ДВИГАТЕЛЬ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ
ENGINE WITH HEAT FEED

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним подводом теплоты.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип, «Двигатель с внешним подводом теплоты» (RU 2343300 С2, F02G 1/04, 2009). Это устройство, содержащее цилиндр с поршнем, нагреватель, холодильник и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя с вращающимся цилиндрическим золотником, имеющим выемку на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом, имеет недостатки, выражающиеся в низкой удельной мощности, обусловленной недостаточной теплообменной площадью внутренних поверхностей нагревателя и холодильника и значительными утечками теплоты в местах контактов нагревателя и холодильника, а также пространственной габаритностью, обусловленной размещением распределителя в головке цилиндра.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является повышение площадей теплообмена и их взаимное термическое разграничение в двигателе с подводом теплоты.
Решение задачи обеспечивается тем, что в двигателе с подводом теплоты, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
Увеличение количества золотников, размещение распределителя с золотниками не в головке, а между рубашками цилиндра (нагревателем и холодильником) и наличие на боковой поверхности каждого цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом и газоходным каналом-соплом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует со средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно увеличивает площади теплообмена и удельную мощность, уменьшает габаритные характеристики двигателя с подводом теплоты.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид двигателя с подводом теплоты в продольном сечении ВОС; на Фиг. 2 - части поперечных разрезов Е-Е, D-D и вида А на Фиг. 1.
Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, цилиндрические золотники 6, каждый из которых имееет вытеснительную полость 7 с кольцевым каналом 8, газоходные каналы-сопла 9 и привод золотников 10.
Двигатель с подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 5. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 9 и кольцевому каналу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 1. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение по кольцевому каналу 8 и газоходному каналу-соплу 9 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего тела в рабочей камере 4 с совершением работы. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 и от поверхности нагревателя 1 изнутри рабочей камеры.
Синхронное перемещение вытеснительных полостей 7 вращающихся цилиндрических золотников 6 при возвратно-поступательном движении поршня 3 в рабочей камере 4 обеспечивает привод 10, связанный с коленчатым валом 11.
В двигателе с подводом теплоты внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений, согласно изобретению разделены щелью 12 или теплоизолятором 13, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом наличие щелей способствует еще и взаимному ускоренному выравниванию давлений рабочего газа в вытеснительных полостях 7 цилиндрических золотников 6.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9, соединяющие вытеснительные полости 7 с рабочей камерой, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает паразитный мертвый объем рабочей камеры 4, увеличивая удельную мощность.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9 согласно изобретению имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную, через головку 2, с рабочей камерой 4 камеру 14 сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 15 топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 14 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 16, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников 6 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 15 к нагревателю 1 и уменьшения теплоперетока в зонах сопряжения внутренней рубашки цилиндра - нагревателя 1 и внешней рубашки цилиндра - холодильника 5).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 17 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 18 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 через головку 2 соединена с тепловой трубой 19 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца, высокотемпературной теплоты ядерных реакторов, теплоты радиоизотопных ТВЭЛов).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 20 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулятором - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом 21, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также теплопитания двигателя расплавом.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 22 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению цилиндрические золотники 6 на противоположных по своим осям концах выемок, формирующих вытеснительные полости 7, имеют проточки 23 (для более активного движения рабочего газа через поперечное сечение вытеснительной полости и для выравнивания температур на концах цилиндрических золотников 6 в зонах сопряжения: горячая внутренняя рубашка-золотник-холодная внешняя рубашка цилиндра).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых, в том числе, для приготовления горючей топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания, или специально разработанных рабочих газов (рабочих тел).
Для уменьшения утечек рабочего газа используются компрессионные кольца 24 как для уплотнения сопряжений рабочего поршня, так и для уплотнения сопряжений концевых участков цилиндрических золотников со стенками цилиндров их полостей.
Для уменьшения тепловых потерь при движении рабочего газа по кольцевым каналам 8 применяется теплоизоляционное покрытие 25 стенок каналов.
Для управления мощностью двигателя с подводом теплоты используется изменение фазового соотношения между фазой вращающегося коленчатого вала 11 и фазой синхронно вращающихся цилиндрических золотников 6 управляемым круговым поворотом центрального колеса в планетарном редукторе 26, соединяющим ось коленвала 11 с осью привода 10 синхронного вращения золотников, по аналогии с «управлением стерлингами» [Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Перевод с английского Б.В. СУТУГИНА и Н.В. СУТУГИНА, МОСКВА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1985, стр. 201].
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища используется впускной вентиль 27 и впускной обратный клапан 28.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 29 и выпускной обратный клапан 30.
При отсутствии подвода теплоты к нагревателю и принудительном вращении коленчатого вала устройство осуществляет отбор теплоты у нагревателя с передачей в холодильник (для целей сверхнизкой криогенной техники). При изменении фазового угла цилиндрических золотников на 180 градусов относительно «фазы» коленчатого вала отбор теплоты будет происходить от холодильника с передачей теплоты нагревателю.
Благодаря использованию планетарного редуктора 26 двигатель может осуществлять торможение (и реверс) вращающегося коленчатого вала с рекуперацией механической энергии и последующим использованием этой энергии для «разгона» после старта, а также быть трансформированным в холодильную установку или тепловой насос (в полной аналогии с тепловыми машинами, именуемыми СТИРЛИНГАМИ с тем лишь отличием, что математическая модель для проектирования двигателей с подводом теплоты, имеющих цилиндрический золотниковый распределитель, предположительно должна быть намного проще, ибо в этих тепловых машинах объем вытеснительных полостей является величиной постоянной, а у стирлингов - переменный, чем и вызвана чрезвычайная сложность проектирования стирлингов, усугубляющаяся наличием в стирлингах высокого начального давления рабочего газа и регенераторов теплоты).
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты.