Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью
STIRLING ENGINE WITH CONTROLLED OUTPUT POWER

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям внешнего сгорания, работающим по циклу Стерлинга на твердом, жидком, газообразном топливе или другом источнике тепла.
На основе просмотра и анализа технической литературы и патентов по МПК F02G 1/043, F25B 9/14, F02G 1/05, F02G 5/02, F02G 5/04, F02G 3/00, F01C 1/344, F02G 1/045, F02B 71/04, H02K 35/02, H02K 7/18, H02K 35/06, F02G 1/055, F02G 1/053, Е03В 3/28, B01D 5/00, F04B 35/01, F02F 3/00, F02F 3/28, F16J 1/00, F02G 1/04, F01B 29/10, F23D 14/18, F01B 23/10, F25B 27/02, а также патентов по СПК F16J 1/001, выявлены аналоги:
- RU №162044 от 20.05.2016 по МПК F02G 1/05;
- RU №2135804 от 27.08.1999 по МПК F02G 1/04, F01B 29/10, F23D 14/18;
- RU №191262 от 31.07.2019 по МПК F02G 1/043, F02G 1/045, F02G 5/04, H02K 7/18, F01B 23/10;
- RU №2440504 от 20.01.2012 по МПК F02G 1/043, F02G 5/04, F25B 27/02.
В качестве прототипа принято техническое решение на основе полезной модели "Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью" - патент RU №162044 от 20.05.2016 по МПК F02G 1/05.
По данному техническому решению двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью включает в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения.
Признаки известного двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в том, что заявляемый двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью включает в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что технические средства известного двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью не позволяют обеспечить его высокие эксплуатационно-технические, экономические и экологические характеристики.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении эксплуатационно-технических, экономических и экологических характеристик.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит в создании технических средств, позволяющих повысить эксплуатационно-технические, экономические и экологические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, энергетическую эффективность, коэффициент полезного действия и экологичность выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов.
Достигается технический результат тем, что в заявляемом двигателе Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, включающем в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения, и при этом низкотемпературная беспламенная горелка снабжена радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, приемник тепла имеет конструкцию с возможностью предварительного подогрева поступающих газа и воздуха до 950°С, а в качестве утилизатора тепла используются теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах, например, для подогрева сырой нефти, технологической воды с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу.
Достигается технический результат также и тем, что теплообменники и дымосос имеют конструкцию с возможностью выброса продуктов горения в атмосферу при температуре не выше 50°С.
Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемого двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью позволяют осуществить следующее.
Во-первых, созданные технические средства позволяют повысить эксплуатационно-технические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, повысить энергетическую эффективность рабочего процесса двигателя за счет достижения высокой полноты сгорания топлива (газ + воздух) и максимального использования вырабатываемой в двигателе тепловой энергии при движении продуктов горения по всему тепловому тракту двигателя вплоть до выброса их в атмосферу. Сказанное обеспечивается тем, что двигатель Стирлинга содержит в составе нагревателя низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а также и тем, что низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию и блок управления процессом горения с возможностью обеспечения процесса горения при заданном диапазоне температур, в частности при 1050-1200°С.
А максимальное использование вырабатываемой в двигателе тепловой энергии при движении продуктов горения по всему тепловому тракту двигателя вплоть до выброса их в атмосферу обеспечивается тем, что двигатель Стирлинга снабжен приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим компонентам топлива (газу и воздуху) для предварительного их подогрева до оптимальной температуры 950°С, а также и тем, что двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью снабжен утилизатором тепла продуктов горения топлива (газ + воздух), в качестве которых используются, в частности, теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах (например, для подогрева сырой нефти, технологической воды и т.п.) с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу при минимальной температуре (не выше 50°С).
Во-вторых, созданные технические средства позволяют повысить экономические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, экономические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, заключающиеся в повышении коэффициента полезного действия (КПД) всего двигателя за счет наличия блока управления процессом горения с возможностью обеспечения процесса горения при заданных параметрах (расход, температура, организация движения исходных компонентов топлива и продуктов их горения) и процессов тепломассопереноса.
В-третьих, созданные технические средства позволяют повысить экологические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, состоящие в обеспечении экологичности выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов за счет того, что низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С. Теорией и экспериментами показано, что при такой температуре (и не выше) процент вредных веществ в продуктах горения минимален, а при более высоких температурах этот процент резко возрастает. Блок управления процессом горения в составе низкотемпературной беспламенной горелки обеспечивает процесс горения при оптимальной температуре в диапазоне 1050-1200°С, при которой и процесс горения стабилен, и процент вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, минимален. При этом низкотемпературная беспламенная горелка снабжена радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, что также снижает общий поток тепловых выбросов в атмосферу и способствует повышению ресурса работы двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, что составляет часть эксплуатационно-технических характеристик двигателя.
Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку, снабженную радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, с возможностью передачи тепла цилиндру, приемник тепла имеет конструкцию с возможностью предварительного подогрева поступающих газа и воздуха до 950°С, а в качестве утилизатора тепла используются теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах, например, для подогрева сырой нефти, технологической воды с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу.
При этом в двигателе Стирлинга с регулируемой выходной мощностью теплообменники и дымосос имеют конструкцию с возможностью выброса продуктов горения в атмосферу при температуре не выше 50°С.
Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1 - фиг. 3), на которых представлен двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью и дано обоснование некоторых его характеристик.
Фиг. 1 - структурная схема двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью с включенной в нее низкотемпературной беспламенной горелкой.
Фиг. 2 - фрагмент (часть) двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, низкотемпературная беспламенная горелка с устройствами подвода компонентов топлива к ней и с устройствами отвода продуктов горения от нее вплоть до выброса их в атмосферу.
Фиг. 3 - график зависимости образования выбросов токсичных веществ от температуры горения топлива (газ + воздух).
Двигатель Стирлинга (фиг. 1) содержит цилиндр 1, в котором установлены вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни, разделяющие объем цилиндра 1 на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень 3 кинематически связан с исполнительным механизмом 4 через шток рабочего поршня 5. На внешней поверхности цилиндра 1 размещены нагреватель 6 и охладитель 7, между которыми установлен регенератор 8, при этом цилиндр 1 заполнен рабочим газом 9, подаваемым по трубопроводу через обратный клапан 10 и электромагнитный питательный клапан 11 от блока подготовки смеси рабочего газа 12, включающего смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры. Блок имеет соединение с баллонами фонового и дополнительного однокомпонентных рабочих газов 13 через электромагнитные обратные клапаны 14, регулируемые управляющим устройством 15. Кроме того, цилиндр двигателя 1 и блок подготовки смеси газа содержат электромагнитные обратные клапаны сброса избытка газа 16 и 17 соответственно. Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью содержит в составе нагревателя 6 низкотемпературную беспламенную горелку 18 с возможностью передачи тепла цилиндру 1. Низкотемпературная беспламенная горелка 18 снабжена радиационной трубой 24, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения.
Основным принципом цикла Стирлинга является периодический нагрев и охлаждение рабочего тела, находящегося в цилиндре двигателя, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объема рабочего тела.
В заявляемом изобретении используется устройство, изменяющее состав рабочего тела в процессе работы двигателя. В качестве рабочего тела используется двухкомпонентный газ, представляющий собой смесь двух газов, имеющих различные термодинамические свойства, например, гелий и азот. Поскольку, коэффициент теплопроводности гелия значительно выше азота, его применение в качестве рабочего тела будет обуславливать более высокую частоту движения поршня, чем при использовании азота. Таким образом, варьируя их процентное массовое содержание, в процессе работы становится возможным регулировать выходные механические характеристики двигателя при максимальной термодинамической эффективности двигателя.
Устройство работает следующим образом.
При стартовом запуске двигателя цилиндр 1 заполнен фоновым однокомпонентным газом, имеющим требуемое рабочее давление. При этом двигатель работает по циклу Стирлинга, обеспечивая выработку соответствующей номинальной выходной мощности на исполнительном механизме 4.
При необходимости изменения выходной мощности двигателя, на управляющее устройство 15 поступает внешняя команда управления в виде цифрового кодированного сигнала об установке необходимой выходной мощности двигателя. Контроллер управляющего устройства 15 по внутреннему алгоритму рассчитывает требуемое соотношение концентраций газов, с учетом последующего смешения с фоновым газом, находящемся в цилиндре двигателя, и передает задание на блок подготовки газовой смеси 12. В смесительную камеру блока подготовки газовой смеси 12 через электромагнитные обратные клапаны 14 поступает дозированное количество однокомпонентных газов из баллонов 13, необходимых для обеспечения заданного режима работы. Параметры газа внутри смесительной камеры контролируются датчиками давления и температуры. Обратный клапан 17 в составе блока подготовки газовой смеси 12 обеспечивает аварийный сброс давления в случае превышения максимального безопасного рабочего уровня.
После подготовки газа в блоке 12, через электромагнитный питательный клапан 11 и обратный клапан 10 в цилиндр 1 подается подготовленная смесь газов, при этом избыток фонового газа сбрасывается через электромагнитный клапан сброса 16. За счет высоких диффузионных свойств газов переходной период изменения состава рабочего тела в цилиндре минимален.
В связи с изменением термодинамических свойств рабочего тела, происходит естественное изменение скорости процессов сжатия и расширения рабочего тела в цикле Стирлинга при прочих равных внешних условиях (температуры нагревателя 6, охладителя 7 и их конструкции), изменяя тем самым частоту движения рабочего поршня, что приводит к изменению выходной мощности двигателя.
Низкотемпературная беспламенная горелка с устройствами подвода компонентов топлива к ней и с устройствами отвода продуктов горения от нее вплоть до выброса их в атмосферу (фиг. 2) состоит из рабочей камеры 19 и блока управления 20 работой горелки. К блоку управления 20 подводятся трубопровод 21 подачи газа (ПНГ или ПГ или т.п.) и трубопровод 22 подачи воздуха. От горелки отводится трубопровод отвода продуктов горения 23. Горелка снабжена радиационной трубой 24, например, из нитрида кремния, которая охватывает рабочую камеру 19 горелки таким образом, чтобы экранировать (защитить) окружающие элементы конструкции двигателя от тепла продуктов горения, а также, чтобы исключить (уменьшить) потери тепла рабочего процесса горелки.
Газ в трубопроводе 21 и воздух в трубопроводе 22 подогреваются продуктами горения топлива за счет размещения приемника тепла 25 на входных участках этих трубопроводов 21 и 22. В приемник тепла 25 продукты горения поступают с выхода рабочей камеры 19 горелки.
Продукты горения из приемника тепла 25 поступают на теплообменник 26 и далее через дымосос 27 выбрасываются в окружающую среду. В теплообменнике 26 происходит подогрев технологических продуктов (например, сырой нефти или/и технологической воды и т.п.), обычно присутствующих в технологических процессах на нефтепромыслах. Для этого у теплообменника имеются трубопроводы 28, 29, 30, 31 подвода и отвода названных технологических продуктов.
Зависимости образования выбросов токсичных веществ (их содержание в продуктах горения) от температуры горения топлива (газ + воздух) представлены на графике (фиг. 3). График подтверждает минимизацию выброса NOx и СО в окружающую среду благодаря проведению процесса горения на беспламенной горелке при температуре не выше 1200°С по сравнению с процессом открытого пламени («Отчет по договору №4-НИР-12519/11 «Научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы по созданию экспериментальной технологии по утилизации попутного нефтяного газа с получением электрической и тепловой энергий» Этап 1 «Поиск и оценка существующих технологических и технических решений. Обзор законченных систем. Обоснование выбранного технического решения»», Научно-технический отчет ПАО, "Протон-ПМ", Пермь, 2011 г., стр. - 41).
3
Низкотемпературная беспламенная горелка позволяет решить вопрос уменьшения образования активных серосодержащих соединений за счет образования пассивных окислов, в том числе SO и тем самым продлить ресурс работы оборудования при сжигании серосодержащих топлив газов, в том числе попутного нефтяного газа (ПНГ). Эта горелка позволяет также:
- существенно уменьшить расход топлива за счет глубокой рекуперации тепла продуктов горения с передачей его подводимым к горелке топливу и воздуху;
- обеспечить поддержание заданной адиабатической температуры горения топлива;
- минимизировать выброс NOx и СО в окружающую среду благодаря проведению процесса горения на беспламенной горелке при адиабатической температуре не выше 1200°С.
На основе выше сказанного следует вывод, что техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения "Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью", обеспечивает решение задачи изобретения - повышение эксплуатационно-технических, экономических и экологических характеристик за счет получения технического результата, а именно, создания технических средств, позволяющих повысить названные характеристики двигателя, состоящие в повышении энергетической эффективности, коэффициента полезного действия и экологичности выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов.