RU1089U1 - Газовая поршневая машина с внешним теплообменом - Google Patents

Abstract

1. Газовая поршневая машина с внешним теплообменом, содержащая внешний теплообменник, цилиндр с внутренними теплопроводными элементами и поршень с соответствующими им глухими каналами, отличающаяся тем, что она снабжена тепловой камерой, охватывающей большую часть наружной поверхности цилиндра, и тепловыми трубками, соединяющими тепловую камеру с внешним теплообменником, при этом внутренние теплопроводные элементы соединены в тепловом отношении с внутренними стенками цилиндра.2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние теплопроводные элементы выполнены в виде плоскопараллельных пластин.3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плоскопараллельные пластины выполнены с внутренними полостями, покрытыми капиллярно-пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем.4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность цилиндра, охватываемая тепловой камерой, покрыта капиллярно-пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем.5. Машина по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что внутренние полости плоскопараллельных пластин соединены каналами с тепловой камерой.

Description

, / (S

F 02 (J 1/04 Р 0&-в - Е/655

ГАЗОВАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ВНЕШНИМ ТЕПЛООБМЕНОМ

Изобретение относится к машиностроению, а именно - к двигателеотроению, и может быть использовано при создании газовых поршневых машин - двигателей, компрессоров, детандеров и тепловых насосов с внешним теплообменом рабочего газа.

Известны поршневые машины с внешним теплообменом, описанные, в частности, Г.Уокер Машины, работающие по щклу Отирлинга, М,, Энергия, 1978 г. (перевод с англ.). Одна из аналогичных конструкций, двигателя Стирлинга защщена патентом ОША JP 3.635.017, МКЙ F 03 а, 7/06 ( НКИ 60/24), 23.04.70г.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является газовая поршневая машина с внешним подводом теплоты по .а.с.СССР J 1.273.625, МКИ Р 02 е 1/055, 19.07.85г. Указанная машина содержит внешний, теплообменник - нагреватель с камерой сгоранш, полые стержневые элементы, размещенные в рабочей полости цилиндра вдоль его оси, консольно закрепленные на донышке цилиндра и свободно входащие в глухие отверстия поршня, и внутренние трубки, размещенные с зазором в стержневых элементах и подключенные к камере сгорания.

Недостатком описанной поршневой машины является невысокая изотермичность термодинамического процесса расширения, поскольку подвод тепла к рабочему газу сопряжен с неизбежным падением температуры газообразного теплоносителя, протекающего внутри трубчатых стержневых элементов. В результате работа расширения газа в цилиндре машины оказывается меньше значения, которое могло бы быть достигнуто при изотермическом течении процесса. Аналогично, при работе в компрессорном режиме такая машина затрачивает больше работы на сжатие газа по сравнению с машиной, в которой сжатие происходит по изотерме.

Другим существенным недостатком описанной поршневой машины является применение нерациональной цилиндрической формы теплопроводных стержней и соответствующих им глухих отверстий в поршне. Это приводит к значительной величине мертвого объема в цилиндре цри крайнем верхнем положении поршня (по оценкам, не менее чем 30 от впускного объема), что также заметно снижает экономичность машины.

Задачей изобретения является создание газовой поршневой машины с внешним теплообменом, в которой процессы расширения и сжатия газа протекают при практически постоянной температуре, т.е. изотермически, и одновременно исключаются потери, связанные с мертвым пространством в цилиндре. В этом случае, по сравнению с изоэнтропийными процессами сжатия - расширения газа, например, в 20 раз, работа сжатия уменьшается в ,5 раза, а работа расширения возрастает в 1,4 раза. Благодаря этому, энергетическая эффективность тепловых двигателей, компрессоров, детандеров,- тепловых насосов и других машин, выполненных на основе цредложенщой газовой поршневой машины с внешним теплообменом, резко возрастает

t-

Решение поставленной задачи доатигается за счет того, что газовая поршневая машина, содержащая внешний теплообменник, цилиндр с внутренними теплопроводными элементами и поршень с соответствующими им глукими каналами, снабжена тепловой камерой, охватывающей большую часть наружной поверхности цилиндра, и тепловыми трубками, соединяющими тепловую камеру с внешним теплообменником, при этом внутренние теплопроводные элементы соединены в тепловом отношении с внутренними стенками щшшдра.

