RU2042041C1

RU2042041C1 - Method of operation of free-piston heat machine

Info

Publication number: RU2042041C1
Application number: SU5031993/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Андрианович Савельев
Original assignee: Анатолий Андрианович Савельев
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: when compression and expansion strokes in the heat machine, the spaces of compression and expansion are disconnected from each other and partially or fully from all heat exchangers. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и холодильной технике и может быть использовано в двигателях с внешним подводом теплоты, а также в теплонасосных установках. The invention relates to engine building and refrigeration and can be used in engines with an external supply of heat, as well as in heat pump units.

Известен способ работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснение рабочего тела из полости расширения в полость сжатия. Вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят через теплообменники, а взаимные перемещения поршней, соответствующие термодинамическому циклу, происходят вследствие их взаимодействия с рабочим телом. A known method of operation of a free piston heat engine by compressing the working fluid in the compression cavity, displacing the working fluid from the compression cavity into the expansion cavity, expanding the working fluid in the expansion cavity and displacing the working fluid from the expansion cavity into the compression cavity. The displacement of the working fluid from one cavity to another is done through heat exchangers, and the reciprocal movements of the pistons corresponding to the thermodynamic cycle occur due to their interaction with the working fluid.

Недостатком данного способа является то, что силы взаимодействия поршней с рабочим телом создают за счет разности площади горячей и холодной поверхностей вытеснителя. При этом для обеспечения высокой удельной мощности и частоты необходим выстеснитель с большой массой, из-за чего приходится создавать дополнительные упругие связи высокой жесткости между вытеснителем и цилиндром или между вытеснителем и рабочим поршнем, что приводит к дополнительным потерям и снижению КПД. The disadvantage of this method is that the interaction forces of the pistons with the working fluid create due to the difference in the area of hot and cold surfaces of the displacer. At the same time, to ensure high specific power and frequency, a high-mass propellant is needed, because of which it is necessary to create additional elastic bonds of high rigidity between the propellant and the cylinder or between the propellant and the working piston, which leads to additional losses and lower efficiency.

Целью изобретения является повышение эффективных показателей свободнопоршневой машины. The aim of the invention is to increase the effective performance of the free piston machine.

Поставленная цель согласно изобретению достигается способом работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения сжатого рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения рабочего тела из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один теплообменник, в котором в процессах сжатия и расширения полости сжатия и расширения отсоединяют друг от друга, при этом по меньшей мере полость расширения отсоединяют от всех теплообменников. Кроме того, в процессах сжатия и расширения обе полости отсоединяют от всех теплообменников, а подсоединение полостей производят последовательно во времени. The goal according to the invention is achieved by the method of operation of a free-piston heat engine by compressing the working fluid in the compression cavity, displacing the compressed working fluid from the compression cavity into the expansion cavity, expanding the working fluid in the expansion cavity and displacing the working fluid from the expansion cavity into the compression cavity, the displacement of the working fluid at least one heat exchanger is produced from one cavity to another, in which during compression and expansion processes the compression and expansion cavities are disconnected from each other, wherein at least the expansion cavity is disconnected from all heat exchangers. In addition, in the processes of compression and expansion, both cavities are disconnected from all heat exchangers, and the cavities are connected sequentially in time.

На фиг. 1 изображена схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения; на фиг. 2 схема теплового насоса с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением одного теплообменника от обеих полостей; на фиг. 3 схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением всех теплообменников от обеих полостей. In FIG. 1 shows a diagram of an engine with a separation of the compression cavity from the expansion cavity; in FIG. 2 is a diagram of a heat pump with disconnecting the compression cavity from the expansion cavity and disconnecting one heat exchanger from both cavities; in FIG. 3 is a diagram of an engine with disconnecting the compression cavity from the expansion cavity and disconnecting all heat exchangers from both cavities.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

В начале процесса сжатия рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 находятся вблизи н.м.т. Давление в полости расширения 3 и полости сжатия 4 ниже, чем в буферной полости 5. Управляемый клапан 6 закрыт и таким образом полости сжатия и расширения отсоединены друг от друга. At the beginning of the compression process, the working piston 1 and the displacer 2 are located near NMT The pressure in the expansion cavity 3 and the compression cavity 4 is lower than in the buffer cavity 5. The controlled valve 6 is closed and thus the compression and expansion cavities are disconnected from each other.

Так как давление в буферной полости 5 выше давления в полости сжатия 4, а полость сжатия 4 отсоединена от полости расширения 3, рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 перемещаются вверх. Происходит сжатие рабочего тела. Относительная скорость перемещения поршней определяется соотношением объемов полости расширения 3 и полости сжатия 4 с подключенными к ней теплообменниками 7, 8 и 9, соответственно подводящим, регенерирующим и отводящим тепловую энергию. Это обусловлено тем, что вытеснитель 2 всегда занимает положение, при котором перепад давлений в полости расширения 3 и полости сжатия 4 минимален. При этом скорость вытеснителя 2 всегда меньше скорости рабочего поршня 1. Давление в полости сжатия 4 увеличивается и становится больше давления в буферной полости 5. Далее рабочий поршень 1 перемещается по инерции, продолжая сжимать рабочее тело. При этом скорость его уменьшается. В конце процесса сжатия открывается управляемый клапан 6 и вытеснитель 2 начинает перемещаться независимо от рабочего поршня 1. Сила, тормозящая его, определяется только сопротивлением переходу рабочего тела через теплообменники и значительно меньше силы, тормозящей рабочий поршень 1. В связи с этим скорость вытеснителя 2 становится выше скорости рабочего поршня 1 и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3, получая тепло в теплообменниках 7 и 8 и повышая давление над рабочим поршнем 1. Рабочий поршень 1 останавливается и начинает перемещаться вниз. В это время клапан 6 закрывается. Давление в полости расширения 3 становится ниже, чем в полости сжатия 4, и вытеснитель 2 тоже начинает перемещаться вниз. При этом сила, вызывающая ускорение вытеснителя, определяется всей площадью его поверхности и может быть большой даже при небольшом перепаде давлений. Since the pressure in the buffer cavity 5 is higher than the pressure in the compression cavity 4, and the compression cavity 4 is disconnected from the expansion cavity 3, the working piston 1 and the displacer 2 are moved up. There is a compression of the working fluid. The relative speed of movement of the pistons is determined by the ratio of the volumes of the expansion cavity 3 and the compression cavity 4 with the heat exchangers 7, 8 and 9 connected to it, respectively supplying, regenerating and removing heat energy. This is due to the fact that the displacer 2 always occupies a position in which the pressure drop in the expansion cavity 3 and the compression cavity 4 is minimal. The speed of the displacer 2 is always less than the speed of the working piston 1. The pressure in the compression cavity 4 increases and becomes greater than the pressure in the buffer cavity 5. Next, the working piston 1 moves by inertia, continuing to compress the working fluid. In this case, its speed decreases. At the end of the compression process, the controlled valve 6 opens and the displacer 2 begins to move independently of the working piston 1. The force that inhibits it is determined only by the resistance to the transition of the working fluid through the heat exchangers and is much less than the force that inhibits the working piston 1. In this regard, the speed of the displacer 2 becomes higher than the speed of the working piston 1 and the working fluid is forced out of the compression cavity 4 into the expansion cavity 3, receiving heat in the heat exchangers 7 and 8 and increasing the pressure above the working piston 1. The working piston 1 stops Xia and begins to move down. At this time, valve 6 closes. The pressure in the expansion cavity 3 becomes lower than in the compression cavity 4, and the displacer 2 also begins to move down. In this case, the force causing acceleration of the displacer is determined by the entire area of its surface and can be large even with a small pressure drop.

В процессе расширения скорость перемещения вытеснителя определяется так же, как и в процессе сжатия. During the expansion process, the displacement rate of the displacer is determined in the same way as during the compression process.

После того как давление над рабочим поршнем становится меньше, чем давление в буферной полости 5, рабочий поршень 1 продолжает перемещаться по инерции, а скорость его уменьшается. В конце процесса расширения открывается клапан 6 и вытеснитель 2 начинает догонять рабочий поршень 1. Рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4, проходя через теплообменники и охлаждаясь. Давление над рабочим поршнем падает, и он начинает перемещаться вверх. В это время вытеснитель 2 подходит к рабочему поршню 1, а клапан 6 закрывается и цикл повторяется. After the pressure above the working piston becomes less than the pressure in the buffer cavity 5, the working piston 1 continues to move by inertia, and its speed decreases. At the end of the expansion process, valve 6 opens and the displacer 2 begins to overtake the working piston 1. The working fluid is forced out of the expansion cavity 3 into the compression cavity 4, passing through heat exchangers and cooling. The pressure above the working piston drops, and it begins to move up. At this time, the displacer 2 approaches the working piston 1, and the valve 6 closes and the cycle repeats.

Так как силы, которые преодолевает вытеснитель, определяются только сопротивлением в теплообменниках, его масса может быть небольшой, а следовательно и перепад давлений, необходимый для его ускорения, также может быть незначительным, что снижает потери и повышает КПД. При этом цикл может быть реализован с высокой частотой. Since the forces that the displacer overcomes are determined only by the resistance in the heat exchangers, its mass can be small, and therefore the pressure drop necessary to accelerate it can also be insignificant, which reduces losses and increases efficiency. In this case, the cycle can be implemented with a high frequency.

Смещение фаз перемещения поршней определяется клапаном 6 и может быть регулируемым. The displacement of the phases of movement of the pistons is determined by the valve 6 and can be adjustable.

В описанной схеме ход вытеснителя всегда меньше хода рабочего поршня. In the described scheme, the displacer stroke is always less than the stroke of the working piston.

Увеличить ход вытеснителя можно путем изменения соотношений объемов полостей перед началом процесса вытеснения рабочего тела из одной полости в другую. Это можно осуществить с помощью теплообменников, которые отключаются от полостей во время сжатия и расширения рабочего тела. При этом подключение полостей к такому теплообменнику должно осуществляться последовательно во времени. При реализации данного способа в режиме теплового насоса рабочий поршень 1 перемещается от привода (не показан), клапаны 6, 10 и 11 во время сжатия и расширения закрыты, а давление в теплообменнике 7, подводящем тепловую энергию, равно давлению в начале процесса сжатия. В этом случае в процессе расширения из-за отвода теплоты после сжатия давление в цикле снижается до давления в теплообменнике 7, когда рабочий поршень 1 еще не дошел до н.м.т. В этот момент открывается клапан 10 и дальнейшее перемещение рабочего поршня происходит практически при постоянном давлении, так как рабочее тело переходит из теплообменника 7 в полость сжатия 4. Из-за того что к полости сжатия 4 подключается большой объем, скорость вытеснителя 2 почти сравнивается со скоростью рабочего поршня. В дальнейшем открывается клапан 11 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4. При этом температура рабочего тела повышается, вследствие чего та часть рабочего тела, которая перешла из теплообменника 7 в полость сжатия 4, возвращается в этот теплообменник. It is possible to increase the progress of the displacer by changing the ratios of the volume of the cavities before starting the process of displacing the working fluid from one cavity to another. This can be done using heat exchangers that are disconnected from the cavities during compression and expansion of the working fluid. In this case, the connection of the cavities to such a heat exchanger should be carried out sequentially in time. When this method is implemented in the heat pump mode, the working piston 1 moves from the drive (not shown), the valves 6, 10 and 11 are closed during compression and expansion, and the pressure in the heat exchanger 7 supplying thermal energy is equal to the pressure at the beginning of the compression process. In this case, during the expansion process due to heat removal after compression, the pressure in the cycle decreases to the pressure in the heat exchanger 7, when the working piston 1 has not yet reached nm.m. At this moment, valve 10 opens and further movement of the working piston occurs at almost constant pressure, since the working fluid passes from the heat exchanger 7 to the compression cavity 4. Due to the fact that a large volume is connected to the compression cavity 4, the speed of the displacer 2 is almost compared with the speed working piston. Subsequently, valve 11 opens and the working fluid is displaced from the expansion cavity 3 into the compression cavity 4. The temperature of the working fluid rises, as a result of which the part of the working fluid which has passed from the heat exchanger 7 to the compression cavity 4 is returned to this heat exchanger.

Процессы сжатия и вытеснения рабочего тела из полости сжатия 4 в полость расширения 3 происходят аналогично этим процессам в предыдущей схеме за исключением того, что теплообменник 7 при этом отключен. The processes of compression and displacement of the working fluid from the compression cavity 4 to the expansion cavity 3 occur similarly to these processes in the previous scheme, except that the heat exchanger 7 is turned off.

Отключать также можно два или три теплообменника. При отключении трех теплообменников регенератор делают рекуперативного типа. Two or three heat exchangers can also be switched off. When you turn off the three heat exchangers, the regenerator is made of a regenerative type.

В этом случае при работе в режиме двигателя давление в теплообменнике 7 равно давлению в начале расширения и выше давления в конце сжатия, а давление в теплообменнике 9 равно давлению в начале сжатия и ниже давления в конце расширения. In this case, when operating in engine mode, the pressure in the heat exchanger 7 is equal to the pressure at the beginning of expansion and higher than the pressure at the end of compression, and the pressure in the heat exchanger 9 is equal to the pressure at the beginning of compression and lower than the pressure at the end of expansion.

В связи с этим в конце сжатия после открытия клапана 12 давление в полости расширения 3 увеличивается за счет перехода в нее части рабочего тела из теплообменников 7 и 8. Под действием возникшего перепада давления вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 также достигает давления в теплообменнике 7, клапан 13 открывается и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3 с подводом теплоты в теплообменниках 7 и 8. При этом часть рабочего тела возвращается в эти теплообменники. In this regard, at the end of compression after opening the valve 12, the pressure in the expansion cavity 3 increases due to the passage of part of the working fluid from the heat exchangers 7 and 8 into it. Under the action of the resulting pressure drop, the displacer 2 receives additional acceleration. After the pressure in the compression cavity 4 also reaches the pressure in the heat exchanger 7, the valve 13 opens and the working fluid is expelled from the compression cavity 4 into the expansion cavity 3 with the heat being supplied to the heat exchangers 7 and 8. At the same time, part of the working fluid is returned to these heat exchangers.

В конце расширения после открытия клапана 14 давление в полости расширения 3 падает до давления в теплообменнике 9. Вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 сравнивается с давлением в теплообменике 9, открывается клапан 15 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4 с отводом теплоты в теплообмениках 8 и 9, а часть газа, перешедшая в теплообменники, возвращается в полость двигателя. At the end of the expansion after opening the valve 14, the pressure in the expansion cavity 3 drops to the pressure in the heat exchanger 9. The displacer 2 receives additional acceleration. After the pressure in the compression cavity 4 is compared with the pressure in the heat exchanger 9, the valve 15 opens and the working fluid is forced out of the expansion cavity 3 into the compression cavity 4 with heat removed in the heat exchangers 8 and 9, and the part of the gas transferred to the heat exchangers returns to the cavity engine.

Данная схема позволяет увеличить ход вытеснителя и сделать его больше хода рабочего поршня. This scheme allows you to increase the stroke of the displacer and make it more than the stroke of the working piston.

Таким образом, при реализации способа снижаются потери и повышаются эффективные показатели свободнопоршневых тепловых машин, причем за счет повышения степени сжатия при отсоединении теплообменников высокий КПД может быть достигнут без регенератора. Thus, when implementing the method, losses are reduced and effective indicators of free piston heat engines are increased, and due to an increase in the compression ratio when heat exchangers are disconnected, high efficiency can be achieved without a regenerator.

Claims

1. WAY OF OPERATION OF A FREE PISTON HEATING MACHINE by compressing the working fluid in the compression cavity, displacing the compressed working fluid from the compression cavity into the expansion cavity, expanding the working fluid in the expansion cavity and displacing the working fluid from the expansion cavity into the compression cavity, the displacement of the working fluid from one cavity the other is produced through at least one heat exchanger, characterized in that in the processes of compression and expansion, the compression and expansion cavities are disconnected from one another, while at least the expansion cavity Nia is disconnected from all heat exchangers.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the processes of compression and expansion, both cavities are disconnected from all heat exchangers, and the connection of the cavities is carried out sequentially in time.