ГАЗОВАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую энергию.
Известен тепловой двигатель (см. Кругов В.И. Теплотехника, М., Машиностроение, 1986, с.192-198, рис.4.17), содержащий контур сжатия, выполненный в виде многоступенчатого лопастного компрессора, камеру сгорания топлива и контур расширения - в виде многоступенчатой лопастной турбины.
Основным недостатком данной конструкции является низкий механический КПД, обусловленный большими механическими потерями в лопастных машинах, которые многократно преобразуют скоростной напор газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно. Соответственно, общий КПД преобразования тепловой энергии в механическую тоже оказывается невысоким. Например, в наиболее часто применяемых в газотурбинных двигателях многоступенчатом осевом компрессоре механический КПД составляет 0.85, а в многоступенчатой осевой турбине - тоже около 0,85. Следовательно, общий механический КПД газотурбинного двигателя будет равен: 0,85×0,85=0,72, что, даже при достаточно высоком термодинамическом КПД=0,5, дает общий КПД газотурбинного двигателя не более 0,36.
Наиболее близкой газовой тепловой машиной является газовая тепловая машина (см. RU 2084666, кл. F02С 3/16, 20.07.1977), работающая в режиме теплового двигателя, выполненная в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, а сжатие и расширение рабочего тела, вводимого во вращающийся корпус, вблизи от оси вращения через уплотнительные устройства, в радиальных каналах происходит в поле центробежных сил.
Недостатком известной газовой тепловой машины является недостаточно высокий КПД.
Задачей полезной модели является устранение отмеченного недостатка.
Технический результат, на достижение которого направлена данная полезная модель, заключается в повышении КПД газовой тепловой машины.
Задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что в газовой тепловой машине, работающей в режиме теплового двигателя, выполненной в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, а сжатие и расширение рабочего тела, вводимого во вращающийся корпус и выводимого из него вблизи от оси вращения через уплотнительные устройства, в радиальных каналах происходит в поле центробежных сил, в камере расширения рабочего тела производят предварительное расширение, а в качестве камеры окончательного расширения рабочего тела используют объемный или динамический пневмодвигатель, после которого рабочее тело проходит к входу во вращающийся корпус через теплообменник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве рабочего тела применен газ с большой молярной массой, например, ксенон или фторид серы (элегаз).
Указанный технический результат достигается также тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется тепловым излучением от нагревателя, размещенного с зазором вокруг вращающегося корпуса.
Указанный технический результат достигается также тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется посредством теплопередачи от нагретого вещества-теплоносителя.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве вещества-теплоносителя применен газ с небольшой молярной массой, например, водород или гелий.
На фиг.1 изображена газовая тепловая машина, в котором рабочий газ получает нагрев от нагревателя путем теплового излучения.
На фиг.2 изображен тепловая машина, в котором рабочий газ получает нагрев от вещества - теплоносителя.
Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.1, состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. По оси вращения корпуса 1 установлены уплотнительное устройства 6, через которое производится подвод рабочего тела, например, газа ксенона, в корпус 1 и уплотнительное устройство 7, служащее для отвода рабочего тела. Через трубопровод уплотнительное устройство 7, служащее для выхода газа, соединено с входным каналом поршневого (объемного) пневмодвигателя 8. Выходной канал пневмодвигателя 8 трубопроводами через теплообменник 9 соединен с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Концентрично наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 размещен нагреватель 10.
Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.1, работает следующим образом.
0
0
1
1
1
2
2
3
0
2
0
3
2
3
0
4
0
4
3
0
4
0
0
0
0
1
1
2
1
0
3
3
0
Цилиндрический корпус 1 от какого-либо маломощного двигателя раскручивается до высоких оборотов и это вращение необходимо поддерживать во время всей работы тепловой машины или за счет вышеупомянутого маломощного двигателя, или за счет отбора части мощности от пневмодвигателя 8. Через уплотнительное устройство 6 рабочее тело (в дальнейшем тексте - газ) при начальном (минимальном) давлении Р и начальной (минимальной) температуре Т входит по оси вращения в корпус). Проходя через радиальные каналы 3 от оси вращения к периферии корпуса) газ под действием центробежной силы адиабатически сжимается до давления Р, при этом его температура возрастает до значения Т. Далее газ проходит по периферийным каналам 4, где под действием теплового излучения нагревателя 10 нагревается изобарически при давлении Р до температуры Т. После прохождения периферийных каналов 4 сжатый и нагретый газ поступает в радиальные каналы 5. Здесь он адиабатически расширяется до давления Р, охлаждаясь при этом до температуры Т. Из формул адиабатического закона следует, что Р<Р, а Т<Т. Через уплотнительное устройство 7 газ при Р и Т по трубопроводу поступает на вход пневмодвигателя 8. Расширяясь в пневмодвигателе до давления Р газ совершает механическую работу, которая передается потребителю механической энергии, охлаждаясь при этом до температуры Т. Следует отметить, что Т<Т<Т. После выхода из пневмодвигателя 8 при давлении Р и температуре Т газ проходит через теплообменник 9, где изобарически охлаждается до температуры Т и вновь, с начальными параметрами Р и Т, поступает на вход в корпус 1. Согласно законам термодинамики для сжатия холодного газа от Р до Р и расширения горячего газа от Р до Р затрачивается и производится одинаковая работа, при этом: Т-Т=Т-Т. Следовательно, вращающийся цилиндрический корпус 1 не расходует механической энергии для сжатия и расширения газа, проходящего в каналах корпуса 1. Но, в виду неизбежных механических потерь при вращении корпуса 1 в подшипниках 2 и уплотнительных устройствах 6 и 7, для вращения корпуса 1 необходимо отбирать какое-то количество энергии или от пневмодвигателя 8 или от какого-либо дополнительного источника вращательного движения. В предлагаемой тепловой машине нет преобразования кинетической энергии газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно, влекущее за собой большие потери, как в газотурбинном двигателе, поэтому при одинаковых исходных, промежуточных и максимальных значениях температур, КПД предлагаемой тепловой машины выше, чем у газовой турбины. Для повышения удельной мощности начальное давление Р следует выбирать максимально высоким. Для повышения КПД преобразования тепловой энергии в механическую следует применять газ с высокой молярной массой и показателем адиабаты, например, ксенон или фторид серы (элегаз), а также поддерживать максимально высокую окружную скорость вращающегося цилиндрического корпуса, что влечет за собой больший перепад давлений и температур. Поскольку нагреватель никак не связан с подвижными деталями тепловой машины, то его нагрев до высокой температуры можно осуществлять любыми известными в технике способами, что повышает утилитарность предлагаемого тепловой машины.
На фиг.2 изображена тепловая машина, в которой рабочий газ получает нагрев от вещества-теплоносителя.
Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.2, состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. По оси вращения корпуса 1 установлены уплотнительное устройства 6, через которое производится подвод рабочего тела, например, газ ксенон, в корпус 1 и уплотнительное устройство 7, служащее для отвода рабочего тела. Через трубопровод уплотнительное устройство 7, служащее для выхода газа, соединено с входным каналом пневмотурбины 8. Выходной канал пневмотурбины (динамичекого пневмодвигателя) 8 трубопроводами через теплообменник 9 соединен с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Внутри корпуса 1 размещен также теплообменник 10, каналы которого находятся в тепловом контакте с периферийными каналами 4, в которых циркулирует рабочий газ. Через уплотнительные устройства 11 и 12 вещество-теплоноситель подводится к теплообменнику 10 и отводится от него. Вещество-теплоноситель нагревается перед подачей в теплообменник 10 в отдельном удаленном теплообменнике (на чертежах не показан) за счет любого известного в технике источника тепловой энергии.
Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.2, работает точно так же, как тепловая машина, изображенная на фиг.1 (что описано выше), за исключением того, что рабочий газ в периферийных каналах 4 нагревается не за счет теплового излучения от удаленного нагревателя, а путем теплообмена с веществом-теплоносителем в каналах теплообменника 10. В качестве вещества-теплоносителя целесообразно применять газ с низкой молярной массой, например, водород или гелий. Также в качестве вещества-теплоносителя могут непосредственно служить нагретые газы, образующиеся в какой-либо камере сгорания, что поможет отказаться от удаленного теплообменника для нагрева вещества-теплоносителя.