Тепловой двигатель (варианты) и пневматический двигатель
HEAT ENGINE (OPTIONS) AND PNEUMATIC ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к "роторному приводному агрегату", его системе передачи движения, соответствующим тепловым рабочим циклам и функциональным конфигурациям (ниже определяется просто как "приводной агрегат"), который может применяться в тепловых двигателях, работающих с тепловыми циклами Ренкина, Ренкина-Хирна, Брайтона и Стирлинга и которые может использоваться в качестве гидравлического двигателя, пневматического двигателя, пневматического компрессора, объемного насоса и во многих других приложениях, в которых могут использоваться инновационные особенности двигателя.
В частности, идея данного изобретения может иметь приоритетное применение в производстве электроэнергии, в контексте когенерации и тригенерации, с рекуперацией тепла или без нее и, в частной конфигурации, направленной на снижение загрязняющих выбросов, она также может применяться в качестве двигателя внешнего сгорания в автомобильном секторе.
Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет итальянских патентных заявок BS 2014A000031 и BS 2014A000032, поданных 3 февраля 2014 года на имя того же заявителя. Все содержание итальянских патентных заявок BS 2014A000031 и BS 2014A000032 включено в данное описание посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Некоторые исторические соображения, касающиеся термодинамических циклов, уже были изложены в описании патентных заявок MI 2013A000040 (страницы 1-9) и MI 2012A001944 (страницы 1-8) от того же заявителя, поэтому полезно упомянуть более существенные инновационные детали, составляющие идею настоящего изобретения, в отношении новой системы для передачи движения между поршнями и приводным валом, применения приводного агрегата в некоторых дополнительных расширениях теплового цикла Ренкина-Хирна, применения его с новым тепловым циклом, полученным из цикла Стирлинга, и применения его в новом пневматическом двигателе.
Теория теплового цикла Стирлинга
В 1816 году Роберт Стирлинг представил двигатель на горячем воздухе с открытым контуром, характеризуемый прерывистым потоком из четырех фаз: впуск воздуха при атмосферном давлении (при температуре окружающей среды), сжатие впущенного воздуха, быстрый нагрев и расширение предварительно сжатого воздуха и выпуск отработанного воздуха (в окружающую среду).
В последующем развитии цикла Стирлинга с целью повышения термического кпд при сохранении цикла из четырех этапов без изменений, в контур был введен двунаправленный теплообменник, называемый "регенератором"; впоследствии было разработано множество решений с различными типами поршневых и роторных двигателей с замкнутым контуром.
Основной цикл Стирлинга очень схематично представлен на фиг. 9. Он состоит из двух адиабатических превращений и двух изотермических превращений.
Площадь, заключенная между четырьмя превращениями, определяющими цикл, представляет собой полезную работу "L", полученную с помощью цикла. Эта работа равна разности между положительной работой 1-2+2-3 и отрицательной работой 3-4+4-1.
2
1
Полная теплота "Q", которую удерживает тепловой двигатель, аналогичным образом определяется разностью между теплом, которое он получил (Q), и теплом, которое он выпустил (Q); Таким образом, работа, которую тепловой двигатель способен производить, определяется как:
2
1
L=Q-Q.
На основании вышеизложенного, можно утверждать, что только часть тепла, подаваемого в тепловой двигатель, преобразуется в работу, в то время как оставшаяся часть обязательно выпускается за пределы системы. Для тепловых двигателей, таким образом, можно определить кпд как отношение между работой, производимой машиной, и теплом, необходимым для ввода в машину, т.е.
2
η=L/Q.
1
2
По существу для улучшения термического кпд необходимо все больше и больше уменьшать величину Q/Q, которая вычитается из значения 1 и снижает кпд. Для этой цели значения числителя и знаменателя должны сильно различаться друг от друга, насколько это возможно, т.е. горячий источник должен работать при максимально возможной высокой температуре, а холодный источник должен быть при минимально возможной низкой температуре.
Температура горячего источника подвержена только технологическим ограничениям, связанным с использованием, циклом и материалами, в то время как в отношении температуры холодного источника существуют ограниченные возможности вмешательства: фактически, как правило, необходимо использовать температуру наружной окружающей среды или температуру охлаждающей текучей среды, циркулирующей в конкретном теплообменнике.
В целом были разработаны различные машины, функционирующие с тепловым циклом Стирлинга, при этом другие все еще находятся на экспериментальной стадии. Тем не менее, заявитель обнаружил, что даже уже внедренные в промышленность решения имеют ограничения и могут быть улучшены в нескольких аспектах. Это относится, в частности, к двигателям Стирлинга, используемым для привода автономных электрических генераторов малой и средней мощности (меньше 50 кВт.ч).
На практике, помимо различных типов двигателей Стирлинга, в настоящее время используются следующие двигатели для привода электрогенераторов:
- поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые сложны в механическом отношении, шумные (по этой же причине они выполнены с возможностью работы при низких оборотах), сильно загрязняют окружающую среду и имеют высокие затраты на техническое обслуживание;
- газовые турбины, которые, помимо того, что они очень дороги, не являются конкурентоспособными в небольших приложениях;
- двигатели, использующие цикл Ренкина или Ренкина-Хирнаа, к которым идея настоящего изобретения также относится, которые однако, принимая во внимание необходимость использовать генератор пара, могут быть сильно конкурентоспособными только в стационарных приложениях когенерации (в которых можно почти полностью восстановить остаточное тепло теплового цикла), требуют дальнейших технологических инноваций для эффективного использования также в небольших мобильных приложениях.
В целом все решения из уровня техники, в дополнение к проблемам загрязнения окружающей среды, низкой эффективности, механической сложности и высоких затрат на обслуживание, также характеризуются соотношением затрат и выгод, которое не является особенно удовлетворительным.
Теория цикла двигателя на сжатом воздухе
Двигатель использует энергию, содержащуюся в резервуарах сжатого воздуха, которая, согласно закону идеального газа, является максимальной для изотермического превращения и равна:
1
1
2
где P - начальное давление резервуаров и V - объем превращения, равный кубическому объему двигателя, тогда как Р является атмосферным давлением.
При не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах сжатый воздух с хорошим приближением ведет себя как идеальный газ, при этом энергии, которую он содержит, определяется, таким образом, указанной выше формулой.
1
1
1
2
Обозначим энергию PV*In(Р/Р) как Emax, энергия идеального изотермического превращения.
Пусть Е обозначает механическую энергию, которую преобразует двигатель на основе сжатого воздуха, начиная с резервуаров объема V2 и давления Р2.
Таким образом, коэффициент полезного действия двигателя определяется по формуле:
В целом энергия превращения равна площади (интегралу) под кривой превращения в диаграмме Клаузиуса.
В случае адиабатического превращения энергия или работа составляет на самом деле для этого превращения:
где Ср для воздуха составляет приблизительно 1,00 и Cv для воздуха составляет приблизительно 0,72. Кпд равен:
Выводы
Заявитель заметил, что при необходимости расширить применение таких роторных приводных агрегатов в тепловых двигателях и агрегатах когенерации (и, возможно, тригенерации) для небольших приложений, например, для индивидуальных домов, имеет фундаментальное значение компактность и общий кпд.
В этой связи публикация "Expansion machine for a low power output steam Rankine cycle engine" (O. Badr et al., Applied energy, Elsevier science publisher, GB, vol. 39, no. 2, 1 January 1991, pages 93-116) описывает когенерацию электрической энергии и тепла с использованием парового цикла Ренкина и предлагает использовать расширители роторного типа ("лопастные" расширители или расширители "Ванкеля").
В публикации ES 2011-54302 университета Триеста: "Performance analysis and modeling of different volumetric expanders for small-scale organic Rankine cycles" рассматриваются расширители, используемые в определенных органических циклах Ренкина.
В статье "Reciprocating Expander for an Exhaust Heat Recovery Rankine Cycle for a Passenger Car Application", опубликованной в журнале Energies, рассматриваются расширители, которые могут использоваться в автомобильной области.
В этом контексте заявителем была поставлена задача создания "приводного агрегата", который может применяться в разнообразных тепловых циклах, в которых можно использовать высокую скорость потока рабочей текучей среды со значительным увеличением количества работы, которую можно получить по сравнению с другими известными агрегатами того же типа, имеющими в то же время размеры и вес самого этого агрегата.
В конкретной области тепловых циклов заявителем предложены предпочтительные, но не исключительные, варианты осуществления, предусматривающие использование вышеупомянутого "приводного агрегата" в трех различных рабочих конфигурациях с использованием, соответственно, цикла Ренкина, цикла Ренкина-Хирна и нового теплового цикла, полученного из циклов Стирлинга и Брайтона-Джоуля, с главной целью обеспечить возможность производства электроэнергии с использованием различных источников энергии. Заявителем также предложено конкретное применение, например, пневматический двигатель, который может снижать и/или устранять образование льда на выходной стороне двигателя.
Таким образом, задача, лежащая в основе настоящего изобретения, в различных его аспектах и/или вариантах осуществления, заключается в устранении одного или более из вышеуказанных недостатков путем создания "приводного агрегата", который может использовать несколько источников тепла и может генерировать механическую энергию (работу) с высоким суммарным кпд, и который можно использовать в любом месте и в любых целях, но предпочтительно для производства электрической энергии, при учете рассмотренных дополнительных преимуществ.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание "приводного агрегата", характеризуемого высоким термодинамическим кпд и превосходной удельной мощностью на единицу массы.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание "приводного агрегата", характеризуемого простой механической конструкцией, которую можно быстро изготовить.
Еще одной задачей настоящего изобретения является возможность изготовить "приводной агрегат", характеризуемый уменьшенной стоимостью изготовления.
Эти и любые другие задачи, которые станут более очевидны из последующего описания, по существу достигаются с помощью "приводного агрегата", имеющего ряд конкретных аспектов.
В одном аспекте приводной агрегат по существу содержит:
- блок двигателя, образованный корпусом, имеющим внутреннюю полость, образующую тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр);
- две тройки поршней, размещенных с возможностью вращения внутри тороидального цилиндра (или кольцевого цилиндра), причем каждая тройка соединена с соответствующим приводным ротором и поршни двух троек чередуются друг с другом;
- трансмиссию с тремя валами с блоком из четырех трехлепестковых шестерен, размещенных в специальном корпусе, выполненную и предназначенную для передачи движения от двух троек поршней и/или к ним, при этом трансмиссия содержит первичный вал (или приводной вал), первый вторичный вал и второй вторичный вал, причем каждый вторичный вал соединен через приводные роторы с соответствующей тройкой поршней;
- первый ротор и второй ротор, соединенные соответственно с первым и вторым вспомогательным валом и установленные с возможностью вращения в корпусе; причем каждый из двух роторов выполнен механически интегральным с тремя поршнями, смещенными в угловом направлении друг от друга на 120° и скользящими в кольцевой камере; при этом поршни одного из роторов чередуются в угловом направлении с поршнями другого ротора так, что соседние в угловом направлении поршни образуют и ограничивают каждую из шести создаваемых камер с переменным объемом.
В одном аспекте кольцевая камера имеет прямоугольное или квадратное поперечное сечение, причем поршни, имея ответную форму, являются, соответственно, прямоугольными или квадратными.
В одном аспекте кольцевая камера имеет круглое поперечное сечение (простирающееся тороидально), при этом поршни, имея ответную форму, имеют круглое поперечное сечение (простирающееся тороидально).
В одном аспекте тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр) имеет ряд взаимно различных впускных отверстий для ввода высокотемпературной тепловой текучей среды в цилиндр и ряд взаимно различных выпускных отверстий для отвода отработанной тепловой текучей среды, со ссылкой, соответственно, на две разные секции, которые используются "параллельно", то есть с эквивалентным расширением, которое происходит в обеих.
В одном аспекте тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр) имеет ряд взаимно различных впускных отверстий для ввода высокотемпературной тепловой текучей среды в цилиндр и ряд взаимно различных выпускных отверстий для отвода отработанной тепловой текучей среды, со ссылкой, соответственно, на две разные секции, которые используются "последовательно", то есть, с расширением, происходящем в каждой из двух секций на двух разных уровнях давления и температуры тепловой текучей среды.
В одном аспекте тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр) имеет ряд взаимно различных впускных отверстий для ввода высокотемпературной тепловой текучей среды в цилиндр и ряд взаимно различных выпускных отверстий для отвода отработанной тепловой текучей среды, со ссылкой, соответственно, на две разные секции, которые могут быть использованы "параллельно", то есть, с эквивалентным расширением тепловой текучей среды, происходящем в двух секциях, или же "последовательно".
В одном аспекте тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр) имеет ряд взаимно различных впускных отверстий для ввода высокотемпературной тепловой текучей среды в цилиндр и ряд взаимно различных выпускных отверстий для отвода отработанной тепловой текучей среды, со ссылкой, соответственно, на две разные секции, которые используются "последовательно", то есть с расширением, происходящем на двух разных уровнях давления и температуры тепловой текучей среды в двух секциях.
В одном аспекте кольцевая камера имеет три впускных положения (с различно выполненными отверстиями, разными по количеству и размеру) и три выпускных положения (с различно выполненными отверстиями, разными по количеству и размеру), которые выполнены регулируемыми с возможностью адаптации к используемому термодинамическому циклу.
В одном аспекте каждая из шести камер расширяется три раза и три раза сжимается за каждый полный оборот (360°) первичного вала.
В одном аспекте все впускные/выпускные отверстия, используемые для прохода тепловой текучей среды, выполнены на корпусе тороидального (или кольцевого) цилиндра.
В одном аспекте впускные/выпускные отверстия расположены симметрично и смещены друг от друга в среднем на 120°, причем можно образовать, в одном тороидальном (или кольцевом) цилиндре, три отдельные впускные секции и три отдельные выпускные секции для тепловой текучей среды.
В одном аспекте тороидальный цилиндр (или кольцевой цилиндр) имеет одно или более впускных отверстий для входа охлажденной тепловой текучей среды в цилиндр и одно или более выпускных отверстий для отвода тепловой текучей среды, сжатой в компенсационном резервуаре.
В одном аспекте посредством ручного или автоматического углового вращения корпуса, содержащего трансмиссию, по отношению к впускному/выпускному отверстиям можно согласовать по времени фазы теплового цикла, чтобы они наступали раньше или позже, для оптимизации термодинамического кпд.
В одном аспекте посредством ручного или автоматического углового вращения корпуса, содержащего трансмиссию, по отношению к впускному/выпускному отверстиям, можно согласовать по времени фазы теплового цикла, чтобы они наступали раньше или позже, для обеспечения возможности автономного запуска устройства двигателя.
В одном аспекте первая тройка поршней является интегральной частью первого ротора, при этом вторая тройка поршней является интегральной частью второго ротора.
В одном аспекте три поршня каждого из двух роторов расположены в угловом направлении на одинаковом расстоянии друг от друга.
В одном аспекте три поршня каждого ротора жестко соединены друг с другом таким образом, чтобы вращаться интегрально друг с другом.
В одном аспекте первый вторичный вал монолитно и интегрально соединен на одном конце с первой трехлепестковой шестерней и на противоположном конце с первым ротором.
В одном аспекте второй вторичный вал выполнен полым и интегрально соединен на одном конце с соответствующей второй трехлепестковой шестерней и на противоположном конце со вторым ротором.
В одном аспекте первичный вал (или приводной вал) интегрально соединен с первой и второй трехлепестковой шестернями, расположенными с углом 60° друг от друга.
В одном аспекте трансмиссия приводного агрегата содержит:
- первый вспомогательный вал, на котором установлен первый ротор;
- второй вспомогательный вал, на котором установлен второй ротор;
- первую трехлепестковую шестерню и вторую трехлепестковую шестерню, прикрепленные к первичному валу и смещенные в угловом направлении с углом 60°;
- третью трехлепестковую шестерню, прикрепленную к первому вспомогательному валу;
- четвертую трехлепестковую шестерню, прикрепленную ко второму вспомогательному валу;
причем первая трехлепестковая шестерня функционально работает с третьей трехлепестковой шестерней и вторая трехлепестковый шестерня функционально работает с четвертой трехлепестковой шестерней.
В одном аспекте первый вспомогательный вал коаксиально вставлен во второй вспомогательный вал или наоборот.
В одном аспекте ось первичного вала параллельна оси первого вала и второго вала и соответствующим образом расположена на некотором расстоянии от нее.
В одном аспекте каждая трехлепестковая шестерня имеет вогнутые и/или плоские и/или выпуклые соединительные части между ее лепестками.
В одном аспекте каждая трехлепестковая шестерня, как может следовать из ее определения, имеет по существу треугольный профиль.
В одном аспекте вращение с постоянной угловой скоростью первичного вала (или приводного вала) определяет периодическое изменение угловой скорости вращения двух вторичных валов.
В одном аспекте первичный вал (или приводной вал) определяет периодическое циклическое изменение угловой скорости первого и второго вторичных валов и соответствующих троек поршней, вращающихся внутри тороидального цилиндра (или кольцевого цилиндра), что позволяет создавать шесть различных вращающихся камер с переменным объемом и отношением.
В одном аспекте передача движения между поршнями и первичным валом (или приводным валом) обеспечивается с помощью блока трехлепестковых шестерен, который присоединяет первый и второй вторичные валы к первичному валу и который характеризуется тем, что, в то время как первичный вал (или приводной вал) вращается с постоянной угловой скоростью, два вторичных вала вращаются с угловой скоростью, периодически более высокой, равной или меньшей, чем первичный вал.
В одном аспекте без ущерба для идеи изобретения, приводной агрегат может иметь вообще любую систему для передачи движения между двумя тройками поршней и первичным валом (такую как, например, система, заявленная в патентах US 5147191 и ЕР 0554227 А1), причем она может использовать любой механизм, который может преобразовывать вращательное движение первичного вала с постоянной угловой скоростью во вращательное движение с периодически переменной угловой скоростью двух вторичных валов, функционально присоединенных к двум тройкам поршней.
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен, посредством подходящих трубопроводов, передающих тепловую текучую среду, так, чтобы различные компоненты и различные рабочие секции могли функционально соединяться, вручную или автоматически, с соответствующими впускными/выпускными отверстиями.
В одном аспекте приводной агрегат полностью лишен впускных/выпускных клапанов и соответствующих механизмов, так как тройки поршней, путем перемещения в тороидальном цилиндре (или кольцевом цилиндре), сами определяют открытие и закрытие впускных/выпускных отверстий для тепловой текучей среды.
В одном аспекте тепловой двигатель, использующий приводной агрегат, может быть выполнен с обратными клапанами, соответствующим образом расположенными в трубопроводах, передающих тепловую текучую среду, так, чтобы оптимизировать тепловой цикл, способствуя работе поршней в функции открытия/закрытия впускных/выпускных отверстий.
В одном аспекте тепловой двигатель, использующий приводной агрегат, может включать в себя один или более нагревателей тепловой текучей среды, которые выполнены с возможностью обеспечить текучую среду тепловой энергией, служащей для повышения ее температуры и давления, используемых, в свою очередь, для приведения двух троек поршней во вращение.
В одном аспекте приводной агрегат соединен с генератором, который может производить электроэнергию, предназначенную для использования для любой цели.
В одном аспекте тепловой двигатель, использующий приводной агрегат, содержит систему регулировки тепловой энергии, выполненную с возможностью регулировать давление и/или температуру подачи тепловой текучей среды в различных стадиях процесса.
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью работать с рабочим циклом Стирлинга, при этом приводной агрегат может выполнять функции сжатия и расширения тепловой текучей среды.
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью работать с рабочим циклом Ренкина или Ренкина-Хирна, причем приводной агрегат используется как "расширитель".
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью работать с открытым циклом Брайтона, причем приводной агрегат выполняет функции сжатия и расширения.
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью использовать давление текучей среды, причем приводной агрегат выполняет функцию "гидравлического двигателя".
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью использовать давление газа, причем приводной агрегат выполняет функцию "пневматического двигателя".
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью придавать скорость текучей среде, протекающей в трубе, причем приводной агрегат выполняет функцию "гидравлического насоса".
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью сжимать газ, причем приводной агрегат выполняет функцию "пневматического компрессора".
В одном аспекте приводной агрегат может быть выполнен с возможностью всасывать газ, причем приводной агрегат выполняет функцию "вакуумного насоса".
В других аспектах приводной агрегат может быть соответствующим образом выполнен с возможностью выполнять множество других разнообразных функций.
В одном аспекте "тепловой двигатель", использующий приводной агрегат, выполнен с возможностью работать с новым "пульсирующим тепловым циклом", характеризующимся непрерывным, однонаправленным движением тепловой текучей среды, что служит значительному увеличению отношения мощности к весу, а также суммарного кпд теплового двигателя.
В одном аспекте приводной агрегат подходит для использования в качестве устройства, которое может производить механическую энергию с использованием потоков сжатой тепловой текучей среды, нагретой любым источником тепла.
В одном аспекте нагревание циркулирующей тепловой текучей среды может быть достигнуто с использованием топливной горелки (например, газовой горелки) или любого другого внешнего источника тепла - например, солнечной энергии, биомассы, нерафинированного топлива, высокотемпературных промышленных отходов, или другого источника, подходящего для нагрева самой тепловой текучей среды.
В одном аспекте приводной агрегат представляет собой роторную объемную машину.
В одном аспекте роторная объемная машина содержит:
- корпус, ограничивающий в нем кольцевую камеру и имеющий "n" пар впускных/выпускных отверстий, сообщающихся по текучей среде с кольцевой камерой, причем каждое впускное отверстие смещено в угловом направлении от соответствующего выпускного отверстия той же пары для образования пути расширения/сжатия для рабочей текучей среды в кольцевой камере;
- первый ротор и второй ротор, установленные с возможностью вращения в корпусе; при этом каждый из двух роторов имеет "n" поршней, выполненных с возможностью скольжения в кольцевой камере; причем поршни одного ротора из роторов чередуются в угловом направлении с поршнями другого ротора; при этом соседние в угловом направлении поршни ограничивают в угловом направлении каждую из "2*n" камер с переменным объемом;
- первичный вал, функционально соединенный с первым и вторым роторами;
- трансмиссию, функционально расположенную между первым и вторым роторами и первичным валом и выполненную с возможностью преобразования вращательного движения первичного вала во вращательное движение с соответствующими первой и второй переменными угловыми скоростями первого и второго роторов, которые смещены относительно друг друга; причем трансмиссия выполнена с возможностью сообщать периодически переменной угловой скорости каждого из роторов "n" периодов изменения для каждого полного оборота первичного вала;
где "n" больше или равно трем.
В одном аспекте трансмиссия содержит:
- первый вспомогательный вал, на котором установлен первый ротор;
- второй вспомогательный вал, на котором установлен второй ротор;
- первую шестерню с "n" лепестками и вторую шестерню с "n" лепестками, которые прикреплены к первичному валу и смещены в угловом направлении на угол 180°/"n";
- третью шестерню с "n" лепестками, прикрепленными к первому вспомогательному валу;
- четвертую шестерню с "n" лепестками, прикрепленными ко второму вспомогательному валу;
причем первая шестерня зацепляется с третьей шестерней и вторая шестерня зацепляется с четвертой шестерней.
В одном аспекте каждая шестерня имеет вогнутую или плоскую, или выпуклую соединительные части между ее лепестками.
В одном аспекте "n"=3 и каждая шестерня имеет по существу треугольный профиль с закругленными, вогнутыми лепестками и выпуклыми соединительными частями, расположенными между лепестками.
В одном аспекте машина (1) представляет собой роторный объемный расширитель.
В одном аспекте отношение между площадью поперечного сечения впускного отверстия и площадью поперечного сечения выпускного отверстия составляет от приблизительно 1/40 до приблизительно 1/4.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к станции генерации или когенерации, содержащей:
- вышеупомянутый роторный объемный расширитель;
- парогенератор, расположенный выше по потоку от роторного объемного расширителя и сообщающийся по текучей среде с впускными отверстиями роторного объемного расширителя, для подачи к нему потока насыщенного пара, способного вращать роторы роторного объемного расширителя;
- электрический генератор, соединенный с первичным валом роторного объемного расширителем так, чтобы получать механическую энергию и производить электрическую энергию.
В одном аспекте станция содержит теплообменник/конденсатор, расположенный ниже по потоку от роторного объемного расширителя и сообщающийся по текучей среде с выпускными отверстиями роторного объемного расширителя так, чтобы получать поток отработанного пара и отводить тепла от него.
В одном аспекте по меньшей мере одно выпускное отверстие расширителя сообщается по текучей среде, через по меньшей мере один трубопровод, внешний по отношению к кольцевой камере, с по меньшей мере одним впускным отверстием расширителя.
В одном аспекте станция содержит по меньшей мере один нагреватель, функционально активный на по меньшей мере одном внешнем трубопроводе.
Пример сравнения приводных агрегатов с четырьмя и шестью поршнями
По сравнению с приводным агрегатом известного типа, который имеет только два поршня для каждого из роторов (такой как, например, показанный в документе WO 2008/061271 А1), приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением имеет, при условии равенства других параметров (диаметр поршня, средний диаметр цилиндра, количество оборотов), гораздо больший полезный объем.
С другой точки зрения, при условии равенства произведенной полезной мощности, приводной агрегат имеет гораздо более компактные размеры, меньший вес, более низкую скорость вращения, меньшую силу инерции, меньшее механическое трение и больший суммарный кпд.
Чтобы лучше продемонстрировать важность идеи настоящего изобретения, принимая во внимание реальные механические проектные ограничения, налагаемые системой для передачи движения от поршней к ведущему валу, ниже приведен пример сравнения приводного агрегата известного уровня техники (который имеет два поршня для каждого из двух роторов, то есть четыре поршня) и приводного агрегата согласно настоящему изобретению (который имеет три поршня для каждого из двух роторов, то есть шесть поршней), причем поршни обоих приводных агрегатов имеют эквивалентное круговое (или тороидальное) поперечное сечение, подобно показанному на фиг. 2а и 2b.
Как видно из приведенной ниже таблицы 1, при той же скорости вращения и габаритных размерах приводного агрегата, техническое решение согласно изобретению дает возможность получить почти двойной суммарный полезный объем (нормированный на один оборот первичного вала), резкое снижение инерционных напряжений и чрезвычайно благоприятное отношение мощности к весу.
Дополнительные признаки станут более ясными из нижеследующего подробного описания приводного агрегата в соответствии с идеей настоящего изобретения и некоторых предпочтительных вариантов осуществления его применения, в отношении, соответственно, "теплового двигателя" с рабочим циклом Ренкина и Ренкина-Хирна, "теплового двигателя", работающего с инновационным рабочим тепловым циклом, полученным из цикла Стирлинга (обычно называется "пульсирующим тепловым циклом") и "пневматического двигателя". Описание изложено ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, которые представлены исключительно в качестве иллюстрации и не в качестве ограничения.
Для простоты в нижеследующем описании, относящемся к циклам Ренкина и Ренкина-Хирна, путь, по которому проходит тепловая текучая среда в приводном агрегате 1, объясняется, как если бы выполнялся один полный тепловой цикл. На самом деле, на каждый оборот приводного вала (с полным углом поворота 360°) в приводном агрегате 1, в соответствии с конкретной конфигурацией, может быть выполнено "n" полных тепловых циклов.
Кроме того, необходимо принять во внимание, что в "исходном" состоянии (с неактивным генератором) тепловая текучая среда (вода или органическая текучая среда) находится при той же температуре, что и окружающая среда, при заданном статическом давлении, и полностью содержится в замкнутом контуре теплового двигателя 29.
Тепловой цикл в его полной форме (кроме запуска), осуществляется непрерывно в течение нескольких фаз термодинамического изменения текучей среды: нагревание, перегревание, прием и расширение (и соответствующее производство полезной работы), выпуск, конденсация и обратное закачивание, как это описано ниже в различных конфигурациях.
Как показано на фиг. 4-8, функциональные конфигурации, приведенные в качестве не ограничивающего примера осуществления настоящего изобретения, представляют собой тепловой двигатель, содержащий приводной агрегат, используемый в качестве "объемного расширителя", в соответствии с одним или более из вышеуказанных аспектов, который выполнен с возможностью осуществлять тепловой цикл Ренкина (без перегрева) или тепловой цикл Ренкина-Хирна (с одним или двумя этапами перегрева). В этих конфигурациях тепловой двигатель содержит:
- парогенератор в прямом сообщении по текучей среде с приводным агрегатом так, чтобы подавать в него поток насыщенного пара, способного расширяется для производства "работы";
- первый перегреватель пара, сообщающийся по текучей среде с приводным агрегатом так, чтобы подавать в него поток перегретого пара, способного расширяться для производства "работы";
- второй перегреватель, сообщающийся по текучей среде с приводным агрегатом так, чтобы подавать в него поток перегретого пара, способного расширяться для производства "работы";
- "приводной агрегат", в соответствии с настоящим изобретением, используемый в качестве "объемного расширителя", способного преобразовывать тепловую энергию, содержащуюся в паре, в механическую энергию (работу), используемую для привода электрического генератора;
- конденсатор, сообщающийся по текучей среде с и расположенный между приводным агрегатом и насосом высокого давления, для получения потока отработанного пара и отвода тепла от него, которое может использоваться для других целей;
- насос высокого давления (питаемый отдельно или непосредственно приводимый в действие тем же приводным агрегатом), сообщающийся по текучей среде с и расположенный между конденсатором и парогенератором, который может передавать конденсированную текучую среду обратно в генератор, обеспечивая, таким образом, непрерывность теплового цикла с "замкнутым контуром";
- электрический генератор, соединенный с первичным валом приводного агрегата так, чтобы получать механическую энергию и производить электрическую энергию, используемую для различных целей.
Для простоты в нижеследующих описаниях рабочих конфигураций, которые относятся к новому "пульсирующему тепловому циклу", полученному из цикла Стирлинга, путь, проходимый тепловой текучей средой в приводном агрегате 1, объясняется, как если бы выполнялся один полный тепловой цикл. На самом деле, на каждый оборот приводного вала (с полным углом поворота 360°) в приводном агрегате 1, в соответствии с конкретной конфигурацией, выполняются "n" полных тепловых циклов.
Кроме того, необходимо учитывать, что в "исходном" состоянии (без подогрева), тепловая текучая среда (воздух, водород, гелий, азот или другая текучая среда) находится при той же температуре, что и окружающая среда, при заданном статическом давлении, и полностью содержится в замкнутом контуре теплового двигателя 51.
Тепловой цикл, в полной форме (кроме запуска), осуществляется непрерывно в течение нескольких фаз термодинамического изменения текучей среды: сжатие, нагревание, впуск, расширение (и соответствующее производство полезной работы), выпуск и рекуперация-охлаждение, как описано ниже в нижеследующих конфигурациях.
Как показано на фиг. 10 и 11, функциональные конфигурации, приведенные в качестве неограничивающего примера настоящего изобретения, представляют тепловой двигатель, содержащий приводной агрегат, используемый в качестве "объемного компрессора-расширителя", в соответствии с одним или более из предыдущих аспектов, который выполнен с возможностью осуществлять новый тепловой цикл, полученный из цикла Стирлинга и условно называемый "пульсирующим тепловым циклом". В этих конфигурациях тепловой двигатель содержит:
- "нагреватель" в прямом сообщении по текучей среде с регенератором и приводным агрегатом и расположенный между ними, задача которого заключается в подаче в последний тепловой текучей среды при высокой температуре/давлении;
- "приводной агрегат" (с четырьмя или шестью поршнями), сообщающийся по текучей среде с охладителем, компенсационным резервуаром и нагревателем, расположенный между ними и используемый с функциями компрессора и расширителя, для преобразования тепловой энергии, содержащейся в циркулирующей текучей среде, в механическую энергию (работа);
- "регенератор", сообщающийся по текучей среде с приводным агрегатом и нагревателем и расположенный между ними, который может отводить тепло от отработанной тепловой текучей среды для предварительного подогрева тепловой текучей среды, которая затем будет перегрета;
- "охладитель", сообщающийся по текучей среде с регенератором и приводным агрегатом и расположенный между ними, который может дополнительно отводить тепло от тепловой текучей среды при циркуляции для ее охлаждения и, таким образом, увеличения молекулярного количества текучей среды, которое впоследствии будет впущена и затем сжата;
- "компенсационный резервуар", имеющий два обратных клапана и сообщающийся по текучей среде с приводным агрегатом и регенератором и расположенный между ними, основная задача которого заключается в создании оптимальных условий для непрерывной подачи сжатой текучей среды к регенератору и, каскадным образом, к обогревателю так, чтобы осуществлять новый "пульсирующий тепловой цикл " (полученный из цикла Стирлинга) с существенным улучшением полного кпд.
Замечание в отношение "пульсирующего теплового цикла".
Быстрый нагрев и выпуск тепловой текучей среды, проходящей через нагреватель (ее движение обусловлено открытием впускного/выпускного отверстий, открываемых и закрываемых вращающимися поршнями) создает очень специфический высокочастотный "пульсирующий" эффект, который характеризует тепловой цикл этого теплового двигателя и отличает его от всех остальных тепловых циклов, известных к настоящему времени (в качестве примера: скорость вращения первичного вала, составляющая 1200 оборотов в минуту, обеспечивает 120 тепловых циклов в секунду, соответствующих ей).
Со ссылками на вышеописанные теоретические принципы, касающиеся двигателей на основе сжатого воздуха, для извлечения всей энергии из сжатого воздуха необходимо, чтобы расширение последнего происходило в двигателях при температуре, которая является как можно более постоянной, при этом, если воздух охлаждается в течение расширения, то он должен быть нагрет соответствующим образом вдоль его пути.
С практической точки зрения для получения мощности от двигателя тепло должно быстро подаваться в воздух в течение изотермического превращения (расширение воздуха в приводном агрегате), но это не может быть достигнуто при требуемой скорости, так что воздух охлаждается и расширение, таким образом, не происходит при оптимальных условиях.
Таким образом, для обеспечения возможности извлекать больше энергии из сжатого воздуха, ряд адиабатических и изохорических превращений должен выполняться для того, чтобы приблизиться к изотермическому превращению, что позволяет получить из газа максимальную энергию. Это делается путем выполнения быстрого частичного расширение до давления Р3 (Р1<Р3<Р2) на первой стадии приводного агрегата (адиабатическое превращение); затем охлажденный воздух (T3<Tamb) нагревают (Т4=Tamb) с помощью "нагревателя" (изохорический превращение).
После этой первой стадией следуют другие две одинаковые стадии: быстрое расширение воздуха на второй стадии этого же приводного агрегата до давления Р5 (Р1<Р5<Р3<Р2), нагрев воздуха с помощью "нагревателя", вплоть до достижения третьей стадии этого же приводного агрегата, который расширяет воздух до атмосферного давления.
На диаграмме давление-объем для идеальных газов (диаграмма Клаузиуса), вышеописанная первая стадия требует перехода от точки (Р2, V2) к точке (Р4, V4) не по гиперболе PV=const изотермического превращения, а скорее вдоль первой кривой адиабаты к точке (Р3, V3) и затем достигается точка (Р4, V4) через вторую изохорную кривую. Это влечет за собой потери энергии на каждой стадии по отношению к энергии, которую можно извлечь из воздуха через изотермическое превращение, причем потери будут тем меньше, чем ближе друг к другу находятся на диаграмме точки (Р2, V2) и (Р4, V4).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что чем больше количество стадий и, следовательно, расширительных камер, тем большую энергию можно извлечь из сжатого воздуха.
Однако с другой стороны приводной агрегат также имеет трение, уменьшающее энергию, которую можно извлечь из воздуха, так что количество стадий должно быть определено таким образом, чтобы сделать кпд двигателя как можно больше.
Для еще одной сравнительной ссылки рассмотрим, что исключительно адиабатическое превращение, а именно: быстрое расширение воздуха на одной стадии до достижения давления окружающей среды, предполагает гораздо более низкий кпд, не считая практически неизбежного образования льда.
Для простоты в нижеследующем описании рабочей конфигурации путь, проходимый сжатым воздухом в различных секторах, описывается со ссылкой на один приводной агрегат. На самом деле, можно использовать множество роторных приводных устройств, работающих "каскадным" образом с целью увеличения количества стадий и промежуточных стадий нагревания. Эта возможность особенно важна, если учесть, что для применения в автомобиле воздух должен быть сжат в резервуаре до давления, которое также может превышать 300 бар.
Кроме того, необходимо учесть, что в "исходном" состоянии воздух, содержащийся в резервуаре, находится при той же температуре, что и окружающая среда.
Цикл превращения со ссылками на один приводной агрегат в его полной форме осуществляется непрерывно в течение нескольких фаз термодинамического изменения текучей среды, а именно: первое расширение (и соответствующее производство полезной работы); нагрев; второе расширение (и соответствующее производство полезной работы); нагрев; третье расширение (и соответствующее производство полезной работы); нагрев; и выпуск при атмосферном давлении в открытый воздух.
Пневматический двигатель в соответствии с идеей настоящего изобретения характеризуется расширением на трех стадиях, что предотвращает или уменьшает возможность образования льда на выходе самого двигателя так, что его применение может также быть распространено на автомобильную промышленность.
Как показано на фиг. 12, функциональная конфигурация, приведенная в качестве неограничивающего примера настоящего изобретения, представляет собой пневматический двигатель, содержащий один приводной агрегат с шестью поршнями, который используется в качестве "объемного расширителя" в соответствии с одним или более из вышеуказанных аспектов и выполнен с возможностью получать механическую энергию, используемую для любых целей. В этой конфигурации пневматический двигатель 61 содержит:
- "резервуар сжатого воздуха" в прямом сообщении по текучей среде с приводным агрегатом, имеющий специальный запорный клапан;
- "приводной агрегат" (с шестью поршнями), сообщающийся по текучей среде с резервуаром сжатого воздуха и используемый с функциональностью расширителя для производства механической энергии (работы);
- множество "обогревателей" в прямом сообщении по текучей среде с приводным агрегатом, задача которых заключается в нагреве сжатого воздуха в различных секторах их применения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже в данном документе приведено описание со ссылками на прилагаемые чертежи, выполненные исключительно в иллюстративных целях и, таким образом, без наложения ограничений, на которых:
- на фиг. 1 показан схематический вид спереди приводного агрегата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 2а показан вид сбоку в разрезе центрального тела приводного агрегата на фиг. 1;
- на фиг. 2b показан вид сбоку в разрезе варианта центрального тела приводного агрегата на фиг. 1, с секцией системы передачи движения;
- на фиг. 3 показан вид спереди блока из трехлепестковых шестерней, относящихся к системе передачи движения;
- на фиг. 4 показан первый схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 5 показан второй схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 6 показан третий схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 7 показан четвертый схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 8 показан пятый схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 9 показана диаграмма давление-объем общего теплового цикла Стирлинга;
- на фиг. 10 показан схематический вид "теплового двигателя" с шестью поршнями, в котором используется приводной агрегат с новым "пульсирующим тепловым циклом" в соответствии с идеей настоящего изобретения;
- на фиг. 11 показан схематический вид "теплового двигателя" с четырьмя поршнями, в котором используется новый "пульсирующий тепловой цикл" в соответствии с идеей настоящего изобретения;
- на фиг. 12 показан схематический вид "приводного агрегата" с шестью поршнями, используемого в качестве "пневматического двигателя";
- на фиг. 13 показан еще один возможный схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 14 показан еще один возможный схематический вид теплового двигателя, содержащего приводной агрегат в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Повсюду на фиг. 1, 2а, 2b 1 обозначает "приводной агрегат", представляющий собой основной предмет идеи настоящего изобретения, который используется в качестве "расширителя" в тепловых циклах с замкнутым контуром типа Ренкина, работающих с "органическими текучими средами", в качестве "расширителя" в тепловых циклах с замкнутым контуром типа Ренкина и Ренкина-Хирна, работающих с паром, в качестве "компрессора/расширителя" в тепловых циклах с разомкнутым контуром типа Брайтона, работающих с горячим воздухом, в качестве "компрессора/расширителя" в тепловых циклах с разомкнутым контуром типа Стирлинга, работающих с горячим воздухом (на самом деле с азотом, гелием, водородом и т.п.), или который непосредственно применяется в качестве "гидравлического двигателя", "пневматического двигателя", "пневматического компрессора", "объемного насоса" и во многих других приложениях, в который могут использоваться специфические особенности двигателя.
Приводной агрегат 1 содержит корпус 2, внутренне ограничивающий основание 3.
В показанном неограничивающем варианте осуществления корпус 2 образован двумя половинами 2а, 2b, которые соединены вместе.
В основании 3 размещены первый ротор 4 и второй ротор 5, которые вращаются вокруг той же самой оси "Х-Х".
Первый ротор 4 имеет первое цилиндрическое тело 6 и три первых элемента 7а, 7b, 7с, проходящих в радиальном направлении от первого цилиндрического тела 6 и жестко соединенные или интегральные с ним.
Второй ротор 5 имеет второе цилиндрическое тело 8 и три вторых элемента 9а, 9b, 9с, проходящих в радиальном направлении от второго цилиндрического тела 8 и жестко соединенные или интегральные с ним.
Элементы 7а, 7b, 7с ротора 4 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в угловом направлении, то есть каждый элемент отстоит от соседнего элемента на угол "α", равный 120° (измеренный между плоскостями симметрии каждого элемента).
Элементы 9а, 9b, 9с ротора 5 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в угловом направлении, то есть каждый элемент отстоит от соседнего элемента на угол "α", равный 120° (измеренный между плоскостями симметрии каждого элемента).
Первое и второе цилиндрические тела 6, 8 установлены бок о бок на соответствующих основаниях 10, 11 и соосны.
Кроме того, три первых элемента 7а, 7b, 7с первого ротора 4 проходят вдоль осевого направления и имеют выступающую часть, расположенную в положении, радиально внешнем по отношению ко второму цилиндрическому телу 8 второго ротора 5.
Кроме того, три вторых элемента 9а, 9b, 9с второго ротора 5 проходят вдоль осевого направления и имеют выступающую часть, расположенную в положении, радиально внешнем по отношению к первому цилиндрическому телу 6 первого ротора 4.
Три первых элемента 7а, 7b, 7с чередуются с тремя вторыми элементами 9а, 9b, 9с вдоль окружной протяженности кольцевой камеры 12.
Каждый из первого и второго элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с имеет в радиальном поперечном разрезе (фиг. 1) по существу трапециевидный профиль, который сходится к оси "Х-Х" вращения, и в осевом поперечном разрезе (фиг 2а, 2b) по существу круглый или прямоугольный профиль.
Каждый из первого и второго элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с имеет угловой размер, заданный лишь в качестве приближения и не в качестве ограничения и равный приблизительно 38°.
Периферийные поверхности, радиально внешние по отношению к первому и второму цилиндрическим телам 6, 8, ограничивают, вместе с внутренней поверхностью основания 3, кольцевую камеру 12.
Кольцевая камера 12, таким образом, разделена первым и вторым элементами 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с на "вращающиеся камеры" 13', 13'', 13''', 14', 14'', 14''' с переменным объемом. В частности, каждая из "вращающихся камер" с переменным объемом ограничена (кроме того, поверхностью, радиально внутренней по отношению к корпусу 2, и поверхностью, радиально внешней по отношению к цилиндрическим телам 6, 8) одним из первых элементов 7а, 7b, 7с и одним их вторых элементов 9а, 9b, 9с.
В первой фиг. 2а, каждый из первого и второго элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с имеет в его осевом разрезе, по существу круглый профиль, при этом кольцевая камера 12 также имеет круглое поперечное сечение, определенное как "тороидальное".
В варианте на фиг. 2b каждый из первого и второго элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с имеет в своем осевом разрезе прямоугольный (или квадратный) профиль, при этом кольцевая камера 12 также имеет прямоугольное (или квадратное) поперечное сечение.
Между внутренними стенками кольцевой камеры 12 и каждым из вышеуказанных первого и второго элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с остается зазор так, чтобы обеспечить вращательное движение поршней 4, 5 и скольжение элементов 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с в самой камере 12.
Первый и второй элементы 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с являются поршнями показанного приводного агрегата 1, при этом вращающиеся камеры 13', 13'', 13''', 14', 14'', 14''' с переменным объемом представляют собой камеры для сжатия и/или расширения рабочей текучей среды вышеупомянутого приводного агрегата 1.
Впускные или выпускные отверстия 15', 16', 15'', 16'', 15''', 16''' (подходящего размера и формы) выполнены в стенке, радиально внешней по отношению к корпусу 2; они открываются в кольцевую камеру 12 и сообщаются по текучей среде с трубопроводами, внешними по отношению к кольцевой камере 12, показано ниже.
Каждое впускное или выпускное отверстие 15', 16', 15'', 16'', 15''', 16''' расположено с интервалом в угловом направлении соответствующим образом так, чтобы адаптироваться к требованиям каждой из различных индивидуальных функциональных конфигураций приводного агрегата 1.
Приводной агрегат 1 дополнительно содержит первичный вал 17, параллельный, расположенный на расстоянии от оси "Х-Х" вращения и установленный с возможностью вращения на корпусе 2, и трансмиссию 18, механически расположенную между первичным валом 17 и роторами 4, 5.
Трансмиссия 18 содержит первый вспомогательный вал 19, к которому прикреплен первый ротор 4, и второй вспомогательный вал 20, к которому прикреплен второй ротор 5. Первый и второй вспомогательные валы 19, 20 соосны с осью "Х-Х" вращения. Второй вспомогательный вал 20 имеет трубчатую форму и содержит внутри себя часть первого вспомогательного вала 19. Первый вспомогательный вал 19 может вращаться во втором вспомогательном вале 20, причем второй вспомогательный вал 20 может вращаться в корпусе 2.
Первая трехлепестковая шестерня 23 прикреплена к первичному валу 17. Вторая трехлепестковая шестерня 24 прикреплена к первичному валу 17 рядом с первой. Вторая трехлепестковая шестерня 24 установлена на первичном вале 17 со смещением в угловом направлении по отношению к первой трехлепестковой шестерне 23 на угол "Δ", равный 60°. Две трехлепестковые шестерни 23 и 24 вращаются вместе совместно с первичным валом 17.
Третья трехлепестковая шестерня 25 прикреплена к первому вспомогательному валу 19 (так, чтобы вращаться интегрально с ним), при этом ее зубья точно сцепляются с зубьями первой трехлепестковой шестерни 23.
Четвертая трехлепестковая шестерня 26 прикреплена ко второму вспомогательному валу 20 (так, чтобы вращаться интегрально с ним), при этом ее зубья точно сцепляются с зубьями второй трехлепестковый шестерни 24.
Каждая из вышеупомянутых трехлепестковых шестерен 23, 24, 25, 26 приблизительно имеет профиль равностороннего треугольника с закругленными вершинами 27 и соединительными частями 28, расположенными между вершинами 27, которые могут быть вогнутыми, плоскими или выпуклыми.
Изменение формы вершин 27 и соединительных частей 28 шестерен позволяет предварительно установить значение углового периодического движения вспомогательных валов 19, 20 в течение их вращательного движения.
Конструкция трансмиссии 18 такова, что в течение полного оборота первичного вала 17 два ротора 4, 5 также осуществляют полный оборот, но с периодически переменными угловыми скоростями, со смещением друг от друга, которые обеспечивает перемещение соседних поршней 7а, 9а; 7b, 9b; 7с, 9с друг от друга и друг к другу три раза в течение полного поворота на 360°. Таким образом, каждая из шести камер 13', 13'', 13''', 14'', 14'', 14''' с переменным объемом расширяется три раза и три раза сжимается при каждом полном повороте первичного вала 17.
Другими словами, пары соседних поршней из шести поршней 7а, 7b, 7с; 9а, 9b, 9с могут перемещаться в течение их вращения с периодически переменной угловой скоростью в кольцевой камере 12 между первым положением, в котором две поверхности соседних поршней расположены по существу рядом друг с другом, и вторым положением, в которых те же поверхности расположены на максимально допустимом расстоянии друг от друга в угловом направлении. Исключительно в качестве примера, в первом положении две поверхности соседних поршней расположены на расстоянии друг от друга в угловом направлении приблизительно на 1°, в то время как во втором положении те же две поверхности расположены на расстоянии друг от друга в угловом направлении приблизительно на 81°.
Шесть камер 13', 13'', 13''', 14', 14'', 14''' с переменным объемом составлены из первой группы из трех камер 13', 13'', 13''' и второй группой из трех камер 14', 14'', 14'''. Когда три камеры 13', 13'', 13''' первой группы имеют минимальный объем (поршни рядом друг с другом на минимальном взаимном расстоянии), три другие камеры 14', 14'', 14''' (второй группы) имеют максимальный объем (поршни при максимальном взаимном расстоянии).
Подробное описание первого применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 1 и 4, тепловой двигатель 29 выполнен с возможностью работать с тепловым циклом Ренкина, который использует деионизированную, деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды, однако он может использовать любую другую текучую среду, подходящую для этой цели.
Это решение имеет следующие особенности:
- генератор 30 преобразует воду в насыщенный пар (при предварительно установленном давлении/температуре);
- пар, перемещаясь через передающие трубопроводы 33, 34', 34'', 34''' и проходя через три впускных отверстия 15', 15'', 15''', втекает в приводной агрегат 1 (объемный расширитель) и входит в соответствующие три расширительные камеры 13', 13'', 13''';
в расширительных камерах 13', 13'', 13''' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя полезную работу (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается (при низком давлении/температуре) через три выпускных отверстия 16', 16'', 16''' и соответствующие передающие трубопроводы 35', 35'', 35''', 35'''' и перемещается к конденсатору 31, где он конденсируется и превращается в воду (рекуперация тепла, которое является полезной для любой цели);
- конденсационная вода перемещается в передающем трубопроводе 32' и через насос 32 и после прохождения через трубопровод 32'' она закачивается (при высоком давлении) обратно в генератор 30, таким образом обеспечивая непрерывность цикла с замкнутым контуром,
В этой конфигурации имеется идеальный термодинамический и кинематической баланс всех подвижных частей, так что объемный расширитель также может работать на очень высокой скорости без вибраций или шума.
Подробное описание второго применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 1 и 5, тепловой двигатель 29 выполнен так, чтобы работать с тепловым циклом Ренкина-Хирна, который использует деионизованную деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды, но может также использовать любую другую текучую среду, подходящую для этой цели.
Это решение имеет следующие особенности:
- генератор 30 преобразует воду в насыщенный пар (при предварительно установленных давлении/температуре);
- пар течет через передающий трубопровод 33 в перегреватель 36 и при перемещении через него претерпевает перегревание (при постоянном давлении), а затем, через подходящие передающие трубопроводы 36', 34', 34'', 34''' и при прохождении через три впускных отверстия 15', 15'', 15''', он течет в приводной агрегат 1 (или объемный расширитель) и входит в три соответствующие расширительные камеры 13', 13'', 13''';
- в расширительных камерах 13', 13'', 13''' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя полезную работу (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается (при низком давлении/температуре) через три выпускных отверстия 16', 16'', 16''' и соответствующие передающие трубопроводы 35', 35'', 35''', 35'''' и перемещается к конденсатору 31, где он конденсируется и превращается в воду (с рекуперацией тепла, которое является полезным для любой цели);
- конденсационная вода течет через передающий трубопровод 32' и через насос 32 и, после прохождения через трубопровод 32'', она закачивается (при высоком давлении) обратно в генератор 30, обеспечивая, таким образом, непрерывность цикла с замкнутым контуром.
В этой конфигурации обеспечивается идеальный термодинамический и кинематической баланс всех подвижных частей, так что объемный расширитель также может работать при очень высокой скорости без вибраций или шума.
Подробное описание третьего применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 1 и 6, тепловой двигатель 29 выполнен так, чтобы работать с тепловым циклом Ренкина-Хирна, который использует деионизированную, деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды.
Это решение имеет следующие особенности:
- генератор 30 преобразует воду в насыщенный пар (при предварительно установленных давлении/ температуре);
- пар течет через передающий трубопровод 34' и проходит через впускное отверстие 15' в приводной агрегат 1 (или объемный расширитель) и входит в соответствующую первую расширительную камеру 13';
- в расширительной камере 13' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения в первой камере 13' отработанный пар выпускается (при среднем давлении/температуре) через выпускное отверстие 16' и соответствующий передающий трубопровод 35' и перемещается к перегревателю 36, в котором он перегревается (при постоянном давлении), а затем, через подходящие передающие трубопроводы 36', 34'', 34''' и соответствующие впускные отверстия 15'' и 15''', он входит в соответствующую вторую и третью расширительную камеру 13'' и 13''';
- в расширительных камерах 13'' и 13''' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя другую часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения, отработанный пар выпускается (при низком давлении/температуре) через два выпускных отверстия 16'', 16''' и соответствующие передающие трубопроводы 35'', 35''', 35'''' и передается к конденсатору 31, где он конденсируется и превращается в воду (рекуперация тепла, которое может использоваться для любой цели);
- конденсационная вода проходит через передающий трубопровод 32' и через насос 32 и, после прохождения через трубопровод 32'', она закачивается (при высоком давлении) обратно в генератор 30, обеспечивая, таким образом, непрерывность цикла с замкнутым контуром.
Подробное описание четвертого применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 1 и 7, тепловой двигатель 29 выполнен так, чтобы работать с тепловым циклом Ренкина-Хирна, который использует деионизированную, деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды.
Это решение имеет следующие особенности:
- генератор 30 преобразует воду в насыщенный пар (при предварительно установленном давлении/температуре);
- пар течет через передающие трубопроводы 33, 34', 34'' и проходит через впускные отверстия 15', 15'' в приводной агрегат 1 (или объемный расширитель) и входит в соответствующие первую и вторую расширительные камеры 13', 13'';
- в расширительных камерах 13' и 13'' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается через выпускные отверстия 16', 16'' и соответствующие передающие трубопроводы 35', 35'', 36' (при среднем давлении/температуре) и перемещается к перегревателю 36, в котором он перегревается (при постоянном давлении), а затем, через передающий трубопровод 34''' и соответствующее впускное отверстие 15''', перемещается в соответствующую третью расширительную камеру 13''';
- в расширительной камере 13''' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя другую часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается (при низком давлении/температуре) через выпускное отверстие 16''' и соответствующий передающий трубопровод 35''' и перемещается к конденсатору 31, где он конденсируется и превращается в воду (рекуперируя тепло, которое может использоваться для любых целей);
- конденсационная вода проходит через передающий трубопровод 32' и, через насос 32 и после прохождения через трубопровод 32'', она закачивается (при высоком давлении) обратно в генератор 30, обеспечивая, таким образом, непрерывность цикла с замкнутым контуром.
Подробное описание пятого применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 1 и 8, тепловой двигатель 29 выполнен так, чтобы работать с тепловым циклом Ренкина-Хирна с двойным перегревом, использующим деионизированную, деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды.
Это решение имеет следующие особенности:
- генератор 30 преобразует воду в насыщенный пар (при предварительно установленном давлении/температуре);
- пар течет через передающий трубопровод 34', проходит через впускное отверстие 15' в приводной агрегат 1 (или объемный расширитель) и входит в соответствующую первую расширительную камеру 13';
- в расширительной камере 13' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- конце расширения отработанный пар выпускается (при среднем давлении/температуре) через выпускное отверстие 16' и соответствующий передающий трубопровод 35' и перемещается к перегревателю 36, в котором он перегревается (при постоянном давлении), а затем через передающий трубопровод 34'' и соответствующее впускное отверстие 15'', перемещается в соответствующую вторую расширительную камеру 13'';
- в расширительной камере 13'' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя другую часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается (при среднем давлении/температуре) через выпускное отверстие 16'' и соответствующий передающий трубопровод 35'' и перемещается к перегревателю 37, в котором он перегревается (при постоянном давлении), и затем, через передающий трубопровод 34''' и соответствующее впускное отверстие 15''', перемещается в соответствующую третью расширительную камеру 13''';
- в расширительной камере 13''' пар может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя другую часть полезной работы (которая, в данном конкретном случае, используется генератором G для производства электроэнергии);
- в конце расширения отработанный пар выпускается (при низком давлении/температуре) через выпускное отверстие 16''' и соответствующий передающий трубопровод 35''' и подается к конденсатору 31, где он конденсируется и превращается в воду (рекуперация тепла, которая может использоваться для любых целей);
- конденсационная вода перемещается через передающий трубопровод 32', причем, через насос 32 и после прохождения через трубопровод 32'', она закачивается (при высоком давлении) обратно в генератор 30, обеспечивая, таким образом, непрерывность цикла с замкнутым контуром.
На фиг. 13 показана еще одна возможная конфигурация теплового двигателя в соответствии с настоящим изобретением. Эта конфигурация аналогична конфигурации, показанной на схематических видах на фиг. 4-8, разница заключается в том, что элементы, составляющие тепловой двигатель, изменены таким образом, чтобы обеспечить возможность производства насыщенного пара и перегревания пара, контролируемых посредством одного устройства.
Как показано в качестве примера на схематическом виде на фиг. 13, тепловой двигатель 29 может иметь нагревательное устройство 300 (или горелку), содержащее:
- вышеупомянутый парогенератор 30, расположенный выше по потоку от приводного агрегата и выполненный с возможностью преобразования воды в насыщенный пар, подаваемый на приводной агрегат для вращения роторов;
- первый перегреватель 71 (соответствующий перегревателю 36 на фиг. 5), расположенный между парогенератором и впускным отверстием 15' приводного агрегата, через который перегретый пар течет в первую расширительную камеру приводного агрегата;
- второй перегреватель 72 (соответствующий перегревателю 36 на фиг. 8), расположенный между выпускным отверстием 16' приводного агрегата, из которого пар выводится в конце расширения в первой камере, и впускным отверстием 15'' приводного агрегата; причем второй перегреватель выполнен с возможностью получать отработанный пар (при среднем давлении/температуре), выпущенный первой расширительный камерой и перегретый (при постоянном давлении), таким образом, что перегретый пар течет через впускное отверстие 15'' во вторую расширительную камеру приводного агрегата;
- третий перегреватель 73 (соответствующий перегревателю 37 на фиг. 8), расположенный между выпускным отверстием 16'' приводного агрегата, из которого выводится пар в конце расширения во второй камере, и впускным отверстием 15''' приводного агрегата; второй перегреватель выполнен с возможностью получать отработанный пар (при среднем давлении/температуре), выпущенный второй расширительной камерой и перегретый (при постоянном давлении), таким образом, что перегретый пар течет через впускное отверстие 15''' в расширительную камеру третьего приводного агрегата.
Нагревательное устройство 300 (или горелка) выполнено с возможностью управлять как производством пара, так и различными этапами перегрева, имеющимися в тепловом двигателе. Для этой цели нагревательное устройство имеет вертикальную конструкцию, в которой расположены, снизу вверх, парогенератор 30, первый перегреватель 71, второй перегреватель 72 и третий перегреватель 73.
Нагревательное устройство 300 содержит подходящие передающие трубопроводы, соединяющие впускные и выпускные отверстия приводного агрегата с перегревателями, находящимися в нагревательном устройстве.
Тепловой двигатель на фиг. 13 выполнен с возможностью работать с тепловым циклом Ренкина-Хирна с тройным перегревом, который использует деионизованную деминерализованную и дегазированную воду в качестве тепловой текучей среды.
На фиг. 14 показана еще одна возможная конфигурация теплового двигателя в соответствии с настоящим изобретением. Эта конфигурация аналогична показанной на схематическом виде на фиг. 13, с добавлением устройства 75 снижения температуры дымовых газов и регенератора 80.
В этом варианте осуществления тепловой двигатель содержит регенератор 80, расположенный между выпускным отверстием 16''' приводного агрегата, из которого выпускается отработанный пар (при низком давлении/температуре) в конце расширения в третьей камере, и конденсатор 31, где пар конденсируется и превращается в воду, рекуперируя, таким образом, тепло.
Регенератор 80 выполнен с возможностью получать пар, выпускаемый из приводного агрегата в конце расширения в третьей камере, и обмениваться остаточным теплом от пара с потоком воды на ниже по потоку от конденсатора 31, закачиваемой (при высокой давлении) насосом 32 обратно к генератору 30, обеспечивая, таким образом, непрерывность цикла с замкнутым контуром.
В соответствии с вариантом осуществления на фиг. 14 нагревательное устройство 300 (или горелка) содержит, функционально ниже по потоку от перегревателей 71, 72 и 73, устройство 75 снижения температуры дымовых газов: это устройство снижения выполнено с возможностью отводить тепло от дымовых газов, образованных нагревательным аппаратом, обеспечивая, таким образом, его рекуперацию. Устройство 75 снижения расположено между выпускным отверстием 16''' приводного агрегата, из которого выпускается отработанный пар (при низком давлении/температуре) в конце расширения в третьей камере, и регенератором 80, в котором пар обменивается своим остаточным теплом с потоком конденсационной воды, направленным обратно к генератору 30, где цикл начинается снова. По существу устройство 75 снижения температуры дымовых газов принимает в качестве впуска выход отработанного пара посредством приводного агрегата, обменивается теплом с дымовыми газами горелки, повышая, таким образом, температуру пара, и выводит нагретый пар, направленный к регенератору 80. Таким образом, выход пара посредством приводного агрегата поступает в регенератор 80 с более высокой температурой благодаря обмену тепла, происходящему в устройстве 75 снижения, где пар рекуперирует тепло благодаря дымовым газам.
Подробное описание шестого применения приводного агрегата 1.
Как показано на фиг. 10, для описания функций нового "пульсирующего теплового цикла" в соответствии с идеей настоящего изобретения необходимо начать, отметив, что в приводном агрегате 1, в каждой из шести камер 13', 13'', 13''', 14', 14'', 14''' с периодически переменным объемом (каждая из которых ограниченных двумя поршнями, расположенными рядом друг с другом и вращающимися внутри кольцевого цилиндра), периодически выполняются разнообразные функции впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Для простоты в нижеследующем описании путь, проходимый тепловой текучей средой в различных секциях 51 теплового двигателя, объясняется, как если бы был задействован один полный тепловой цикл. На самом деле для каждого угла поворота приводного вала, составляющего 60° (при полном угле поворота 360°), выполняются не менее шести полных тепловых циклов.
Каждый тепловой цикл в полной форме (кроме запуска) осуществляется непрерывно на следующих фазах термодинамического изменения текучей среды: впуск охлажденной текучей среды, сжатие впущенной текучей среды, накопление сжатой текучей среды, предварительный нагрев сжатой текучей среды, перегревание сжатой предварительно нагретой текучей среды, расширение перегретой текучей среды (и соответствующее производство полезной работы), выпуск отработанной текучей среды, рекуперация тепловой энергии из отработанной текучей среды и охлаждение отработанной текучей среды (с возможной рекуперацией тепла для различных применений), как описано ниже.
Как показано на фиг. 2b, 10, при применении приводного агрегата 1 (с шестью поршнями), которое иллюстрировано исключительно в качестве неограничивающего примера, тепловой двигатель 51 в соответствии с идеей настоящего изобретения выполнен с возможностью работать с новым "пульсирующим тепловым циклом" с использованием любой тепловой текучей среды, подходящей для этой цели (например, воздух, азот, гелий, водород и т.д.).
Тепловой двигатель 51 запускается следующим образом:
- горелка 40 активируется и, через нагреватель 41, нагревает тепловую текучую среду, содержащуюся в змеевике 41а, до заданной минимальной температуры;
- когда тепловая текучая среда, содержащаяся в змеевике 41а, достигла заданной минимальной температуры, первичный вал 17 и вся система трансмиссии, перемещающая шесть поршней 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с, начинает вращаться посредством специального "стартера" (не показан на чертеже, но который также может быть тем же электрическим генератором, соединенным с первичным валом 17 приводного агрегата 1), создавая, таким образом, предварительное условие для инициации цикла;
- в этот момент горелка 40 активируется и через нагреватель 41 нагревает тепловую текучую среду, содержащуюся в змеевике 41а, до заданной максимальной температуры, создавая, таким образом, условия для запуска и нормальной непрерывной работы теплового двигателя 51.
Как показано на фиг. 10, в положении, в котором расположены поршни, можно определить следующие основные этапы:
- Фаза впуска охлажденной тепловой текучей среды.
При выходе из охладителя 43 тепловая текучая среда перемещается через трубопровод 43' и после прохождения через впускное отверстие 15''' засасывается в камеру 13''' в результате перемещения друг от друга двух поршней 9с-7с.
- Фаза сжатия впущенной тепловой текучей среды.
Когда два поршня 7с-9а перемещаются ближе, тепловая текучая среда (впущенная в течение предыдущего цикла) сжимается и ее температура увеличивается.
- Фаза накопления сжатой тепловой текучей среды.
Сжатая текучая среда, после прохождения через выпускное отверстие 16''', трубопровод 44' и обратный клапан 44а, перемещается в компенсационный резервуар 44, где она остается доступной для немедленного использования на последующих фазах.
- Фаза предварительного нагрева сжатой тепловой текучей среды.
Когда, в результате входа нагретой тепловой текучей среды в камеры 13-13'', давление тепловой текучей среды, циркулирующей в змеевике 41а, опускается ниже давления компенсационного резервуара 44, текучая среда после прохождения обратного клапана 44b течет через трубопровод 44'' и, при прохождении через весь змеевик 42а в секции 42-42'', получает тепловую энергию из регенератора 42 до достижения нагревательного змеевика 41а.
Тепловой двигатель 51 может включать в себя, в дополнение или в качестве альтернативы к обратному клапану 44b, обратный клапан 44с, расположенный между выпускным отверстием 42'' змеевика 42а и впускным отверстием нагревательного змеевика 41а.
- Фаза перегрева сжатой подогретой тепловой текучей среды.
Горелка 40 (в которую подается топливо любого типа) подает тепловую энергию к нагревателю 41 (который, вместо горелки 40, также может использовать и другие источники тепла: солнечную энергию, остаточную энергию от промышленных процессов и т.д.), так что при прохождении через весь змеевик 41а сжатая предварительно подогретая тепловая текучая среда подвергается быстрому увеличению температуры и давления.
- Фаза расширения перегретой тепловой текучей среды.
Когда поршни 7а-7b, вращающиеся в кольцевом цилиндре в направлении движения, указанном стрелками, открывают впускные отверстия 15'-15'' (выполняя, таким образом, также функцию клапана), перегретая тепловая текучая среда, после прохождения через трубопроводы 41'-41''-41'', входит в расширительные камеры 13' и 13'', в которых она может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя полезную работу (которая может быть использована для производства электроэнергии или для любых других целей).
- Фаза выпуска отработанной тепловой текучей среды.
Когда поршни 7а-9b и 7b-9с перемещаются ближе, камеры 14' и 14'' уменьшаются в объеме и отработанная тепловая текучая среда (уже расширенная в предыдущем цикле), после прохождения через два выпускных отверстия 16'-46'' и через трубопроводы 45'-45''-46, выпускается из приводного агрегата 1 к регенератору 42.
- Фаза рекуперации тепловой энергии из отработанной тепловой текучей среды.
Отработанная тепловая текучая среда, выпущенная из приводного агрегата 1, проходя через регенератор 42, передает ему часть тепловой энергии, которой она все еще обладает, и, таким образом, подвергается первое охлаждение.
- Фаза охлаждения отработанной текучей среды.
Тепловая текучая среда, выходя из регенератора 42, перемещается через трубопровод 46' и, при прохождении через охладитель 43, передает ему другую часть тепловой энергии (которая также может быть рекуперирована и использована для любой полезной цели), а затем подвергается второму охлаждению, оказываясь, таким образом, в конце в идеальных условиях для непрерывности цикла.
Подробное описание применения нового "пульсирующего теплового цикла" с уже известным приводным агрегатом 1 (с четырьмя поршнями).
Как показано на фиг. 11, для описания функций нового "пульсирующего теплового цикла" в соответствии с идеей настоящего изобретения необходимо начать, отметив, что в приводном агрегате 1, в каждой из четырех камер 13', 13'', 14', 14'' с периодически переменным объемом (каждая из которых ограничена двумя поршнями, расположенными рядом друг с другом и вращающимися внутри кольцевого цилиндра), периодически выполняются разнообразные функции впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Для простоты в нижеследующем описании путь, проходимый тепловой текучей средой в различных секциях 51 теплового двигателя, объясняется, как если бы был задействован один полный тепловой цикл. На самом деле для каждого угла поворота на 90° приводного вала (с общим углом поворота, составляющим 360°) выполняются четыре полных тепловых цикла.
Каждый тепловой цикл, в его полной форме (кроме запуска), осуществляется непрерывно на следующих фазах термодинамического изменения текучей среды: впуск охлажденной текучей среды, сжатие впущенной текучей среды, накопление сжатой текучей среды, предварительный нагрев сжатой текучей среды, перегревание сжатой предварительно нагретой текучей среды, расширение перегретой текучей среды (и соответствующее производство полезной работы), выпуск отработанной текучей среды, рекуперация тепловой энергии из отработанной текучей среды и охлаждение отработанной текучей среды (с возможной рекуперацией тепла для различных использований), как описано ниже.
Как показано на фиг. 2b, 11, при применении приводного агрегата 1 (с четырьмя поршнями), иллюстрированного исключительно в качестве неограничивающего примера, тепловой двигатель 51 в соответствии с идеей настоящего изобретения выполнен с возможностью работать с новым "пульсирующим тепловым циклом" с использованием любой тепловой текучей среды, подходящей для этой цели (например, воздух, азот, гелий, водород и т.д.).
Тепловой двигатель 51 запускается следующим образом:
- горелка 40 активируется и через нагреватель 41 нагревает тепловую текучую среду, содержащуюся в змеевике 41а, до заданной минимальной температуры;
- когда тепловая текучая среда, содержащаяся в змеевике 41а, достигла заданной минимальной температуры, первичный вал 17 и вся система трансмиссии, перемещающая шесть поршней 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с, начинает вращаться посредством специального "стартера" (не показан на чертеже, но который может также быть тем же электрическим генератором, соединенным с первичным валом 17 приводного агрегата 1), создавая, таким образом, предварительное условие для инициации цикла;
- в этот момент горелка 40 активируется и через нагреватель 41 нагревает тепловую текучую среду, содержащуюся в змеевике 41а, до заданной максимальной температуры, создавая, таким образом, условия для запуска и нормальной непрерывной работы теплового двигателя 51.
Как показано на фиг. 11, в положении, в котором расположены поршни, можно определить следующие основные этапы.
- Фаза впуска охлажденной тепловой текучей среды.
При выходе из охладителя 43 тепловая текучая среда проходит через трубопровод 43' и после прохождения через впускное отверстие 15''' засасывается в камеру 13''' в результате перемещения друг от друга двух поршней 9b-7b.
- Фаза сжатия впущенной тепловой текучей среды.
Когда два поршня 7с-9а перемещаются ближе, тепловая текучая среда (впущенная в течение предыдущего цикла) сжимается и ее температура увеличивается.
- Фаза накопления сжатой тепловой текучей среды.
Сжатая текучая среда, после прохождения через выпускное отверстие 16''', трубопровод 44' и обратный клапан 44а, перемещается в компенсационный резервуар 44, где она остается доступной для немедленного использования на последующих этапах.
- Фаза предварительного нагрева сжатой тепловой текучей среды.
Когда, в результате впуска нагретой тепловой текучей среды в камеру 13', давление тепловой текучей среды, циркулирующей в змеевике 41а, падает ниже давления компенсационного резервуара 44, текучая среда, после прохождения через обратный клапан 44b, течет через трубопровод 44'' и, при перемещении через весь змеевик 42а в секции 42-42'', получает тепловую энергию из регенератора 42 до достижения нагревательного змеевика 41а.
Тепловой двигатель 51 может включать в себя, в дополнение или в качестве альтернативы к обратному клапану 44b, обратный клапан 44с, расположенный между выпускным отверстием 42'' змеевика 42а и впускным отверстием нагревательного змеевика 41а.
- Фаза перегрева сжатой подогретой тепловой текучей среды.
Горелка 40 (в которую подается топливо любого типа) снабжает тепловой энергией нагреватель 41 (который, вместо горелки 40, также может использовать и другие источники тепла: солнечную энергию, остаточную энергию от промышленных процессов и т.д.), так что при прохождении через весь змеевик 41а сжатая предварительно подогретая тепловая текучая среда подвергается быстрому увеличению температуры и давления.
- Фаза расширения перегретой тепловой текучей среды.
Когда поршень 7а, вращающийся в кольцевом цилиндре в направлении движения, указанном стрелками, открывает впускное отверстие 15' (выполняя, таким образом, также функцию клапана), перегретая тепловая текучая среда, после прохождения через трубопроводы 41', входит в расширительную камеру 13', в которой она может расширяться, обеспечивая в результате вращение поршней и производя полезную работу (которая может быть использована для производства электроэнергии или для любых других целей).
- Фаза выпуска отработанной тепловой текучей среды.
Когда поршни 7а-9b перемещаются ближе, камера 14' уменьшается в объеме и отработанная тепловая текучая среда (уже претерпевшая расширение в предыдущем цикле), после прохождения через выпускное отверстие 16' и через трубопровод 46, выпускается из приводного агрегата 1 к регенератору 42.
- Фаза рекуперации тепловой энергии из отработанной тепловой текучей среды.
Отработанная тепловая текучая среда, выпущенная из приводного агрегата 1, при прохождении через регенератор 42 передает ему часть тепловой энергии, которую она все еще имеет, и, таким образом, претерпевает первое охлаждение.
- Фаза охлаждения отработанной текучей среды.
Тепловая текучая среда, выходя из регенератора 42, перемещается через трубопровод 46' и, при прохождении через охладитель 43, передает ему другую часть тепловой энергии (которая также может быть восстановлена и использована для любой полезной цели), а затем подвергается второму охлаждению, оказываясь, таким образом, в конце в идеальных условиях для непрерывности цикла.
Подробное описание нового пневматического двигателя (с шестью поршнями).
Как показано на фиг. 2b и 12, пневматический двигатель 61, в соответствии с идеей настоящего изобретения, выполнен с возможностью использовать приводной агрегат 1, который использует сжатый воздух в качестве рабочей текучей среды.
- Запуск
Когда необходимо запустить двигатель, первичный вал 17 приводного агрегата 1 и вся система трансмиссии, перемещающая шесть поршней 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с, начинают вращаться посредством специального "стартера" (не показан на чертеже), при этом одновременно открывается клапан 46а (ручной или моторизованный). После вращения поршней 7а, 7b, 7с, 9а, 9b, 9с устанавливаются условия нормальной работы.
Цикл двигателя по существу происходит, в непрерывном режиме, со следующими основными фазами:
- Фаза впуска-расширения сжатого воздуха в первой секции.
Сжатый воздух с очень высоким давлением, содержащийся в резервуаре 46, после прохождения через трубопроводы 46', 46'' (с открытым клапаном 46а) и через впускное отверстие 15', входит в первую расширительную камеру 13' приводного агрегата 1, в которой, при перемещении поршней 9а-7а, он может расширяться для производства части полезной работы.
- Фаза выпуска сжатого воздуха из первой секции.
Сжатый воздух, который уже передал часть давления в предыдущем цикле и который также вытесняется посредством приближения двух поршней 7а-9b и уменьшения объема камеры 14', проходит через выпускное отверстие 16', выходит из приводного агрегата 1 и через трубопровод 47' достигает первого нагревателя 47.
- Фаза первого нагрева сжатого воздуха.
Продолжая перемещаться по своему пути, сжатый воздух, поступающий из первой секции, проходит через первый нагреватель 47, в котором он подвергается повышению температуры, а затем, проходя через трубопровод 47'' и через впускное отверстие 15'', он повторно вводится во вторую расширительную камеру 13'' приводного агрегата 1, где, при перемещении поршней 9b-7b, он может расширяться для производства другой части полезной работы.
- Фаза выпуска сжатого воздуха из второй секции.
Сжатый воздух, который уже передал часть давления в предыдущем цикле, также вытесняется посредством приближения двух поршней 7b-9с и уменьшения объема камеры 14'', проходит через выпускное отверстие 16'', выходит из приводного агрегата 1 и через трубопровод 48' достигает второго нагревателя 48.
- Фаза второго нагрева сжатого воздуха.
Продолжая перемещаться по своему пути, сжатый воздух, поступающий из второй секции, проходит через второй нагреватель 48 и затем, проходя через трубопровод 48'' и через впускное отверстие 15''', он повторно вводится в третью расширительную камеру 13''' приводного агрегата 1, где, при перемещении поршней 9с-7с, он может расширяться для производства другой части полезной работы.
- Альтернативный вариант 1. Фаза выпуска сжатого воздуха из третьей секции без непрерывности цикла.
Сжатый воздух, который уже передал часть давления в предыдущем цикле, также вытесняется посредством приближения двух поршней 7с-9а и уменьшения объема камеры 14''', проходит через выпускное отверстие 16''' и выходит из приводного агрегата 1, где оканчивается трубопровод 49', при этом отработанный сжатый воздух выпускается в окружающую атмосферу.
- Альтернативный вариант 2. Фаза выпуска сжатого воздуха из третьей секции с сохранением непрерывности цикла с другими приводными агрегатами, работающими в "каскадном" режиме.
Сжатый воздух, который уже передал часть давления в предыдущем цикле, также вытесняется посредством приближения двух поршней 7с-9а и уменьшения объема камеры 14''', проходит через выпускное отверстие 16''', выходит из приводного агрегата 1 и через трубопровод 49' достигает третьего нагревателя 49.
- Фаза третьего нагрева сжатого воздуха.
Если предусмотрено применение второго приводного агрегата 1, работающего в "каскадном" режиме, то сжатый воздух, поступающий из третьей секции, продолжая перемещаться по своему пути, проходит через третий нагреватель 49, а затем, при прохождении через трубопровод 49'', может быть повторно введен в первую расширительную камеру второго приводного агрегата 1 (работающего с первым в каскадном режиме) с обеспечением продолжения циклов расширения-нагревания в течение дополнительных трех стадий и при необходимости также повторения с другими дополнительными приводными агрегатами 1.