CZ14014U1 - Vícenásobný Stirlingův motor s rotačními převáděči - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vedle parního stroje, spalovacího motoru nebo turbiny (ať parní nebo spalovací) je Stirlingův motor dalším z tepelných strojů. Princip, na jehož základě Stirlingův motor pracuje byl sice ob5 jeven již v 19. století, avšak do současnosti nebyl řádně doceněn.

Na rozdíl od ostatních tepelných strojů obíhá ve Stirlingově motoru stále stejné množství pracovní látky, které zprostředkovává přenos tepla mezi teplejším a chladnějším médiem přiváděným do motoru z vnějšku. Část z tepelné energie směňované uvnitř motoru je podle zákonů termodynamiky zužitkována na mechanickou práci. Stirlingův motor tedy pracuje se dvěma sepaio rátními teplonosnými médii, nebo se dvěma nezávislými zdroji tepla, které mohou přímo působit na směnu tepla uvnitř motoru, přičemž není rozhodující, zda tato média jsou kapalná či plynná, nebo z jakých zdrojů teplo pochází. Rozhodující je jen velikost teplotního spádu mezi oběma médii. Stirlingův motor je jediným tepelným strojem, který je schopen využívat tepla, které je v současnosti považováno za nízkokalorické, odpadní, nebo v jiných strojích nevyužitelné a pře15 měnit jej na využitelnou mechanickou práci. Při tom dovoluje na straně ohřívací i na straně chladící vzájemně kombinovat různé druhy teplonosných médií.

Dosavadní stav techniky

Stirlingův motor je pístovým strojem. Jeho hlavními částmi jsou ohřívač, chladič, vyrovnávač, převáděč a pracovní válec s pístem. Existují tři základní typy uspořádání.

Typ alfa je uspořádán tak, že prostor pracovní látky tvoří postupně na sebe navazující pracovní válec s pístem, chladič, vyrovnávač, ohřívač a válec převáděče s pístem. Píst pracovního válce a píst převáděče jsou spolu spojeny mechanickým převodem s převodovým poměrem 1:1, přičemž zdvih pístu pracovního válce je vůči zdvihu pístu převáděče posunut o jednu polovinu zdvihu.

Jakmile se část pracovní látky, nacházející se v prostoru ohřívače ohřeje, zvětší látka svoji teplotu, takže při konstantním objemu se zvýší v pracovním prostoru tlak. To způsobí jednak pohyb pístu převáděče, jednak vyrovnávání tlaku pracovní látky přes vyrovnávač do druhé části pracovního prostoru, navázaného na prostor chladiče. Pracovní látka při tom ztrácí akumulované teplo. Ochlazující se pracovní látka v prostoru chladiče postupně sníží svůj tlak. Protože však jsou píst převáděče a píst pracovního válce vzájemně mechanicky svázány, dojde také k současnému přesouvání pístu pracovního válce do nové polohy tak, že do prostoru chladiče je přemístěna větší část objemu pracovní látky, než se nachází v prostoru ohřívače. Tlak pracovního média se sníží natolik, že je píst pracovního válce vtahován zpět do pracovního prostoru válce. Děj se opakuje v opačném směru. Pohyb obou pístů, vzájemně spojených mechanickým převodem způ35 sobí otáčivý pohyb výstupního hřídele pohonu s možností konat mechanickou práci.

Typ beta je charakteristický tím, že převáděč je volně se pohybujícím tělesem uvnitř pracovního prostoru, bez mechanické vazby na píst pracovního válce. Převáděč působí jako oboustranný píst. Komora převáděče je z jedné strany připojena k ohřívači, z druhé strany pak k chladiči. Ohřívač a chladič jsou vzájemně propojeny vyrovnávačem. Prostor pracovního válce je společný s prostorem komory převáděče na straně chladiče. Pohyb pístu pracovního válce je mechanickým převodem (na příklad klikovou hřídelí) převeden na kruhový pohyb. Princip práce motoru typu beta je shodný s typem alfa. Je-li na výstupní hřídel motoru umístěn setrvačník, je i účinek pohonu stejný jako u typu alfa..

Typ gamma je obdobou motoru typu beta avšak s tím, že prostor pracovního válce je oddělen od komory převáděče. Oba oddělené prostory jsou spolu propojeny vnějším potrubím.

Stirlingův motor se v současnosti stále nachází ve stadiu konstrukčního a aplikačního výzkumu. Jsou zkoumány aplikace, kde zdrojem tepla je sluneční energie, geotermální zdroj, nebo přímo

-1 CZ 14014 Ul spalovací komora plynného či kapalného paliva. Zdrojem chladivá bývá ve většině alternativ voda, nebo vzduch. Zatím jsou však známy jen dvě průmyslově využitelné aplikace s výkonem přibližně 1 kW.

První z nich je pohon dvoupístový typu alfa, u něhož jsou oba písty umístěny na souosých píst5 nicích. Jejich vzájemný pohyb je svázán šoupátkovým mechanizmem. Ohřívač, chladič a vyrovnávač j sou umístěny v tělese pohonu mezi oběma písty.

Druhý z pohonů je čtyřnásobný pohon typu beta. Pracovní válce i komory převáděčů jsou umístěny do kruhu. Písty pracovních válců tlačí na šikmou desku, která se může otáčet kolem středové osy. Pohon je charakterizován také tím, že komora jednoho převáděče na straně ohřívače je přes vyrovnávač a chladič propojena s komorou převáděče a pracovním válcem sousední sekce. Ohřívačem je přímo spalovací komora plynného paliva, chladícím médiem je voda.

Obě konstrukční uspořádání se vyznačují velkými mechanickými ztrátami. U prvního pohonu je to dáno rozkladem sil a ztrátami třením v šoupátkovém mechanizmu u druhého pohonu je to pak dáno rozkladem sil a třením na šikmé ploše rotující desky. Druhý z pohonů má však výhodu v tom, že umožňuje vícenásobné uspořádání a také v tom, že vzájemným křížovým propojením pracovních prostorů dochází ke kruhovému pohybu pracovní látky. To se projevilo příznivým vlivem na celkovou termickou účinnost pohonu.

Podstata technického řešení

Předmětný užitný vzor vícenásobného Stirlingova motoru s rotujícím převáděčem je novým uspořádáním Stirlingova motoru, tak zvaným typem delta. Princip pohonu a jeden z příkladů jeho provedení je znázorněn na přiloženém obrázku.

Motor je modulově sestaven z libovolného počtu sekcí, vzájemně spojených do řady. Každou jednotlivou sekci tvoří komora rotačního převáděče L, která z obou stran sousedí z jedné poloviny s ohřívačem 3, z druhé poloviny s chladičem 4. Prostor ohřívače 3 a prostor chladiče 4 jsou vzájemně odděleny tepelným izolantem. Jak ukazuje teoretický rozbor není pro funkci motoru rozhodující, která polovina komory převáděče 1 je ohřívaná a která chlazena, a jak jsou komory situovány vůči podélné ose pracovního válce 6, protože jejich vzájemná poloha souvisí s úhlem pootočení klikové hřídele 9 vůči hřídeli převáděčů 5. V popisovaném příkladu provedení je horní polovina komory převáděče I ohřívaná, dolní polovina chlazena.

Uvnitř komory i se může volně otáčet rotační převáděč 2, který má tvar polovičního disku. Mezi rotačním převáděčem 2 a stěnami komory i je úzká mezera. Rotační převáděč 2 je pevně spojen s hřídelí 5.

Součástí každé sekce je také pracovní válec 6, v němž se může pohybovat píst 7. Píst 7 je pomocí ojnice 8 mechanicky spojen s klikovou hřídelí 9. Prostor nad prstem 7 je vnějším kanálkem 11 propojen s prostorem komory i rotačního převáděče 2. Hřídel 5 rotačního převáděče 2 a kliková hřídel 9 jsou vzájemně mechanicky propojeny převodem 10 s převodovým poměrem 1 : 1 Vyhoví soukolí čelních ozubených kol, nebo řetězový převod. V popisovaném příkladu provedení je osa pracovního válce 6 rovnoběžná s osou mechanického převodu 10. Není to však podmínkou funkce motoru, protože poloha osy pracovního válce 6 vůči ose mechanického převodu 10 souvisí s úhlem pootočení klikové hřídele 9 vůči hřídeli převáděčů 5.

Vnitřní pracovní prostor každé sekce motoru tvoří prostor komory převáděče 1, kanálek H a prostor pracovního válce 6 nad pístem 7. Tento prostor je naplněn pracovní látkou. Pracovní látkou uvnitř pracovního prostoru je tepelně dobře vodivý plyn, na příklad vodík, helium, argon. Při nižší tepelné účinnosti motoru však také vyhoví vzduch, nebo jiný plyn.

Oproti Stirlingovým motorům typu alfa, beta a gamma nemá motor typ delta podle předmětného užitného vzoru vyrovnávač. Úlohu vyrovnávače zde jen symbolicky zastává dělící prostor uvnitř komory převáděče 1 mezi polovinou ohřívací a polovinou chladící.

-2CZ 14014 Ul

Jednotlivé sekce tvořící vícenásobný motor jsou vedle sebe umístěny na společnou hřídel převáděčů 5 a společnou klikovou hřídel 9. Sousedící převáděče 2 jsou vzájemně vůči sobě na hřídeli pootočeny o středový úhel, rovnající se podílu 360-ti stupňů úhlových k počtu sekcí na společné hřídeli. Obdobně i kliková hřídel 9 má vzájemně pootočeny sousedící ojniční čepy o středový úhel, rovnající se podílu 360-ti stupňů úhlových k počtu sekcí.

Motor může být uspořádán také tak, že jedné komoře převáděče I přísluší více pracovních válců

6. Jejich umístění na klikovou hřídel 9 však musí být uspořádáno tak, aby všechny písty 7 takto přiřazených pracovních válců 6 pracovaly synchronně.

Pro funkci motoru není rozhodující, aby komory převáděčů a pracovní válce tvořily monoblok ío jednoho motoru. Každá z komor převáděčů i každý z pracovních válců téhož motoru mohou být situovány samostatně, musí však být umístěny na společné ose převáděčů 5 a na společné klikové hřídeli 9. Výhodou uspořádání do monobloku však je, že vzájemně sousedící sekce mohou sdílet své ohřívače 3 a chladiče 4.

Všechny ohřívače 3 a všechny chladiče 4 v řadě mohou být paralelně, sériově či kombinovaně propojeny společným přívodem najeden vnější zdroj ohřívacího a jeden vnější zdroj chladícího média. Způsob uspořádání je dán velikostí využitelného tepelného spádu ohřívacího či chladícího média. Je-li jako ohřívacího média použito kapalného nebo plynného paliva, může být každý jednotlivý ohřívač 3 uspořádán přímo jako spalovací prostor.

Mechanický převod 10 je nastaven tak, aby výchozí poloha klikové hřídele 9, byla vůči výchozí poloze hřídele převáděče 5 pootočena. Úhel pootočení je volitelný, je však jak vyplývá z teoretické analýzy funkce svázán s velikostí využitelné mechanické práce. V popisovaném příkladu provedení se dosáhne největšího zisku mechanické práce, když při ohřívané horní polovině a chlazené dolní polovině komory převáděčů 1 je převáděč 2 celý v levé polovině komory 1 a píst 7 příslušného pracovního válce 6 je v horní úvrati. Mezi mechanický převod 10 a hřídel převá25 děčů 5 může však být vložena spojka 12, která umožní plynulou změnu vzájemného úhlu pootočení obou hřídelí a tím regulaci poskytovaného výkonu motoru. Pevně nastaveným výchozím úhlem pootočení se také eliminuje vliv polohy ohřívače 3 a chladiče 4 vůči výchozí poloze převáděče 2 nebo poloha osy pracovního válce 6 vůči ose mechanického převodu JO.

Pohon podle předloženého užitného vzoru pracuje takto.

Považujme za výchozí stav situaci, kdy horní polovina komory převáděče I je ohřívaná, spodní polovina komory chlazená, osa pracovního válce 6 je rovnoběžná s osou mechanického převodu 10. převáděč 2 se nachází v dolní polovině komory 1 a jemu příslušející píst 7 se nachází v mezipoloze svého celkového zdvihu. Pracovní prostor motoru je naplněn inertním plynem s vhodně (na základě výpočtu) zvoleným počátečním tlakem. Téměř celý objem pracovní látky se tím na35 chází v horní polovině komory převáděče L Přes stěny komory 1 je pracovní látka intenzívně ohřívána teplem z ohřívače 3. V pracovním prostoru stoupne tlak, protože při konstantním objemu pracovního prostoru stoupla teplota pracovní látky. Tlak pracovní látky se přenese kanálkem 11 do prostoru válce 6, kde způsobí pohyb pístu 7 směrem k dolní úvrati. Spolu s tím se však působením převodu 1Ό dá do pohybu i rotační převáděč 2 a ten se postupně přemístí do horní poloviny komory i. Rotační převáděč 2 svým objemem vytlačí pracovní látku z prostoru ohřívače 3 do prostoru chladiče 4. Pracovní látka se postupně ochladí a tlak v pracovním prostoru může klesnout tak, že se vytvoří podtlak. Ten působí na píst 7 a vysává jej zpět do prostoru válce 6. Pohyb pístu 7 způsobí přes převod 10 další pohyb rotačního převáděče 2 a jeho postupné přemístění do dolní poloviny komory převáděče L Pracovní látka se při tom znovu ohřívá. Proces se opakuje. Teplo přiváděné do motoru zvenčí a teplo z motoru odváděné jsou zajišťovány z nezávislých zdrojů.

Pro funkci motoru není podmínkou, aby v pracovním prostoru vznikl přetlak a podtlak. Motor pracuje vždy, vytvoří-li se dostatečně velký rozdíl tlaků, schopný vyvolat vnější mechanickou práci. Velikost této práce vyplývá z Camotova oběhového diagramu motoru. Oblast tlaků, ve které bude motor pracovat je dána počátečním tak zvaným plnícím tlakem plynu v pracovním

-3 CZ 14014 Ul prostoru. Motor sestavený jen z jedné sekce a pracující jen v oblasti přetlaků, či podtlaků však vyžaduje pro svoji funkci vhodně dimenzovaný setrvačník. Funkční model motoru pracující v oblasti přetlaků byl vytvořen spojením čtyř sekcí vzájemně pootočených o 90 úhlových stupňů.

Tím se silové poměry na klikové hřídeli 9 ustálily natolik, že otáčivý pohyb hřídele je rovno5 měrný aje schopen konat mechanickou práci i bez setrvačníku.

Mechanickou práci lze zužitkovat připojením zátěže jak k hřídeli převáděčů 5, tak ke klikové hřídeli 9. Výhodné je připojení ke klikové hřídeli 9, protože pak hřídel převáděčů 5, spojka 12 a mechanický převod 10 jsou namáhány jen setrvačnými a odporovými silami rotujících převáděčů

2.

ío Průmyslová využitelnost

Vzhledem ke stále rostoucím problémům s termoemisemi do okolního prostředí způsobenými nízkou účinností při přeměně energie, je Stirlingův motor s rotačním převáděčem podle předmětného technického řešení pohonem, který může významně tento problém ovlivnit. Díky tomu, že Stirlingův motor není závislý ani na druhu teplonosného média, ani na velikosti jeho teploty, může ovlivnit přeměnu energie tím, že využije odpadní teplo vzniklé v jiných procesech a přemění je na dodatkovou mechanickou práci. Tak lze například využívat tepla ze spalin pocházejících z průmyslových pecí a vedených na komín, tepla spalin za plynovými turbínami, výfukové páry parních turbín, vodního kondenzátu, reakčního tepla chemických látek a dalších zdrojů. Stirlingův motor při své funkci nevytváří žádné vlastní exhalace.

Pokud bude Stirlingův motor spojen s generátorem elektrického proudu, získáme elektrickou energii přímo z odpadního tepla.

Pokud budou zdrojem tepla solární kolektory, pak se využitím Stirlingova motoru získá obnovitelný zdroj mechanické nebo elektrické energie.

Pokud bude zdrojem energie teplo získané využíváním biomasy, zvýší se výrazným způsobem využitelnost takového obnovitelného a alternativního zdroje paliva.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Vícenásobný Stirlingův motor sestavený ze samostatně pracujících sekcí, tvořených sobě příslušejícími pracovními válci (6), komorami rotačních převáděčů (1), ohřívači (3) a chladiči (4), vyznačující se tím, že písty (7) všech pracovních válců (6) jsou pístnicemi (8)

   30 napojenými na společnou klikovou hřídel (9) spojeny mechanickým převodem (10) s hřídelí (5), na níž jsou pevně uchyceny rotační převáděče (2), umístěné v komorách rotačních převáděčů (1) propojených kanálky (11) s prostorem pracovních válců (6).
2. 2. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý rotační převáděč (2), mající tvar polovičního disku, se otáčí v komoře převáděčů (1) v jedné

   35 polovině spojené společnou stěnou s ohřívačem (3), ve druhé polovině spojené společnou stěnou s chladičem (4), naplněné teplovodivým plynem, přičemž umístění ohřívací a chladící poloviny vůči umístění převáděče (2) na hřídeli (5) je volitelné a kompenzovatelné uspořádáním mechanického převodu (10).
3. 3. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároků la2, vyznačující se tím, že sou40 sedící komory převáděčů (1) sdílejí společný ohřívač (3) a společný chladič (4) umístěný mezi nimi.

   -4CZ 14014 Ul
4. 4. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároků laž3, vyznačující se tím, že sousední ojniční čepy společné klikové hřídele (9) a sousední rotační převáděče (2) spojené s hřídelí (5) jsou na hřídelích vzájemně obvodově pootočeny o středový úhel odpovídající podílu

   360 úhlových stupňů a počtu sekcí.
5. 5 5. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároků laž4, vyznačující se tím, že hřídel převáděčů (5) je pomocí mechanického převodu (10), opatřeného nastavitelnou spojkou (12), pootočena vůči klikové hřídeli (9) o středový úhel, jehož velikost lze měnit v závislosti na požadovaném výkonu motoru.
6. 6. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ío jednomu rotačnímu převáděči (2) může být přiřazeno více pracovních válců (6), přičemž práce jejich pístů musí být na klikové hřídeli (9) synchronní.
7. 7. Vícenásobný Stirlingův motor podle nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že příslušné vstupy nebo výstupy jednotlivých ohřívačů (3) nebo chladičů (4) jsou propojeny paralelně, sériově nebo kombinovaně v závislosti na přípustném teplotním spádu použitých teplo15 nosných médii.