PL208882B1 - Sposób wytwarzania energii mechanicznej w silnikach cieplnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii mechanicznej w silnikach cieplnych zwłaszcza w silnikach spalinowych stosowany jako zamiennik obecnie produkowanych silników tłokowych lub turbinowych.

Znane dotychczas silniki spalinowe, mają bardzo niską sprawność ogólną (uzyskana energia mechaniczna/włożonej energii chemicznej): dla silników z zapłonem iskrowym wynosi ona 20-32%, dla silników z zapłonem samoistnym wynosi ona 28-36%, dla silników z zapłonem samoistnym wyposażonych w turbodoładowanie wynosi ona do 40%, dla bardzo dużych silników z zapłonem samoczynnym wyposażonych w turbodoładowanie (np. w silnikach okrętowych) sprawność dochodzi do 50%.

Przyczyną tak niskiej sprawności są ciepłe spaliny wraz z którymi oddawane jest do otoczenia około 29% energii chemicznej zużytego paliwa, oraz chłodnica która oddaje do otoczenia drugie około 32% włożonej energii.

Sposób według wynalazku polega na tym, że gaz roboczy spręża się, podgrzewa się i doprowadza się do urządzenia w którym wskutek rozprężania zamienia się energię cieplną na energię mechaniczną, przy czym doprowadzany gaz ma ciśnienie zbliżone do ciśnienia atmosferycznego pomnożonego przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy procesu rozprężania oraz temperaturę zbliżoną do temperatury otoczenia pomnożonej przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy minus jeden.

Zalety silników cieplnych wykorzystujących sposób według wynalazku to duża sprawność energetyczna. Dwa źródła największych strat energetycznych, jakimi są gorące spaliny i układ chłodzenia w obecnie stosowanych silnikach spalinowych są usunięte. W przypadku silników wykorzystujących sposób według wynalazku gazy wydechowe posiadają ciśnienie i temperaturę otoczenia. Ponieważ dolna temperatura pracy silnika została obniżona silnik według wynalazku nie będzie posiadał lub będzie posiadał układ chłodzenia o znacznie mniejszym strumieniu ciepła emitowanego do otoczenia.

Silnik cieplny składa się z podgrzewacza gazu oraz z cylindra z poruszającym się tłokiem lub z turbiny gazowej. Silnik ten jest zasilany przez źródło gazu o wysokim ciśnieniu. Gaz ma temperatur ę równą lub bliską temperatury otoczenia. Następnie w podgrzewaczu gazu jest on podgrzewany do wysokiej temperatury. Podgrzewaczem gazu może być wymiennik ciepła lub komora spalania w której spalane jest paliwo. Następnie podgrzany gaz jest rozprężany w przemianie politropowej zbliżonej do przemiany adiabatycznej. Podczas rozprężania energia wewnętrzna gazu zamieniana jest na energię mechaniczną. Rozprężenie dokonywane jest w cylindrze z poruszającym się tłokiem lub w turbinie gazowej. Parametry gazu ciśnienie i temperatura przed przemianą rozprężania politropowego są tak dobrane by ciśnienie było zbliżone lub równe ciśnieniu atmosferycznemu pomnożonemu przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy procesu rozprężania zaś temperaturę zbliżoną lub równą temperaturze otoczenia pomnożonej przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy minus jeden. Jeżeli zostaną spełnione te warunki po rozprężeniu temperatura gazu będzie równa lub zbliżona do temperatury otoczenia a ciśnienie gazu po rozprężeniu będzie zbliżone lub równe ciśnieniu atmosferycznemu.

Silnik spalinowy jest szczególnym przypadkiem silnika cieplnego. Silnik spalinowy oparty o silnik cieplny będzie wydzielał spaliny o temperaturze otoczenia. Spaliny takiego silnika będą miały ciśnienie otoczenia. To rozwiązanie obniża temperaturę pracy silnika i nie wymaga stosowania układu chłodzenia. A im bardziej odizolujemy termicznie podgrzewacz i im bardziej odizolujemy termicznie układ rozprężania politropowego tym większą sprawność będzie miał silnik. Jedynie sprężarka gazu zasilającego silnik będzie wydzielała ciepło, niemniej jedna sprawność termodynamiczna takiego układu jest bardzo wysoka i nie będzie dużo się różniła od sprawności ogólnej.

Przedmiot wynalazku objaśniono w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia przykładowy schemat silnika w którym wykorzystano sposób według wynalazku. Powietrze sprężone, zwłaszcza w przemianie zbliżonej do izotermicznej, w sprężarce 1 doprowadza się poprzez zbiornik wysokociśnieniowy 2 do komory spalania 3 w którym spala się paliwo tłoczone ze zbiornika paliwa 5 poprzez pompę paliwa 4, następnie gazy spalinowe o wysokim ciśnieniu i temperaturze podaje się poprzez zawór zasilający 6 do cylindra 7, gdzie zwłaszcza w procesie rozprężania z jak najmniejszą wymianą ciepła z otoczeniem zamienia się energię cieplną spalin na energię mechaniczną, w tym cyklu pracy tłok 8 zbliża się do wału korbowego oraz wydala się spaliny z cylindra poprzez zawór wydechowy 9, w tym cyklu tłok 8 oddala się od wału korbowego.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania energii mechanicznej w silnikach cieplnych, znamienny tym, że gaz roboczy spręża się, podgrzewa się i doprowadza się do urządzenia w którym wskutek rozprężania zamienia się energię cieplną na energię mechaniczną, przy czym doprowadzany gaz ma ciśnienie zbliżone do ciśnienia atmosferycznego pomnożonego przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy procesu rozprężania oraz temperaturę zbliżoną do temperatury otoczenia pomnożonej przez stopień rozprężania podniesiony do wykładnika politropy minus jeden.