и вибрации. Кроме того, у него нет клапанов, их привода. Двигатель может работать на любом топливе. Теплота подводится к нагревателю снаружи, а это позволяет так организовать горение, чтобы уменьшить количество вредных составляющих в продуктах сгорания и свести токсичность двигателя до уровня токсичности бытовой газовой горелки. Можно обойтись и без топлива используя другие источники теплоты, например солнечную энергию, энергию радиоактивного распада, тепловые аккумуляторы. Испытания созданных образцов двигателей показали, что их характеристики благоприятны для использования на транспорте. Крутящий момент на валу двигателя мало зависит от частоты вращения. Это послужило основанием для разработки автомобильных двигателей. Но серьезным препятствием является подвод теплоты через теплообменники. Двигатель получается громоздким, тяжелым, с большим временем перехода с режима на режим. Многие считают, что в качестве автомобильного, двигатель Стирлинга малоперспективен. Эти двигатели имеют преимущества в тех случаях, когда нельзя или трудно организовать подвод горючего и окислителя для горения, но можно использовать солнечную энергию или энергию радиоактивного распада, например, в космосе или под водой. Они удобны в гелиоэнергетике. [1]
Наряду с привлекательными свойствами двигатель Стирлинга имеет существенные недостатки - это высокая плотность рабочего тела при низкой степени сжатия. В двигателе Стирлинга нет клапанов, а степень сжатия есть отношение суммарного объема холодной полости, полости холодильника, регенератора, нагревателя, горячей полости и объединяющей их перепускной магистрали в положении рабочего поршня в нижней мертвой точке к суммарному объему этих же полостей при положении рабочего поршня в верхней мертвой точке. Для того, чтобы при малой степени сжатия в двигателе Стирлинга получить экономичную работу в газовом контуре двигателя рабочее тело удерживают при среднем значении давления примерно 100 атмосфер. Необходимость удержания рабочего тела в газовом контуре при таком давлении можно объяснить тем, что при увеличении плотности уменьшается сжимаемость газа. Разность давлений, которые используются для экономичной работы двигателя Стирлинга, находятся в диапазоне давлений 100 атмосфер и выше. Дополнительные 100 атмосфер - «балласт», который необходим для того, чтобы иметь возможность сжимать рабочее тело с отводом теплоты и расширять при нагревании в приемлемых величинах при небольшой степени сжатия в поршневом двигателе замкнутого цикла с бесклапанным образованием разности давлений в газовом контуре. В двигателе Стирлинга удержание в газовом контуре рабочее тело с высоким давлением приводит к необходимости увеличения прочности двигателя и сопутствующих теплообменных аппаратов, и как следствие увеличение материалоемкости и габаритов.
Материалоемкость - основной недостаток двигателя. У двигателя Стирлинга рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60-250% выше, чем в обычных поршневых двигателях (ДВС). Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. Тепло подводится к рабочему телу через стенки теплообменников. Горячий теплообменник работает в очень напряженных условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растет размер теплообменника и объем рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. [4]
Цикл Стирлинга предполагает расширение рабочего тела с подводом теплоты при постоянной температуре на всю длину хода рабочего поршня от ВМТ до НМТ. При таком подводе теплоты к рабочему телу необходимо вторичное преобразование теплоты в работу, чему и способствует регенератор. Вторичное преобразование теплоты повышает КПД цикла Стирлинга, однако регенератор это дополнительный теплообменный аппарат, который увеличивает массу и габариты двигателя. Несмотря на множество привлекательных признаков, факторами, сдерживающими развитие двигателей Стирлинга, являются очень высокая плотность рабочего тела, которая в совокупности с бесклапанным образованием разности давлений в газовом контуре, не позволяет получить экономичную работу двигателя в диапазоне давлений ниже 100 атмосфер. Кроме того, невозможна экономичная работа двигателя без привлечения отработанной теплоты во вторичный оборот.
Эти факторы способствуют существенному усложнению, увеличению массы и габаритов, к удорожанию двигателя Стирлинга.
Известен тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты с незамкнутым циклом аналог (SU 1760804A1 20.12.1995 г.) [6]. Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения содержащий: две пары цилиндров, рабочие поршни, размещенные внутри каждого цилиндра, по одному, с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, соединенные шатунами с коленчатым валом; каждая пара цилиндров состоит из расширительного цилиндра большего объема и цилиндра компрессора меньшего объема; впускные и выпускные управляемые клапаны расширительного цилиндра, всасывающие управляемые клапаны компрессора, нагнетательные автоматические клапаны компрессора, управляемые клапаны снабжены приводом от коленчатого вала; теплообменник-нагреватель и газопроводы; каждый расширительный цилиндр сообщен через впускной клапан и газопровод с теплообменником-нагревателем; каждый цилиндр компрессора сообщен через нагнетательный клапан и газопровод с теплообменником-нагревателем; цилиндры компрессора дополнительно снабжены каналом связывающим оба цилиндра и управляемыми перепускными клапанами, установленными в стыке канала с каждым цилиндром и снабженным приводом с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. [6, 7, 8]
Предложенное изобретение отличается от известного аналога (SU 1760804 A1 20.12.1995 г. ) [6] тем, что содержит: рабочие поршни со штоками, размещенные внутри каждого цилиндра по одному, соединенные ползунами и шатунами с коленчатым валом, с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки и разделяющие объем каждого цилиндра на две полости надпоршневую и подпоршневую; теплообменник-охладитель и газопроводы; каждый расширительный цилиндр сообщен через выпускной клапан и газопровод с теплообменником-охладителем; каждый цилиндр компрессора сообщен через всасывающий клапан и газопровод с теплообменником-охладителем; замкнутый газовый контур; замкнутый газовый контур позволяет использовать в качестве рабочего тела гелий, азот, воздух, другие трудно сжижаемые не агрессивные газы; для образования рабочего давления в «горячем» отсеке от подвода теплоты увеличивают плотность рабочего тела в объеме газового контура путем увеличения давления от внешнего источника рабочего тела. Давление в контуре увеличивают до тех пор, пока порция рабочего тела в расширительном цилиндре при подводе теплоты с определенной температурой, на момент перекрытия впускного клапана, не окажется равной массе, при которой температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня в результате адиабатного расширения уменьшится, примерно до температуры охладителя (определяют опытным путем).  Рабочее тело сжимают поршнем расширительного цилиндра при открытом выпускном клапане в постоянной температуре охладителя при движении поршня от НМТ до ВМТ в уменьшающемся объеме «холодного» отсека в увеличивающийся объем цилиндра компрессора при открытом всасывающем клапане при движении поршня компрессора от ВМТ до НМТ.
Причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивается изобретением. Тепловой поршневой двигатель аналог (SU 1760804 A1 20.12.1995 г.) [6] имеет незамкнутый цикл, связанный с атмосферой, атмосферным давлением и температурой. Теплообменник-нагреватель сообщенный через газопровод и впускной клапан с каждым расширительным цилиндром и сообщенный через газопровод и нагнетательный клапан с каждым цилиндром компрессора составляют «горячий» отсек высокого давления обособленный впускными клапанами расширительных цилиндров и нагнетательными клапанами цилиндров компрессора, при открытом положении упомянутых клапанов надпоршневые полости расширительных цилиндров и надпоршневые полости цилиндров компрессора относятся к «горячему» отсеку. В «горячем» отсеке через несколько оборотов от начала вращения коленчатого вала образуется и удерживается давление, соответствующее степени сжатия, поскольку степень сжатия образуется от разности полного надпоршневого объема каждого цилиндра компрессора и надпоршневого объема каждого расширительного цилиндра в момент перекрытия впускного клапана, а с подводом теплоты образуется и удерживается давление соответствующее температуре нагревателя. Рабочий, расширительный процесс в каждом расширительном цилиндре содержит элементы цикла Карно - первая часть расширения рабочего тела идет с подводом теплоты в постоянной температуре нагревателя в объеме «горячего» отсека при движении поршня от ВМТ до момента перекрытия впускного клапана на такте расширения, вторая часть -расширение рабочего тела идет без подвода и отвода теплоты до конца рабочего хода поршня. Таким образом, изотермический и адиабатный расширительные процессы составляют термодинамические процессы входящие в цикл Карно. Процесс выпуска - вытеснение рабочего тела в атмосферу. Сжатия в этом процессе не происходит, поскольку вытеснение идет в атмосферу неограниченного объема, а всасывание идет из атмосферы в цилиндр компрессора меньшего объема, чем объем расширительного цилиндра при давлении и температуре атмосферы. Рабочее тело сжимают только поршнем в цилиндре компрессора без подвода и отвода теплоты с нагнетанием в «горячий» отсек контура. Если расширительный цилиндр через выпускной клапан и газопровод объединить с теплообменником-охладителем, и через газопровод и всасывающий клапан объединить с цилиндром компрессора, образуется «холодный» отсек низкого давления ограниченного объема, обособленный выпускными клапанами расширительных цилиндров и всасывающими клапанами цилиндров компрессора, который в совокупности с «горячим» отсеком образует замкнутый газовый контур. При открытом положении упомянутых клапанов надпоршневые полости относятся к «холодному» отсеку в каждой паре цилиндров. Становится возможным после расширения сжимать рабочее тело поршнем расширительного цилиндра в постоянной температуре охладителя, поскольку надпоршневой объем расширительного цилиндра больше надпоршневого объема цилиндра компрессора, происходит сжатие в ограниченном уменьшающемся объеме «холодного» отсека включая увеличивающийся надпоршневой объем цилиндра компрессора. Поршень в расширительном цилиндре и поршень в цилиндре компрессора в каждой паре цилиндров должны двигаться в противофазе. Для образования рабочего давления в «горячем» отсеке от подвода теплоты необходимо увеличить плотность рабочего тела в объеме газового контура увеличением давления от внешнего источника рабочего тела, давление в контуре необходимо увеличивать до тех пор, пока порция рабочего тела в каждом расширительном цилиндре при подводе теплоты, на момент перекрытия впускного клапана не окажется равной массе, при которой температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня, в результате адиабатного расширения уменьшится примерно, до температуры охладителя. Замкнутый газовый контур позволяет удерживать давление необходимое для того, чтобы температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня расширительного цилиндра, в результате адиабатного расширения уменьшилась до температуры охладителя, при этом отпадает необходимость несколько раз прокручивать коленчатый вал для получения давления в «горячем» отсеке соответствующего давлению степени сжатия, как это происходит в незамкнутом цикле аналога. Становится возможным сжимать рабочее тело в режиме двухступенчатого сжатия, а именно, первая ступень -рабочее тело сжимают поршнем расширительного цилиндра при открытом выпускном клапане при движении поршня от НМТ до ВМТ в уменьшающемся объеме «холодного» отсека в увеличивающийся объем цилиндра компрессора в постоянной температуре охладителя при открытом всасывающем клапане при движении поршня компрессора от ВМТ до НМТ. Вторая ступень - сжатие поршнем компрессора без отвода теплоты с нагнетанием рабочего тела в «горячий» отсек контура. В результате адиабатного сжатия давление и температура рабочего тела увеличиваются до давления и температуры в «горячем» отсеке. После нагнетания рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Таким образом, двухступенчатое сжатие рабочего тела содержит изотермическое сжатие и адиабатное сжатие - термодинамические процессы входящие в цикл Карно, где за один оборот вала происходит одно изотермическое сжатие поршнем расширительного цилиндра и одно адиабатное сжатие поршнем компрессора на один полный расширительный ход поршня, в котором первая часть хода поршня идет с подводом теплоты к рабочему телу в постоянной температуре нагревателя, а вторая часть, до конца хода поршня, без подвода и отвода теплоты с уменьшением температуры рабочего тела до температуры охладителя. Из этого следует, что образование и чередование изотермического и адиабатного процессов расширения в совокупности с образованием и чередованием изотермического и адиабатного процессов сжатия составляют механизм образования и чередования термодинамических процессов входящих в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала.
1. Необходимость использования двух пар цилиндров связана с тем, что для производительной работы компрессора при высоком давлении нагнетания, двигатель должен иметь компрессор, по меньшей мере, с двумя цилиндрами, которые содержат устройство для уменьшения влияния объемов вредного пространства, способным уменьшить это вредное влияние при высоком давлении нагнетания рабочего тела. Для этого цилиндры компрессора дополнительно снабжают каналом, связывающим оба цилиндра и управляемыми перепускными клапанами, установленными в стыках канала с цилиндрами, с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней компрессора, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. [6,7,8]
2. Для работы двигателя с замкнутым циклом необходимо надежно обеспечить герметичность контура. Необходимость использования штоков и подпоршневых полостей связана с тем, что газовый контур необходимо герметизировать от внешней среды - атмосферы. Для этого на нижние торцы цилиндров необходимо установить и жестко закрепить крышки с отверстиями, через которые проходят штоки, герметично уплотненные в отверстиях крышек, поскольку поршни с уплотнительными кольцами не могут надежно обеспечить герметичность газового контура.
Под поршнями расширительных цилиндров и цилиндров компрессора можно расположить газовую буферную полость. Газ в этой полости создает упругую силу, которую используют для снижения нагрузок на механизм привода и для облегчения условий работы уплотнений поршней. Этот эффект достигается созданием в буферной полости давления примерно равного давлению в «холодном» отсеке газового контура. [9]
Кроме того, подпоршневые полости могут быть использованы в совокупности с надпоршневыми полостями в качестве двигателя двойного действия. В этом варианте двигателя необходимость в буферной полости отпадает, при этом процессы, происходящие в подпоршневых полостях цилиндров, при установке соответствующих клапанов и газопроводов, не отличаются от процессов, происходящих в надпоршневых полостях.
Известен тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла аналог-прототип (US 4077221, опубликованный 07.03.1978 г.). [10] Признаки наиболее близкого аналога-прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения содержащий, по меньшей мере две пары цилиндров, рабочие поршни со штоками, размещенные внутри каждого цилиндра, по одному, соединенные через ползуны и шатуны с коленчатым валом, с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки разделяющие объем каждого цилиндра на две полости, надпоршневую и подпоршневую, каждая пара цилиндров состоит из расширительного цилиндра и цилиндра компрессора, впускные и выпускные управляемые клапаны расширительных цилиндров, всасывающие управляемые клапаны цилиндров компрессора, нагнетательные автоматические клапаны цилиндров компрессора, управляемые клапаны снабжены приводом от коленчатого вала, теплообменник-нагреватель и газопроводы, теплообменник-охладитель и газопроводы. Двигатель содержит замкнутый газовый контур - расширительные цилиндры сообщены через впускные клапаны и газопровод с теплообменником-нагревателем и сообщены через выпускные клапаны и газопровод с теплообменником-охладителем, а цилиндры компрессора сообщены через всасывающие клапаны и газопровод с теплообменником-охладителем и сообщены через нагнетательные клапаны и газопровод с теплообменником-нагревателем. Газовый контур состоит из «горячего» и «холодного» отсеков. Теплообменник-нагреватель сообщенный через газопровод и впускной клапан с каждым расширительным цилиндром и сообщенный через газопровод и нагнетательный клапан с каждым цилиндром компрессора составляют «горячий» отсек высокого давления обособленный впускными клапанами расширительных цилиндров и нагнетательными клапанами цилиндров компрессора. Теплообменник-охладитель сообщенный через газопровод и выпускной клапан с каждым расширительным цилиндром и сообщенный через газопровод и всасывающий клапан с каждым цилиндром компрессора составляют «холодный» отсек низкого давления обособленный выпускными клапанами расширительных цилиндров и всасывающими клапанами цилиндров компрессора, при открытом положении клапанов надпоршневые полости расширительных цилиндров и цилиндров компрессора относятся к тому отсеку с которым они сообщаются.
Предложенное изобретение отличается от известного аналога-прототипа (US 4077221, опубликованный 07.03.1978 г.) [10] тем, что тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла содержит расширительные цилиндры большего объема, чем компрессорные цилиндры, цилиндры компрессора дополнительно снабжены каналом связывающим цилиндры и управляемыми перепускными клапанами установленными в стыках канала с цилиндрами компрессора, с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней компрессора, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке.
Процесс расширения рабочего тела, в каждом расширительном цилиндре аналога-прототипа, содержит элементы цикла Карно - первая часть расширения идет с подводом теплоты в постоянной температуре нагревателя в объеме «горячего» отсека при движении поршня от момента открытия впускного клапана в ВМТ до момента перекрытия клапана на такте расширения, вторая часть - расширение рабочего тела идет только в расширительном цилиндре без отвода теплоты до конца рабочего хода поршня, при этом температура рабочего тела в результате расширения без отвода теплоты может уменьшаться до температуры охладителя. Таким образом, изотермический и адиабатный расширительные процессы составляют термодинамические процессы входящие в цикл Карно.
Причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивается изобретением. Тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла аналог-прототип (US 4077221, опубликованный 07.03.1978 г.) [10], содержит, по меньшей мере две пары цилиндров, рабочие поршни, размещенные внутри каждого цилиндра по одному, каждая пара цилиндров состоит из расширительного цилиндра и цилиндра компрессора, при этом объем каждого расширительного цилиндра равен объему цилиндра компрессора, а диаметр поршня расширительного цилиндра равен диаметру поршня компрессора. При равенстве объемов цилиндров в каждой паре автор, преимущественно, использует движение поршней каждой пары цилиндров в одной фазе, при этом сжатие рабочего тела поршнями расширительных цилиндров происходит с отводом теплоты в уменьшающемся объеме «холодного» отсека, одновременно происходит сжатие рабочего тела поршнями в цилиндрах компрессора и его нагнетание в объем «горячего» отсека. Равенство объемов цилиндров и равенство диаметров поршней каждой пары цилиндров исключает возможность уменьшения затраты работы на сжатие рабочего тела. При равенстве объемов всех цилиндров и движении поршней каждой пары в противофазе, после расширения в расширительных цилиндрах, при сжимающем ходе поршней, происходит вытеснение рабочего тела в «холодный» отсек и в цилиндры компрессора с одинаковым объемом и, если температура рабочего тела в конце расширения окажется равной температуре охладителя, то вытеснение происходит в постоянном объеме, в постоянной температуре с постоянным давлением. При вытесняющем ходе поршня расширительного цилиндра в противофазе с поршнем компрессора, в каждой паре цилиндров, сжатия не происходит. Сжатие произойдет только в цилиндрах при сжимающем ходе поршней компрессора, подобно сжатию в классических ДВС, только с нагнетанием в «горячий» отсек контура, при этом выигрыша в работе сжатия рабочего тела также не происходит, поскольку площади поршней расширительных цилиндров и площади поршней цилиндров компрессора одинаковы.
Если сравнить рабочие циклы двухступенчатого компрессора и одноступенчатого, сжимающего газ в том же диапазоне давлений легко установить, что при использовании промежуточного охлаждения затраченная работа в двухступенчатом компрессоре меньше работы, затраченной в одноступенчатом. Отсюда следует, что двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением с термодинамической точки зрения более выгодно. Кроме того, в пользу двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением следует признать увеличение объемного коэффициента и снижение максимальной температуры сжимаемого газа. [11] Если в тепловом поршневом двигателе в каждой паре цилиндров использовать расширительный цилиндр большего объема, чем объем цилиндра компрессора становится возможным сжимать рабочее тело поршнем расширительного цилиндра в противофазе с цилиндром компрессора, при этом сжимать рабочее тело в режиме двухступенчатого сжатия, первая ступень - рабочее тело сжимают поршнем расширительного цилиндра при открытом выпускном клапане при движении поршня от НМТ до ВМТ в уменьшающемся объеме «холодного» отсека в увеличивающийся объем цилиндра компрессора при открытом всасывающем клапане при движении поршня компрессора от ВМТ до НМТ, идет процесс всасывания в сжимающем процессе, поскольку надпоршневой объем расширительного цилиндра больше надпоршневого объема цилиндра компрессора, происходит сжатие в постоянной температуре охладителя в уменьшающемся объеме «холодного» отсека, включая увеличивающийся надпоршневой объем цилиндра компрессора. Вторая ступень - сжатие рабочего тела поршнем компрессора без отвода теплоты с нагнетанием в «горячий» отсек контура. В результате работы сжатия, без подвода и отвода теплоты, давление и температура рабочего тела увеличиваются до давления и температуры в «горячем» отсеке. После нагнетания рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.
В описании этого аналога-прототипа нет упоминания о том, какое давление необходимо поддерживать в замкнутом газовом контуре для того, чтобы в результате адиабатного расширения температура рабочего тела уменьшилась до температуры охладителя в конце рабочего хода поршня. Цикл Карно в процессе расширения без подвода и отвода теплоты включает необходимость уменьшения температуры рабочего тела до температуры охладителя в результате адиабатного расширения в конце рабочего хода поршня расширительного цилиндра. Такая возможность появится, если увеличить плотность рабочего тела в объеме газового контура увеличением давления от внешнего источника рабочего тела, давление в контуре необходимо увеличивать до тех пор, пока порция рабочего тела в каждом расширительном цилиндре при подводе теплоты с определенной температурой, на момент перекрытия впускного клапана не окажется равной массе, при которой температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня, в результате адиабатного расширения уменьшится, примерно, до температуры охладителя.
Благодаря тому что, расширительный цилиндр больше цилиндра компрессора в каждой паре цилиндров, при этом поршни двигаются в противофазе, двухступенчатое сжатие рабочего тела содержит четко разделенные изотермическое сжатие поршнем расширительного цилиндра и адиабатное сжатие поршнем компрессора с увеличением температуры рабочего тела до температуры нагревателя - термодинамические процессы входящие в цикл Карно, где за один оборот вала происходит расширение рабочего тела за один полный ход поршня, в котором первая часть хода поршня идет с подводом теплоты к рабочему телу в постоянной температуре нагревателя, а вторая часть, до конца хода поршня без подвода и отвода теплоты с уменьшением температуры рабочего тела в результате расширения до температуры охладителя. Из этого следует, что образование и чередование изотермического и адиабатного процессов расширения, в совокупности с образованием и чередованием изотермического и адиабатного процессов сжатия составляют механизм образования и чередования термодинамических процессов входящих в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала.
Разделенный четырехтактный замкнутый цикл позволяет реализовать механизм образования и чередования изотермических и адиабатных процессов расширения и сжатия и допускает возможность практически осуществить термодинамические процессы входящие в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала.
При выполнении термодинамических расчетов переход от обратимых процессов к действительным производится путем введения поправочных коэффициентов, полученных экспериментальным путем, учитывающих влияние необратимости реальных процессов. [2]
Устройство.
Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит, по меньшей мере две пары цилиндров, рабочие поршни со штоками, размещенные внутри каждого цилиндра по одному, соединенные через ползуны и шатуны с коленчатым валом и разделяющие объем каждого цилиндра на две полости - надпоршневую и подпоршневую. Каждая пара цилиндров состоит из расширительного цилиндра - большего объема и цилиндра компрессора - меньшего объема. Расширительные цилиндры содержат впускные и выпускные управляемые клапаны, а цилиндры компрессора всасывающие управляемые клапаны и нагнетательные автоматические клапаны. Все управляемые клапаны имеют привод от общего газораспределительного вала связанного с коленчатым валом передаточным отношением 1:1, либо непосредственно от коленчатого вала. Двигатель содержит теплообменник-нагреватель, теплообменник-охладитель и газопроводы. Надпоршневые полости расширительных цилиндров сообщены через впускные клапаны и газопроводы с теплообменником-нагревателем и сообщены через выпускные клапаны и газопроводы с теплообменником-охладителем. Надпоршневые полости цилиндров компрессора сообщены через всасывающие клапаны и газопроводы с теплообменником-охладителем и сообщены через нагнетательные клапаны и газопроводы с теплообменником-нагревателем. Надпоршневые полости всех цилиндров, газопроводы и теплообменники закольцованы в единый замкнутый газовый контур. Газовый контур состоит из «горячего» и «холодного» отсеков. Благодаря клапанам «горячий» и «холодный» отсеки обособлены. «Горячий» отсек - зона высокого давления, состоит из теплообменника-нагревателя и газопроводов, обособлен впускными клапанами расширительных цилиндров и нагнетательными клапанами цилиндров компрессора. «Холодный» отсек - зона низкого давления состоит из теплообменника-охладителя и газопроводов, обособлен выпускными клапанами расширительных цилиндров и всасывающими клапанами цилиндров компрессора. При открытом положении клапанов надпоршневые полости расширительных цилиндров и цилиндров компрессора относятся к тому отсеку с которым они сообщаются. Цилиндры компрессора дополнительно снабжены каналом, связывающим оба цилиндра и управляемыми перепускными клапанами, установленными в стыках канала с цилиндрами, с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней компрессора, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. На нижние торцы цилиндров устанавливают и жестко закрепляют крышки с отверстиями, через которые проходят штоки, герметично уплотненные в отверстиях крышек. Двигатель содержит ресивер, на который устанавливают запорный кран и три газопровода. На газопроводы устанавливают запорные краны, по одному на каждый газопровод. Один газопровод сообщают с «горячим» отсеком контура, второй газопровод сообщают с «холодным» отсеком контура, третий газопровод сообщают с подпоршневыми полостями всех цилиндров - с буферной полостью. Подпоршневые полости могут быть использованы в совокупности с надпоршневыми полостями в качестве двигателя двойного действия. В этом варианте двигателя необходимость в буферной полости отпадает, при этом процессы, происходящие в подпоршневых полостях цилиндров, при установке соответствующих клапанов и газопроводов, не отличаются от процессов происходящих в надпоршневых полостях.
Способ работы.
Цикл тепловой поршневой машины представляет собой замкнутый круговой процесс с последовательным изменением состояния рабочего тела, в результате которого оно возвращается в свое первоначальное (исходное) состояние и может повторять такие циклы сколь угодно долго. [3]
Сущность изобретения заключается в том, что тепловой поршневой двигатель работает по разделенному четырехтактному замкнутому циклу. Цикл позволяет реализовать механизм образования и чередования изотермических и адиабатных процессов расширения и сжатия и практически осуществить термодинамические процессы входящие в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала.
Техническим результатом изобретения является возможность практической реализации цикла Карно в тепловом поршневом двигателе замкнутого цикла. Технический результат достигается тем, что образование и чередование изотермического и адиабатного процессов расширения в совокупности с образованием и чередованием изотермического и адиабатного процессов сжатия составляют механизм образования и чередования термодинамических процессов входящих в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала: 1. изотермическое расширение рабочего тела, 2. адиабатное расширение, 3. изотермическое сжатие рабочего тела, 4. адиабатное сжатие, в результате адиабатного расширения температура рабочего тела в конце расширения уменьшается примерно, до температуры охладителя, в результате адиабатного сжатия температура рабочего тела в конце сжатия увеличивается примерно, до температуры нагревателя. В конце адиабатного сжатия рабочее тело нагнетают в «горячий» отсек. Рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Далее цикл повторяется.
Цикл состоит из двух теплообменных процессов и четырех тактов. Первый теплообменный процесс - подвод теплоты к рабочему телу от подогревателя через стенки теплообменника-нагревателя потоком высокотемпературного теплоносителя - пламя горелки, тепловой аккумулятор, другие тепловые источники. Второй теплообменный процесс - отвод теплоты от рабочего тела через стенки теплообменника-охладителя потоком низкотемпературного теплоносителя - окружающей средой принудительным проточным способом. Теплообменные процессы идут непрерывно. Процессы такты происходят в цилиндрах двигателя. Первый и второй такты идут в надпоршневых полостях расширительных цилиндров. Первый такт расширение рабочего тела при движении поршней от ВМТ до НМТ. Перекрытие впускных клапанов на такте расширения разделяет рабочий ход поршней в цилиндрах на две части: первая часть - расширение рабочего тела с подводом теплоты; вторая часть - расширение рабочего тела без подвода теплоты до конца рабочего хода поршней. Второй такт вытеснение рабочего тела в «холодный» отсек при движении поршней расширительных цилиндров от НМТ до ВМТ. Третий и четвертый такты идут в надпоршневых полостях цилиндров компрессора. Третий такт всасывание рабочего тела из «холодного» отсека при движении поршней от ВМТ до НМТ. Четвертый такт сжатие и нагнетание рабочего тела в «горячий» отсек контура при движении поршней от НМТ до ВМТ. Поршни каждой пары цилиндров двигаются в противофазе и совершают два такта за один совместный ход. Первый и четвертый такты идут в первой половине оборота коленчатого вала, второй и третий такты идут во второй половине оборота вала. Весь цикл происходит в каждой паре цилиндров за один оборот коленчатого вала поочередно, через каждую половину оборота вала. Первый такт цикла рабочий, остальные 2, 3, 4 - подготовительные такты будущей работы.
Описание работы идет для надпоршневых полостей одной пары цилиндров - один расширительный цилиндр и один цилиндр компрессора. Работа в другой паре цилиндров происходит аналогично, через половину оборота вала. Цикл двигателя осуществляют следующим образом. От подогревателя к рабочему телу через теплообменник-нагреватель непрерывно подводят теплоту. Цикл начинают с изотермического расширения.
1. Первый такт - расширение рабочего тела в надпоршневой полости расширительного цилиндра при движении поршня от ВМТ до НМТ. Первая часть первого такта - расширение рабочего тела с подводом теплоты в постоянной температуре нагревателя при открытом впускном клапане в увеличивающемся объеме «горячего» отсека при движении поршня от ВМТ до момента перекрытия впускного клапана. Момент перекрытия впускного клапана наступает во второй трети рабочего хода поршня. Во второй части первого такта, после перекрытия клапана, до конца рабочего хода поршня, расширение рабочего тела идет только в надпоршневой полости расширительного цилиндра без подвода теплоты. В результате расширения без подвода и отвода теплоты температура рабочего тела уменьшается до температуры охладителя.
2. Второй такт - вытеснение рабочего тела из надпоршневой полости расширительного цилиндра через выпускной клапан в «холодный» отсек контура при движении поршня от НМТ до ВМТ. Идет переход рабочего тела к низкотемпературному источнику теплоты. Одновременно со вторым тактом и отводом теплоты от рабочего тела идет третий такт.
3. Третий такт - всасывание рабочего тела из «холодного» отсека через всасывающий клапан в надпоршневую полость цилиндра компрессора при движении поршня от ВМТ до НМТ. Второй и третий такты в совокупности с теплообменным процессом есть процесс сжатия рабочего тела с отводом теплоты в постоянной температуре охладителя.
4. Четвертый такт - сжатие рабочего тела в надпоршневой полости цилиндра компрессора и его нагнетание в «горячий» отсек контура при движении поршня от НМТ до ВМТ. Первая часть четвертого такта - сжатие рабочего тела в цилиндре компрессора без подвода теплоты. Сжатие идет при движении поршня от НМТ до момента, при котором в результате адиабатного сжатия давление в надпоршневой полости цилиндра компрессора увеличивается до давления в «горячем» отсеке. После выравнивания давления в надпоршневой полости цилиндра и в «горячем» отсеке, при дальнейшем движении поршня, во второй части четвертого такта открывается нагнетательный клапан и сжатие продолжают нагнетая рабочее тело в объем «горячего» отсека до конца хода поршня компрессора. Идет переход рабочего тела к высокотемпературному источнику теплоты. Рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Далее цикл повторяется.
Условия сопровождающие разделенный четырехтактный замкнутый цикл, совокупность которых позволяет практически осуществить термодинамические процессы входящие в цикл Карно.
1. Рабочим телом служит трудно сжижаемый газ, например: гелий, азот, воздух, другие трудно сжижаемые неагрессивные газы.
2. Степень повышения давления зависит от разности температур высокотемпературного и низкотемпературного источников теплоты и равна отношению разности температур рабочего тела «горячего» и «холодного» отсеков к абсолютной температуре.
3. Полный объем надпоршневой полости расширительного цилиндра больше полного объема надпоршневой полости цилиндра компрессора.
4. Полный объем надпоршневой полости цилиндра компрессора примерно равен объему надпоршневой полости расширительного цилиндра в момент перекрытия впускного клапана.
5. Впускной клапан в расширительном цилиндре перекрывают во второй трети хода поршня на такте расширения.
6. Момент перекрытия рабочего тела впускным клапаном разделяет рабочий ход поршня на две части: в первой части рабочего хода поршня, до перекрытия клапаном, расширение рабочего тела идет с подводом теплоты в увеличивающемся объеме «горячего» отсека; во второй части, после перекрытия, расширение идет только в объеме надпоршневой полости расширительного цилиндра без подвода теплоты до конца хода поршня.
7. Второй и третий такты в совокупности с теплообменным процессом есть процесс сжатия рабочего тела с отводом теплоты, образующейся в результате сжатия, в уменьшающемся объеме «холодного» отсека при движении поршня расширительного цилиндра от НМТ до ВМТ, а поршня компрессора от ВМТ до НМТ.
8. Четвертый такт сжатие и нагнетание рабочего тела в «горячий» отсек контура при движении поршня компрессора от НМТ до ВМТ. В результате сжатия без подвода и отвода теплоты давление в цилиндре увеличивается до давления в «горячем» отсеке, а температура рабочего тела увеличивается до температуры нагревателя.
9. Поршни каждой пары цилиндров двигаются в противофазе за один совместный ход.
10. Для образования рабочего давления в «горячем» отсеке от подвода теплоты увеличивают плотность рабочего тела в объеме газового контура путем увеличения давления от внешнего источника рабочего тела. Давление в контуре увеличивают до тех пор, пока порция рабочего тела в расширительном цилиндре при подводе теплоты с определенной температурой, на момент перекрытия впускного клапана, не окажется равной массе, при которой температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня в результате адиабатного расширения уменьшится, примерно до температуры охладителя (определяют опытным путем).
11. Выпускной клапан перекрывают на такте вытеснения в момент нахождения поршня, когда объем надпоршневой полости расширительного цилиндра окажется больше объема надпоршневой полости этого цилиндра в ВМТ настолько, насколько в результате сжатия этой части рабочего тела давление в надпоршневой полости в ВМТ достигнет давления в «горячем» отсеке. [6]
12. Цилиндры компрессора дополнительно снабжены каналом связывающими цилиндры и управляемыми перепускными клапанами установленными в стыках канала с цилиндрами с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. [6, 7, 8]
13. Для регулирования нагрузки двигателя вместе с изменением количества подводимой теплоты изменяют количество рабочего тела в газовом контуре. Для уменьшения нагрузки двигателя, вместе с уменьшением подвода теплоты, уменьшают количество рабочего тела в газовом контуре. Для увеличения нагрузки, вместе с увеличением подвода теплоты увеличивают количество рабочего тела в газовом контуре до необходимой плотности. Изменение количества рабочего тела в газовом контуре сокращает время реагирования на изменение нагрузки.
14. Необходимость использования штоков и подпоршневой полости связана с тем, что газовый контур необходимо надежно герметизировать от внешней среды. Для этого на нижние торцы цилиндров устанавливают и жестко закрепляют крышки с отверстиями, через которые проходят штоки, герметично уплотненные в отверстиях крышек. Под поршнями расширительных цилиндров и под поршнями цилиндров компрессора можно расположить газовую буферную полость. Кроме того, подпоршневые полости могут быть использованы в совокупности с надпоршневыми полостями в качестве двигателя двойного действия. В этом варианте двигателя необходимость в буферной полости отпадает, при этом процессы, происходящие в подпоршневых полостях цилиндров, при установке соответствующих клапанов и газопроводов, не отличаются от процессов происходящих в надпоршневых полостях.
Разность температур рабочего тела «горячего» и «холодного» отсеков, соотношение расширения рабочего тела с подводом теплоты и расширения без подвода теплоты, разность объемов расширительных цилиндров и цилиндров компрессора, соотношение сжатия рабочего тела с отводом теплоты и сжатия без отвода теплоты, объем газового контура, плотность рабочего тела в газовом контуре - взаимозависимые составляющие величины термодинамических процессов для определения и установки оптимальных параметров состояния рабочего тела для приближения работы цикла реального двигателя к циклу Карно.
Устройство.
Тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла содержит, по меньшей мере две пары цилиндров. Каждая пара цилиндров состоит из расширительного цилиндра 1 - большего объема и цилиндра 2 компрессора - меньшего объема. В цилиндрах двигаются поршни 3 и 4 со штоками 5 размещенные внутри каждого цилиндра по одному, соединенные с ползунами 6 и шатунами 7 с коленчатым валом 8. Поршни разделяют объем каждого цилиндра на две полости - надпоршневую и подпоршневую. Расширительные цилиндры 1 содержат впускные управляемые клапаны 9 и выпускные управляемые клапаны 10, а цилиндры 2 компрессора всасывающие управляемые клапаны 11 и нагнетательные автоматические клапаны 12. Все управляемые клапаны имеют привод от общего газораспределительного вала 13 связанного с коленчатым валом 8 передаточным отношением 1:1, либо непосредственно от коленчатого вала. Двигатель содержит теплообменник-нагреватель 14, подогреватель 15, теплообменник-охладитель 16 и газопроводы 17, 18, 19, 20. Надпоршневые полости 21 расширительных цилиндров 1 сообщены через впускные клапаны 9 и газопровод 17 с теплообменником-нагревателем 14 и сообщены через выпускные клапаны 10 и газопровод 18 с теплообменником-охладителем 16. Надпоршневые полости 22 цилиндров 2 компрессора сообщены через всасывающие клапаны 11 и газопровод 19 с теплообменником-охладителем 16 и сообщены через нагнетательные клапаны 12 и газопровод 20 с теплообменником-нагревателем 14. Надпоршневые полости всех цилиндров, газопроводы и теплообменники закольцованы в единый замкнутый газовый контур. Газовый контур состоит из «горячего» и «холодного» отсеков. Благодаря клапанам «горячий» и «холодный» отсеки обособлены. «Горячий» отсек - зона высокого давления, состоит из теплообменника-нагревателя 14 и газопроводов 17 и 20, обособлен впускными клапанами 9 расширительных цилиндров 1 и нагнетательными клапанами 12 цилиндров 2 компрессора. «Холодный» отсек - зона низкого давления состоит из теплообменника-охладителя 16 и газопроводов 18 и 19, обособлен выпускными клапанами 10 расширительных цилиндров 1 и всасывающими клапанами 11 цилиндров 2 компрессора. При открытом положении клапанов надпоршневые полости 21 расширительных цилиндров 1 и надпоршневые полости 22 цилиндров 2 компрессора относятся к тому отсеку с которым они сообщаются. Рабочее тело в кольце газового контура может перетекать только в одном направлении. Цилиндры 2 компрессора дополнительно снабжены каналом 23, связывающим оба цилиндра и управляемыми перепускными клапанами 24, установленными в стыках канала 23 с цилиндрами 2, с возможностью открытия каждого из перепускных клапанов 24 в момент нахождения поршней 4 компрессора, одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. На нижние торцы цилиндров 1 и 2 устанавливают и жестко закрепляют крышки 25 с отверстиями, через которые проходят штоки 5, герметично уплотненные в отверстиях крышек. Кроме того двигатель содержит ресивер 26, на который устанавливают запорный кран 27 и три газопровода. На газопроводы устанавливают запорные краны, по одному на каждый газопровод. На газопровод 28 устанавливают кран 29, которым перекрывают проход газа из ресивера 26 в «горячий» отсек контура. На газопровод 30 устанавливают кран 31, которым перекрывают проход газа из ресивера 26 в «холодный» отсек контура. На газопровод 32 устанавливают кран 33, которым перекрывают проход газа из ресивера 26 в подпоршневые полости 34 всех цилиндров 1 и 2 после заполнения газом буферной полости 34. Подпоршневые полости 34 могут быть использованы в совокупности с надпоршневыми полостями 21 и 22 в качестве двигателя двойного действия. В этом варианте двигателя необходимость в буферной полости отпадает, при этом процессы, происходящие в подпоршневых полостях 34 цилиндров 1 и 2, при установке соответствующих клапанов и газопроводов, не отличаются от процессов происходящих в надпоршневых полостях 21 и 22. В подогреватель 15 устанавливают горелку 35. На теплообменник-охладитель 16 устанавливают вентилятор 36.
Способ работы.
Тепловой поршневой двигатель работает по разделенному четырехтактному замкнутому циклу. Цикл позволяет практически осуществлять термодинамические процессы расширения и сжатия входящие в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала. Цикл состоит из двух теплообменных процессов и четырех тактов. Первый теплообменный процесс - подвод теплоты к рабочему телу через стенки теплообменника-нагревателя 14 от подогревателя 15 потоком высокотемпературного теплоносителя - пламенем горелки 35. Второй теплообменный процесс - принудительный отвод теплоты от рабочего тела через стенки теплообменника-охладителя 16 потоком низкотемпературного теплоносителя - атмосферного воздуха вентилятором 36. Теплообменные процессы идут непрерывно. Процессы такты происходят в цилиндрах двигателя. Первый и второй такты идут в надпоршневых полостях 21 расширительных цилиндров 1. Первый такт - расширение рабочего тела идет при движении поршней 3 от ВМТ до НМТ. Перекрытие впускных клапанов 9 на такте расширения разделяет рабочий ход поршней 3 на две части: первая часть - расширение рабочего тела с подводом теплоты; вторая часть - расширение рабочего тела без подвода теплоты. Второй такт - вытеснение рабочего тела в «холодный» отсек при движении поршней 3 от НМТ до ВМТ. Третий и четвертый такты идут в надпоршневых полостях 22 цилиндров 2 компрессора. Третий такт - всасывание рабочего тела из «холодного» отсека при движении поршней 4 от ВМТ до НМТ. Четвертый такт сжатие и нагнетание рабочего тела в «горячий» отсек при движении поршней 4 от НМТ до ВМТ. Поршни 3 и 4 каждой пары цилиндров двигаются в противофазе и совершают два такта за один совместный ход. Первый и четвертый такты идут в первой половине оборота коленчатого вала 8. Второй и третий такты идут во второй половине оборота вала. Весь цикл происходит в каждой паре цилиндров за один оборот коленчатого вала 8, поочередно, через каждую половину оборота коленчатого вала. Первый такт цикла рабочий, остальные 2, 3, 4 - подготовительные такты будущей работы.
Описание работы идет для надпоршневых полостей одной пары цилиндров, один расширительный цилиндр 1 и один цилиндр 2 компрессора, работа в другой паре цилиндров происходит аналогично. От подогревателя 15 к рабочему телу через теплообменник-нагреватель 14 горелкой 35 непрерывно подводят теплоту. В результате подвода теплоты давление рабочего тела в «горячем» отсеке повышается. Цикл начинают с изотермического расширения.
1. Первый такт - расширение рабочего тела в надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 при движении поршня 3 от ВМТ до НМТ. Вращая коленчатый вал 8 кулачок газораспределительного вала 13 открывает впускной клапан 9 расширительного цилиндра 1 и впускает рабочее тело из «горячего» отсека в надпоршневую полость 21 цилиндра 1. Начало открытия впускного клапана 9 совпадает с началом движения поршня 3 к нижней мертвой точке. Первая часть первого такта расширение рабочего тела с подводом теплоты в постоянной температуре близкой температуре нагревателя. Расширение идет при открытом впускном клапане 9 в увеличивающемся объеме «горячего» отсека при движении поршня 3 от ВМТ до момента перекрытия клапана 9. Момент перекрытия впускного клапана 9 наступает на половине рабочего хода поршня 3. Расширение рабочего тела во второй части первого такта, после перекрытия клапана 9 до конца рабочего хода поршня 3 идет только в надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 без подвода и отвода теплоты. В результате адиабатного расширения температура рабочего тела в надпоршневой полости 21 цилиндра 1 уменьшается до температуры охладителя.
2. Второй такт - вытеснение рабочего тела из надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1. В начале второго такта кулачок газораспределительного вала 13 открывает выпускной клапан 10, а поршень 3 вытесняет рабочее тело из расширительного цилиндра 1 в «холодный» отсек при движении поршня 3 от НМТ до ВМТ. Идет переход рабочего тела к низкотемпературному источнику теплоты. По окончании вытеснения выпускной клапан 10 закрывают.Одновременно со вторым тактом и отводом теплоты от рабочего тела идет третий такт.
3. Третий такт - всасывание рабочего тела в надпоршневую полость 22 цилиндра 2 компрессора. В начале третьего такта кулачок газораспределительного вала 13 открывает всасывающий клапан 11 цилиндра 2 компрессора и поршень 4 всасывает рабочее тело из «холодного» отсека через всасывающий клапан 11 в надпоршневую полость 22 цилиндра 2 компрессора при движении поршня 4 от ВМТ до НМТ. По окончании всасывания клапан 11 закрывают.Второй и третий такты в совокупности с теплообменным процессом есть процесс сжатия рабочего тела с отводом теплоты в постоянной температуре близкой температуре охладителя.
4. Четвертый такт - сжатие рабочего тела в надпоршневой полости 22 цилиндра 2 компрессора и его нагнетание в «горячий» отсек. Первая часть четвертого такта сжатие рабочего тела без подвода и отвода теплоты. Сжатие идет при движении поршня 4 от НМТ до момента, при котором в результате адиабатного сжатия давление в надпоршневой полости 22 цилиндра 2 компрессора увеличивается до давления в «горячем» отсеке. После выравнивания давления, при дальнейшем движении поршня 4, открывается автоматический нагнетательный клапан 12 и поршень 4 нагнетает рабочее тело в «горячий» отсек, продолжая сжатие в объеме «горячего» отсека. Идет переход рабочего тела к высокотемпературному источнику теплоты. Нагнетание идет во второй части четвертого такта от момента начала открытия клапана 12 до конца хода поршня 4 компрессора. В результате адиабатного сжатия температура рабочего тела увеличивается до температуры нагревателя. Рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Далее цикл повторяется.
Перепад давлений «горячего» и «холодного» отсеков, действующий на поршень расширительного цилиндра в процессе его перемещения к НМТ приводит к тому, что он передает работу расширения рабочего тела на коленчатый вал, и эта работа больше, чем работа сжатия охлажденного газа поршнем этого цилиндра. Кроме того выигрыш в работе получают за счет разности надпоршневых объемов и разности площади поршней расширительного и компрессорного цилиндров.
Условия сопровождающие разделенный четырехтактный замкнутый цикл, совокупность которых позволяет практически осуществить термодинамические процессы входящие в цикл Карно.
1. Рабочим телом служит трудно сжижаемый газ, например: гелий, азот, воздух, другие трудно сжижаемые неагрессивные газы или их смеси.
2. Степень повышения давления зависит от разности температур высокотемпературного и низкотемпературного источников теплоты и равна отношению разности температур рабочего тела «горячего» и «холодного» отсеков к абсолютной температуре.
3. Полный объем надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 больше полного объема надпоршневой полости 22 цилиндра 2 компрессора.
4. Полный объем надпоршневой полости 22 цилиндра 2 компрессора примерно равен объему надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 в момент перекрытия впускного клапана 9.
5. Впускной клапан 9 расширительного цилиндра 1 перекрывают на такте расширения примерно на половине рабочего хода поршня 3 от ВМТ до НМТ. Соотношение объема надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 от ВМТ до момента перекрытия впускного клапана 9 и объема надпоршневой полости 21 этого же цилиндра 1 от момента перекрытия впускного клапана 9 до НМТ определяет меру изотермического и адиабатного соотношения расширения рабочего тела в расширительном цилиндре 1.
6. Момент перекрытия рабочего тела впускным клапаном 9 разделяет рабочий ход поршня 3 на две части. В первой части, до перекрытия клапана 9 расширение рабочего тела идет с подводом теплоты в постоянной температуре в увеличивающемся объеме «горячего» отсека. Во второй части, после перекрытия клапана, до конца рабочего хода поршня 3 расширение идет только в объеме надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 без подвода теплоты. Перекрытие впускного клапана на половине рабочего хода поршня расширительного цилиндра это частный случай в двигателе с разделенным четырехтактным замкнутым циклом. В этом двигателе имеется возможность устанавливать другие соотношения расширения рабочего тела с подводом теплоты и без подвода теплоты путем изменения момента перекрытия впускного клапана 9 на такте расширения во второй трети рабочего хода поршня 3.
7. Поскольку расширительный цилиндр 1 больше цилиндра 2 компрессора, то второй и третий такты в совокупности с теплообменным процессом есть процесс сжатия рабочего тела с отводом теплоты, образующейся в уменьшающемся объеме «холодного» отсека при движении поршня 3 расширительного цилиндра 1 от НМТ до ВМТ, а поршня 4 цилиндра 2 компрессора от ВМТ до НМТ. При этом надпоршневая полость 21 расширительного цилиндра 1 и надпоршневая полость 22 цилиндра 2 компрессора во втором и третьем тактах становятся частью «холодного» отсека в этот период.
8. Четвертый такт сжатие и нагнетание рабочего тела в «горячий» отсек контура при движении поршней 4 компрессора от НМТ до ВМТ. В результате сжатия без подвода и отвода теплоты температура рабочего тела в конце хода каждого поршня увеличивается до температуры нагревателя.
9. Поршни 3 и 4 каждой пары цилиндров двигаются в противофазе и совершают два такта за один совместный ход.
10. Для образования и определения рабочего давления в «горячем» отсеке от подвода теплоты увеличивают плотность рабочего тела в объеме газового контура через «холодный» отсек путем увеличения давления от внешнего источника рабочего тела. Через кран 27 установленный на ресивер 26 и через кран 31 на газопроводе 30, сообщающий ресивер 26 с «холодным» отсеком, газовый контур двигателя заполняют рабочим телом. Давление в контуре увеличивают до тех пор, пока порция рабочего тела в расширительном цилиндре 1 при подводе теплоты с определенной температурой на момент перекрытия впускного клапана 9 не окажется равной массе, при которой температура рабочего тела в конце рабочего хода поршня 3, в результате адиабатного расширения уменьшится примерно до температуры охладителя 16.
11. Выпускной клапан 10 перекрывают на такте вытеснения в момент нахождения поршня 3, когда объем надпоршневой полости 21 расширительного цилиндра 1 окажется больше объема надпоршневой полости этого цилиндра в ВМТ настолько, насколько в результате сжатия этой части рабочего тела давление в надпоршневой полости 21 достигнет давления в «горячем» отсеке. Поскольку в ВМТ в расширительном цилиндре 1 есть подклапанный и надпоршневой объемы вредного пространства, то сжатие части рабочего тела таким образом выравнивает давление в этом объеме, в газопроводах 17, 20 и теплообменнике-нагревателе 14. Впускной клапан 9 в начале рабочего хода поршня 1 объединяет газопроводы 17, 20, теплообменник-нагреватель 14, надпоршневой 21 и подклапанный объемы вредного пространства и расширение рабочего тела начнется с началом движения поршня 3 к НМТ с равным давлением, причем затраты работы на сжатие компенсированы тем, что полнее используется энергия очередной порции рабочего тела. [6]
12. Компрессор двигателя снабжен устройством для уменьшения влияния вредного пространства в надпоршневых и подклапанных зазорах в ВМТ при вытеснении сжатого газа из цилиндров 2 компрессора при высоком давлении, что способствует сжатию и получению достаточно высокого давления газа для производительной работы компрессора при высоком давлении нагнетания. Для увеличения объемного наполнения цилиндров 2 компрессора и вытеснения сжатого газа в зону высокого давления служит способ получения высокого давления газа, в котором многократно осуществляют процессы всасывания и сжатия в двух параллельно включенных полостях, где по окончании каждого цикла полости объединяют, а после выравнивания в них давления вновь разъединяют. Для этого цилиндры 2 компрессора дополнительно снабжены каналом 23 связывающими цилиндры 2 компрессора и управляемыми перепускными клапанами 24 установленными в стыках канала 23 с цилиндрами 2 и снабженными приводом 13 с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней 4 одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. [6, 7, 8]
13. Условия, необходимые для регулирования нагрузки двигателя и сокращения времени реагирования на изменение нагрузки. Для регулирования нагрузки двигателя изменяют количество подводимой теплоты. Однако, при изменении количества подводимой теплоты двигатель медленно реагирует на изменение нагрузки. Вместе с изменением количества подводимой теплоты изменяют количество рабочего тела в замкнутом газовом контуре. Для уменьшения нагрузки двигателя уменьшают подвод теплоты и открывают кран 29 на газопроводе 28 сообщающий «горячий» отсек с ресивером 26 и выравнивают давление в «горячем» отсеке и ресивере 26. Количество рабочего тела в ресивере увеличивается, в газовом контуре уменьшается, кран 29 закрывают, нагрузка двигателя уменьшается. Для увеличения нагрузки увеличивают подвод теплоты и открывают кран 31 на газопроводе 30 сообщающий «холодный» отсек с ресивером 26 и выравнивают давление в ресивере и в «холодном» отсеке. После выравнивания давления кран 31 закрывают, при этом рабочее тело в контуре соответствует необходимой плотности. Изменение количества подводимой теплоты в совокупности с изменением количества рабочего тела в газовом контуре сокращает время реагирования на изменение нагрузки.
14. Необходимость использования штоков 5 и подпоршневых полостей 34 связана с тем, что газовый контур необходимо надежно герметизировать от внешней среды - атмосферы. Для этого на нижние торцы цилиндров 1 и 2 устанавливают и жестко закрепляют крышки 25 с отверстиями, через которые проходят штоки 5, герметично уплотненные в отверстиях крышек 25, поскольку поршни 3 и 4 с уплотнительными кольцами не могут надежно обеспечить герметичность газового контура. Под поршнями 3 расширительных цилиндров 1 и под поршнями 4 цилиндров 2 компрессора можно расположить газовую буферную полость 34. Газ в этой полости создает упругую силу, которую используют для снижения нагрузок на механизм привода и для облегчения условий работы уплотнений поршней 3 и 4. Этот эффект достигается созданием в буферной полости 34 давления примерно равного давлению в «холодном» отсеке газового контура. [9] Кроме того, подпоршневые полости 34 могут быть использованы в совокупности с надпоршневыми полостями 1 и 2 в качестве двигателя двойного действия. В этом варианте двигателя необходимость в буферной полости отпадает, при этом процессы, происходящие в подпоршневых полостях 34 цилиндров 1 и 2, при установке соответствующих клапанов и газопроводов, не отличаются от процессов происходящих в надпоршневых полостях 21 и 22.
Разность температур рабочего тела «горячего» и «холодного» отсеков, соотношение расширения рабочего тела с подводом теплоты и расширения без подвода теплоты, разность объемов расширительных цилиндров и цилиндров компрессора, соотношение сжатия рабочего тела с отводом теплоты и сжатия без отвода теплоты, объем газового контура, плотность рабочего тела в газовом контуре - взаимозависимые составляющие величины термодинамических процессов. Эта взаимозависимость имеет большое значение для определения и установки оптимальных параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах для приближения работы цикла реального двигателя к циклу Карно. Порция рабочего тела на момент перекрытия впускного клапана равная массе, при которой температура рабочего тела в результате адиабатного расширения уменьшится до температуры охладителя это регулирующая составляющая производимая опытным (экспериментальным) путем увеличения давления в газовом контуре. Это ключевой момент разделенного четырехтактного замкнутого цикла, который в совокупности с другими признаками позволяет реализовать механизм образования и чередования изотермических и адиабатных процессов расширения и сжатия и практически осуществить термодинамические процессы входящие в цикл Карно в необходимой последовательности за один оборот коленчатого вала. Таким образом цикл реального двигателя значительно приближают к циклу Карно.
Изотермическое расширение и сжатие, адиабатное расширение и сжатие - термины применимые к идеальному циклу идеального двигателя, однако они удобны для описания работы реального двигателя, в котором имеет место приближение к этим понятиям.
Тепловой поршневой двигатель замкнутого цикла обладает набором привлекательных свойств присущих двигателю Стирлинга. Двигатель малошумный без вибрации, может работать на любом топливе. Внешний подвод теплоты позволяет работать от любого источника тепловой энергии (твердое, жидкое и газообразное топливо), тепловой аккумулятор, атомный реактор, солнечная энергия. Крутящий момент на валу двигателя мало зависит от частоты вращения. Кроме того двигатель не требует применения регенератора. Эта энергетическая установка подходит для подводного транспорта и космических объектов.
Пояснения.
1. Расширительные цилиндры.
2. Цилиндры компрессора.
3. Поршни расширительных цилиндров.
4. Поршни цилиндров компрессора.
5. Штоки поршней.
6. Ползуны (крейцкопфы).
7. Шатуны.
8. Коленчатый вал.
9. Впускные управляемые клапаны.
10. Выпускные управляемые клапаны.
11. Всасывающие управляемые клапаны.
12. Нагнетательные автоматические клапаны.
13. Газораспределительный вал.
14. Теплообменник-нагреватель.
15. Подогреватель.
16. Теплообменник-охладитель.
17. Газопровод «горячего» отсека.
18. Газопровод «холодного» отсека.
19. Газопровод «холодного» отсека.
20. Газопровод «горячего» отсека.
21. Надпоршневая полость расширительного цилиндра.
22. Надпоршневая полость цилиндра компрессора.
23. Канал связывающий цилиндры компрессора.
24. Перепускные управляемые клапаны компрессора.
25. Нижние крышки цилиндров.
26. Ресивер.
27. Запорный кран ресивера.
28. Газопровод связывающий ресивер с «горячим» отсеком.
29. Запорный кран перекрывающий ресивер от «горячего» отсека.
30. Газопровод связывающий ресивер с «холодным» отсеком.
31. Запорный кран перекрывающий ресивер от «холодного» отсека.
32. Газопровод связывающий ресивер с буферной полостью.
33. Запорный кран перекрывающий ресивер от буферной полости.
34. Подпоршневые полости всех цилиндров - буферная полость.
35. Горелка.
36. Вентилятор.
Высокотемпературный теплоноситель-нагреватель.
Низкотемпературный теплоноситель-охладитель.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки.
1. Моравский А.В., Файн М.А. Огонь в упряжке. М.: Знание. 1990 г. (Жизнь замечательных идей). 192 с, стр. 45 - 48; 51 - 60; 177. [1]
2. С.Н. Богданов, М. М. Буренков, И. Е. Иванов. Автомобильные двигатели. Учебник для автотранспортных техникумов. Москва, Изд. «Машиностроение» 1987 г. 368 с, стр. 34, 56-59. [2]
3. В.А. Кузовлев Техническая термодинамика и основы теплопередачи. Учебник для техникумов. Москва «высшая школа» 1975 г. Стр. 304, стр. 82; 90. [3]
4. Двигатель Стирлинга материал из Википедии - свободной энциклопедии. [4]
5. Э. Л. Мышинский, М. А. Рыжков-Дудонов. Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга). Изд. Судостроение. Ленинград 1976 г., стр. 13; 37; 68 - 69. [5]
6. Патент РФ №1760804 А1. МКИ F02G 1/02, F02B 75/12. Приоритет от 19.03.1990 г. [6]
7. Журнал «Изобретатель и рационализатор» №11. 1981 г. А. Ушаков, с. 14-17. [7]
8. Заявка ФРГ МКИ F04B 37/16. DE 3514119 А1. Опубликовано 23.10.1986 г. [8]
9. Интернет. Яндекс. Энциклопедия по машиностроению XXL. Давление в буферной полости. [9]
10. Патент US4077221 опубликованный 07.03.1978 г. [10]
11. А.Г. Головинцов, Б.Н. Юдаев, Е.И. Федотов. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебник для техникумов. Изд. «Машиностроение» Москва 1970 г. Стр. 294, стр 128-129. [11]