ТЕПЛОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА НА ГОРЯЧЕМ ВОЗДУХЕ И СПОСОБ ЕЁ РАБОТЫ
HOT AIR THERMAL POWER PLANT AND METHOD OF ITS OPERATION

Заявленное решение относится к области теплоэнергетики, в частности к альтернативным схемам тепловых двигателей с внешним подводом тепла.
Известны различные решения теплосиловых установок на основе двигателя Стирлинга. Практически все они основаны на толкании поршня непосредственно разогретым, расширенным рабочим телом, в частности воздухом, и, как следствие, в некоторых из них наличие в системе элемента охлаждения двигателя, а в некоторых существенное увеличение массогабаритных показателей силовой установки за счет увеличенных радиаторов. Кроме того, известные решения, основанные на двигателе Стирлинга, требуют разогрева для пуска двигателя, после его остановки, что замедляет скорость пуска после остановки.
Ближайших аналогов заявленное решение не имеет.
Раскрытие изобретения
Задачами заявленного решения являются разработка конструкции и способа работы теплосиловой установки, которая позволяет осуществлять работу двигателя при невысоких температурах рабочего тела, и, как следствие, исключает элемент охлаждения двигателя и/или изменения габаритных размеров двигателя, а также позволяет снизить износ деталей двигателя. Кроме того, заявленное решение предусматривает возможность быстрой остановки и пуска.
Поставленные задачи достигаются за счет конструкции теплосиловой установки и способа ее работы.
Заявленная теплосиловая установка включает в себя следующие элементы нагреватель (топочная камера) (1), теплообменник (2), турбокомпрессор (3), обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель(5).
Элементы теплосиловой установки соединены при помощи труб (9) последовательно (фиг. 1): компрессор (3.2) турбокомпрессора (3), обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель (5), камера для нагреваемой среды теплообменника (2), турбина (3.1) турбокомпрессора (3), нагреватель (топочная камера) (1) и/или камера для нагревающей среды теплообменника (2).
Цикл последовательного прохождения рабочего тела в виде воздуха можно представить следующим образом (фиг.1): сжатый компрессором (3.2) воздух, проходит через обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7) и под давлением подается в двигатель (5), отдает мощность и под остаточным давлением через вход (2.1) поступает в камеру для нагреваемой среды теплообменника (2), где нагревается, расширяется и через выход (2.2) поступает в турбину (3.1) турбокомпрессора (3), вращает ее, и подается через вход (1.1) в нагреватель(1) и/или подается в камеру для нагревающей среды теплообменника (2) и нагреваются нагревателем (1). Газы, нагревающие рабочее тело в камере для нагреваемой среды теплообменника (2), удаляются через выхлопную трубу (8).
Таким образом, за один цикл воздух, сжатый в компрессоре (3.2), подается на двигатель (5), совершает работу, затем поступает в теплообменник (2), где нагревается, расширяется и подается в турбину (3.1) турбокомпрессора (3), компрессор (3.2) «забирает» «новую порцию» воздуха, и цикл повторяется.
Способ работы заявленной теплосиловой установки позволяет достичь заявленный результат. Нагретый и расширенный воздух не напрямую оказывает влияние на работу двигателя, а используется для работы турбокомпрессора (3), компрессор (3.2) которого забирает и сжимает воздух. Затем воздух через обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7) подается в двигатель (5), где совершает работу. После чего отработанный воздух с остаточным давлением нагревается, расширяется в теплообменнике (2) и подается в турбину (3.1) турбокомпрессора (3).
Теплосиловая установка имеет возможность остановки и нового пуска, без предварительного нагрева рабочего тела (воздуха). Это возможно за счет ресивера (4). При помощи закрытия/открытия крана (7), установленного между ресивером (4) и двигателем (5), может быть осуществлена остановка/пуск двигателя. При этом работа нагревателя (1) не останавливается. В любой момент пуска установка готова к работе.
В качестве нагревателя (1) фиг. 1, 2 в заявленном решении может выступать любое известное решение, используемое для нагрева, например, горелки разного типа, электронагреватель и т.д., но предпочтительно использовать горелку (жидкотопливную) ГБЖ (1) фиг. 2. Следует заметить, что рабочее тело после нагрева в теплообменнике (2) поступает в турбину (3.1) турбокомпрессора (3) нагретое в среднем до температуры 700°С.
В качестве теплообменника (2) может быть использован любой двухкамерный теплообменник, имеющий камеру для нагреваемой среды и камеру для нагревающей среды. Предпочтительно использовать трубный теплообменник (2) фиг. 2, где в качестве камеры для нагреваемой среды используется, как минимум одна трубка, а в качестве камеры для нагревающей среды вокруг трубное (если одна трубка) и/или межтрубное пространство (в случае если трубок больше одной).
Ресивер (4) фиг. 1, 2 направлен на сглаживание пульсаций давления забранного воздуха после турбокомпрессора и создания резерва сжатого воздуха, освобождения от капель масла и влаги. Предпочтительно использовать ресивер (4) выдерживающий давление 3 атм.
В качестве двигателя (5) фиг. 1, 2 может быть использован любой поршневой двигатель, например, ЯМ3-238 (5) фиг. 2.
В качестве элемента отбора мощности может быть использован генератор (5.1) фиг. 2.
В результате заявленная теплосиловая установка на горячем воздухе имеет простую конструкцию, позволяет осуществлять работу двигателя при невысоких температурах рабочего тела, позволяет осуществлять быструю остановку и быстрый пуск после остановки без совершения прогрева рабочего тела, за счет ресивера и крана. Не требует изменения габаритных размеров двигателя, увеличения его радиаторов, не требует дополнительных специальных элементов охлаждения двигателя, за счет работы при невысоких температурах рабочего тела снижается износ деталей двигателя.
Следует заметить, что для понимания сущности работы в описании заявленного решения и на фигурах приведен принцип работы на примере отдельно взятой входящей порции рабочего тела.
Следует заметить, что все изображения, приведенные на фигурах в приложении, схематичны и носят поясняющий характер, в реальном исполнении заявленная теплосиловая установка и ее элементы, как в размерном, так и внешнем исполнении, а так же их наличие и отсутствие, могут отличаться от приведенных на фигурах.
Краткое описание чертежей:
фиг. 1 - схема теплосиловой установки;
фиг. 2 - общий вид теплосиловой установки в аксонометрии;
Краткое описание конструктивных элементов:
1 - нагреватель (топочная камера):
1.1 - вход в нагреватель;
2 - теплообменник:
2.1 - вход в теплообменник;
2.2 - выход из теплообменника;
3 - турбокомпрессор;
3.1 - турбина;
3.2 - компрессор;
4 - ресивер;
5 - двигатель;
5.1 - генератор;
6 - обратный клапан;
7 - кран;
8 - дымовая труба;
9 - труба.
Принцип работы.
Заявленная теплосиловая установка на горячем воздухе включает соединенные последовательно (фиг. 1, 2) компрессор (3.2) обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель (5), с камерой для нагреваемой среды теплообменника (2), турбину (3.1) турбокомпрессора (3), топочную камеру (1) и/или камеру для нагревающей среды теплообменника (2).
Теплосиловая установка работает следующим образом.
Работа начинается с пуска нагревателя (1) фиг. 1, 2. Накопленный в ресивере (4) сжатый воздух через кран (7) поступает в двигатель (5). Двигатель (5) совершает механическую работу, которая передается на генератор (5.1) фиг. 2 для выработки электроэнергии. Затем через вход (2.1) отработанный в двигателе (5) воздух поступает в камеру для нагреваемой среды теплообменника (2). Там воздух нагревается и через выход (2.2) поступает в турбину (3.1). Компрессор (3.2) засасывает и сжимает воздух. Далее сжатый воздух через обратный клапан (6) подается в ресивер (4). Воздух, отработанный в турбине (3.1), поступает в нагреватель (топочную камеру) (1) через вход (1.1) и/или поступает в камеру для нагревающей среды теплообменника (2), где нагревается. Газы, нагревающие рабочее тело в камере для нагреваемой среды теплообменника (2), удаляются через выхлопную трубу (8). Далее цикл повторяется.
При необходимости остановка и повторный пуск двигателя (5) осуществляется закрытием или открытием крана (7) между ресивером (4) и двигателем (5). При этом работа нагревателя (1) не останавливается.
Для полной остановки теплосиловой остановки останавливают работу нагревателя (1).