CZ236896A3 - Rotační motor s uzavřeným termodynamickýmoběhem - Google Patents

Abstract

Zařízení převádí prostřednictvím uzavřeného *· oběhu pracovní látky tepelnou energii na ro- --· táční póhýlí."tóotor má uzavřený termodynamický oběh a. sestává z alespoň dvou čerpadel 1 (1, 2) s rozdílným objemovým výkonem a společným uzavřeným tekutinovým oběhem. Čerpadlo (1) teplé’větve Jé svým vstupem a prostřednictvím nejméně jedné chladící komory (4) spojeno se vstupem čerpadla (2) studené větve a výstup čerpadla" (2) studené větve je prostřednictvím alespoň jedné ohřevové ko- - mory (3)-propojen se; vstupem* 1 čerpadla. (I) teplé větve. Rotory obou čerpadel (1, 2) jsou uloženy < ňa ; společném hřídeli (5) nebo na nejméně dvou hřídelích, vzájemně spojených r prostředky kinematické vazby. Popsané uspořádání může být rovněž použito jako stator s alespoň jedním, vloženým rotorem, sestávají- ... - cím z hřídele s nejméně čtveřicí axiálních drá- ... . žek, v nichž jsou v radiálním směru pohyblivě uloženy lopatký, opisující ve styku s obvodó- ‘vou štěnouTštatórunekruhovou křivku.

Description

Oblast techniky

Vynález je z oblasti tepelných strojů a týká se zařízení, převádějícího prostřednictvím 5 uzavřeného oběhu pracovní látky tepelnou energii na rotační pohyb.

Dosavadní stav techniky

Dosud známá řešení strojů, převádějících tepelnou energii na mechanickou práci prostřednictvím termodynamických dějů, využívají mimo jiná řešeni také princip tzv. Stiriingova motoru, což je motor, v němž je práce vykonávána rozpínáním plynu ve vysokých teplotách, při nichž je teplo přejímáno zvenčí sáláním skrze stěnu. Tak jako motor s vnitřním spalováním, i Stiriingův motor vykonává práci pomocí cyklu, v němž píst stlačuje plyn o nízké teplotě a umožňuje jeho rozpínání ve vysoké teplotě. V prvém případě je teplo získáváno vnitřním spalováním paliva ve válci, zatímco ve Stiriingové motoru je teplo předáno ze zevně spalovaného paliva do plynu skrze stěnu válce. Je známo provedení Stiriingova motoru, zahrnujícího dvojici válců v uspořádání do „V“, jejichž písty jsou, pomocí kinematického řetězce sdruženy do jednoho funkčního celku a teplotní spád je uvnitř válců dosahován mezi jejich prostory nad písty. U jednoválcového provedení Stiriingova motoru jsou rychlé změny v teplotě plynu dosaženy pomocí sdruženého pístu, uloženého v tomtéž válci a nazývaného přesuvník, jenž se pohybuje nahoru a dolů a střídavě rozvádí plyn do dvou prostorů s proměnlivým objemem, z nichž jeden je stále ohříván na vysokou teplotou a druhý je ochlazován na teplotu nízkou. Je-li přesuvník zdvižený, plyn protéká z horkého prostoru přes ohřívač a chladící potrubí do chladného místa. Když se přemístí dolů, vrací se plyn stejnou cestou do horkého prostoru. V průběhu prvého přenosového cyklu dodává plyn do chladiče velké množství tepla; stejné množství tepla musí být odebráno z ohřívače v průběhu druhého cyklu. Mezi ohřívací potrubí a potrubí chladiče může být za účelem zabránění nadbytečnému plýtvání teplem vložen tepelný výměník, provedený kupříkladu jako ohraničený prostor vyplněný porézním materiálem, jemuž horký plyn předává své teplo před vstupem do chladiče; ochlazený plyn zde znovu získává své teplo při své cestě zpět do ohříváku.,„Soustava presu vniku slouží periodickému ohřevu a ochlazení plynu; sdružuje se s pístem, jenž stlačuje plyn, zatímco tento je ve chladném prostoru válce a umožňuje jeho expanzi, je-li v horké části. Od okamžiku, kdy začíná expanze o vyšší teplotě než komprese, vyrábí motor vícepráci, převyšující práci požadovanou pro kompresi.

Praktická podoba motoru bývá zpravidla spojena do celku s klikou a ojnicovým mechanizmem a v důsledku toho je dosahováno zpravidla ostré přechodové stadium mezi za sebou následujícími fázemi

J ' *1.^ » ·- -HOw il ’ Μ¹ I .- ι činnosti Stiriingova motoru; to však nemění ani podstatu tohoto cyklu, ani jeho účinnost. Jestliže v zájmu jednoduchosti píst a přesuvník jsou předpokládány v nespojitém pohybu, cyklus může být rozdělen do následujících čtyř fází:

(1) Píst je v nejnižší poloze, přesuvník v poloze nejvyšší; veškerý plyn je v chladném prostoro.

(2) Přesuvník je ve své horní úvrati; píst směřuje dolů a komprimuje plyn o nízké teplotě.

(3) Píst je v nejvyáší poloze; přesuvník se pohybuje nucené směrem dolů a převádí stlačený plyn ze studeného do horkého prostoru.

(4) Horký plyn expanduje, tlačí píst následovaný přesuvníkem, do nejnižších poloh; přesuvník stoupá a vrací plyn zpét do chladného prostoru, píst zůstává v uvedené dolní úvrati, aby tak byla znovu dosažena fáze 1.

Skutečné pohyby pístu a přesuvníku mohou být realizovány se vzájemným fázovým posunem za předpokladu, že takové uspořádání dodrží jedinou základní podmínku pro získání přebytku práce, jímž je maximální objem horkého prostoru v porovnání se studeným prostorem. Tato podmínka umožňuje i jiná uspořádání pístů s válci než je uvedený typ s přesuvníkem, využívající Stirlingův cyklus. Jeden z nejkompaktnějších systémů je znám jako dvouchodý motor ( v současné době stavěné kupříkladu v laboratořích firmy Philips jako prototypy v řadě 7,5 až 375 kW na válec). Horký prostor.válce je spojen se studeným prostřednictvím ohřívače, tepelného výměníku ( zvaného také „regenerátor*) a chladiče. Píst se pohybuje ve válcích se vhodným fázovým posuvem mezi nimi. V případě čtyř válců je tento posun

90°. Po létech výzkumů Stirlingova motoru dosahuje současná tepelná účinnost v závislosti na výstupním výkonu a teplotním spádu cca 30 - 45 %; od výkonu 85 kW/dm³ obsahu válce jsou popisované motory vybaveny pístem a přesuvníkem s kosočtverečným klikovým hnacím ústrojím; píst a přesuvník mají kocentrická táhla, připojená ke kosočtverečnému klikovému hnacímu ústrojí, otáčejícímu při pohybech pístu dvojicí záběrových ozubených kol. Chladič, regenerátor a ohřívák jsou uspořádány jako prstencová soustava kolem válcového pracovního prostoru. Tubus ohříváku obklopuje spalovací prostor. Pro ohřev je přiváděn plyn o teplotě 800^eC, zchlazený na 150 - 200’C, přičemž hnací atmosféra je ohřívána na 650‘C. Kosočtverečné klikové hnací ústrojí¹ umožňuje dosáhnout vyvážení dokonce ί jednoválcového motoru a odděleného vyrovnávacího prostoru a vyhnout se takto silovým momentům, působícím na jednotlivé členy popsaného kinematického ústrojí. Přibližná výstupní tepelná rozvaha konkrétního provedení Stirlingova motoru tohoto typu je: 40 % využitelné energie, výfuk a sálání 10 % a tepeiriý výkon odebraný chladicí vodou 50 %. Ovládání výstupního výkonu je dosaženo řízením tlaku pracovní tekutiny v motoru, zatímco teplota ohříváku je udržována pomocí termostatu jako konstantní; odtud je účinnost relativně málo závislá na výkonu,

Mezi známá řešení spalovacích motoru patří rovněž Heydríchův motor, což je rotační spalovací motor s radiálně suvně uloženými křídly, jenž využívá malého otvoru k nahromadění množství spalných plynů o vysoké teplotě z předchozího spalování. Tento plyn je pak použít k zapálení následující dávky palivovzduáné směsi.. Dávka je nejprve zapálena žárovým kolíkem. Okružní těsnění je ve styku se stěnami komory, jejíž vnitřní obvod v půdorysném pohledu vytváří přibližně nefroidu.

Podstata technického řešení

Uzavřená soustava Stirlingova motoru, zejména pak v popsaném provedení zahrnujícím i ~ přesuvník, dosahuje mnoha výhod a také určité nevýhody; tento motor může pracovat s alkoholem, 40 palivovými směsmi s dominujícím podílem benzinu, motorovou naftou, mazacími oleji, salátovým olejem, olivovým olejem, surovou naftou, propanem, butanem a zemním plynem. Mimoto umožňuje realizovat spalováni takovým způsobem, při némž je znečištěni vzduchu ve srovnání se spalovacími motory o jeden řád menší. Ke zprostředkování přiměřeného přestupu tepla ze zdroje s poměrně vysokou teplotou například na topné potrubí - může být pro tento motor jako zdroj aplikován vhodný radioizotop, nukleární reaktor, tepelný akumulátor, sluneční teplo, nebo I hořící uhlí či dřevo. Téměř sinusovité změny tlaku ve válci a souvislý ohřev činí Stiríingův motor v provozu velmi tichý. Motor obsahující čtyři nebo více válců přináší potenciálně stálý točivý moment se širokým rychlostním rozsahem, jenž je zvláště měnitelný pro trakční použití. Uvedené uspořádání umožňuje zcela dokončit vyvážení, takto odstraňující vibrace. Není nutná spotřeba maziv a potenciální znečištění, jelikož nové typy těsnění na sebe vzájemně působících táhel odděluje hermeticky pracovní cyklus od hnacího ústrojí.

Mezi nevýhody řešení Stirlingova motoru patří zejména vratný cyklický pohyb pistu a potřeba jeho převodu na spojitý pohyb rotační, z čehož vyplývá i potřeba vynaložení vyšších výrobních nákladů, další výkonové ztráty třením v připojeném kinematickém ústrojí pro převod přímočarého pohybu.

Negativní dopady této nevýhody-jsou umocněny rovněž tím, že tepelné výměníky tvořící součást Stirlingova motoru, jsou namáhány cyklicky, čímž může poměrně lehce dojít k jejích následným deformacím, apoď Další nevýhodou je i poměrná složitost a nákladnost kinematického řetězce uskutečňujícího převod cyklického přímočarého pohybu pístu.

Uvedené nedostatky v dominující míře odstraňuje rotační motor s uzavřeným termodynamickým oběhem dle vynálezu, sestávající z alespoň dvou čerpadel s rotačním pohybem pracovního orgánu a se vzájemně rozdílným objemovým výkonem a společným uzavřeným tekutinovým oběhem, přičemž čerpadlo teplé větve je svým výstupem a prostřednictvím nejméně jedné chladicí komory spojeno se vstupem čerpadla studené větve a výstup čerpadla studené větve je prostřednictvím alespoň jedné ohřevové komory propojen se vstupem čerpadla teplé větve, přičemž rotory obou čerpadel jsou uloženy na společném hřídeli nebo na nejméně dvou hřídelích, vzájemně spojených prostředky kinematické vazby, například párem kol s evolventním ozubením, pružnou spojkou, kardanem. Uzavřený oběh zahrnující obě uvedená čerpadla je pak naplněn tekutinou, jež prostřednictvím ohřevové komory přejímá tepelnou energii z libovolného, výkonově vhodného zdroje. Část nespotřebované tepelné energie je pak prostřednictvím chladící komory odváděna mimo motor dle vynálezu.

Další provedení dle vynálezu může být realizováno tak, že dosud popsané provedení motoru vytváří stator, jenž je s výhodou proveden jako uzavřená skříň s tekutinovou náplní, rozdělená nejméně dvěma čerpadly na alespoň jednu ohřevovou komoru a alespoň jednu chladící komoru, přičemž po vnějším a/nebo vnitřním obvodu takto provedeného středového, popřípadě obvodového válce *Mtai ^rak°rá©£ého po obou čelech víky, je otočně uložen alespoň jeden rotor, sestávajíc!/ alespoň jednoho hřídele s nejméně čtyřmi axiálními drážkami, kde v každé z nich je radiálně suvně uložena alespoň jedna . lopatka, jejíž vnější obvodové hrana je ve stálém styku se stěnou válce. Příčný průřez obvodovou plochou statoru, na níž dosedají obvodové hrany lopatek, má tvar průniku soustředné elipsy a kružnice, přičemž poloměr kružnice je menší než hlavní poloosa elipsy a větší než její vedlejší poloosa. Vnitřní prostor válce je vyplněn tekutinou, která díky zevně dodávanému, resp. mimo motor odebíranému teplu z ~ již popsaného uspořádání statoru mění svůj objem, v důsledku čehož je rotor uváděn do otáčivého pohybu.

Jako zdroj tepla pro ohřevovou komoru může být užit v podstatě libovolný zdroj podle podmínek použití zařízení dle vynálezu, kupříkladu odpadní teplo, vytvářené při jiné výrobní činnosti; jako zdroj tepelné energie může být aplikován rovněž vhodný radioizotop, nukleární reaktor, tepelný akumulátor, sluneční teplo, nebo i hořící uhlí či dřevo. Rovněž tak chladící komora může být ochlazována například nucené protékajícím vzduchem nebo vodou, zejména s ohledem na dosažitelný teplotní spád a využitelný tepelný výkon. Chladící nebo ohřevová komora mohou být rovněž s výhodou provedeny jako části tepelných výměníků. .

Uvedené uspořádání motoru dle vynálezu může být dále uzpůsobeno jak pro konkrétní aplikace zejména znásobením a sériovým a/nebo paralelním uspořádáním alespoň některých z jeho součástí, jako například čerpadel, chladících nebo ohřevových komor, lopatek či obvodového statoru, apod.

Mezi nejvýznamnější výhody rotačního motoru s uzavřeným termodynamickým oběhem dle vynálezu patří přímá přeměna zejména spojitě vytvářené tepelné práce na mechanickou práci prostřednictvím spojitého, rotačního pohybu. Tím je odstraněna potřeba převodu vratného přímočarého pohybu pístů na obvykle požadovaný pohyb rotační prostřednictvím kinematického řetězce. V některých ' oblastech může být motor dle vynálezu užit pro přímý pohon určených zařízení, bez dalších vložených kinematických celků, jako například převodových skříní, spojek apod. Jinou výhodou motoru dle vynálezu je jeho vysoká výkonová pružnost a možnost jeho snadno ovladatelného, plynulého rozjezdu i dojezdu.

Přehled obrázků na výkresech

Podstata řešení rotačního motoru s uzavřeným termodynamickým oběhem dle vynálezu je podrobněji objasněna prostřednictvím popisu jeho schematicky vyobrazeného příkladu provedení, znázorněného na připojených výkresech, kde obr. 1 znázorňuje blokové funkční schéma základního provedení motoru dle vynálezu, a obr: 2 představuje blokové schéma uspořádání motoru s rotorem opatřeným čtveřicí suvně uložených lopatek.

Příklady provedení vynálezu ,

Tepelný motor s uzavřeným termodynamickým oběhem, znázorněný v blokovém schématu na ________obr. 1, sestává z pám čerpadel 1,2 s rotačním pracovním orgánem a se vzájemně rozdílným objemovým výkonem, vzájemně propojených tak, že společně vytvářejí uzavřený prostor pro cirkulaci teplosménné „-------tekutiny. Výstup čerpadla X teplé větve ústi do chladíc! komory 4, jejíž výstup je spojen se vstupem objemovým výkonem menšího Čerpadla 2 studené větve, jehož výstup ústí do ohřevové komory 3. Rotory obou čerpadel 1., 2 jsou uloženy na společném hřídeli 5. Uzavřený termodynamický oběh obou čerpadel

1, 2 je naplněn tekutinou, která prostřednictvím ohřevové komory 3 přejímá z externího, zde blíže nespecifikovaného zdroje teplo, jehož působením tekutina mění svůj objem. Obdobně prostřednictvím chladící komory 4 je tepelná energie, nevyužitá pro přeměnu na rotační pohyb, z uzavřeného tekutinového odebírána a odváděna mimo prostor motoru.

Obr. 2 znázorňuje blokové schéma tepelného motoru s uzavřeným termodynamickým oběhem, jehož stator tvoří skříň 6 s příčným průřezem ve tvaru pravoúhlého rovnoběžníku se středovou dutinou; vnitřní prostor skříně 6 je párem čerpadel 12 rozdělen na ohřevovou komoru 3 a chladící komoru 4. Ve středové dutině, opatřené zde neznázoměným! vlky a vytvářející tak středový válec, je uložen hřídel 5 opatřený po obvodu symetricky umístěnými axiálními drážkami; v nichž jsou v radiálním směru suvně uloženy lopatky 7, jejichž vnější obvodová hrana dosedá na vnitřní obvodovou stěnu 9 válce statoru, jehož příčný průřez má tvar průniku soustředné elipsy a kružnice, přičemž průměr kružnice je větší než vedlejší poloosa elipsy a menší než její hlavní poloosa. Vnitřní objem válce statoru je vyplněn tekutinou, jež díky objemovým změnám způsobeným tepelnou energií předávanou ze statoru z ohřevové komory 3 a odváděnou do statoru prostřednictvím chladící komory 4 skříně otáčí rotorem.

Průmyslová využitelnost

Rotační motor s uzavřeným termodynamickým oběhem dle vynálezu je využitelný ve všech případech, kde je zapotřebí převádět tepelnou energii na energii pohybovou, resp. na rotační pohyb a následně pak pohánět v podstatě libovolný kinematický řetězec. Motor dle vynálezu je vhodný zejména v aplikacích, kde je k dispozici relativně stálý, nepřetržitý zdraj.tepelné energie a vyžadován relativně stálý pohon kinematického řetězce. Je vhodný rovněž pro ekologicky nezávadné použití, například v oblasti využití geotermální energie, apod., či ve speciálních aplikacích, kde další přenos točivého momentu od motoru dle vynálezu je realizován prostředky využívajícími princip magnetické vazby.

6-)/

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rotační motor s uzavřeným termodynamickým oběhem, vyznačený tím, že sestává z alespoň dvou čerpadel (1, 2) s rotačním pohybem, vzájemně rozdílným objemovým výkonem a

   5 společným uzavřeným tekutinovým oběhem, přičemž čerpadlo (1) teplé větve je svým výstupem a prostřednictvím nejméně jedné chladicí komory (4) spojeno se vstupem čerpadla (2) studené větve a výstup čerpadla (2) studené větve je prostřednictvím alespoň jedné ohřevové komory (3) propojen se vstupem čerpadla (1) teplé větve, přičemž rotory obou čerpadel (1, 2) jsou uloženy na společném hřídeli (5) nebo na nejméně dvou hřídelích, vzájemně spojených prostředky kinematické vazby.
2. 2. Rotační motor s uzavřeným termodynamickým oběhem podle nároku 1, vyznačený tlm, že tvoří stator, provedený s výhodou jako uzavřená skříň {6) s tekutinovou náplní a rozdělená nejméně dvěma čerpadly (1, 2) na alespoň jednu ohřevovou komoru (3) a alespoň jednu chladící komoru (4),

   15 když po vnějším a/nebo vnitřním obvodu statoru je ve válci opatřeném víky otočně uložen alespoň jeden rotor, sestávající z alespoň jednoho hřídele (50) s nejméně Čtyřmi axiálními drážkami (8), kde v každé z nich je radiálně suvně uložena alespoň jedna lopatka (7).
3. 3. Rotační motor s uzavřeným termodynamickým oběhem podle nároku 2, vyznačený tím, že

   20 příčný průřez obvodovou stěnou (9) válce statoru, na níž dosedají obvodové hrany lopatek (7), má tvar průniku soustředné elipsy a kružnice, přičemž poloměr kružnice je větší než vedlejší poloosa elipsy a menší než její hlavní poloosa (-2 obr.-)

   1 čerpadlo

   2 čerpadlo

   5 3 ohřevová komora
4. 4 chladící komora
5. 5 hřídel
6. 6 skříň

   1 lopatka

   10 8 drážka
7. 9 sténá statoru λ

   50 hřídel

   Seznam vztahových značek