CZ287963B6 - Tepelný motor pro přeměnu tepelné a mechanické energie - Google Patents

Abstract

Tepelný motor obsahuje kompresní komoru (9, 11) s obsahem stlačovaného plynu a první píst (5) pro stlačování plynu pohybem tohoto prvního pístu do kompresní komory (9, 11), spojený s hnacím ústrojím upraveným pro pohon prvního pístu (5) do kompresní komory (9, 11) pro stlačování plynu. Motor dále obsahuje expanzní komoru (17, 19) s druhým pístem (7) pro umožnění rozpínání plynu při pohybu druhého pístu (7) ven z expanzní komory (17, 19), ústrojí pro přívod stlačeného plynu z kompresní komory (9,11) do expanzní komory (17, 19) a ohřívací ústrojí pro ohřívání stlačeného plynu z kompresní komory (9, 11). S druhým pístem (7) je operativně spojeno přenosové ústrojí pro odebírání výkonu motoru a v kompresní komoře (9, 11) je umístěno ústrojí pro vytváření sprchy kapaliny pro ochlazování plynu při stlačování.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká tepelného motoru pro přeměnu tepelné a mechanické energie, obsahujícího kompresní komoru s obsahem stlačovaného plynu a první píst pro stlačování plynu pohybem tohoto prvního pístu do kompresní komory a hnací ústrojí prvního pístu v kompresní komoře pro stlačování plynu, expanzní komoru obsahující druhý píst, přívodní ústrojí stlačeného plynu z kompresní komory do expanzní komory, zahřívací ústrojí pro ohřívání stlačeného plynu na výstupu z kompresní komory a přenosové ústrojí obsahující tuhý člen spřažený operativně s druhým pístem pro odebírání výkonu motoru.

Dosavadní stav techniky

Téměř ve všech případech je v oblasti výroby energií důležitým hlediskem při posuzování jednotlivých technologií dosažení co nejvyšší tepelné účinnosti zařízení pro výrobu energie především z toho důvodu, že ceny paliv se podílejí asi ze dvou třetin na celkových výrobních nákladech při výrobě energie. Kromě toho ohledy na životní prostředí, které rovněž zvyšují náklady, vyžadují větší zaměření pozornosti na dosažení co největší účinnosti, aby se co nejvíce omezila tvorba oxidu uhličitého a jiných nežádoucích emisí.

Větší tepelné účinnosti a nižší produkce škodlivých emisí je možno obecné dosáhnout spíše ve větších výrobních jednotkách než v malých zařízeních. To je způsobeno skutečností, že tepelné ztráty, tření mezi pohyblivými částmi zařízení a úniky pracovních tekutin jsou v poměru k jednotce výkonu nižší u velkých výrobních jednotek než u malých zařízení. Velké výrobní jednotky si mohou také dovolit použití složitějších zařízení, zatímco u menších výrobních jednotek by použití takových dalších zařízení nebylo možné.

Z tohoto hlediska však není možno přehlédnout, že se objevují některé podmínky, ve kterých je výhodné použití jen malých výrobních jednotek, přičemž je důležité, aby také tato zařízení byla co nejúčinnější a co nejšetmější k životnímu prostředí. Tato situace se vyskytuje v mnoha částech světa, kde není k dispozici elektrická síť pro zásobování elektřinou. Může se také stát, že konstrukce elektrárny pro dodávání elektrické energie je již mimo finanční možnosti místních obyvatel neboje možné, že poptávka po elektrické energii bude tak nízká, že by se již nedalo zdůvodnit budování dalších výrobních zařízení pro výrobu energií. Tato situace se objevuje ve větším počtu méně vyspělých zemí a také v odlehlejších nebo řídce osídlených oblastech nebo na ostrovech vzdálených od pobřeží.

Další možnost uplatnění malých, ale účinných motorů se projeví u kombinovaných výrobních jednotek pro výrobu tepla a energie (CHP). Využívání tepla společně s energií vede zpravidla k vyšší celkové energetické účinnosti než by byla dosažitelná při odběru elektrické energie z elektrické sítě. Protože teplo nemůže být převáděno hospodárně na větší vzdálenosti, je třeba u systémů pro současnou výrobu energie a tepla zajistit jejich správné dimenzování, odpovídající místním požadavkům na dodávku tepla. Tyto skutečnosti vedou často k návrhu výrobních jednotek s malou velikostí.

Řešení podle vynálezu může být využito jednak jako tepelných motorů a jednak po určitých úpravách jako tepelných čerpadel. Tepelná čerpadla převádějí teplo z nízkoteplotních zdrojů tepla do tepelných jímek, obsahujících látku s vysokou teplotou. Například při chladném počasí může tepelné čerpadlo odebírat teplo z atmosférického vzduchu a přečerpat je na vyšší teplotu, aby jím bylo možno vytápět vnitřní prostor budovy. V alternativním provedení při horkém počasí může tepelné čerpadlo pracovat jako klimatizační jednotka, která odebírá teplo z vnitřního vzduchu budovy a odvádí je do okolní atmosféry, i když je venkovní teplota vyšší než teplota uvnitř

-1CZ 287963 B6 budovy. Tepelné čerpadlo může být kromě toho použito pro chlazení vzduchu, aby v něm docházelo ke kondenzaci vodních par. Teplo odvedené z tepelného čerpadla může být potom využito k obnovení teploty vzduchu, takže v tomto případě může být využíváno tepelného čerpadla pro vysoušení vzduchu. Podobně jako u kombinovaných výrobních jednotek pro výrobu tepla a energie (CHP) je třeba, aby velikost těchto tepelných čerpadel byla navrhována v souladu s konkrétními místními požadavky a konkrétní místní potřebou tepla. V důsledku toho bude většina kapacit tepelných čerpadel využívána ve formě spíše malých než velkých jednotek.

Většina dosud známých druhů tepelných čerpadel, klimatizačních jednotek nebo chladicích systémů vyžaduje pro svou činnost vypařující se a kondenzující látku, která vře při vhodné teplotě, jako je tomu například u jedné z chlorovaných a fluorovaných uhlíkových sloučenin (CFC). O těchto látkách je známo, že ničí zemskou ozónovou vrstvu, která chrání život lidí a zvířat před škodlivým ultrafialovým zářením. I když jsou již známy některé náhrady CFC, některé z nich rovněž poškozují ozónovou vrstvu, i když v menší míře. Jiné alternativní látky mají zase nevýhodu spočívající v jejich hořlavosti, jedovatosti, vysoké ceně, nedostatečných termodynamických vlastnostech nebo v tendenci zvyšovat globální zahřívání.

Jsou rovněž dobře známy motory a tepelná čerpadla, založené na využití Stirlingova cyklu. Jeden druh Stirlingova motoru obsahuje kompresní komoru a expanzní komoru, které jsou mezi sebou propojeny přes rekuperační výměník tepla, tvořící plynový prostor, ve kterém se nachází pracovní plyn. Při ideálním průběhu Stirlingova cyklu se pracovní plyn v kompresní komoře stlačuje pístem a probíhá v něm izotermická komprese, přičemž kompresní teplo se odvádí do nízkoteplotní jímky pro zachycování tepla. Po ukončení tohoto procesu se chladný pracovní plyn vhání do regenerátoru, ve kterém se před svým vstupem do expanzní komory předehřeje.

V expanzní komoře se nechá horký stlačený pracovní plyn expandovat vytlačováním pístu z expanzní komory. V průběhu expanze se do pracovního plynu dodává teplo, takže plyn expanduje izotermicky. Horký stlačený vzduch se potom protlačuje v opačném směru regenerátorem, ve kterém předává teplo ještě před svým převedením do kompresní komory před začátkem nového pracovního cyklu.

US-PS 4 148 195 popisuje tepelné čerpadlo ovládané teplem, které vyžaduje zdroj tepla s vysokou teplotou, získávaného například spalováním paliva, popřípadě zdroj tepla s nízkou teplotou, například atmosférický vzduch. Výstupní tepelný výkon je získáván při střední mezilehlé teplotě. Účelem tohoto tepelného čerpadla je přeměna určitého množství tepelné energie s vysokou teplotou na větší množství tepelné energie se střední teplotou. Toho je dosaženo odebíráním tepelné energie z nízkoteplotního tepelného zdroje. Čerpadlo ovládané teplem podle USPS 4 148 195 má uzavřený pracovní cyklus bez ventilů, které by jinak tento cyklus výrazně přibližovaly ke Stirlingovu cyklu. Pracovní plyn je přemísťován mezi sousedními expanzními a kompresními komorami, vytvořenými v ramenech trubek tvaru U, pomocí kapalinových pístů, obsažených ve skupině čtyř vzájemně propojených trubek tvaru U a zapojených do uzavřeného obvodu. Kapalinové písty přenášejí sílu celým uzavřeným obvodem přímo z expandujícího plynu v expanzní komoře do stlačovaného plynu v sousední kompresní komoře, přičemž expanzní komora a kompresní komora jsou vytvořeny ve vzájemně protilehlých ramenech stejné trubky tvaru U. Čtyři trubky tvaru U jsou spojeny prostřednictvím plynového prostoru s regenerátory. Dva ze čtyř regenerátorů a jim přiřazených objemů plynu pracují v teplotním rozsahu mezi vysokou teplotou a střední teplotou. Druhé dva regenerátory a s nimi spojené objemy plynu pracují v teplotním rozsahu mezi nízkou teplotou a střední teplotou. Cyklus pracuje takovým způsobem, že síla se přenáší látkou kapalinových pístů z objemů plynu, pracujících v rozsahu vysokých teplot, do objemů plynu pracujících v rozsahu nízkých teplot.

V materiálech z 21. Inter-society Energy Conversion Engineering Conference je v dílu 1 (1986) na str. 377 až 382 popsáno Stirlingovo tepelné Čerpadlo s tepelným ovládáním, které má podobné konstrukční řešení jako tepelné čerpadlo podle US-PS 4 148 195 a u kterého je pracovní plyn zahříván nebo ochlazován odebíráním kapaliny z kapalinového pístu, ohříváním nebo chlazením

-2CZ 287963 B6 mimo čerpadlo a opětným vstřikováním kapaliny do expanzní komory nebo do kompresní komory ve formě aerosolu.

Jednou z nevýhod těchto známých tepelných čerpadel je skutečnost, že maximální pracovní teplota vysokoteplotního zdroje tepla je velmi nízká v porovnání s teplotou, kterou je možno dosáhnout u moderních nejpokrokovějších technologií pro výrobu energií, například u plynových turbin s kombinovaným cyklem. Například teplota tepla dodávaného do tepelného čerpadla je zřejmě omezena na asi 400 °C, zatímco vstupní teplota plynu u moderních plynových turbin je o něco vyšší než 1300 °C. V důsledku toho je účinnost přeměny vysokoteplotní tepelné energie na vnitřní práci uvnitř tepelného čerpadla s tepelným ovládáním nízká, jak by bylo možno předpokládat z úvah založených na Camotově rovnici. Výsledkem toho je, že celkový koeficient výkonu je velmi nízký.

Další nevýhoda tepelně ovládaného tepelného čerpadla podle US-PS 4 184 195 spočívá v tom, že kapalinové písty musí být příliš dlouhé, aby se dosáhlo nízkého vlastního kmitočtu pístu. Vlastní kmitočet musí být nízký, aby byl k dispozici dostatek času pro přenos tepla mezi kapičkami kapaliny a plynem. Potřebná délka kapalinového pístu se zvláště obtížně zajišťuje u malých zařízení pracujících s vysokými tlaky. Také ztráty třením, které vznikají u dlouhých kapalinových pístů, jsou považovány za nepřijatelně vysoké u malých zařízení. Kromě toho je požadována vysoká hodnota poměru délky pístu k jeho zdvihu pro odstranění tak zvané kyvadlové ztráty, která vzniká z přenosu tepla z jednoho konce kapalinového pístu na jeho druhý konec. Kyvadlové ztráty vznikají proto, že oba konce každého kapalinového pístu mají vzájemně rozdílnou teplotu a v důsledku toho dochází k určitému promíchávání kapaliny a přenosu tepla.

US-PS 3 608 311 popisuje motor, jehož činnost je založena na Camotově cyklu, ve kterém se plyn postupně stlačuje a expanduje v jediném válci kapalinovým posuvným tělesem. Horká a studená kapalina z kapalinového přemísťovacího tělesa se střídavé vstřikuje do válce pro ohřívání plynu v průběhu části expanzního procesu a pro ochlazení plynu v průběhu části kompresního procesu.

Jednou z nevýhod tohoto známého tepelného motoru je skutečnost, že výkon motoru v jednom cyklu je poměrně nízký, protože motor pro svůj chod vyžaduje vysoký kompresní poměr pro zvýšení teploty pracovního plynu na racionální hodnotu v průběhu adiabatického stlačování, přičemž tento kompresní poměr je prakticky nedosažitelný. Další nevýhoda tohoto motoru spočívá v tom, že pracovní plyn mění plynule svou teplotu z vysoké na nízkou hodnotu a zůstává přitom ve stejném válci v průběhu celého procesu. Proto také stěny válce mění svoji teplotu od nízké po vysoké teploty, což vyvolává značné entropické změny a snižuje termodynamickou účinnost motoru.

Podstata vynálezu

Nedostatky těchto známých tepelných motorů jsou odstraněny motorem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že v kompresní komoře je umístěno vstřikovací ústrojí, vyústěné do kompresní komory pro vytváření sprchy kapaliny při stlačování plynu, a separátor kapaliny od stlačeného plynu opouštějícího kompresní komoru.

Jedna z výhod tohoto řešení podle vynálezu spočívá v tom, že teplo je efektivně převáděno do kapaliny v kapalinové sprše při nejnižších teplotách celého pracovního cyklu tepelného motoru. Kromě toho expanze plynu probíhá v samostatné expanzní komoře, takže teploty každé komory a tím i různých částí komory a pístů se nemění cyklicky mezi vysokými a nízkými hodnotami a tím se zlepšuje účinnost.

-3CZ 287963 B6

Ve výhodném provedení tepelného motoru podle vynálezu je expanzní komoře předřazeno zahřívací ústrojí pro dodávku tepla do plynu v průběhu jeho stlačování. V tomto provedení může být expanzní proces přibližně izotermický.

V jiném výhodném provedení vynálezu je zahřívací ústrojí tvořeno výměníkem tepla, umístěným ve směru proudění předehřívaného plynu za výstupem z kompresní komory pro předehřívání plynu teplem z plynu expandovaného v expanzní komoře. Izotermickým expandováním plynu v expanzní komoře ze dosahuje zpětného získání části tohoto tepla v tepelném výměníku, který je využíván pro předehřívání stlačeného plynu přiváděného z kompresní komory před jeho expanzí. Výměníkem tepla může být v tomto výhodném provedení například regenerační výměník tepla, jestliže expandovaný plyn z expanzní komory proudí podél stejné průtokové dráhy jako přiváděný stlačený plyn z kompresní komory, nebo rekuperační výměník tepla, jestliže plyny proudí podél různých průtokových drah. Rekuperační výměník tepla je zvláště výhodný v těch případech, kde je požadováno předávání tepla mezi dvěma kapalinami a kde není žádoucí promíchávání plynů a/nebo kde se vyskytují dva plyny mající podstatně odlišné tlaky.

Tepelný motor podle vynálezu obsahuje výhodně vratné ústrojí pro vracení expandovaného plynu, opouštějícího expanzní komoru, zpět do kompresní komory pro opětné stlačování. Vratné ústrojí může být odděleno od prvků zajišťujících přívod stlačeného plynu do expanzní komory, popřípadě pracovní plyn může proudit ve dvou vzájemně opačných směrech mezi kompresní komorou a expanzní komorou po stejné dráze. Výhodné provedení motoru, u kterého je stejný objem pracovního plynu plynule recyklován mezi kompresní komorou a expanzní komorou, bude v dalším popisu označován za motor s uzavřeným pracovním cyklem. Protože celý objem pracovního plynu je utěsněné uzavřen uvnitř motoru, může být plyn předem stlačen, takže minimální tlak, který se vyskytuje v pracovním plynu v průběhu celého pracovního cyklu, je podstatně větší než atmosférický tlak.

V ještě jiném výhodném provedení vynálezu je tepelný motor opatřen ústrojím pro dodávání tepla, obsahujícím rozstřikovače pro vytváření sprchy horké kapaliny v expanzní komoře. Rozstřikovaná kapalina použitá pro vytváření sprchy může být zahřívána pomocí vnějšího výměníku tepla a zdrojem tepla může být odpadní teplo, například průmyslové odpadní teplo, solární energie nebo teplo z chladicího systému pro chlazení spalovací komory. Využití horké kapalinové sprchy pro přenos tepla do expanzní komory je zejména výhodné, jestliže je použito v motorech s uzavřeným pracovním cyklem, které mají tepelný zdroj s poměrně nízkou teplotou. Kapalinové sprchy totiž nejsou vhodné pro použití při příliš vysokých teplotách.

Expanzní komory jsou v dalším výhodném provedení vynálezu vytvořeny ve formě spalovacích komor pro spalování paliva a zahřívací ústrojí plynu obsahuje plášť expanzních komor pro ohřívání stlačeného plynu z kompresních komor teplem vedeným napříč nejméně jedné stěny omezující expanzních komor. Ve spalovacích expanzních komorách je uložen třetí píst spojený pohyblivě s přenosovým ústrojím tvořeným ojnicí a klikovým hřídelem.

Alternativní provedení motoru podle vynálezu obsahuje první ventilové prvky pro ovládání přívodu vzduchu nebo jiného oxidačního plynu do kompresní komory, druhé ventilové prvky pro zamezování vracení plynu z expanzní komory do kompresní komory ústrojím pro přívod stlačeného plynu do expanzní komory a ústrojí pro dodávání tepla zajišťující přívod hořlavého paliva do expanzní komory. V tomto výhodném provedení se směs paliva a horkého stlačeného plynu v expanzní komoře zapálí a po expanzi se spaliny vyfukují z motoru přes tepelné výměníkové prvky. Na začátku každého cyklu je proto nutný přívod čerstvého pracovního plynu. Výhodné provedení vynálezu, ve kterém je pracovní plyn v každém pracovním cyklu obnovován, je označováno za motor s otevřeným pracovním cyklem. Jedno z výhodných provedení tohoto druhu motoru může obsahovat regulační ústrojí pro řízení množství dodávaného hořlavého paliva za jednotku času do expanzní komory, aby se zajistila v podstatě izotermická expanze.

-4CZ 287963 B6

Za obecně výhodné se považuje, že první a druhý píst zajišťují dobré utěsnění pro pracovní plyn, což je zvláště důležité u motorů s uzavřeným pracovním cyklem. První píst a/nebo druhý píst může obsahovat kapalinu a tím se odstraňují problémy s těsněním, které se jinak běžně vyskytují u tuhých pístů. Výhodné provedení motoru podle vynálezu je opatřeno dvojicí trubek tvaru U, z nichž každá obsahuje těleso kapaliny jako píst, kompresní komoru vytvořenou v každém ramenu jedné trubky, expanzní komoru vytvořenou v každém ramenu druhé trubky, ústrojí pro přívod stlačeného plynu z jedné z kompresních komor do jedné z expanzních komor a ústrojí pro přívod stlačeného plynu z jiné kompresní komoiy do další expanzní komory a samostatné přívodní ústrojí pro přívod stlačeného vzduchu z další kompresní komory do další expanzní komory.

V tomto konkrétním provedení dochází k expanzi a ke kompresi dvakrát v jednom pracovním cyklu a vzájemné nastavení poloh kapalinových pístů je zejména provedeno tak, že expanzní proces v jedné z expanzních komor pohání kompresní proces v jedné z kompresních komor. Toho je možno dosáhnout vhodným spřažením mezi hnacím ústrojím a přenosovým ústrojím.

V dalším výhodném provedení obsahuje motor podle vynálezu další dvojici trubek tvaru U, přičemž při provozu je jeden z kapalinových pístů v jedné z trubek, obsahujících expanzní komory, fázově přesazen v podstatě o 90° vůči kapalinovému pístu v odpovídající trubce tvaru U, obsahující další expanzní komory. U tohoto řešení je nutno ocenit, že motor poskytuje čistý pozitivní výkon v každém stadiu v průběhu kompletního pracovního cyklu motoru a tím odpadá potřeba použití setrvačníku nebo jiných prostředků pro udržování chodu motoru mezi jednotlivými silovými zdvihy.

Je-li expandovaný plyn vytlačován z expanzní komory pohybem druhého pístu do expanzní komory, zvyšuje se tlak plynu. Výhodné konkrétní provedení motoru podle vynálezu obsahuje ústrojí pro zajištění kapalin se dvěma různými teplotami pro použití v kapalinové sprše v expanzní komoře a obsahuje také ústrojí pro vytváření sprchy kapaliny v průběhu stlačování plynu v expanzní komoře pro regulaci teploty plynu. Teplota rozstřikované tekutiny je zejména taková, že teplota plynu zůstává konstantní v celém průběhu stlačování. Obsahuje-li v dalším výhodném provedení druhý píst kapalinu, mohou být přívodní prostředky upraveny pro přívod kapaliny z kapalinového pístu přímo do ústrojí pro rozstřikování kapaliny.

Po stlačení plynu v kompresní komoře se tlak plynu snižuje a plyn expanduje v důsledku toho, že oba písty se pohybují směrem ven z příslušných komor. Ve výhodném provedení vynálezu je motor opatřen ústrojím pro zajištění kapaliny s nejméně dvěma různými teplotami v kapalinové sprše v kompresní komoře a obsahuje také ústrojí pro vytváření sprchy kapaliny v průběhu expanze plynu v kompresní komoře pro regulaci teploty plynu. Teplota rozstřikované kapaliny ve sprše je s výhodou taková, že teplota plynuje udržována v celém průběhu expanze na konstantní hodnotě. První píst obsahuje v dalším výhodném provedení kapalinu a motor může být opatřen ústrojím pro dodávání kapaliny z prvního pístu přímo do ústrojí pro rozstřikování kapaliny.

V případech, kdy první píst obsahuje kapalinu, mohou hnací prvky obsahovat člen upravený pro spolupráci s prvním pístem, takže pohyb tohoto členu se přenáší na uvádění pístu do pohybu v nejméně jednom směru. Člen může obsahovat tuhý píst a může být ponořen v kapalinovém pístu nebo může plavat na hladině kapalinového pístu. Tuhý píst může být spřažen s hřídelem procházejícím stěnou trubky obsahující kapalinový píst.

Podobně obsahuje-li jeden z druhých pístů kapalinu, může obsahovat přenosové ústrojí člen upravený pro spolupráci s tímto druhým pístem v tom smyslu, že pohyb kapalinového pístu se přenáší nejméně v jednom směru na druhý píst. Člen může obsahovat tuhý píst, který je ponořen v kapalinovém pístu nebo je upraven k plavání na hladině kapalinového pístu. S tuhým pístem může být spojen hřídel, který prochází stěnou trubky obsahující tuhý píst.

Tepelný motor podle vynálezu obsahuje v jiném konkrétním provedení první a druhý píst, které obsahují tuhý materiál. Jedno z dalších provedení motoru obsahuje dvojici kompresních komor a dvojici expanzních komor, přičemž při provozu jsou písty v kompresních komorách uspořádány pro pohyb v podstatě ve vzájemné protifázi a písty v expanzních komorách jsou rovněž uspořádá

-5CZ 287963 B6 ny pro pohyb v podstatě ve vzájemné protifázi. V alternativním provedení motor obsahuje další dvojici kompresních komor a další dvojici expanzních komor, přičemž při provozu jsou písty jedné dvojice kompresních komor uspořádány pro činnost v podstatě s fázovým rozdílem 90° vůči pístům druhé dvojice kompresních komor a písty v jedné dvojici expanzních komor jsou uspořádány pro činnost v podstatě s fázovým rozdílem 90° vůči pístům v druhé dvojici expanzních komor.

Motor pracující v uzavřeném cyklu má tepelné výměníkové prvky tvořeny regenerátorem. Úkolem tohoto regenerátoru je zajistit účinný přenos tepla do pracovního plynu a z pracovního plynu.

Motor podle dalšího konkrétního provedení obsahuje separační ústrojí upravené pro oddělování kapaliny od plynu opouštějícího kompresní komoru nebo každou z kompresních komor. U provedení pracujícího s uzavřeným cyklem může být separační ústrojí upraveno také pro oddělování kapaliny z plynu opouštějícího expanzní komoru nebo každou z expanzních komor.

Tam kde první písty a/nebo druhé písty obsahují kapalinu, je motor s výhodou opatřen ústrojím pro napájení rozstřikovacího ústrojí nebo každého rozstřikovacího ústrojí pro vytváření sprchy kapalinou z kapalinových pístů. Toto napájecí ústrojí může být s výhodou tvořeno čerpadlem upraveným pro pohon příslušným pístem.

V dalším konkrétním provedení obsahuje hnací ústrojí spřahovací ústrojí spojené s přenosovým ústrojím, takže při provozu se první a druhé písty pohybují v předem určeném fázovém vztahu. Je vhodné, aby toto spojení prvních a druhých pístů bylo provedeno například mechanickými prostředky, zejména klikovým hřídelem, který umožňuje dosažení velkých kompresních poměrů a přitom ještě současně je schopen spolehlivě zajišťovat fázové nastavení pístů. Fázový úhel mezi prvními a druhými písty může být nastaven tak, že druhý píst předbíhá první píst o nejméně 90°.

V alternativním provedení by mohly být písty poháněny na sobě nezávisle a mohou být uzpůsobeny společně pro spojení jakýmikoliv spojovacími prvky s vnějším pohonem, který by byl schopen vyvodit značné síly proti tlaku uvnitř příslušné komory.

V dalším výhodném provedení může motor podle vynálezu obsahovat spalovací komoru pro spalování paliva, přičemž ohřívací ústrojí obsahují ohřívací prvky pro zahřívání stlačeného plynu vycházejícího z kompresní komory teplem vedeným napříč nejméně jednou plochou vymezující spalovací komoru motoru. Tím je možno motor podle vynálezu snadno upravit na chladicí zařízení pro konvenční spalovací motory, ve kterých je spalován benzin, nafta nebo plyn, současně se zpětným získáváním tepla, které je jinak u běžných spalovacích motorů odpadním teplem, ztrácejícím se v chladiči, přičemž v tomto případě je teplo přeměněno na využitelnou energii. V kompresní komoře se produkuje chladný stlačený plyn a teplo ztracené ve stěnách spalovací komory se převádí do stlačeného plynu a tím se zajišťuje chlazení motoru. Stejné metody je možno využít pro zpětné získání tepla z výfukových plynů konvenčního spalovacího motoru, například vytvořením chladicích kanálků pro vedení stlačeného vzduchu ve výfukovém sběrači nebo opatřením motoru výměníkem tepla, kterým by výfukové plyny motoru mohly procházet. Předehřátý stlačený plyn se potom vhání do expanzní komory, ve které expanduje a vytlačuje píst ven z expanzní komory a tím produkuje využitelnou mechanickou práci.

V jednom z výhodných provedení může být expanzní píst spojen s vnějším výstupním pohonem. Toto uspořádání má výhodu spočívající ve zvýšení účinnosti konvenčních spalovacích motorů.

Řešení tepelného motoru může být využito také pro konstrukci tepelného čerpadla, které obsahuje expanzní komoru pro expandující plyn a první píst pro umožnění expanze plynu pohybem pístu ven z expanzní komory, kompresní komoru pro stlačovaný plyn a druhý píst pro stlačování plynu pohybem druhého pístu do kompresní komory, ústrojí pro přívod plynu z jedné z expanzních komor a z kompresních komor do další komory a ústrojí pro vytváření sprchy kapaliny v kompresní komoře pro pohlcování tepla z plynu z průběhu komprese, a tuhý člen

-6CZ 287963 B6 operativně spřažený s druhým pístem poháněným vnějším zdrojem energie do kompresní komory pro stlačování plynu.

Toto provedení tepelného čerpadla umožňuje, aby dopravované teplo bylo převedeno do vnější tepelné jímky mimořádně účinně prostřednictvím látky použité v rozprášené sprše v horké kompresní komoře a současně může být poháněno vnějším zdrojem energie, zejména elektromotorem, pomocí například mechanického spojovacího ústrojí, aby se získalo tepelné čerpadlo s vyšším koeficientem výkonu než je to možné dosáhnout u dosud známých tepelných čerpadel.

Je výhodné, že tento druh tepelného čerpadla může zajišťovat jak topení, tak i chlazení buď v uzavřeném pracovním cyklu, nebo v otevřeném pracovním cyklu.. Jedno z takových výhodných příkladných provedení může být upraveno pro klimatizaci, při které se vzduch nasává do kompresní komory z vnějšího zdroje, stlačuje se v podstatě izotermicky pomocí kapalinové sprchy a převádí se potom do expanzní komory, ve které expanduje, takže vykonává práci a vrací část energie použité pro kompresi. Expanze může být adiabatická, takže plyn se ochlazuje a chladný vzduch potom může být vyfukován z tepelného čerpadla, aby ochlazoval atmosféru v místnosti. Alternativní výhodné provedení tepelného čerpadla může obsahovat prostředky zajišťující dodávání tepla do plynu v průběhu jeho expanze v expanzní komoře, takže expanze je v podstatě izotermická. Tohoto výsledku je možno výhodně docílit využitím kapalinové sprchy v expanzní komoře. Teplo je absorbováno z kapiček kapaliny, které se tak ochlazují a chladná kapalina ze sprchy může být využita pro chlazení, například pro klimatizaci. Vstřikování kapalinové sprchy do expanzní komory také představuje účinný přenos tepla z nízkoteplotního tepelného zdroje tak, že tepelné čerpadlo může přečerpávat toto teplo do tepelné jímky s vyšší teplotou, která potom může být již využita pro vytápění. Tepelné čerpadlo může být modifikováno jak pro otevřený, tak také pro uzavřený provozní cyklus.

Praktická provedení tepelného motoru a tepelného čerpadla mohou obsahovat libovolný počet kompresních komor a expanzních komor, přičemž počet kompresních komor nemusí být nutně roven počtu expanzních komor.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 schematické zobrazení prvního příkladného provedení vynálezu, obsahujícího kapalinové písty a pracujícího v uzavřeném cyklu, obr. 2 schematické zobrazení druhého příkladného provedení vynálezu, obsahujícího kapalinové písty a pracujícího v otevřeném cyklu, obr. 3 schematické zobrazení třetího příkladného provedení vynálezu, obsahujícího tuhé písty a pracujícího v otevřeném cyklu, a obr. 4 schematické zobrazení čtvrtého příkladného provedení vynálezu, obsahujícího tuhé písty a pracujícího v otevřeném cyklu.

Příklady provedení vynálezu

V příkladu zobrazeném na obr. 1 je zařízení tvořeno dvojicí trubek 1, 3 tvaru U, z nichž každá obsahuje sloupec kapaliny tvořící kapalinový píst 5, 7. V každém z ramen 13, 15 první trubky 1 tvaru U je vytvořena kompresní komora 9, 11 a v každém z ramen 21, 23 druhé trubky 3 tvaru U je vytvořena expanzní komora 17, 19. První kompresní komora 9 je propojena přes první

-7CZ 287963 B6 regenerátor 25 s první expanzní komorou 19 a druhá kompresní komora 11 je propojena přes druhý regenerátor 27 s druhou expanzní komorou 17. V praktickém provedení jsou trubky 1. 3 tvaru U natočeny oproti poloze zobrazené na obr. 1 o 90° vůči sobě, aby oba regenerátory 25, 27 měly stejnou délku. Tyto dvě trubky 1, 3 tvaru U tak vytvářejí společné s oběma regenerátory 25, 27 prostorový útvar připomínající sedlo, takže se tento útvar nazývá „sedlovou smyčkou“. Tepelný motor sestávající z jednoho propojeného objemu plynu s jediným regenerátorem, s jednou kompresní komorou a jednou expanzní komorou, z nichž každá obsahuje tekutinový nebo tuhý píst a každá je opatřena ústrojími pro dodávání nebo odebírání teplaje proto označován za „poloviční sedlovou smyčku“.

V obou kompresních komorách 9, 11 a také v obou expanzních komorách 17, 19 jsou umístěna rozstřikovací ústrojí pro rozprašování kapaliny. Kapalina rozstřikovaná rozstřikovači 29. 31 v kompresních komorách 9, 11 je zejména odebírána z objemu kapaliny v první trubce 1 tvaru U a kapalina rozstřikovaná rozstřikovači 33, 35 v expanzních komorách 17, 19 je zejména odebírána z objemu kapaliny obsažené v druhé trubce 3 tvaru U. Kapalina odebíraná z první trubky 1 tvaru U může být před vstřikováním do kompresních komor 9, 11 vedena neznázoměným chladičem a kapalina odebíraná z druhé trubky 3 tvaru U může být vedena před vstřikováním do expanzních komor 17, 19 ohřívačem. Prostory tvořené kompresními komorami 9, 11 a jim odpovídajícími expanzními komorami 19, 17, které jsou vzájemně propojeny prostřednictvím příslušných regenerátorů 25, 27. jsou vyplněny pracovním plynem. Mezi kompresními komorami 9, 11 a expanzními komorami 17, 19 na jedné straně a příslušnými regenerátory 25. 27 na druhá straně jsou umístěny separátory 37, 39, 41. 43. které odstraňují veškerou kapalinu z pracovního plynu ještě před průchodem těchto látek regenerátory 25,27.

Každá z trubek 1, 3 tvaru U je opatřena přímým úsekem 45. 47, který spojuje navzájem vždy příslušnou dvojici ramen 13, 15, 21, 23. Ke každému z kapalinových pístů jsou připojeny mechanické prostředky pro přenos síly do pístů nebo odvádění síly z pístů. V tomto příkladném provedení je v každém přímém úseku 45, 47 trubek 1, 3 tvaru U uložen tuhý píst 49, 51, který se může volně posouvat po přímé dráze po délce přímého úseku 45, 47, přičemž po obou jeho stranách je vytvořen tekutinový píst. Ke každému tuhému pístu 49, 51 je připojen hnací hřídel 53, 55, který prochází stěnou příslušné trubky 1, 3 tvaru U a který představuje prvky pro pohon nebo přenos energie z kapalinových pístů.

Dva hnací hřídele 53, 55 jsou spolu spřaženy prostřednictvím vnějšího hnacího mechanismu tak, že posuv každého z pístů 5 může být vyjádřen v průběhu času přibližně sinusoidou, přičemž v obou trubkách 1, 3 tvaru U je mezi oběma písty 5 udržován předem určený fázový vztah. Toho je možno dosáhnout například spojením obou hnacích hřídelů 53, 55 s klikovým hřídelem, podobně jako je tomu u zážehových nebo vznětových spalovacích motorů.

Tepelný motor podle vynálezu pracuje na principu průchodu pracovního plynu termodynamickým cyklem, při kterém dochází k opakovaným kompresím a expanzím. Ke kompresím dochází, jestliže se většina pracovního plynu dostala do kompresní komory 9, 11, zatímco k expanzi dochází, jestliže se větší část pracovního plynu dostala do expanzní komory 17. 19. Toho je možno dosáhnout takovým uspořádáním pístů 5 v kompresních komorách 9, TI, při kterých jsou tyto písty 5 ve fázovém posuvu 90°. Fázový úhel mezi písty 7 v expanzních komorách 17,19 nebo v kompresních komorách 9, 11 je 180°. Při tomto konstrukčním uspořádání bude tvořit expanzní proces v jedné z expanzních komor 17, 19 pohon kompresního procesu v jiné kompresní komoře 9, 11. Například expanze uvnitř druhé expanzní komory 19 bude ovládat kompresi v druhé kompresní komoře 11 a expanze v první expanzní komoře 17 bude ovládat kompresi v první kompresní komoře 9.

V následující části popisu bude popsán jeden celý cyklus tepelného motoru jen ve vztahu k jedné kompresní komoře a k jedné expanzní komoře, přičemž počáteční operací je komprese v první kompresní komoře 9. Na začátku stlačování je tekutinový píst 5 v první kompresní komoře 9 na spodní úvrati své zdvihové dráhy a píst 7 v první expanzní komoře 19 je ve středovém bodě své

-8CZ 287963 B6 zdvihové dráhy a pohybuje se směrem nahoru. Větší část objemu pracovního plynu, která se nachází mezi první kompresní komorou 9 a druhou expanzní komorou 19, je uvnitř první kompresní komory 9. Stlačovací píst 5 se pohybuje do první kompresní komory 9 a stlačuje pracovní plyn proti tlaku plynu, který vzniká při pohybu expanzního pístu 7 do druhé expanzní komory 19. Do kompresní komory 9 se vstřikuje studená kapalina, která v průběhu komprese ochlazuje pracovní plyn. Kapalina může být získávána-odebíráním kapaliny ze studeného kapalinového pístu 5 (to znamená z kompresního pístu 5) a následným průchodem neznázoměným vnějším chladičem před vstřikováním do kompresní komory. Jestliže je stlačovací píst 5 v první kompresní komoře 9 umístěn ve střední poloze svého zdvihu, bude expanzní píst 7 v druhé expanzní komoře 19 v horní úvrati svého zdvihu a bude se vracet do pohybu v opačném směru. Po dobu pohybu kompresního pístu 5 nahoru do kompresní komory 9 pokračuje stlačování pracovního plynu, avšak ve stejné době začíná studený stlačovací plyn proudit regenerátorem 25 směrem k druhé expanzní komoře 19 bezprostředně po zahájení pohybu expanzního pístu 7 směrem dolů. Studený stlačený plyn, opouštějící první kompresní komoru 9, je předehříván teplem z expandujícího plynu, který opouští expanzní komoru 19 na konec předchozího cyklu.

Dosáhne-li kompresní píst 5 v první kompresní komoře 9 spodní úvratě svého zdvihu, expanzní píst 7 v druhé expanzní komoře 19 je ve střední části svého zdvihu a pohybuje se směrem nahoru do expanzní komory 19. přičemž stlačovací píst 5 potom obrací směr svého pohybu a celý cyklus se opakuje.

Jak již bylo uvedeno v předchozí části, termodynamický cyklus v první kompresní komoře 9 a v druhé expanzní komoře 19 je přesazen o 180° oproti průběhu cyklu v druhé kompresní komoře 11 a v první expanzní komoře 17. Při tomto řešení pohání expanzní zdvih v druhé expanzní komoře 19 kompresní zdvih v druhé kompresní komoře 11 a expanzní zdvih v první expanzní komoiy 17 ovládá kompresní zdvih v první kompresní komoře 9. V průběhu celého pracovního cyklu se však vyskytují body mezi kompresními a expanzními zdvihy, ve kterém se na výstupu motoru neobjevuje žádný užitečný výkon. Aby se udržel chod motoru v průběhu celého jednoho pracovního cyklu, je možno použít setrvačníku nebo je možné spoléhat na vlastní setrvačnost pístů 5, 7, pokud tyto písty 5, 7 mají dostatečnou hmotnost. Potřeba použití setrvačníku může odpadnout vytvořením druhé sedlové smyčky, jejíž pracovní cyklus je fázově přesazen o 90° oproti pracovnímu cyklu první sedlové smyčky. Tohoto výsledku je možno dosáhnout připojením vhodného vnějšího hnacího mechanismu. Toto příkladné provedení tepelného motoru je potom schopno dodávat užitečný energetický výkon ve všech fázích pracovního cyklu.

Jedním z nej důležitějších znaků motoru popsaného v předchozí části popisu je použití horkých a studených postřikovačích kapalin pro udržování teploty pracovního plynu uvnitř každé komory na požadované úrovni. Jak již bylo uvedeno v předchozí části popisu, rozprašování kapaliny může být prováděno v průběhu celého pracovního cyklu, i když kapalina prochází výměníky tepla jen v průběhu části vstřikovacího cyklu. Důvod tohoto průběhu může být objasněn ve spojitosti s každou komorou samostatně.

Při kompresi spočívá funkce rozprašování kapaliny v udržování teploty pracovního plynu v kompresní komoře na co nejnižší hodnotě. Kapalina by proto měla v průběhu této části pracovního cyklu procházet vnějším chladičem. Po expanzi pracovního plynu v pozdější fázi pracovního cyklu má rozstřikování kapaliny zamezit přílišnému ochlazení pracovního plynu. V průběhu této fáze pracovního cyklu je lepší odebírat kapalinu přímo z kapalinového pístu a neochlazovat jiPro expanzní komoru platí zcela opačné argumenty. V průběhu expanze musí mít plyn co nejvyšší teplotu a z toho důvodu by měla být vedena rozstřikovaná kapalina vnějším ohřívačem. V průběhu komprese je důležité zamezit ohřátí plynu na příliš vysokou teplotu. V této fázi pracovního cyklu by tedy měla být kapalina odebírána přímo z kapalinového pístu.

-9CZ 287963 B6

V jednom z příkladných provedení vynálezu může být dosaženo čerpání kapaliny, používané k rozstřikování, přímým využitím vratně posuvného pohybu pístu a hnacího hřídele. Uvnitř potrubí může být umístěno čerpadlo, které obsahuje malý píst, poháněný kapalinovým pístem, tuhým pístem nebo hnacím hřídelem a které je upraveno pro posouvání uvnitř válce opatřeného zpětnými ventily. V každém potrubí může být uloženo jediné čerpadlo, jestliže se jedná o čerpadlo s oběma vstupními konci stejnými, to znamená jestliže se plnicí a výtlačný vstup nachází na obou koncích čerpadla. Tím je možno přivádět kapalinu střídavě z obou stran, přičemž druhá strana je plnicí stranou. Jedno oboustranné čerpadlo může obsluhovat dva injektory pro vstřikování kapaliny, spřažené s příslušnými dílčími potrubími. Každý konec čerpadla může mít dva výstupy, z nichž jeden vede k rozstřikovací trysce v jedné z komor, spojené s dílčím potrubím, zatímco druhý výstup vede přímo k rozstřikovací trysce v druhé komoře. V tomto konstrukčním uspořádání může být sice rozstřikování kapaliny udržováno jako téměř kontinuální proces, teplota vstřikované kapaliny se může v průběhu jednoho pracovního cyklu měnit podle toho, zda prochází výměníkem tepla nebojím neprochází.

Separátory umístěné nad vstřikovacími tryskami pro vytváření postřikovači sprchy, které mohou obsahovat vlnité desky, hrají důležitou roli v přenosu tepla mezi rozstřikovanou kapalinou a pracovním plynem, protože vlnité povrchy jsou ochlazovány nebo ohřívány kontaktem s rozstřikovanou kapalinou a probíhají přes celou kontaktní plochu mezi pracovním plynem a kapalinou. Jestliže je proud plynu směrován v příslušné komoře nahoru, pak je většina rozstřikovaných kapiček unášena v daném čase nahoru do separátoru. Ve spodním plynovém prostoru bude ještě velké množství kapiček, které se vytvořily předchozím vstřikováním. Jestliže proud plynu směřuje dolů, většina kapaliny, která se oddělila na zvlněných deskách, bude stékat dolů do komory. Tak se předpokládá, že separátory budou opakovaně shromažďovat a potom vydávat kapalinu, která je na ni nanášena. Separátory mohou být navíc nebo v alternativním příkladném provedení upraveny pro vyvolávání víření pracovního plynu, aby se usnadnilo oddělování kapiček kapaliny při současném minimalizování tlakových ztrát v proudu plynu.

Separátory mají zajistit potřebnou změnu teploty pracovního plynu z horkého plynu na studený a naopak termodynamicky účinným procesem. Regenerátory mohou obsahovat soustavu úzkých kanálků s různými tvary svého příčného průřezu, upravených pro vytvoření velkých přenosových ploch pro přenos tepla mezi plynem a materiálem regenerátoru. Úzké kanálky mohou být vytvořeny například pomocí desek nebo trubiček. Regenerátory uchovávají tepla získávané z pracovního plynu, dokud pracovní plyn v nich obrací směr svého proudění, přičemž v další fázi se teplo vrací do pracovního plynu. Regenerátory by měly být také navrženy tak, aby se co nejvíce snížil pokles tlaku podél jejich délky.

Výběr pracovního plynu a kapaliny přenášející teplo v kapalinovém pístu je závislý na oblasti použití motoru a na rozsahu teplot, který motor potřebuje pro svou činnost. Protože motor pracuje v uzavřeném cyklu a kapalinový píst tvoří dokonalé těsnění, není volba pracovního plynu omezena nutně dostupností a cenou a může být vybírána podle svých termodynamických vlastností. Pracovním plynem tak může být například hélium nebo vodík, které mají vynikající charakteristiky přenosu tepla. Přednostně může být voleno hélium před vodíkem zejména z bezpečnostních důvodů, i když je tento plyn dražší než vodík. Jinou výhodou motoru s uzavřeným cyklem je skutečnost, že provozní tlaky pracovního plynu mohou být poměrně vysoké a mohou se pohybovat v rozsahu od 1 MPa do 20 MPa.

Při provozních teplotách vyšších než asi 200 °C může být jako látky přenášející teplo použito vody. Při vyšších teplotách by však voda nebyla vhodnou látkou, protože by bylo nutno použít vysokých tlaků, aby se voda udržela v kapalném stavu. Pro provozní teploty do asi 400 °C, je možno použít komerčních tekutin pro přenos tepla, které jsou tekuté také při nízkých teplotách. Je pravděpodobné, že pro tento rozsah vyšších pracovních teplot bude jako pracovní tekutiny opět vybráno hélium. Pro provozní teploty vyšší než 40 °C je možno jako pracovního plynu použít kapalných kovů, například eutektické směsi sodíku a draslíku (NaK), společně s héliem. Eutektická směs NaK zůstává kapalná až do teploty -12 ^QC a její teplota varu je na 785 °C při atmosférickém tlaku. Roztavené soli tvoří možné alternativy kapalných kovů pro vyšší teploty. Kvůli možným technickým problémům, spojeným s konstrukčním návrhem motorů vhodných pro použití s horkými kapalinami, majícími teplotu vyšší než 400 °C, může být vhodnější nepoužívat příliš horkých kapalin. Teplo může být převáděno do motoru místo kapalinou stěnami tepelného výměníku, což umožňuje pohon motoru ze zdrojů tepla, majících mnohem vyšší teplotu, včetně spalování paliva. Palivem může být v tomto případě těžký topný olej, uhlí, biomasa nebo domácí odpad, protože produkty spalování se nedostávají dovnitř motoru. Z tohoto důvodu je konstrukční vytvoření tepelného motoru, které využívá vstřikování horké kapaliny, velmi vhodné pro generování energie ze zdrojů tepla, majících poměrně nízkou teplotu, například z průmyslového odpadního tepla nebo ze sluneční energie.

Tepelný motor s uzavřeným cyklem může být modifikován tak, že pracuje jako tepelné čerpadlo, ve kterém je mechanická energie využívána pro čerpání tepla ze zdroje s nízkou teplotou do vysokoteplotního kondenzátoru. V tomto případě dochází na rozdíl od tepelného motoru ke kompresi pracovního plynu, když je tento plyn horký a expanze probíhá, jestliže je pracovní plyn studený. Jedno z příkladných provedení tepelného čerpadla může být popsáno na příkladu znázorněném na obr. 1. V tomto příkladném provedení je mechanická energie, potřebná pro pohon tepelného čerpadla, dodávána tuhým pístům 49, 51 prostřednictvím hnacích hřídelů 53, 55. Na rozdíl od tepelného motoru veda kapalinový píst 5 kompresní komoře 9, 11 píst 7 v přiřazené expanzní komoře 17, 19 v předem určeném fázovém úhlu, například v úhlu 90°, místo opačného uspořádání. V příkladném konstrukčním provedení tepelného čerpadla podle obr. 1 jsou v komorách 9, U využívány rozstřikovače 29, 31 pro přenos tepla ze zdroje tepla s nízkou teplotou do tepelného čerpadla. Chladná kapalina se vstřikuje v průběhu expanze pracovního plynu v komorách do komor 9, U, přičemž expanze je podporována kapalnými písty 5. V průběhu této expanze se převádí teplo z rozstřikované kapaliny do pracovního plynu a expanzní proces může být přibližně izotermický. Jakmile je tepla odebráno z kapiček rozstřikované kapaliny, sloučí se ochlazené kapičky s kapalinou kapalinového pístu 5, jehož teplota se v důsledku toho sníží. Chladná kapalina z kapalinového pístu 5 se převádí do vhodného neznázoměného výměníku tepla, ve které se ze zdroje tepla dodá kapalině potřebné množství tepla. Zdrojem tepla pro chladnou kapalinu může být například atmosférický vzduch, půda, voda v řece, v moři nebo jiném vodním zdroji. Jinou možností pro získávání tepla z tepelného zdroje je využití odsávaného výstupního vzduchu klimatizačních zařízení. Zdrojem tepla může být také odpadní voda z koupelen a podobných zařízení. Toto řešení představuje obrácení činnosti výměníku tepla v tepelném motoru, ve kterém výměníky tepla převádějí teplo z kapaliny do zásobníku s nízkou teplotou obsahu.

Rozstřikovače 33, 35 kapaliny v komorách 17, 19 rozstřikují horkou kapalinu do komor v průběhu komprese pracovního plynu, která je vyvozována kapalinovým pístem 5. Rozstřikování horké kapaliny má zajistit pohlcování tepla v pracovním plynu, který absorbuje teplo produkované prací při stlačování. Po kompresi dochází k předávání tepla mezi kapičkami kapaliny, které se při rozstřikování ohřály, a kapalinovým pístem 5, jehož teplota se tím zvyšuje. Horká kapalina z kapalinového pístu 5 se převádí do neznázoměného vhodného výměníku tepla, ve kterém se teplo převádí z kapaliny do místa jeho využití. Tento průběh je opakem činnosti výměníku tepla v tepelném motoru, ve kterém výměník tepla převádí teplo ze zdroje tepla do kapaliny. Teplo může být dodáváno například horkovodním systémem, podobným systému používanému pro dodávku horké vody v mnohých domácnostech. V alternativním provedení může být teplo dodáváno vzduchovým potrubním systémem.

Jeden cyklus tepelného čerpadla ve vztahu k jedné z komor 9 a k jedné z přiřazených komor 19 probíhá následovně, počínaje od horní úvratě kapalinového pístu 7 v horké komoře 19, ve které se kapalinový píst 7 začíná pohybovat v opačném směru.

Jakmile dosáhne kapalinový píst 7 své horní úvrati v horké komoře 19, dosáhne kapalinový píst 7 ve studené komoře 9 středního bodu svého zdvihu a pohybuje se ven ze studené komory 9. Při pokračujícím pohybu kapalinového pístu 7 ven ze studené komory 9 dochází k expanzi

41CZ 287963 B6 chladného plynu a současně je do této studené komory 9 vstřikována chladná kapalina pomocí prvního rozstřikovače 29. Pracovní plyn v komoře 9 absorbuje teplo z rozstřikované kapaliny a plyn expanduje přibližně izotermicky. Dosah ne-li kapalinový píst 7 ve studené komoře 9 spodní úvratě svého zdvihu a obrátí směr svého pohybu, přijde kapalinový píst 7 v horké komoře 19 do středního bodu svého zdvihu a pohybuje se ven z komory 19, přičemž chladný pracovní plyn je vytlačován z komory a prochází regenerátorem 25. ve kterém je předehřát teplem z pracovního plynu, který opouští horkou komoru na konci předchozího cyklu a který vstupuje do horké komory 19. Dosáhne-li kapalinový píst 7 v horké komoře 19 spodní úvratě svého zdvihu a obrací směr svého pohybuje do horké komory 19 vstřikována horká kapalina z trysek rozstřikovače 35. V tomto bodě dosáhne kapalinový píst 7 v komoře 9 své střední polohy uprostřed délky svého zdvihu a většina pracovního plynu je v horké komoře 19. Kapalinový píst 7 v komoře 19 se pohybuje směrem nahoru do komory a stlačuje pracovní plyn. Teplo vznikající při kompresi se převádí do kapiček kapaliny v horké sprše, přičemž kompresní proces může být přibližně izotermický. Jakmile dosáhne kapalinový píst 7 v komoře 19 středního bodu svého zdvihu, dostane se kapalinový píst 7 v chladné komoře 9 horní úvratě svého zdvihu a začne se pohybovat v opačném směru. Při pokračujícím pohybu kapalinového pístu 7 do komory 19 je pracovní plyn vytlačován z komory a je protlačován regenerátorem 25. kterému předává své teplo. Chladný plyn opouštějící regenerátor 25 se vrací do studené komory, kde začíná opět nový cyklus.

Jestliže se píst 5 ve studené komoře 9 pohybuje do komory 9 a vytlačuje plyn ven, zvyšuje se tlak plynu, což vede ke zvyšování teploty plynu. V průběhu stlačování plynu může být do studené komory 9 rozstřikována kapalina, aby se zamezilo nadměrnému ohřívání plynu a zejména aby se teplota udržovala na konstantní hodnotě. Je-li použito kapalinového pístu 5, může být kapalina určená pro rozstřikování odebírána s výhodou přímo z kapalinového pístu 5. Podobně jestliže se píst v horké komoře pohybuje ven z komory a nasává plyn do jejího vnitřního prostoru, klesá tlak, plynu a tím také má plyn tendenci snižovat svoji teplotu. Aby se tomu zamezilo, je možno rozstřikovat do horké komory v průběhu expanze plynu kapalinu, aby se tak udržovala teplota, plynu na konstantní hodnotě. Je-li použito kapalinového pístu, může být kapalina pro rozstřikování ve sprše výhodně získávána přímým odběrem z kapalinového pístu.

Podobně jako u tepelného motoru mohou být i u tepelného čerpadla použity dvě sedlové smyčky, popsané v předchozí části, které jsou vůči sobě fázově přesazeny o 90°. Pracovním plynem je s výhodou plyn, který neprochází fázovou proměnou, to znamená kondenzací nebo vypařováním, v rozsahu provozních teplot a tlaků používaných u tepelných čerpadel. Pracovním plynem může být například podobně jako u tepelných motorů hélium nebo vodík. Kapalinou zajišťující přenos tepla může být voda, ke které může být přidána nemrznoucí směs, jestliže může mít zdroj studené kapaliny nízkou teplotu. Jestliže je používáno jako zdroje tepla vzduchu, pak může být nutné pravidelné odmrazování výměníku tepla.

Tepelné čerpadlo může být využíváno například v domácnostech nebo v průmyslových aplikacích pro klimatizaci, chlazení, vytápění vnitřních prostor nebo pro ohřev vody. Účinnost tepelného čerpadla je zpravidla vyjadřována koeficientem výkonu, který je obráceným poměrem množství elektrické energie potřebné pro ohřev. Koeficient výkonu také závisí na teplotách tepelných zdrojů a na požadovaném přívodu tepla. Pro ohřev vody k vytápění vnitřních prostorů budovy nebo pro podobná využití v domácnostech může být konvenční tepelné čerpadlo schopno dosáhnout koeficientu výkonu kolem 3. Cyklus tepelného čerpadla, popsaného v předchozí části, předpokládá dosažení koeficientu výkonu při využití v domácnostech kolem 3,5, jestliže má zdroj tepla teplotu těsně nad bodem mrazu. Dosažitelný koeficient výkonu by měl být kolem 4, jestliže je teplota zdroje tepla zvýšena například použitím solárních panelů nebo rekuperací tepla z odpadních vod z domácností. V alternativním provedení může tepelné čerpadlo, popsané v předchozí části, odebírat teplo z atmosféry i při teplotách těsně nad bodem mrazu, aby tak vytvářel v potrubí topného systému teplý vzduch pro vytápění prostoru při koeficientu výkonu kolem 4. Koeficient výkonu může být zvýšen nad hodnotu 4, jestliže je teplo získáváno z odpadních vod, z upotřebeného klimatizačního vzduchu nebo ze solárních topných systémů.

U dalšího příkladného provedení tepelného motoru může být pro dodávání tepla pracovnímu plynu využito spalování paliva. Hořlavé palivo je v tomto příkladném provedení injektováno do expanzní komory, ve které se směšuje s horkým stlačeným vzduchem a zapálí se. Palivem je zejména čisté palivo, například plyn nebo lehký destilační olej. Příkladné provedení této konstrukční alternativy tepelného motoru je schematicky zobrazeno na obr. 2. Rada znaků tohoto příkladného provedení z obr. 2 je podobných příkladnému provedení z obr. 1 a proto jsou obdobné součásti označeny stejnými vztahovými značkami.

Tepelný motor zobrazený na obr. 2 obsahuje dvojici trubek 1, 3 tvaru U, z nichž každá je částečně naplněna kapalinou, přičemž tyto náplně kapaliny slouží jako kapalinový píst 5, 7.

V ramenech 13, 15 jedné z trubek 1 tvaru U jsou vytvořeny kompresní komory 9, 11 a spalovací expanzní komory 17, 19 jsou vytvořeny v ramenech 21, 23 druhé trubky 3 tvaru U. Jedna z kompresních komor 11 je propojena s jednou ze spalovacích expanzních komor 17 přes výměník tepla, kterým je zejména regenerátor 27. a druhá z kompresních komor 9 je spojena s druhou spalovací expanzní komorou 19 prostřednictvím jiného výměníku tepla, kterým může být rovněž regenerátor 25. Kompresní komory 9, 11 jsou opatřeny vstupními ventily pro přívod plynu, například vzduchu nebo jiného oxidačního plynu do komor, které mohou být například zpětnými ventily. Každá kompresní komora 9, 11 je opatřena rozstřikovačem 29, 31 kapaliny, přičemž rozstřikovaná kapalina je odebírána stejně jako v předchozím příkladu z kapalinového pístu 5. Další ventil 61,63 je umístěn mezi kompresní komorou 9, 11 a regenerátorem 25, 27, aby zamezilo vracení spalin ze spalovacích expanzních komor 19, 17 přes regenerátory 25, 27 do kompresních komor 9, H. Mezi dalším ventilem 61, 63 a regenerátorem 25, 27 je umístěn výfukový otvor 65, 67, jehož otevírání a uzavírání je ovládáno výfukovým ventilem 69, 71, aby bylo možno odvádět výfukové plyny po průchodu regenerátory 25, 27 a předání tepla regenerátorům 25. 27. Vstupní otvor 73, 75 pro přívod pálívaje upraven na každé spalovací komoře 17, 19 a umožňuje tak přívod paliva do spalovacích expanzních komor 17, 19. Každý výfukový ventil 69, 71 je ovládán neznázoměným časovým mechanismem.

Jeden pracovní cyklus probíhá v jedné kompresní komoře 9 a k ní přiřazené spalovací expanzní komoře 19 následovně. Jestliže hladina kapaliny v kompresní komoře 9 poklesne do bodu, ve kterém klesne také vnitřní tlak na nižší hodnotu než je na druhé straně zpětného vstupního ventilu 57, otevře se tento zpětný vstupní ventil 57 a oxidační plyn může být nasáván dovnitř. Je-li zdrojem vzduchu atmosférický vzduch, otevře se zpětný vstupní ventil 57, jestliže je tlak uvnitř kompresní komoiy 9 menší než atmosférický tlak. Jakmile píst v kompresní komoře 9 dosáhne středního bodu svého zdvihu a klesne pod něj, dosáhne píst 7 ve spalovací komoře 19 nejnižšího bodu svého zdvihu a začne se vracet v opačném směru. Výfukový ventil 65 se potom otevře a při pohybu pístu 7 do spalovací expanzní komory 19 jsou zplodiny spalování vytlačovány regenerátorem 25, kterému předávají v průběhu tohoto procesu své teplo. Zpětný ventil 61 zamezuje vstupu spalin do kompresní komoiy 9.

Jestliže píst 7 ve spalovací expanzní komoře 19 dosáhne středního bodu svého zdvihu a přejde za něj, dosáhne kompresní píst 5 spodního bodu svého zdvihu a obrací svůj pohyb do opačného směru. Jestliže kompresní píst 5 dosáhne své spodní úvrati a začne se pohybovat směrem nahoru, vstupní ventil se uzavře, takže nasátý oxidační plyn může být stlačován. Rozstřikovaná kapalina udržuje plyn těsně nad hodnotou okolní teploty a tím zajišťuje přibližně izotermickou kompresi.

V průběhu komprese je píst 5 mezi svou spodní úvrati a středním bodem svého zdvihu, zatímco expanzní píst 7 pokračuje ve svém pohybu do expanzní komory 19 a vytlačuje horké spaliny výfukovým otvorem 65 přes regenerátor 25. Jestliže tlak v kompresní komoře 9 překročí hodnotu tlaku ve spalovací expanzní komoře 19, zpětný ventil 61 spojující obě komory 9, 19 se otevře a studený stlačený plyn prochází regenerátorem a odebírá z něj teplo, takže má na vstupu do spalovací expanzní komoiy 19 vysokou teplotu. Píst 7 ve spalovací expanzní komoře 19 obrací směr svého pohybu a pohybuje se směrem ven ze spalovací expanzní komory 19, zatímco kompresní píst 5 dosahuje horní úvratě svého zdvihu v kompresní komoře 9. Těsně předtím, než kapalinový píst 5 dosáhne horní úvratě svého zdvihu v kompresní komoře 9 a krátce předtím než píst 7 ve spalovací komoře 19 dosáhne středního bodu svého zdvihu, je do spalovací komory 19 vstřikováno palivo, které se zapálí buď spontánně, nebo pomocí zapalovacího plamínku nebo neznázoměné zapalovací svíčky. V určitém bodě dráhy pokračujícího pohybu pístu 7 ven ze spalovací.expanzní komory 19 se přívod paliva vypne. Rychlost přívodu paliva může být regulována, aby se dosáhlo přibližně izotermické expanze. Kompresní píst 5 se potom uvede do pohybu v opačném směru a při tomto posuvu se nasává čerstvý přiváděný plyn do kompresní komory 9 a když se píst 7 ve spalovací expanzní komoře 19 přiblíží ke spodní úvrati svého zdvihu, výfukový ventil 69 ve výfukovém otvoru 65 se otevře a celý cyklus se opakuje.

Aby se nemuselo použít setrvačníku, může být tepelný motor opatřen dvěma sedlovými smyčkami, které jsou ve svých činnostech vzájemně fázově posunuty o 90°. Pro motor s uzavřeným pracovním cyklem je možno použít mechanického hnacího systému. Kapalinou tvořící kapalinový píst v potrubích obsahujících spalovací komory a kompresní komory může být olej, voda nebo i jiná kapalina. Kapaliny v obou trubkách nemusí být nutně stejné. Plováky 22, 24, které jsou vytvořeny z tuhého materiálu plovoucího na hladině kapalinového pístu 7 v každé spalovací expanzní komoře 17, 19 mohou být upraveny pro omezení kontaktu spalin s kapalinou. Toto zařízení může být také opatřeno některými ústrojími pro chlazení stěn spalovací expanzní komory.

Jak motor s uzavřeným cyklem, tak také motor s otevřeným cyklem, popsané v předchozích částech popisu, produkují pracovní výkon, který umožňuje působit značně velkými vratnými silami s nízkou frekvencí, například s frekvencí kolem 1 Hz. Jestliže jsou tyto motory využívány pro výrobu elektrické energie, je nutno tyto motory opatřit ústrojími, která jsou schopna přeměnit mechanickou energii s nízkou rychlostí posuvu na vhodnou formu pohonu elektrického generátoru. Pro malé výrobní energetické jednotky s generovaným výkonem do asi 1 MW by bylo možno využít pomalu se otáčejícího klikového hřídele, spojeného prostřednictvím vhodného převodového ústrojí s generátorem elektrické energie. V alternativním provedení je možno využít hypocyklického převodového mechanismu nebo šnekového pohonu. V případě použití hypocyklického převodového ústrojí je hnací hřídel motoru spojen s planetovým kolem, opatřeným ozubením na svém vnějším obvodu. Planetové kolo se odvaluje kolem vnitřního obvodu pevně uloženého kola, které je opatřeno zuby na vnitřní straně své obvodové plochy. Planetové kolo je osazeno na ramenu, které se při odvalování planetového kola otáčí kolem vnitřní strany pevného ozubeného kola. Otáčející se rameno pohání generátor prostřednictvím převodového mechanismu pro převod do rychlá. Tím se dosáhne stejného druhu pohybu jako při použití klikové hřídele, avšak s dosažením výhody spočívající v odstranění velkých bočních tlaků, které se nutně objevují u klikové hřídele. Řešení podle vynálezu umožňuje také vytvořit hypocyklické převodové ústrojí, které je mnohem kompaktnější než konvenční klikové hřídele. V alternativním provedení by mohl být motor upraven pro čerpání hydraulické kapaliny do turbin napojené na generátor. Tato technika by byla vhodná jak pro velké, tak také malé energetické jednotky.

V jiném výhodném příkladném provedení vynálezu může být kapalinový píst nahrazen tuhým pístem. I když je možno použit tuhých pístů v motorech s uzavřeným cyklem, ve kterých pracovní plyn prochází dozadu a dopředu mezi expanzní komorou a kompresní komorou, může působit obtíže odpovídající utěsnění uzavřeného objemu tlakového plynu, udržovaného v systému pod vysokým tlakem a tvořeného héliem nebo vodíkem. Těsnění je méně kritickým detailem u motorů s otevřeným pracovním cyklem, u kterých se v každém cyklu přivádí čerstvý vzduch nebo jiný oxidační plyn a v důsledku toho by mohlo být použití tuhých pístů méně vhodným řešením pro tento případ. Jedno z tukových možných příkladných provedení tepelného motoru je zobrazeno na obr. 3.

Na obr. 3 je zobrazeno další příkladné provedení motoru 1Ó0, který je opatřen čtyřmi válci 113, 115, 121. 123. V každém válci je uložen píst 112. 114. 122, 124 spojený s klikovým hřídelem 169 ojnicí 171. V tomto příkladném provedení je tepelný motor 100 orientován tak, že ojnice 171 jsou nad válci. Ve dvou válcích 113. 115 jsou vytvořeny kompresní komory 109, 111. zatímco ve zbývajících dvou válcích 121, 123 jsou vytvořeny expanzní komory 117. 119. Každá z expanzních komor je opatřena vstupním otvorem 156. 158 pro přívod plynu, ovládaný vstupními ventily

157, 159. a výfukovým otvorem 173, 175 pro odvádění stlačeného plynu. Přívodní potrubí 177, 179 pro přívod plynu spojuje kompresní komoru 109, 111 s příslušnou expanzní komorou 119, 117 přes vstupní otvory 181, 183, z nichž každý je ovládán vstupním ventilem 185, 187 pro ovládání vstupu plynu do expanzní komory 119. 117. Každá expanzní komora 117, 119 je opatřena výfukovým otvorem 167, 165 pro výfukové plyny, jejichž odvádění je ovládáno výfukovými ventily 193. 191. Všechny vstupní a výstupní otvory jsou situovány do blízkosti spodního konce expanzních a kompresních komor.

Do každé kompresní komory 109, 111 jsou vyústěny vstřikovací ventily 129, 131 pro vstřikování kapalinové sprchy do každé kompresní komory 109, 111 v průběhu komprese. Uvnitř každé kompresní komory 109, 111 je také umístěn separátor 137, 139, který má odstraňovat kapalinu ze stlačovaného plynu ještě předtím než plyn opustí kompresní komoru 109, Ul. Separátor 137, 139 je umístěn vždy nad výfukovým otvorem 173, 175 pro vyfukování stlačeného plynu. V tomto příkladném provedení tepelného motoru 100 mohou být využity různé separátory, základním požadavkem však je, aby tento separátor byl co nejmenší a nej kompaktnější a aby v něm nedocházelo k velkým poklesům tlaku v plynu vstupujícím do komory nebo ve stlačeném plynu opouštějícím komoru. Aby separátor nezpůsoboval pokles tlaku v proudu nasávaného a vstupujícího plynu, může být vstupní otvor pro přívod plynu umístěn na straně separátoru, přivrácené k pístu. Aby se dosáhlo malých tlakových ztrát, může být separátor opatřen skupinou malých vířivých lopatek, upevněných na krátkém úseku trubky a uložených v krátkém dílu trubky, majícím společnou osu. Takto vyvozené víření plynu způsobuje odhazování vstupujících kapiček kapaliny směrem ven a jejich shromažďování na stěně trubky. Separátory s lopatkami vyvolávajícími víření jsou často používány v generátorech nebo vyvíječích páry a přihřívačích páry tlakových vodních reaktorů.

Každý separátor 137, 139 je spojen potrubím 201, 203 s vnějším chladičem 197, 199. Proud kapaliny přiváděný ze separátoru do chladiče je řízen pomocí ventilů 205, 207, které mohou být tvořeny zpětnými ventily. Ochlazená kapalina se vrací z kompresní komory potrubím 209, 211, ukončeným vstřikovacími ventily 131, které mohou být zpětnými ventily. Proud kapaliny tímto okruhem může být poháněn cyklickými změnami tlaku v kompresní komoře, kterými je kapalina protlačována zpětnými ventily v požadovaném směru. Nad hladinou kapaliny v chladiči je nutno udržovat prostor pro plyn, aby se umožnil průběh popsaného procesu. To je možno zajistit opatřením chladiče kontrolním ústrojím pro sledování hladiny kapaliny, například kulovým ventilem, osazeným ve vnějším chladiči. Do vnějšího chladiče může být vyústěn samostatný přívod kapaliny, aby bylo možno nahrazovat úbytky kapaliny, která se ztrácí v proudu plynu přiváděného do spalovací komory. Nahrazování kapaliny může být řízeno pomocí čidla sledujícího výšku hladiny, pokud je toto čidlo použito.

Separátor a chladicí obvod, popsaný v předchozí části popisu, zajišťuje oddělování kapiček kapaliny od plynu, recirkulaci a čerpání ochlazené kapaliny ve formě sprchy jemných kapiček do kompresní komory bez použití vnějšího čerpadla. Podobné uspořádání může být využito u tepelných motorů majících kapalinové písty. Pro některé aplikace může být vhodné, jestliže se proti proudu vstřikované kapaliny nebudou používat zpětné ventily, ale jestliže je vstřikování řízeno například pomocí vačky, která je schopna lépe ovládat načasování rozstřikování kapaliny. Načasování je zejména optimalizováno s ohledem na rozdíl tlaků mezi chladičem a kompresní komorou a celkovou dobu trvání pohybu kapiček uvnitř komory. V alternativním příkladném provedení mohou být použita vnitřní nebo vnější čerpadla pro pohon proudu kapaliny rozstřikovacími injektory. V tomto případě jsou čerpadla zejména mechanicky spřažena s pístnicemi, takže samostatné zdroje energie již nejsou potřebné. Rozstřikovací čerpadla se ukazují být vhodnějšími pro využití ve spojení s motory nebo s tepelnými čerpadly, ve kterých je použito kapalinového pístu, protože tato zařízení mají nižší pracovní rychlost. V těchto případech může být doba dopravy kapiček kratší ve srovnání s dobou potřebnou pro dokončení jednoho cyklu motoru.

45CZ 287963 B6

Každá expanzní komora 119. 117 obsahuje regenerační výměník 125. 127 tepla, který je uspořádán tak, že plyn prochází tímto výměníkem 125. 127 tepla před vstupem do expanzní komory vstupním otvorem nebo před výstupem plyn z expanzní komory výstupním otvorem. Každá expanzní komora je opatřena palivovým vstřikovacím ventilem 174, 176, ovládaných vhodným časovacím ústrojím a zapalovací svíčkou 178 pro zapalování směsi paliva a plynu, která může být využívána pro startování motoru nebo jak pro nastartování motoru, tak i udržování jeho chodu.

Regenerační výměník tepla může sestávat z velkého počtu paralelních kanálků s malým průměrem a krátkou délkou a připomínají svým vytvořením voštinovou konstrukci. Výměník teplaje uložen uvnitř spalovací komory, aby se zjednodušil konstrukční návrh a omezil nevyužitý objem plynu na minimum, avšak pro některá příkladná provedení je výhodnější použití samostatného regenerátoru.

Komory jsou uspořádány do dvojic a každá z těchto dvojic komor obsahuje jednu kompresní komoru, přivádějící studený stlačený do jedné expanzní komory. Pracovní cykly dvojic komor jsou vůči sobě přesazeny o 180°. V tomto příkladném provedení je vzájemné přesazení dosaženo vhodným konstrukčním návrhem klikového hřídele 169. V každé dvojici předbíhá expanzní proces v expanzní komoře kompresní proces v kompresní komoře o předem stanovený fázový posuv, který je v tomto příkladném provedení zejména 90°. Fázový úhel je také v tomto případě pevně nastaven konstrukčním vytvořením klikového hřídele 159. Při tomto konstrukčním uspořádání dochází ke kompresi ve chvíli, kdy se do kompresní komory dostala většina plynu a k expanzi dochází po převedení převážné části objemu plynu do expanzní komory. Také v tomto případě pohání expanzní proces, probíhající v expanzní komoře jedné dvojice komor, přímo kompresní proces, probíhající v kompresní komoře druhé dvojice komor.

Pracovní cyklus jedné dvojice komor probíhá následovně, počínaje od přívodu plynu do kompresní komory 109: Jakmile dosáhne kompresní píst 112 spodní úvratě svého zdvihu v kompresní komoře 109. to znamená nejvzdálenějšího bodu od klikového hřídele 169, otevře se vstupní otvor 157 pro vstup plynu a plyn se nasává do kompresní komory 109 v důsledku vysouvání pístu 112 z této kompresní komory 109. Současné se uzavře v expanzní komoře 119 vstupní otvor 181 pro stlačený plyn a do expanzní komory 119 se začne vstřikovat palivo v okamžiku, kdy expanzní píst 122 dosáhne střední polohy svého zdvihu a pohybuje se ven z expanzní komory 119. Směs paliva a vzduchu v expanzní komoře 119 se zapálí a zplodiny hoření expandují a tím pohánějí expanzní píst 122 k hornímu bodu jeho zdvihu, to znamená do místa, které se nachází nejblíže ke klikové hřídeli 169.

Expanzní píst 122 potom obrátí směr svého pohybu a výfukový ventil 193 se otevře, takže výfukové plyny mohou procházet výměníkem 125 tepla a jsou vypouštěny výfukovým otvorem 189. Plyn pokračuje ve svém nasávání do kompresní komory 109, dokud kompresní píst 112 nedosáhne horního bodu svého zdvihu, kdy se vstupní ventil 157 pro vstup plynu uzavře. Kompresní píst 112 obrátí směr svého pohybu a začne se pohybovat dovnitř kompresní komory 109. do které se od určitého okamžiku začne rozstřikovat chladná kapalina, která ochlazuje plyn v průběhu jeho stlačování.

Jakmile dosáhne kompresní píst 112 středního bodu svého zdvihu, dostane se expanzní píst 122 do spodní úvratě svého zdvihu v expanzní komoře 119 a přechází do opačného směru pohybu. V tomto okamžiku se výfukový ventil 191 uzavře a vstupní ventil 185 pro stlačený plyn se otevře a umožní se přívod chladného stlačeného plynu z kompresní komory 109 do expanzní komory 119. Stlačený plyn prochází výměníkem 125 tepla, ve kterém je předehřát teplem získaným z výfukových plynů.

Když dosáhne kompresní píst 112 v kompresní komoře 109 spodní úvratě svého zdvihu, uzavře se vstupní otvor 181 pro přívod stlačeného plynu do expanzní komory 119 a do této expanzní komory 119 se začne vstřikovat palivo, které se směšuje s předehřátým stlačeným plynem a zapálí se. Zplodiny hoření expandují a tlačí expanzní píst 122 nahoru k horní úvrati jeho zdvihu a celý cyklus se opakuje. Kapalina odstraňovaná ze stlačeného plynu před jeho výstupem z kompresní komory 109 je vytlačována z kompresní komory 109 ventilem 205. Kapalina je před svým vrácením a vstřikováním do kompresní komory 109 ochlazována ve vnějším chladiči 197.

V další dvojici komor 111, 117 probíhá podobný cyklus, avšak jak bylo uvedeno v předchozí části, pracovní cykly v obou dvojicích komor jsou vůči sobě fázově posunuty o 180°. Takový motor by mohl běžet uspokojivě, jestliže by jeho pohyb byl v průběhu jednoho pracovního cyklu podporován velkým setrvačníkem. Motor však může obsahovat dvě sady čtyř válců, spojených s jediným klikovým hřídelem, kde je provoz každé skupiny čtyř válců přesazen oproti činnosti další skupiny o fázový úhel 90°. Tím je umožněn pozitivní pohon motoru ve všech fázích pracovního cyklu, což má ten důsledek, že k zajištění plynulého chodu motoru není nutné použití setrvačníku.

Kromě toho je možno navrhnout takový motor, který obsahuje jednu kompresní komoru a jednu expanzní komoru, pokud jsou k dispozici prostředky pro zajištění chodu motoru v průběhu celého jednoho pracovního cyklu mezi expanzním zdvihem a kompresním zdvihem.

Uspořádání motoru s tuhým pístem může být takové, jaké je zobrazeno na obr. 3, to znamená s klikovým hřídelem 169 nad válci. To má výhodu spočívající v tom, že oddělování a odstraňování kapiček kapaliny z válce je podporováno zemskou gravitací. Na druhé straně je nevýhodou tohoto zařízení obtížnější mazání klikového hřídele 169 a kromě toho se zde mohou vyskytnou další nevýhody tohoto uspořádání. V alternativním provedení vynálezu spočívá podstata nového uspořádání v umístění klikového hřídele pod válci a v úpravě konstrukčního vytvoření pístu v tom smyslu, aby píst vytlačoval spotřebovanou postřikovou kapalinu ven přes ventil vedoucí k expanznímu pístu. Ústrojí pro oddělování kapaliny by potom mohlo být uspořádáno v potrubí vedoucím do expanzní komory. Alternativní metoda oddělování kapaliny pro uspořádání motoru s klikovým hřídelem umístěným pod válci je upravena pro píst, který vytlačuje kapalinu přes vnitřní přepad na horním konci válce. Kapalina může být v takovém případě odváděna vlastní tíží a tímto uspořádáním se také odstraňuje potřeba použití rozměrných potrubí a vnějšího separátoru.

Výhodnost použití tuhých pístů místo kapalinových pístů spočívá v tom, že by bylo možno udržovat motor v chodu při vyšších rychlostech. Tím se dosahuje vyššího výkonu na danou jednotku velikosti, takže tento motor by mohl být vhodný pro využití nejen u stabilních stanic pro výrobu energie, ale také pro mobilní aplikace, například na lodích nebo motorových vozidlech. Těsnění pístů nebude v tomto případě tak dobré jako kdyby byly použity kapalinové písty, avšak těsnění není u motorů s otevřeným pracovním cyklem tak důležité jako u motorů pracujících v uzavřeném cyklu. Je možno také navrhnout motor obsahující v kompresních komorách jak kapalinové, tak i tuhé písty, například v kompresních komorách mohou být umístěny kapalinové písty a ve spalovacích komorách tuhé písty.

Obr. 4 obsahuje další příkladné provedení tepelného motoru, který je podobný příkladu z obr. 3, ale který obsahuje několik modifikací a úprav, které mají zlepšit celkovou činnost motoru včetně zvýšení účinnosti a podstatně většího výkonu, projevujícího se při vyšší pracovní rychlosti.

Tepelný motor, zobrazený na obr. 4, obsahuje dvojici kompresních válců 113, 115, z nichž každý obsahuje rozstřikovací ústrojí pro rozstřikování kapaliny a recirkulační ústrojí., dvojici expanzních nebo spalovacích válců 121. 123. přičemž na tyto části motoru se vztahuje podrobnější popis uvedený v předchozí části při objasňování příkladu na obr. 3, součásti obsažené v příkladu na obr. 4, které jsou analogické součástem v příkladu podle obr. 3, jsou označeny stejnými vztahovými značkami. V další části jsou popsány ty modifikace tepelného motoru, jejichž zásluhou je dosaženo lepší činnosti příkladného provedení tepelného motoru podle obr. 4.

V tomto příkladném provedení byly separátory 137. 139 vlhkosti vyjmuty z vnitřního prostoru kompresních komor 109. 111 a umístěny na vnější straně těchto kompresních komor 109, 111 a byly vřazeny do přívodních potrubí 177, 179 pro přívod stlačeného vzduchu mezi výfukový otvor 173, 175 kompresních komor a vstupní otvory 165, 167 pro horký stlačený vzduch u expanzních komor 119, 117. Umístěním separátorů 137. 139 vlhkosti mimo kompresní komory se odstraňuje mrtvý prostor uvnitř komor, který by se zde jinak vyskytoval v průběhu kompresního intervalu a způsoboval nižší kompresní poměr. Tento motor je doplněn výstupními ventily 204. 206 pro stlačený plyn, které mají oddělit kompresní komory 109, 111 od objemu kanálků uzavřených ve vnějších potrubích, vedoucích od výfukových otvorů 173, 175 kompresních komor 109, lil ke vstupním otvorům kompresních komor, a které mají regulovat výsledný tlak stlačeného plynu v každé z kompresních komor ještě před převedením plynu do příslušné expanzní komory a také pro regulaci doby průtoku stlačeného plynu do expanzních komor. Jak přidáním výstupních ventilů 204, 206, tak také přemístěním separátorů 137, 139 vlhkosti z vnitřního prostoru kompresních komor je umožněno dosáhnout podstatně vyšších kompresních poměrů.

Rekuperační výměníky 125, 127 tepla, které jsou v příkladném provedení podle obr. 3 umístěny uvnitř kompresních komor, byly nahrazeny vnějšími rekuperačními výměníky 244, 246 tepla, umístěnými v příkladu na obr. 4 na vnější straně expanzních komor. Tím se opět výrazně redukuje mrtvý objem uvnitř expanzních komor, takže energie expanze horkého stlačeného vzduchu, přiváděného do expanzních komor, není znehodnocována primární expanzí do mrtvého objemu výfukových plynů z předchozího pracovního cyklu, zachyceného uvnitř rekuperačních výměníků tepla, a tím se snižuje teplota plynu. Při tomto uspořádání je možno dosáhnout uvnitř expanzní komory podstatně vyšších teplot.

Rekuperační výměníky 244, 246 tepla jsou vždy spojeny s příslušným přívodním potrubím 177. 179 pro přívod stlačeného plynu mezi odpovídající separátor 137, 139 vlhkosti a vstupní otvor 181.183 pro přívod horkého stlačeného plynu do příslušných expanzních komor a jsou uspořádány pro předehřívání chladného stlačeného plynu z kompresních komor výfukovým plynem, opouštějícím expanzní komory výfukovými otvory 165, 167. Zvýšený kompresní poměr, který je možno dosáhnout u motoru podle obr. 4, znamená, že poměr absolutní teploty před expanzí a po ní je rovněž zvýšen. Teplota po expanzi se zdá být podobná hodnotám dosahovaným u obou příkladných provedení tepelných motorů podle obr. 3 a 4, protože je určena materiálem výměníku tepla. Jelikož je špičková teplota motoru zobrazeného na obr. 4 vyšší, bude také průměrná teplota tepla přidávaného v průběhu expanze vyšší. Toto zlepšení umožňuje dosáhnout jak vyšších rozdílů tlaků a vyšších dosažitelných teplot v průběhu jednoho cyklu, přičemž teplo se odvádí při nejnižší teplotě z celého cyklu a dodává se při nejvyšší teplotě, což vede ke zvýšení výkonu motoru.

Na obr. 4 je zobrazena další modifikace příkladného provedení motoru podle vynálezu, u kterého probíhá rekuperace odpadního nebo přebytečného tepla v různých částech pracovního cyklu a přeměna tohoto tepla na využitelnou energii, aby se zvýšila účinnost motoru. Každý ze spalovacích válců 123. 121 je v tomto provedení obklopen chladicím pláštěm 212, 214 pro získávání tepla odváděného obvodovými stěnami spalovacích válců 121. 123. Do přívodního potrubí 177, 179 pro přívod stlačeného plynuje mezi separátor 137, 139 vlhkosti a rekuperační výměník 244. 246 tepla zapojeno obtokové potrubí 208, 210 pro přívod chladného stlačeného vzduchu z kompresních komor 109, 111 do chladicího pláště 212, 214. Obtokové potrubí 208, 210 je připojeno k chladicímu plášti 212, 214 v blízkosti jeho spodního konce, kde je teplota stěn spalovacích komor nejnižší. Motor je opatřen dvojicí expanzních válců 220, 222, ve kterých jsou uloženy příslušné písty 224, 246. spojené rovněž ojnicemi 171 s klikovým hřídelem 169. Každá z expanzních komor je opatřena pro vstup plynu, ovládaný vstupním ventilem 232, 234, a výstupním otvorem 236, 238 pro odvádění plynu, regulované výstupním ventilem 240, 242. Vstupní otvor 216, 218 je spojen s bodem v blízkosti horního konce chladicího pláště 212, 214, jehož nejvyšší část obklopuje výstupní otvor a probíhá až k horké straně rekuperačního výměníku 244. 246 tepla, kde se předpokládá, že teplota je nejvyšší.

Při tomto uspořádání je teplo unikající do stěn spalovací komory v její homí části zachycováno a převáděno na využitelnou energii usměrněním části chladného stlačeného plynu z kompresních komor do stěn spalovacích komor. Stlačený vzduch je podstatně účinnější jako chladicí látka než vzduch při atmosférickém tlaku. Chladný stlačený vzduch vstupuje do chladicího pláště v blízkosti jeho spodního konce, aby se nejprve ochladily stěny spalovací komory na teplotu nižší než je teplota určená druhem použitého mazacího oleje. Stlačený plyn je hnán vzhůru uvnitř chladicího pláště směrem k hornímu konci spalovací komory a přitom do sebe absorbuje teplo a tím postupně zvyšuje svoji teplotu. Stlačený vzduch, který v průběhu tohoto chladicího procesu do sebe pohltil určité množství tepla, je potom využíván pro chlazení teplejších částí celého systému, například hlavy válce a ventilů. Nakonec se horký stlačený vzduch přerušovaně odvádí z chladicího systému otevřením vstupního ventilu do expanzní komory, ve které tento stlačený plyn expanduje a přitom vytlačuje příslušný píst z komory, takže se získává přídavná mechanická práce.

Protože v praxi je tepelná kapacita výfukových plynů, vyfukovaných ze spalovacích komor, obecně větší než tepelná kapacita stlačeného plynu z kompresních komor, bude ve výfukových plynech obsaženo ve výfukových plynech větší množství tepla než je potřebné množství pro předehřátí chladného stlačeného plynu v rekuperačních výměnících tepla. Přebytek tepla může být využíván ke stlačování většího množství plynu než je potřebné pro správný průběh spalovacího procesu a k usměrňování tohoto plynu do rekuperačních výměníků tepla, ve kterých je plyn předehříván přebytečným teplem, získávaným z výfukových plynů, načež se tento předehřátý stlačený plyn usměrňuje do nejméně jedné expanzní komory.

Výhodou této konstrukční obměny je snížení výstupní teploty výfukových plynů a zvýšení využití energie obsažené v palivu.

V kterémkoliv z dalších příkladných provedení motoru je možno využít nejméně jedné expanzní komory pro zpětné získávání odpadního nebo přebytečného tepla z různých částí motoru.

Příkladné provedení tepelného motoru, zobrazené na obr. 4, je v podstatě souměrné podle svislé střední osy A, přičemž pravá polovina tepelného motoru podle tohoto příkladného provedení je zrcadlovým obrazem jeho levé poloviny. V tomto příkladném provedení jsou tři písty nalevo od střední osy A fázově posunuty o 180° vůči třem pístům motoru, umístěným vpravo od střední osy A, protože se předpokládá, že toto uspořádání bude působit co nejmenším kroutícím momentem na klikový hřídel 169. V tomto příkladném provedení jsou tedy písty, uložené ve spalovacích komorách v každé polovině motoru, uspořádány pomocí klikového hřídele 169 tak, že vedou odpovídající písty v kompresních komorách ve fázovém posuvu kolem 90°. Tím se vyvozuje na klikový hřídel značný kroutící moment v době, kdy je tento moment nejvíce potřebný pro dosažení vysokého tlaku v kompresní komoře. Konstrukční řešení podle tohoto příkladného provedení má také tu možnou výhodu, že stlačený vzduch je nasáván do spalovací komory z přívodního potrubí a výměník tepla, který je umístěn před přívodem plynu, je doplňován plynem po otevření výstupních ventilů v kompresní komoře.

V další části popisu bude popsán celý pracovní cyklus tepelného motoru podle obr. 4, který má na levé straně od střední osy A jen tři válce, přičemž činnost druhé poloviny motoru podle příkladu z obr. 4 je fázově posunuta o 180° vůči pravé straně motoru. V tomto příkladném provedení je použit jako oxidační plyn pro spalování vzduch, i když je možno použít i jiných druhů plynů.

Jestliže dosáhne píst 112 v kompresní komoře 109 své homí koncové polohy v průběhu svého zdvihu a začne se pohybovat v opačném směru, uzavře se výstupní ventil 204 a otevře se vstupní ventil 157, který uvolní možnost nasávání atmosférického vzduchu vstupními otvory 145 pro přívod vzduchu. V okamžiku, kdy dosáhne kompresní píst 112 horního bodu dráhy svého zdvihu, nachází se píst 122 ve spalovací komoře a píst 224 v expanzní komoře ve středních polohách svých zdvihových drah a pohybují se směrem dolů. Spalovací komora obsahuje v tomto okamži ku stlačené horké spaliny, které expandují a vytlačují píst ven z komory. Podobně obsahuje expanzní komora 228 horký stlačený vzduch, který rovněž expanduje a vytlačuje expanzní píst 224 ven z komory. Výstupní ventily jak u spalovací komory, tak také expanzní komory 228 jsou uzavřeny, přičemž také vstupní otvory mohou být uzavřeny.

Dosáhne-li kompresní píst 112 středního bodu dráhy svého pohybu, přijdou písty ve spalovací a expanzní komoře 228 do spodní úvratě svého zdvihu a začnou se pohybovat v opačném směru. V tomto okamžiku se otevře jak výfukový ventil 191 ve spalovací komoře, tak také výstupní ventil 240 v expanzní komoře. Při pohybu pístů do příslušných komor jsou spaliny vytlačovány to ze spalovací komory výfukovým otvorem 165 a procházejí rekuperačním výměníkem 244 tepla ven. do okolní atmosféry. Podobně je expandovaný plyn vytlačován z expanzní komory výstupním otvorem 236 pro výstup plynu.

Je-li to požadováno, je možno dosáhnout redukce oxidů dusíku ve výfukových plynech vstřiko15 váním čpavku v místě proti proudu plynu před výměníkem tepla nebo přímo do něj, popřípadě umístěním katalytického povrchu dovnitř vlastního výměníku tepla.

Dosáhnou-li písty 122. 224 ve spalovací a expanzní komoře 119. 228 středního bodu svého zdvihu, dosáhne kompresní píst 112 spodní úvratě svého zdvihu a obrátí směr svého pohybu. 20 V tomto okamžiku se vstupní ventil 157 pro ovládání přívodu vzduchu uzavře a do kompresní komory 109 se vstřikuje chladná kapalina vstřikovací tryskou pro vstřikování kapaliny, takže vzduch v kompresní komoře 109 ie stlačován přibližně izotermicky.

Jestliže písty 122, 224 dosáhnou homí úvratě svého zdvihu, příslušný výfukový ventil 191 25 a výstupní ventil 240 se uzavřou a jim příslušné vstupní ventily 185. 232 pro přívod vzduchu se otevřou a umožní přivádění předehřátého stlačeného vzduchu do komor prostřednictvím vstupních otvorů 181, 216. V předem určeném okamžiku se vstupní ventil, zajišťující přívod předehřátého stlačeného vzduchu do spalovací komory, uzavře a do expanzní komory 119 se začne vstřikovat vstřikovacím ventilem 174 palivo. Pro zapálení paliva je možno použít 30 zapalovacího zdroje, například zapalovací svíčky 178, popřípadě může k zapálení dojít spontánně při smísení paliva s předehřátým stlačeným vzduchem. Píst 122 je pak vytlačován ze spalovací komory 119 tlakem horkých spalin, které se ochladí do jisté míry v důsledku vykonané práce, přenesené na píst 122.

Vstupní ventil 232 pro ovládání přívodu plynu do expanzní komory 220 se v předem určeném bodě rovněž uzavře a vzduch expanduje adiabaticky a pohání přitom píst 224 směrem dolů a ven z expanzní komory 228.

Přiblíží-li se píst 112 v kompresní komoře 109 homí úvrati svého zdvihu, otevře se výstupní 40 ventil 204 pro ovládání výstupu stlačeného plynu a směs vzduchu a rozstřikované kapaliny je vytlačena z kompresní komory 109 do separátoru 137 vlhkosti, ve kterém se oddělí kapalina od vzduchu. Separátor 137 vlhkosti je dimenzován nejen na oddělování vzduchu od kapaliny, ale také má sloužit jako zásobník kapaliny a akumulátor tlaku pro stlačený vzduch.

Ze separátoru 137 vlhkosti odtéká kapalina do vnějšího chladiče 197. ve kterém je teplo absorbované v průběhu stlačovacího procesu uvolňováno do okolní atmosféry nebo do jiné tepelné jímky. Kapalina proudí z vnějšího chladiče 197 zpět ke vstřikovacímu ventilu 129 pro vstřikování kapaliny, který ovládá vstřikování kapaliny v průběhu stlačovací operace. Protože vstřikování kapaliny probíhá normálně v době, kdy je tlak v kompresní komoře nižší než je jeho 50 maximální hodnota, mělo by být možné dosáhnout dostatečného vstřikování v průběhu tohoto časového intervalu. Potom se tlak zvýší na hodnotu vstřikovacího tlaku a proud vstřikované kapaliny se přeruší, přičemž při tomto přerušení by již mělo být v kompresní komoře dostatečné množství kapiček kapaliny. V důsledku toho může píst 112 kompresní komory 109 tvořit ústrojí pro čerpání kapaliny kolem chladicího obvodu a její vedení vstřikovacími tryskami pro vstřiko55 vání kapaliny.

Chladný stlačený vzduch proudí ze separátoru 137 vlhkosti do prvního rekuperačního výměníku 244 tepla, ve kterém je předehříván výfukovými plyny z expanzní komory 119.

Je-li píst 112 v kompresní komoře 109 v horní úvrati svého zdvihu, uzavře se výstupní ventil 204 pro ovládání výstupu stlačeného plynu a vzduchový vstupní ventil 157 se otevře a celý cyklus se opakuje.

Fázová poloha pístů v různých komorách není příliš rozhodující, jestliže je motor opatřen dostatečné velkým setrvačníkem pro udržování svého pohybu. Avšak obecně se pokládá za výhodnější vyrovnání kroutícího momentu na klikovém hřídeli, aby se provozní napětí omezila na minimální hodnoty, udržel se pravidelný rovnoměrný chod a omezily se vibrace. Fázování pístů také ovlivní „odplyňování“, to znamená proud vzduchu z kompresní komory do spalovací komory a změny tlaku v separátoru vlhkosti a ve výměníku tepla. Ačkoliv fázový úhel mezi písty ve spalovacích komorách a písty v kompresních komorách jsou v příkladném provedení podle obr. 4 kolem 90°, mohou být v jiných příkladných provedeních fázové úhly jiné, ovšem volba fázových úhlů je záležitostí pro dlouhodobou optimalizaci z hlediska praktických zkušeností a měření.

Ačkoliv má příkladné provedení podle obr. 4 dva odlučovače vlhkosti a dva výměníky tepla, může být tepelný motor opatřen menším počtem odlučovačů vlhkosti a/nebo tepelných výměníků, takže může být opatřen jen jedním odlučovačem vlhkosti a/nebo výměníkem tepla, které jsou umístěny mezi dva nebo více válců. To se může projevit ve snížení velikosti těchto částí, v rovnoměrnějším proudění vzduchu a pravděpodobném snížení nákladů.

Další příkladné provedení tepelného motoru s otevřeným provozním cyklem může mít cyklus doplněn turbodmychadlem, jak je tomu často u benzinových a vznětových motorů. Turbodmychadlo může sestávat z rotačního kompresoru a rotačního expandéru, uloženého na stejném hřídeli jako kompresor. Kompresor zvyšuje tlak atmosférického vzduchu před přívodem do izotermické kompresní komory. Kompresor je poháněn zejména expandérem, který je uspořádán mezi výfukovým otvorem spalovací komory a vstupním otvorem pro vstup spalin do výměníku tepla. Celkovým přínosem turbodmychadla má být zvýšení průměrného tlaku plynu jak v kompresních komorách, tak také ve spalovacích komorách, takže motor určité velikosti potom dodává vyšší výkon. Použití turbodmýchadla může vést k mírnému snížení účinnosti motoru kvůli poměrné nižší účinnosti rotačního kompresoru a expandéru a protože turbokompresor stlačuje plyn spíše adiabaticky než izotermicky. Avšak použití turbodmýchadla může být přesto výhodné, protože snížená účinnost může být nahrazena velkým zvýšením výstupního výkonu u motoru stejné velikosti.

I když příkladné provedení motoru, znázorněné na obr. 4, zobrazuje klikový hřídel pohánějící generátor 247, může být motor v alternativním provedení použit pro pohon pojezdových kol silničních nebo kolejových vozidel nebo lodních šroubů u lodí.

V alternativním příkladném provedení mohou být písty spřaženy dohromady a poháněny rotačním mechanickým systémem, jiným než je klikový hřídel, například hypocyklickou převodovkou.

V ještě jiném výhodném provedení může být výhodné uspořádat motor tak, že kompresní proces probíhá v kompresních komorách nižší rychlostí než spalování ve spalovacích komorách. Jinými slovy, motor může být uspořádán tak, že za jednotku času proběhne více spalovacích cyklů než kompresních cyklů. Toho je možno dosáhnout použitím vhodného převodu mezi klikovým hřídelem kompresní komory a klikovým hřídelem spalovací komory. Jestliže motor obsahuje také vzduchovou expanzní komoru pro zpětné získávání nadbytečného nebo odpadního tepla v různých částech pracovního cyklu, je možno také uspořádat motor tak, že cyklus s expanzí vzduchu je rychlejší než izotermický kompresní cyklus. Výhoda takového uspořádání je spatřována v tom, že kompresní proces může být vždy udržován na malých rychlostech, aby byl dostatek času pro přenos tepla mezi plynem a kapičkami kapaliny tak, aby kompresní, proces mohl být vždy v podstatě izotermický a aby tak byly tepelné ztráty v jednom cyklu ze spalovací komory co nejvíce sníženy a tím se zvýšila účinnost a současně výkon motoru.

V alternativním příkladném provedení může být tepelný motor pro přeměnu tepelné a mechanické energie podle vynálezu upraven pro chlazení konvenčních benzinových, vznětových nebo plynových motorů, aby se zpětně získávalo teplo, které by se potom mohlo přeměnit na užitečnou energii. Ve své základní formě obsahuje toto řešení kompresní komoru a v ní uložený píst pro 10 izotermické stlačování plynu, při kterém v průběhu komprese probíhá vstřikování kapalinové sprchy, přičemž další součástí tohoto řešení je expanzní komora, v ní uložený píst, spojený buď s výstupním pohonným ústrojím motoru, nebo s některým dalším pohonem, kterému by mohlo prospět dodávání přídavné energie, a výměník tepla pro předehřívání chladného stlačeného plynu, přicházejícího z izotermické kompresní komory, teplem vznikajícím v motoru, které by 15 jinak bylo odpadním teplem; součástí tohoto řešení je také ústrojí pro přívod předehřátého stlačeného plynu do expanzní komory. Výměník tepla může být jednoduše tvořen kanálkem vytvořeným ve stěnách spalovací komory, aby se umožnila cirkulace stlačeného vzduchu před jeho přivedením do expanzní komory. Izotermické kompresní a expanzní komory mohou mít podobné tělesné vytvoření jako v příkladu na obr.4, přičemž hlavní rozdíl oproti příkladu z obr. 4 20 spočívá v tom, že všechen izotermický stlačený vzduch je využíván pro rekuperaci tepla a nikoliv jen jeho část, jako tomu bylo v předchozím příkladu.

Každý z motorů, popsaných v předchozí části, může být podle potřeby snadno upraven pro použití v kombinovaných systémech pro výrobu tepla a elektrické energie. Použití nekondenzu25 jícího plynu jako pracovního plynu poskytuje mnohem širší rozsah při volbě provozních teplot než je tomu u pracovních cyklů s kondenzující párou. Systém je jednoduše nastaven na vracení tepla při vyšší teplotě než by tomu mohlo být při výrobě pouze elektrické energie.

Jinou možností, která by mohla být využita pro výrobu maximálního množství tepla při nízké 30 teplotě nosné látky, využitelného pro sušení, vytápění vnitřních prostorů nebo pro ohřev vody, je upravení tepelného motoru pro pohon tepelného čerpadla. Teplo odváděné z motoru může být zdrojem tepla pro látku s nízkou teplotou. Kromě toho může mechanický výstup motoru sloužit k pohonu tepelného čerpadla, kterým je možno získat další teplo. Výpočty naznačují, že by bylo možné produkovat spalovacím motorem s otevřeným pracovním cyklem až dvojnásobné množst35 ví tepla, obsaženého v nosiči tepla s nižší teplotou, než je spotřebováváno podle kalorické hodnoty paliva. Přídavné teplo může být do zařízení čerpáno z okolní atmosféry, ze země nebo z velkého objemu vody.

Tepelný motor upravený na tepelné čerpadlo se vstřikováním jak horké, tak také chladné 40 kapalinové sprchy by bylo velmi vhodné pro využití v domácnostech nebo i v průmyslu a pro ohřev vody. Řešením podle vynálezu se otevírá možnost návrhu tepelných čerpadel pracujících při mnohem vyšších teplotách. Výhodou tohoto speciálního druhu tepelných čerpadel je skutečnost, že tato čerpadla nejsou tak těsně vázána na určitý rozsah teplot jako v případě tepelných čerpadel, která jsou založena na odpařování kapaliny a kondenzaci jejích par.

Jiné příkladné provedení tepelného motoru ve formě tepelného čerpadla může být opatřeno ventily, takže může pracovat v otevřeném pracovním cyklu, podobném jako tomu bylo v příkladech podle obr. 2, 3 a 4. Avšak v tomto případě by nedocházelo k žádnému spalování v expanzní komoře a čerpadlo by nebylo opatřeno jakoukoliv formou rekuperačních nebo regeneračních 50 výměníků tepla nebo vstřikování kapiček kapaliny do chladné expanzní komory. Vzduch může expandovat v expanzní komoře například adiabaticky. V kompresní komoře by mohl být vzduch stlačován izotermický pomocí pístu a použitím sprchy z kapiček kapaliny, přičemž přebytek tepla by mohl být převeden do konvenčního odvodu tepla. Tento druh tepelného čerpadla by mohl být používán pro klimatizační jednotky pro úpravu vzduchu nebo ventilační jednotky, u kterých 55 expandovaný vzduch opouští systém podstatně chladnější než je vstupující vzduch. Systém by však nebyl příliš vhodný pro čerpání tepla do budov ze studené okolní atmosféry, protože by vznikal problém s tvorbou ledu uvnitř expanzní komory.

Další příkladné provedení tepelného čerpadla by mohlo být podobné konstrukcím popsaným v předchozích částech popisu, ovšem bez kapalinových pístů, přičemž veškeré kompresní a expanzní operace by byly realizovány pouze s využitím tuhých pístů. Zařízení může být opatřeno kapalinovým těsněním bez nutnosti použití kapalinových pístů.

Odborníkům v tomto oboru je zřejmé velké množství alternativních mechanických uspořádání pro přeměnu lineárního pohybu pístu na rotační pohyb hnacího hřídele. Je-li použito kapalinových pístů a mechanický pohon obsahuje hnací nebo přenosový hřídel, procházející stěnou potrubí, jak je to znázorněno na obr. 1 a 2, je nutno umístit mezi stěnu a vratně pohyblivý hnací hřídel. Avšak toto řešení může být spojeno s jednou nevýhodou spočívající v tom, že mezi těsněním a hnacím hřídelem může být značné tření. Alternativní konstrukční řešení, které by mělo redukovat velikost tření, obsahuje ozubnici s pastorkem, uloženou uvnitř vodorovného úseku potrubí. Pastorek je uložen otočně a jeho osa je kolmá ke směru pohybu pístu, přičemž hřebenová tyč je vhodně spřažena nebo spojena s pevným pístem nebo s pevnými písty. Pastorek může být upraven pro pohon otočného hřídele, který prochází dírou ve stěně potrubí, opatřenou nutným těsněním, a přenáší výkon z pístu na vnější stranu. Tuhý píst, který je pohybově spřažen s kapalinovým pístem, je upraven pro vykonávání posuvného pohybu ve dvou vzájemně opačných směrech v prvním nebo druhém ramenu potrubí, přičemž v jednom potrubí je možno umístit i více pístů, není nutno používat jen jednoho takového tuhého pístu.

V alternativním příkladném provedení může být převáděn lineární pohyb pístu na rotační pohyb hnacího hřídele osazením některého druhu kapalinových šroubů, například vrtulových nebo turbinových listů uvnitř potrubí, které jsou otočně upevněny na hnacím hřídeli, procházejícím potrubím. V tomto případě je hnací hřídel rovnoběžný se směrem pohybu pístu. Tam kde jsou ve dvou sedlových smyčkách použity hnací hřídele pohyblivé ve dvou opačných směrech vratnými pohyby, může být výhodné spřáhnout hnací hřídel jedné kompresní smyčky s hnacím hřídelem druhé expanzní smyčky. Místo mechanického hnacího systému je možno také použít hydraulického systému. Při tomto uspořádání předchozího případu by mohl každý kombinovaný hnací hřídel sedlové smyčky pohánět vnější vratně pohyblivý píst uvnitř vnějšího hydraulického válce pro čerpání hydraulické kapaliny. Předem určený fázový úhel, například 90°, mezi dvěma kombinovanými hnacími hřídeli by mohl být dosažen správným nastavením okamžiku otevření ventilů v hydraulických válcích tak, aby se zamezilo přílišnému vzdálení každého z hřídelů z požadované polohy v určitém stadiu cyklu.

U motorů nebo tepelných čerpadel, u kterých je použito kapalinových pístů, mohou být použity tuhé plováky, které plavou na hladině kapalinových pístů.

Odborníkům v oboru těchto motorů jsou zřejmé další možné modifikace příkladných provedení, která nepřekračují rámec vynálezu.

Claims (52)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   I. Tepelný motor pro přeměnu tepelné a mechanické energie, obsahující kompresní komoru (9,

   II, 109, 111) s obsahem stlačovaného plynu a první píst (5, 112, 114) pro stlačování plynu pohybem tohoto prvního pístu (5, 112, 114) do kompresní komory (9, 11, 109, 111) a hnací ústrojí prvního pístu (5, 112, 114) v kompresní komoře (9, 11, 109, 111) pro stlačování plynu,
2. 2. Tepelný motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že expanzní komoře (17, 19,

   117, 119) je předřazeno zahřívací ústrojí pro dodávku tepla do plynu v průběhu jeho stlačování.
3. 3. Tepelný motor podle nároku 2, vyznačující se tím, že zahřívací ústrojí obsahuje výměník (125, 127, 244, 246) tepla, umístěný ve směru proudění předehřívaného plynu za
4. 4. Tepelný motor podle nároku 3, vyznačující se tím, že výměníkem tepla je regenerátor (25, 27) vřazený do dráhy expandovaného plynu mezi expanzní komorou (17, 19)
5. 5. Tepelný motorpodle nároku 4, vyznačující se tím, že regenerátory (25, 27) jsou vytvořeny ve formě chladicích ústrojí a jsou umístěny před vstupem plynu do kompresní komory (9,11).
6. 6. Tepelný motor podle nároku 4, vyznačující se tím, že regenerátory (25, 27) pro chlazení plynu obsahují výměníkové jednotky pro výměnu tepla.
7. 7. Tepelný motor podle nároků 2až6, vyznačující se tím, že zahřívací ústrojí pro 40 dodávání tepla obsahuje rozstřikovače (33,35) horké kapaliny v expanzní komoře (17,19).
8. 8. Tepelný motor podle nároku 7, vyznačující se tím, že rozstřikovače (33,35) jsou napojeny na přívodní potrubí kapalin se vzájemně rozdílnými teplotami.

   45
9. 9. Tepelný motor podle nároku 8, vyznačující se tím, že rozstřikovače (33, 35) pro vytváření sprchy kapaliny v expanzní komoře (17, 19) mají ovládací ústrojí aktivovatelné průběhem stlačování plynu uvnitř expanzní komory pro regulování teploty plynu.
10. 10 sestávajícími ze sloupců kapaliny nacházející se v trubkách (1, 3), které jsou součástmi úložné soustavy obklopující nejméně jeden z kapalinových pístů (5, 7), přičemž úložná soustava obsahuje na každém svém konci jednu z kompresních komor (9, 11) a expanzních komor (17, 19).

    10. Tepelný motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že expanzní komoiy (117, 50 119) jsou vytvořeny ve formě spalovacích komor pro spalování paliva a zahřívací ústrojí plynu obsahuje plášť (212, 214) expanzních komor (117, 119) pro ohřívání stlačeného plynu z kompresních komor (109, 111) teplem vedeným napříč nejméně jedné stěny omezující expanzních komor (117, 119).

    10 expanzní komoru (17, 19, 117, 119, 228, 230) obsahující druhý píst (7, 120, 122, 224, 226), přívodní ústrojí stlačeného plynu z kompresní komory (9, 11, 109, 111) do expanzní komory (17, 19, 117, 119, 228, 230), zahřívací ústrojí pro ohřívání stlačeného plynu na výstupu z kompresní komory (9, 11, 109, 111) a přenosové ústrojí obsahující tuhý člen spřažený operativně s druhým pístem (7, 120, 122, 224, 226) pro odebírání výkonu motoru, vyznačující se tím, že 15 v kompresní komoře (9, 11, 109, 111) je umístěno vstřikovací ústrojí (29, 31, 129, 131), vyústěné do kompresní komory (9, 11, 109, 111) pro vytváření sprchy kapaliny při stlačování plynu, a separátor (37, 39, 137, 139) pro oddělování kapaliny od stlačeného plynu opouštějícího kompresní komoru.

    20
11. 11. Tepelný motor podle nároku 10, vyznačující se tím, že ve spalovacích expanzních komorách (117, 119) je vždy uložen třetí píst (120, 122) spojený pohyblivě s přenosovým ústrojím tvořeným ojnicí (171) a klikovým hřídelem (169).
12. 12. Tepelný motor podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že do vstupu spalovacího plynu do kompresní komory (9, 11, 109, 111) jsou vřazeny první ventily (57, 59, 157, 159) pro ovládání přívodu spalovacího plynu a do výstupu expanzní komory (17, 19, 117, 119) jsou osazeny druhé ventily (61, 63, 205, 207, 185, 187) pro zamezení vracení expandovaného plynu, přičemž zahřívací ústrojí pro dodávání tepla obsahuje přívodní otvory (73, 75) a vstřikovací ventily (174, 176) pro přívod paliva, vyústěné do expanzní komory (17, 19, 117, 119).
13. 13. Tepelný motor podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahřívací ústrojí obsahuje regulační ústrojí rychlosti proudění palivové směsi do expanzní komory (17, 19, 117, 119).
14. 14. Tepelný motor podle nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že mezi kompresní komory (9, 11, 109, 111) a expanzní komory (17, 19, 117, 119) jsou do propojovacích částí umístěny ventily (61, 63, 185, 187, 204, 206) pro regulování průtoku plynu.
15. 15 soustavy j sou vytvarovány do tvaru U.

    15. Tepelný motor podle nároku 14, vyznačující se tím, že ventily umístěné na výstupu kompresní komory (9, 11, 109, 111) jsou tvořeny výstupními ventily (204,206).
16. 16. Tepelný motor podle nároku 14 nebo 15, vyznačující se tím, že ventily umístěné na vstupu expanzní komory (17, 19, 117, 119) jsou tvořeny vstupními ventily (185, 187), umístěnými mezi zahřívací ústrojí a expanzní komory (17, 19, 117, 119).
17. 17. Tepelný motor podle nároků 1 až 16, vyznačující se tím, žek expanzním komorám (117, 119) jsou přes vstupní otvory (216, 218) a/nebo přívodní potrubí (177, 179) připojeny další expanzní komory (228, 230) pro expanzi plynu, ve kterých jsou uloženy další písty (224, 226), přičemž před další expanzní komory (228, 230) je zapojeno předehřívací ústrojí stlačeného plynu.
18. 18. Tepelný motor podle nároku 17, vyznačující se tím, že předehřívací ústrojí obsahuje chladicí pláště (212, 214), kterými je tvořena nejméně jedna obvodová plocha expanzních komor (117, 119).
19. 19. Tepelný motor podle nároku 17 nebo 18, vyznačující se tím, že předehřívání ústrojí obsahuje rekuperační výměníky (244, 246) tepla pro předehřívání stlačeného plynu expandovaným plynem z expanzních komor (117, 119).
20. 20 v každém ramenu a druhá trubka (3) má expanzní komoru (17, 19) vytvořenu v obou ramenech a úložná soustava dále obsahuje převáděcí první propojovací regenerátor (25) pro převádění stlačeného plynu z jedné kompresní komory (9) do jedné z expanzních komor (19) a převáděcí druhý propojovací regenerátor (27) pro převod stlačeného plynu z jiné kompresní komory (11) do další expanzní komory (17).

    20. Tepelný motor podle nároků 17ažl9, vyznačující se tím, že další písty (224, 226) jsou spojeny s přenosovým ústrojím tvořeným klikovým hřídelem (169) a ojnicí (171).
21. 21. Tepelný motor podle nároků 14až20, vyznačující se tím, že další expanzní komora (228, 230) je opatřena vstupními ventily (232, 234), vřazenými do dráhy stlačeného plynu mezi předehřívacím ústrojím a další expanzní komorou (228,230).
22. 22. Tepelný motor podle nároků laž21, vyznačující se tím, že hnací ústrojí obsahuje spřahovací ústrojí pístů (112, 114, 120, 122, 224, 226) spojené s přenosovým ústrojím pro přenos pohybu a písty (112, 114, 120, 122, 224, 226) jsou umístěny v předem určených fázových vztazích.
23. 23. Tepelný motor podle nároků laž22, vyznačující se tím, že hnací ústrojí obsahuje tuhý píst (51) v expanzní komoře (17, 19) a s ním spojený hnací hřídel (55), který je spřažen přenosovým ústrojím a druhým hnacím hřídelem (53) s druhým tuhým pístem (49) v kompresní komoře (9, 11).
24. 24. Tepelný motor podle nároku 22 nebo 23, vyznačující se tím, že přenosové 5 ústrojí obsahuje klikový hřídel (169), spojený s hnacím ústrojím a s dalšími prvky přenosového ústrojí.
25. 25. Tepelný motor podle nároků laž24, vyznačující se tím, že písty uložené v kompresní komoře (9, 11) a v expanzní komoře (17, 19) jsou tvořeny kapalinovými písty (5, 7)

    25 výstupem z kompresní komory (9, 11, 109, 111) pro předehřívání plynu teplem z plynu expandovaného v expanzní komoře (17, 19, 117,119).
26. 26. Tepelný motor podle nároku 25, vyznačující se tím, že trubky (1,3) úložné
27. 27. Tepelný motor podle nároku 26, vyznačující se tím, že úložná soustava obsahuje dvojici trubek (1, 3) tvaru U, z nichž každá trubka (1, 3) obsahuje dávku kapaliny tvořící kapalinový píst (5, 7), přičemž jedna z trubek (1) má kompresní komoru (9, 11) vytvořenu
28. 28. Tepelný motor podle nároku 27, vyznačující se tím, že úložná soustava obsahuje další dvojici trubek (1, 3) tvaru U, přičemž při provozu je jeden z kapalinových pístů (7) v jedné z trubek (3), obsahujících expanzní komory (17, 19), fázově přesazen o 90° vůči dalšímu kapalinovému pístu (7) v odpovídající trubce (3) tvaru U, obsahující další expanzní komory (17,19).
29. 29. Tepelný motor podle nároků 25 až 28, v y z n a č u j í c í se t í m , že ve sloupci kapaliny prvního kapalinového pístu (5) nebo každého z prvních kapalinových pístů (5) je uložen hnací prvek hnacího ústrojí, spolupracující s prvním kapalinovým pístem (5).

    35
30. 30. Tepelný motor podle nároku 29, vyznačující se tím, že hnací prvek je tvořen tuhým pístem (49).

    30 a kompresní komorou (9,11).
31. 31. Tepelný motor podle nároku 30, vyznačující se tím, žes tuhým pístem (49) je spojen hřídel (53) procházející stěnou první trubky (1), obsahující kapalinový píst (5).
32. 32. Tepelný motor podle nároků 25 až 31, vy z n a č uj í c í se t í m, že ve sloupci kapaliny druhého kapalinového pístu (7) nebo každého z druhých kapalinových pístů (7) je uložen přenosový prvek přenosového ústrojí, spolupracující s druhým kapalinovým pístem (7).
33. 33. 35) pro vytvoření sprchy.
34. 34. Tepelný motor podle nároku 33, vyznačující se tím, žes tuhým pístem (51) je spojen hřídel (55) procházející stěnou trubky (3) obsahující druhý kapalinový píst (7).
35. 35. Tepelný motor podle nároků 25 až 34, vyznačující se tím, že obsahuje přívodní ústrojí pro přívod nejméně jedné kapaliny z kapalinových pístů (5, 7) do rozstřikovačů (29, 31,
36. 36. Tepelný motor podle nároku 35, vyznačující se tím, že přívodní ústrojí obsahuje čerpadlo poháněné kapalinovými písty (5, 7).
37. 37. Tepelný motor podle nároků laž27, vyznačující se tím, že první a druhé písty (112, 114, 120,124, 224, 226) obsahují tuhý materiál.
38. 38. Tepelný motor podle nároku 37, vyznačující se tím, že písty (112, 114, 120, 122, 224, 226) jsou uloženy v dvojici kompresních komor (109, 111) a v dvojici expanzních komor (117, 119,228, 230), přičemž písty (112, 114) v kompresních komorách (109, 111) a písty (120, 122, 224, 226) v expanzních komorách (117, 119, 224, 226) jsou umístěny ve vzájemné opačné fázi pohybu.
39. 39. Tepelný motor podle nároku 38, vyznačující se tím, že obsahuje další dvojici kompresních komor (109, 111) a další dvojici expanzních komor (117, 119), přičemž při provozu jsou písty (112, 114) v jedné dvojici kompresních komor (109, 111) uloženy ve fázovém posuvu 90° vůči pístům druhé dvojice kompresních komor a písty (120, 122) v jedné dvojici expanzních komor (117, 119) jsou umístěny ve fázovém posuvu 90° vůči pístům (120, 122) v druhé dvojici expanzních komor (117, 119).
40. 40. Tepelný motor podle nároků laž39, vyznačující se tím, že tepelné výměníkové jednotky obsahují výměníky (125, 127) tepla.
41. 41. Tepelný motor podle nároků laž39, vyznačující se tím, že tepelné výměníkové jednotky obsahují rekuperační výměníky (244, 246) tepla.
42. 42. Tepelný motor podle nároků laž41, vyznačující se tím, že mimo vnitřní prostor kompresních komor (9, 11, 109, 111) jsou umístěny separátory (37, 39, 41, 43, 137, 139) pro oddělování kapaliny od plynu.
43. 43. Tepelný motor podle nároků 7 až 9, vyznačující se tím, že za rozstřikovači (33, 35) jsou mimo vnitřní prostor expanzní komory (17, 19) umístěny separátory (41, 43) vystupujícího plynu.
44. 44. Tepelný motor podle nároků laž43, vyznačující se tím, že přívodní ústrojí pro přívod kapalin je napojeno na jedné straně na dva zdroje kapalin se vzájemně rozdílnými teplotami a na druhé straně je spojeno s rozstřikovači (29, 31) v kompresních komorách (9,11).
45. 45. Tepelný motor podle nároku 44, vyznačující se tím, že přívodní ústrojí kapalin je na straně odvrácené od zdrojů kapalin připojeno na rozstřikovač (29, 31) sprchy kapaliny v kompresní komoře (9, 11) nebo v každé kompresní komoře (9, 11).

    45 33. Tepelný motor podle nároku 32, vyznačující se tím, že přenosový prvek je tvořen tuhým pístem (51).
46. 46. Tepelný motor podle nároků laž45, vyznačující se tím, žes prvním pístem (112, 114) je spojen první klikový hřídel (169) a s druhým pístem (120, 122, 224, 226) je spojen druhý klikový hřídel (169).
47. 47. Tepelný motor podle nároku 46, vyznačující se tím, že mezi první a druhý klikový hřídel (169) je vřazen ozubený převod pro zajištění delší doby potřebné pro dokončení jednoho kompresního zdvihu v kompresní komoře (109, 111) než je doba potřebná pro dokončení expanzního zdvihu v expanzní komoře (117,119).
48. 48. Tepelný motor podle nároku 47, vyznačující se tím, že v kompresních komorách (109, 111) je uložen vždy jeden kompresní píst (112, 114) spojený s prvním klikovým hřídelem (169), a ve skupině expanzních komor (117, 119, 228, 230) je uložen vždy jeden expanzní píst (120,122, 224,226), spojený s druhým klikovým hřídelem (169).
49. 49. Tepelný motor podle nároků 1 až 48, vyznačující se tím, že do vstupů plynu do kompresních komor (109, 111) jsou osazeny vstupní ventily (157, 159) a do přívodních potrubí (177, 179) spojujících kompresní komory (109, 111) s expanzními komorami (117, 119) jsou osazeny druhé ventily (185, 187) pro zamezení vracení plynu z expanzní komory (117, 119) do kompresní komory (109, 111) přívodním potrubím (177, 179) a před vstup do kompresní komory (109, 111) je vřazeno turbodmychadlo pro zvyšování tlaku plynu.
50. 50. Tepelný motor podle nároku 49, vy z n a č uj í c í se t í m , že turbodmychadlo obsahuje rotační kompresor a rotační expandér uchycený na stejném rotačním hřídeli.
51. 51. Tepelný motor podle nároků laž50, vyznačující se tím, že ústrojí pro dodávku tepla do plynu obsahuje vstřikovací ústrojí paliva se vstřikovacími ventily (174, 176) vyústěnými do expanzní komory (117, 119), rekuperační výměníky (244, 246) pro předehřívání stlačeného plynu z kompresní komory (109, 111) teplem výfukových plynů z expanzní komory (117, 119) a rotační expandér umístěný mezi výfukovým výstupem expanzní komory (117, 119) a vstupem výfukových plynů do rekuperačních výměníků (244, 246) tepla.
52. 52. Tepelný motor podle nároků laž51, vyznačující se tím, že mezi druhé písty (120,122, 224,226) a elektrický generátor (247) je vřazen hnací hřídel (169).