EA023624B1 - Steam engine and its operating method - Google Patents
Steam engine and its operating method Download PDFInfo
- Publication number
- EA023624B1 EA023624B1 EA201200667A EA201200667A EA023624B1 EA 023624 B1 EA023624 B1 EA 023624B1 EA 201200667 A EA201200667 A EA 201200667A EA 201200667 A EA201200667 A EA 201200667A EA 023624 B1 EA023624 B1 EA 023624B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- piston
- cylinder
- working
- steam
- engine
- Prior art date
Links
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к паросиловым установкам, к двигателям с внешним подводом тепла, преобразуемым в механическую энергию.The invention relates to steam power plants, to engines with an external supply of heat, converted into mechanical energy.
Преобразование тепловой энергии в механическую работу служит основным средством удовлетворения потребности человека в различных машинах, облегчающих его труд. Из рассмотрения различных термодинамических циклов преобразования тепла следует, что механическая работа может быть получена только при наличии разницы температур рабочего тела в цикле. Паросиловые установки имеют длительную историю развития, причем их развитие шло по пути совершенствования высокотемпературного цикла преобразования (см. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. - М.: Энергия, 1979, с. 68-75, рис. 4.1), для создания двигателя с максимально достижимым термодинамическим коэффициентом преобразования.The conversion of thermal energy into mechanical work is the main means of satisfying a person’s needs in various machines that facilitate his work. From the consideration of various thermodynamic cycles of heat conversion it follows that mechanical work can be obtained only if there is a difference in the temperatures of the working fluid in the cycle. Steam-powered plants have a long history of development, and their development went along the path of improving the high-temperature conversion cycle (see Martynovsky V.S. Cycles, schemes and characteristics of thermotransformers. - M.: Energy, 1979, p. 68-75, Fig. 4.1) , to create an engine with the highest achievable thermodynamic conversion coefficient.
Известны технические решения, позволяющие оптимизировать рабочий цикл такого двигателя, наиболее известным из которых является двигатель Стирлинга, см., например, Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей// Под общей ред. А.С. Орлина. - М.: Машиностроение, 1990, с. 23-28, рис. 13. Из наиболее известных более совершенна конструкция двигателя фирмы Филипс этого типа, представленная в этой же книге на с. 277-279, рис. 191.Known technical solutions to optimize the duty cycle of such an engine, the most famous of which is the Stirling engine, see, for example, Internal Combustion Engines. The design and operation of piston and combined engines // Ed. A.S. Orlin. - M.: Mechanical Engineering, 1990, p. 23-28, fig. 13. Of the most famous, the more perfect design of the Philips engine of this type, presented in the same book on p. 277-279, fig. 191.
Однако это техническое решение не получило пока широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного со сложностью конструкции, закрытой фирменной технологией. Кроме того, этот двигатель имеет сложную систему рекуперации тепла, требует создания в рабочей камере высокого давления.However, this technical solution has not yet received wide distribution due to its significant drawback associated with the complexity of the design, closed proprietary technology. In addition, this engine has a complex heat recovery system and requires the creation of a high pressure in the working chamber.
Известны также технические решения, позволяющие использовать энергию водяного пара при простой и надежной в эксплуатации конструкции, см., например, Польгаузен А. Поршневые паровые машины. - М.-Л.: Энергоиздат, 1932, с. 331, 332, фиг. 329, 330. Описанные в этом источнике паровые поршневые машины работали от внешнего парогенератора, который мог потреблять любой вид топлива, были оборудованы золотниковым парораспределителем с осевым регулятором, могли устанавливаться без монтажа, практически без фундамента и при малой мощности работали без конденсатора со сбросом отработанного пара в атмосферу. Все это делало такую машину доступной широкому кругу потребителей, в том числе и мелким хозяйствам.Technical solutions are also known that make it possible to use the energy of water vapor with a simple and reliable design, see, for example, Polhausen A. Piston steam engines. - M.-L .: Energoizdat, 1932, p. 331, 332, FIG. 329, 330. The steam piston machines described in this source operated from an external steam generator that could consume any type of fuel, were equipped with a slide valve with an axial regulator, could be installed without installation, practically without a foundation, and at low power worked without a condenser with exhaust steam discharge in atmosphere. All this made such a machine accessible to a wide range of consumers, including small farms.
Однако эти машины были недостаточно совершенны, их удельная мощность была очень мала, а эффективность использования энергии очень низка, что послужило причиной вытеснения этих машин с рынка более совершенной техникой.However, these machines were not perfect enough, their specific power was very small, and the energy efficiency was very low, which caused these machines to be squeezed out of the market by more advanced technology.
Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности признаков является Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и установка для осуществления способа по патенту РБ № 2876 от 25 февраля 1999 г., принятый автором за прототип заявляемых способа и устройства.Of the known technical solutions, the closest object to the claimed one in terms of features is the Method of converting thermal energy into mechanical work and installation for implementing the method according to the patent of RB No. 2876 of February 25, 1999, adopted by the author for the prototype of the claimed method and device.
Принятый за прототип объект в части способа представляет собой способ работы парового двигателя, заключающийся в нагреве рабочего тела от внешнего источника тепла, подаче заданного количества жидкости в полость рабочего цилиндра двигателя, в испарении жидкости и в преобразовании тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию с помощью движущегося в рабочем цилиндре поршня.The object adopted as a prototype in terms of the method is a method of operating a steam engine, which consists in heating the working fluid from an external heat source, supplying a predetermined amount of liquid to the cavity of the working cylinder of the engine, evaporating the liquid, and converting the thermal energy of the working fluid into mechanical energy using a moving in the piston working cylinder.
Принятый за прототип способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования подводимой энергии.Adopted for the prototype method provides a relatively high conversion efficiency of the input energy.
Однако высокая эффективность цикла в прототипе достигается за счет применения специальной легкокипящей жидкости и осуществления податмосферного цикла с образованием вакуума в конденсаторе, что приводит к проблеме обеспечения повышенной плотности контура рабочего тела.However, the high efficiency of the cycle in the prototype is achieved through the use of a special low-boiling liquid and the implementation of the sub-atmospheric cycle with the formation of a vacuum in the condenser, which leads to the problem of providing an increased density of the working fluid circuit.
Принятый за прототип объект в части устройства представляет собой паровой двигатель, содержащий нагревательное устройство, контур рабочего тела, включающий размещенный в нагревательном устройстве рабочий цилиндр, снабженный подвижным поршнем, механизм для превращения движения поршня в механическую энергию, систему управления и клапаны.The object adopted as a prototype in the device part is a steam engine containing a heating device, a working fluid circuit including a working cylinder located in the heating device, equipped with a movable piston, a mechanism for converting piston movement into mechanical energy, a control system and valves.
Установка, принятая за прототип, использует источники тепла в очень широком диапазоне и регулируется в широком диапазоне нагрузок.The installation adopted as a prototype uses heat sources in a very wide range and is regulated in a wide range of loads.
Однако эти ее преимущества достигаются за счет использования вакуума, создаваемого в конденсаторе, что усложняет конструкцию последнего, требует обеспечения полной герметичности всех элементов контура рабочего тела.However, its advantages are achieved through the use of a vacuum created in the capacitor, which complicates the design of the latter, requires the complete tightness of all elements of the working fluid circuit.
Задачей предлагаемого изобретения является создание энергопреобразующей установки более конкурентоспособной в условиях рыночной структуры и появления спроса на машины в широком диапазоне мощностей, простых, надежных в эксплуатации, потребляющих любой вид тепловой энергии с повышенной экономичностью, для чего необходимо расширить технологические возможности известной установки, обеспечив работу двигателя на традиционных рабочих телах, например, таких как вода.The objective of the invention is to create an energy-converting installation more competitive in a market structure and the emergence of demand for cars in a wide range of capacities, simple, reliable in operation, consuming any type of thermal energy with increased efficiency, for which it is necessary to expand the technological capabilities of the known installation, ensuring the engine on traditional working fluids, such as water.
В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в расширении номенклатуры рабочих тел, принятых за прототип способа и установки, создании двигателя, работающего на водяном паре, кроме того, задачей изобретения является повышение полноты использования преобразуемой энергии в механическую работу, т.е. повышении экономичности установки.As a result of solving this problem, a new technical result was achieved, consisting in expanding the range of working fluids adopted as a prototype of the method and installation, creating a steam engine, in addition, the object of the invention is to increase the completeness of the use of converted energy in mechanical work, i.e. . increase the efficiency of the installation.
Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа работы паровогоThis technical result is achieved by the fact that when implementing the method of operation of steam
- 1 023624 двигателя, заключающегося в нагреве жидкости от внешнего источника тепла, подаче заданного количества жидкости в полость рабочего цилиндра двигателя, в испарении жидкости и в преобразовании тепловой энергии образовавшегося пара в механическую энергию движения поршня, согласно изобретению, количество подаваемой в рабочий цилиндр жидкости регулируют в зависимости от положения поршня рабочего цилиндра, обеспечивая кипение и испарение жидкости в рабочем цилиндре, кроме того, конденсацию пара рабочего тела ведут во втором дополнительном цилиндре двигателя, регулируя скорости движения первого и второго поршней и перераспределяя между ними механическую энергию.- 1,023,624 of the engine, which consists in heating the liquid from an external heat source, supplying a predetermined amount of liquid to the cavity of the working cylinder of the engine, evaporating the liquid and converting the thermal energy of the generated steam into mechanical energy of the piston, according to the invention, the amount of liquid supplied to the working cylinder depending on the position of the piston of the working cylinder, providing boiling and evaporation of liquid in the working cylinder, in addition, the condensation of the vapor of the working fluid is carried out in the second flax cylinder of the engine by adjusting the movement speed of the first and second pistons and redistributing mechanical energy therebetween.
Для осуществления такого способа в паровом двигателе, содержащем контур рабочего тела, включающий теплоизолированное нагревательное устройство для нагрева жидкости, размещенный в нагревательном устройстве рабочий цилиндр с поршнем, приводимым в движение с помощью привода, первый и второй клапаны и систему управления клапанами, согласно изобретению, установлена система управления клапанами снабженная датчиком положения поршня и регулятором расхода жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр, соединенным с датчиком положения поршня и с приводами клапанов, при этом в нагревательном устройстве установлен первый дополнительный цилиндр с подпружиненным поршнем, предназначенным для нагрева жидкости до температуры кипения и полость которого соединена с надпоршневой полостью рабочего цилиндра через первый клапан. Кроме того, двигатель оборудован вторым дополнительным теплоизолированным цилиндром с поршнем и предназначенным для конденсации пара, устройством для регулирования скорости движения поршня рабочего цилиндра и устройством для регулирования скорости движения поршня второго дополнительного цилиндра, причем поршни рабочего и второго дополнительного цилиндра соединены между собой через устройства для регулирования скоростей движения этих поршней.To implement this method, in a steam engine containing a working fluid circuit, including a thermally insulated heating device for heating liquid, a working cylinder with a piston driven by a drive, a first and second valves and a valve control system according to the invention are installed in the heating device valve control system equipped with a piston position sensor and a regulator of the flow rate of fluid supplied to the working cylinder, connected to the piston position sensor and with valve actuators, in this case, the first additional cylinder with a spring-loaded piston is installed in the heating device, which is designed to heat the liquid to the boiling point and the cavity of which is connected to the over-piston cavity of the working cylinder through the first valve. In addition, the engine is equipped with a second additional heat-insulated cylinder with a piston and intended for condensation of steam, a device for controlling the speed of movement of the piston of the working cylinder and a device for controlling the speed of the piston of the second additional cylinder, and the pistons of the working and second additional cylinder are interconnected via control devices the speeds of these pistons.
Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что количество подаваемой в рабочий цилиндр жидкости регулируют в зависимости от положения поршня рабочего цилиндра и с получением в конце хода поршня насыщенного пара за счет указанного регулирования.A distinctive feature of the proposed method is that the amount of fluid supplied to the working cylinder is regulated depending on the position of the piston of the working cylinder and obtaining saturated steam at the end of the stroke of the piston due to said regulation.
Это позволяет осуществить в цикле изотермический подвод тепла, наиболее экономичный из известных.This makes it possible to carry out an isothermal heat supply in a cycle, the most economical of which is known.
Другой отличительной особенностью заявляемого способа является то, что конденсацию пара осуществляют во втором дополнительном цилиндре двигателя, регулируя скорости движения поршней рабочего и второго дополнительного цилиндра таким образом, чтобы перераспределить между этими поршнями механическую энергию их движения с обеспечением за счет этого регулирования изохорического процесса конденсации пара.Another distinctive feature of the proposed method is that steam condensation is carried out in the second additional cylinder of the engine, regulating the speeds of the pistons of the working and second additional cylinders in such a way as to redistribute the mechanical energy of their movement between these pistons, thereby ensuring the isochoric process of steam condensation.
Это позволяет свести к минимуму отвод тепловой энергии, полученной от источника тепла в окружающую среду, что также повышает экономичность.This allows to minimize the removal of thermal energy received from the heat source into the environment, which also increases efficiency.
Заявляемый способ осуществления цикла паровой машины позволяет использовать в качестве рабочего тела воду, что повышает его экологичность.The inventive method of implementing a cycle of a steam engine allows you to use water as a working fluid, which increases its environmental friendliness.
По законам термодинамики величина работы определяется работой цикла рабочего тела, т.е. количеством тепла, поступающего в цикл от его источника, а экономичность - количеством тепла, уходящего в окружающую среду. При использовании воды в качестве рабочего тела можно увеличить температуру источника тепла, как это делается в известных паросиловых установках, при этом за счет теплотехнических характеристик воды достигаются высокие удельные показатели машины.According to the laws of thermodynamics, the magnitude of the work is determined by the work of the cycle of the working fluid, i.e. the amount of heat entering the cycle from its source, and profitability - the amount of heat leaving the environment. When using water as a working fluid, it is possible to increase the temperature of the heat source, as is done in the well-known steam-powered plants, while due to the thermal characteristics of the water, high specific performance of the machine is achieved.
Цикл, осуществляемый в заявляемом способе, может быть реализован как близкий к циклу Карно, при котором достигается максимальная работа, так и близкий к циклу Лоренца, при котором достигается максимальная экономичность. При расширении рабочего тела сначала по изотерме, а затем по адиабате (при конденсации пара традиционным способом - в конденсаторе), и при сжатии по изотерме, а затем по адиабате, реализуется цикл Карно. Это обеспечивает высокую термодинамическую эффективность процесса превращения энергии. Однако экономичность цикла Карно уступает циклу Лоренца, а заявляемый способ позволяет реализовать и этот цикл за счет отвода энергии рабочего тела по изохоре.The cycle carried out in the inventive method can be implemented as close to the Carnot cycle, which achieves maximum work, and close to the Lorentz cycle, which achieves maximum efficiency. When the working fluid expands, first along the isotherm, and then along the adiabat (in the case of steam condensation in the traditional way, in the condenser), and upon compression along the isotherm, and then along the adiabat, the Carnot cycle is realized. This provides high thermodynamic efficiency of the energy conversion process. However, the efficiency of the Carnot cycle is inferior to the Lorentz cycle, and the inventive method allows to realize this cycle by diverting the energy of the working fluid along the isochore.
Таким образом, особенности заявляемого способа увеличивают экономичность двигателя и позволяют использовать в качестве рабочего тела воду.Thus, the features of the proposed method increase the efficiency of the engine and allow the use of water as a working fluid.
Отличительной особенностью заявляемого парового двигателя является то, что система управления клапанами снабжена датчиком положения поршня и регулятором расхода жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр, соединенным с датчиком положения поршня и с приводами клапанов.A distinctive feature of the inventive steam engine is that the valve control system is equipped with a piston position sensor and a regulator of fluid flow supplied to the working cylinder connected to the piston position sensor and valve actuators.
Такое решение позволяет при подаче в рабочий цилиндр нагретой жидкости, обеспечить ее кипение и испарение при постоянной температуре, причем такое регулирование подачи жидкости позволяет получить в конце хода поршня насыщенный пар и тем самым наиболее полно использовать объем цилиндра при подводе энергии в рабочий контур.This solution allows for the supply of heated liquid to the working cylinder to ensure its boiling and evaporation at a constant temperature, and such a regulation of the liquid supply allows saturated steam to be obtained at the end of the piston stroke and thereby fully utilize the cylinder volume when supplying energy to the working circuit.
Другой отличительной особенностью является то, что в нагревательном устройстве установлен первый дополнительный цилиндр, который имеет подпружиненный поршень, предназначен для нагрева жидкости до температуры кипения и полость которого соединена с надпоршневой полостью рабочего цилиндра через первый клапан. Это позволяет не только компенсировать изменение объема рабочего тела при реализации термодинамических процессов в контуре, но и обеспечивает достижение температуры кипения жидкости на входе в рабочий цилиндр двигателя при любых колебаниях или измененияхAnother distinctive feature is that the first additional cylinder is installed in the heating device, which has a spring-loaded piston, designed to heat the liquid to a boiling point and the cavity of which is connected to the piston cavity of the working cylinder through the first valve. This allows not only to compensate for the change in the volume of the working fluid during the implementation of thermodynamic processes in the circuit, but also ensures the achievement of the boiling point of the liquid at the inlet to the working cylinder of the engine with any fluctuations or changes
- 2 023624 его нагрузки, что улучшает эксплуатационные характеристики.- 2 023624 of its load, which improves operational characteristics.
Еще одной отличительной особенностью является то, что двигатель оборудован вторым дополнительным теплоизолированным цилиндром, имеющим поршень и предназначенным для конденсации пара, устройством для регулирования скорости движения поршня рабочего цилиндра и устройством для регулирования скорости движения поршня второго дополнительного цилиндра, причем поршни рабочего и второго дополнительного цилиндра соединены между собой через устройства для регулирования скоростей движения этих поршней. Это позволяет реализовать отвод энергии от конденсируемого рабочего тела по изохоре и тем самым снизить потери энергии в окружающую среду.Another distinctive feature is that the engine is equipped with a second additional thermally insulated cylinder having a piston and designed to condense steam, a device for controlling the speed of the piston of the working cylinder and a device for controlling the speed of the piston of the second additional cylinder, and the pistons of the working and second additional cylinder are connected between each other through devices for controlling the speeds of these pistons. This allows you to implement the energy transfer from the condensed working fluid along the isochore and thereby reduce energy loss to the environment.
Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом улучшают экономические и экологические характеристики двигателя, повышают его конкурентоспособность.Thus, the above distinctive features of the claimed invention in comparison with the prototype improve the economic and environmental characteristics of the engine, increase its competitiveness.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема двигателя, работающего по заявляемому способу при реализации цикла Карно.In FIG. 1 presents a schematic diagram of an engine operating according to the claimed method in the implementation of the Carnot cycle.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема двигателя, работающего по заявляемому способу при реализации цикла Лоренца.In FIG. 2 presents a schematic diagram of an engine operating according to the claimed method when implementing the Lorentz cycle.
На фиг. 3 изображена Т-δ диаграмма цикла, осуществляемого в двигателе, приведенном на фиг. 2.In FIG. 3 is a T-δ diagram of the cycle carried out in the engine of FIG. 2.
Вариант двигателя для осуществления способа при реализации цикла Лоренца представлен схемой на фиг. 2. В этом случае паровой двигатель содержит контур циркуляции рабочего тела 2, включающий теплоизолированное нагревательное устройство 1 для нагрева жидкости, размещенный в нагревательном устройстве рабочий цилиндр 3 с поршнем 4, приводимым в движение с помощью приводов 13, 14, первый 9 и второй 10 клапаны и систему 8 управления клапанами.A variant of the engine for implementing the method when implementing the Lorentz cycle is represented by the circuit in FIG. 2. In this case, the steam engine contains a circulation circuit of the working fluid 2, including a thermally insulated heating device 1 for heating the liquid, a working cylinder 3 with a piston 4, which is driven by actuators 13, 14, the first 9 and second 10 valves, placed in the heating device and valve control system 8.
Система 8 управления клапанами снабжена датчиком 12 положения поршня и регулятором 11 расхода жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр 3, соединенным с датчиком 12 положения поршня и с приводами 13, 14 клапанов 9, 10.The valve control system 8 is equipped with a piston position sensor 12 and a fluid flow regulator 11 supplied to the working cylinder 3, connected to the piston position sensor 12 and to the actuators 13, 14 of the valves 9, 10.
Нагревательное устройство 1 снабжено первым дополнительным цилиндром 15, который имеет подпружиненный поршень, предназначен для нагрева жидкости до температуры кипения и полость которого соединена с надпоршневой полостью рабочего цилиндра 3 через первый клапан 9.The heating device 1 is equipped with a first additional cylinder 15, which has a spring-loaded piston, designed to heat the liquid to a boiling point and the cavity of which is connected to the supra-piston cavity of the working cylinder 3 through the first valve 9.
Паровой двигатель оборудован вторым дополнительным теплоизолированным цилиндром 18, имеющим поршень 19 и предназначенным для конденсации пара, устройством 21 для регулирования скорости движения поршня 4 рабочего цилиндра 3 и устройством 22 для регулирования скорости, движения поршня 19 второго дополнительного цилиндра 18, причем поршень 4 рабочего цилиндра 3 и поршень 19 второго дополнительного цилиндра 18 соединены между собой через устройства 21 и 22 для регулирования скоростей движения поршней 4 и 19.The steam engine is equipped with a second additional thermally insulated cylinder 18 having a piston 19 and designed for condensation of steam, a device 21 for controlling the speed of the piston 4 of the working cylinder 3 and a device 22 for controlling speed, the movement of the piston 19 of the second additional cylinder 18, and the piston 4 of the working cylinder 3 and the piston 19 of the second additional cylinder 18 are interconnected via devices 21 and 22 for controlling the speeds of the pistons 4 and 19.
Второй дополнительный цилиндр 18 снабжен клапаном 23, который через устройство 24 подключен к системе 8 управления клапанами и клапаном 25, который выполнен прямого действия. Для контроля положения поршня 19 установлен датчик 26 соединенный с системой 8 управления клапанами.The second additional cylinder 18 is equipped with a valve 23, which through the device 24 is connected to the valve control system 8 and a valve 25, which is made direct action. To monitor the position of the piston 19, a sensor 26 is installed connected to the valve control system 8.
Для накапливания энергии служит маховик 6, а для передачи ее потребителю - вал 7.The flywheel 6 serves to accumulate energy, and the shaft 7 serves to transfer it to the consumer.
Вариант двигателя для осуществления способа, при реализации цикла Карно, представлен схемой на фиг. 1. В этом случае двигатель оборудован, кроме как упомянутыми выше и приведенными под одинаковыми позициями на фиг. 1 и 2 элементами, конденсатором 16, снабженным охлаждением, и насосом 17.A variant of the engine for implementing the method, when implementing the Carnot cycle, is represented by the circuit in FIG. 1. In this case, the engine is equipped, except as mentioned above and given under the same positions in FIG. 1 and 2 elements, a condenser 16 provided with cooling, and a pump 17.
На фиг. 3 изображена Т-δ диаграмма цикла, для представленного на фиг. 2 варианта двигателя. Точка а изображает параметры во втором дополнительном цилиндре 18 в конце его хода сжатия при закрытом еще клапане 25 (выход из конденсатора 16 и вход в насос 17 на фиг. 1), точка б - вход в первый дополнительный цилиндр 15 (выход из цилиндра 18 при открытом клапане 25), точка в - выход из первого дополнительного цилиндра 15 (параметры перед клапаном 9), точка г - параметры перед клапаном 10 при полном ходе расширения поршня 4 (на выходе из рабочего цилиндра 3), точка д - параметры во втором дополнительном цилиндре 18 перед окончанием хода сжатия (теоретически, в случае полной конденсации пара во втором цилиндре точки д и а могут совпасть).In FIG. 3 shows a T-δ cycle diagram for the one shown in FIG. 2 engine options. Point a depicts the parameters in the second additional cylinder 18 at the end of its compression stroke with the valve 25 still closed (exit from the condenser 16 and entrance to the pump 17 in Fig. 1), point b - entrance to the first additional cylinder 15 (exit from cylinder 18 at open valve 25), point c is the exit from the first additional cylinder 15 (parameters in front of the valve 9), point g is the parameters in front of the valve 10 with the full expansion of the piston 4 (at the exit of the working cylinder 3), point e is the parameters in the second additional cylinder 18 before the end of the compression stroke (theoretically, the case of complete steam condensation in the second cylinder and a point d are matched).
На фиг. 1 изображен двигатель, работающий по такому же циклу, как и в прототипе, при этом вход в конденсатор 16 происходит после дросселирования пара в клапане 10, происходящем по адиабате. Т-δ диаграмма у этого двигателя такая же, как и у прототипа.In FIG. 1 shows an engine operating in the same cycle as in the prototype, with the entrance to the capacitor 16 after throttling the steam in the valve 10, which takes place on the adiabat. The T-δ diagram for this engine is the same as for the prototype.
Линия а-б отображает сжатие жидкости, линия б-в соответствует нагреву жидкости, находящейся в первом дополнительном цилиндре, линия в-г отображает кипение и испарение жидкости в рабочем цилиндре, линия г-д - конденсацию пара во втором дополнительном цилиндре.Line a-b shows the compression of the liquid, line b-c corresponds to the heating of the liquid in the first additional cylinder, line c-d shows the boiling and evaporation of the liquid in the working cylinder, line g-d shows the condensation of steam in the second additional cylinder.
Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в механическую работу осуществляется следующим образом.The inventive method of converting thermal energy into mechanical work is as follows.
Для приведения установки в исходное состояние ее заполняют рабочим телом - водой. При этом жидкость накапливается в первом дополнительном цилиндре 15.To bring the installation to its original state, it is filled with a working fluid - water. When this liquid accumulates in the first additional cylinder 15.
Первичную энергию система получает от внешнего источника тепла, например, сжигая в нагревательном устройстве 1 какое-либо топливо. За счет тепла жидкость в первом дополнительном цилиндре 15 достигает параметров точки в (см. фиг. 3), при этом открывается клапан 9 и жидкость начинает по- 3 023624 ступать в надпоршневую полость рабочего цилиндра 3 при движении поршня 4 вниз. Так как объем надпоршневого пространства (рабочий объем) цилиндра 3 увеличивается за счет кипения и испарения жидкости, и за счет постоянного подвода тепла к цилиндру 3, процесс ее расширения происходит по линии в-гThe system receives primary energy from an external heat source, for example, by burning some fuel in the heating device 1. Due to the heat, the fluid in the first additional cylinder 15 reaches the parameters of point B (see Fig. 3), while the valve 9 opens and the fluid begins to enter the supra-piston cavity of the working cylinder 3 when the piston 4 moves down. Since the volume of the over-piston space (working volume) of the cylinder 3 increases due to boiling and evaporation of the liquid, and due to the constant supply of heat to the cylinder 3, the process of its expansion occurs along the line
Поступающая в цилиндр 3 испаряющаяся жидкость давит на поршень 4 и с помощью механизма 5 механическая энергия передается на вал 7, запасается в раскрученном маховике 6 и (или) передается потребителю.The evaporating liquid entering the cylinder 3 presses on the piston 4 and, using the mechanism 5, mechanical energy is transmitted to the shaft 7, stored in the untwisted flywheel 6 and (or) transmitted to the consumer.
Количество подаваемой в рабочий цилиндр 3 жидкости при этом регулируют с помощью клапана 9, привод 13 которого подключен к регулятору расхода жидкости 11 системы управления клапанами 8, в зависимости от положения поршня 4, которое контролируют датчиком 12 таким образом, чтобы при подходе поршня 4 к нижней мертвой точке вся поступившая в цилиндр жидкость превратилась в пар (точка г на фиг. 3).The amount of fluid supplied to the working cylinder 3 is controlled by a valve 9, the actuator 13 of which is connected to a fluid flow regulator 11 of the valve control system 8, depending on the position of the piston 4, which is controlled by the sensor 12 so that when the piston 4 approaches the lower dead point, all the liquid entering the cylinder turned into steam (point r in Fig. 3).
Затем, при осуществлении цикла Карно (см. фиг. 1), в точке г открывают клапан 10 и при движении поршня 4 вверх сбрасывают отработанный пар в конденсатор 16, в котором пар конденсируют за счет отвода тепла в окружающую среду, а образующийся конденсат с помощью насоса 17 направляют в первый дополнительный цилиндр 15, где жидкость нагревается до верхних параметров, замыкая, таким образом, цикл. При этом тепло, отводимое в конденсаторе, теряется, хотя количество работы цикла (площадь Т-δ диаграммы) при тех же параметрах цикла получается больше.Then, during the Carnot cycle (see Fig. 1), at the point r open the valve 10 and when the piston 4 moves upward, the exhaust steam is discharged into the condenser 16, in which the steam is condensed by heat removal to the environment, and the condensate formed using the pump 17 is sent to the first additional cylinder 15, where the liquid is heated to the upper parameters, thus closing the cycle. In this case, the heat removed in the condenser is lost, although the amount of cycle work (the area of the T-δ diagram) with the same cycle parameters is greater.
При осуществлении цикла Лоренца (см. фиг. 2) в точке г открывают и клапан 10 и клапан 23 (поршень 19 должен находиться в своей верхней мертвой точке - на фиг. 2 - это крайнее нижнее положение), в этом случае, при движении поршня 4 вверх поршень 19 также движется вверх (по изображенной на фиг. 2 схеме). Надпоршневое пространство (рабочий объем) цилиндра 3 уменьшается, а подпоршневое пространство (рабочий объем) цилиндра 18 увеличивается, пар из цилиндра 3 давит на поршень 19, от которого с помощью механизма 20 отводят механическую энергию на вал 7. Происходит дальнейшее расширение пара по изохоре г-д, при этом за счет отвода энергии пар конденсируется, отводимая энергия превращается в механическую работу, что исключает потери тепла в окружающую среду, увеличивая тем самым эффективность использования энергии, подводимой к рабочему телу (жидкости) двигателя в устройстве 1.In the implementation of the Lorentz cycle (see Fig. 2) at point r, both valve 10 and valve 23 are opened (piston 19 should be at its top dead center - in Fig. 2 this is the lowest position), in this case, when the piston moves 4 upward, the piston 19 also moves upward (according to the diagram shown in FIG. 2). The under-piston space (working volume) of the cylinder 3 decreases, and the under-piston space (working volume) of the cylinder 18 increases, the steam from the cylinder 3 presses on the piston 19, from which mechanical energy is transferred to the shaft 7 using the mechanism 20. Further expansion of the steam occurs along the isochore -d, at the same time, due to the removal of energy, the steam condenses, the extracted energy is converted into mechanical work, which eliminates heat loss to the environment, thereby increasing the efficiency of the use of energy supplied to the working fluid (liquid minute) of the engine 1 in the apparatus.
Конденсация пара в цилиндре 18 вызывает необходимость согласовывать скорости движения поршней 4 и 19, что и осуществляют с помощью системы управления клапанами 8, которая воздействует на поршни 4 и 19 через соответствующие приводы 21 и 22. Регулирование осуществляют регулятором расхода жидкости 11 по сигналам от датчиков 12 и 26.Steam condensation in the cylinder 18 makes it necessary to coordinate the speeds of the pistons 4 and 19, which is done using the valve control system 8, which acts on the pistons 4 and 19 through the corresponding actuators 21 and 22. Regulation is performed by the fluid flow regulator 11 according to the signals from the sensors 12 and 26.
Механическая энергия, поступающая на вал 7 от поршня 19, поступает не только к маховику 6 или потребителю, но и передается поршню 4, обеспечивая тем самым осуществления процесса рабочего тела в цилиндрах 3 и 18 по изохоре. Теплоизоляция цилиндра 18 уменьшает при этом потери тепла в окружающую среду.The mechanical energy supplied to the shaft 7 from the piston 19 is supplied not only to the flywheel 6 or to the consumer, but is also transmitted to the piston 4, thereby ensuring the implementation of the working fluid process in cylinders 3 and 18 by isochore. The thermal insulation of the cylinder 18 reduces the heat loss to the environment.
При достижении поршнем 4 верхней мертвой точки клапаны 10 и 23 закрывают (поршень 19 при этом достигает своей нижней мертвой точки - на фиг. 2 изображенное верхнее положение) и при движении поршня 19 к верхней мертвой точке (вниз по схеме) регулируют его скорость таким образом, чтобы закончить конденсацию пара в цилиндре 18 по изохоре. В конце хода поршня 19 в цилиндре 18 оказывается жидкость (точка д, совпадающая на фиг. 3 с точкой а), и при дальнейшем его движении жидкость выдавливается через обратный клапан 25 в первый дополнительный цилиндр 15 (линия а-б на фиг. 3), в котором жидкость нагревается до верхних параметров (линия б-в), замыкая цикл.When the piston 4 reaches the top dead center, the valves 10 and 23 are closed (the piston 19 at the same time reaches its bottom dead center - the upper position is shown in Fig. 2) and when the piston 19 moves to the top dead center (down the diagram), its speed is controlled in such a way to complete the condensation of the vapor in cylinder 18 at isochore. At the end of the stroke of the piston 19, a liquid appears in cylinder 18 (point e, which coincides with point a in Fig. 3), and with its further movement, the liquid is squeezed out through the check valve 25 into the first additional cylinder 15 (line a-b in Fig. 3) , in which the liquid is heated to the upper parameters (line b-c), closing the cycle.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличить экономичность использования первичного тепла, подводимого в контур 2 двигателя в нагревательном устройстве 1, по сравнению с установкой, принятой за прототип.Thus, the claimed device allows to increase the efficiency of using primary heat supplied to the circuit 2 of the engine in the heating device 1, compared with the installation adopted for the prototype.
При этом заявляемая установка может быть реализована в двух вариантах, работающих с максимальным получением полезной работы, или с максимальным использованием тепла при одних и тех же параметрах цикла, причем в качестве рабочего тела может быть использована вода, что обеспечивает высокую экологичность двигателя.At the same time, the inventive installation can be implemented in two versions, working with the maximum obtaining useful work, or with the maximum use of heat with the same cycle parameters, moreover, water can be used as a working fluid, which ensures high environmental friendliness of the engine.
Установка становится более конкурентоспособной в условиях рыночной структуры и появления спроса на машины в широком диапазоне мощностей, простые, надежные в эксплуатации и потребляющие любой вид тепловой энергии, что немаловажно при постоянном удорожании энергоресурсов, т.к. позволяет использовать в качестве источников тепла местные ресурсы.The installation becomes more competitive in the context of the market structure and the emergence of demand for cars in a wide range of capacities, simple, reliable in operation and consuming any type of thermal energy, which is important when the energy costs are constantly increasing, because allows you to use local resources as heat sources.
- 4 023624- 4 023624
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201200667A EA023624B1 (en) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | Steam engine and its operating method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201200667A EA023624B1 (en) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | Steam engine and its operating method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201200667A1 EA201200667A1 (en) | 2013-09-30 |
| EA023624B1 true EA023624B1 (en) | 2016-06-30 |
Family
ID=49232854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201200667A EA023624B1 (en) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | Steam engine and its operating method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA023624B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018080415A1 (en) * | 2016-10-24 | 2018-05-03 | Anthony Michael Mark | Thermal engine for use with noncombustible fuels |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU2308A1 (en) * | 1923-09-07 | 1924-09-15 | М.П. Савельев | Internal combustion engine with hot water spray and condensation |
| RU2022147C1 (en) * | 1992-01-31 | 1994-10-30 | Евгений Глебович Шадек | External combution engine and method of its operation |
| RU94037887A (en) * | 1994-09-07 | 1996-08-10 | М.М. Украинко | Method and device for converting heat into mechanical work |
| US20100288248A1 (en) * | 2007-10-31 | 2010-11-18 | Morrison Thomas A | Hybrid engine |
-
2012
- 2012-03-28 EA EA201200667A patent/EA023624B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU2308A1 (en) * | 1923-09-07 | 1924-09-15 | М.П. Савельев | Internal combustion engine with hot water spray and condensation |
| RU2022147C1 (en) * | 1992-01-31 | 1994-10-30 | Евгений Глебович Шадек | External combution engine and method of its operation |
| RU94037887A (en) * | 1994-09-07 | 1996-08-10 | М.М. Украинко | Method and device for converting heat into mechanical work |
| US20100288248A1 (en) * | 2007-10-31 | 2010-11-18 | Morrison Thomas A | Hybrid engine |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018080415A1 (en) * | 2016-10-24 | 2018-05-03 | Anthony Michael Mark | Thermal engine for use with noncombustible fuels |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201200667A1 (en) | 2013-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7603858B2 (en) | Harmonic engine | |
| EP2971619B1 (en) | Closed-cycle plant | |
| CN108350801B (en) | Free piston engine power generation equipment | |
| WO2010104601A1 (en) | Heat engine with regenerator and timed gas exchange | |
| JP2023082139A (en) | Efficient heat recovery engine | |
| Xia et al. | The optimal path of piston motion for Otto cycle with linear phenomenological heat transfer law | |
| WO2010105288A1 (en) | Thermal engine using an external heat source | |
| EA023624B1 (en) | Steam engine and its operating method | |
| US2903862A (en) | Heat transfer and conversion system | |
| US7987670B2 (en) | External combustion engine | |
| WO2008156913A2 (en) | Harmonic engine | |
| KR101623418B1 (en) | stirling engine | |
| US20090044535A1 (en) | Efficient vapor (steam) engine/pump in a closed system used at low temperatures as a better stirling heat engine/refrigerator | |
| RU2806951C1 (en) | Thermal energy conversion system | |
| NO334747B1 (en) | External heater, method of operation of an external heater, a thermodynamic process for operating an external heater, and the use of an external heater and / or a thermodynamic process in the operation of a cogeneration plant. | |
| RU145195U1 (en) | HEAT ELECTRIC STATION | |
| RU2731684C1 (en) | Trigeneration system | |
| RU152295U1 (en) | CRYOGENIC MOTOR UNIT (OPTIONS) | |
| RU2496993C2 (en) | Engine for conversion of thermal energy into mechanical energy | |
| RU146398U1 (en) | HEAT ELECTRIC STATION | |
| RU146342U1 (en) | HEAT ELECTRIC STATION | |
| RU2426912C1 (en) | Procedure for conversion of heat energy into mechanical work | |
| AU2013100064A4 (en) | Rankine cycle with pressure drop Field of the invention The invention relates to methods and means of operation of heat engines generating mechanical work from an external source of heat. | |
| RU146340U1 (en) | HEAT ELECTRIC STATION | |
| RU146396U1 (en) | HEAT ELECTRIC STATION |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |