ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПЛАЗМЕННО-ВИХРЕВОЙ КАМЕРОЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым двигателям, вырабатывающим (самогенерирующим) теплоту в плазменно-вихревой камере и преобразующим тепловую энергию в полезную работу, например, посредством поступательно движущегося поршня или вращения турбины.
Общеизвестные тепловые двигатели внутреннего сгорания, внешнего сгорания, с внешним подводом теплоты - требуют для выработки механической энергии потребления высокопотенциальной тепловой энергии, получаемой, как правило, при сжигании топлива. При этом помимо необходимого расходования дорогостоящего топлива, в основном углеводородного, при сжигании топлива загрязняется окружающая среда продуктами горения (выхлопными газами), ухудшается экология.
Полезная модель направлена на расширение арсенала тепловых двигателей и решение задачи по наделению их возможностью внутренней самогенерации теплоты.
Техническим результатом является уменьшение потребления топлива и повышение общей и удельной мощности тепловых двигателей.
Уровень развития техники.
«Известен физико-химический механизм диссоциации насыщенных, устойчивых молекул вещества и переход их … в неравновесное (состояние), с ненасыщенными валентными и ковалентными связями, а также с образованием свободных радикалов, т.е. электрически нейтральных атомов с неустойчивым состоянием электронных оболочек.
2
Рекомбинация таких элементов в устойчивое первоначальное состояние, например, реакция релаксации атомарного водорода в устойчивую молекулу 2H→H сопровождается выделением большого количества тепла в размерах, превышающих примерно в пять раз теплотворную способность молекулярного водорода (равновесного). Однако наивысшая стабильная концентрация свободных водородных радикалов, которую удается реализовать на практике, не превышает 1-2%.» [М. Баррер. “Реактивные двигатели”, Оборонгиз, Москва, 1962 г., стр.60-65.]…
…Большую перспективу имеет процесс активации одноатомных инертных газов, которые при определенном воздействии переходят в метастабильное состояние на электронно-протонном уровне и способны при возврате в первоначальное стабильное состояние выделять энергию, в несколько раз превышающую теплотворную способность многих унитарных топлив…
…Обычно традиционно, радикализация молекул осуществляется под действием высоких температур в реакторах “горячего” процесса (пиролизных, электроплазмотронных). Время жизни метастабильных структур мало и составляет мили-микро доли секунды. Поэтому они могут быть получены только в результате мгновенного приложения энергии активации и последующего быстрого охлаждения.» [1].
2
2
2
15
14
«Известно так же, что для запуска реакции диссоциации, т.е. процесса динамически неравновесного изменения состояния вещества (молекул, атомов, радикалов и т.д.), например, для газов H, He, N, O, инертных газов, требуется затратить энергию в пределах 10-20 электрон-вольт на один молекулярный акт. При восстановлении вещества из глубоко неравновесного состояния в относительно равновесное состояние выделенная энергия, согласно известному перечню термоядерных реакций, составляет уже как минимум миллионный порядок, т.е. 10-106 электрон-вольт. [Справочник. Таблицы физических величин. Под редакцией И.К. Кокоина. Москва, Атомиздат, 1976]». [2].
2
6
7
«…Теоретически общеизвестно и экспериментально подтверждено, что удельные затраты энергии на осуществление многоуровневых диссоциативных реакций для всех известных веществ не превышают уровня 5×10 зв. При этом энергетический выход рекомбинационных реакций, например термоядерных, достигает величины 10-10 В.…» [3].
Таким образом, уровень развития науки и техники показывает возможный перспективный источник тепловой энергии, который может быть использован в тепловых двигателях. Так же показано, что тепловыделение может быть произведено в плазмотронах при помощи активации и релаксации (возврата в исходное первоначальное состояние) рабочего газа с диссоциацией и саморекомбинацией.
Любой процесс преобразования тепловой энергии в полезную работу можно представить в общем виде, состоящим из трех основных функциональных частей.
1) Источника исходной потенциальной энергии - вещества, поля или другого вида материи (в том числе так называемого «физического вакуума»), в котором природа запечатала в “холодном” виде частичку своего энергетического потенциала.
2) Процесса организации перехода исходной потенциальной энергии в кинетическую энергию упругопространственного состояния продуктов реакции, то есть процесса распечатывания соответствующей теплотворной способности источника с образованием «горячего» состояния газообразных продуктов реакции, являющихся рабочим телом или связанных с рабочим телом термически.
3) Конструктивного механизма, обеспечивающего техническое осуществление второй функции, взаимодействие с упругосиловым полем продуктов реакции тепловыделения и преобразование интеграла этого силового взаимодействия в полезную работу поступательного или вращательного движения движителя.
Желательно, при этом, чтобы процесс преобразования тепловой энергии был наиболее эффективен.
Классическая термодинамика трактует, что из всех циклов, осуществляемых в заданном температурном диапазоне, цикл Карно имеет наивысший термический коэффициент полезного действия (КПД), откуда следует общеизвестный вывод о том, что путь повышения эффективности тепловых двигателей и тепловых машин состоит в приближении их реальных циклов к циклу Карно.
«Теоретические основы классической термодинамики, анализ тенденций и путей оптимизации теплового цикла давно дали ответ на вопрос “что?” надо делать, чтобы коренным образом повысить эффективность теоретического цикла.… Эти тенденции сводятся к необходимости минимизации степени необратимости цикла и работы сжатия рабочего тела, манипуляциям физическими свойствами рабочего тела и к расширению располагаемого температурного интервала, т.е. “наращивание” его вверх и, наконец, рациональная организация процессов регенеративного теплообмена внутри цикла.
Однако на вопрос “как?” технически, комплексно реализовать эти теоретические рекомендации в практике двигателестроения, ответа пока не найдено.…» [1].
В науке и технике признан неосуществимым и «лженаучным» - поиск вариантов монотермического преобразования теплоты в механическую энергию с помощью тепловой машины без «сброса» отработанной теплоты, неизбежно получаемой в результате сжатия рабочего газа, в какой-либо «резервуар», способный ее принять, т.е. превышающих КПД теоретического цикла Карно и нарушающих 2-е начало классической термодинамики с обратимыми термодинамическими процессами при однофазном агрегатном состоянии рабочего газа в цикле.
При этом «запрет» не распространяется на машины с НЕобратимыми тепловыми процессами: с изменением агрегатных состояний рабочего тела в цикле и фазовыми переходами рабочего тела на электрон-протонном и молекулярно-атомном уровнях.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №1) двигатель Джозефа Паппа (Патент США US 4428193 1984 г.). Двигатель содержит цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, наполненную инертным газом, состоящим в основном из смеси: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон, устройство для приготовления газовой смеси, включающее в себя камеру смешения, трубопроводы для движения каждого инертного газа через различные функциональные узлы установки, множество электродов, электрических катушек для создания магнитного поля, ионный датчик, ионизаторы, электронно-лучевые трубки, фильтры, поляризатор и высокочастотный генератор. Двигатель имеет по крайней мере два замкнутых цилиндра. В каждой цилиндрической рабочей камере этого двигателя поршнем сжимается смесь инертных газов и производится электрический разряд (через электроразрядные и электродуговые электроды). После чего поршень совершает полезную механическую работу. [4].
Недостатком этого двигателя является сложный состав рабочего газа и прецизионное соотношение его компонентов, наличие в каждом цилиндре пары дуговых электродов (надо полагать - для диссоциирующей электродуговой активации рабочего газа) со сложным композитным составом материалов, имеющих низкий уровень радиоактивности, и пары искровых электродов (для инициации зажигания дуги), расположенных взаимно симметрично между собой и осью цилиндра, которые, вдаваясь глубоко внутрь рабочего цилиндра, заметно усложняют конструкцию двигателя, сложная схема формирования и подведения высоковольтных импульсов для разряда, а также, самое главное, не совсем понятный источник и механизм извлечения и перехода исходной потенциальной энергии в кинетическую энергию упругопространственного состояния рабочего газа не раскрытый в патенте, и не описанный ни в научной, ни в технической литературе, что препятствует научному изучению, проектированию и изготовлению повторных работоспособных моделей двигателя, после гибели первой авторской, работающей. [5].
Из уровня техники известна «Отопительная система на атомарном водороде», которая вырабатывает («самогенерирует») тепловую энергию, используя известную науке и технике активацию и релаксацию рабочего газа с диссоциацией и рекомбинацией. Эта установка содержит камеру диссоциации водорода с источником электрической дуги на вольфрамовых электродах для получения атомарного водорода, реакционную камеру (камеру рекомбинации) с зеркальной внутренней поверхностью и устройством (надо полагать - для «поддержания» активации водорода) в виде свечи зажигания, систему теплообменников, змеевиков, магистралей и насосов для циркуляции жидкостного хладагента отбора и переноса выработанной теплоты, систему магистралей, насоса, клапана и танка для циркуляции и сбора молекулярного водорода, устройство генерации водорода. («Отопительная система на атомарном водороде» Уильям Лайн (Wiliam R. Lyne) США, Журнал «Новая энергетика» номер 4 (23) 2005 г. стр.3-12, [6, 7].
Недостатком этой системы в описанной схеме является неспособность непосредственно вырабатывать механическую энергию, а лишь - тепловую для отопления. Для преобразования полученной тепловой энергии в механическую - требуется еще одно, дополнительное, устройство в виде двигателя с подводом теплоты, что, в совокупности, сделает установку сложной и громоздкой.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №2) двигатель объемного вытеснения (с внешним подводом теплоты), содержащий цилиндр с поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными нагревателем и холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом (RU 62993 U1, F02G 1/04, 2007) [8]. Недостатком этого двигателя является низкая удельная мощность и невозможность выработки («внутренней самогенерации») тепловой энергии.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №3) двигатель с внешним подводом теплоты (Патент РФ 2343300 С2, F02G 1/04, 2009 г. ). Двигатель с внешним подводом теплоты содержит цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм. Распределительный механизм выполнен в виде золотникового вытеснителя. Золотниковый вытеснитель включает корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость. Вытеснительная полость связана с рабочей камерой кольцевым каналом. Градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°. Глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера. Объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры. Этот двигатель с внешним подводом теплоты несет в себе тот же недостаток: невозможность выработки («внутренней самогенерации») тепловой энергии за счет активации и релаксации рабочего газа с диссоциацией и рекомбинацией.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №4) тепловой двигатель Стирлинга (по схеме альфа) [9]. Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем соединен с высокотемпературным теплообменником-нагревателем, в то время как цилиндр с холодным поршнем соединен с низкотемпературным теплообменником-холодильником. Оба теплообменника соединяются воздуховодами через регенератор. У данного типа двигателя, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы. Недостатком этого двигателя так же является невозможность выработки («внутренней самогенерации») тепловой энергии.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №5) тепловой двигатель Стирлинга (по схеме гамма) [9]. Гамма-Стирлинг - тоже имеет рабочий поршень и поршень-«вытеснитель», и два цилиндра - один холодный (там движется рабочий поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется поршень-«вытеснитель»). Гамма-Стирлинг может иметь регенератор. Регенератор может быть внутренним и/или внешним. В последнем случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя. Недостатком этого двигателя так же является невозможность выработки («внутренней самогенерации») тепловой энергии.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №6) тепловой двигатель Стирлинга двойного действия [9]. Эта схема компоновки, предложенная Рини (Rinia), может применяться для любого числа цилиндров, размещаемых так, что полость над поршнем одного цилиндра соединяется с нижней полостью поршня смежного цилиндра с помощью канала с помещенным в нем нагревателем, регенератором и холодильником. Такая схема особенно выгодна для трех или шестицилиндровых машин с расположением цилиндров по окружности и с приводом от косой шайбы или кривошипно-шатунного механизма. Для многоцилиндровых рядных двигателей ввиду большой длины канала, соединяющего полости крайних цилиндров, такая компоновка неудовлетворительна. Недостатком этого двигателя так же является невозможность выработки («внутренней самогенерации») тепловой энергии.
Из уровня техники известен (принятый за прототип №7) тепло-механический генератор торнадо-двигатель (Интернет-ресурс [http://evg-ars.narod.ru/tor.htm]), содержащий торообразную рабочую камеру, заполненную рабочим газом. Вихрь формируется при помощи “самовыворачивающегося вращающегося тора”, с воронками вихря - в центре камеры. Рабочий газ приводится в движение при помощи конусообразной турбины со спиральными лопатками, с последующим отбором ею энергии. Центральная часть вихря, согласно эффекту Ранке-Хильша, охлаждена и способна поглощать внешнюю теплоту, конвертируя ее в энергию вращения [10]. Недостатком является невозможность выработки внутренней тепловой энергии и преобразования ее в механическую (электрическую) энергию.
Решение поставленной задачи обеспечивает применение в тепловых двигателях плазменно-вихревой камеры, использующей процесс активации и релаксации рабочего плазмообразующего газа с принудительной диссоциацией рабочего газа в объеме пространства камеры и саморекомбинацией с выделением «прихваченной» (произведенной) теплоты на внутренних стенках камеры, с получением различных вариантов полезных моделей двигателей, номера вариантов которых в настоящем описании соответствуют номерам их прототипов, и которым присвоены (для удобства идентификации и представления) нижеследующие условные названия: вариант 1 - плазДВСТ («АНЦИКУЛЬ»), вариант 2 - плазмаДОВ («АНРУССЕЛЬ»), вариант 3 - плазРДПСТ («КАРНОКУЛЬ»), вариант 4 - «Альфа-Стирлинг-плаз», вариант 5 - «Гамма-Стирлинг-плаз», вариант 6 - «Стирлинг-плаз двойного действия», вариант 7 - «Плазмотурботороид».
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой»
ВАРИАНТ 1 - плазменный Двигатель с Внутренней Самогенерацией Теплоты (плазДВСТ) или (авторское название) - «АНЦИКУЛЬ» (АН + Циолковский + Кулибин).
В варианте 1 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую плазменно-вихревую камеру, а также активатор рабочего газа (например, в виде свечи зажигания с электроразрядными и дуговыми электродами), согласно полезной модели, дополнительно содержит вытеснительную полость, взаимно связанную газоходным каналом с рабочей плазменно-вихревой камерой, (с возможностью заполнения рабочим газом через газоходный канал рабочей плазменно-вихревой камеры и возможностью объемного вытеснения из нее рабочего газа), и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру.
Вытеснительная полость, согласно полезной модели, может быть выполнена в виде одной или нескольких связанных полостей, размещенных в обечайке цилиндра.
Вытеснительная полость, согласно полезной модели, может быть выполнена в виде одной или нескольких связанных полостей, размещенных в головке цилиндра.
Вытеснительная полость размещенная в головке цилиндра, согласно полезной модели, может содержать теплообменные ребра, расходящиеся от осевого центра и образующие расходящиеся полуоткрытые радиальные или спиральные каналы, переходящие в газоходный канал.
Газоходный канал при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру из вытеснительной полости, размещенной в головке цилиндра, согласно полезной модели, может быть выполнен в виде пристеночной кольцевой щели.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой»
ВАРИАНТ 2 - плазменный Двигатель Объемного Вытеснения («плазмаДОВ») или (авторское название) - «АНРУССЕЛЬ» (Академия Наук России + великая Русь).
В варианте 2 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую плазменно-вихревую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель и средство отвода теплоты - холодильник, и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными нагревателем и холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей плазменно-вихревой камерой кольцевым каналом и газоходным каналом (с возможностью ее заполнения рабочим газом через газоходный канал), согласно полезной модели, дополнительно содержит активатор рабочего газа и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой»
ВАРИАНТ 3 - плазменный Револьверный Двигатель с Подводом и Самогенерацией Теплоты (плазРДПСТ) или (авторское название) «КАРНОКУЛЬ» (Карно + Кулибин).
В варианте 3 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую плазменно-вихревую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей плазменно-вихревой камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещенными равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и, коаксиально посаженной на нее, внешней рубашками цилиндра, согласно полезной модели, дополнительно содержит активатор рабочего газа и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газоходных каналов при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру.
В тепловом двигателе с плазменно-вихревой камерой (в варианте 3), согласно полезной модели, головка и внутренняя рубашка цилиндра могут дополнительно образовывать, смежную, через головку, с рабочей плазменно-вихревой камерой, камеру сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 4 - плазменный двигатель альфа-Стирлинг («Альфа-Стирлинг-плаз»).
В варианте 4 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий два цилиндра с головками и поршнями, образующими две рабочие плазменно-вихревые камеры, взаимно связанные газоходным каналом с размещенным в нем нагревателем, регенератором и холодильником, согласно полезной модели, дополнительно содержит активаторы рабочего газа и завихрители рабочего газа, образованные конструкционной направленностью газоходных каналов при входе в рабочие плазменно-вихревые камеры.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 5 - плазменный двигатель гамма-Стирлинг («Гамма-Стирлинг-плаз»).
В варианте 5 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий рабочий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую плазменно-вихревую камеру с возможностью заполнения ее рабочим газом, вытеснительный цилиндр с противоположно размещенными на его концах средством подвода теплоты - нагревателем и средством отвода теплоты - холодильником, и распределительный механизм, который выполнен в виде двустороннего вытеснительного поршня, размещенного внутри вытеснительного цилиндра с возможностью вытеснения рабочего газа через имеющийся регенератор из надпоршневой вытеснительной полости в подпоршневую вытеснительную полость, соединенную с рабочей плазменно-вихревой камерой газоходным каналом, согласно полезной модели, дополнительно содержит активатор рабочего газа и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой»
ВАРИАНТ 6 - плазменный двигатель Стирлинга двойного действия («Стирлинг-плаз двойного действия»).
В варианте 6 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий не менее двух цилиндров с головками, днищами и двусторонними поршнями, образующими в надпоршневых пространствах рабочие плазменно-вихревые камеры, а в подпоршневых пространствах вытеснительные полости, взаимно связанные так, что рабочая плазменно-вихревая камера одного цилиндра соединена с вытеснительной полостью смежного цилиндра при помощи газоходного канала с размещенным в нем нагревателем, регенератором и холодильником, отличающаяся тем, что дополнительно содержит активаторы рабочего газа и завихрители рабочего газа, образованные конструкционной направленностью газоходных каналов при входе в рабочие плазменно-вихревые камеры.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь такую конструкционную направленность газоходных каналов, при которой направление газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру - тангенциально к плоскости входа.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, также могут иметь и такую конструкционную направленность газоходных каналов, при которой направление газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру - нормально к плоскости входа.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь конструкцию, в которой активатор размещен в головке цилиндра рабочей плазменно-вихревой камеры.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь также конструкцию, в которой активатор размещен в поршне рабочей плазменно-вихревой камеры.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой»
ВАРИАНТ 7 - плазмотурботороидный двигатель («Плазмотурботороид»).
В варианте 7 - решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой, содержащий заполненную рабочим газом торообразную рабочую плазменно-вихревую камеру, одна полусфера которой является средством подвода теплоты - нагревателем, а противоположная полусфера - средством отвода теплоты - холодильником, и конусообразную турбину с лопатками, согласно полезной модели, дополнительно содержит активатор рабочего газа.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь активатор, который выполнен в виде свечи зажигания.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут также иметь активатор, который выполнен в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом, осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, предпочтительно могут иметь в качестве рабочего газа легкодиссоциирующийся плазмообразующий моногаз и/или смесь газов.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут дополнительно содержать углеродную ловушку атомарного углерода размещенную внутри рабочей плазменно-вихревой камеры, заполненной углеродсодержащим рабочим газом.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь углеродную ловушку атомарного углерода выполненную в виде «затравки» кристаллического углерода, с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь конструкцию, в которой углеродная ловушка атомарного углерода выполнена с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут иметь более предпочтительную конструкцию, в которой углеродная ловушка атомарного углерода размещена на активаторе рабочего газа.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, в ряде случаев могут иметь конструкцию, в которой углеродная ловушка атомарного углерода имеет электропроводную связь с отрицательным потенциалом источника электродвижущей силы, при этом внутренняя поверхность рабочей плазменно-вихревой камеры имеет электропроводную связь с его положительным потенциалом.
Тепловые двигатели с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели, могут использовать в качестве рабочего газа углеводородный моногаз и/или смеси углеводородных газов.
Некоторые особенности функционирования плазменно-вихревой камеры.
Для выработки (внутренней «самогенерации») теплоты - рабочий газ внутри плазменно-вихревой камеры подвергается активации и релаксации, с принудительной диссоциацией и саморекомбинацией молекул рабочего газа.
При этом рабочая плазменно-вихревая камера теплового двигателя, по сути, выполнена в виде обратно-вихревого плазмотрона (с обратным потоком), осуществляющим горячую (пиролиз) и/или холодную радикализацию рабочего газа.
Поэтому в качестве оптимального рабочего газа, применяемого в плазменно-вихревой камере теплового двигателя целесообразно использовать легкодиссоциирующийся плазмообразующий моногаз, или смесь газов, или легкодиссоциирующийся плазмообразующий моногаз и смесь газов. В процессе пространственной диссоциации (термической, радиационной, плазмохимической) внутри объема рабочей плазменно-вихревой камеры молекулы рабочего газа распадаются на более мелкие молекулы, радикалы, атомы и электроны. Затем эти молекулы, радикалы, атомы и электроны (продукты диссоциации), двигаясь в стороны от пунктов диссоциации, «ударяясь о стенки» рабочей камеры (внутренней поверхности головки цилиндра и прилегающие стенки рабочего цилиндра в варианте поршневого исполнения) - саморекомбинируют, с выделением на их внутренней поверхности большого количества теплоты: как ранее имевшейся у них, поглощенной ими при диссоциации, так и «прихваченной» (выработанной) в результате возвращения активированного рабочего газа в первоначальное равновесное устойчивое состояние - релаксации. (Далее описан поршневой вариант).
Для осуществления процесса диссоциации - в рабочую плазменно-вихревую камеру, начиная с момента подхода поршня к нижней мертвой точке (НМТ) и при дальнейшем движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ), может быть подана через активаторы та или иная плазмообразующая энергия (каждый вид отдельно или в совокупности): электромагнитные волны СВЧ, токи ВЧ, высоковольтный электрический искровой разряд, электродуговой разряд, ультрафиолетовое излучение, лазерное излучение, жесткий «рентген» и прочая ионизирующая радиация, при этом активатор рабочего газа может быть выполнен в виде свечи зажигания (например, искровой и/или дуговой, с подачей импульсного высоковольтного напряжения и/или «сварочного напряжения» от источника тока «дугового» разряда), размещенной в головке цилиндра и подавать в рабочую плазменно-вихревую камеру плазмообразующую энергию диссоциации рабочего газа, например, сконцентрированную в узкой приосевой области рабочей плазменно-вихревой камеры, с уровнем, превышающим необходимый порог диссоциации молекул рабочего газа.
С целью «рационального» использования энергии для диссоциации молекул (а диссоциация требует затрат энергии высоких уровней) - ею воздействуют только на молекулы газа, находящиеся в самом «возбужденном» (близком к диссоциации) состоянии, т.е. на самые «горячие» - иначе энергия для плазмообразования исчерпается не на диссоциацию, а на общий нагрев рабочего газа, что станет не позитивным, а отрицательным фактором для сжатия рабочего газа в такте сжатия.
Самые «горячие» молекулы рабочего газа удалось выделить и «выстроить в очередь» (для последовательного на них воздействия энергией диссоциации) с помощью «демона Максвелла» - эффекта вихревой трубки Ранке-Хильша с газом и явления самовыворачивающегося вращающегося газового вихревого тора, или явления самовыворачивающегося вращающегося газового кольцевого тора.
Указанный механизм может быть реализован следующими средствами.
Угловое направление газоходных каналов при входе в рабочую камеру может быть тангенциально к плоскости входа. В ряде случаев, угловое направление газохода при входе в рабочую камеру может быть и нормально к плоскости входа.
Рассмотрим общий случай для описанных вариантов полезных моделей - когда направление движения рабочего газа через газоходный канал при входе из вытеснительной полости в рабочую плазменно-вихревую камеру - ориентировано ТАНГЕНЦИАЛЬНО к плоскости входа (или другими словами, с тангенциальной касательной составляющей к круговой образующей стенки рабочего цилиндра). В результате, при начале движения поршня от ВМТ к НМТ, рабочий газ, входящий из вытеснительной полости в полость рабочего цилиндра с большой скоростью через входной тангенциальный газоходный канал - закручивается в вихревой тор (вихрь). Распространяясь в объем, освобождаемый движущимся поршнем, один из торцовых (припоршневой) фронтов вихря получает осевое ускорение. В рабочем газе, закрученном в вихрь, начинает проявляться эффект Ранке-Хильша: «холодные молекулы тяготеют» к приосевой области, а «горячие» - к пристеночной поверхности рабочего цилиндра. «Горячая» пристеночная часть вихревого потока рабочего газа, расширяясь, из-за движения поршня и увеличения объема в надпоршневом пространстве рабочей плазменно-вихревой камеры, активно отбирает тепло у ометаемой внутренней поверхности стенки рабочего цилиндра, полезно понижая температуру в районе трения юбки поршня о стенку рабочего цилиндра. При этом продолжается разделение вихревого потока рабочего газа на «холодный» приосевой и «горячий» пристеночный. Затем, благодаря своей инерции и осевой скоростной составляющей движения фронта, вихревой поток, при замедлении движения поршня после прохождения им среднего положения и остановке поршня в HMT, а затем движения к BMT - трансформируется («подрезаясь» днищем цилиндра, оно же - поверхность головки поршня), «сволакиваясь» и изменяя направление осевого движения, при скольжении вдоль поверхности поршня - преобразуется в вытянутый внутренний поток сворачивающегося вихревого тора (пристеночного вихря) в виде сильно сжатого осевого шнура. Температура внутреннего осевого шнура вращающегося потока, получившегося из свернуто-сволоченного внешнего вращающегося потока - сильно повышается (что благоприятно для последующей радиационной и плазмохимической диссоциации) за счет сжатия внешнего «горячего» потока самим себя, при этом из-за высокой температуры газа в осевом шнуре происходит частичная термическая диссоциация. Внутренний осевой поток («шнур» внутри приосевого «холодного» потока) направлен к головке цилиндра - в противоположную сторону от поршня. При этом диаметр внутреннего «сверхгорячего» потока тора (шнура) во много раз меньше диаметра внешнего «горячего». Именно в шнуре «собираются в иголочку» и «выстраиваются в очередь для последовательного на них воздействия» наиболее возбужденные молекулы рабочего газа. В эту «иголочку» и может подаваться из активатора, расположенного в головке рабочего цилиндра, встречным потоком энергия для диссоциации, как вариант, «подсвеченная» энергией, излучаемой активатором рабочего газа, который, в свою очередь, может быть размещен в поршне и быть выполненным в виде контейнера с радиоактивным веществом («радиоактивной пушки»), осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
Фрагменты продиссоциировавшего рабочего газа за счет инерции (и явления самосворачивающегося тора: его начально-промежуточной стадии формирования) - движутся преимущественно в осевом направлении и, попадая на головку цилиндра и прилегающие внутренние стенки рабочего цилиндра, при контакте - саморекомбинируют с выделением как ранее имевшейся у них, а также поглощенной ими при диссоциации, так и «прихваченной» теплоты, нагревая их (эта выделившаяся теплота затем регенеративно используется и преобразуется в полезную работу в последующем такте расширения рабочего газа с поглощением теплоты от внутренней поверхности стенок рабочей плазменно-вихревой камеры и преобразования ее в работу по передвижению поршня). Температура «отскочивших» синтезированных рекомбинацией (прорекомбинировавших) молекул рабочего газа становится минимально возможной, т.к. молекула при своем «новом рождении» в процессе рекомбинации «сбросит» с себя «всю излишнюю» энергию. А значит «дожать» и вытеснить рабочий газ с такими, «вновь народившимися», молекулами значительно менее энергозатратно. При этом прорекомбинировавший рабочий газ сжимается и вытесняется поршнем из рабочей плазменно-вихревой камеры через газоходный канал в вытеснительную полость. Реализация процесса активации и релаксации рабочего газа (с принудительной диссоциацией и саморекомбинацией) позволяет внутри рабочей плазменно-вихревой камеры выработать («сгенерировать») теплоту и преобразовать ее в полезную работу, а значит - увеличить эффективность (КПД) устройства (за счет уменьшения потребления внешней теплоты, то есть топлива), при этом обозначенные траектории движения потоков рабочего газа в пространстве рабочей плазменно-вихревой камеры и заявленные соотношения временных параметров направлены на обеспечение оптимизации и эффективности протекания тепловых процессов в устройстве - полезной модели.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 1 изображен на фиг.1 (общий вид в продольном разрезе D-D) и на фиг.2 (части поперечных сечений B-B, C-C и вид A фигуры 1) и содержит: цилиндр 1, головку 2, поршень 3, образующие заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 4, активатор 5 (в виде свечи зажигания: с электроразрядным искровым и электродуговым эффектом), активатор 6 (в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом), вытеснительную полость 7, газоходный канал 8 (в виде пристеночной кольцевой щели), спиральные теплообменные ребра 9 образующие спиральные каналы 10, ловушку атомарного углерода 11, коленчатый вал 12.
