PL217613B1 - Silnik z gazowym medium roboczym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik z gazowym medium roboczym wykorzystujący zasadę działania silnika Stirlinga i służącym do wytwarzania energii mechanicznej służącej do napędzania maszyn i urządzeń przemysłowych.

W podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów: ciepłego i zimnego w postaci wydrążonego walca, pomiędzy którymi przy ich podstawie znajduje się połączenie. W cylindrach zawarta jest stała ilość gazu. Ponadto w każdym cylindrze jest tłok, wykonujący ruch posuwistozwrotny, który połączony jest z wałem korbowym, tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o ¼ ruchu.

Najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, potem jest przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość i w minimum objętości jest przepompowywany do cylindra ciepłego. Silnik nie wymaga w ogóle spalania - korzysta wyłącznie z różnicy temperatur pomiędzy cylindrami. Istnieje rozwiązanie korzystające z jednego cylindra i akumulatora ciepła. W takim rozwiązaniu jeden z końców cylindra jest zimny, a drugi ciepły.

W silniku Stirlinga gaz roboczy o dużej przewodności i cieple właściwym jak wodór, hel umieszczony w podgrzewanej strefie doznaje wzrostu ciśnienia i przepycha tłok roboczy przekazując mu energię. Następnie tłok nazywany wypornikiem przemieszcza gaz roboczy do strefy chłodzącej, gdzie gaz zmniejsza swoją objętość, cofając tłok roboczy. Osiągi silnika zależą od sprawności i szybkości transferu ciepła przez gaz roboczy oraz od strat mechanicznych. Im większa porcja gazu i pod większym średnim ciśnieniem roboczym umieszczona w przestrzeniach o dużej powierzchni nagrzewania i schładzania tym szybciej i sprawniej przebiega proces przemiany energii.

Z publikacji pt.: „Silniki Stirlinga” Stefan Żmudzki WNT Warszawa 1993 znana jest maszyna Stirlinga wykorzystywana do klimatyzacji i ogrzewania w pomieszczeniu zawierająca dwa wymienniki ciepła, umieszczone w przestrzeni rozprężania o niższej temperaturze i w przestrzeni sprężania o wyższej temperaturze. Wspólny mechanizm roboczy napędza dwa tłoki pracujące w cylindrach o osiach nachylonych pod kątem. Obie przestrzenie nadtłokowe są ze sobą połączone kanałem łączącym, który utrzymuje w nich jednakowe parametry gazu roboczego. Przestrzeń sprężania tłoka jest połączona z przestrzenią rozprężania drugiego cylindra poprzez zespół wymienników ciepła właściwy silnikowi Stirlinga, to jest nagrzewnicę wysokotemperaturową, regenerator i chłodnicę. Elementy te umożliwiają wykonanie pracy użytecznej przez jeden tłok, która jest przekazywana na drugi tłok. W wyniku dostarczenia mocy z zewnątrz do napędu maszyny Stirlinga, w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, w czasie rozprężania gazu roboczego w przestrzeni rozprężania zachodzi przejmowanie ciepła w umieszczonym tam wymienniku ciepła z atmosfery za pośrednictwem czynnika obiegowego. Natomiast w czasie sprężania gazu roboczego w przestrzeni sprężania następuje przekazywanie ciepła w wymienniku do czynnika obiegowego ogrzewającego określone pomieszczenie. Wariantowe przełączenie obiegów czynników pośrednich pozwala przykładowo na ochłodzenie pomieszczenia w okresie letnim. Wówczas ze środowiskiem atmosferycznym współpracuje wymiennik z przestrzeni sprężania, a z pomieszczeniem chłodzonym wymiennik z przestrzeni rozprężania.

Silnik z gazowym medium roboczym wykorzystujący różnicę temperatur, według wynalazku składa się z co najmniej jednej dwustronnie zamkniętej rury która ma obustronnie spłaszczone boki, a dla ciepła tworzą stronę ciepłą natomiast zaokrąglone boki od strony zewnętrznej tworzą stronę zimną przy czym wewnątrz rury na obu jej końcach obrotowo do wałów wykorbionych zamocowany jest wypornik wykonujący ruchy koliste, który zbudowany jest w formie zamkniętej stałej bryły lub z siatki wypełnionej wełną mineralną, a dolna przestrzeń robocza rury połączona jest z cylindrem wewnątrz którego znajduje się tłok napędzający główny wał wykorbiony. Wykorbione wały napędzane łańcuchem na kołach zębatych sprzężone są z głównym wałem wykorbionym, na którym znajduje się koło zębate.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na zwiększenie powierzchni grzejnych i chłodzących oraz zmniejszenie oporów mechanicznych. Zmniejszone momenty bezwładnościowe i opory sprawiają, że silnik ten może pracować na niższych różnicach temperatur. Zwiększenie powierzchni grzejnych i chłodzących uzyskano dzięki zmianie kształtu regeneratora mającego spłaszczone boki. Powierzchnie grzejne i chłodzące są po bokach, a nie na końcach cylindrów jak w dotychczas znanych i stosowanych silnikach. Konstrukcja ta pozwala na umieszczanie regeneratorów jeden obok drugiego, co daje możliwość montażu na płaskich powierzchniach np., ścian komory paleniskowej, kotłów lub kanałów spalin itp. Cechy te sprawiają, że silnik ten można zastosować przy istniejących kotłowniach umożliwiając wykorzystanie energii odpadowej i przetwarzać ją w energię elektryczną. Konstrukcja

PL 217 613 B1 silnika może być zastosowana do wytwarzania prądu ze złóż geotermalnych czy z ciepła pary odlotowej z turbin parowych. Kształt ten sprawia również, że silnik staje się bezpieczniejszy. Wraz ze zwiększeniem długości regeneratorów zwiększa się stosunek powierzchni grzejnych i chłodzących do objętości i coraz mniejsze znaczenie mają strefy martwe.

Zmniejszenie oporów mechanicznych uzyskano dzięki temu, że wyporniki wykonują ruchy koliste, a nie posuwisto-zwrotne i są osadzone podwójnie na małych wykorbionych wałach, a więc opory związane z pracą wyporników są oporami na łożyskach i tulejach i dzięki temu silnik może wykorzystywać mniejsze różnice temperatur.

Dalszą zaletą urządzenia jest możliwość wykorzystania dowolnego źródła ciepła jak również i chłodzenia oraz stosowania bardzo cienkich materiałów do wykonania spłaszczonych i zamkniętych rur, co znacznie zmniejsza opory cieplne. Ponadto silnik o tak prostej budowie i wysokiej sprawności sprawia, że możliwe jest budowanie małych systemów niezależnych - mini i mikro elektrociepłowni.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny silnika składającego się z dwóch spłaszczonych rur w ujęciu schematycznym, a fig. 2 przekrój poprzeczny silnika składający się z szeregu spłaszczonych rur przez ich środek w ujęciu schematycznym.

Silnik z gazowym medium roboczym składa się z dwóch zamkniętych i spłaszczonych rur 1 i 2, których dwa przeciwległe boki 3 są równoległe do siebie, a dwa pozostałe boki są zaokrąglone, przy czym zaokrąglone wewnętrzne boki 4 umieszczone od strony źródła ciepła 5 są stroną ciepłą, a zewnętrzne zaokrąglone boki 6 są stroną zimną. Pomiędzy wewnętrznymi zaokrąglonymi bokami 4 umieszczone jest źródło ciepła 5. Wewnątrz zamkniętych i spłaszczonych rur 1 i 2 na obu ich końcach na łożyskach lub tulejach 7 do wałów wykorbionych 8 zamocowane są wyporniki 9, w kształcie spłaszczonych rur 1 i 2, ale o mniejszych rozmiarach, tak aby mogły przemieszczać gaz roboczy. W yporniki 9 wykonane są w formie zamkniętej stałej bryły lub z siatki wypełnionej wełną mineralną. Spłaszczone rury 1 i 2 wypełnione są gazem roboczym o dużej przewodności.

W dolnej części rur 1 i 2 przestrzeń robocza każdej z nich połączona jest przewodem 10 z cylindrem 11 wewnątrz którego znajduje się tłok 12 napędzający główny wał wykorbiony 13. Wyporniki 9 wykonują ruchy koliste, które wymuszone są przez dwa wykorbione wały 8 napędzane łańcuchem 14 na kołach zębatych 15 sprzężonych z głównym wałem wykorbionym 13. Na głównym wale wykorbionym 13 znajduje się również koło zębate 15 sprzężone łańcuchem 14 z wałami wykorbionymi 8. Energia mechaniczna wytwarzana przez silnik jest przekazywana do urządzenia napędzanego np. generatora energii elektrycznej za pośrednictwem części ruchomych silnika np. wirującego głównego wału wykorbionego 13.

Działanie silnika według wynalazku jest następujące.

Do pracy silnika jest niezbędny ciągły dopływ energii cieplnej w postaci np. spalin, pary wodnej czy paleniska. Czynnik grzewczy 5 umieszczony pomiędzy wewnętrznymi zaokrąglonymi bokami 4 nagrzewając je zwiększa ciśnienie gazu roboczego wewnątrz rury 1 i 2. Wzrost ciśnienia przepycha tłok 12 i przekazuje energie na główny wał wykorbiony 13. Jednocześnie następuje przesunięcie wypornika 9 w stronę powierzchni zimnej, wówczas gaz roboczy jest ochładzany i ciśnienie zmniejsza się powodując powrót tłoka 12. Przesuniecie wałów wykorbionych 8 względem głównego wału wykorbionego 13 jest od 80 - 100°, co zapewnia powtarzalność cyklów pracy.

Silnik jest maszyną odwracalną i może produkować energię mechaniczną wykorzystując różnicę temperatur. Może być maszyną chłodniczą lub grzewczą wykorzystując pracę mechaniczną.

Claims (3)

1. Silnik z gazowym medium roboczym wykorzystujący różnicę temperatur, znamienny tym, że składa się z co najmniej jednej dwustronnie zamkniętej rury /1/, która ma obustronnie spłaszczone boki /3/, a zaokrąglone boki /4/ od strony źródła ciepła /5/ tworzą stronę ciepłą, natomiast zaokrąglone boki /6/ tworzą stronę zimną, przy czym wewnątrz rury na obu jej końcach obrotowo do wałów wykorbionych /8/ zamocowany jest wypornik /9/ wykonujący ruchy koliste, a dolna przestrzeń robocza rury połączona jest z cylindrem /11/ wewnątrz którego znajduje się tłok /12/ napędzający główny wał wykorbiony /13/.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wyporniki /9/ wykonane są w formie zamkniętej stałej bryły lub z siatki wypełnionej wełną mineralną.

PL 217 613 B1

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorbione wały /8/ napędzane łańcuchem /14/ na kołach zębatych /15/ sprzężone są z głównym wałem wykorbionym /13/, na którym znajduje się koło zębate /15/.