Двигатель Стирлинга с использованием фазового перехода жидкость-газ рабочего тела

Полезная модель относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего газа, который нагревается и охлаждается в одной или нескольких постоянно сообщающихся камерах, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга.
Из существующего уровня техники известен двигатель Стирлинга альфа типа, включающий полость возврата, ограниченную стенками холодного цилиндра и вытеснительного поршня, полость расширения, ограниченную стенками горячего цилиндра и рабочего поршня, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в газовой магистрали, соединяющей полость возврата и полость расширения, шатуны, соединяющие рабочий и вытеснительный поршень с коленчатым валом, расположенным в картере (см. книга Г. Уокер «Двигатели Стирлинга», М. Машиностроение, 1985, стр. 32).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является двигатель внешнего нагрева с V-образным расположением поршней, включающий полость возврата, ограниченную стенками холодного цилиндра и вытесняющего поршня, полость расширения, ограниченную стенками горячего цилиндра и рабочего поршня, охладитель, промежуточный теплообменник и нагреватель, установленные последовательно в магистрали рабочего тела, соединяющей полость возврата и полость расширения, шатуны, соединяющие рабочий и вытесняющий поршни с коленчатым валом, расположенным в картере, дополнительные магистрали рабочего тела, соединяющие полость возврата и промежуточный теплообменник в обход охладителя и полость расширения и промежуточный теплообменник в обход нагревателя, а также необходимые для организации направления циркуляции рабочего тела двигателя обратные клапаны, установленные в магистралях рабочего тела непосредственно перед полостями возврата и расширения [Патент РФ 146383, МПК F02G 1/043, F02G 1/053, F01B 1/04, опубл. 10.10.2014. Медяков А.А„ Онучин Е.М., Анисимов П.Н. «Двигатель внешнего нагрева с v-образным расположением поршней»].
Недостатком данного технического решения, характерным для двигателей Стирлинга с однофазным рабочим телом, является относительно низкая удельная мощность двигателя на единицу объема рабочего тела при давлении рабочего тела, близком к атмосферному.
Технический результат полезной модели - повышение удельной мощности двигателя на единицу объема рабочего тела при давлении рабочего тела, близком к атмосферному.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленный двигатель Стирлинга с использованием фазового перехода жидкость-газ рабочего тела, включающий полость возврата, ограниченную стенками холодного цилиндра и вытесняющего поршня, полость расширения, ограниченную стенками горячего цилиндра и рабочего поршня, охладитель, промежуточный теплообменник и нагреватель, установленные в магистралях рабочего тела, соединяющих полость возврата и полость расширения, шатуны, соединяющие рабочий и вытесняющий поршень с коленчатым валом, расположенным в картере, магистрали рабочего тела, соединяющие полость возврата и промежуточный теплообменник в обход охладителя и полость расширения и промежуточный теплообменник в обход нагревателя, а также необходимые для организации направления циркуляции рабочего тела двигателя обратные клапаны, установленные в магистралях рабочего тела непосредственно перед полостями возврата и расширения; содержит рабочее тело, изменяющее свое агрегатное состояние в процессе осуществления рабочего цикла двигателя, причем конденсация рабочего тела происходит в охладителе, а испарение - в нагревателе, объем полости возврата меньше объема полости расширения, рекуператор в качестве промежуточного теплообменника вместо регенератора, в рекуператоре происходит теплообмен между жидкостью и газом.
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором изображена схема двигателя Стирлинга с использованием фазового перехода жидкость-газ рабочего тела.
Двигатель Стирлинга с использованием фазового перехода жидкость-газ рабочего тела состоит из полости расширения 1, которая ограничена стенками горячего цилиндра 2 и рабочим поршнем 3, полости возврата 4, которая ограничена стенками холодного цилиндра 5 и вытесняющим поршнем 6, замкнутой магистрали рабочего тела газ-жидкость 7, которая последовательно соединяет полость расширения 1, рекуператор 8, холодильник 9 и полость возврата 4, магистрали рабочего тела жидкость-газ 10, которая последовательно соединяет полость возврата 4, рекуператор 8, нагреватель 11 и полость расширения 1, шатунов 12, соединяющих рабочий поршень 3 и вытесняющий поршень 6 с коленчатым валом 13, расположенным в картере 14, а также из обратных клапанов 15, установленных в магистралях рабочего тела 7 и 10 непосредственно перед цилиндрами 2 и 5.
Двигатель Стирлинга с использованием фазового перехода жидкость-газ рабочего тела работает следующим образом: внутреннее пространство магистралей рабочего тела, герметично соединяющих составные части двигателя, частично заполняется рабочим телом в жидком состоянии. Теплота сгорания топлива передается рабочему телу в нагревателе 11, при этом рабочее тело частично или полностью испаряется, температура и давление рабочего тела повышаются. Испарившееся рабочее тело совершает работу, расширяясь в полости расширения 1, и перемещает рабочий поршень 3 вниз. Таким образом, полость расширения увеличивается до максимального объема и заполняется горячим рабочим телом в газообразном состоянии. Далее рабочий поршень двигается вверх и вытесняет рабочее тело из расширительной полости по магистрали рабочего тела 7 в рекуператор 8. Рабочее тело вытесняется в рекуператор 8 в обход нагревателя 11 благодаря обратным клапанам 15, установленным в газовых магистралях 7 и 10. Проходя рекуператор 8, горячее рабочее тело (газ) охлаждается и далее поступает в холодильник 9. В холодильнике 9 температура рабочего тела понижается ниже температуры конденсации с помощью охлаждающей среды и рабочее тело конденсируется. При движении вытесняющего поршня 6 вниз полость возврата увеличивается в объеме и охлажденное рабочее тело (жидкость) заполняет полость возврата. Затем при движении вытесняющего поршня 6 вверх рабочее тело направляется по газовой магистрали 10 в обход холодильника в рекуператор 8, где забирает часть теплоты от газообразного рабочего тела и затем подается в нагреватель 11, и далее цикл повторяется. Таким образом, при использовании рабочего тела, изменяющего свое агрегатное состояние в процессе осуществления рабочего цикла двигателя, когда рабочее тело испаряется при нагреве в нагревателе 11 и конденсируется при охлаждении в холодильнике 9, возможно повышение удельной мощности двигателя на единицу объема рабочего тела при давлении рабочего тела, близком к атмосферному, по сравнению с аналогичными двигателями, использующими газообразное рабочее тело.