Функцию завихрителя рабочего газа, образованного конструкционной направленностью газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру, выполняют спиральные каналы 10 и пристеночная кольцевая щель, являющаяся окончанием газоходного канала 8 при его входе в рабочую плазменно-вихревую камеру 4.
Коленчатый вал 12 кинематически связан с поршнем 3 и осуществляет прием-передачу механической энергии.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 1) работает следующим образом.
При начале движения поршня 3 от верхней мертвой точки (BMT) к нижней мертвой точке (HMT) предварительно сжатый в предыдущем такте рабочий газ, поступая в увеличивающееся надпоршневое пространство рабочей плазменно-вихревой камеры 4 из тангенциально направленных спиральных каналов 10 (суммарный объем которых в совокупности образует объем вытеснительной полости 7) через газоходный канал 8 (в виде пристеночной кольцевой щели), совершает полезную работу по перемещению поршня 3 и закручивается в вихрь, с формированием узкого осевого потока рабочего газа направленного от поршня 3. В этом потоке с помощью активатора 5, размещенного в головке 2 цилиндра 1, и активатора 6, размещенного в поршне 3, производится активация рабочего газа с последующим выделением выработанной «прихваченной» теплоты на поверхности внутренних стенок плазменно-вихревой камеры 4 и с внутрицилиндровым регенеративным использованием выработанной теплоты в последующем такте расширения для получения полезной работы. Ловушка атомарного углерода 11 осуществляет «перехват» и осаждение на своей поверхности твердых нежелательных продуктов диссоциации - катионов атомарного углерода, во избежание закоксовывания поршневых колец, при использовании в качестве рабочего газа углеродсодержащих и/или углеводородных газов (метан, пропан, бутан и др.).
Двигатель не имеет специальных средств внешнего подвода теплоты. При этом средством внешнего отвода излишней теплоты сжатия (холодильником) может выступать внешняя поверхность рабочей камеры. Величина полезной полученной механической энергии определяется количеством выработанной («прихваченной») теплоты, при условии, что вся плазмообразующая энергия, поступившая в рабочую камеру, употребилась на принудительную диссоциацию рабочего газа.
Выработка и использование «прихваченной» теплоты для преобразования в механическую работу - позволяет исключить потребление тепловым двигателем топлива (за исключением потребления питающей плазмообразующей энергии).
Модификация полезной модели «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 1) с нормально входящим газоходом в виде кольцевой пристеночной щели и радиальными теплообменными ребрами (формирующими «самосворачивающийся» кольцевой тор), и с «лазерным активатором» - изображена на фиг. 3 (общий вид в продольном разрезе Н-Н) и на фиг. 4 (части поперечных сечений F-F, G-G и вида Е фигуры 3), и содержит (перечислены и обозначены только альтернативные элементы): активатор 13 (в виде свечи зажигания, выполненной как мощный источник однонаправленного сфокусированного лазерного излучения) и радиальные теплообменные ребра 14, образующие радиальные каналы 15.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 2 изображен на фиг. 5 (общий вид в продольном разрезе I-I фигуры 6) и на фиг. 6 (общий вид в продольном разрезе J-J фигуры 5) и содержит: цилиндр 16, головку 17, поршень 18, образующие заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 19, нагреватель 20, холодильник 21, цилиндрический золотник 22, вытеснительная полость 23 с кольцевым каналом, газоходный канал 24, активатор 25, активатор 26 (в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом), коленчатый вал 27.
Функцию завихрителя рабочего газа, образованного конструкционной направленностью газоходного канала при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру, выполняет газоходный канал 24 при его тангенциальном входе в рабочую плазменно-вихревую камеру 19.
Коленчатый вал 27 кинематически связан с поршнем 18 и осуществляет прием-передачу механической энергии.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой». (ВАРИАНТ 2) работает следующим образом.
При движении поршня 18 от нижней мертвой точки (HMT) к верхней мертвой точке (BMT) вытеснительная полость 23 цилиндрического золотника 22 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 21. При этом происходит вытеснение рабочего газа из плазменно-вихревой рабочей камеры 19 по газоходному каналу 24 и кольцевому каналу в вытеснительную полость 23 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 23 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 21. Вытеснительная полость 23 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 18 от верхней мертвой точке (BMT) к нижней мертвой точки (HMT) вытеснительная полость 23 цилиндрического золотника 22 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 20. При этом происходит подвод теплоты к рабочему газу от горячего источника, выполненному в виде средства подвода теплоты - нагревателя 20, перемещение по кольцевому каналу и газоходному каналу 24 в рабочую плазменно-вихревую камеру 19 и расширение рабочего газа в рабочей плазменно-вихревой камере 19 с совершением работы. Вытеснительная полость 23 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения).
Синхронное перемещение вытеснительной полости 23 вращающегося цилиндрического золотника 22 при возвратно-поступательном движении поршня 18 в цилиндре 16 обеспечивает привод, связанный с коленчатым валом 27.
При самом начале движения поршня 18 от BMT к HMT рабочий газ, поступая в увеличивающееся надпоршневое пространство рабочей плазменно-вихревой камеры 19 через тангенциально направленный газоходный канал 24, совершает полезную работу и закручивается в вихрь, с формированием узкого осевого потока рабочего газа направленного от поршня 18. В этом потоке с помощью активатора 25, размещенного в головке 17 цилиндра 16, и активатора 26, размещенного в поршне 18, производится активация рабочего газа с последующим выделением выработанной «прихваченной» теплоты на поверхности внутренних стенок плазменно-вихревой камеры 19 с внутрицилиндровым регенеративным использованием выработанной теплоты в последующем такте для получения полезной работы. Выработка и использование внутривыработанной «прихваченной» теплоты для преобразования в механическую работу - позволяет уменьшить потребление подводимой извне теплоты (произведенной за счет сжигания топлива), т.е. по сути, уменьшить расход топлива, увеличить общую и удельную мощность двигателя при неизменных общих площадях теплообмена нагревателя 20 и холодильника 21.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 3 изображен на фиг.7 (общий вид с продольным сечением MON на фигуре 8) и на фиг.8 (части поперечных сечений P-P, Q-Q и вида L на фигуре 7) и содержит: цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 28 конструктивно объединенный с головкой 29, и поршень 30, образующими заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 31, холодильник 32 являющийся внешней рубашкой цилиндра, цилиндрические золотники 33, каждый из которых имеет вытеснительную полость 34 с кольцевым каналом 35, газоходные каналы 36 и привод синхронного вращения цилиндрических золотников 37, активатор 38 (в виде свечи зажигания) и активатор 39 (в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом 40).
Функцию завихрителя рабочего газа, образованного конструкционной направленностью газоходных каналов при входе в рабочую плазменно-вихревую камеру, выполняют газоходные каналы 36 при их тангенциальном входе в рабочую плазменно-вихревую камеру 31 через тело стенки внутренней рубашки 28.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 3) работает следующим образом.
При движении поршня 30 от нижней мертвой точки (HMT) к верхней мертвой точке (BMT) вытеснительная полость 34 цилиндрического золотника 33 находится в зоне размещения холодильника 32. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей плазменно-вихревой камеры 31 по газоходному каналу 36 и кольцевому каналу 35 в вытеснительную полость 34 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 32. Вытеснительная полость 34 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 30 от BMT к HMT вытеснительная полость 34 цилиндрического золотника 33 находится в зоне размещения нагревателя 28, поэтому происходит подвод теплоты к рабочему газу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 28, перемещение рабочего газа по кольцевому каналу 35 и газоходному каналу 36 в рабочую камеру 31 и расширение рабочего тела в рабочей камере 31 с совершением полезной работы по передвижению поршня 30, передающему ее потребителям. Вытеснительная полость 34 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту в том числе и от поверхности стенок рабочей плазменно-вихревой камеры 31 (головки 29 и нагревателя 28 изнутри рабочей камеры), что резко увеличивает площадь теплообмена и мощность двигателя.
При самом начале движения поршня 30 от BMT к HMT рабочий газ, поступающий в увеличивающееся надпоршневое пространство рабочей плазменно-вихревой камеры 31 «закручивается» в пристеночный вихрь благодаря тангенциальному входу в рабочую камеру через тангенциальный газоходный канал 36. После прохождения поршнем 30 среднего положения в цилиндре, пристеночный вихрь трансформируется в узкий осевой поток направленный от поршня. При подходе поршня к HMT, а затем при дальнейшем движении поршня, в том числе и в течение такта сжатия, рабочий газ в узком осевом потоке подвергается активации воздействием диссоциирующей энергии из активатора 38 и активатора 39 за счет ионизирующей энергии радиоактивного вещества 40. Активированный рабочий газ (в виде продуктов диссоциации), попадая на стенки рабочей плазменно-вихревой камеры 31 и рекомбинируя на них, отдает им всю теплоту (включая «самосгенерированную» теплоту, т.е. «прихваченную» рабочим газом в результате возвращения в равновесное устойчивое состояние), которая затем регенеративно, в последующем такте расширения, преобразуется в полезную механическую энергию. При движении поршня 30 от HMT к BMT рабочий газ сжимается поршнем 30, приводимом в движении коленчатым валом от инерции его вращения, и вытесняется через газоходный канал 36 и кольцевой канал 35 в вытеснительную полость 34, перемещаемую распределительным механизмом с помощью цилиндрического золотника 33 в зону размещения холодильника 32, в который и «сбрасывается» теплота сжатия («отработанная» теплота двигателя). Цикл теплового двигателя - замкнулся.
Синхронное перемещение вытеснительных полостей 34 вращающихся цилиндрических золотников 33 при возвратно-поступательном движении поршня 30 в рабочей камере 31 обеспечивает привод синхронного вращения цилиндрических золотников 37, связанный с коленчатым валом 41.
Внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 28, и, коаксиально посаженная на нее, внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 32, в местах сопряжений могут быть разделены щелью 42 и/или теплоизолятором 43, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая потери теплоты из-за перетока, при этом наличие щелей способствует еще и взаимному ускоренному выравниванию давлений рабочего газа в вытеснительных полостях 34 цилиндрических золотников 33.
Газоходные каналы 36, соединяющие вытеснительные полости 34 с рабочей плазменно-вихревой камерой могут проходить сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 28) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает паразитный мертвый объем рабочей плазменно-вихревой камеры 31, увеличивая удельную мощность теплового двигателя.
Газоходные каналы 36 имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру 31, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 28, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 30 о стенку цилиндра.
В тепловом двигателе с плазменно-вихревой камерой, согласно полезной модели (вариант 3), головка 29 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 28 могут дополнительно образовывать, смежную, через головку 29, с рабочей плазменно-вихревой камерой 31, камеру сгорания 44 (для сжигания с помощью горелки 45 топливной горючей смеси) и теплоаккумулирования (для размещения теплоаккумулирующего вещества).
Камера сгорания 44 может иметь, примыкающие к головке 29 и/или к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 28, теплообменные ребра 46, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников 33 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 45 к нагревателю 28 и уменьшения теплоперетока в зонах сопряжения внутренней рубашки цилиндра - нагревателя 28 и внешней рубашки цилиндра - холодильника 32.
В местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра могут быть расположены аксиальные узкие углубления 47 до уровня головки 29 (уровня с наибольшей температурой) для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 48 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
Внутренняя рубашка цилиндра (нагреватель 28) через головку 29 может быть соединена с тепловой трубой 49 (для внешнего подвода к нагревателю 28 теплоты, в том числе теплоты сконцентрированной лучистой энергии солнца, высокоплотной высокотемпературной теплоты ядерных реакторов и радиоизотопных ТВЭЛов).
При этом открытая часть поверхности камеры сгорания и внешняя (наружная) часть поверхности тепловой трубы подлежат теплоизоляции покрытием 50.
Камера сгорания нагревателя частично или полностью может быть заполнена теплоаккумулятором - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом 51, например, расплавом солей или металлов (эвтектикой), для термостабилизации нагревателя или его теплопитания из специального резервуара-хранилища расплава.
Головка 29 может иметь в сечении вогнутый и/или выпуклый профиль поверхности усеченного тора (в целях противостояния давлению рабочего газа и компенсации теплового удлиннения линейных размеров внешнего диаметра нагреваемой головки за счет увеличения прогибов).
Головка 29 может иметь на внутренней поверхности концентрические ступени-ребра 52, с образующей в виде усеченного кольцевого тора, при этом профиль днища поршня 30 соответствует этой же образующей (для увеличения поверхности теплообмена головки 29, улучшения формирования пристеночного вихревого потока газа и уменьшения мертвого объема рабочей плазменно-вихревой камеры 31).
Внутренняя и внешняя рубашки цилиндра (нагреватель 28 и холодильник 32) могут быть выполнены безразрывно целиком единым телом, с целью упрощения технологии изготовления отливки цилиндра и ее обработки.
Золотниковые вытеснители 33 на концах вытеснительных полостей 34 могут иметь сплошные проточки 53 аналогичные кольцевым каналам 35 (для более активного движения рабочего газа через поперечное сечение вытеснительной полости, и для выравнивания температур на концах цилиндрических золотников 33 в зонах сопряжения: горячая внутренняя рубашка-золотник-холодная внешняя рубашка цилиндра).
В качестве рабочего газа может быть использован моногаз или смесь газов, с различными по величине газовыми постоянными, характеризующими термодинамические свойства газов.
В качестве рабочего газа наилучшим образом может быть использован метан и/или смесь углеводородных и/или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых, в том числе, для приготовления горючей топливной смеси сжигаемой в камере сгорания.
Для уменьшения утечек рабочего газа используются компрессионные кольца 54 как для уплотнения сопряжений рабочего поршня, так и для уплотнения сопряжений концевых участков цилиндрических золотников 33 со стенками цилиндров их полостей.