Это общее техническое решение конкретизируется в части основных его элементов, а именно: внутренние теплопроводные элементы выполнены в виде плоско-параллельных пластин, что позволяет существенно снизить величину мертвого объема и связанные с ним потери экономичности; плоско-параллельные пластины выполнены с внутренними полостями, покрытыми капиллярно-пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем, что позволяет обеспечить изотермичность этих пластин и повысить изотермичность процессов расширения - сжатия рабочего газа в машине; наружная поверхность цилиндра, охватываемая тепловой камерой, покрыта капиллярно- пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем, что позволяет равномерно и с малым перепадом температур подводить или отводить тепло с noBepxHocTFние полости плоско-параллельных пластин соединены вой камерой, что обеспечивает практически полную и

поршневой малшны при высоких значениях тепловых nof газу или от него.

Сущность изобретения иллюстрируется фигурам изображены:

Фиг.1 - Продольный разрез газовой поршневой машины; Фиг.2 - Поперечный разрез газовой поршневой машины с теплопроводными элементами в виде плоско-параллельных пластин; Фиг.З - Поперечный разрез газовой поршневой машины, в которой

Jo

tf- J

плоско-параллельные пластины вьшолнены с внутренними полостями, покрытыми капиллярно-пористой выстилкой;

Фиг.4 - Продольный разрез газовой поршневой машины, в которой наружная поверхность цилшщра, охватываемая тепловой камерой, покрыта капиллярно-пористой выстилкой;

Фиг.5 - Поперечный разрез газовой поршневой машины, внутренние полости плоско-параллельных пластин которой соединены каналами с тепловой камерой.

Газовая поршневая машина с внешним теплообменом содержит внешний теплообменник I, цилиндр 2 с внутренними теплопроводными элементами 3, присоединенными к стенке цилиндра, наггример, в местах 4, поршень 5 с глухими каналами 6, соответствующим теплопроводным элементам 3, тепловую камеру 7, соединенную с внешним теплообменником I с помощью тепловых трубок 8. Внутренние теплопроводные элементы могут быть выполнены в виде плоско-параллельных пластин 3, которые, в свою очередь, могут быть выполнены с полостями, покрытыми капиллярно-пористой выстилкой 9, пропитанной теплоносителем. Наружная поверхность щилиндра 2, охватываемая тепловой камерой 7, может быть покрыта капиллярно-пористой выстилкой 10, цропитанной теплоносителем. Кроме того, внутренние полости Еяоско-параллельных пластин 3 могут быть соединены с тепловой камерой 7 каналами II.

Газовая поршневая машина с внешним теплообменом может-работать как в режиме двигателя, так и в режиме компрессора.

В режиме двигателя машина работает следующим образом.

При подаче в цилиндр 2 рабочего газа высокого давления поршень 5 начинает двигаться вправо, глухие каналы 6 освобождаются от теплопроводных элементов-плоско-параллельных пластин 3 и заполняются газом. Рабочий газ в этом процессе расширяется. При этом, за счет эффективного теплообмена с горячими поверхностями плоско-параллельных пластин 4 температура газа в процессе распшрения остается

близкой к постоянной, равной ее значеншо на момент вцуока в цилиндр 2. Благодаря этому работа расширения достигает значения, максимально близкого к работе изотермического процесса. В этом процессе тепло к поверхностям плоско-параллельных пластин 3 подводится от внешнего теплообменника I по тепловьм трубам 8, далее к тепловой камере 7 и к наружной поверхности цилиндра 2, охватываемой камерой 7. Перенос тепла может осуществляться конвекцией однофазного теплоносителя, либо конвекцией с фазовым переходом. В последнем случае в тепловых трубках 8 в теплообменнике I тешюноситель испаряется, а на наружной поверхности 10 цилиндра 2 пар конденсируется. В случае, если плоско-параллельные пластины полые и имеют выход в тепловую камеру (фиг.5), конденсация пара происходит на поверхности капиллярно-пористой выстилкиЭ. Конденсат возвращается в зону испарения тепловых трубок 8 в поле тяжести самотеком, и далее процесс повторяется. После совершения рабочего хода поршень 5 возвращается в исходное положение влево, при этом отработанный газ из цилиндра 2 удаляется, и далее процесс повторяется в описанной последовательности. Отметим здесь, что в описанном двигательном режиме работы газовой поршневой машины в качестве теплообменника I может быть использована холодильная камера. В этом алучае за счет выноса тепла из нее с помощью тепловых трубок 8 будет обеспечиваться процесс охлаждения.

