RU2116488C1

RU2116488C1 - Heat engine

Info

Publication number: RU2116488C1
Application number: RU96103275A
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Феоктистов
Original assignee: Борис Петрович Феоктистов
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: engine manufacture; power engineering and transport. SUBSTANCE: engine has two enclosed cavities with valves filled with constant portions of liquid working medium. Enclosed cavities are interconnected by power take-off source and are alternately supplied with heat when valve is closed and cold when it is open. Heat and cold sources are changed over when valve starts opening in hot enclosed cavity. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области преобразования внутренней энергии в механическую, в частности к паровым двигателям. The present invention relates to the field of conversion of internal energy into mechanical energy, in particular to steam engines.

Известны паровые машины, работающие по циклу Карно, имеющему максимальный термический КПД, цикл Ренкина, бинарные циклы и т.п., основанные на том, что происходит парообразование ранее охлажденного и сжатого пара, имеющего параметры P₁ и T₁. Расширение его за счет изменения параметров P₂ и T₁. Совершается работа, часть которой идет вновь на сжатие охлажденного отработавшего пара.Known steam engines operating on the Carnot cycle, having maximum thermal efficiency, Rankine cycle, binary cycles, etc., based on the fact that there is a vaporization of previously cooled and compressed steam having parameters P ₁ and T ₁ . Its expansion by changing the parameters P ₂ and T ₁ . Work is underway, some of which is again being used to compress the cooled exhaust steam.

Недостатком всех этих циклов является затрата большого количества энергии на получение пара, ввиду низких начальных параметров его (пара), когда теплота парообразования максимальна. Кроме того, низкие начальные параметры пара (давление вплоть до вакуума) требуют значительно больших размеров конденсатора. The disadvantage of all these cycles is the expenditure of a large amount of energy to produce steam, due to the low initial parameters of it (steam), when the heat of vaporization is maximum. In addition, low initial steam parameters (pressure up to vacuum) require significantly larger capacitor sizes.

Наиболее близким из известных технических решений является цикл двигателя Стирлинга, имеющего: 1 - такт сжатия рабочего холодного тела при постоянной температуре за счет холодного источника тепла, 2 - такт перемещения холодного рабочего тела через регенератор в горячую полость, где он дополнительно нагревается внешним источником тепла, 3 - расширяется, совершая работу, часть которой идет вновь на сжатие охлажденного рабочего тела, которое постоянно и несменяемо. The closest known technical solution is the Stirling engine cycle, which has: 1 - the compression stroke of the working cold fluid at a constant temperature due to the cold heat source, 2 - the stroke of the cold working fluid flow through the regenerator into the hot cavity, where it is additionally heated by an external heat source, 3 - expands, completing work, part of which is again used to compress the cooled working fluid, which is constantly and irremovable.

Недостатком этого цикла является то, что в качестве рабочего тела используется газ под давлением, в результате чего невозможно обеспечить частую смену температуры теплопроводящей стенки для эффективной работы двигателя. Слишком мал прирост газа на 1^o и составляет 1/273 объема, поэтому применена такая сложная конструкция двигателя Стирлинга, в которой нет условий для образования пара при критических параметрах жидкости. Поршневые кольца не в состоянии обеспечить достаточную герметичность для начального парообразования.The disadvantage of this cycle is that gas is used as a working fluid under pressure, as a result of which it is impossible to provide a frequent change in the temperature of the heat-conducting wall for efficient operation of the engine. The gas increase by 1 ^o is too small and amounts to 1/273 of the volume; therefore, such a complex design of the Stirling engine is applied, in which there are no conditions for the formation of steam at critical parameters of the liquid. Piston rings are not able to provide sufficient tightness for the initial vaporization.

Цель изобретения - создание малогабаритного теплового двигателя с внешним источником тепла, высоким КПД 0,5-0,6 и простого по конструкции. The purpose of the invention is the creation of a small-sized heat engine with an external heat source, high efficiency of 0.5-0.6 and simple in design.

Для достижения поставленной цели в известном тепловом двигателе, содержащем два замкнутых объема, образованных клапанами, постоянным количеством жидкого рабочего тела внутри них, источник отбора мощности и вал отбора мощности, замкнутые объемы соединены между собой источником отбора мощности и поочередно получают то тепло при закрытом клапане, то холод при открытом клапане, причем смена источников тепла и холода происходит в начале открытия клапана в горячем замкнутом объеме. To achieve this goal in a known heat engine containing two closed volumes formed by valves, a constant amount of liquid working fluid inside them, a power take-off source and a power take-off shaft, closed volumes are interconnected by a power take-off source and in turn receive that heat when the valve is closed, it is cold when the valve is open, and the change of heat and cold sources occurs at the beginning of the valve opening in a hot closed volume.

На фиг. 1 дана схема работы двигателя в поршневом исполнении, без шатунно-кривошипной системы; а, б, в, г - прогрев двигателя, д - двигатель в рабочем режиме, е - вид А - вид камер 1 снизу, без источников тепла и холода. На фиг. 2 - источник отбора мощности 4 - центробежный, осевой или роторный. Камеры 1 с двигателем вращаются вокруг источников тепла и холода. На фиг. 3 - график кривой рабочих давлений и температур прогретого теплового двигателя при использовании в качестве рабочего тела воды. In FIG. 1 shows a piston engine operation diagram, without a connecting rod and crank system; a, b, c, d - engine warm-up, d - engine in operating mode, e - view A - view of cameras 1 from below, without sources of heat and cold. In FIG. 2 - power take-off; 4 - centrifugal, axial or rotary. Engine chambers 1 rotate around sources of heat and cold. In FIG. 3 is a graph of a curve of operating pressures and temperatures of a heated heat engine when using water as a working fluid.

Тепловой двигатель содержит камеры парообразования (парогенераторы) 1 с элементами усиления теплопередачи (радиатор, змеевик или др.), порции жидкости 2, клапан 3 высокого давления с пружиной, источник отбора мощности 4 (поршневой, центробежный, осевой или роторный), редуктор 5, вал отбора мощности 6, устройство управления клапаном 7, сальник 8, источник тепла Т, холода Х, устройство управления источником тепла и холода или устройство поворота корпуса двигателя относительно неподвижных источников тепла и холода 9, теплоизоляционная прокладка 10. The heat engine contains steam generation chambers (steam generators) 1 with heat transfer amplification elements (radiator, coil, etc.), a portion of liquid 2, a high pressure valve 3 with a spring, a power take-off source 4 (piston, centrifugal, axial or rotary), gearbox 5, a power take-off shaft 6, a control device for the valve 7, an oil seal 8, a heat source T, cold X, a control device for a heat and cold source, or a device for turning the motor housing relative to stationary heat and cold sources 9, a heat-insulating pad 10.

Тепловой двигатель работает следующим образом. К одной из камер парообразования 1 подводится тепло при постоянном объеме (фиг. 1а). Порция жидкости 2 превращается в пар высокого давления. Затрачена большая теплота парообразования для воды 539 кал/г. Клапан 3 высокого давления автоматически давлением пара или управляемо (распредвал, электромагнит, термореле) открывается (в двигателе поршневого исполнения одновременно открываются два клапана управляемо). Пар устремляется в источник отбора мощности, расширяется, совершая при этом работу. Часть этой работы на сжатие рабочего тела холодной камеры парообразования (см. фиг. 2б, фиг. 2). Расширение происходит, пока давления пара горячей и холодной камер парообразования не будут равны. Одновременно с началом момента расширения пара меняются местами камеры парообразования или источники тепла и холода относительно неподвижных камер 1 - для экономии времени цикла, поскольку процесс теплопроводности стенок камер 1 имеет инертный характер и нужно опережение теплообмена, подобно опережению зажигания в двигателе внутреннего сгорания. Пар в конце такта расширения имеет значительную удельную энтальпию и температуру (для воды 200^oC). Далее два такта повторяются для второй камеры парообразования 1, помещенной в тепло:
- образование пара высокого давления из жидкости;
- расширение пара с совершением работы (см. фиг. 1 в, г).The heat engine operates as follows. Heat is supplied to one of the vaporization chambers 1 at a constant volume (Fig. 1a). A portion of liquid 2 is converted to high pressure steam. A large heat of vaporization was spent for water 539 cal / g. The high pressure valve 3 automatically opens by steam pressure or controlled (camshaft, electromagnet, thermal relay) (in a piston engine, two valves open simultaneously in a controlled manner). Steam rushes into the power take-off source, expands, doing the job. Part of this work is to compress the working fluid of a cold vaporization chamber (see Fig. 2b, Fig. 2). Expansion occurs until the vapor pressures of the hot and cold vaporization chambers are equal. Simultaneously with the beginning of the expansion moment, the steam generation chambers or heat and cold sources change relative to the stationary chambers 1 to save cycle time, since the process of heat conduction of the walls of the chambers 1 is inert and it is necessary to advance heat transfer, similar to ignition ahead in an internal combustion engine. The steam at the end of the expansion stroke has a significant specific enthalpy and temperature (for water 200 ^o C). Next, two clock cycles are repeated for the second vaporization chamber 1, placed in heat:
- the formation of high-pressure steam from a liquid;
- expansion of steam with the completion of work (see Fig. 1 c, d).

Это все идет - прогрев, запуск двигателя, когда на начальное образование пара затрачивается значительная часть тепла (для воды 539 кал/г), что требует значительного времени - в пределах секунд для каждой камеры. Далее технические процессы повторяются, но термодинамические - очень отличны, поскольку для получения пара того же высокого давления, того же количества потребуется значительно меньшее количество тепла (для воды около 100 кал/г и менее), чтобы получить перепад давления пара 200 атм, что при хороших условиях теплопередачи займет доли секунды по времени при расчетной мощности источника Т. It all goes — warming up, starting the engine, when a significant part of the heat (for water 539 cal / g) is expended on the initial formation of steam, which requires a considerable amount of time - within seconds for each chamber. Further, the technical processes are repeated, but the thermodynamic ones are very different, since in order to obtain steam of the same high pressure and the same amount, a much smaller amount of heat will be required (for water about 100 cal / g or less) to obtain a vapor pressure drop of 200 atm, which at in good heat transfer conditions, it takes a split second in time at the rated power of source T.

Учитывая высокое давление пара внутри двигателя, в частности внутри источника отбора мощности 4, возможна утечка пара через сальник 8 вала отбора мощности 6, поэтому применен редуктор 5, чтобы применить усиленный сальник 8 на усиленном валу отбора мощности 6. По мере необходимости жидкость 2 в камере парообразования 1 пополняется насосом. Этого можно избежать, если объединить предложенный двигатель с электрогенератором, например по заявке N 93035531/25, используя общую диэлектрическую жидкость в качестве рабочего тела, расположив их на одном валу и объединив в один корпус через изоляционную прокладку 10. Given the high vapor pressure inside the engine, in particular inside the power take-off source 4, steam may leak through the stuffing box 8 of the power take-off shaft 6, therefore a gearbox 5 is used to apply a reinforced stuffing box 8 to the reinforced power take-off shaft 6. As necessary, fluid 2 in the chamber vaporization 1 is replenished by a pump. This can be avoided by combining the proposed engine with an electric generator, for example, according to application N 93035531/25, using a common dielectric fluid as a working fluid, placing them on one shaft and combining them into one housing through an insulating gasket 10.

Быстрая смена источников тепла и холода может осуществляться:
1 - путем изменения направления теплопередачи источником (вращающиеся заслонки, жалюзи);
2 - путем включения и выключения источника тепла подобно тому, как в двигателях внутреннего сгорания;
3 - путем перемещения, поворота самих камер парообразования относительно неподвижных источников тепла (см. фиг. 2, обозначено стрелкой). Частота чередования тепла и холода зависит при данном источнике тепла Т от размера камер парообразования, от сечения паропровода и каналов источников отбора мощности. В начале прогрева двигателя при запуске эта частота мала - один период за несколько секунд. В прогретом двигателе - один период за долю секунд. Цикл прелагаемого теплового двигателя содержит два такта:
1 - нагревание рабочего тела при постоянном объеме - адиабатный процесс;
2 - расширение и охлаждение при этом рабочего тела с совершением работы по одну сторону рабочих элементов источника отбора мощности, сжатием его - по другую сторону этих же элементов (поршни, лопасти). Причем первые две пары тактов происходят с потреблением значительного тепла: прогрев двигателя - все остальное такты: рабочие - с меньшим потреблением тепла.A quick change of heat and cold sources can be carried out:
1 - by changing the direction of heat transfer by the source (rotating shutters, blinds);
2 - by turning the heat source on and off, similar to that in internal combustion engines;
3 - by moving, rotating the vaporization chambers themselves relative to stationary heat sources (see Fig. 2, indicated by an arrow). The frequency of alternation of heat and cold at a given heat source T depends on the size of the vaporization chambers, on the cross section of the steam pipe and channels of the power take-off sources. At the beginning of engine warm-up at start-up, this frequency is small - one period in a few seconds. In a warm engine - one period in a split second. The cycle of the proposed heat engine contains two clock cycles:
1 - heating of the working fluid with a constant volume - adiabatic process;
2 - expansion and cooling of the working fluid with the completion of work on one side of the working elements of the power take-off source, its compression on the other side of the same elements (pistons, blades). Moreover, the first two pairs of cycles occur with the consumption of significant heat: engine warming up - the rest of the cycles: workers - with less heat consumption.

Для увеличения КПД двигателя тепло, отнятое холодильником, можно вернуть обратно в горячую полость путем теплообмена или направить как источник тепла в другой тепловой двигатель с рабочим телом, имеющим малую критическую температуру. To increase the efficiency of the engine, the heat taken away by the refrigerator can be returned back to the hot cavity by heat exchange or sent as a heat source to another heat engine with a working fluid having a low critical temperature.

Применение теплового двигателя позволит сэкономить топливо, улучшить экологию в результате полного сжигания топлива или использовать негорючие источники тепла. Конструкция простая, дешевая в изготовлении. В паре с электрогенератором появится новый источник электроэнергии, более мощный, чем химический, при равных габаритах, для переносных устройств (телевизоры, лазерные устройства). The use of a heat engine will save fuel, improve the environment as a result of complete combustion of fuel, or use non-combustible heat sources. The design is simple, cheap to manufacture. Together with the electric generator, a new source of electricity will appear, more powerful than chemical, with equal dimensions, for portable devices (televisions, laser devices).

Claims

A heat engine containing two closed volumes formed by valves, with a constant amount of liquid working fluid inside them, a power take-off source, a power take-off shaft, characterized in that the closed volumes are interconnected by a power take-off source and alternately receive either heat when the valve is closed, then cold when the valve is open, and the change of heat and cold sources occurs at the beginning of valve opening in a hot closed volume.