СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ В РЕСИВЕРЕ
METHOD TO PRODUCE EXCESSIVE PRESSURE IN RECEIVER

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано для поршневых машин, использующих избыточное давление газового топлива.
Применение компрессионной станции в увязке с пневмодвигателем более целесообразно для поршневых машин, чем для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с токсичными и дымными выбросами (отработавших газов). В этом случае происходит экономия все более дефицитных жидких нефтяных топлив, а также для решения проблем баланса энергоносителей, воздействия на ценообразование на энергоносители в региональном масштабе.
Одним из выходов из подобной ситуации является применение пневмодвигателей, которые используют газ из предложенного ресивера высокого давления, т.е. поступивший газ из камеры (колпака) после сгорания топлива в колпаке, далее в ресивер, то есть не поджигать смесь горючего, а создать избыточное давление газа в чистом виде. При этом двигатель внутреннего сгорания всегда можно преобразовать в его пневматический аналог. Таким образом, вместо сжигания смеси воздуха с топливом и последующей передаче энергии поршнями поршни вырабатывают энергию, используя сжатый газ, заправленный в баллоны из ресивера.
При работе известных двигателей имеются следующие недостатки: нерациональное использование давления газов от сгорания топлива, в результате чего оставшееся давление просто уничтожается глушителями двигателя; очень сложны и дороги системы подачи топлива и воздуха при перепаде нагрузки на двигатель; двигатель нуждается в сверхпрочных материалах; низки и крутящие моменты.
Новое настоящее изобретение для получения готового газа из выделяемого топлива при сгорании в колпаке (камере) является экологически чистым. Оно существенно упрощается в использовании, так как нет необходимости хранения горючих жидкостей, нет необходимости делать проводку, разрабатывать сложные системы зажигания. Для силовой установки подобного автомобиля - это бак со сжатым воздухом, промежуточные механизмы, подающие нужные порции воздуха, а также рабочая зона, в которой размещается турбина, т.е. для заправки достаточно иметь в наличии электрический компрессор, который сжимает воздух из атмосферы и производит его закачку в бак. Данная силовая установка позволит пневмодвигателю использовать давление газов практически до 90%, а не на 10%, как это происходит в старых паровых машинах, а это значит, увеличивается КПД и снижается себестоимость производства.
В активном ресивере не возникает перемены нагрузок, что позволяет достаточно точно дозировать количества газа, а значит, применение пневмодвигателей в практике, закачиваемого полученного газа в баллоны, обеспечивает повышение их мощности, создает возможность корректирования его скоростных характеристик (регулированием надува) с целью улучшения тягово-динамических характеристик автомобиля с таким двигателем, надув также обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение (отсутствия) токсичности и дымности выбросов.
Известна комбинированная установка на основе двигателя Стерлинга с энергогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные отработанные газы двигателя Стерлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (ЕР 045399 А2 ( Stirling Thermal Motors inc), 21.11.1991).
Недостатки этого устройства - имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора. Отсутствие системы охлаждения ведет их к перегреву, что может привести к аварийной ситуации. Кроме того, тепло уходит на двигатель через отдельные камеры сгорания, охлажденные выхлопные газы выпускаются в атмосферу, которые существенно загрязняют атмосферу. При этом использование газа как носителя энергии, полученной при взрывном сжигании топлива, вследствие их небольшой массы недостаточно эффективно. Кроме того, для работы устройства используется вода, что усложняет эксплуатацию устройства и способствует росту эксплуатационных расходов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является автономный энергетический модуль, содержащий устройство получения газовой смеси под давлением для устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного с генератором электрического тока, устройство получения газовой смеси под давлением представляет собой оснащенную устройством по воспламенению топливной смеси камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через, по крайней мере, один управляемый клапан с, по крайней мере, одним ресивером и с устройством удаления продуктов сгорания из камеры с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а устройство преобразования энергии газов под давлением во вращение вала представляет собой двигатель внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана с магистралью отвода газов, а через впускные клапана - с указанным ресивером (RU № 66016 U1; МПК F25В 29/00, 2007).
Недостатком устройства является то, что наличие в нем камеры воспламенения и емкости в виде ресивера, способствующих преобразованию энергии газов под давлением во вращение вала, представляет собой подачу жидкого топлива в камеру сгорания, что приводит к снижению воспламеняемости смеси, что и ограничивает количество газа, которое можно применять с помощью такой системы. Ресивер известного устройства не обеспечен для удержания и поддержания температуры внутри его объема, не предусмотрена теплоизоляция от окружающей среды; накопление в нем влаги и тяжелых фракций, поступающих с газом, приводит к снижению эффективности применения таких систем. Подача природного газа с помощью такой системы принципиально возможна, но лишь в количествах, которые можно рассматривать как ограниченные, так как средства воспламенения в виде использования камеры и газораспределительных узлов не рассчитаны на работу при давлении, по меньшей мере, 60 МПа, при этом форма выполнения камеры воспламенения не рассчитана на такое высокое давление, когда и управляемый клапан расположен снаружи ресивера, а полость камеры сгорания не учитывает форму, например, типа сегмента или шара, в конечном итоге отсутствует колпак, рассчитанный на работу при давлении, по меньшей мере, 60 МПа. Кроме того, отсутствует камера сгорания, которая бы формировалась как бы одно целое с емкостью в виде ресивера. Камера сгорания достаточно геометрически объемна, что сказывается при воспламенении топлива и расширении в ней газа, который бы создавал достаточно высокое давление и мог сравняться с давлением в ресивере. Устройство не рассчитано в работе в режиме внутреннего взрыва топливно-воздушной смеси со сверхвысокой степенью сжатия, с отверстием в стенке ресивера, и возможность, таким образом, производит «подзарядку». Разница подачи конца сжатия газа к началу подачи сжатия газа приводит к зависимости этих фаз перехода разгрузочных режимов и может зависеть от величины нестабильности давлений топлива. В то же время степень сжатия в известном устройстве зависит от соотношения объемов рабочей камеры, что снижает объемную производительность компрессора и увеличивает потребляемую мощность, поскольку одна и та же часть перепускаемого газа подвергается многократному сжатию в каждой ступени. Отсутствие хорошей теплоизоляции самого ресивера влияет на экономичность и показатели его работы. При этом отсутствует сглаживание пульсаций давлений, зависящее от производительности компрессора и связи с потребителем.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания компрессионной станции без двигателя и компрессора для получения от сгорания топлива; практически без потерь направлять в ресивер, делая предложенную установку в несколько раз экономичнее и эффективнее традиционных. Полученный рабочий газ в колпаке при сгорании топлива через впускной клапан направляется периодически и кратковременно непосредственно сразу в ресивер высокого давления. Когда давление газа в камере (купола) первой ступени сгорания и во второй ступени в виде ресивера уравнивается, пружинный впускной клапан закрывается. Форме камеры сгорания первой ступени придана сферическая форма сегмента в виде колпака, прикрепленного непосредственно к корпусу ресивера со стороны впускного отверстия. После каждого цикла впуска топлива, подаваемого кратковременно через реле времени в колпак, и воспламенения топлива образуется рабочий газ высокого давления, кратковременно поступающий через определенный промежуток времени в ресивер. После окончания каждого цикла сгорания топлива в колпаке последний вновь затем продувают, и остатки топлива выходят наружу через боковую стенку колпака с выпускным клапаном, который принудительно регулируется в так называемой первой ступени, в это время продувки колпака выпускной клапан ресивера закрыт. Манипулирование компрессором периодически производят с узла управления с реле времени, как и отдельно подачей топлива после отключения компрессора.
Другой особенностью предлагаемого изобретения является обязательный постоянный подогрев ресивера и поддержание температуры его внутреннего объема во время циклических действий подачи газа из камеры сжатия высокого давления так называемой первой ступени во вторую ступень (ресивер), рассчитанное на полное количество поступления из колпака вырабатываемого рабочего сжимаемого газа высокого давления, т.е. сам ресивер используется как накопитель энергоносителя, поступающего в него рабочего газа высокого давления от сгорания топлива в колпаке. Обеспечение независимых характеристик установки (двигательной установки) связано с наземной температурой окружающей среды (временные температурные характеристики). В связи с этим осуществляют теплоизоляцию и принудительный подогрев ресивера, что в свою очередь увеличивает КПД ресивера примерно до 90%. Таким образом, вырабатывается способность получать избыточное давление готового чистого газа для питающих поршневых машин.
Взаимосвязь энергоносителя газовой установки и получение от нее для пневмодвигателя рабочего чистого газа в целом позволит создавать новые установки для заправки баллонов, которые несравненно эффективнее заранее заправляют на таких станциях; выгоднее и проще в производстве. Пневмодвигатели имеют во много раз большие крутящие моменты, чем известные двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Пример. Ранее выпускаемые паровозы в 300 л.с. тянули состав до 50 вагонов, ведь паровозу не нужна коробка скоростей. При этом предлагаемое настоящее изобретение полностью устраняет недостаток паровозной машины, где порядка 90% энергии улетало через трубу. В данном предложенном случае энергоносителя с рабочим газом высокого давления с увязкой для заправки баллоном и последующего питания из него пневмодвигателя полностью устраняется данный недостаток, используя рабочее давление газа практически на 90%, а не на 10%, что происходило со старыми паровыми машинами.
В активном корпусе колпака при сгорании топлива можно достаточно точно дозировать количество поступающего топлива с узла управления - реле времени, а также кратковременно подключать компрессор для подачи сжатого воздуха во внутреннюю полость колпака до поступления самого топлива. Компрессор затем отключают для последующего цикла на продувку камеры сгорания, после воспламенения топлива и поступления газа далее в ресивер, где он окончательно очищается от паров воды и примесей. Вопрос о выборе рационального объема ресивера представляет значительный практический интерес. Сам процесс газа в ресивере (при падении давления - забора газа) рассматривается как изоэнтропический. Количество газа, заключенного в ресивере, пропорционально удельному весу газа в нем. Таким образом, существует связь между расходом газа G и давлением в ресивере Р - все эти связи, возможно, выразить известными формулами.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение объемной производительности энергоносителя, снижение потребляемой мощности и повышение надежности путем предохранения сжимаемого газа от насыщения парами получаемого рабочего газа.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения избыточного давления в ресивере, включающем газовый компрессор, емкость, выполненную в виде ресивера, рассчитанного на работу при большом давлении, а энергоноситель выполнен в виде камеры воспламенения, емкость в виде ресивера выполняют с массивными стенками, с теплоизоляцией и подогревом стенок, рассчитанного на работу при большом давлении газа, а в качестве средства воспламенения используют сегмент сферической формы в виде колпака, прикрепленного к ресиверу со стороны впускного отверстия, рассчитанного на поступление полного количества выработанного сжигаемого газа в колпаке, в котором производят воспламенение сжигаемого газа до расчетного давления порциями впрыскивания в колпак, подаваемого кратковременно по линии канала подачи топлива с одновременным впуском сжатого воздуха от компрессора по команде реле времени, при этом продувку полости колпака проводят в промежутках между впрыскиванием топлива, манипулирование которым производят с узла управления, причем давление в ресивере практически сравнивают с давлением в колпаке и производят отключение узла управления.
При этом дозарядку ресивера производят посредством подачи рабочего газа из колпака высокого давления.
При этом днище ресивера имеет углубление с закрепленным патрубком, сообщающим полость его с атмосферой.
Такое выполнение способа получения рабочего газа с избыточным давлением в ресивере позволяет, по сравнению с прототипом, без двигателя и компрессора обеспечить принципиально новое решение проблемы, что и обеспечит более дешевыми в производстве эффективными энергоносителями. Здесь все рабочие газы, полученные от сгорания в колпаке (камере), форма которого играет положительную роль, практически без потерь направляются сразу в ресивер с массивными стенками, рассчитанный на работу высокого давления, с теплоизоляцией и подогревом стенок. Воздушный компрессор закачивает избыточное давление воздуха в камеру сгорания, выполненную в форме сегмента (сферическая форма колпака) в виде колпака, куда поступает топливо (бензина или газа) по команде с реле времени, далее после воспламенения топлива полученный рабочий газ высокого давления поступает кратковременно через впускное отверстие с клапаном в ресивер. Когда давление газа в полости колпака и в ресивере уравниваются, впускной (например, пружинный) клапан закрывает отверстие. Например, ресивер объемом 50 л, а в колпаке сгорания 0,5 л, потеря рабочего газа составит не более1% объема, который выйдет во впускное отверстие с клапаном. Следующий процесс заключается в том, что в межвременной промежуток времени сначала подают сжатый воздух от компрессора, заполняют им полость колпака, затем компрессор отключают. В этот промежуток времени впускной клапан ресивера закрыт и он становится замкнутым. Таким образом, это повторяется до тех пор, пока при сгорании топлива в колпаке и рабочие газы в ресивере не достигнут высокого давления. Процесс заполнения ресивера происходит периодически с кратковременным впуском в него рабочего газа высокого давления до момента его полного заполнения - сравнивается с давлением в колпаке. Следует отметить одну важную деталь в том, что после освобождения колпака от рабочего газа включают вновь компрессор и воздухом его полость продувают через сбросной клапан (его открывают в боковой стенке колпака) со всеми остатками после сгорания топлива.
КПД установки увеличивается до 90% при максимальном нагреве самого ресивера, теплоизоляция с подогревом обеспечивает температуру его внутреннего объема до максимального момента, когда накопленный рабочий газ в ресивере в чистом виде можно подавать в баллоны потребителю.
Связь такого энергоносительного устройства с последующим оснащением рабочим газом баллонов для пневмодвигателя в производстве его работы позволит создать новые установки, которые несравненно эффективнее, выгоднее и проще в производстве, а это влияет на увеличение крутящего момента в двигателях при использовании данного топлива в готовом чистом виде. На выработке предложенного рабочего газа пневмодвигатель становится дешевле, проще, отсутствуют глушительные системы большой производительности, а значит, уменьшается подавляющий звук.
На чертеже представлена принципиальная схема способа получения избыточного давления в ресивере.
Схема реализации способа получения избыточного давления включает ресивер 1 с теплоизоляцией и подогревом (не показано), сегмент сферической формы в виде колпака 2, снабженный соответственно полостью 3 воспламенения и сжигания топлива и полостью 4 нагнетания ресивера 1 рабочим газом. Полости 3 и 4 колпака 2 и ресивера 1 сообщены отверстием 5 с впускным клапаном 6 с пружиной. При этом полость 3 колпака 2 кратковременно циклами заполняется из линии питания 7 впуска топлива, после заполнения по линии 8 подачи сжатого воздуха от воздушного компрессора 9, а линия 10 свечи зажигания предназначена для одновременного воспламенения поступающего топлива в колпак 2. При определенном положении в промежутках между подачей топлива полость 3 колпака 2 и его воспламенения полного с отводом уже полученного газа высокого давления в ресивер 1, колпак 2 периодически продувается воздухом низкого давления от компрессора 9 через боковое отверстие в стенке колпака 2, имеющего выпускной патрубок 11 с управляемым клапаном (не показано) и обратным клапаном для освобождения от продуктов сгорания топлива. Линия питания 7 впуска топлива, линия 8 подачи сжатого воздуха компрессора 9 соединены с реле (Р) 12 времени по известным схемам питания блоков и их для выполнения заданных функций управления энергоносителем. В днище ресивера 1 имеется углубление 13 сбора и отвода выпавших тяжелых фракций и остатка жидкости, образующейся из паров газа, через патрубок 14 с клапаном (не показано), которые удалятся периодически по мере их накопления. Кроме того, чтобы сохранить тепло ресивера 1 и увеличить КПД, а также чтобы влага не замерзла, необходима теплоизоляция и обогрев ресивера 1 независимо от поступающего в него рабочего сжатого газа, далее заправка баллонов рабочим чистым газом для потребителя.
Способ получения избыточного давления газа в ресивере 1 представляет собой одну из разновидностей метода решения более общей задачи - получение рабочего сжатого газа высокого давления для пневмодвигателей нового поколения и повышение КПД, заключающийся в создании специфических условий работы пневмодвигателей, где в них не создается сверхвысокого давления.
Способ осуществляется следующим образом.
Воздушный компрессор 9 создает избыточное давление воздуха в колпаке (камере) 2 путем его закачки, затем производят впуск топлива и одновременно его воспламенение от свечи зажигания, т.е. полное сгорание топлива по линии питания 7, соответственно, по линии 10 свечи зажигания, происходит воспламенение. Из полости 3 сгорания топлива образующийся рабочий газ высокого давления (практически без потерь) поступает через клапан 6 в ресивер 1. В это время компрессор 9 отключен. В процессе сработки колпака 2 и освобождения его полости 3 от рабочего газа полость колпака 2 продувают вновь воздухом с подключением компрессора 9 за счет открытия бокового отверстия в стенке колпака 2 с патрубком 11. Каждый раз кратковременно ресивер 1 дозаряжается высоким рабочим газом из полости 3 колпака 2 после прекращения сгорания топлива в нем, до общего поступления газа и полного объема, пока давление в полости 3 колпака 2 и в полости 4 ресивера 1 сравняются. При этом полость 3 колпака 2 после каждого продуваемого кратковременно воздухом от компрессора 9, по команде реле времени впуск топлива прекращается, удаляют продукты горения топлива, и клапан выпуска воздуха закрывается.
Таким образом, наличие в конструкции простых узлов позволяет повысить надежность и долговечность в способе получения избыточного давления в ресивере, линий впуска топлива и воздуховода от воздушного компрессора, а также клапанов и от насыщения парами воды, выделяющейся из газов. Наличие блока управления 12 необходимо для нормального функционирования сжигания топлива в колпаке 2, обеспечение периодически впуска топлива, а также и периодически продувку полости 3 колпака 2, что способствует устойчивому и надежному процессу получения и заполнения высоким давлением газа в ресивере 1, предохраняя от резкого динамического воздействия газа, поступающего порциями через отверстие 5 с клапаном 6. Сегментная сферическая форма колпака 2 обеспечивает надежную работу сгорания топлива в полости колпака (камеры).
К преимуществам данного способа также относится малое энергопотребление, повышается объемная производительность ресивера и его надежность в работе, при этом получаемый рабочий газ высокого давления из ресивера 1 заполняется в баллоны для потребителя, и использование его не создает в пневмодвигателях сверхвысокого давления. В активном колпаке не возникает перегрузок, что позволяет точно дозировать количество поступающего топлива при его одновременном воспламенении, полость колпака которого уже заполнена сжатым воздухом от компрессора и который отключен на время до следующей продувки полости колпака от продуктов сгорания.
Вследствие прерывной подачи рабочего газа, полученного в колпаке после воспламенения топлива, поступающий рабочий газ в ресивер заполняет его до полного объема циклически. В ресивере периодически давление газа нарастает до сверхвысокого давления. При этом пульсация давления в нем сглаживается при полном объеме заполнения. Обязательным условием является теплоизоляция и обогрев стенок и днища ресивера, имеющего в своем составе углубление с патрубком. Дело в том, что с периодическим (временным) поступлением рабочего газа в ресивер отсутствует охлаждение газа и не зависит от окружающей температуры на земле, соответственно КПД его достаточно высок, заправка газом баллонов происходит надежно. Влага и тяжелые фракции собираются в углублении на днище ресивера, в котором имеется выпускной патрубок с клапаном, что также дополнительно обеспечивает надежность ресивера в работе.
2
3
Объем ресивера, обеспечивающий хорошее сглаживание пульсаций давления, обычно определяют по эмпирической формулеVo = (0,l ...0,2)VM, гдеV - производительность компрессора, м/мин.
Числовой коэффициент в этой формуле берут тем меньше, чем больше производительность компрессора (во избежание чрезмерных размеров ресивера при большой производительности).
p
макс.
мин.
с
(
Поскольку вопрос о выборе рационального объема ресивера представляет значительный практический интерес, следует исходить из зависимости между степенью неравномерности давления и объемом ресивера V, т.е. р. =Р - Р)/ Р.
Характеристика сети (потребителя) приближенно может быть выражена уравнением
<mrow><mi>G</mi><mo>/</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><mi>T</mi></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow>
, где G - весовой расход через сеть;Р - давление газа перед потребителем (подача).
Это важно для практических целей при сверхкритических степенях повышения давления.
Процесс расширения газа в ресивере (при падении давления) рассматривается как изоэнтропический. Количество газа, заключенное в ресивере, пропорционально удельному весу газа в нем. Поскольку существует связь между расходом газа и давлением в ресивере, давление определяется известными в литературе формулами.
Максимально допустимая степень высокого давления в ресивере зависит от особенностей потребителя рабочего газа. Поэтому необходимо указывать на необходимость при определении объема ресивера учитывать не только производительность установки, но и силовой агрегат, использующий рабочий газ в работе.
Во избежание чрезмерного превышения давления при уменьшении или прекращении потребления сжатого воздуха на ресивере ставят предохранительный клапан (не показано), рассчитанный на полное количество газа, поступающего в ресивер до полного его заполнения, и давление, не превышающее рабочее высокое на 10%. Таким образом, соответствующие приборы для контроля за нормальной работой ресивера сверхвысокого давления закрепляются снаружи корпуса (не показано).
Экономическая эффективность способа получения избыточного давления в ресивере заключается в повышении КПД установки, в целом устройства энергоносителя и в эффективности настоящего в производстве. Таким образом, при работе компрессионной станции с газом большого давления процесс работы делает ее безопасным, а объем ее накопления может составлять до 90% и проблема охлаждения отсутствует, благодаря чему потребитель всегда получает рабочий газ практически в чистом виде.