СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА С ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА
CLOSED LOOP COMBINED AIR MOTOR SYSTEM WITH EXTERNAL HEAT SOURCE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха/газа, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов, а также в качестве замены двигателей внутреннего сгорания для привода транспортных средств, пароходов, и пр.
Из уровня техники известны различные конструкции пневматических двигателей, включающие статор с эксцентрично установленным в нем ротором, в радиальных пазах которого расположены лопасти с возможностью их передвижения в плоскостях, проходящих через ось ротора, контактирующие своими концами с внутренней цилиндрической поверхностью статора, см., например, SU 1698459 А1, 15.12.1991 или SU 1165804 А, 07.07.1985, или SU 1188336 А, 30.10.1985, или DE 29811693 U1, 08.10.1998.
Однако, эти пневмодвигатели малоэффективны, поскольку требуют источника сжатого воздуха с большим давлением, что приводит к повышенному его расходу, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются большие габаритные размеры двигателя, поскольку в передаче крутящего момента фактически участвует только одна лопасть, и, следовательно, чем больше рабочая площадь лопасти, тем больший крутящий момент передает двигатель. Кроме того, очень сложна технология изготовления этих двигателей, поскольку требуется высокая точность изготовления ротора с пазами, в которых с минимальными допусками должны двигаться лопасти. КПД этих двигателей также снижается из-за большого трения стенок лопаток в пазах ротора, а также из-за трения их концевых кромок о внутреннюю поверхность статора.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы комбинированного пневматического двигателя можно принять пневматический двигатель по патенту RU 2520768 С2, 27.06.2014, включающий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, с фланцами, расположенными по его торцам с, по меньшей мере, одним впускным отверстием, сообщенным с источником сжатого воздуха и с, по меньшей мере, одним выпускным отверстием, эксцентрично установленный внутри статора ротор, выполненный в виде цилиндра с, по меньшей мере, двумя осевыми отверстиями, ориентированными вдоль его оси и проходящими по периферии упомянутого цилиндра, при этом каждое из этих осевых отверстий сообщается с наружной цилиндрической поверхностью ротора посредством продольного паза или, по меньшей мере, одного стыковочного отверстия, предназначенных для последовательной стыковки с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями статора, причем упомянутые осевые отверстия выполнены глухими с двух сторон.
Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде необходимости использования источника сжатого воздуха с большим давлением, а также, чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются также большие габаритные размеры двигателя. Кроме того, система имеет низкий КПД.
Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных систем пневмодвигателей.
В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы работы пневмодвигателя, устраняющую известные недостатки аналогов.
Техническим результатом является повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента.
Данный результат достигается тем, что система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с внешним источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллекторов с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, включающий узел впуска и узел выпуска рабочей среды, при этом,
узел выпуска по первому контуру трубопровода соединен с камерой сгорания внешнего источника тепла, включающего бак с вторичным теплоносителем, внешний источник энергии, а выходной патрубок камеры сгорания внешнего источника тепла по трубопроводу связан с впускным коллектором пневмодвигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды,
выпускной коллектор по второму контуру трубопровода связан с узлом впуска компрессора, при этом трубопровод на своем пути дополнительно проходит через воздушный теплообменник, где осуществляется охлаждение рабочей среды.
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура дополнительно включает промежуточный теплообменник, через который проходят оба контура трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура и охлаждения рабочей среды второго контура.
Выходной вал комбинированного пневмодвигателя на выходе из корпуса содержит уплотнительный узел.
Комбинированный с компрессором пневмодвигатель в одном корпусе включает генератор и/или гидромотор.
Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг.1, где изображена предпочтительная система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с внешним источником тепла, где
1- пневмодвигатель комбинированный замкнутого контура с компрессором;
2- впускной коллектор;
3- выпускной коллектор;
4- узел впуска компрессора;
5- узел выпуска компрессора;
6- воздушный теплообменник;
7- первый контур трубопровода;
8- камера сгорания внешнего источника тепла;
9- второй контур трубопровода;
10- бак с вторичным теплоносителем;
11- внешний источник энергии;
12- выходной патрубок камеры сгорания;
13- промежуточный теплообменник;
14- уплотнительный узел;
15 - генератор и/или гидромотор
16 - герметичный корпус
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с внешним источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель 1, размещенный в герметичном корпусе 16, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного 2 и выпускного 3 коллекторов с клапанным механизмом. Система имеет полностью замкнутый контур с двумя контурами трубопроводов. Комбинированный пневмодвигатель дополнительно включает поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами пневмодвигателя, например, посредством элементов толкания поршней компрессора, размещенных на коленчатом валу пневмодвигателя или иной схеме, обеспечивающей приведение в движение поршней воздушного компрессора.
Поршневой блок воздушного компрессора включает узел впуска 4 и узел выпуска 5 рабочей среды. В качестве рабочей среды могут использоваться различные воздушные и легкокипящие жидкие смеси и/или газы. Наиболее эффективная работа системы осуществляется при использовании в качестве рабочей среды - фреона. Фреон обеспечивает его быстрый нагрев и охлаждение, большое изменение давления при нагреве, что положительно сказывается при его использовании в системе и ее эффективности.
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с внешним источником тепла включает два замкнутых контура 7,9 трубопроводов. Система абсолютно герметична и потери в ней рабочей среды исключены.
По первому контуру 7 трубопровода узел выпуска 5 соединен с камерой сгорания внешнего источника тепла 8 замкнутой (герметичной) связью. Из узла выпуска 5 воздушного компрессора осуществляется нагнетание рабочей среды непосредственно в камеру сгорания 8. Камера сгорания 8 внешнего источника тепла включает бак нагрева с вторичным теплоносителем 10 и внешний источник энергии 11. Таким образом, по данному контуру 7 трубопровода осуществляется передача охлажденной рабочей среды, ее нагрев в баке 10 с вторичным теплоносителем камеры сгорания 8, нагретым внешним источником энергии 11 и подача разогретой до заданной температуры рабочей среды во впускной коллектор 2 пневмодвигателя 1 для осуществления его работы. Температура теплоносителя в баке 10 не превышает 150°С, регулируется в зависимости от вида теплоносителя и заданной температуры.
В качестве камеры сгорания 8 могут применяться различные устройства, например, устройства на базе газового или твердотопливного котлов, дизельный, пеллетный котлы и прочие устройства с камерами сгорания какого-либо топлива.
Внешний источник энергии 11, в зависимости от конструкции выполнен в виде газовой/дизельной горелки, камеры сгорания твердого топлива и пр.
Выходной патрубок 12 камеры сгорания 8 внешнего источника тепла по трубопроводу первого контура 7 связан с впускным коллектором 2 пневмодвигателя 1 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды и осуществления работы пневмодвигателя 1. Попадая во впускной коллектор 2, разогретая до рабочей температуры рабочая среда приводит к работе ЦПГ и осуществления передачи вращения на соответствующее устройство для передачи вращения 15 - генератор и/или гидромотор, каждый из которых может быть использован отдельно или оба вместе, в зависимости от необходимости. При этом генератор и/или гидромотор 15 могут быть размещены в одном герметичном корпусе 16 устройства или снаружи его.
По второму контуру 9 трубопровода, осуществлена замкнутая (герметичная) связь от выпускного коллектора 3 до узла впуска 4 компрессора. По данному контуру 9 осуществляется передача рабочей среды, которая все еще имеет высокую температуру, ее охлаждение в воздушном теплообменнике 6 и вход охлажденной до заданной рабочей температуры рабочей среды в узел впуска 4 компрессора.
При этом второй контур 9 трубопровода на своем пути дополнительно проходит через воздушный теплообменник 6, где осуществляется охлаждение рабочей среды до необходимой температуры. Воздушный теплообменник 6 имеет, как правило, радиаторный блок и вентилятор для снятия тепловой энергии и охлаждения рабочей среды. Для повышения эффективности охлаждения дополнительно могут применяться более эффективные методы охлаждения, например гликолевый блок.
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура дополнительно может включать промежуточный теплообменник 13, через который проходят оба контура 7,9 трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура 7 и охлаждения рабочей среды второго контура 9, что дополнительно повышает эффективность работы системы и ее КПД.
При этом выходной вал комбинированного пневмодвигателя на выходе из корпуса 16 содержит уплотнительный узел 14, для исключения утечек рабочей среды. Уплотнительный узел 14 может иметь различную конструкцию, при этом его особенности конструкции не являются частью испрашиваемого объема охраны данной заявки.
Таким образом, созданная модернизированная конструкция системы комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с внешним источником тепла обеспечивает повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента.