CZ2022427A3

CZ2022427A3 - A thermal steam engine

Info

Publication number: CZ2022427A3
Application number: CZ2022-427A
Authority: CZ
Inventors: Pavel ÄŚinÄŤura; Pavel Činčura; Zdeněk Lochmann; Petr Capoušek; Zbyněk Špaček; Zbyněk Ing Špaček
Original assignee: Pavel ÄŚinÄŤura; Pavel Činčura; Zdeněk Lochmann; Petr Capoušek; Zbyněk Špaček
Priority date: 2022-10-07
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2023-08-30
Also published as: CZ309736B6

Abstract

Tepelný parní motor sestává z teplo odebírajícího úseku (10) o vyšší teplotě T1, do kterého je dodáváno teplo Q, a z teplo odvádějícího úseku (11). V teplo odebírajícím úseku (10) je uložen kotel (1). Pára z kotle (1) je přiváděna přes škrticí ventil (7) a přes izobarický stroj (3), mající funkci šoupátka, do izotermického motoru (4), kde se rozpíná izotermicky a vykoná práci, která je odebírána z hřídele motoru. Z izotermického motoru (4) je pára vedena přes protiproudý tepelný výměník (9) a je izobaricky stlačena do chladiče (2) v teplo odvádějícím úseku (11), kde zkapalní. Z chladiče (2) je kapalná pracovní látka přivedena do čerpadla (5), které je spojeno přes termoizolační spojku (6) s hřídelí izobarického stroje (3). Z čerpadla (5) je vedena přes zpětný ventil (8) a protiproudý tepelný výměník (9) a je vracena do kotle (1).The thermal steam engine consists of a heat-receiving section (10) with a higher temperature T1, into which heat Q is supplied, and a heat-dissipating section (11). The boiler (1) is stored in the heat-absorbing section (10). The steam from the boiler (1) is fed through the throttle valve (7) and through the isobaric machine (3), which has the function of a gate valve, to the isothermal engine (4), where it expands isothermally and does the work that is taken from the engine shaft. From the isothermal engine (4), the steam is led through the countercurrent heat exchanger (9) and is isobarically compressed into the cooler (2) in the heat removal section (11), where it liquefies. The liquid working substance is fed from the cooler (2) to the pump (5), which is connected to the shaft of the isobaric machine (3) via a thermo-insulating coupling (6). It is led from the pump (5) through the non-return valve (8) and the countercurrent heat exchanger (9) and is returned to the boiler (1).

Description

Tepelný parní motorThermal steam engine

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká tepelného parního motoru s vnější dodávkou tepla Q, jehož pracovní látkou je kapalina a její pára a pracuje v uzavřeném parním cyklu.The invention relates to a thermal steam engine with external heat supply Q, the working substance of which is a liquid and its steam and works in a closed steam cycle.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

V současnosti jsou známy různé parní stroje a motory kde je pracovní látkou vodní pára či páry jiných kapalných látek. Nevýhodou současných parních strojů a motorů je to, že pracují ve značně neefektivním parním cyklu, a to je důvod toho, že jejich praktická účinnost je velmi nízká a nedosahuje ani poloviny teoreticky maximálně dosažitelné účinnosti, mezi dvěma danými teplotami.Currently, various steam engines and engines are known where the working substance is water vapor or vapors of other liquid substances. The disadvantage of current steam engines and engines is that they work in a very inefficient steam cycle, and this is the reason that their practical efficiency is very low, not even half of the theoretical maximum efficiency that can be achieved, between two given temperatures.

Praktická účinnost tepelného stroje je dána zejména tím, jak je zkonstruován pracovní termodynamický cyklus. Ačkoliv může existovat celá řada pracovních termodynamických cyklů, tak v současnosti je používán tak zvaný Rankin-Clausiův termodynamický uzavřený parní cyklus, který ze všech dosud známých termodynamických parních cyklů dosahuje nejlepší praktické účinnosti mezi dvěma danými termodynamickými teplotami. Tento cyklus je v praxi používán již desítky let, a ačkoliv vznikla v pozdějších dobách celá řada řešení, kdy některá jsou i patentována, tak všechna tato řešení nejsou schopna dosáhnout lepšího výsledku, než dosahuje uvedený cyklus.The practical efficiency of the heat engine is mainly determined by how the working thermodynamic cycle is constructed. Although there may be a number of working thermodynamic cycles, the so-called Rankin-Claus thermodynamic closed steam cycle is currently used, which of all known thermodynamic steam cycles achieves the best practical efficiency between two given thermodynamic temperatures. This cycle has been used in practice for decades, and although a number of solutions have been created in later times, some of which are even patented, not all of these solutions are able to achieve a better result than the mentioned cycle.

Přesto pomocí tohoto cyklu je dosahovaná praktická účinnost méně než polovina maximálně teoreticky dosažitelné účinnosti.Nevertheless, with this cycle, the practical efficiency achieved is less than half of the maximum theoretically achievable efficiency.

To je způsobeno tím, že průběh jednotlivých dějů a zejména jejich skladba neumožňuje využít teplo dodané do cyklu v maximální míře, a to především z toho důvodu že hlavním pracovním dějem tohoto cyklu je děj adiabatický, který je pro parní cyklus naprosto nevhodný, protože vykonaná práce je výrazně menší, než když bude hlavním pracovním dějem děj izotermický. Ačkoliv platí, že vykonaná práce W je rovna přijatému teplu Q, což platí pro oba děje, při ději adiabatickém je vykonána práce W, která je téměř o polovinu menší než při ději izotermickém. Přitom je ovšem do cyklu přivedeno ze zdroje vždy stejně velké měrné teplo Qcv a stejně velké skupenské teplo varu Qiv. Dalším zásadním problémem je to, že uvedený Rankin-Clausiův cyklus, tedy jeho konstrukce a průběh, neumožní vrátit většinu tepla Qcv zpět do cyklu, a to v konečném důsledku způsobuje docílení výrazně menší praktické účinnosti než které lze dosáhnout správně sestrojeným termodynamickým cyklem.This is due to the fact that the course of the individual events and especially their composition does not allow the heat supplied to the cycle to be used to the maximum extent, primarily because the main working event of this cycle is the adiabatic event, which is completely unsuitable for the steam cycle, because the work performed is significantly smaller than if the main work process is an isothermal process. Although it is true that the work done W is equal to the heat received Q, which is true for both processes, in the adiabatic process the work W is done, which is almost half less than in the isothermal process. At the same time, however, the same amount of specific heat Qcv and the same amount of heat of boiling Qiv are brought into the cycle from the source. Another major problem is that the mentioned Rankin-Clausian cycle, i.e. its design and course, does not allow to return most of the heat Qcv back into the cycle, and this ultimately causes the achievement of significantly less practical efficiency than can be achieved with a properly designed thermodynamic cycle.

Úkolem předkládaného vynálezu je pomocí speciálního parního cyklu a jemu konstrukčně přizpůsobeného parního motoru zvýšit výrazným způsobem praktickou účinnost parního motoru, která bude dosahovat v ideálním případě až čtyř pětin maximálně teoreticky dosažitelné účinnosti, mezi dvěma danými termodynamickými teplotami T a T1.The task of the present invention is to use a special steam cycle and a structurally adapted steam engine to significantly increase the practical efficiency of the steam engine, which will ideally reach up to four fifths of the maximum theoretically achievable efficiency, between two given thermodynamic temperatures T and T1.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Tento úkol je řešen tepelným parním motorem, podle vynálezu, který pracuje v sestrojeném parním cyklu, který sestává z izochorického děje, kdy je dodáno pracovní látce v kotli teplo Q, čímž se zvýší její teplota na T1 a tlak p1, dále z izobarického děje, kde je pára z kotle přivedena do izobarického stroje, kde vykoná práci Wizobar, přičemž izobarický stroj má i funkci šoupátka, a odtud je souběžně přesunuta do izotermického stroje, kde se rozpíná izotermicky, tedy za stálé teploty, tak dlouho, až její tlak poklesne z tlaku p1 na tlak p. Přitom je do stroje dodáno další teplo Q, které vykoná izotermickou práci Wizoterm, na konci izotermického rozpínání poklesne její tlak,This task is solved by a thermal steam engine, according to the invention, which works in a constructed steam cycle, which consists of an isochoric process, when heat Q is supplied to the working substance in the boiler, thereby increasing its temperature to T1 and pressure p1, further from an isobaric process, where the steam from the boiler is fed to the isobaric machine, where the Wizobar will do the work, while the isobaric machine also has the function of a slide valve, and from there it is simultaneously moved to the isothermal machine, where it expands isothermally, i.e. at a constant temperature, until its pressure drops from of pressure p1 to pressure p. At the same time, additional heat Q is supplied to the machine, which performs isothermal work Wizoterm, at the end of isothermal expansion its pressure drops,

- 1 CZ 2022 - 427 A3 avšak teplota v ideálním případě zůstane přibližně stejná. Souběžně s konáním práce Wizoterm probíhá ve stroji i děj izobarický, kdy je pára izobaricky, tedy za stálého tlaku p, stlačována přes protiproudý tepelný výměník do chladiče, přitom předá většinu svého měrného tepla Cv protiproudící kapalné pracovní látce, včetně většiny tepla, ve které se přeměnila daná izobarická práce, přičemž zbylé teplo je odebráno izochoricky v chladiči. Přitom poklesne teplota pracovní látky na teplotu T, a souběžně je kapalná pracovní látka přiváděná z chladiče do čerpadla stlačena izobaricky, tedy za stálého tlaku p1, přes zpětný ventil a protiproudý tepelný výměník vracena zpět do kotle. Tím je celý termodynamický kontinuální cyklus, kde všechny děje jdoucí za sebou, tedy děj, izochorický, děj izobarický, dále děj izotermický, děj izobarický, děj izochorický a děj izobarický, ukončen.- 1 CZ 2022 - 427 A3 but the temperature will ideally remain approximately the same. Simultaneously with the operation of the Wizoterm, an isobaric process takes place in the machine, when the steam is compressed isobarically, i.e. at a constant pressure p, through a countercurrent heat exchanger into the cooler, while transferring most of its specific heat Cv to the countercurrent liquid working substance, including most of the heat in which converted by the isobaric work given, with the remaining heat being removed isochorically in the cooler. At the same time, the temperature of the working substance drops to temperature T, and at the same time, the liquid working substance fed from the cooler to the pump is isobarically compressed, i.e. at a constant pressure p1, through the non-return valve and the countercurrent heat exchanger, and is returned back to the boiler. This completes the entire thermodynamic continuous cycle, where all successive events, i.e. the isochoric event, the isobaric event, the isothermal event, the isobaric event, the isochoric event and the isobaric event, are completed.

Tepelný parní motor sestává z teplo odebírajícího úseku o vyšší teplotě T1, do kterého je dodáváno teplo Q, a z teplo odvádějícího úseku s nižší teplotou T, odkud je odváděno teplo Q1.A heat steam engine consists of a heat-receiving section with a higher temperature T1, to which heat Q is supplied, and a heat-dissipating section with a lower temperature T, from which heat Q1 is removed.

V teplo odebírajícím úseku je uložen kotel s kapalnou pracovní látkou, ve kterém je pracovní látka ohřívána na danou teplotu T1, a pára z kotle je přiváděna potrubím přes škrticí ventil, kterým se řídí otáčky motoru do izobarického hydrostatického rotačního stroje, který je spojen hřídelí s izotermickým hydrostatickým rotačním strojem, přičemž pára proteče za stálého tlaku izobarickým hydrostatickým rotačním strojem, a přitom vykoná izobarickou práci Wizobar. Protože oba stroje pracují ve dvojčinném provedení, je souběžně celý objem páry o tlaku p1 přesunut do izotermického hydrostatického rotačního stroje. Pracovní objem izobarického hydrostatického rotačního stroje je nastaven tak, aby se dané množství páry přesunuté do izotermického stroje tam rozpínalo tak dlouho, až tlak páry poklesne z tlaku p1 na tlak p. Tedy izobarický stroj pracuje zároveň jako dvojčinné šoupátko, takže tepelný parní motor pracuje v dvojčinném provedení a nepotřebuje být vybaven samostatným šoupátkem ani příslušnými rozvody k jeho řízení.In the heat-removing section, a boiler with a liquid working substance is stored, in which the working substance is heated to a given temperature T1, and steam from the boiler is fed through a pipe through a throttle valve, which controls the engine speed, to an isobaric hydrostatic rotary machine, which is connected by a shaft with by an isothermal hydrostatic rotary machine, whereby the steam flows at constant pressure through an isobaric hydrostatic rotary machine, while doing the isobaric work of the Wizobar. Since both machines work in a double-acting design, the entire volume of steam with pressure p1 is simultaneously moved to the isothermal hydrostatic rotary machine. The working volume of the isobaric hydrostatic rotary engine is set so that the given amount of steam moved to the isothermal engine expands there until the steam pressure drops from the pressure p1 to the pressure p. Thus, the isobaric engine works at the same time as a double-acting slide valve, so that the thermal steam engine works in double-acting design and does not need to be equipped with a separate slide valve or appropriate distributions for its control.

Pára je přesunuta do izotermického hydrostatického rotačního stroje a zde se rozpíná izotermicky a vykoná práci Wizoterm na úkor dodaného tepla Q, která je odebírána z hřídele motoru.The steam is moved to an isothermal hydrostatic rotary engine and here it expands isothermally and does Wizoterm work at the expense of the supplied heat Q, which is taken from the motor shaft.

Z izotermického hydrostatického rotačního stroje je pára vedena potrubím přes protiproudý tepelný výměník, kde předá většinu svého měrného tepla Cp protiproudící kapalné pracovní látce a je izobaricky stlačena do chladiče v teplo odebírajícím úseku, kde je jí odebráno i skupenské teplo varu lv, a pára zkapalní.From the isothermal hydrostatic rotary machine, the steam is piped through a counter-flow heat exchanger, where it transfers most of its specific heat Cp to the counter-flowing liquid working substance and is isobarically compressed into a cooler in the heat-removing section, where the heat of boiling lv is also taken from it, and the steam liquefies.

Současně je z chladiče kapalná pracovní látka přivedena potrubím do čerpadla, které je spojeno hřídelí přes termoizolační spojku s hřídelí izobarického hydrostatického rotačního stroje, a z čerpadla je vedena potrubím přes zpětný ventil a protiproudý tepelný výměník, kde odebere měrné teplo Cp protiproudící páře, a je vracena do kotle.At the same time, the liquid working substance is fed from the cooler through a pipeline to the pump, which is connected by a shaft through a thermo-insulating coupling to the shaft of the isobaric hydrostatic rotary machine, and from the pump it is led through a pipeline through a non-return valve and a counter-flow heat exchanger, where it takes the specific heat Cp of the counter-flow steam, and is returned into the boiler.

Výhodou tepelného parního motoru je to, že jako pracovní látku lze použít vodu, ale i jiné pracovní látky, jako kapalné plyny, kde potom může parní motor efektivně pracovat i s malými rozdíly teplot.The advantage of the thermal steam engine is that water can be used as a working substance, but also other working substances, such as liquid gases, where the steam engine can then work efficiently even with small temperature differences.

Další výhodou je to že motor pracuje ve výrazně efektivnějším termodynamickém cyklu, než je tomu u současných parních strojů a motorů, a dosahuje tak výrazně lepší praktické účinnosti mezi dvěma danými teplotami.Another advantage is that the engine works in a significantly more efficient thermodynamic cycle than is the case with current steam engines and engines, and thus achieves a significantly better practical efficiency between two given temperatures.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude objasněn výkresem konkrétního příkladu tepelného parního motoru, kde znázorňuje obr. 1 schematické uspořádání celého motoru.The invention will be clarified by a drawing of a specific example of a thermal steam engine, where Fig. 1 shows the schematic layout of the entire engine.

- 2 CZ 2022 - 427 A3- 2 CZ 2022 - 427 A3

Příklad uskutečnění vynálezuAn example of the implementation of the invention

Tepelný parní motor dle zobrazeného příkladného provedení sestává z teplo odebírajícího úseku 10, o vyšší teplotě T1, do kterého je dodáváno teplo Q, a z teplo odvádějícího úseku 11, s nižší teplotou T, odkud je odváděno teplo Q1.The heat steam engine according to the exemplary embodiment shown consists of a heat-receiving section 10, with a higher temperature T1, to which heat Q is supplied, and a heat-dissipating section 11, with a lower temperature T, from which heat Q1 is removed.

V teplo odebírajícím úseku 10 je uložen kotel 1 s kapalnou pracovní látkou, ve kterém je pracovní látka ohřívána na danou teplotu T1, a pára z kotle 1 je přiváděna potrubím přes škrticí ventil 7, kterým se řídí otáčky parního motoru, do izobarického hydrostatického rotačního stroje 3, který je spojen hřídelí s izotermickým hydrostatickým rotačním strojem 4, pára proteče za stálého tlaku izobarickým hydrostatickým rotačním strojem 3 a přitom vykoná izobarickou práci Wizobar a odtud je potrubím přivedena do izotermického hydrostatického rotačního stroje 4, kde se rozpíná izotermicky a vykoná práci Wizoterm na úkor dodaného tepla Q, která je odebírána z hřídele motoru. Z izotermického hydrostatického rotačního stroje 4 je pára vedena potrubím přes protiproudý tepelný výměník 9, kde předá většinu svého měrného tepla Cp protiproudící kapalné pracovní látce, a je izobaricky stlačena do chladiče 2 v teplo odvádějícím úseku 11, kde je jí odebráno i skupenské teplo varu lv, a pára zkapalní.In the heat-removing section 10, a boiler 1 with a liquid working substance is stored, in which the working substance is heated to a given temperature T1, and the steam from the boiler 1 is fed through a pipeline through a throttle valve 7, which controls the speed of the steam engine, into the isobaric hydrostatic rotary machine 3, which is connected by a shaft to the isothermal hydrostatic rotary machine 4, the steam flows under constant pressure through the isobaric hydrostatic rotary machine 3 and at the same time performs the isobaric work Wizobar, and from there it is piped to the isothermal hydrostatic rotary machine 4, where it expands isothermally and performs the Wizoterm work on at the expense of the delivered heat Q, which is taken from the motor shaft. From the isothermal hydrostatic rotary machine 4, the steam is piped through the countercurrent heat exchanger 9, where it transfers most of its specific heat Cp to the countercurrent liquid working substance, and is isobarically compressed into the cooler 2 in the heat removal section 11, where the heat of boiling lv is also removed from it , and vapor liquefies.

Z chladiče 2 je kapalná pracovní látka přivedena potrubím do čerpadla 5, které je spojeno hřídelí přes termoizolační spojku 6 s hřídelí izobarického hydrostatického rotačního stroje 3, a z čerpadla 5 je vedena potrubím přes zpětný ventil 8 a protiproudý tepelný výměník 9, kde odebere měrné teplo Cp protiproudící páře, a je vracena do kotle 1.From the cooler 2, the liquid working substance is fed through a pipeline to the pump 5, which is connected by a shaft through a thermo-insulating coupling 6 to the shaft of the isobaric hydrostatic rotary machine 3, and from the pump 5 it is led through a pipeline through a non-return valve 8 and a countercurrent heat exchanger 9, where it takes the specific heat Cp counterflow steam, and is returned to boiler 1.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Tepelný parní motor bude mít širokou využitelnost, může být využit všude tam, kde nelze použít turbíny, zejména tedy u malých a středních výkonů, dále k využití tepel s nízkým teplotním rozdílem, získávání energie ze slunečního svitu a podobně.The thermal steam engine will have wide applicability, it can be used everywhere where turbines cannot be used, especially for small and medium outputs, also for using heat with a low temperature difference, obtaining energy from sunlight and the like.

Claims

PATENT CLAIMS

1.

1 drawing

List of relationship tags:

1. A heat steam engine, consisting of a heat-removing section (10) with a higher temperature T1 and a pressure p1 and a heat-removing section (11) with a lower temperature Ta tlakemp compared to the temperature T1 and tlakup1 in the heat-removing section (10), characterized by that the heat-removing section (10) is equipped with a boiler (1), a throttle valve (7), an isobaric hydrostatic rotary machine (3) and an isothermal hydrostatic rotary machine (4) and is connected by a pipe to a counter-flow heat exchanger (9) and a thermal insulation coupling ( 6) with a heat-dissipating section (11), which is equipped with a cooler (2), a pump (5) and a non-return valve (8), while the boiler (1) is connected by a pipe to a throttle valve (7), which is connected by a pipe to the hydrostatic by a rotary machine (3), which is connected by a pipe to an isothermal hydrostatic rotary machine (4), which is connected by a pipe to a countercurrent heat exchanger (9), which is connected by a pipe to a cooler (2), which is connected by a pipe to a pump (5) , which is connected by a pipeline to the check valve (8), which is connected by a pipeline to the countercurrent heat exchanger (9), which is further connected to the boiler (1) by a pipeline, and further, the pump (5) is connected by a shaft to the thermal insulation coupling (3) , isobaric hydrostatic rotary machine (3) and isothermal hydrostatic rotary machine (4).

2.

2. Thermal steam engine according to claim 1, characterized in that the working substance is water or liquid substances such as liquid gases or their compounds.

3.

4.

5.

6.

Boiler

Cooler

Isobaric hydrostatic rotary machine

Isothermal hydrostatic rotary machine

Pump

Thermal insulation coupling

7. Throttle valve

8.

9.

10.

11.

Reverse throttle valve

Countercurrent heat exchanger

Heat removing section

Heat dissipating section