EA010122B1 - Способ и устройство для преобразования тепловой энергии в механическую - Google Patents

Abstract

Способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем изменения объема, давления и температуры рабочего тела, главным образом газа, на нескольких стадиях, согласно изобретению отличается тем, что рабочее тело всасывается на первую стадию при увеличении объема этой первой стадии, затем при уменьшении объема первой стадии оно переводится на вторую стадию при увеличении ее объема, затем при уменьшении объема второй стадии оно переводится третьей стадией при одновременном подводе тепла на четвертую стадию при увеличении объема этой четвертой стадии, затем с четвертой стадии при уменьшении ее объема оно переводится на пятую стадию, и на этой пятой стадии при увеличении ее объема оно расширяется. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем изменения объема, давления и температуры рабочего тела согласно изобретению отличается тем, что третья стадия (3) представляет собой не менее чем одну рабочую полость с неизменяющимся объемом, в то время как остальные стадии (1, 2, 4, 5) сконструированы как рабочие полости с изменяющимся объемом, главным образом, как поршневые механизмы с вращающимся поршнем, и ходе прохождения рабочего тела функционально расположенные последовательно одна за другой, причем частично перед третьей стадией (3) и частично за ней.

Description

Изобретение касается способа преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем изменения объема, давления и температуры рабочего тела, главным образом, газа, на нескольких стадиях, а также изобретение касается и устройства для осуществления этого способа.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую, при которых изменяются давление и температура рабочего тела в рабочей полости с поочередно изменяющимся объемом. При уменьшающемся объеме повышаются давление и температура, и это происходит как в результате указанного изменения объема, так и, главным образом, в последней фазе уменьшения объема, или же и в первой фазе вторичного увеличения объема, при дополнительном подводе тепловой энергии, либо снаружи, либо при образовании теплоты, например, горением в рабочем теле внутри рабочей полости. При вторичном увеличении объема давление, возникшее при предыдущем уменьшении объема в закрытой рабочей полости, совершает, после вычета потерь, работу, необходимую для последующего уменьшения объема, в то время как давление, возникшее при дополнительном подводе тепловой энергии, совершает, также после вычета потерь, результирующую механическую работу. В постоянно закрытой рабочей полости в результате дополнительного подвода тепловой энергии температура рабочего тела в конце каждого увеличения объема, а таким образом, и в начале последующего уменьшения объема, была бы всегда больше, чем температура в начале предыдущего увеличения объема; таким образом, при подводе тепла снаружи температура рабочего тела достигла бы температуры, при которой тепло подводится снаружи, и разность температур, а таким образом, и количество подводимого тепла, были бы, без учета потерь, нулевыми. Подвод тепла образованием в рабочем теле в постоянно закрытой рабочей полости прекратился бы по причине недостатка кислорода. Поэтому необходимо рабочую полость для отвода использованного (отработанного) рабочего тела и подвода нового рабочего тела на определенный период открыть, и это необходимо сделать как в начале периода уменьшения объема или перед ним, так и в конце периода увеличения объема или после него. Рабочий процесс изменений давления и температуры при уменьшении и увеличении объема проходит в два такта. Если к этим двум тактам добавляются еще два других, то есть увеличение объема для подвода использованного рабочего тела, и уменьшение объема для отвода использованного рабочего тела, то тогда речь идет о четырехтактном процессе преобразования тепловой энергии в механическую. Если подвод и отвод рабочего тела происходят в начале первого такта, или в конце второго такта, то речь идет о двухтактном процессе. Все эти процессы происходят в соответствии с уже известной конструкцией устройства в одной рабочей полости, в виде исключения, разделенной на две части.

По способу преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем изменения объема, давления и температуры рабочего тела, согласно изобретению, рабочее тело всасывается на первую стадию при увеличении объема этой первой стадии, после чего при уменьшении объема первой стадии оно переводится (поступает) на вторую стадию при увеличении ее объема, после чего при уменьшении объема второй стадии оно переводится третьей стадией при одновременном подводе тепла на четвертую стадию при увеличении объема этой четвертой стадии, после чего из четвертой стадии при уменьшении ее объема оно переводится на пятую стадию, и на этой пятой стадии при увеличении ее объема, расширяется. Кроме того, согласно изобретению, способ отличается тем, что при уменьшении объема второй стадии рабочее тело переводится третьей стадией при одновременном нагревании прямо на пятую стадию, или же, при переводе с первой стадии на вторую стадию рабочее тело охлаждается. Следующим признаком изобретения является то, что с пятой стадии рабочее тело при уменьшении ее объема при одновременном охлаждении переводится на первую стадию при увеличении объема этой первой стадии. Согласно изобретению, способ преобразования энергии можно также видоизменить таким образом, что с пятой стадии при ее уменьшении рабочее тело переводится на третью стадию и используется для процесса нагревания, или таким образом, что пятая стадия соединяется с первой стадией и при уменьшении этой соединенной стадии рабочее тело, также и при одновременном охлаждении, переводится прямо на вторую стадию при увеличении этой второй стадии.

