CZ297785B6

CZ297785B6 - Zpusob a zarízení pro premenu tepelné energie na mechanickou

Info

Publication number: CZ297785B6
Application number: CZ20030927A
Authority: CZ
Inventors: Zelezný@Eduard
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2007-03-28
Also published as: EP1651852B1; PL1651852T3; UA88442C2; JP2006523278A; CZ2003927A3; ZA200508827B; WO2004088114A8; HUE025570T2; MXPA05010534A; CA2521042C; AU2004225862A1; BRPI0409153A; KR20050118303A; CN1768199A; JP5142522B2; NO20055109D0; US20060196186A1; NZ543325A; EG25327A; IL171210A

Abstract

Resením je zpusob premeny tepelné energie na mechanickou energii zmenou objemu, tlaku a teploty pracovního média, podle nehoz se pracovní médium nasaje do prvního stupne (1) za zvetsování objemu tohoto prvního stupne (1), nacez se za zmensování objemu prvního stupne (1) prevede do druhého stupne (2) za zvetsování jeho objemu, nacez se za zmensování objemu druhého stupne (2) prevede tretím stupnem(3) za soucasného prívodu tepla do ctvrtého stupne (4) za zvetsování objemu tohoto ctvrtého stupne (4), nacez se ze ctvrtého stupne (4) za zmensováníjeho objemu prevede do pátého stupne (5) a v tomto pátém stupni (5) se za zvetsování jeho objemu nechá expandovat. Zpusobem podle resení je takto vytvoren petidobý termodynamický cyklus. Resením je dále zarízení k provádení tohoto zpusobu.

Description

Způsob a zařízení pro přeměnu tepelné energie na mechanickou

Popis

Vynález se týká způsobu přeměny tepelné energie na mechanickou energii změnou objemu, tlaku a teploty pracovního média, zejména plynu, v několika stupních, jakož i zařízení k provádění tohoto způsobu.

Jsou známy způsoby přeměny tepelné energie na mechanickou, při kterých se mění tlak i teplota pracovního média v pracovním prostoru se střídavě se měnícím objemem. Při zmenšujícím se objemu se zvyšuje tlak i teplota, a to jak v důsledku uvedené změny objemu, tak i, zejména v poslední fázi zmenšování objemu, případně v první fázi opětného zvětšování objemu, dodatečným přívodem tepelné energie buď z vnějšku, nebo vývinem tepla, např. spalováním, v médiu uvnitř pracovního prostoru. Při opětném zvětšování objemu tlak, vzniklý předchozím zmenšováním objemu v uzavřeném pracovním prostoru, vykonává, po odečtení ztrát, práci potřebnou pro následné zmenšování objemu, zatímco tlak, vzniklý dodatečným přívodem tepelné energie, vykonává, rovněž po odečtení ztrát, výslednou mechanickou práci. U trvale uzavřeného pracovního prostoru by v důsledku dodatečného přívodu tepelné energie teplota média na konci každého zvětšování objemu a tedy i na začátku následujícího zmenšování objemu byla vždy větší než teplota na začátku předchozího zvětšování objemu, takže při přívodu tepla z vnějšku by teplota média dosáhla teploty, při které je teplo z vnějšku přiváděno, a teplotní rozdíl a tedy i množství přiváděného tepla by byly, bez zřetele na ztráty, nulové. Přívod tepla vývinem v médiu by se u trvale uzavřeného pracovního prostoru zastavil pro nedostatek kyslíku. Proto je nutno pracovní prostor pro odvedení použitého média a přivedení čerstvého na určitou dobu otevřít, a to jak na začátku zmenšování objemu nebo před ním, tak i na konci zvětšování objemu nebo po něm. Pracovní proces změn tlaku a teploty při zmenšování a zvětšování objemu probíhá ve dvou dobách. Pokud jsou k těmto dvou dobám přidány ještě další dvě, tj. zvětšování objemu pro přivedení použitého média a zmenšování objemu pro odvedení použitého média, pak se jedná o čtyřdobý proces přeměny tepelné energie na mechanickou. Pokud přivádění a odvádění média probíhá na začátku jedné doby, resp. na konci druhé doby, pak se jedná o proces dvoudobý. Všechny tyto pochody probíhají podle známého stavu techniky vjednom pracovním prostoru, výjimečně rozděleném na dvě části.

Podle způsobu přeměny tepelné energie na mechanickou energii změnou objemu, tlaku a teploty pracovního média v několika stupních podle vynálezu se pracovní médium nasaje do prvního stupně za zvětšování objemu tohoto prvního stupně, načež se za zmenšování objemu prvního stupně převede do druhého stupně za zvětšování jeho objemu, načež se za zmenšování objemu druhého stupně převede třetím stupněm za současného přívodu tepla do čtvrtého stupně za zvětšování objemu tohoto čtvrtého stupně, načež se ze čtvrtého stupně za zmenšování jeho objemu převede do pátého stupně a v tomto pátém stupni se za zvětšování jeho objemu nechá expandovat. Způsob podle vynálezu je dále vyznačen tím, že se při převádění z prvního stupně do druhého stupně pracovní médium ochlazuje. Dalším znakem vynálezu je, že z pátého stupně za zmenšování jeho objemu se pracovní médium za současného ochlazování převede do prvního stupně za zvětšování objemu tohoto prvního stupně. Způsob podle vynálezu lze také upravit tak, že z pátého stupně za zmenšování jeho objemu se pracovní médium převede ke třetímu stupni a použije pro zahřívací proces, nebo že se pátý stupeň sloučí s prvním stupněm a za zmenšování objemu tohoto sloučeného stupně se pracovní médium, případně za současného ochlazování, převede přímo do druhého stupně za zvětšování objemu tohoto druhého stupně.

Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu je pak uspořádáno tak, že každý stupeň je vytvořen jako nejméně jeden samostatný pracovní prostor, přičemž třetí stupeň je vytvořen jako nejméně jeden pracovní prostor s neproměnlivým objemem, zatímco ostatní stupně jsou vytvořeny jako pracovní prostory s proměnlivým objemem, zejména jako pístové stroje s otočným pístem, a jsou

-1 CZ 297785 B6 funkčně ve smyslu průchodu pracovního média uspořádány za sebou, a to zčásti před třetím stupněm a zčásti za ním. Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu je dále upraveno tak, že největší objem prvního stupně je větší než největší objem druhého stupně, přičemž největší objem pátého stupně je větší než největší objem čtvrtého stupně a přičemž největší objem pátého stupně je větší nebo stejný jako největší objem prvního stupně. Zařízení podle vynálezu může být dále uspořádáno tak, že pátý stupeň současně tvoří první stupeň. Podle dalšího znaku vynálezu je třetí stupeň vytvořen jako spalovací komora a/nebo jako výměník tepla. Vynález je dále výhodně upraven tak, že pátý stupeň je opatřen sacím ventilem. Podle posledního znaku vynálezu je mezi prvním stupněm a druhým stupněm, jakož i mezi pátým stupněm a prvním stupněm a mezi sloučeným stupněm a druhým stupněm zařazen chladič.

Přehled obrázků na výkresu

Vynález je blíže znázorněn na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno základní provedení vynálezu, na obr. 2 je znázorněna úprava s chladičem mezi prvním a druhým stupněm, jakož i mezi pátým a první stupněm a na obr. 3 je provedení s prvním stupněm sloučeným s pátým stupněm a s chladičem mezi pátým a druhým stupněm.

