СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА С ПОДВОДОМ ТЕПЛА ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ
CLOSED LOOP COMBINED AIR MOTOR SYSTEM WITH NATURAL HEAT SUPPLY

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 стационарного размещения.
В сегодняшнее время набирают обороты идеи, связанные с развитием альтернативных источников энергии, использование энергии солнца, ветра, земли и пр. для сохранения природных богатств и задействия восполняемых природных ресурсов.
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 и не задействует восполняемые природные ресурсы.
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 с использованием восполняемых природных источников энергии.
Данный результат достигается тем, что система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель, включающий цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллектора 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 проходит через основной теплообменник, подогреваемый третьим контуром природного источника тепла и, далее, 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 первый и второй контуры трубопровода, для одновременного подогрева рабочей среды первого контура и охлаждения рабочей среды второго контура.
Природный источник тепла имеет рабочую температуру от -10°С до +110°С и выше.
Природный источник тепла представляет собой источник геотермальных вод.
Природный источник тепла представляет собой источник солнечной энергии.
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 фигуре, где изображена предпочтительная система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников, 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 - основной теплообменник;
9 - второй контур трубопровода;
10 - третий контур природного источника тепла;
11 - источник природного нагрева;
12 - промежуточный теплообменник;
13 - уплотнительный узел;
14 - генератор и/или гидромотор;
15 - герметичный корпус
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с геотермальным источником тепла включает комбинированный с компрессором пневмодвигатель 1, размещенный в герметичном корпусе 15, включающий цилиндропоршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного 2 и выпускного 3 коллектора с клапанным механизмом, система имеет полностью замкнутый контур с двумя основными контурами трубопроводов и дополнительным третьим контуром 10 природного источника тепла. 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 газы с высокой тепловой емкостью. Наиболее эффективная работа системы осуществляется при использовании в качестве рабочей среды - фреона. Фреон обеспечивает его быстрый нагрев и охлаждение, большое изменение давления при нагреве, широкий диапазон рабочих температур, в зависимости от модификации, что положительно сказывается при его использовании в системе и ее эффективности.
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с геотермальным источником тепла включает два рабочих замкнутых контура 7, 9 трубопроводов. Система абсолютно герметична и потери в ней рабочей среды исключены.
По первому контуру 7 трубопровода рабочая среда из узла выпуска 5 проходит через основной теплообменник 8. Первый контур 7 трубопровода, после основного теплообменника 8 связан трубопроводом с впускным коллектором 2 пневмодвигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды.
Теплообменники 6, 8, 12 - это техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры. Как правило, теплообменник выполняется в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, обеспечивающими нагрев/охлаждение рабочей среды. Конструкция теплообменников может быть и иной, например, спиральный контур, теплообменник типа «труба в трубе» и прочие виды.
Основной теплообменник 8 подогревается третьим контуром 10 от природного источника тепла 11.
В качестве природного источника тепла 11 используется энергия подземных природных объектов: грунты и воды, энергия солнца, энергия воды и пр. Это может быть, например, горячий источник геотермальных вод, или водяная скважина, которая также имеет плюсовую температуру воды, или горизонтальный земляной контур, забирающий тепло с земли и пр. Природный источник тепла имеет рабочую температуру от -10°С до +110°С и выше. По третьему контуру 10 природного источника тепла циркулирует раствор, забирающий тепло среды (воды или грунтов или солнца и пр.) и передающий его в основной теплообменник 8.
Из узла выпуска 5 воздушного компрессора осуществляется нагнетание рабочей среды непосредственно в основной теплообменник 8, где осуществляется нагрев рабочей среды до заданной температуры. Таким образом, по данному контуру 7 трубопровода осуществляется нагрев рабочей среды в основном теплообменнике 8 и подача разогретой до заданной температуры рабочей среды во впускной коллектор 2 пневмодвигателя 1, для осуществления его работы.
Поступающая во впускной коллектор 2 разогретая до рабочей температуры рабочая среда способствует осуществлению работы пневмодвигателя 1. Попадающая во впускной коллектор 2 разогретая до рабочей температуры рабочая среда приводит к работе ЦПГ и осуществлению передачи вращения выходному валу, например на генератор и/или гидромотор 14. При этом, генератор и/или гидромотор 14 могут размещаться в одном герметичном корпусе 15 или же отдельно, снаружи системы.
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 могут дополнительно в контуре применяться более эффективные методы охлаждения, например гликолевый блок охлаждения.
Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура дополнительно может включать промежуточный теплообменник 12, 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 15 содержит уплотнительный узел 13 для исключения утечек рабочей среды. Уплотнительный узел 13 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 подводом природного источника тепла, обеспечивает повышение эффективности работы пневмодвигателя, повышение его КПД и крутящего момента с использованием восполняемых природных источников энергии.