Согласно изобретению устройство для осуществления способа преобразования энергии сконструировано таким образом, что каждая стадия представляет собой не менее чем одну самостоятельную рабочую полость, причем третья стадия представляет собой не менее чем одну рабочую полость с неизменяющимся объемом, в то время как остальные стадии представляют собой рабочие полости с изменяющимся объемом, главным образом, как поршневые механизмы с вращающимся поршнем, и в ходе прохождения рабочего тела они функционально расположены последовательно одна за другой, причем частично перед третьей стадией, и частично за ней. Кроме того, согласно изобретению устройство для осуществления способа преобразования энергии устроено таким образом, что наибольший объем первой стадии больше, чем наибольший объем второй стадии, причем наибольший объем пятой стадии больше, чем наибольший объем четвертой стадии, причем наибольший объем пятой стадии больше или такой же, как наибольший объем первой стадии. Согласно изобретению устройство может быть далее устроено таким образом, что пятая стадия одновременно представляет собой и первую стадию. Согласно следующему признаку изобретения третья стадия сконструирована как камера сгорания и/или как теплообменник. Кроме того, изобретение выгодно видоизменено таким образом, что пятая стадия снабжена впускным клапаном. Согласно последнему признаку изобретения между первой стадией и второй стадией,

- 1 010122 также как и между пятой стадией и первой стадией, и между соединенной стадией и второй стадией, помещен охладитель.

Изобретение более подробно изображено на прилагаемом чертеже, где на фиг. 1 изображен основной вариант исполнения изобретения; на фиг. 2 изображен видоизмененный вариант с охладителем между первой и второй стадиями, также как и между пятой и первой стадиями; а на фиг. 3 изображен вариант исполнения изобретения с первой стадией, соединенной с пятой стадией и с охладителем между пятой и второй стадиями.

Рабочее тело приводится на первую стадию 1 (фиг. 1) при увеличении объема этой первой стадии 1, после чего при уменьшении объема первой стадии 1 оно перейдет на вторую стадию 2 при увеличении ее объема. Потом при уменьшении объема второй стадии 2 оно перейдет на третью стадию 3.

При прохождении третьей стадией 3 в рабочее тело поступит тепло или изнутри, при сгорании топлива в рабочем теле, или снаружи, при нагревании третьей стадии, например, при внешнем сгорании. С третьей стадии 3 рабочее тело перейдет на четвертую стадию 4, объем которой в то же время увеличится, при этом из четвертой стадии 4 при уменьшении ее объема оно перейдет на пятую стадию 5. На этой пятой стадии 5 при увеличении ее объема рабочее тело расширится. После расширения рабочее тело при уменьшении объема пятой стадии 5 либо выйдет наружу, либо возвратится назад на первую стадию 1. При использовании воздуха в качестве рабочего тела и внешнего сгорания как способа подвода тепла на третью стадию, выгодно использовать расширенный, но горячий воздух для внешнего сгорания. Таким образом, согласно изобретению способ преобразования энергии представляет собой пятитактный термодинамический цикл. В некоторых случаях может быть с выгодой исключена четвертая стадия 4, а рабочее тело переведено прямо на пятую стадию, и оставлено здесь расширяться. Выгодно, если при переводе с первой стадии 1 на вторую стадию 2 рабочее тело охлаждается в промежуточном охладителе 6 (фиг. 2). При замкнутом цикле, при котором рабочее тело с пятой стадии 5 перемещается назад на первую стадию 1, выгодно между пятой и первой стадиями поместить другой промежуточный охладитель 7. В некоторых случаях выгодно согласно другому варианту исполнения изобретения соединить пятую и первую стадии в соединенную стадию 51, а рабочее тело, расширенное при увеличении объема соединенной стадии 51, перевести, при вторичном уменьшении объема этой соединенной стадии, на вторую стадию 2 при одновременном увеличении этой второй стадии, и сделать это при необходимости через соединенный промежуточный охладитель 76. В этом случае основной пятитактный термодинамический цикл будет видоизменен на трехтактный цикл.

Устройство для осуществления (реализации) описанного способа преобразования тепловой энергии в механическую, согласно изобретению, сконструировано таким образом, что третья стадия 3 представляет собой не менее чем одну рабочую полость с неизменяющимся объемом, в то время как остальные стадии 1, 2, 4, 5, 51 сконструированы как рабочие полости с изменяющимся объемом. Будет выгодно, если все стадии, за исключением третьей стадии, будут выполнены как поршневые механизмы с вращающимся поршнем, при вращении которого над каждой поверхностью, соединяющей его пиковые грани (гребни поршня), и будет циклически увеличиваться и уменьшаться объем полости, отсекаемой этой поверхностью и прилегающей внутренней поверхностью цилиндра, в котором поршень вращается. При этом наибольший объем первой стадии 1 больше, чем наибольший объем второй стадии 2, кроме того, наибольший объем пятой стадии 5 больше, чем наибольший объем четвертой стадии 4, а наибольший объем пятой стадии 5 больше или такой же, как наибольший объем первой стадии 1. Наибольший объем соединенной стадии 51 больше, чем наибольший объем четвертой стадии 4 и больше, чем наибольший объем второй стадии 2. Третья стадия 3 сконструирована как камера сгорания и/или как теплообменник.

Рабочее тело, прежде всего, поступает, например, всасыванием, в увеличивающийся объем первой стадии 1. При достижении максимума объем этой стадии начинает уменьшаться и рабочее тело выталкивается в увеличивающийся объем второй стадии 2. Так как наибольший объем второй стадии 2 в несколько раз меньше, чем наибольший объем первой стадии 1, то изменится состояние рабочего тела таким образом, что после его перемещения из первой стадии 1 во вторую стадию 2 это рабочее тело имеет более высокое давление и более высокую температуру. Если нежелательно излишнее повышение температуры, то можно между обеими стадиями поместить промежуточный охладитель 6, как это показано на фиг. 2. При вторичном уменьшении объема второй стадии 2 рабочее тело из нее перемещается через третью стадию 3 на четвертую стадию 4 с увеличивающимся объемом. На третьей стадии 3 в рабочее тело поступает тепло либо путем внешнего нагревания, когда эта стадия сконструирована как теплообменник, либо путем внутреннего сжигания аналогично тому, как у камер сгорания турбин, однако, со значительно более высокими давлениями.

Так как наибольший объем четвертой стадии 4, как правило, равен наибольшему объему второй стадии 2, то рабочее тело будет иметь в конечном состоянии на четвертой стадии 4 после нагревания на третьей стадии 3 более высокое давление и температуру по сравнению с начальным состоянием на второй стадии. Затем из уменьшающегося объема четвертой стадии 4 рабочее тело расширится в увеличивающийся объем (полость) пятой стадии 5, где оно совершит работу. Однако можно видоизменить устройство согласно изобретению таким образом, что наибольший объем четвертой стадии 4 будет больше, чем наибольший объем второй стадии 2, так что между обеими стадиями будет возникать частичное, от

- 2 010122 изобарического до изотермического, расширение, а способ преобразования энергии согласно изобретению будет приближаться к способу Карно (Сато!). В экстремальных случаях четвертую стадию можно полностью исключить, и дать рабочему телу возможность расшириться из второй стадии 2 при нагревании на третьей стадии 3 прямо до пятой стадии 5. Третья стадия имеет ненулевой объем, так что, если в нее не поступает тепло, то в начале подвода рабочего тела произойдет частичное расширение, а после перевода рабочего тела третьей стадией оно будет иметь на четвертой стадии более низкое давление и температуру, чем на второй стадии. Однако в результате этого более низкого давления четвертая стадия заберет из третьей стадии пропорционально меньше весового количества рабочего тела, чем было переведено на третью стадию из второй стадии, а оставшееся количество создаст, или же повысит остаточное давление на третьей стадии. Таким образом, в зависимости от размера (объема) третьей стадии, и без подачи тепла, на третьей стадии давление повысится очень быстро настолько, что уже при переводе рабочего тела со второй стадии на четвертую стадию через третью стадию не возникнет расширения, а тепло можно будет подводить с первой стадии на вторую стадию под давлением, получаемым сжатием рабочего тела. Поэтому можно определить размер третьей стадии, как камеру сгорания с малой внешней поверхностью, чтобы не возникало избыточной утечки тепла, и как теплообменник с большой поверхностью, чтобы было возможно подводить как можно большее количество тепла.

Для того чтобы можно было подводить как можно больше тепла на третьей стадии и уменьшить работу, израсходованную на компрессионной фазе цикла, необходимо, насколько это возможно, снижать температуру при переводе с первой стадии на вторую стадию. Согласно изобретению, это можно осуществить тем, если между первой стадией 1 и второй стадией 2 поместить промежуточный охладитель 6. При замкнутом цикле, когда рабочее тело перемещаемо с пятой стадии 5 назад на первую стадию 1, рекомендуется между этими обеими стадиями поместить еще один промежуточный охладитель 7.

Согласно изобретению при компоновке устройства, можно выбрать, независимо от величины степени сжатия, величину степени расширения, поэтому можно сжатое и нагретое рабочее тело оставить расширяться до величины давления окружающей среды, что приведет к хорошим показателям КПД (эффективности) цикла. При данной величине степени расширения давление в конце расширения задается давлением в начале его расширения, и поэтому при меньшем подводе тепла давление в конце расширения может упасть ниже давления окружающей среды. Если этот эффект нежелателен, то можно использовать еще один признак изобретения, то есть подсос рабочего тела в конце расширения всасывающим клапаном 8. Следовательно, согласно изобретению, рабочий цикл, реализованный способом и устройством, согласно изобретению, является пятитактным циклом.

При определенной величине степени расширения на пятой стадии 5, то есть между наибольшими объемами пятой и четвертой стадии, в конце расширения упадет не только давление, но и температура до величин, близких к величинам окружающей среды. Поэтому при замкнутом цикле и при внешнем нагревании рабочего тела на третьей стадии 3 можно, согласно очередному признаку изобретения, соединить пятую стадию 5 с первой стадией 1 (фиг. 3), а рабочее тело подвергнуть расширению, лучше всего через промежуточный охладитель 76, из соединенной стадии 51 на вторую стадию 2 при одновременном сжатии. И в этом случае рекомендуется обеспечить соединенную стадию 51 всасывающим клапаном 8. Следовательно, в рамках изобретения в некоторых случаях возможно основной пятитактный цикл видоизменить на трехтактный цикл.

Изобретение, как по примерам вариантов исполнения, так и в последующих вариантах исполнения, вытекающих из патентных прав, по сравнению с известными тепловыми двигателями, главным образом, с четырехтактным циклом, более выгодно тем, что допускает более высокие рабочие давления и температуры, чем турбинные двигатели, допускает более длительное время нагревания сжатого рабочего тела и более низкие давления и температуры в конце расширения, чем до сих пор известные поршневые двигатели. Результатом этого является более высокий КПД (эффективность) цикла, а также при нагревании рабочего тела внутренним или внешним сжиганием, более низкий шум и более низкая эмиссия окисей углерода и азота. Изобретение также можно выгодно использовать для преобразования солнечной энергии в механическую энергию.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию, включающий последовательно совершающиеся операции всасывания рабочего тела в камеру первой ступени и потом его сжатия в камере первой ступени и одновременной подачи в камеру второй ступени и сжатия в камере второй ступени, и далее подачи сжатого рабочего тела при одновременном его подогреве через камеру третьей ступени, имеющую неизменный объем, в камеру четвертой ступени, при одновременном расширении этого рабочего тела в камере четвертой ступени, далее вытеснения рабочего тела из камеры четвертой ступени в камеру пятой ступени при одновременном расширении этого рабочего тела в камере пятой ступени, последующем вытеснении рабочего тела из камеры пятой ступени, причем при каждом расширении рабочего тела в четвертой и пятой ступенях осуществляется отвод механической энергии, а для каждого сжатия рабочего тела в первой и второй ступенях к ступеням приводят механическую энергию.

   - 3 010122
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей рабочего тела в камеру второй ступени рабочее тело охлаждается.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после расширения в камере пятой ступени рабочее тело охлаждается и подается в камеру первой ступени.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после расширения в камере пятой ступени рабочее тело направляется в камеру третьей ступени с целью использования его остаточного тепла для нагрева рабочего тела в последующем рабочем цикле.
5. 5. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, содержащее последовательно расположенные по ходу прохождения рабочего тела рабочие ступени (1, 2, 3, 4, 5), причем первая ступень (1), вторая ступень (2), четвертая ступень (4) и пятая ступень (5) имеют рабочие камеры с изменяющимся в ходе движения поршня объемом, а третья ступень (3) имеет по меньшей мере одну рабочую камеру с неизменным объемом, причем поршни рабочих ступеней (1, 2, 3, 4, 5) с изменяющимся объемом камер связаны валом.
6. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что наибольший объем камеры первой ступени (1) больше, чем наибольший объем камеры второй ступени (2), причем наибольший объем камеры пятой ступени (5) больше, чем наибольший объем камеры четвертой ступени (4), причем наибольший объем камеры пятой ступени (5) больше или такой же, как наибольший объем камеры первой ступени.
7. 7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что камера пятой ступени (5) в одном рабочем цикле является камерой первой ступени (1) последующего рабочего цикла.
8. 8. Устройство по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что камера третьей ступени (3) представляет собой камеру сгорания и/или теплообменник.
9. 9. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что камера пятой ступени (5) снабжена всасывающим клапаном (8).
10. 10. Устройство по любому из пп.7-9, отличающееся тем, что между камерой первой ступени (1) и камерой второй ступени (2) и между камерой пятой ступени (5) и камерой первой ступени (1) размещены промежуточные охладители (6, 7) для охлаждения рабочего тела.