Příklady provedení vynálezu

Pracovní médium se přivede do prvního stupně 1 (obr. 1) za zvětšování objemu tohoto prvního stupně 1, načež se za zmenšování objemu prvního stupně 1 převede do druhého stupně 2 za zvětšování jeho objemu. Pak se za zmenšování objemu druhého stupně 2 převede do třetího stupně 3. Při průchodu třetím stupněm 3 se do pracovního média přivede teplo buď zevnitř, spalováním paliva v pracovním médiu, nebo zvenku ohřevem třetího stupně, např. vnějším spalováním. Z třetího stupně 3 se pracovní médium převádí do čtvrtého stupně 4, jehož objem se současně zvětšuje, načež se ze čtvrtého stupně 4 za zmenšování jeho objemu převede do pátého stupně 5. V tomto pátém stupni 5 se za zvětšování jeho objemu nechá pracovní médium expandovat. Po expanzi se pracovní médium za zmenšování objemu pátého stupně 5 buď vyvede ven, nebo zpět do prvního stupně 1. Při použití vzduchu jako pracovního média a vnějšího spalování jako způsobu přívodu tepla do třetího stupně, je výhodné použít expandovaný, ale horký vzduch pro vnější spalování. Způsob podle vynálezu tedy představuje pětidobý termodynamický cyklus. Je výhodné, jestliže se že při převádění z prvního stupně 1 do druhého stupně 2 pracovní médium ochlazuje v mezistupňovém chladiči 6 (obr. 2). Při uzavřeném oběhu, při kterém se pracovní médium z pátého stupně 5 vede opět do prvního stupně 1, je výhodné mezi pátý a první stupeň vložit další mezistupňový chladič 7. V některých případech je výhodné, podle dalšího provedení vynálezu, sloučit pátý a první stupeň do sloučeného stupně 51 a pracovní médium, expandované při zvětšování objemu sloučeného stupně 51, převést, při opětném zmenšování objemu tohoto sloučeného stupně, do druhého stupně 2 při současném zvětšování tohoto druhého stupně, a to případně přes sloučený mezistupňový chladič 76. V tomto případě je základní pětidobý termodynamický cyklus upraven na cyklus třídobý.

Zařízení k provádění popsaného způsobu přeměny tepelné energie na mechanickou je podle vynálezu uspořádáno tak, že třetí stupeň 3 je vytvořen jako nejméně jeden pracovní prostor s neproměnlivým objemem, zatímco ostatní stupně 1, 2, 4, 5, 51 jsou vytvořeny jako pracovní prostory s proměnlivým objemem. Je výhodné, aby všechny stupně, s výjimkou třetího stupně, byly provedeny jako pístové stroje s otočným pístem, kde při otáčení pístu se nad každou plochou, spojující jeho vrcholové hrany, cyklicky zvětšuje a zmenšuje objem prostoru vymezeného touto plochou a přilehlou vnitřní plochou válce, ve kterém se píst otáčí. Přitom největší objem prvního stupně 1 je větší než největší objem druhého stupně 2, dále největší objem pátého stupně 5 je větší než největší objem čtvrtého stupně 4 a největší objem pátého stupně 5 je větší nebo stejný jako největší objem prvního stupně J. Největší objem sloučeného stupně 51 je větší než

-2CZ 297785 B6 největší objem čtvrtého stupně 4 i než největší objem druhého stupně 2. Třetí stupeň 3 je vytvořen jako spalovací komora a/nebo jako výměník tepla.

Pracovní médium se nejdříve přivede, např. sáním, do zvětšujícího se objemu prvního stupně 1. Po dosažení maxima se objem tohoto stupně začíná zmenšovat a pracovní médium se vytlačuje do zvětšujícího se objemu druhého stupně 2. Protože největší objem druhého stupně 2 je několikanásobně menší než největší objem prvního stupně 1, změní se stav pracovního média tak, že po jeho přesunutí z prvního stupně 1 do druhého stupně 2 má toto médium vyšší tlak i vyšší teplotu. Pokud není přílišné zvýšení teploty žádoucí, je možné mezi oba stupně vložit mezistupňový chladič 6, jak je to znázorněno na obr. 2. Při opětném zmenšování objemu druhého stupně 2 je pracovní médium z něj převáděno přes třetí stupeň 3 do čtvrtého stupně 4 se zvětšujícím se objemem. Ve třetím stupni 3 se do pracovního média přivádí teplo buď vnějším ohřevem, kdy tento stupeň je vytvořen jako výměník tepla, nebo vnitřním spalováním obdobně jako u spalovacích komor turbin, avšak s podstatně vyššími tlaky. Protože největší objem čtvrtého stupně 4 je zpravidla roven největšímu objemu druhého stupně 2, bude mít pracovní médium v konečném stavu ve čtvrtém stupni 4, po ohřátí ve třetím stupni 3, vyšší tlak i teplotu oproti počátečnímu stavu ve druhém stupni. Ze zmenšujícího se objemu čtvrtého stupně 4 pak pracovní médium expanduje do zvětšujícího se objemu pátého stupně 5, kde vykonává práci. Je ovsem možné upravit zařízení podle vynálezu tak, že největší objem čtvrtého stupně 4 je větší než největší objem druhého stupně 2, takže mezi oběma stupni bude docházet k částečně, izobarické až izotermické expanzi a způsob podle vynálezu se bude přibližovat způsobu podle Camota. Třetí stupeň má nenulový objem, takže, pokud není do něj teplo přiváděno, dojde na začátku převádění pracovního média k částečné expanzi a po převedení třetím stupněm bude mít pracovní médium ve čtvrtém stupni nižší tlak i teplotu než ve druhém stupni. V důsledku tohoto nižšího tlaku vsak čtvrtý stupeň odebere ze třetího stupně úměrně méně váhového množství pracovního média, než bylo do třetího stupně převedeno ze stupně druhého a zbylé množství vytvoří, příp. zvýší zbytkový tlak ve třetím stupni. Podle velikosti třetího stupně takto i bez přívodu tepla se ve třetím stupni velmi rychle zvýší tlak natolik, že již k expanzi při převádění pracovního média z druhého do čtvrtého stupně přes třetí stupeň nedojde a teplo je možno přivádět za tlaku daného stlačením pracovního média z prvního stupně do stupně druhého. Proto je možno dimenzovat třetí stupeň jako spalovací komoru s malou vnější plochou, aby nedocházelo ke zbytečnému úniku tepla, tak i jako výměník s velkou plochou, aby bylo možno přivádět co nejvíce tepla.

Aby bylo možno přivádět co nejvíce tepla ve třetím stupni a zmenšit práci vynaloženou na kompresní fázi oběhu, je třeba pokud možno snižovat teplotu při převádění z prvního do druhého stupně. To je podle vynálezu umožněno tím, že mezi první stupeň 1 a druhý stupeň 2 je vložen mezistupňový chladič 6. Při uzavřeném oběhu, kdy pracovní médium je vedeno z pátého stupně 5 zpět do prvního stupně 1, je vhodné mezi oba tyto stupně vložit další mezistupňový chladič 7.

Při uspořádání podle vynálezu je možno nezávisle na velikosti kompresního poměru zvolit velikost expanzního poměru, takže je možno stlačené a ohřáté pracovní médium nechat expandovat až na tlak okolního prostředí, čímž se dosáhne dobré účinnosti oběhu. Při dané velikosti expanzního poměřuje tlak na konci expanze dán tlakem na jejím začátku a proto může při menším přívodu tepla tlak na konci expanze klesnout pod tlak okolního prostředí. Pokud by tento jev nebyl žádoucí, je možno použít dalšího znaku vynálezu, tj. přisávání pracovního média na konci expanze sacím ventilem 8.

Pracovní oběh realizovaný způsobem i zařízením podle vynálezu je tedy oběhem pětidobým.

Při určité velikosti expanzního poměru v pátém stupni 5, tj. poměru mezi největšími objemy pátého a čtvrtého stupně, klesne na konci expanze nejen tlak, ale i teplota na hodnotu blízkou okolnímu prostředí. Proto při uzavřeném oběhu a při vnějším ohřívání pracovního média ve třetím stupni 3 je možno podle dalšího znaku vynálezu sloučit pátý stupeň 5 s prvním stupněm 1 (obr. 3) a pracovní médium vést po expanzi, výhodně přes mezistupňový chladič 76, ze sloučené

-3 CZ 297785 B6 ho stupně 51 do druhého stupně 2 za současného stlačování, _L v tomto případě je vhodné opatřit sloučený stupeň 51 sacím ventilem 8.

V rámci vynálezu je tedy možno základní pětidobý oběh upravit v někteiých případech na oběh třídobý.

Vynález jak podle příkladů provedení, tak i v dalších provedeních vyplývajících z patentových nároků je ve srovnání se známými tepelnými motory, zejména s čtyřdobým oběhem, výhodnější tím, že umožňuje vyšší pracovní tlaky a teploty než motory turbinové, delší dobu ohřívání stlačeného pracovního média a nižší tlaky a teploty na konci expanze než dosud známé motory pístové. Výsledkem je vyšší účinnost oběhu a při ohřívání pracovního média vnitřním nebo vnějším spalováním také nižší hluk a nižší emise oxidů uhlíku i dusíku. Vynález je také možno výhodně použít pro přeměnu sluneční energie na energii mechanickou.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob přeměny tepelné energie na mechanickou energii změnou objemu, tlaku a teploty pracovního média, zejména plynu, v několika stupních, vyznačený tím, že pracovní médium se nasaje do prvního stupně za zvětšování objemu tohoto prvního stupně, načež se za zmenšování objemu prvního stupně převede do druhého stupně za zvětšování jeho objemu, načež se za zmenšování objemu druhého stupně převede třetím stupněm za současného přívodu tepla do čtvrtého stupně za zvětšování objemu tohoto čtvrtého stupně, načež se ze čtvrtého stupně za zmenšování jeho objemu převede do pátého stupně a v tomto pátém stupni se za zvětšování jeho objemu nechá expandovat.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že při převádění z prvního stupně do druhého stupně se pracovní médium ochlazuje.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že z pátého stupně za zmenšování jeho objemu se pracovní médium za současného ochlazování převede do prvního stupně za zvětšování objemu tohoto prvního stupně.
4. Způsob podle nároků laž3, vyznačený tím, že z pátého stupně za jeho zmenšování se pracovní médium převede ke třetímu stupni a použije pro zahřívací proces.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že pátý stupeň je sloučen s prvním stupněm, přičemž za zmenšování objemu pátého stupně se pracovní médium, případně za současného ochlazování, převede přímo do druhého stupně za zvětšování objemu tohoto druhého stupně.
6. Zařízení k přeměně tepelné energie na mechanickou energii změnou objemu, tlaku a teploty pracovního média v několika stupních podle nároků laž5, vyznačené tím, že třetí stupeň (3) je vytvořen jako nejméně jeden pracovní prostor s neproměnlivým objemem, zatímco ostatní stupně (1, 2, 4, 5) jsou vytvořeny jako pracovní prostory s proměnlivým objemem, zejména jako pístové stroje s otočným pístem, a jsou funkčně ve smyslu průchodu pracovního média uspořádány za sebou, a to zčásti před třetím stupněm (3) a zčásti za ním.

-4CZ 297785 B6
7. Zařízení podle nároku 6, vyznačené tím, že největší objem prvního stupně (1) je větší než největší objem druhého stupně (2), přičemž největší objem pátého stupně (5) je větší než největší objem čtvrtého stupně (4) a přičemž největší objem pátého stupně (5) je větší nebo stejný jako největší objem prvního stupně (1).
8. Zařízení podle nároků 6 a 7, vyznačené t í m , že pátý stupeň (5) je sloučen s prvním stupněm (1).
9. Zařízení podle nároků 6 až 8, vyznačené tím, že třetí stupeň (3) je vytvořen jako spalovací komora a/nebo jako výměník tepla.
10. Zařízení podle nároků 6 až 9, vyznačené tím, že pátý stupeň (5) je opatřen sacím ventilem (8).
11. Zařízení podle nároků 6 až 10, vyznačené tím, že mezi prvním stupněm (1) a druhým stupněm (2) a dále mezi pátým stupněm (5) a prvním stupněm (1) je uspořádán mezistupňový chladič (6, 7), jakož i mezi sloučeným stupněm (51) a druhým stupněm (2) sloučený mezistupňový chladič (76).