ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
HEAT ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, использующим разницу температур и преобразующим тепловую энергию в механическую или электрическую.
Из уровня техники (а.с. SU 877111, опубл. 30.10.1981) известен тепловой двигатель, содержащий множество теплоизолированных камер, заполненных газом, и кольцевую трубу, проходящую через эти камеры. При этом камеры расположены внутри полого вращающегося ротора, а кольцевая труба заполнена жидкостью и образована упругой эластичной стенкой, которая деформируется под воздействием давления газа, находящегося в камерах. За счет локального нагрева ротора и перераспределения жидкости в кольцевой трубе происходит вращение ротора.
Недостатком известного двигателя является его низкая эффективность, обусловленная тем, что для выработки энергии необходимо вращение всего устройства целиком и тем, что происходит повышенный расход энергии на деформирование стенки трубы. Так же известный двигатель нельзя использовать для дополнительных целей, таких, например, как выработка холода.
Таким образом, целью изобретения является создание теплового двигателя с повышенной эффективностью и с возможностью дополнительного использования.
Цель достигается предложенным тепловым двигателем, содержащим множество шлюзов и кольцевую теплообменную трубу, проходящую сквозь эти шлюзы. При этом шлюзы заполнены воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре, от самой высокой, которая на заданную величину меньше температуры окружающей среды, в шлюзе являющемся на данный момент первым, до самой низкой, которая на заданную величину меньше температуры в первом шлюзе, в шлюзе являющемся на данный момент последним. Причем каждый шлюз циклически проходит все стадии нагрева воздуха от самой низкой температуры до самой высокой температуры за счет теплообмена с кольцевой трубой. Вокруг каждого шлюза установлен холодильник, с возможностью охлаждать стенки шлюза и воздух, находящийся в шлюзе. Причем в каждый момент времени работает только один холодильник, вновь охлаждающий один из шлюзов до самой низкой температуры. Кольцевая теплообменная труба соединена множеством труб, количество которых равно количеству шлюзов, с первой газовой турбиной, которая соединена через фильтр с атмосферой. При этом на каждой из указанного множества труб установлены клапаны, с возможностью открытия доступа воздуха из первой турбины в кольцевую трубу рядом с любым из шлюзов. Кроме того, в кольцевой теплообменной трубе перед и после каждого шлюза установлены клапаны с возможностью перекрытия кольцевой теплообменной трубы возле любого шлюза. Каждый из множества шлюзов имеет внутреннюю полость, впускное и выпускное отверстия. Причем впускное отверстие каждого шлюза соединено с кольцевой теплообменной трубой посредством обводного патрубка, а выпускное отверстие каждого шлюза соединено со второй газовой турбиной. Каждый шлюз оборудован клапаном доступа воздуха к впускному отверстию из кольцевой трубы, установленным на обводном патрубке, и клапаном выпуска воздуха из выпускного отверстия во вторую газовую турбину. Причем клапан доступа воздуха к впускному отверстию открыт только в шлюзе с работающим холодильником, до момента охлаждения воздуха в шлюзе до минимальной заданной температуры. А клапан выпуска воздуха из выпускного отверстия открывается только после достижения воздухом в шлюзе максимальной заданной температуры.
Техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является повышение эффективности работы теплового двигателя и расширение его функциональных возможностей, заключающееся в дополнительном производстве холода в промышленных масштабах.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - Общий вид теплового двигателя.
Фиг. 2 - Шлюз.
Фиг. 3.1 - Закрытый шлюз, охлаждающий воздух в кольцевой трубе.
Фиг. 3.2 - Шлюз во время заполнения воздухом из кольцевой трубы.
Фиг. 3.3 - Шлюз во время выпуска воздуха во вторую турбину.
На фиг. 1 изображен тепловой двигатель, содержащий входной фильтр и первую газовую турбину (1), установленную на впускном патрубке установки, и вторую газовую турбину (2), установленную на выпускном патрубке установки. Первая газовая турбина (1) соединяется с кольцевой теплообменной трубой (11). Причем кольцевая теплообменная труба (11) проходит сквозь множество шлюзов (3-10). При этом шлюзы (3-10) заполнены воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре, от самой высокой в первом шлюзе - меньше температуры окружающей среды на заданную величину, до самой низкой в последнем шлюзе - меньше температуры в первом шлюзе на заданную величину. В кольцевой теплообменной трубе (11), перед и после каждого шлюза (3-10), установлены клапаны (3.4-10.4 и 3.3-10.3 соответственно) с возможностью перекрытия кольцевой теплообменной трубы (11) возле любого шлюза. Каждый из множества шлюзов (3-10) имеет внутреннюю полость (13), впускное (14) и выпускное (15) отверстия (Фиг. 3). Причем впускное отверстие (14) каждого шлюза (3-10) соединено с кольцевой теплообменной трубой (11) посредством обводного патрубка (12). А выпускное отверстие (15) каждого шлюза (3-10) соединено со второй газовой турбиной (2). Вокруг каждого шлюза (3-10) установлен холодильник, имеющий возможность охлаждать стенки, окружающие внутреннюю полость (13) шлюза и воздух, содержащийся в шлюзе. Каждый шлюз (3-10) оборудован клапанами (3.2-10.2) доступа воздуха к впускному отверстию из кольцевой трубы, установленными на обводном патрубке (12), и клапанами (3.1-10.1) выпуска воздуха из выпускного отверстия на выпускном патрубке. Также клапаны (3.5-10.5) установлены на трубах, соединяющих первую турбину (1) и кольцевую трубу (11) в области каждого из шлюзов (3-10).
Перед первым запуском двигателя вся система охлаждается и заполняется атмосферным воздухом. Все шлюзы заполняются воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре от самой высокой - немного ниже температуры атмосферы на заданную величину, в шлюзе, являющемся в данный момент первым, до самой низкой - меньше температуры в первом шлюзе на заданную величину, в шлюзе, являющемся в данный момент последним. Причем масса воздуха в шлюзах устанавливается равной массе воздуха, заполняющего шлюз при самой низкой температуре и атмосферном давлении. Таким образом, с повышением температуры и при постоянной массе давление воздуха в шлюзах будет увеличиваться.
Тепловой двигатель работает следующим образом (фиг. 3.1-3.3). Поток газа направляется клапанами, расположенными на кольцевой теплообменной трубе (11) и впускных и выпускных отверстиях шлюзов и трубах, соединяющих первую турбину (1) с кольцевой теплообменной трубой (11). Атмосферный воздух проходит сквозь входной фильтр и первую газовую турбину (1), вращая ее, в кольцевую трубу (11). На начальном этапе из клапанов (3.5-10.5) открыт только клапан (3.5), направляющий атмосферный воздух в кольцевую теплообменную трубу (11), сквозь шлюз (3) по направлению к шлюзу (10). Причем из клапанов (3.4-10.4 и 3.3-10.3) закрыт только клапан (10.3), не дающий пройти воздуху сквозь шлюз (10). Из клапанов (3.2-10.2), не дающих поступить воздуху внутрь шлюзов, открыт только клапан (10.2). Таким образом, воздух проходит по кольцевой теплообменной трубе (11) сквозь все шлюзы (3-9) к шлюзу (10). При этом воздух в первом шлюзе (3) имеет самую высокую температуру из всех, но чуть ниже температуры атмосферного воздуха. При этом происходит обмен теплом через кольцевую теплообменную тубу (11), по которой движется воздух. Атмосферный воздух охлаждается, а воздух в шлюзе нагревается (фиг. 3.1). Далее воздух проходит сквозь остальные шлюзы (4-9), где повторяется то же самое, т.е. воздух в кольцевой теплообменной тубе (11) охлаждается, а воздух в шлюзах нагревается. При проходе сквозь последний, самый холодный шлюз (9), температура воздуха, идущего по трубам, близка к температуре воздуха в этом шлюзе. После этого воздух поступает в открытый для притока воздуха шлюз (10) (фиг. 3.2), где он охлаждается с помощью встроенного холодильника до температуры газа в шлюзе (9). Затем клапаны (10.2 и 10.1) шлюза закрываются, и он становится последним в цепочке шлюзов. В этот же момент первый шлюз (3) открывает клапан (3.1) и выпускает воздух под давлением во вторую турбину (2) и в атмосферу (фиг. 3.3). При этом клапан (3.2) на впускном патрубке остается закрытым. После выхода воздуха из шлюза (3) и выравнивания давления в нем закрываются клапаны (3.1, 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5) и открываются клапаны (3.2, 4.5, 10.3, и 10.4), после чего шлюз (3) становится открытым шлюзом с работающим холодильником. Холодильник в шлюзе (10) выключается. Шлюз (4) становится первым в цепочке, и воздух из турбины (1) поступает уже сквозь него. Так заканчивается первый шаг полного цикла.
Второй шаг завершится, когда газ в шлюзе (3) достигнет необходимой температуры, и давление, а следовательно, и масса воздуха в нем не стабилизируются. После этого клапан (3.2) закрывается и открывается клапан (4.1), выпуская воздух с максимальным давлением в турбину (2). Затем закрываются клапаны (4.1, 4.3, 4.4, 4.5) и открываются клапаны (3.3, 3.4, 4.2 и 5.5). Так завершается второй шаг полного цикла.
Воздух, поступивший в последний шлюз, постепенно нагревается за счет прохождения сквозь него по кольцевой теплообменной трубе (11) потока воздуха. С каждым шагом цикла он меняет позицию по отношению турбине (1). В шлюзе, занявшем первую позицию, воздух нагревается до максимально возможной температуры и набирает максимальное давление, после чего воздух выпускается в турбину (2).
Так завершается полный цикл. После чего все шлюзы и клапаны принимают первоначальное положение.
Следует заметить, что воздух проходит сквозь шлюз просто под атмосферным давлением, так как давление в трубах меньше за счет охлаждения.
Таким образом, без существенных затрат энергии, воздух охлаждается до очень низких температур. Энергия тратится только на охлаждение стенок первого шлюза до температуры последнего и на охлаждение воздуха в этом шлюзе на несколько градусов.
Следует заметить, что так как энергия, которая тратится на охлаждение стенок шлюза, пропорциональна площади внутренней поверхности шлюза, а получаемая энергия пропорциональна объему воздуха, то эффективность двигателя пропорциональна линейным размерам шлюза.
Данное устройство, хотя и является тепловым двигателем, но принцип его действия не основан на цикле Карно. Между этими циклами есть существенные отличия. Если в цикле Карно весь газ находится в одинаковом состоянии, то тут он находится при разных температурах и давлении. И еще одно существенное отличие состоит в том, что рабочее тело на разных этапах взаимодействует само с собой, обмениваясь энергией.