СОРБЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО ГОРЕНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к двигателям внешнего сгорания (ДВС).
Одной из основных проблем конструирования тепловых машин является проблема уменьшения их веса при сохранении или даже увеличении мощности, то есть повышения удельной мощности. Известны различные пути решения указанной проблемы, в частности:
- энергетически - повышая энергосодержание цикла путем повышения термодинамических показателей или увеличивая количество циклов в единицу времени, т.е. повышая скорость вращения двигателя;
- конструктивно - снижая размеры элементов конструкции, например, располагая цилиндры под углом друг к другу или по кругу звездообразно;
- технологически - применяя везде, где это возможно, легкие сплавы.
Однако даже в лучших конструкциях наиболее распространенных четырехтактных двигателей удельная мощность не превышает 1-2 кВт/кГ. Основным же препятствием, на наш взгляд, является использование цикла Карно и способ конструктивной его реализации: все составляющие цикла локализованы в пространстве и протекают последовательно во времени. Это означает, что каждый рабочий объем только часть времени использует для извлечения энергии из топлива, а остальное время занято вспомогательными процессами. Даже частичное изменение этого способа в двухтактных двигателях - попарное разнесение составляющих цикла в пространстве и их совмещение во времени дает существенный выигрыш в массе двигателя.
Наиболее полно пространственное разнесение составляющих цикла Карно и их совмещение во времени реализуется в газотурбинных двигателях (ГТД). Эти двигатели (без дополнительных агрегатов, прежде всего - редукторов) достигают значений удельной мощности до 5 кВт/кГ. Однако, принципиальной особенностью ГТД является необходимость преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую. Вследствие этого повышение энергоемкости рабочего тела означает увеличение скорости потока рабочего тела, следовательно, увеличения угловой скорости ротора, а это в свою очередь приводит к необходимости редукции скорости вращения выходного вала. Масса редуктора порой превышает массу самого двигателя и существенно ухудшает суммарные характеристики.
Удачной попыткой решения задачи повышения удельной мощности является роторный двигатель непрерывного горения (РДК) - свидетельство РФ на ПМ №9263. РДК представляет собой высокотехнологичный роторный ДВС, осуществляющий непрерывный процесс сгорания смеси (как в газотурбинном двигателе), что обеспечивает высокую удельную мощность ДВС.
РДК существенно превосходит существующие ДВС и по удельной мощности близок к ГТД. Однако, слабым местом РДК является нестабильность горения в расположенной в теле двигателя камере сгорания. Кроме того, переход с одного топлива на другое требует изменения конструкции двигателя, так как камера сгорания является его внутренней полостью.
Эта проблема решена в роторном герметичном двигателе (патент РФ на изобретение №2220308), в котором камера сгорания размещена вне двигателя и передает энергию рабочему телу через теплообменник. Такое решение позволяет легко менять виды топлива, однако, РГК использует цикл Карно, что ограничивает возможности дальнейшего повышения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую.
мах
мах
Задача использования более эффективного цикла Рейлиса была решена в тепловой машине, (патент РФ на полезную модель №88739, прототип), в которой, в отличие от РГК, состоящего из отдельных узлов сжатия и расширения, зоны, в которых происходят процессы сжатия, нагрева, расширения и охлаждения совмещены в едином герметичном объеме, разделенном лопастями ротора с возможностью перетекания рабочего тела из зоны в зону по мере вращения ротора. Рабочий объем статора разделен ротором на две изолированных полости - камеру сжатия и камеру расширения, периодически сообщающиеся между собой через нагреватель и холодильник. Это позволяет реализовывать изобарические и изохорические процессы, присущие циклу Рейлиса. По результатам расчета, который приведен в указанном патенте, можно ожидать КПД тепловой машины, равный 0,55% при Т=1500 К, Р=750 кПа.
Однако, макетное моделирование указанной в патенте конструкции, выбранной в качестве прототипа двигателя внешнего горения, показало, что реализуемый термодинамический цикл действительно содержит все характерные особенности цикла Рейлиса, но весьма далек от идеального.
В целом площадь реального цикла оказывается существенно меньше площади идеального. Причина заключена в том, что запасенной при нагревании рабочим телом энергии недостаточно для осуществления идеального цикла Рейлиса.
Таким образом, задачей предлагаемой полезной модели является увеличение запасенной рабочим телом энергии при сохранении температуры нагревателя, так как простое повышение температуры будет менять параметры обеих циклов (идеального и реального) и не приведет к искомому выигрышу.
Сущность предлагаемого сорбционного двигателя внешнего горения (СДВН) заключается в том, что в качестве рабочего тела в нем использован раствор одного и/или нескольких газов в жидкости, растворение которых сопровождается выделением тепла. Это позволяет использовать для накопления в рабочем теле энергии при нагреве и ее расходовании в течение цикла не только теплоемкость вещества, являющегося рабочим телом, но и скрытые теплоты растворения газов в жидкости. Это дает возможность, не повышая температуры нагревателя «загрузить» рабочее тело существенно большим количеством энергии.
Конструкция полезной модели показана на фиг.1. Происходящие в СДВН процессы применительно к реальной конструкции показаны на фиг.2. На фиг.3 показаны идеальный и реальные циклы Рейлиса.
В статоре 1, который образован двумя круговыми полуцилиндрами одинакового радиуса, разнесенными в перпендикулярном оси вращения направлении, и сопрягающими эти полуцилиндры плоскостями, размещен ротор 2 в виде прямого кругового цилиндра с тремя лопастями 3, расположенными в пазах ротора под углами в 120° друг относительно друга и перемещающимися в них под воздействием упругих элементов до упора во внутренние поверхности статора 1. Внутренний объем статора герметичен с выводом вращения через элемент вывода мощности (на рисунках не показан). Ротор 2 показан сплошным с целью более наглядного представления рабочих полостей, тогда как в реальной модели ротор выполнен пустотелым для снижения общей массы модели. В качестве упругого элемента наиболее удобна сжатая газовая подушка, хотя возможно применение и металлических пружин.
Ротор 2 делит внутренний объем статора 1 на две неравных полости - полость А и полость Б, сообщающиеся между собой через нагреватель 4 и холодильник 5 посредством каналов 6.
Происходящие в СДВН процессы применительно к реальной конструкции показаны на фиг.2 в виде четырех последовательных фаз процесса работы машины при повороте ротора на 0°, 30°, 60°, 90°:
В фазе I: в нагревателе 4 и связанных с ним объемах - нагрев рабочего тела с десорбцией газовой компоненты (сопровождаемой поглощением теплоты десорбции), в холодильнике 5 - изобарическое охлаждение, сопровождаемое сорбцией газовой компоненты.
В фазе II в нагревателе 4 происходит изобарическое расширение (сопровождаемое дальнейшей дегазацией жидкой компоненты за счет запасенного в ней тепла, в холодильнике 5 - изохорическое охлаждение (сопровождаемое сорбцией газа с выделением теплоты сорбции). В изолированном объеме, заключенном между двумя лопастями 3, внешней поверхностью ротора 2 и внутренней поверхностью статора 1, происходит политропное расширение и совершается основная физическая работа.
В фазе III идут изобарическое расширение в объемах нагревателя 4 и изохорическое охлаждение (сопровождаемое сорбцией с выделением теплоты сорбции) в объемах холодильника 5.
Наконец, в фазе IV в объемах нагревателя 4 идет изобарическое расширение с десорбцией, в объемах холодильника 5 - изохорическое охлаждение с сорбцией, а в изолированном объеме - политропное сжатие. Далее процессы повторяются (по три одинаковых цикла на каждый оборот ротора).
Предлагаемое решение было проверено макетным моделированием с использованием в качестве рабочего тела 50% водного раствора аммиака. Термодинамический процесс происходит следующим образом:
На фиг.3 показан тонкими линиями идеальный цикл Рейлиса а-b-с-d-е-f, жирными штриховыми линиями цикл ТМК a'-b-c'-d'-e-f' и реальный модельный цикл а"-b-с"-d"-е-f", полученный в макете двигателя внешнего горения с гетерогенным рабочим телом. В нагреватель СДВН 4 поступает рабочее тело в состоянии а", при нагреве, наряду с повышением температуры, происходит испарение аммиака, которое обеспечивает быстрый рост давления и поглощение энергии не только на повышение температуры, но и на испарение. В точке b рабочее тело получает возможность расширяться, продолжая получать энергию от нагревателя 4, но при этом продолжающееся испарение аммиака значительно дольше поддерживает изобарное расширение, чем это могло обеспечить чисто газообразное рабочее тело. По достижении фазового равновесия дальнейшее расширение происходит политропно, но с учетом продолжающегося испарения аммиака за счет снижения давления и, следовательно, отбора энергии у жидкой фазы. Поэтому конечное давление политропы d" заметно выше, чем в случае только газообразной фазы. На участках d"-е и е-f" газообразный аммиак растворяется в жидкой фазе, затем рабочее тело политропно возвращается в исходное состояние а".
Использование в качестве рабочего тела раствора в жидкости одного или нескольких газов, растворение которых сопровождается выделением тепла, увеличивает за счет скрытой теплоты растворения количество передаваемой от нагревателя 4 теплоты и обеспечивает приближение термодинамического цикла СДВН к идеальному циклу Рейлиса, тем самым существенно повышая эффективность двигателя.
В приведенном для иллюстрации работы модели СДВН примере было использовано бинарное рабочее тело (раствор аммиака в воде). Возможно использование и других растворов, обладающих большой теплотой растворения (сорбции/десорбции), например, раствора ацетилена в ацетоне. Выбор конкретного состава рабочего тела, в том числе, содержащего три и более компонент зависит от исходных параметров желаемого термодинамического процесса, прежде всего, температур нагревателя 4 и холодильника 5. В частности, многокомпонентные растворы позволяют лучше приблизить реальный цикл к идеальному циклу Рейлиса в условиях сравнительно низкой температуры нагревателя 4.
В прототипе в качестве элемента вывода мощности (ЭМ) при сохранении герметичности внутренних объемов использовалась синхронная магнитная муфта. Аналогичное решение пригодно и для предлагаемой полезной модели СДВН. Однако, возможно и другое решение: установка встроенного вовнутрь электрогенератора с тем, чтобы выводить наружу не механическую мощность, а электроэнергию, что в ряде случаев значительно упрощает применение.
Таким образом, СДВН, являясь, как и ее прототип ТМК и двигатели Стирлинга, тепловой машиной внешнего сгорания, обладает следующими преимуществами:
Всеядность двигателя. Как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), СДВН может работать от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, паяльной лампы, дровяной печи и т.д.
Простота конструкции. В СДВН отсутствуют многие элементы привычных двигателей: система зажигания, свечи, карбюратор, клапаны, глушитель. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере.
Экологичность. СДВН может использовать в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их.
Бесшумность двигателя. Как и все машины внешнего сгорания СДВН не имеет выхлопа, а значит, - не шумит и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций.