EA023624B1 - Паровой двигатель и способ его работы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к паросиловым установкам, к двигателям с внешним подводом тепла, преобразуемым в механическую энергию. Заявляемый паровой двигатель содержит контур циркуляции рабочего тела, включающий теплоизолированное нагревательное устройство для нагрева жидкости, размещенный в нагревательном устройстве рабочий цилиндр с поршнем, приводимым в движение с помощью приводов, первый и второй клапаны и систему управления клапанами, отличается тем, что система управления клапанами снабжена датчиком положения поршня и регулятором расхода жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр, соединенным с датчиком положения поршня и с приводами этих клапанов. Кроме этого, нагревательное устройство снабжено первым дополнительным цилиндром, который имеет подпружиненный поршень, предназначен для нагрева жидкости до температуры кипения и полость которого соединена с надпоршневой полостью рабочего цилиндра через первый клапан. Также 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. 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

Description

Изобретение относится к паросиловым установкам, к двигателям с внешним подводом тепла, преобразуемым в механическую энергию.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Принятый за прототип способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования подводимой энергии.

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.

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.

Установка, принятая за прототип, использует источники тепла в очень широком диапазоне и регулируется в широком диапазоне нагрузок.

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.

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.

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.

Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа работы парового

- 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.

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.

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.

Это позволяет осуществить в цикле изотермический подвод тепла, наиболее экономичный из известных.

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.

Это позволяет свести к минимуму отвод тепловой энергии, полученной от источника тепла в окружающую среду, что также повышает экономичность.

Заявляемый способ осуществления цикла паровой машины позволяет использовать в качестве рабочего тела воду, что повышает его экологичность.

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.

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.

Таким образом, особенности заявляемого способа увеличивают экономичность двигателя и позволяют использовать в качестве рабочего тела воду.

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.

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.

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 изменениях

- 2 023624 его нагрузки, что улучшает эксплуатационные характеристики.

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.

Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом улучшают экономические и экологические характеристики двигателя, повышают его конкурентоспособность.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема двигателя, работающего по заявляемому способу при реализации цикла Карно.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема двигателя, работающего по заявляемому способу при реализации цикла Лоренца.

На фиг. 3 изображена Т-δ диаграмма цикла, осуществляемого в двигателе, приведенном на фиг. 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.

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.

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.

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.

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.

Для накапливания энергии служит маховик 6, а для передачи ее потребителю - вал 7.

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.

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).

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.

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.

Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в механическую работу осуществляется следующим образом.

Для приведения установки в исходное состояние ее заполняют рабочим телом - водой. При этом жидкость накапливается в первом дополнительном цилиндре 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-г

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

- 4 023624

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Паровой поршневой двигатель, содержащий 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, отличающийся тем, что 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).
2. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что 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).
3. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он 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 поршни (4, 19) рабочего (3) и второго дополнительного цилиндра (18) соединены между собой через устройства (21, 22) для регулирования скоростей движения этих поршней (4, 19).
4. 4. Способ работы парового поршневого двигателя по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он включает нагрев жидкости от внешнего источника тепла, ее подачу в полость рабочего цилиндра (3), испарение жидкости и преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию движения поршня (4), при этом количество подаваемой в полость рабочего цилиндра (3) жидкости регулируют в зависимости от положения поршня (4) рабочего цилиндра (3) и с получением в конце хода поршня (4) насыщенного пара за счет указанного регулирования.
5. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что осуществляют конденсацию пара во втором дополнительном цилиндре двигателя (18), регулируя скорости движения поршней (4, 19) рабочего (3) и второго дополнительного цилиндра (18) таким образом, чтобы перераспределить между этими поршнями (4, 19) механическую энергию их движения с обеспечением за счет этого регулирования изохорического процесса конденсации пара.