В режиме компрессора машина работает следующим образом.

В исходном положении поршень 5 находится в крайнем правом положении, цилиндр 2 заполнен газом низкого давления. При перемещении поршня 5 влево за счет действия на него внешней силы пластины 3 входят в глухие каналы 6 црршня 5, газ сжимается. При этом, однако, температура газа возрастает незначительно и лишь в начале процесса сжатия. Далее температура остается постоянной за счет отвода работы сжатия в виде тепла к теплопроводным пластинам 3. От

пластин 3 тепло передается к поверхности 10 цилиндра 2, далее через тепловую камеру 7 и тепловые трубки 8 - к теплообменнику I, и далее наружу. В случае, если теплопроводные пластины 3 выполнены полыми с капиллярно-пористой выстилкой 9 и соединены каналами II с тепловой камерой 7, отвод тепла от сжимаемого газа осуществляется через пластины за счет испарения теплоносителя, которым пропитана выстилка 9. Теплообменник I в этом случае должен располагаться выше цилиндфа 2 с тем, чтобы в поле тяжести возврат жидкого теплоносителя от тепловых трубок 8 к капиллярно-пористой выстилке 10 и 9 происходил самотеком. После сжатия газа поршнем 5 до необходимого давления происходит его выталкивание до момента перехода поршня 5 в крайнее левое положение. После этого поршень 5 перемещается вправо, цилиндр 2 заполняется свежей порцией газа низкого давления. После возврата поршня 5 в крайнее зтравое положение процесс повторяется в описанной последовательности.

Изотермичность процессов сжатия - расширения газа, обеспечиваемая с помощью предложенной газовой поршневой машины с внешним теплообменом, позволяет с использованием технологии обычного машиностроительного производства создать более экономичные в сравяс известными газовые тепловые двигатели, компрессоры, хол криогенные и другие газовые машины.f

Существенно, что эти новые тепловые машины благода

подводу тепла могут использовать практически любой вид сжигание которого во внешней камере можно осуществить с вщнимальным загрязнением окружающей среды. Высокая экологическая чистота важное достоинство предлагаемой машины.

С использованием данного изобретения возможно создание холодильных и криогенных газовых поршневых машин замкнутого цикла, эффективность которых будет не ниже, а в ряде случаев - даже выше в

: ..

сравнении. С фреоновыми и, аммиачными машинами, не требуя цри этом для з аботы специальных хладагентов. Это обстоятельство имеет важное практическое значение, особенно в связи с ужесточением требований экологической чистоты. :

Шч.патентного отдела Авторн:Oeju

f.:

ШО- СврреевА. П. Осипов

ВтМуЖиляев ВЛ-ЛеФУ ©

Claims (5)

1. Газовая поршневая машина с внешним теплообменом, содержащая внешний теплообменник, цилиндр с внутренними теплопроводными элементами и поршень с соответствующими им глухими каналами, отличающаяся тем, что она снабжена тепловой камерой, охватывающей большую часть наружной поверхности цилиндра, и тепловыми трубками, соединяющими тепловую камеру с внешним теплообменником, при этом внутренние теплопроводные элементы соединены в тепловом отношении с внутренними стенками цилиндра.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние теплопроводные элементы выполнены в виде плоскопараллельных пластин.

3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плоскопараллельные пластины выполнены с внутренними полостями, покрытыми капиллярно-пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность цилиндра, охватываемая тепловой камерой, покрыта капиллярно-пористой выстилкой, пропитанной теплоносителем.

5. Машина по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что внутренние полости плоскопараллельных пластин соединены каналами с тепловой камерой.