ТЕПЛОВАЯ МАШИНА
HEAT ENGINE

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано на теплоэлектростанциях и других промышленных предприятиях, в которых имеются большие отходы тепла.
Коэффициент полезного действия (КПД) в лучших образцах тепловых машин, преобразующих тепловую энергию источника тепловой энергии в механическую энергию, не превышает (примерно) 30%. В ряде производств, в частности, металлургической и химической промышленности, образуется большой отход тепла, который теряется в градирнях или других теплообменниках, возвращающих в производство охлаждающую воду. Таким образом, отходы тепла уносят более 70% тепловой энергии, которая, из-за низкотемпературного потенциала, эффективно не используется.
Атмосферное давление в поршневых тепловых машинах действует на поршень как при прямом, так и при обратном ходе и является аддитивной величиной. Полезная работа термодинамического цикла определяется в них только действием внутреннего давления и рабочим объемом цилиндра, поэтому эффективная работа этих машин возможна только при высоком температурном потенциале рабочего тела (пара, газа).
Работа поршневой машины на низкотемпературном рабочем теле возможна при использовании пара легко испаряющихся жидкостей. В частности, известна паросиловая установка [1], способная преобразовать тепловую энергию низкотемпературного источника тепла в механическую. Однако, эта паросиловая установка имеет существенные недостатки, не позволяющие эффективно использовать ее в промышленной выработке электроэнергии - низкий КПД (меньше обычных паровых машин), сложное и громоздкое устройство холодильника и инжектора для циклического возврата под вакуумом, отработанной рабочей жидкости в котел при малой мощности одной машины.
Наиболее близким аналогом изобретению по принципу действия является паровая машина Ползунова (далее машина Ползунова) [2].
По принципу действия машина Ползунова является вакуумной поршневой машиной. В машине Ползунова от котла в цилиндры подается насыщенный водяной пар, поднимающий поочередно в цилиндрах поршни, связанные цепью перекинутой через блок. Рабочий ход каждого цилиндра происходит, благодаря вакууму под поршнем. Поршни поочередно опускаются вниз после того, как в очередной цилиндр под поршень впрыскивается холодная вода, что приводит к конденсации насыщенного водяного пара в цилиндре, и создается вакуум. Таким образом, в термодинамическом цикле машины Ползунова полезную механическую работу совершает атмосферное давление, которое, по сути, является даровым источником энергии, а внутреннее, давление насыщенного пара в цилиндре служит только для кинематического продолжения цикла работы машины. Поэтому изобарный термодинамический цикл машины Ползунова наиболее экономичен. Теоретический КПД термодинамического цикла машины Ползунова равен разности атмосферного давления, опускающего поршень и внутреннего давления после конденсации насыщенного пара (вакуума) под поршнем, деленной на атмосферное давление. Поскольку давление насыщенного пара под поршнем после его конденсации несоизмеримо мало по сравнению с атмосферным давлением, то теоретический КПД термодинамического цикла машины Ползунова приближается к единице.
Целью изобретения является тепловая машина способная эффективно работать на низкотемпературных отходах тепла теплоэлектрических электростанций и других промышленных предприятий, в которых образуются большие отходы тепла.
Эта цель достигается в тепловой машине, содержащей основание, цилиндры с поршнями, вал отбора мощности, источник тепловой энергии и холодильник, причем в рабочие полости цилиндров, при минимальном объеме, дозированно залита, легко испаряющаяся жидкость, а сами цилиндры прикреплены, диаметрально, с двух сторон вблизи центра их тяжести, к паре звеньев ряда замкнутых эквидистантных цепей и образуют трассы из четырех или более таких рядов, последовательно сдвинутых друг относительно друга на одну четверть шага ряда цилиндров, на штоках поршней которых имеются зацепы, например, в виде канавок, а на крышке каждого цилиндра на шарнире укреплен рычаг с упором от пружины конца рычага в шток поршня и роликом на другом его конце напротив копира, установленного на основании в каждом ряду трассы ряда цилиндров, с возможностью одностороннего закрепления рычагом и открепления копиром штока поршня, на конце которого имеется коромысло, а напротив концов коромысла на основании, установлены шарнирно два крючкообразных анкера, с возможностью закрепления концов коромысла крючками анкеров, причем каждая пара цепей, на которых прикреплены цилиндры, входит в зацепление с приводными звездочками общего вала отбора мощности и холостыми звездочками трассы, имеющей две ниспадающие петли из рядов цилиндров, одна из которых погружена в источник тепловой энергии, например, в емкость с горячей водой, а другая в холодильник, например, в емкость с холодной водой.
Изобретение иллюстрируется на фиг.1, где изображен, схематично, один ряд цилиндров трассы, фиг.2 - вид сбоку на отдельный цилиндр, фиг.3 - вид сверху по стрелке C, на фиг.4 - разрез по D-D, на фиг.5 - разрез по E-E.
Тепловая машина (далее - машина) содержит однотипные цилиндры 1 (фиг 1 и 2), прикрепленные диаметрально вблизи центра их тяжести, с двух противоположных сторон к одному звену эквидистантных цепей 2 и 3 (фиг.3). Цепи 2 и 3 с прикрепленными цилиндрами образуют трассу замкнутого ряда цилиндров с шагом t (фиг.1). Число трасс рядов цилиндров может быть любым, но не менее четырех (в зависимости от требуемой мощности машины). Каждый ряд цилиндров смещен относительно соседнего, последовательно, на одну четверть шага t. Цилиндры 1 (фиг.2) максимально облегчены и изготовлены из алюминиевого сплава с тонкими стенками и внешними ребрами жесткости. Внутри каждого цилиндра 1 размещен, максимально облегченный, поршень 4 из алюминиевого сплава с уплотнительными резиновыми кольцами 5. Через отверстие для резьбовой пробки 6 в задней крышке 7, при минимальном объеме полости F цилиндра 1 (в положении поршня 4 у задней крышки 7) дозированно залита, легко испаряющаяся жидкость, которая может, при необходимости, пополнятся. Передняя крышка 8 и задняя крышка 7, максимально облегчены и изготовлены из алюминиевого сплава. Передняя крышка 8 цилиндра 1 имеет сквозные отверстия в форме сегментов, разделенных перемычками, а через ее центральное отверстие проходит шток 9, скрепленный с поршнем 4. Шток 9 имеет зацеп, например, в виде ступенчатой канавки. На передней крышке 8 шарнирно установлен рычаг 10. Пластинчатая пружина 11 постоянно прижимает конец рычага 10 к штоку поршня 9. Другой конец рычага 10 снабжен роликом 12, напротив копира 13 (фиг.1 и 2). Копиры 13 установлены на основании машины в пространстве между приводной звездочкой 14 (фиг.1) на валу отбора мощности 15 и холостыми звездочками 16, с возможностью регулировки положения вдоль направления трассы. Конец штока 9 (фиг.2) поршня 4 соединен с коромыслом 17 осью 18 (фиг.3 и 4). Края коромысла 17 расположены напротив крючкообразных анкеров 19 и 20 (фиг.3 и 5) каждого ряда цилиндров трассы на шарнирах 21 и 22 (фиг.3), прикрепленных к основанию машины. В положении коромысла 17 рядом с копиром 13 концы коромысла 17 опираются на прикрепленные к основанию машины и ограниченные по длине жесткие постели 23 и 24 (фиг.4).
В подвале, ниже отметки уровня пола 0,0 (фиг.1), размещены емкость 25 с горячей водой (источник тепла) и емкость с холодной водой 26 (холодильник). Цепи 2 и 3 (фиг.3), изображенные пунктиром (фиг.1), зацепляются с приводными звездочками 14 на валу отбора мощности 15 и холостыми звездочками 16, 27, 28 и 29 так, что часть цилиндров 1 погружена в емкость с горячей водой 25, а другая часть в емкость с холодной водой 26 за счет ниспадающих петель трассы ряда цилиндров 1.
Машина имеет стартовый и стационарный (рабочий) режимы работы. При достаточно длительной стартовой прокрутке вала отбора мощности 15 (фиг.1), от стартера против часовой стрелки, ряд цилиндров 1 перемещается справа налево по стрелке A (фиг.1).
Все цилиндры 1 работают идентично, поэтому достаточно рассмотреть работу на примере одного цилиндра 1 (далее, цилиндра). Пусть этот цилиндр находится в исходном положении перед погружением в горячую воду емкости 25, а его поршень находится у задней крышки 7 (фиг.2). Перемещаясь вниз (фиг.1), при стартовой прокрутке вала отбора мощности 15, цилиндр погружается в емкость 25 с горячей водой. За время движения в ней, легкоиспаряющаяся жидкость, залитая внутрь цилиндра, вскипает и в цилиндре создается давление ее насыщенных паров, превышающее атмосферное, которое перемещает в цилиндре поршень 4 (фиг.2) к передней крышке 8, причем упор рычага 10 западает в зацеп на штоке 9, препятствуя его возврату обратно. Цилиндр выходит из емкости 25 (фиг.1) и, после поворота на холостой звездочке 28, погружается в емкость 26 с холодной водой. За время нахождения в емкости 26, существенно более длительного, чем в емкости 25, цилиндр охлаждается, насыщенный пар легкоиспаряющейся жидкости конденсируется и в цилиндре под поршнем 4 в полости F (фиг.2) создается вакуум, так как поршень 4 остается закрепленным упором рычага 10 у передней крышки 8. Таким образом, цилиндр становится аккумулятором потенциальной механической энергии, благодаря постоянной разности атмосферного давления и вакуума в полости F, при закрепленном поршне 4. Продвигаясь вверх, цилиндр огибает пару приводных звездочек 14 (фиг.1), принимая горизонтальное положение. Перемещаясь в горизонтальном положении, вначале коромысло 17 (фиг.4) ложится на постели 23 и 24, а затем его выступающие концы заходят за крючки анкеров 19 и 20 (фиг.3 и 5), которые западают за концы коромысла 17. Копир 13 (фиг.1 и 2) отрегулирован так, что сразу, после западания коромысла 17 под крючки анкеров 19 и 20 за его концы, копир 13, при движении цилиндра, через ролик 12, нажимает на рычаг 10 (фиг.2) и его конец освобождает шток 9 поршня 4. За счет разности давлений (атмосферного и внутри цилиндра) цилиндр натягивает цепи 2 и 3 и передает, запасенную ранее, потенциальную энергию через приводные звездочки 14 (фиг.1) валу отбора мощности 15, поскольку шток 9 поршня 4 (фиг.2) удерживается через коромысло 17 крючкообразными анкерами 19 и 20 (фиг.3). Поршень 4 (фиг.2) возвращается к задней крышке 7 в прежнее положение. С этого момента машина переходит на стационарный режим работы. Фактически стартовый режим несколько короче и заканчивается сразу после вступления в работу цилиндров, погруженных в емкость 25 (фиг.1) с горячей водой. Работа каждого цилиндра в стационарном режиме аналогична работе в стартовом режиме. Стационарный режим работы машины происходит непрерывно благодаря тому, что соседние ряды цилиндров сдвинуты относительно друг друга на одну четверть шага t (фиг.1), а ход поршней 4 цилиндров 1 превышает этот сдвиг, так что в работу вступают последовательно соседние ряды цилиндров и суммируют на нагрузке вала отбора мощности 15 вращающий момент. Для бесперебойной работы машины температура горячей воды в емкости 25 (фиг.1) и холодной воды в емкости 26 должна быть постоянной за счет автоматического поддержания соотношения притока и оттока воды в емкостях 25 и 26.
Для нормальной работы машины необходимо, чтобы давление насыщенного пара легкоиспаряющейся жидкости, залитой в цилиндры 1, превышало атмосферное при температуре горячей воды в емкости 25, а температура холодной воды в емкости 26, по возможности, была наиболее низкой. Этому условию соответствует использование ряда легко испаряющихся жидкостей. Например, у легкоиспаряющейся жидкости - ацетона, давление паров насыщенного пара превышает атмосферное уже при температуре +60°C (860 мм ртутного столба), а конденсация насыщенного пара происходит при температуре ниже +56°C [3].
Режим остановки машины может быть аварийным или нормальным. Аварийный режим остановки машины достигается принудительным подъемом всех крючкообразных анкеров 19 и 20 (фиг.3 и 5), например, с помощью электромагнитов. Для нормальной остановки машины необходимо слить горячую воду из емкости 25 (фиг.1), но при этом машина сразу не остановится, пока не будет выработана вся потенциальная энергия, запасенная в цилиндрах 1, после чего машина остановится.
Предлагаемая машина имеет ряд положительных особенностей преобразования энергии тепловых отходов, рассеянных в большой массе низкотемпературного теплоносителя, в механическую энергию, которые позволяют эффективно использовать эту энергию для выработки электроэнергии. К таким особенностям относятся: (1) отсутствия котла и устройства парораспределения, что упрощает изготовление и эксплуатацию машины, (2) высокий КПД термодинамического цикла работы, растянутого во времени, что позволяет работать машине на низкотемпературном теплоносителе, (3) накопление механической энергии в большом количестве отдельных аккумуляторов механической энергии (отдельных цилиндрах), непрерывно собирающих и накапливающих рассеянную тепловую энергию от большой массы тепловых отходов, что позволяет получить достаточно большую мощность для привода электрогенератора, (4) выделение фазы медленного преобразования низкотемпературной тепловой энергии в потенциальную энергию аккумуляторов механической энергии и транспортирования ее для последующей фазы быстрой отдачи ее валу отбора мощности, что позволяет получить достаточно большую скорость его вращения.
Применение предлагаемой машины на теплоэлектростанциях позволит сократить потребность в теплоносителях, а также сократить потребление электроэнергии от внешних поставщиков на предприятиях, где образуется большая масса низкотемпературных отходов. Неисключено также применение машины для выработки электроэнергии на дешевых энергоносителях, например, торфе, отходов древесины и др.
Список источников
1. Патент Рос.Фед. N9 2003814, Бюлл. изобр. Ns 43-44, от 30.11.1993 г.
2. Прототип. См. Данилевский В.В. - И.И. Ползунов. Труды и жизнь первого русского теплотехника, М. - Л. Изд. АН СССР, 1940 г.
3. Краткий физико-технический справочник под ред. К.П. Яковлева, том первый - М: изд. ФМ лит., 1960, с.341, 346.