БОЛЬШЕОБЪЕМНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА
LARGE-VOLUME THERMAL MACHINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY

Изобретение относится к области тепловой энергетики, в частности к тепловым поршневым многоцилиндровым машинам и с внешним подводом тепла, используемых в энергоустановках по утилизации низкотемпературного тепла технологических процессов, в энергоустановках, использующих геотермальное тепло, а также в энергоустановках использующих для работы природные теплоносители с небольшой разностью температур.
Известна тепловая машина (см. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга, Москва, изд. «Мир», 1986 г., стр.101, рис.1.85), содержащая полость с частичным жидкостным заполнением и газовым заполнением, выполняющим функции рабочего тела в термодинамическом цикле Стирлинга, в оставшейся части полости, вторую полость с частичным жидкостным заполнением и газовым заполнением в оставшейся части полости, жидкостные части полостей соединены трубопроводом, а газовые части соединены между собой через нагреватель, регенератор и холодильник.
Недостатком известного устройства являются малые объемы рабочих полостей (доли литра) и незначительная мощность, обусловленные автоколебательными процессами в жидкостной части машины.
Наиболее близкой по технической сущности является многоцилиндровая тепловая машина с внешним подводом тепла (Авторское свидетельство СССР №1460382, Кл. F02G 1/00, 1/04, опубл. 23.02.1989), содержащая группу полостей на горячей стороне машины, разделенных на жидкостную и газовую часть, группу полостей на холодной стороне машины, разделенных на жидкостную и газовую часть, жидкостные объемы полостей на горячей и холодной стороне машины соединены трубопроводами с полостями объемной гидромашины, а противоположные газовые объемы соединены между собой через нагреватели, регенераторы и холодильники.
Недостатком известного устройства являются небольшие объемы (единицы литров) рабочих полостей, заполненных газообразным рабочим телом, обусловленные соответствующими объемами полостей гидромашины. При небольших рабочих объемах для получения существенной мощности необходимо обеспечить значительную разность температур между горячей и холодной стороной машины. Между тем, в технологических процессах и в природе существует огромное количество неиспользуемой теплоты с разностью температурных потенциалов до 100°С.
Техническим решением изобретения является увеличение мощности тепловой машины за счет существенного увеличения объемов рабочих полостей (до десятков тысяч литров) и интенсификации теплообмена при незначительных массогабаритных показателях кинематической части тепловой машины.
Эта техническая задача достигается тем, что в известную большеобъемную тепловую машину с внешним подводом тепла, содержащую группу полостей на горячей стороне машины, разделенных на жидкостную и газовую часть, вторую группу полостей на холодной стороне машины, разделенных на жидкостную и газовую часть, а противоположные газовые объемы соединены между собой последовательно соединенными нагревателями, регенераторами и холодильниками, введены объемные гидромашины по числу пар противоположных полостей на горячей и холодной стороне тепловой машины, имеющие на входе и выходе управляемые двухходовые вентили, причем газовая полость первого объема на горячей стороне соединена собственным нагревателем, регенератором и холодильником с газовой полостью второго объема на холодной стороне машины, газовая полость второго объема на горячей стороне соединена собственным нагревателем, регенератором и холодильником с газовой полостью третьего объема на холодной стороне машины, газовая полость третьего объема на горячей стороне соединена собственным нагревателем, регенератором и холодильником с газовой полостью четвертого объема на холодной стороне машины, газовая полость четвертого объема на горячей стороне соединена собственным нагревателем, регенератором и холодильником с газовой полостью первого объема на холодной стороне машины, жидкостная полость первого объема на горячей стороне машины соединена с первым входом входного управляемого вентиля первой пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины и с первым выходом выходного управляемого вентиля третьей пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля первой пары объемов соединен первой объемной гидравлической машиной со входом выходного управляемого вентиля первой пары противоположных объемов, первый выход которого соединен с жидкостной полостью первого объема на холодной стороне и с первым входом входного управляемого вентиля третьей пары противоположных объемов, жидкостная полость второго объема на горячей стороне машины соединена с первым входом входного управляемого вентиля второй пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины и с первым выходом выходного управляемого вентиля четвертой пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля второй пары объемов соединен второй объемной гидравлической машиной с входом выходного управляемого вентиля второй пары противоположных объемов, первый выход которого соединен с жидкостной полостью второго объема на холодной стороне и с первым входом входного управляемого вентиля 24 четвертой пары противоположных объемов, жидкостная полость третьего объема на холодной стороне машины соединена со вторым входом входного управляемого вентиля третьей пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины и со вторым выходом выходного управляемого вентиля второй пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля 19 третьей пары объемов соединен третьей объемной гидравлической машиной со входом выходного управляемого вентиля третьей пары противоположных объемов, второй выход которого соединен с жидкостной полостью третьего объема на горячей стороне и со вторым входом входного управляемого вентиля первой пары противоположных объемов, жидкостная полость четвертого объема на холодной стороне машины соединена со вторым входом входного управляемого вентиля четвертой пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины и со вторым выходом выходного управляемого вентиля второй пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля четвертой пары объемов соединен четвертой объемной гидравлической машиной со входом выходного управляемого вентиля четвертой пары противоположных объемов, второй выход которого соединен с жидкостной полостью четвертого объема на горячей стороне и со вторым входом входного управляемого вентиля второй пары противоположных объемов, объемные гидравлические машины соединены общим валом, группы объемов на горячей и холодной стороне машины имеют датчики верхнего, срединного и нижнего уровней изменяющихся жидкостных полостей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема тепловой машины, на фиг.2 показана диаграмма изменения объемов жидкостных полостей машины на ее горячей стороне в зависимости от времени, на фиг.3 приведена диаграмма изменения объемов газовых полостей на горячей и холодной стороне машины, с помощью которых осуществляется один из четырех циклов Стирлинга.
Большеобъемная тепловая машина с внешним подводом тепла содержит группу 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 объемов на горячей стороне тепловой машины, имеющих частичное жидкостное заполнение и газовое заполнение в оставшейся полости объемов, группу 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 объемов на холодной стороне тепловой машины, имеющих также частичное жидкостное заполнение и газовое заполнение в оставшейся полости объемов, причем начальное жидкостное заполнение полостей на горячей стороне, начиная с первого объема 1-1, подчиняется соотношению 1:0,5:0:0,5, а на холодной стороне, начиная с первого объема 2-1, жидкостное заполнение объемов подчиняется противофазному соотношению 0:0,5:1:0,5, газовая полость первого объема на горячей стороне через нагреватель 3, регенератор 4 и холодильник 5 соединена с газовой полостью второго объема 2-2 на холодной стороне машины, газовая полость второго объема 1-2 на горячей стороне через нагреватель 6, регенератор 7 и холодильник 8 соединена с газовой полостью третьего объема 2-3 на холодной стороне машины, газовая полость третьего объема 1-3 на горячей стороне через нагреватель 9, регенератор 10 и холодильник 11 соединена с газовой полостью четвертого объема 2-4 на холодной стороне машины, газовая полость четвертого объема 1-4 на горячей стороне через нагреватель 12, регенератор 13 и холодильник 14 соединена с газовой полостью первого объема 2-1 на холодной стороне машины, жидкостная полость первого объема 1-1 на горячей стороне машины соединена с первым входом входного управляемого вентиля 15 первой пары противоположных объемов 1-1 и 2-1 на горячей и холодной стороне машины и с первым выходом выходного управляемого вентиля 16 третьей пары противоположных объемов 1-3 и 2-3 на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля 15 первой пары объемов через первую объемную гидравлическую машину 17 соединен со входом выходного управляемого вентиля 18 первой пары противоположных объемов 1-1 и 2-1, первый выход которого соединен с жидкостной полостью первого объема 2-1 на холодной стороне и с первым входом входного управляемого вентиля 19 третьей пары противоположных объемов 1-3 и 2-3, жидкостная полость второго объема 1-2 на горячей стороне машины соединена с первым входом входного управляемого вентиля 20 второй пары противоположных объемов 1-2 и 2-2 на горячей и холодной стороне машины и с первым выходом выходного управляемого вентиля 21 четвертой пары противоположных объемов 1-4 и 2-4 на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля 20 второй пары 1-2 и 2-2 объемов через вторую объемную гидравлическую машину 22 соединен со входом выходного управляемого вентиля 23 второй пары противоположных объемов 1-2 и 2-2, первый выход которого соединен с жидкостной полостью второго объема 2-2 на холодной стороне и с первым входом входного управляемого вентиля 24 четвертой пары противоположных объемов 1-4 и 2-4, жидкостная полость третьего объема 2-3 на холодной стороне машины соединена со вторым входом входного управляемого вентиля 19 третьей пары противоположных объемов на горячей и холодной стороне машины и со вторым выходом выходного управляемого вентиля 23 второй пары противоположных объемов 1-2 и 2-2 на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля 19 третьей пары объемов через третью объемную гидравлическую машину 25 соединен со входом выходного управляемого вентиля 16 третьей пары противоположных объемов 1-3 и 2-3, второй выход которого соединен с жидкостной полостью третьего объема 1-3 на горячей стороне и со вторым входом входного управляемого вентиля 15 первой пары противоположных объемов, жидкостная полость четвертого объема 1-4 на холодной стороне машины соединена со вторым входом входного управляемого вентиля 24 четвертой пары противоположных объемов 1-4 и 2-4 на горячей и холодной стороне машины и со вторым выходом выходного управляемого вентиля 23 второй пары противоположных объемов 2-1 и 2-2 на горячей и холодной стороне машины, выход входного управляемого вентиля четвертой пары объемов 1-4 и 2-4 через четвертую объемную гидравлическую машину 26 соединен со входом выходного управляемого вентиля 21 четвертой пары противоположных объемов 1-4 и 2-4, второй выход которого соединен с жидкостной полостью четвертого объема 1-4 на горячей стороне и со вторым входом входного управляемого вентиля 20 второй пары противоположных объемов 1-2 и 2-2, объемные гидравлические машины 17, 22, 25, 26 соединены общим валом 27 с укрепленным на валу 27 маховиком 28, группы объемов 1 и 2 на горячей и холодной стороне машины имеют датчики 29, 30 и 31 верхнего, срединного и нижнего уровней изменяющихся жидкостных полостей.
Большеобъемная тепловая машина с внешним подводом тепла работает следующим образом.
В начальный момент времени жидкостное заполнение объемов на горячей стороне, начиная с первого объема 1-1, подчиняется соотношению 1:0,5:0:0,5, а на холодной стороне, начиная с первого объема 2-1, жидкостное заполнение объемов подчиняется противофазному соотношению 0:0,5:1:0,5. Положение управляемых вентилей 15, 18, 20, 23, 16, 19, 21, 24 определяется управляющими сигналами S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 и в начальный момент времени сигналы управления определяют следующее положение управляемых вентилей. Входной вентиль 15 открыт по первому входу, выходной вентиль 18 открыт по первому выходу, входной вентиль 20 открыт по первому входу, выходной вентиль 23 открыт по первому выходу, входной вентиль 19 открыт по второму входу, выходной вентиль 16 открыт по второму выходу, входной вентиль 24 открыт по второму входу, выходной вентиль 21 открыт по второму выходу. При подводе тепла через нагреватели 3, 6, 9, 12 к рабочему телу в полостях первой группы 1 объемов давление рабочего тела повышается и через жидкостное заполнение объемов приводит во вращение объемные гидромашины 17 и 22. Поскольку все объемные гидромашины соединены общим валом 27, объемные гидромашины 25 и 26, работающие как гидронасосы, перекачивают жидкость из объема 2-3 в объем 1-3 и из объема 2-4 в объем 1-4. На диаграмме фиг.2 представлены зависимости жидкостных объемов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 на горячей стороне машины от времени. Датчики 29, 30, 31, расположенные на всех объемах машины, определяют крайние положения жидкостного заполнения в объемах и при достижении этих значений система управления осуществляет переключение управляемых вентилей. Так, на 30-й условной отметке времени управляемые вентили 20 и 23, 21 и 24 меняют свое состояние на противоположное и объемная гидромашина 22 производит уменьшение объема 1-4, а объемная гидромашина 26, работающая как гидронасос производит увеличение объема 1-2. Аналогичные процессы происходят и на 60-й условной единице времени. Управляемые вентили 15 и 18, 16 и 19 меняют свое состояние на противоположное и объемная гидромашина 17 производит уменьшение объема 1-3, а объемная гидромашина 25, работающая как гидронасос, производит увеличение объема 1-1. Как видно из диаграмм фиг.2, периодические процессы изменения объемов первой группы 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 имеют последовательный сдвиг по фазе на четверть периода. Такое положение имеет важное значение для получения максимальной мощности и КПД в цикле Стирлинга. Для этого газовая полость объема 1-1 через нагреватель 3, регенератор 4 и холодильник 5 соединена с газовой полостью объема 2-2, газовая полость объема 1-2 через нагреватель 6, регенератор 7 и холодильник 8 соединена с газовой полостью объема 2-3, газовая полость объема 1-3 через нагреватель 9, регенератор 10 и холодильник 11 соединена с газовой полостью объема 2-4, а газовая полость объема 1-4 через нагреватель 12, регенератор 13 и холодильник 14 соединена с газовой полостью объема 2-1.
Рассмотрим более подробно один термодинамический цикл Стирлинга, осуществляемый в газовых полостях объемов 1-1 и 2-2. Очевидно, что объемы газовых полостей изменяются в противофазе от объемов жидкостных полостей, поэтому на фиг.3 изображено изменение объемов в газовых полостях объемов 1-1 и 2-2, имеющих газодинамическую связь через нагреватель 3, регенератор 4 и холодильник 5.
Таким образом, при подводе тепла к группе объемов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 и отводе тепла от группы объемов 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 объемные гидромашины 17 и 22 работают как гидромоторы, а объемные гидромашины 25 и 26 работают как гидронасосы. Поскольку все гидромашины соединены единым валом 27, часть мощности, производимой гидромоторами, расходуется на привод гидронасосов. Оставшаяся часть мощности может быть использована на привод электрогенератора и выработку электроэнергии. Существенным моментом является то, что вал 27 и роторы всех гидромашин постоянно вращаются в одну сторону, в то время как жидкостные потоки в полостях перемещаются челночно, что позволяет избежать инерционных потерь в механической части машины.
Поскольку объемы горячих и холодных полостей не определяются объемными параметрами гидромашин, формы и величины объемов могут быть выбраны из условий оптимального теплообмена между нагревателем и рабочим телом. Например, для геотермальной установки объемы на горячей стороне машины могут быть выполнены в виде плоских блоков с большой верхней поверхностью, через которую происходит теплообмен термальной воды и газообразного рабочего тела. Очевидно, что чем больше поверхность теплообмена, тем более эффективно происходит передача тепловой энергии от теплоносителя к рабочему телу, а это, в конечном итоге, приводит к увеличению мощности тепловой машины.
Использование изобретения позволяет реализовать большие объемы рабочих полостей тепловой машины при незначительных массогабаритных показателях кинематической части машины, что, в свою очередь, приводит к увеличению мощности тепловой машины.