Для уменьшения тепловых потерь при движении рабочего газа по кольцевым каналам 35, применяется теплоизоляционное покрытие 55 стенок каналов.
1
1
Для управления мощностью двигателя используется управляемый планетарным поворотом оси сателлита (сателлитов) планетарный редуктор 56 с коэффициентом передачи / [9], изменяющий фазовое соотношение между фазой вращающегося коленчатого вала 41 и фазой синхронно вращающихся цилиндрических золотников 33.
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища используется впускной вентиль 57 и впускной обратный клапан 58.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище рабочего газа (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 59 и выпускной обратный клапан 60.
Для наилучшей работы двигателей с подводом теплоты, с целью получения максимальной мощности, рекомендуется применение «легких» газов, молекулы которых имеют наименьшее количество степеней свободы (водород и/или гелий).
Так, при использовании метана и/или смеси углеводородных газов, в процессе «наработки» двигателя (от диссоциации), будет постоянно вырабатываться водород.
При этом во избежание закоксовывания компрессионных колец, поверхности головки, стенок рабочего цилиндра и днища поршня нежелательным, в данном случае, «побочным» твердым устойчивым продуктом диссоциации метана - катионами атомарного углерода и «сажи» - применена, расположенная в рабочей плазменно-вихревой камере углеродная ловушка атомарного углерода 61. Как вариант, углеродная ловушка атомарного углерода может быть размещена на активаторе рабочего газа (например, на центральном электроде электроразрядной/дуговой свечи зажигания). Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена в виде «затравки» кристаллического углерода, с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе. Исходным материалом для «затравки», может служить углерод с заданной структурой кристаллической решетки (графит, фуллерен, нанотрубка и пр.). Для интенсификации улавливания положительно заряженных катионов углерода - может быть применено следующее техническое решение: углеродная ловушка атомарного углерода имеет электропроводную связь с отрицательным потенциалом источника электродвижущей силы, при этом внутренняя поверхность рабочей камеры имеет электропроводную связь с его положительным потенциалом, т.е. на углеродную ловушку атомарного углерода может быть подан (в т.ч. через электроды свечи зажигания) отрицательный потенциал постоянного напряжения (например, того же «сварочного напряжения» от источника тока «дугового» разряда, который может быть использован как источник плазмообразующей энергии), а на металлический корпус рабочего цилиндра - положительный.
Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры - ибо при «вырастании» до предела в процессе эксплуатации устройства - «выросшая» затравка подлежит периодической замене (что возможно и удобно производить вместе с заменой свечи зажигания) и может быть использована для других нужд (например, в наноиндустрии).
Для осуществления принудительной диссоциации той или иной разновидности используемого рабочего газа может быть выбран другой вид энергии воздействия, а соответственно и - свеча зажигания. Так свеча зажигания может быть калильной с электротермическим нагревом вольфрамовых нити и заостренного стержня («раскаленной» проволоки), либо свеча зажигания может быть выполнена в виде лазерного излучателя генерирующего мощный световой поток внутрь рабочей камеры. В качестве плазмообразующей энергии для диссоциации - может быть использовано электромагнитное СВЧ-излучение, при этом свеча зажигания может быть выполнена в виде штыревого зонда-возбудителя. При использовании радиоактивного воздействия в целях диссоциации - активатор рабочего газа, как уже было сказано выше, может быть выполнен автономным: в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом 40, осуществляющим длительное однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
Использование внутривыработанной «прихваченной» теплоты позволяет уменьшить потребление внешней подводимой теплоты (произведенной, например, за счет сжигания топлива в камере сгорания), т.е. по сути, уменьшить потребление топлива, при этом увеличивается общая и удельная мощность теплового двигателя.
При отсутствии подвода теплоты к нагревателю и принудительном вращении коленчатого вала - полезная модель работает уже не двигателем, а тепловым насосом с отбором теплоты у нагревателя и передачей в холодильник. При изменении (с помощью планетарного редуктора 56) фазового угла цилиндрических золотников на 180 градусов относительно фазы коленчатого вала - отбор теплоты будет происходить от холодильника с передачей теплоты нагревателю.
Благодаря использованию планетарного редуктора 56 двигатель может осуществлять рекуперацию механической энергии торможения вращающегося коленчатого вала с последующим использованием этой энергии для «старта» и «разгона», а также быть трансформирован в криокуллер, холодильник или тепловой насос (в полной аналогии с тепловыми машинами именуемыми СТИРЛИНГАМИ, с тем лишь отличием, что математическая модель для проектирования двигателей с подводом теплоты, использующих распределительный механизм с цилиндрическими золотниками имеющими вытеснительные полости, предположительно должна быть намного проще, ибо в этих тепловых машинах объем вытеснительных полостей является величиной постоянной, а у стирлингов - переменный, чем и вызвана чрезвычайная сложность проектирования стирлингов тормозящая их развитие, усугубляющаяся наличием в стирлингах специальных сложных критичных элементов - регенераторов теплоты и высокого начального давления рабочего газа).
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 4 изображен на фиг.9 (общий вид в продольном разрезе) и содержит два идентичных комплекта цилиндро-поршневых групп, в состав каждой из которых входит: цилиндр 62, головка 63, поршень 64 образующие заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 65, газоходный канал 66, и одну общую теплообменную группу с нагревателем 67, регенератором 68 и холодильником 69, каждый цилиндр имеет так же активатор 70.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 4) работает следующим образом.
Потребляя теплоту, подводимую извне через нагреватель 67 и осуществляя термодинамические циклы традиционного общеизвестного двигателя альфа-стирлинга с помощью регенератора 68 и холодильника 69, рабочий газ поступает в рабочую плазменно-вихревую камеру 65 через тангенциально направленный газоходный канал 66 в ее увеличивающееся надпоршневое пространство, совершает полезную работу и закручивается в вихрь, с формированием узкого осевого потока рабочего газа направленного от поршня 64. В этом потоке производится активация рабочего газа с помощью активатора 70, размещенного в головке 63 цилиндра 62, с последующим выделением выработанной «прихваченной» теплоты на поверхности внутренних стенок плазменно-вихревой камеры 65, с внутрицилиндровым регенеративным использованием выработанной теплоты в последующем такте для получения полезной работы. Использование внутривыработанной «прихваченной» теплоты позволяет уменьшить потребление теплоты (произведенной, например, за счет сжигания топлива), т.е. по сути, уменьшить расход топлива, увеличить общую и удельную мощность двигателя при неизменных общих площадях теплообмена.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 5 изображен на фиг.10 (общий вид в продольном разрезе) и содержит: рабочий цилиндр 71 с головкой 72 и поршнем 73, образующими заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 74, вытеснительный цилиндр 75, с нагревателем 76, холодильником 77, двусторонним вытеснительным поршнем 78, регенератором 79, соединяющим надпоршневую вытеснительную полость 80 с подпоршевой вытеснительной полостью 81, газоходный канал 82 и активатор 83.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 5) работает следующим образом.
Потребляя теплоту, подводимую извне через нагреватель 76 и осуществляя термодинамические циклы традиционного общеизвестного (имеющего вытеснительный цилиндр 75 внутри которого перемещается двусторонний вытеснительный поршень 78, осуществляющий функцию переключателя между надпоршневой вытеснительной полостью 80 и подпоршневой вытеснительной полостью 81) двигателя гамма-стирлинга с помощью регенератора 79 и холодильника 77, рабочий газ поступает в рабочую плазменно-вихревую камеру 74 через тангенциально направленный газоходный канал 82 в ее увеличивающееся надпоршневое пространство, совершает полезную работу и закручивается в вихрь, с формированием узкого осевого потока рабочего газа направленного от поршня 73. В этом потоке производится активация рабочего газа с помощью активатора 83, размещенного в головке 72 цилиндра 71, с последующим выделением выработанной «прихваченной» теплоты на поверхности внутренних стенок плазменно-вихревой камеры 74, с регенеративным использованием выработанной теплоты в последующем такте для получения полезной работы. Использование выработанной теплоты позволяет уменьшить потребление двигателем внешней теплоты (произведенной, например, за счет сжигания топлива), уменьшить потребление топлива, при этом увеличивается общая и удельная мощность теплового двигателя.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 6 изображен на фиг.11 (общий вид в продольном разрезе) и содержит последовательно соединенные закольцованные звенья, каждое из которых содержит: цилиндр 84, с головкой 85, днищем 86 и двусторонним поршнем 87, образующими заполненную рабочим газом рабочую плазменно-вихревую камеру 88 и вытеснительную полость 89, газоходный канал 90, нагреватель 91, регенератор 92, холодильник 93 и активатор 94.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 6) работает следующим образом.
Потребляя теплоту, подводимую извне через нагреватель 91, и осуществляя термодинамические циклы традиционного общеизвестного (имеющего в каждом рабочем цилиндре подпоршневую вытеснительную полость 89, образованную цилиндром 84, днищем 86 и двусторонним поршнем 87) двигателя стирлинга двойного действия, рабочий газ из вытеснительной полости смежного цилиндра поступает в рабочую плазменно-вихревую камеру 88 через тангенциально направленный газоходный канал 90 (внутри которого размещены холодильник 93, регенератор 92 и нагреватель 91) в ее увеличивающееся надпоршневое пространство, совершает полезную работу по перемещению поршня 87 и закручивается в вихрь, с формированием узкого осевого потока рабочего газа направленного от поршня 87. В этом потоке производится активация рабочего газа с помощью активатора 94, размещенного в головке 85 цилиндра 84, с последующим выделением выработанной «прихваченной» теплоты на поверхности внутренних стенок плазменно-вихревой камеры 88, с регенеративным использованием выработанной теплоты в последующем такте для получения полезной работы. Использование выработанной внутри («прихваченной») теплоты позволяет уменьшить потребление двигателем подводимой извне теплоты (произведенной, например, за счет сжигания топлива), т.е. по сути, уменьшить потребление топлива, при этом увеличивается общая и удельная мощность теплового двигателя при неизменных площадях теплообмена.
«Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» ВАРИАНТ 7 изображен на фиг.12 (общий вид в продольном разрезе) и содержит: заполненную рабочим газом торообразную рабочую плазменно-вихревую камеру 95, полусферу-нагреватель 96, полусферу-холодильник 97, конусообразную турбину 98 со спиральными лопатками 99, активатор 100.
Полезная модель «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой» (ВАРИАНТ 7) работает следующим образом. Рабочий газ, первоначально раскрученный в торообразной рабочей плазменно-вихревой камере 95 с помощью конусообразной турбины 98 со спиральными лопатками 99 от внешнего механического (электрического) привода - закручивается в самовыворачивающийся вихревой тор. После выхода на рабочий режим, рабочий газ в «зоне расширения» поглощает подведенную извне теплоту от средства подвода теплоты - полусферы-нагревателя 96, совершая полезную работу по (теперь уже принудительному) вращению конусообразной турбины. В «зоне сжатия» рабочий газ в вихревом торе - отдает теплоту сжатия в окружающую среду через средство отвода теплоты - полусферу - холодильник 97. В торообразную рабочую плазменно-вихревую камеру 95 через активатор 100 подается плазмообразующая энергия, сконцентрированная, например, в приосевой области. В результате активации рабочего газа в центральной осевой части торообразной рабочей плазменно-вихревой камеры 95 (в промежутке пространства между активатором 100 и «острием» конусообразной турбины 98, в котором может быть также расположен активатор в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом) и последующим выделением выработанной внутри («прихваченной») теплоты на межлопаточной конусной поверхности конусообразной турбины 98 - осуществляется выработка дополнительной механической энергии, передаваемой через вал конусообразной турбины потребителям, что позволяет уменьшить потребление двигателем подводимой извне теплоты (произведенной, например, за счет сжигания топлива), т.е. по сути, уменьшить потребление топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Полезные модели в вариантах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 объединяет один общий основополагающий процесс и признак - наличие самогенерирующей теплоту плазменно-вихревой камеры (реактора - см. практическую экспериментальную реализацию плазменного вихревого реактора в [11] с развитием теории и конкретным тепловым результатом), с одним лишь отличием: если в варианте 1-6 циклическое сжатие и расширение, активация и релаксация рабочего газа являются функциями времени, то в варианте 7 - они являются циклическими функциями пространства.
Источники информации и литература:
1. Патент RU 2168031 2001 г. «Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому».
2. «Метод осуществления энергетической инверсии - МИКРОИМПЛОЗИИ. Теоретические, экспериментальные и практические результаты». Р.М. Пушкин, Р.Р. Пушкин. Вестник академии №10с, МАИСУ, С-Пб, 2004. Публикация доклада на научной конференции 23 апреля 2004 г.
3. Патент RU 2231667 2004 г. «Способ и устройство для получения тяги».
4. Патент US 4428193 1984 г.
5. Двигатель Дж. Паппа, Википедия, Интернет-ресурс http://translate.google.ru/translate?hl=ru&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Josef_Рарр&еi=yfy2TefkJ9CfOvXz5K0P&sa=X&oi=translate&ct=result&resnum=1&ved=0CB4Q7gEwADgK&prev=/search%3Fq%3DUS%2B3.680,431%26start%3D10%26hl%3Dru%26newwindow%3D1%26sa%3DN%26prmd%3Divns
6. «Отопительная система на атомарном водороде» Уильям Лайн (Wiliam R. Lyne) США, Журнал «Новая энергетика» номер 4 (23) 2005 г. стр.3-12, Интернет-ресурс: http://001-lab.at.ua/NewEnergy/novaja_ehnergetika-2005_no.04.pdf
7. УДК 141.339 ББК 86.42 Л 18 Лайн В. Л18 Сверхсекретные архивы Теслы: специальное расследование / Вильям Лайн; [пер. с англ. А.Т. Панкиной]. - М. Эксмо, 2009. - 256 с. - (Раскрытие тайны) ISBN 978-5-699-38217-0, Глава VI, Атомный водородный процесс, 1996 Г., УМ. Р. ЛАЙН, страница 211.
8. Патент РФ на ПМ RU 62993 2007 г. «Двигатель объемного вытеснения».
9. Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Перевод с английского Б.В. СУТУГИНА и Н.В. СУТУГИНА, МОСКВА МАШИНОСТРОЕНИЕ 1985.
10. Ресурс интернета: http://evg-ars.narod.ru/tor.htm
11. Ресурс интернета: сайт комп. «Нью Инфлоу» http://newinflow.ru/index.html