Двигатель внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа, система привода и способ регулирования мощности двигателя
EXTERNAL COMBUSTION ENGINE BASED ON GAMMA-TYPE STIRLING ENGINE, DRIVE SYSTEM AND METHOD OF ENGINE POWER REGULATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к двигателям внешнего сгорания, точнее говоря к усовершенствованному двигателю Стирлинга гамма-типа с регулятором потока рабочего тела и возможностью соединять многочисленные компоненты в последовательный ряд для циркуляции рабочего тела по данному ряду перед ее подогревом. Изобретение обеспечивает практически идеальный расчет времени для работы рабочих поршней и вытеснителей, в результате поток охлажденного рабочего тела выводится к внешнему подогревателю для эффективного восстановления энергии от источника тепла. Время срабатывания регулятора мощности усовершенствовано посредством использования системы смесительных клапанов и фракций рабочего тела разной температуры для регулировки входной мощности и/или промежуточного подогрева рабочего тела в целях выбора оптимального решения между мощностью на валу/результирующим КПД.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существующие устройства для комбинированной генерации электроэнергии и тепла (CNP), используемые для выработки электроэнергии, работают при обычных температурных параметрах следующим образом:
- Температура топочного газа на выходе из печи составляет 1250°С. Износостойкость строительных материалов и размягчение золы с возникающим в результате шелушением покрытия нагревателя являются ограничивающими факторами для дальнейшего повышения температуры.
- Температура топочного газа на выходе из двигателя Стирлинга составляет 820°С. Средняя температура рабочего тела в двигателях Стирлинга - 650-750°С, таким образом, принимая во внимание необходимую разницу температур для потока тепла от топочного газа к рабочему телу, не представляется возможным дальнейшее охлаждение топочного газа без потери выходной мощности двигателя.
- Температура топочного газа на выходе из системы предварительного подогрева воздуха для горения составляет 650°С. Учитывая вышеперечисленные параметры, современной технологией для выработки электроэнергии является возврат тепла топочного газа от 1250°С до 650°С, остаток тепла расходуется впустую, если не используется для других целей. Следовательно, доведение до минимума верхнего предела диапазона температур между топочным газом и рабочим телом, а также минимизация температуры рабочего тела, используемого для охлаждения топочного газа, являются определяющими факторами для отдачи мощности на валу.
Мертвое пространство, такое как каналы и объем внутренней полости трубок подогревателя, необходимо свести к минимуму по причине их негативного влияния на выходную мощность двигателя, но высокий поток тепла, который требуется в подогревателе, в свою очередь, требует большой площади поверхности внутри трубок подогревателя. Таким образом, требование для сохранения минимума мертвого пространства оказывается противоречивым. Компромисс неизбежен либо в минимизации мертвого пространства, либо в уменьшении температурной разницы между источником тепла и рабочим телом.
Идеальная рабочая последовательность для двигателей Стирлинга гамма-типа предполагает удержание вытеснителя в холодной полости цилиндра во время всего периода расширения, перемещение его в другую полость перед началом обратного хода рабочих цилиндров и удержание вытеснителя в этой позиции до завершения хода. Современные конструкции двигателей Стирлинга используют кривошипно-шатунные приводы / непрерывное движение обоих цилиндров, в результате чего наблюдается существенная потеря мощности в преобразовании энергии давления рабочего тела в механическую работу.
Принято считать, что регулирование мощности двигателей Стирлинга идет медленно, так как отношение тепловой энергии в трубках подогревателя и материалах цилиндра к выходной мощности оказывается очень высоким; и не существует практических методов ускорить охлаждение трубок и цилиндров, когда требуется снизить мощность.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения - способ и система для двигателя внешнего сгорания, включающие стадии процесса и компоненты, известные в двигателе Стирлинга гамма типа, а также добавочную систему отвода рабочего тела, новый поршневой привод и усовершенствованные методы регулирования мощности. Новая добавочная система отвода рабочего тела изолирует систему подогревателя от остальной части двигателя, когда цилиндры в месте подсоединения подогревателя находятся на ступени повышенного/пониженного давления. Кроме того, система отвода направляет рабочее тело от первого вытеснителя к первому рабочему цилиндру, и после ступени расширения, к следующему вытеснителю, и так далее, до самого выхода из подогревателя. Во время прохождения через многочисленные ступени нагнетания/расширения тепловая энергия в рабочем теле преобразуется в механическую работу (и потери), в результате поток охлажденного рабочего тела направляется в подогреватель, в котором высокая теплопередача и небольшая разница температур между рабочим телом и источником тепла достигается посредством использования принципа противотока.
Изобретение обеспечивает два усовершенствования в отношении времени отклика регулятора мощности. Охлажденное рабочее тело может возвращаться на вход первой ступени без подогрева благодаря тому, что в системе используется регулирующий клапан с множественными входами (Фиг. 6, клапан D, вход С). В результате следует немедленное снижение подачи тепла. Кроме того, перегретая часть рабочего тела может быть выведена из подогревателя для придания дополнительной мощности двигателю в случае наличия такой необходимости. Еще одной возможностью является замена коллектора управления (Фиг. 1, деталь 300) коллектором регулятора мощности (Фиг. 7) и нагревание рабочего тела в середине обычного маршрута потока.
Новый поршневой привод работает на основе вращающихся профилированных дисков (Фиг. 1, детали 150-152) и маховиков, контактирующих с поверхностью профилированного края (Фиг. 1, детали 140-142). Профиль диска разделен на основные секции и переходные секции, расположенные между основными секциями. Количество основных секций должно быть кратно четырем. Основные секции управляют позициями и передвижениями поршней следующим образом (Фиг. 3):
Секция 1. Поршень остановлен в верхней позиции;
Секция 2. Поршень движется вниз с постоянной скоростью;
Секция 3. Поршень остановлен в нижней позиции; и
Секция 4. Поршень движется вверх с постоянной скоростью.
Переходные секции предназначены для увеличения и уменьшения скорости поршней с постоянным g-фактором (множителем Ланде). Вращение профилированных дисков привода вытеснителя на четверть цикла опережает вращение профилированных дисков привода рабочего поршня. Движущиеся части поршней и приводов, а также g-факторы, выбираются таким образом, чтобы произведение g-фактора привода вытеснителя и массы вытеснителей и связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода, равнялось отрицательному произведению g-фактора привода рабочего поршня и массы рабочих поршней и связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода. Центр тяжести массы вытеснителей, связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода, расположен на одной линии с центром тяжести массы рабочих поршней, связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода. В результате, силы ускорения и торможения движущихся масс компенсируют друг друга, и кинетическая энергия массы торможения проводится через главный вал к массе ускорения. Настоящее изобретение обеспечивает практически идеальную последовательность работы поршней и отсутствие вибрации по причине динамики движущихся частей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения, предлагается ссылка на следующие ниже описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
ФИГ. 1 раскрывает один вариант осуществления изобретения, в котором основные элементы настоящего изобретения показаны в боковой проекции;
ФИГ. 2 является секционным представлением одного варианта настоящего изобретения, где профилированные диски и маховики поршневого привода показаны с торца;
ФИГ. 3 является схематическим представлением дисков и маховиков поршневого привода, где подробно показаны позиции и области секций, и где наружный торец является профилированным;
ФИГ. 4 показывает альтернативное расположение профилированных поверхностей, когда профилированной является торцевая поверхность диска;
ФИГ. 5 представляет маршруты потока рабочего тела во время движения рабочего поршня вверх и во время движения рабочего поршня вниз;
ФИГ. 6 является блок-схемой альтернативного исполнения настоящего изобретения с двумя ступенями высокого давления/расширения и диаграммное изображение регуляторов мощности с использованием системы регулирующего клапана с множественными входами;
ФИГ. 7 представляет замену коллектора (ФИГ. 1 деталь 300), которая позволяет немедленно подогревать рабочую жидкость в целях оптимизации мощности/эффективности; и
ФИГ. 8 является альтернативной конфигурацией настоящего изобретения, показанного в боковой проекции.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Два варианта осуществления настоящего изобретения, многоступенчатого двигателя внешнего сгорания с последовательным поршневым приводом (100), раскрываются на ФИГ. 1, ФИГ. 8 и ФИГ. 2. Предполагаются и другие конфигурации с разным количеством и позициями нагнетающих цилиндров (210, 220, 230, 240, 710 и 720), рабочего цилиндра (250 и 720), приводов вытеснителей (120, 130, 140, 150 и 121, 131, 141, 151) и привода рабочего поршня (122, 132, 142, 152 и 502, 531). Каждый нагнетающий цилиндр (210, 220, 230, 240 и 710, 720) включает вытеснитель (211, 221, 231, 241 и 231, 141 соответственно) и регенератор (ФИГ. 2 слева от цилиндров). Вытеснители связаны с приводами вытеснителей поршневыми штоками (110, 111), и рабочий поршень также связан с приводом рабочего поршня поршневым штоком (112). Рабочий цилиндр включает рабочий поршень. Рабочие поршни на ФИГ. 1 и ФИГ. 8 двойного действия.
Работа нагнетающих цилиндров и термодинамический принцип в термодинамике двигателя Стирлинга гамма-типа те же, с дополнительными каналами в поршнях и отверстиями в стенке цилиндра, которые используются, чтобы изменять маршрут потока рабочей жидкости, направляя его в цилиндр и из цилиндра и далее к следующему цилиндру или через подогреватель. Ход вытеснителя к холодной полости нагнетающего цилиндра проталкивает рабочее тело через регенератор к горячей полости цилиндра. Рабочее тело нагревается, когда проходит через регенератор, в результате чего повышается давление внутри цилиндра посредством полуадиабатного процесса. Нагнетаемое рабочее тело направляется через вход клапана в направлении рабочего цилиндра, где адиабатный процесс расширения приводит к частичному преобразованию потенциала PV (давление * объем) рабочего тела в механическую работу и снижению давления рабочего тела и температуры; или в направлении следующего нагнетающего цилиндра (где вытеснитель располагается около горячего торца цилиндра), разрешая вывод повышенного давления из того же выхода, после чего вытеснитель движется к холодной полости цилиндра.
В одном конце хода вытеснителя одна группа маршрутов потока рабочего тела через поршневые каналы и отверстия в стенке цилиндра закрывается, другие открываются. В другом конце поршневого хода другая группа маршрутов открывается, а остальные закрываются (ФИГ. 5). Ближе к концу хода рабочего поршня его скорость замедляется до полной остановки, в то же время ход вытеснителя ускоряется до максимальной скорости. То же самое происходит в конце хода вытеснителя - его скорость снижается до полной остановки хода, и одновременно с этим процессом скорость хода рабочего поршня увеличивается до максимального значения.
Каждый поршневой привод включает: радиальный профилированный диск (150, 151 и 152) или альтернативный осевой (ФИГ. 4); маховики, контактирующие с профилированной поверхностью, один или несколько маховиков расположены выше, и один или несколько маховиков расположены ниже. Маховики связаны с рамами поршневого привода (130, 131 132 и 531) подшипниками. Движение и вращение рамы поршневого привода ограничивается направляющими (120, 121 и 122), разрешая движение только в направлении хода поршня. Профилированные диски крепятся к основному валу (101 и 501).
Расположение профилированных дисков и маховиков представлено на ФИГ. 3. Основные секции 1, 2, 3 и 4 предназначены для поршней, движущихся либо с постоянной скоростью, либо остановленных на позиции максимального или минимального хода. Секции ускорения/торможения предназначены для одновременного ускорения вытеснителей и торможения рабочих поршней, или наоборот, одновременного торможения вытеснителей и ускорения рабочих поршней. Расчет времени для секций ускорения/торможения задан таким образом, чтобы их согласовать, а направления динамической нагрузки и размеры приводов вытеснителя и рабочего поршня, поршней и связанных масс заданы противоположными с целью исключить друг друга и таким образом избежать вибраций, генерированных динамическими силами. Вне секций ускорения/торможения, всегда, либо вытеснители движутся с постоянной скоростью, а рабочий поршень неподвижен, либо рабочий поршень движется с постоянной скоростью, а вытеснители неподвижны.
Помимо профилированных дисков с профилированной поверхностью, расположенной на наружной поверхности диска, все вышесказанное действительно и для кольца или выемки в диске, где профилированная поверхность находится на внутренней поверхности кольца или выемки.
Отверстия на цилиндрической поверхности поршней (211, 221, 131, 241 и 711, 721) и отверстия в стенках цилиндра работают как отсечные клапаны. Маршруты потока рабочего тела и направления потока показаны на ФИГ. 5. Верхняя часть рисунка показывает маршруты потока рабочего тела, когда рабочий поршень движется вниз, а нижняя часть - когда рабочий поршень движется вверх. Горячее рабочее тело выходит из подогревателя к соединению, маркированному как «Из подогревателя» ("Fluid from re-heater"), а охлажденное рабочее тело направляется обратно в подогреватель из соединения, маркированного как «в подогреватель» ("Fluid to re-heater").
На ФИГ.6 изображена система смесительного клапана (D), используемая для регулирования мощности. Подогреватель на схеме, работающий по принципу противотока, имеет два выхода и один вход. Но предполагается, что можно использовать систему с большим числом выходов. Отвод рабочего тела к порту (А) системы смесительного клапана осуществляется лишь время от времени с целью быстрого нагревания двигателя. Во время обычной операции основной поток рабочего тела направляется к порту (В) системы смесительного клапана, и небольшая порция, если требуется регулирование температуры, к порту (А). Для быстрого охлаждения двигателя охлажденное рабочее тело направляется к порту (С) системы смесительного клапана.
На ФИГ. 7 показан альтернативный коллектор для замены соединительной детали (300) цилиндров. Коллектор включает трехходовой клапан и два добавочных соединения. В полностью закрытой позиции клапан направляет все рабочее тело от нагнетающего цилиндра 210 к нагнетающему цилиндру 220. В полностью открытой позиции клапана все рабочее тело направляется к подогревателю, а на выходе из подогревателя рабочее тело направляется к нагнетающему цилиндру 220. При частично открытой позиции клапана часть рабочего тела направляется к нагнетающему цилиндру 220, а вся остальная часть - к подогревателю, откуда она возвращается и направляется далее к нагнетающему цилиндру 220. Часть рабочего тела, направленная к подогревателю, нагревается, в результате нагрева возрастает мощность на валу, а общий КПД мощности, передаваемой валом, снижается. Регулирование используется для быстрого увеличения мощности и для коротких периодов, когда требуется высокая мощность на валу.
В конфигурации изобретения, показанной на ФИГ. 1, есть следующие наборы последовательностей операций:
1. Первый нагнетающий цилиндр, вход рабочего тела от источника тепла и выход к первому рабочему цилиндру.
2. Первый рабочий цилиндр, вход рабочего тела от первого нагнетающего цилиндра и выход ко второму нагнетающему цилиндру.
3. Второй нагнетающий цилиндр, вход рабочего тела от первого рабочего цилиндра и выход к источнику тепла или к следующему нагнетающему цилиндру.
В конце хода рабочего поршня вниз (ФИГ. 5) количество массы рабочего тела внутри второго и третьего нагнетающих цилиндров прямо пропорционально отношению значений объем/температура горячей полости, холодной полости и мертвого пространства. Так как большая часть массы рабочего тела во втором нагнетающем цилиндре имеет высокую температуру, а большая часть массы рабочего тела в третьем цилиндре имеет низкую температуру, то большая часть массы рабочего тела окажется в третьем нагнетающем цилиндре в конце хода поршня нагнетающего цилиндра. Движение массы рабочего тела от второго нагнетающего цилиндра к третьему нагнетающему цилиндру снизит потребляемую энергию, необходимую для обратного хода рабочего поршня и компенсирует низкую температуру рабочего тела, входящего во второй последовательный набор ступеней процесса.
Все описания операций, приведенные выше, применимы для использования изобретения в качестве охладителя Стирлинга, где холодная полость цилиндров используется в качестве источника холодильного агента, а подогреватель используется в качестве теплоотвода.