RU2005900C1

RU2005900C1 - Stirling engine

Info

Publication number: RU2005900C1
Application number: RU92015033A
Authority: RU
Inventors: В.А. Франгони; А.Ю. Будкин; А.Е. Кондрашев
Original assignee: Франгони Вера Александровна
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1994-01-15

Abstract

FIELD: power and transport. SUBSTANCE: fluid is by-passed from hot space of cylinder, wherein expansion process is completed, to hot space of the cylinder, wherein compression process is completed. EFFECT: decreased heat losses in cooling system and enhanced useful work of cycle. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому и транcпортному машиностроению, в частности к двигателестроению. The invention relates to energy and transport engineering, in particular to engine building.

Известен класс двигателей внутреннего сгорания, которые получили подавляющее распространение как в энергетике так и на транспорте. Недостатком такого типа двигателей являются низкие экологические показатели, в частности по уровню производимого шума и токсичности выхлопных газов. A class of internal combustion engines is known, which have received an overwhelming distribution both in the energy sector and in transport. The disadvantage of this type of engine is its low environmental performance, in particular in terms of noise levels and exhaust emissions.

В другом классе двигателей, к которому относятся двигатели Стирлинга, применяется внешний подвод теплоты к рабочему телу, что создает предпосылки для существенного снижения шума и токсичности при работе на нефтяном топливе, а также для применения экологически чистых источников энергии, таких, как тепловые аккумуляторы или солнечная энергия. Широкому распространению такого типа двигателей препятствует то обстоятельство, что они, будучи более громоздкими из-за более развитой системы охлаждения, не обеспечивают заметного снижения расхода нефтяного топлива, которое сегодня является основным. Переориентация энергетического и транспортного машиностроения на новый тип двигателя в таких условиях не оправдывается экономически. In another class of engines, which include Stirling engines, an external supply of heat to the working fluid is used, which creates the prerequisites for a significant reduction in noise and toxicity when working on petroleum fuels, as well as for the use of environmentally friendly energy sources, such as heat accumulators or solar energy. The widespread use of this type of engine is hindered by the fact that, being more bulky due to a more developed cooling system, they do not provide a significant reduction in oil fuel consumption, which is the main one today. The reorientation of energy and transport engineering to a new type of engine in such conditions is not economically justified.

Наиболее совершенным представителем этого класса двигателей является традиционный двигатель Стирлинга, выполненный по схеме простого или двойного действия. Из-за больших величин мертвого объема и малых степеней сжатия в этом двигателе газ внутри цилиндра имеет ограниченные возможности для расширения. Поэтому необходимый перепад давления по одну и другую сторону поршней, при котором только и возможно выполнение полезной работы, приходится создавать не столько за счет эффективного расширения газа в цилиндре, сколько за счет его интенсивного охлаждения в радиаторе. Результатом являются сравнительно высокие потери тепла в системе охлаждения: до 50% полной энергии топлива против 20% в дизеле. Эти потери частично компенсируются более низкими потерями с выхлопными газами (14% против 44 в дизеле), однако полезная работа в двигателе Стирлинга не превышает аналогичный показатель в дизеле (36% для обоих типов двигателей). The most perfect representative of this class of engines is the traditional Stirling engine, made according to the scheme of single or double action. Due to the large dead volume and small compression ratios in this engine, the gas inside the cylinder has limited expansion possibilities. Therefore, the necessary pressure drop on one or the other side of the pistons, at which it is only possible to perform useful work, has to be created not so much due to the effective expansion of the gas in the cylinder, but due to its intensive cooling in the radiator. The result is a relatively high heat loss in the cooling system: up to 50% of the total fuel energy versus 20% in diesel. These losses are partially offset by lower losses with exhaust gases (14% versus 44 in a diesel engine), however, the useful work in a Stirling engine does not exceed the same indicator in a diesel engine (36% for both types of engines).

Для повышения КПД двигателя Стирлинга прибегают к различным схемам перепуска рабочего тела. По одной схеме перепуск осуществляется в пределах одного и того же цилиндра: в обход охладителя при вытеснении рабочего тела из полости сжатия в полость расширения и в обход нагревателя при обратном движении рабочего тела. По другой схеме, принимаемой далее за прототип, перепуск рабочего тела осуществляется из цилиндра в специальную емкость и другой цилиндр двигателя. Недостатки указанных схем обусловлены использованием в них традиционных схем регенераторов, чаще всего сетчатых, имеющих высокое гидравлическое сопротивление: малая эффективность перепуска рабочего тела, невозможность использования в качестве последнего воздуха, малая надежность. Существенным недостатком двигателей Стирлинга является также весьма сложная и инерционная схема регулирования мощности. To increase the efficiency of the Stirling engine resort to various schemes for bypassing the working fluid. According to one scheme, the bypass is carried out within the same cylinder: bypassing the cooler during displacement of the working fluid from the compression cavity into the expansion cavity and bypassing the heater during the reverse movement of the working fluid. According to another scheme, taken further as a prototype, the bypass of the working fluid is carried out from the cylinder into a special tank and another cylinder of the engine. The disadvantages of these schemes are due to the use of traditional regenerator schemes in them, most often mesh, having high hydraulic resistance: low efficiency of the bypass of the working fluid, the inability to use as the last air, low reliability. A significant drawback of Stirling engines is also a very complex and inertial power control circuit.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности перепуска рабочего тела и двигателя в целом за счет отказа от использования традиционных схем регенераторов либо снижения нагрузки на них, а также упрощение схемы регулирования мощности двигателя. The aim of the present invention is to increase the efficiency of the bypass of the working fluid and the engine as a whole due to the rejection of the use of traditional schemes of regenerators or to reduce the load on them, as well as simplifying the scheme of regulating the engine power.

Двигатель-прототип содержит следующие общие с изобретением существенные признаки: по меньшей мере две цилиндрово-поршневые группы с противофазным размещением поршней, нагреватель, (регенератор) и охладитель, рабочие полости которых сообщены между собой и заполнены рабочим телом с образованием газового контура с циклически изменяемым по объему холодными и горячими полостями цилиндров, которые предназначены для реализации процессов сжатия и расширения рабочего тела, газовую магистраль и управляемый клапан для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно. The prototype engine contains the following essential features common with the invention: at least two cylinder-piston groups with antiphase placement of the pistons, a heater (regenerator) and a cooler, the working cavities of which are interconnected and filled with a working fluid with the formation of a gas circuit with cyclically varying volume of cold and hot cylinder cavities, which are designed to implement the processes of compression and expansion of the working fluid, a gas line and a controlled valve for bypassing the working fluid of one cylinder to another position when the piston is close to completion of the expansion and compression processes, respectively.

Для достижения указанной выше цели двигатель Стирлинга с перепуском рабочего тела дополнительно снабжен низкотемпературным холодильным устройством с внутренним или внешним охлаждением рабочего тела, включенным в газовый контур между охладителем и холодной полостью цилиндра, а газовая магистраль для перепуска рабочего тела подключена к горячим полостям цилиндров. Последнее обстоятельство позволяет осуществить перепуск горячего рабочего тела из цилиндра в цилиндр прямым путем, минуя регенераторы и тем самым избежать значительных гидравлических потерь при перепуске. To achieve the above goal, the Stirling engine with a bypass of the working fluid is additionally equipped with a low-temperature refrigeration device with internal or external cooling of the working fluid included in the gas circuit between the cooler and the cold cavity of the cylinder, and the gas line for bypassing the working fluid is connected to the hot cavities of the cylinders. The latter circumstance makes it possible to transfer a hot working fluid from cylinder to cylinder in a direct way, bypassing regenerators and thereby avoid significant hydraulic losses during bypass.

На фиг. 1 представлена четырехцилиндровая схема двигателя Стирлинга двойного действия с перепуском рабочего тела; на фиг. 2 - диаграмма P-V (давление - объем), характеризующая идеализированный термодинамический цикл двигателя Стирлинга с перепуском тела; на фиг. 3 - пример блок-схемы силовой установки на базе предлагаемого двигателя Стирлинга. In FIG. 1 shows a four-cylinder scheme of a double-acting Stirling engine with a bypass of the working fluid; in FIG. 2 is a P-V diagram (pressure-volume) characterizing the idealized thermodynamic cycle of a Stirling engine with a body bypass; in FIG. 3 is an example of a block diagram of a power plant based on the proposed Stirling engine.

Двигатель согласно фиг. 1 содержит цилиндрово-поршневые группы с цилиндром и поршнем 2, нагреватель 3, регенератор 4 (в частном случае последний может отсутствовать), охладитель 5 и низкотемпературное холодильное (криогенное) устройство 6. Рабочие полости этих элементов сообщены между собой и заполнены рабочим телом (газом, паром) и образованием циклически изменяемых по объему холодной 7 и горячей 8 полостей цилиндра, в которых реализуются процессы сжатия и расширения. Холодная полость каждого цилиндра сообщена с горячей полостью соседнего в единый замкнутый газовый контур, образуя на участках между поршнями смежных цилиндров отдельные так называемые "эквивалентные двигатели". Горячие полости каждой пары цилиндров с противофазным размещением поршней (I и III, II и IV) сообщены между собой газовой магистралью 9 с управляемым клапаном 10, которые предназначены для осуществления перепуска рабочего тела. Перепуск осуществляется при положении поршней, близком к завершению процесса расширения в одном "эквивалентном двигателе" и процесса сжатия в другом. Необходимый гармонический закон возвратно-поступательного движения поршней и его преобразование во вращение выходного вала двигателя осуществляется при помощи шатунно-кривошипного механизма 11. The engine of FIG. 1 contains cylinder-piston groups with a cylinder and a piston 2, a heater 3, a regenerator 4 (in the particular case the latter may be absent), a cooler 5 and a low-temperature refrigeration (cryogenic) device 6. The working cavities of these elements are interconnected and filled with a working fluid (gas) , steam) and the formation of cyclically varying in volume cold 7 and hot 8 cylinder cavities in which compression and expansion processes are realized. The cold cavity of each cylinder is in communication with the hot cavity of the adjacent one into a single closed gas circuit, forming separate so-called "equivalent engines" in the areas between the pistons of adjacent cylinders. The hot cavities of each pair of cylinders with antiphase placement of the pistons (I and III, II and IV) are interconnected by a gas line 9 with a controlled valve 10, which are designed to transfer the working fluid. The bypass is carried out with the position of the pistons close to the completion of the expansion process in one "equivalent engine" and the compression process in another. The necessary harmonic law of the reciprocating movement of the pistons and its conversion into rotation of the output shaft of the engine is carried out using the connecting rod and crank mechanism 11.

Двигатель Стирлинга двойного действия с перепуском рабочего тела работает следующим образом. The double-acting Stirling engine with the bypass of the working fluid works as follows.

При включенных нагревателе 3, охладителе 5 и низкотемпературном холодильном устройстве 6 и вращении выходного вала двигателя в цилиндрах 1 последовательно, со сдвигом фаз на 90 градусов по углу поворота вала осуществляется перемещение рабочего тела из горячей полости 8 в холодную 7 и обратно. Когда большая часть газа "эквивалентного двигателя" находится в холодной полости, давление его минимально; при перемещении газа из холодной полости в горячую давление его повышается, достигая максимального при максимальном объеме горячей полости. Следовательно когда давление газа в одном "эквивалентном двигателе" повышается, в противоположном по фазе "эквивалентном двигателе" оно понижается, благодаря чему и при наличии шатунно-кривошипного или другого механизма преобразования создается крутящий момент на валу двигателя. В конце процесса расширения газа в "эквивалентном двигателе" горячая полость 8 цилиндра посредством управляемого клапана 10 сообщается с горячей полостью "эквивалентного двигателя", в котором к этому моменту завершается пpоцесс сжатия, и происходит перепуск большей части горячего газа из первого цилиндра во второй (на фиг. 1 этому моменту отвечает перепуск газа из цилиндра III в цилиндр I). В охладителе 5 происходит понижение температуры рабочего тела до величины 20-50^оС за счет отвода тепла в окружающую среду, а в низкотемпературном холодильном устройстве 6 дальнейшее понижение температуры вплоть до криогенных величин. Аналогичным образом может быть реализована многоцилиндровая схема двигателя Стирлинга простого действия с перепуском рабочего тела.When the heater 3, cooler 5 and low-temperature refrigeration device 6 are turned on and the engine output shaft rotates in the cylinders 1 sequentially, with a phase shift of 90 degrees along the angle of rotation of the shaft, the working fluid is moved from the hot cavity 8 to the cold 7 and vice versa. When most of the gas of the "equivalent engine" is in a cold cavity, its pressure is minimal; when moving gas from a cold cavity to a hot pressure, it rises, reaching a maximum with a maximum volume of the hot cavity. Therefore, when the gas pressure in one "equivalent engine" increases, in the opposite phase "equivalent engine" it decreases, due to which, in the presence of a connecting rod-crank or other conversion mechanism, torque is generated on the motor shaft. At the end of the gas expansion process in the "equivalent engine", the hot cavity 8 of the cylinder through the controlled valve 10 communicates with the hot cavity of the "equivalent engine", in which the compression process is completed at this point, and most of the hot gas is transferred from the first cylinder to the second (on Fig. 1 corresponds to this moment bypass of gas from cylinder III to cylinder I). The cooler 5 occurs working fluid temperature reduction to a value of 20-50 ^{° C} due to heat dissipation in the environment and in a low temperature refrigeration device 6 further lowering the temperature down to cryogenic values. In a similar way, a multi-cylinder scheme of a simple-acting Stirling engine with a bypass of the working fluid can be implemented.

Эффект от перепуска рабочего тела становится очевидным и наглядным при анализе фиг. 2. Здесь фигура 1-2-3-4-1 представляет полезную работу традиционного цикла Стирлинга: подвод теплоты от нагревателя осуществляется по изохоре 2-3 и продолжается при расширении газа по изотерме 3-4; отвод теплоты в охладитель осуществляется по изохоре 4-1 и продолжается при сжатии газа по изотерме 1-2. Организация перепуска рабочего тела по схеме фиги. 1 с низкотемпературным холодильным устройством вносит следующие качественны коррективы в этот цикл. На участке 4-1 происходит падение давления газа в результате его динамического выпуска в другой цилиндр; На участке изохоры 1-5 происходит дальнейшее падение давления газа в результате отвода от него теплоты последовательного сначала в охладителе, затем в низкотемпературном холодильном устройстве; сжатие газа при одновременном отводе теплоты осуществляется по изотерме 5-6, проходящей существенно ниже изотермы 1-2; на участке 6-2 производится динамический впуск горячего газа из другого цилиндра; на участке изохоры 2-3 осуществляется подвод теплоты к газу в нагревателе; расширение газа осуществляется как и в исходном цикле Стирлинга по изотерме 3-4. Таким образом, перепуск рабочего тела, с одной стороны, приводит к увеличению полезной работы цикла на величину, характеризуемую фигурой 1-5-6-2-1; с другой стороны этот процесс сродни процессу регенерации тепла в традиционной схеме двигателя Стирлинга, что делает возможным полностью отказаться от использования регенераторов как таковых, либо резко снизить нагрузку на них. The effect of the bypass of the working fluid becomes obvious and obvious when analyzing FIG. 2. Here, the figure 1-2-3-4-1 represents the useful work of the traditional Stirling cycle: the heat is supplied from the heater through isochore 2-3 and continues when the gas expands through isotherm 3-4; The heat is removed to the cooler through isochore 4-1 and continues when gas is compressed through isotherm 1-2. Organization of the bypass of the working fluid according to the scheme of FIG. 1 with a low-temperature refrigeration device makes the following qualitative adjustments in this cycle. In section 4-1, the gas pressure drops as a result of its dynamic release into another cylinder; In the isochore section 1-5, a further drop in gas pressure occurs as a result of the removal of heat sequential from it, first in a cooler, then in a low-temperature refrigeration device; gas compression with simultaneous heat removal is carried out through isotherm 5-6, which passes significantly below isotherm 1-2; in section 6-2, a dynamic inlet of hot gas from another cylinder is performed; at the isochore 2-3 site, heat is supplied to the gas in the heater; gas expansion is carried out as in the initial Stirling cycle in isotherm 3-4. Thus, bypassing the working fluid, on the one hand, leads to an increase in the useful work of the cycle by an amount characterized by the figure 1-5-6-2-1; on the other hand, this process is akin to the process of heat recovery in the traditional design of the Stirling engine, which makes it possible to completely abandon the use of regenerators as such, or to drastically reduce the load on them.

Если перепуск рабочего тела из одного цилиндра в другой производится раньше завершения в них процессов расширения и сжатия, то работа цикла будет определяться площадью заштрихованной фигуры на фиг. 3. Последнее обстоятельство может быть использовано для реализации весьма простой схемы регулирования мощности двигателя: путем изменения с помощью какого-либо известного механизма момента включения управляемого клапана 10 перепуска рабочего тела. If the transfer of the working fluid from one cylinder to another is carried out before completion of the expansion and compression processes in them, then the operation of the cycle will be determined by the area of the hatched figure in FIG. 3. The latter circumstance can be used to implement a very simple scheme for regulating engine power: by changing, with the help of any known mechanism, the moment of switching on the controlled valve 10 for bypassing the working fluid.

Роль низкотемпературного холодильного устройства может выполнять либо аккумулятор холода, выполненный, например, в виде теплоизолированного бака с запасом жидкого воздуха или жидкого водородного топлива, либо обычная холодильная машина с компрессором, охладителем и детандером, либо комбинация этих устройств, в которой холодильная машина служит для подзарядки аккумулятора холода. На фиг. 3 приведен пример силовой установки на базе описанного двигателя, в которой в качестве рабочего тела используется водяной пар. Холодильное устройство здесь выполнено в виде детандера 12, периодически подключаемого к двигателю 13 при помощи клапана 14, бака с водой 15 и питательного насоса 16. Пар отбирается из холодной полости цилиндров двигателя и расширяется в детандере, производя дополнительную полезную работу и конденсируясь в баке. Одновременно питательный насос компенсирует отбор пара из двигателя. Процесс охлаждения рабочего тела, таким образом, сводится к эквивалентной по массе замене в холодной полости цилиндров относительно горячего пара на холодную воду (внутренне охлаждение). The role of a low-temperature refrigeration device can be performed either by a cold accumulator, made, for example, in the form of a thermally insulated tank with a supply of liquid air or liquid hydrogen fuel, or a conventional chiller with a compressor, cooler and expander, or a combination of these devices, in which the chiller serves to recharge cold battery. In FIG. Figure 3 shows an example of a power plant based on the described engine, in which water vapor is used as a working medium. The refrigeration device here is made in the form of an expander 12, periodically connected to the engine 13 using a valve 14, a water tank 15 and a feed pump 16. The steam is taken from the cold cavity of the engine cylinders and expands in the expander, producing additional useful work and condensing in the tank. At the same time, the feed pump compensates for steam extraction from the engine. The process of cooling the working fluid thus reduces to a mass-equivalent replacement of relatively hot steam with cold water in the cold cavity of the cylinders (internal cooling).

Перепуск рабочего тела в двигателе Стирлинга по описанной схеме в принципе позволяет получить более совершенную регенерацию тепла в цикле, при которой его термический КПД определяется соотношением Карно. Результатом этого является возможность реализации высоких значений термического КПД при малых величинах степени сжатия. Последнее обстоятельство, в свою очередь, дает возможность увеличить объемы теплообменников, сделав их достаточно эффективными даже при использовании в качестве рабочего тела самых доступных веществ - воздуха и воды. При этом сама собой решается и наиболее сложная инженерная проблема двигателей Стирлинга - компенсация утечек рабочего тела через уплотнения. (56) Авторское свидетельство СССР N 476369, кл. F 02 G 1/044, 1971. Bypassing the working fluid in the Stirling engine according to the described scheme, in principle, allows to obtain a more perfect heat recovery in the cycle, at which its thermal efficiency is determined by the Carnot ratio. The result of this is the possibility of realizing high values of thermal efficiency at low values of compression ratio. The latter circumstance, in turn, makes it possible to increase the volume of heat exchangers, making them quite effective even when using the most accessible substances — air and water — as the working fluid. At the same time, the most complex engineering problem of Stirling engines is solved by itself - compensation of leaks of the working fluid through seals. (56) Copyright certificate of the USSR N 476369, cl. F 02 G 1/044, 1971.

Claims

1. A STIRLING ENGINE containing at least two cylinder-piston groups with out-of-phase pistons, a heater with or without a regenerator and a cooler, the working cavities of which are interconnected and filled with a working fluid to form a gas circuit with cold and hot cyclically varying volumes cylinder cavities, which are designed to implement the processes of compression and expansion of the working fluid, a gas line and a controlled valve for transferring the working fluid from one cylinder to another when the position of the pistons close to the completion of the expansion and compression processes, respectively, characterized in that it is additionally equipped with a low-temperature refrigeration device with internal or external cooling of the working fluid connected to the gas circuit between the cooler and the cold cavity of the cylinder, and the gas bypass of the working fluid is connected to the hot cylinder cavities.

2. The engine under item 1, characterized in that it is equipped with a device for regulating the moment of inclusion of the controlled valve bypass of the working fluid.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the low-temperature refrigeration device is based on a combination of a refrigeration machine and a cold accumulator.

4. The engine according to claim 1, characterized in that water vapor is used as the working fluid, and the refrigeration device is made in the form of an expander, periodically connected to the cold cavity of the cylinder by means of a valve, a water tank and a feed pump.

5. The engine according to claim 3, characterized in that a heat-insulated tank with liquid air or liquid hydrogen fuel is used as a cold accumulator.