СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА И РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПАРОСИЛОВОМ ЦИКЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF USING FUEL AND WORKING MEDIUM IN STEAM POWER CYCLE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автомобилях, тракторах, строительной и сельскохозяйственной технике, эксплуатирующейся при переменных нагрузках, в старт-стопном режиме и при отрицательных климатических температурах.
Использование в поршневых силовых установках спирта, получаемого из растительного сырья, является альтернативой использованию углеводородного топлива, добываемого из недр Земли, и использованию воды с температурой замерзания 0°С в качестве рабочего тела. Использование поршневой паровой машины в транспортных средствах представляет альтернативу двигателю внутреннего сгорания благодаря более благоприятной моментной характеристике и отсутствию токсичных выбросов в атмосферу.
Известна паросиловая установка для автомобиля, разработанная и осуществленная американскими изобретателями Абнером и Уильямом Добл [Татищев B.C. Котлоагрегаты легких транспортных паросиловых установок / В.С. Татищев, Ю.А. Шебалин. - М: Машгиз, 1946 г.]. Установка содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром и разомкнутым топливным контуром. В паровом контуре последовательно расположены водяной бак, питательный насос, теплообменник для подогрева питательной воды, прямоточный парогенератор, дроссельный клапан, паровая поршневая машина, конденсатор, обдуваемый вентилятором. В топливном контуре упомянутой паросиловой установки последовательно расположены топливный бак, топливный насос, распылительная горелка, камера сгорания и выхлопная труба. Автомобили с такими паросиловыми установками успешно конкурировали с автомобилями, оснащенными двигателями внутреннего сгорания. Однако применение топлива нефтяного происхождения повышает токсичность выхлопных газов, применение дроссельного клапана ухудшает качество пара, применение отдельной топливной системы усложняет установку, а применение воды в качестве рабочего тела затрудняет эксплуатацию установки при отрицательных климатических температурах.
Известна паросиловая установка для автомобиля, разработанная австралийским инженером [Е. Pritchard. The Steam car - fact and fantasy // Light steam power. Vol. 21, №2, 1972. p. 58-65]. Паросиловая установка содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром и разомкнутым топливным контуром. В паровом контуре установка содержит последовательно расположенные водяной бак, питательный насос, прямоточный парогенератор, паровую поршневую машину, подогреватель питательной воды, конденсатор, обдуваемый вентилятором; в топливном контуре - топливный бак, топливный насос, горелку и выхлопную трубу. Установка имеет удовлетворительные экологические характеристики, но применение в качестве топлива керосина повышает токсичность выхлопа, применение отдельной топливной системы усложняет установку, а применение в качестве рабочего тела воды или антифриза затрудняет эксплуатацию установки при отрицательных климатических температурах.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является паросиловая установка для автомобиля, разработанная американской корпорацией STP [Экпресс-информация ВИНИТИ «Автомобилестроение». №45, 1969, реф. 246]. Установка содержит в замкнутом паровом контуре водяной бак, питательный насос, теплообменный подогреватель воды, прямоточный парогенератор, дроссельный клапан, поршневую паровую машину, смесительный конденсатор с циркуляционным насосом и радиатор, обдуваемый вентилятором. В топливном контуре установка содержит топливный бак, топливный насос, форсунку, камеру сгорания и выхлопную трубу. Несмотря на прогрессивное решение применить смесительный конденсатор, применение топлива нефтяного происхождения делает установку неэкологичной, применение дроссельного клапана ухудшает качество пара, применение отдельной топливной системы усложняет установку, а применение воды в качестве рабочего тела затрудняет эксплуатацию установки при отрицательных климатических температурах.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является: рекуперация тепла отработанного пара; сокращение вредных выбросов в атмосферу; упрощение конструкции силовой установки и увеличение ее ресурса; упрощение процедур обслуживания и эксплуатации, в особенности при низких отрицательных климатических температурах.
Сущность изобретения заключается в том, что, во-первых, традиционно применяемые в паросиловых установках рабочие среды - жидкое углеводородное топливо и воду (водяной пар) - заменяют одним веществом, применяемым как топливо и рабочее тело (топливо-рабочее тело), в качестве которого используют спирт, дающий при сгорании выброс в виде водяных паров и углекислого газа и имеющий температуру кипения, близкую к температуре кипения воды, а температуру замерзания - значительно ниже 0°С, во-вторых, топливо-рабочее тело сжигают в качестве топлива сразу после совершения им работы расширения в паровой машине, в-третьих, используют аккумулирование тепла специальной теплоаккумулирующей насадкой в объеме прямоточного парогенератора и, в-четвертых, регулирование мощности паровой машины производят регулированием массы подаваемого в прямоточный парогенератор топлива-рабочего тела.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема паросиловой установки для транспортного средства с использованием одного вещества и в качестве топлива, и в качестве рабочего тела (ТРТ). В зависимости от состояния теплоаккумулирующей насадки паросиловая установка для транспортного средства работает либо по схеме замкнутого парового контура, либо по схеме частично разомкнутого топливно-парового контура. При работе в замкнутом паровом контуре генерация пара происходит исключительно за счет запаса тепла в теплоаккумулирующей насадке и ТРТ циркулирует только в виде рабочего тела. При работе в частично разомкнутом топливно-паровом контуре часть пара, совершившего работу расширения, отвлекается в топливный контур и сгорает в камере сгорания, нагревая теплоаккумулирующую насадку, а через нее змеевик прямоточного парогенератора.
В замкнутом паровом контуре последовательно установлены бак 1 для хранения ТРТ, питательный насос 2 с регулятором производительности 3, управляемым педалью 4, двухходовой кран переключения направления подачи жидкого ТРТ 5 с электромагнитным приводом, газовый подогреватель 6, паровой подогреватель 7, змеевик 8 прямоточного парогенератора 9, погруженный в теплоаккумулирующую насадку 10, двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11, паровая машина 12 с реверсным механизмом парораспределения 13, управляемым рычагом 14, выхлопным коллектором 15, паровая утилизационная турбина 16 для привода воздуходувки 17 и электрогенератора 18, двухходовой кран переключения направления подачи отработанного пара 19 с электромагнитным приводом, смесительный конденсатор 20 с циркуляционным насосом 21, подающим конденсат из бака охлажденного конденсата 22, в который теплый конденсат из бака 1 подается радиаторным насосом 23 для охлаждения в радиаторе 24, маслоотделитель 25.
В частично разомкнутом топливно-паровом контуре к элементам замкнутого парового контура добавлены воздушный распределительный клапан 26, комбинированная горелка 27 с паровым соплом и топливной форсункой, электрическая свеча 28 и камера сгорания 29.
Частично разомкнутый топливно-паровой контур формируется путем включения двухходового крана переключения направления подачи отработанного пара 19 в положение подачи отработанного пара преимущественно в комбинированную горелку 27, переключения воздушного распределительного клапана 26 в положение подачи подогретого воздуха от воздуходувки 17 в комбинированную горелку 27 и подключения питания электрической свечи 28. Все указанные элементы управляются автоматической электронной системой, которая поддерживает температуру теплоаккумулирующей насадки 10 на заданном уровне.
Двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11 и рычаг 14 механически сблокированы таким образом, что поворот рычага 14 в положение вперед «впр» или назад «нзд» переводит двухходовой кран 11 в положение подачи перегретого пара в паровую машину 12, а поворот рычага 14 в нейтральное положение «0» переводит двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11 в положение подачи перегретого пара в паровую утилизационную турбину 16, минуя паровую машину 12.
Конструктивная разновидность паровой машины, касающаяся системы парораспределения, числа ступеней расширения, числа цилиндров, числа сторон воздействия пара на поршень может быть выбрана в зависимости от назначения и условий эксплуатации паросиловой установки для транспортного средства.
В качестве топлива-рабочего тела может быть использован биобутанол, имеющий температуру кипения 100°С и температуру замерзания -114°С.
Предлагаемая паросиловая установка для транспортного средства работает следующим образом. При ее запуске включаются электродвигатели питательного насоса 2, циркуляционного насоса 21 и радиаторного насоса 23. Питательный насос 2 забирает ТРТ из бака 1 и через двухходовой кран переключения направления подачи жидкого ТРТ 5, газовый подогреватель 6 и паровой подогреватель 7 подает в змеевик 8 прямоточного парогенератора 9, где ТРТ под воздействием запаса тепла в теплоаккумулирующей насадке 10 превращается в перегретый пар высокого давления. Через двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11 и реверсный механизм парораспределения 13 пар высокого давления подается в паровую машину 12, где совершает работу расширения. Отработанный пар из выхлопного коллектора 15 паровой машины 12 направляется в паровую утилизационную турбину 16, которая приводит в действие воздуходувку 17 и электрогенератор 18. Из паровой утилизационной турбины 16 пар поступает в паровой подогреватель 7, из которого двухходовым краном переключения направления подачи отработанного пара 19 в зависимости от теплового состояния теплоаккумулирующей насадки 10 направляется либо в смесительный конденсатор 20, либо в комбинированную горелку 27. Если температура теплоаккумулирующей насадки 10 выше минимально необходимой, то кран переключения направления подачи отработанного пара 19 устанавливается в положение подачи отработанного пара в смесительный конденсатор 20, где пар конденсируется, смешиваясь с распыленным и охлажденным конденсатом, подаваемым циркуляционным насосом 21 из бака охлажденного конденсата 22. Если температура теплоаккумулирующей насадки 10 снизилась до минимально допустимой, то двухходовой кран переключения направления подачи отработанного пара 19 переводится в положение подачи отработанного пара в комбинированную горелку 27. Одновременно воздушный распределительный клапан 27 переводится в положение подачи воздуха в комбинированную горелку 27 и включается электрическая свеча 28, воспламеняющая паровоздушную смесь. Паровоздушная смесь сгорает в камере сгорания 29, нагревает теплоаккумулирующую насадку 10 и змеевик 8, а продукты сгорания через газовый подогреватель 6 выбрасываются в атмосферу.
Функционирование камеры сгорания 29 продолжается до тех пор, пока температура теплоаккумулирующей насадки 10 не достигнет заранее установленного максимума. В этом случае кран переключения направления подачи отработанного пара 19 и воздушный распределительный клапан 26 будут переведены в исходное состояние, а электрическая свеча 28 будет выключена.
Во время стоянки автомобиля рычаг 14 реверсного механизма парораспределения 13 находится в нейтральном положении «0», пар в паровую машину 12 не поступает, а направляется двухходовым краном переключения направления подачи перегретого пара 11 напрямую в паровую утилизационную турбину 17.
Для начала движения автомобиля рычаг 14 переводят в положение «впр» или «нзд», одновременно двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11 направляет пар высокого давления в паровую машину. Отработанный пар из выхлопного коллектора 15 направляется в паровую утилизационную турбину 16 и далее в смесительный конденсатор 20 или в комбинированную горелку 27 в зависимости от положения двухходового крана переключения направления подачи отработанного пара 19.
Ускорение автомобиля при трогании с места и при движении устанавливается водителем нажатием на педаль 4. Таким образом, количество и качество пара, подаваемого в паровую машину 12, регулируют не дросселированием пара высокого давления на выходе из парогенератора, как это обычно принято, а изменением массы рабочего тела, подаваемого на вход прямоточного парогенератора 9.
Свойства пара зависят от соотношения температуры теплоаккумулирующей насадки 10 и производительности питательного насоса 2. Для торможения автомобиля водитель освобождает педаль 4, снижая производительность питательного насоса 2 до минимума, и переводит рычаг 14 в положение «нзд». Пар продолжает поступать в паровую машину 12, и ее работа происходит против движения (подача «контрпара»). После остановки автомобиля водитель переводит рычаг 14 в нейтральное положение «0». В экстренных случаях водитель может педалью 4 усилить эффект торможения.
При переводе автомобиля в режим длительной стоянки все устройства и механизмы паросиловой установки для транспортного средства отключатся, но в теплоаккумулирующей насадке 10 прямоточного парогенератора 9 останется запас тепла, достаточный для ее запуска через некоторое расчетное время.
Первоначальную автономную зарядку теплоаккумулирующей насадки 10 осуществляют путем сжигания в камере сгорания 29 вначале жидкого, а затем парообразного ТРТ. Для этого приводится в действие питательный насос 2, циркуляционный насос 21 и радиаторный насос 23, а также электрогенератор 18 в режиме электродвигателя, который приводит в действие воздуходувку 17. Через несколько секунд, в течение которых питательный насос 2 закачает в змеевик 8 прямоточного парогенератора 9 небольшое количество ТРТ, двухходовой кран переключения направления подачи жидкого ТРТ 5 переводится в положение подачи ТРТ в комбинированную горелку 27, включается электрическая свеча 28, а воздушный распределительный клапан 26 переводится в положение подачи воздуха в комбинированную горелку 27. Подаваемое в комбинированную горелку 27 жидкое ТРТ распыляется форсункой, расположенной соосно с паровым соплом, смешивается с воздухом и воспламеняется электрической свечой 28 в пространстве камеры сгорания 29. Продукты сгорания, прогоняемые через теплоаккумулирующую насадку 10, нагревают ее, нагревают змеевик 8 и через газовый подогреватель 6 выбрасываются в атмосферу. По достижении теплоаккумулирующей насадкой 10 температуры испарения ТРТ порция его, закачанная ранее, превращается в пар и через двухходовой кран переключения направления подачи перегретого пара 11 направляется в паровую утилизационную турбину 16, минуя паровую машину 12. Паровая утилизационная турбина 16 приводится в действие и снимает нагрузку с работающего в режиме электродвигателя электрогенератора 18, который переходит в режим генерации электрического тока. Отработанный пар краном переключения направления подачи отработанного пара 19 направляется в комбинированную горелку 27, где в смеси с воздухом воспламеняется и сгорает. При этом двухходовой кран переключения направления подачи жидкого ТРТ 5 переводится в положение подачи ТРТ в прямоточный парогенератор 9 и процесс подогрева теплоаккумулирующей насадки 10 переходит под контроль автоматической электронной системы, которая прекратит подогрев при достижении заранее обусловленной максимальной температуры. В этот же момент становится возможным начало движения автомобиля при продолжающемся процессе подогрева теплоаккумулирующей насадки 10.
Возможен также первоначальный нагрев теплоаккумулирующей насадки 10 от внешнего источника электрического тока с использованием в качестве нагревательного элемента электрически изолированного змеевика 8 прямоточного парогенератора 9 путем подключения напряжения к клеммам C1 и C2.
В качестве средства рекуперации энергии отработанного пара может быть применен вспомогательный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), для которого отработанный пар или часть его будет служить топливом, а система охлаждения и выхлопной коллектор этого ДВС - элементами системы подогрева ТРТ.