RU2741168C1 - Stirling engine with controlled output power - Google Patents
Stirling engine with controlled output power Download PDFInfo
- Publication number
- RU2741168C1 RU2741168C1 RU2019143995A RU2019143995A RU2741168C1 RU 2741168 C1 RU2741168 C1 RU 2741168C1 RU 2019143995 A RU2019143995 A RU 2019143995A RU 2019143995 A RU2019143995 A RU 2019143995A RU 2741168 C1 RU2741168 C1 RU 2741168C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- engine
- cylinder
- temperature
- gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/06—Controlling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям внешнего сгорания, работающим по циклу Стерлинга на твердом, жидком, газообразном топливе или другом источнике тепла.The invention relates to the field of engine building, in particular to external combustion heat engines operating according to the Sterling cycle on solid, liquid, gaseous fuels or other heat source.
На основе просмотра и анализа технической литературы и патентов по МПК F02G 1/043, F25B 9/14, F02G 1/05, F02G 5/02, F02G 5/04, F02G 3/00, F01C 1/344, F02G 1/045, F02B 71/04, H02K 35/02, H02K 7/18, H02K 35/06, F02G 1/055, F02G 1/053, Е03В 3/28, B01D 5/00, F04B 35/01, F02F 3/00, F02F 3/28, F16J 1/00, F02G 1/04, F01B 29/10, F23D 14/18, F01B 23/10, F25B 27/02, а также патентов по СПК F16J 1/001, выявлены аналоги:Based on review and analysis of technical literature and IPC patents F02G 1/043, F25B 9/14, F02G 1/05,
- RU №162044 от 20.05.2016 по МПК F02G 1/05;- RU No. 162044 dated 05/20/2016 according to IPC F02G 1/05;
- RU №2135804 от 27.08.1999 по МПК F02G 1/04, F01B 29/10, F23D 14/18;- RU No. 2135804 from 27.08.1999 according to IPC F02G 1/04, F01B 29/10, F23D 14/18;
- RU №191262 от 31.07.2019 по МПК F02G 1/043, F02G 1/045, F02G 5/04, H02K 7/18, F01B 23/10;- RU No. 191262 dated July 31, 2019 according to IPC F02G 1/043, F02G 1/045,
- RU №2440504 от 20.01.2012 по МПК F02G 1/043, F02G 5/04, F25B 27/02.- RU No. 2440504 from 20.01.2012 according to IPC F02G 1/043,
В качестве прототипа принято техническое решение на основе полезной модели "Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью" - патент RU №162044 от 20.05.2016 по МПК F02G 1/05.As a prototype, a technical solution was adopted based on the utility model "Stirling Engine with Adjustable Output Power" - patent RU No. 162044 dated 20.05.2016 under IPC F02G 1/05.
По данному техническому решению двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью включает в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения.According to this technical solution, a Stirling engine with an adjustable output power includes at least one cylinder containing a working gas, a displacement and a working pistons placed in the cylinder, dividing its volume into hot and cold cavities, while the working piston is kinematically connected with by an actuator through the working piston rod; a cooler, a regenerator and a heater installed in series outside the cylinder, as well as a power control system containing a control device, a cylinder with a background working gas, and the engine additionally contains a second cylinder with a working gas other than the background gas, a working gas mixture preparation unit, connected to the control device and including a mixing chamber, a compressor, pressure and temperature sensors, a gas relief solenoid valve and connected via a pipeline through an electromagnetic feed valve, a check valve to the engine cylinder, additionally equipped with an excess gas relief valve; as well as to both cylinders of working gases through pipelines through electromagnetic check valves, and also at the same time the engine contains, as an option, a low-temperature flameless burner in the heater with the possibility of transferring heat to the cylinder, and the low-temperature flameless burner itself is designed to ensure the combustion process at a temperature not higher than 1200 ° C, and also at the same time the engine is equipped, firstly, with a heat receiver with the possibility of partial cooling of the combustion products in it and transfer of heat to the incoming gas and air for their preheating, and, secondly, with a heat recovery unit for combustion products.
Признаки известного двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в том, что заявляемый двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью включает в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения.The features of the known Stirling engine with variable power output, coinciding with the features of the claimed invention, are that the claimed Stirling engine with adjustable power output includes at least one cylinder containing a working gas, a displacement and a working pistons placed in the cylinder dividing its volume into hot and cold cavities, while the working piston is kinematically connected to the actuator through the working piston rod; a cooler, a regenerator and a heater installed in series outside the cylinder, as well as a power control system containing a control device, a cylinder with a background working gas, and the engine additionally contains a second cylinder with a working gas other than the background gas, a working gas mixture preparation unit, connected to the control device and including a mixing chamber, a compressor, pressure and temperature sensors, a gas relief solenoid valve and connected via a pipeline through an electromagnetic feed valve, a check valve to the engine cylinder, additionally equipped with an excess gas relief valve; as well as to both cylinders of working gases through pipelines through electromagnetic check valves, and also at the same time the engine contains, as an option, a low-temperature flameless burner in the heater with the possibility of transferring heat to the cylinder, and the low-temperature flameless burner itself is designed to ensure the combustion process at a temperature not higher than 1200 ° C, and also at the same time the engine is equipped, firstly, with a heat receiver with the possibility of partial cooling of the combustion products in it and transfer of heat to the incoming gas and air for their preheating, and, secondly, with a heat recovery unit for combustion products.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что технические средства известного двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью не позволяют обеспечить его высокие эксплуатационно-технические, экономические и экологические характеристики.The reason that prevents the known technical solution from obtaining the technical result, which is provided by the claimed invention, is that the technical means of the known Stirling engine with adjustable output power do not allow to ensure its high operational, technical, economic and environmental characteristics.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении эксплуатационно-технических, экономических и экологических характеристик.The problem to be solved by the claimed invention is to improve the operational, technical, economic and environmental characteristics.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит в создании технических средств, позволяющих повысить эксплуатационно-технические, экономические и экологические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, энергетическую эффективность, коэффициент полезного действия и экологичность выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов.The technical result, which ensures the solution of this problem, consists in the creation of technical means that make it possible to improve the operational, technical, economic and environmental characteristics of a Stirling engine with a controlled output power, namely, energy efficiency, efficiency and environmental friendliness of spent technical products emitted into the atmosphere.
Достигается технический результат тем, что в заявляемом двигателе Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, включающем в себя, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом, и при этом двигатель дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключенный к управляющему устройству и включающий в себя смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключенный по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны, и также при этом двигатель содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а сама низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С, и также при этом двигатель снабжен, во-первых, приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим газу и воздуху для предварительного их подогрева, и, во-вторых, утилизатором тепла продуктов горения, и при этом низкотемпературная беспламенная горелка снабжена радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, приемник тепла имеет конструкцию с возможностью предварительного подогрева поступающих газа и воздуха до 950°С, а в качестве утилизатора тепла используются теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах, например, для подогрева сырой нефти, технологической воды с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу.The technical result is achieved by the fact that in the inventive Stirling engine with adjustable output power, which includes at least one cylinder containing a working gas, a displacement and working pistons placed in the cylinder, dividing its volume into hot and cold cavities, while the working piston is kinematically connected to the actuator through the working piston rod; a cooler, a regenerator and a heater installed in series outside the cylinder, as well as a power control system containing a control device, a cylinder with a background working gas, and the engine additionally contains a second cylinder with a working gas other than the background gas, a working gas mixture preparation unit, connected to the control device and including a mixing chamber, a compressor, pressure and temperature sensors, a gas relief solenoid valve and connected via a pipeline through an electromagnetic feed valve, a check valve to the engine cylinder, additionally equipped with an excess gas relief valve; as well as to both cylinders of working gases through pipelines through electromagnetic check valves, and also at the same time the engine contains, as an option, a low-temperature flameless burner in the heater with the possibility of transferring heat to the cylinder, and the low-temperature flameless burner itself is designed to ensure the combustion process at a temperature not higher than 1200 ° C, and also at the same time, the engine is equipped, firstly, with a heat receiver with the possibility of partial cooling of the combustion products in it and transfer of heat to the incoming gas and air for their preheating, and, secondly, with a heat exchanger for combustion products, and This low-temperature flameless burner is equipped with a radiant tube, for example, made of silicon nitride, to isolate the surrounding engine structural elements from the heat of combustion products, the heat receiver has a design with the ability to preheat the incoming gas and air up to 950 ° C, and heat is used as a heat exchanger exchangers and a smoke exhauster with the ability to transfer heat from combustion products to technological units in oil fields, for example, for heating crude oil, process water with the subsequent release of combustion products into the atmosphere.
Достигается технический результат также и тем, что теплообменники и дымосос имеют конструкцию с возможностью выброса продуктов горения в атмосферу при температуре не выше 50°С.The technical result is also achieved by the fact that the heat exchangers and the smoke exhauster are designed with the possibility of ejecting combustion products into the atmosphere at a temperature not exceeding 50 ° C.
Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемого двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью позволяют осуществить следующее.The above-described created technical means as part of the inventive Stirling engine with adjustable output power make it possible to do the following.
Во-первых, созданные технические средства позволяют повысить эксплуатационно-технические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, повысить энергетическую эффективность рабочего процесса двигателя за счет достижения высокой полноты сгорания топлива (газ + воздух) и максимального использования вырабатываемой в двигателе тепловой энергии при движении продуктов горения по всему тепловому тракту двигателя вплоть до выброса их в атмосферу. Сказанное обеспечивается тем, что двигатель Стирлинга содержит в составе нагревателя низкотемпературную беспламенную горелку с возможностью передачи тепла цилиндру, а также и тем, что низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию и блок управления процессом горения с возможностью обеспечения процесса горения при заданном диапазоне температур, в частности при 1050-1200°С.Firstly, the created technical means make it possible to improve the operational and technical characteristics of the Stirling engine with a controlled output power, namely, to increase the energy efficiency of the engine's working process by achieving high combustion efficiency (gas + air) and maximum use of the thermal energy generated in the engine at the movement of combustion products along the entire thermal path of the engine until they are released into the atmosphere. The foregoing is ensured by the fact that the Stirling engine contains a low-temperature flameless burner in the heater with the possibility of transferring heat to the cylinder, and also by the fact that the low-temperature flameless burner has a design and a combustion process control unit with the ability to ensure the combustion process at a given temperature range, in particular at 1050 -1200 ° C.
А максимальное использование вырабатываемой в двигателе тепловой энергии при движении продуктов горения по всему тепловому тракту двигателя вплоть до выброса их в атмосферу обеспечивается тем, что двигатель Стирлинга снабжен приемником тепла с возможностью частичного охлаждения в нем продуктов горения и передачи тепла поступающим компонентам топлива (газу и воздуху) для предварительного их подогрева до оптимальной температуры 950°С, а также и тем, что двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью снабжен утилизатором тепла продуктов горения топлива (газ + воздух), в качестве которых используются, в частности, теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах (например, для подогрева сырой нефти, технологической воды и т.п.) с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу при минимальной температуре (не выше 50°С).And the maximum use of the thermal energy generated in the engine during the movement of combustion products along the entire thermal path of the engine up to their emission into the atmosphere is ensured by the fact that the Stirling engine is equipped with a heat receiver with the possibility of partial cooling of combustion products in it and transfer of heat to the incoming fuel components (gas and air ) to preheat them to an optimum temperature of 950 ° C, as well as the fact that the Stirling engine with adjustable output power is equipped with a heat exchanger for the combustion products (gas + air), which are used, in particular, heat exchangers and a smoke exhauster with the possibility of transferring heat from combustion products to technological units in oil fields (for example, for heating crude oil, process water, etc.) with the subsequent release of combustion products into the atmosphere at a minimum temperature (not higher than 50 ° C).
Во-вторых, созданные технические средства позволяют повысить экономические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, экономические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, заключающиеся в повышении коэффициента полезного действия (КПД) всего двигателя за счет наличия блока управления процессом горения с возможностью обеспечения процесса горения при заданных параметрах (расход, температура, организация движения исходных компонентов топлива и продуктов их горения) и процессов тепломассопереноса.Secondly, the created technical means make it possible to improve the economic characteristics of a Stirling engine with a variable output power, namely, the economic characteristics of a Stirling engine with a variable output power, which consists in increasing the efficiency (efficiency) of the entire engine due to the presence of a combustion control unit with the possibility ensuring the combustion process at specified parameters (flow rate, temperature, organization of the movement of the initial fuel components and their combustion products) and heat and mass transfer processes.
В-третьих, созданные технические средства позволяют повысить экологические характеристики двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, состоящие в обеспечении экологичности выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов за счет того, что низкотемпературная беспламенная горелка имеет конструкцию с возможностью обеспечения процесса горения при температуре не выше 1200°С. Теорией и экспериментами показано, что при такой температуре (и не выше) процент вредных веществ в продуктах горения минимален, а при более высоких температурах этот процент резко возрастает. Блок управления процессом горения в составе низкотемпературной беспламенной горелки обеспечивает процесс горения при оптимальной температуре в диапазоне 1050-1200°С, при которой и процесс горения стабилен, и процент вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, минимален. При этом низкотемпературная беспламенная горелка снабжена радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, что также снижает общий поток тепловых выбросов в атмосферу и способствует повышению ресурса работы двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, что составляет часть эксплуатационно-технических характеристик двигателя.Thirdly, the created technical means make it possible to improve the environmental characteristics of the Stirling engine with adjustable output power, which consists in ensuring the environmental friendliness of the spent technical products emitted into the atmosphere due to the fact that the low-temperature flameless burner has a design with the ability to ensure the combustion process at a temperature not higher than 1200 ° C ... It has been shown by theory and experiments that at this temperature (and not higher) the percentage of harmful substances in the combustion products is minimal, and at higher temperatures this percentage increases sharply. The combustion process control unit as part of a low-temperature flameless burner ensures the combustion process at an optimal temperature in the range of 1050-1200 ° C, at which both the combustion process is stable and the percentage of harmful substances emitted into the atmosphere is minimal. At the same time, the low-temperature flameless burner is equipped with a radiant tube, for example, made of silicon nitride, to isolate the surrounding engine elements from the heat of combustion products, which also reduces the total flow of thermal emissions into the atmosphere and contributes to an increase in the service life of a Stirling engine with a controlled output power, which is part of operational and technical characteristics of the engine.
Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью содержит в составе нагревателя как вариант низкотемпературную беспламенную горелку, снабженную радиационной трубой, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения, с возможностью передачи тепла цилиндру, приемник тепла имеет конструкцию с возможностью предварительного подогрева поступающих газа и воздуха до 950°С, а в качестве утилизатора тепла используются теплообменники и дымосос с возможностью передачи тепла от продуктов горения к технологическим блокам на нефтепромыслах, например, для подогрева сырой нефти, технологической воды с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу.New features of the proposed technical solution are that the Stirling engine with adjustable output power contains as an option a low-temperature flameless burner equipped with a radiation tube, for example, silicon nitride, to isolate the surrounding engine elements from the heat of combustion products, with the possibility of transferring heat to the cylinder, the heat receiver has a design with the ability to preheat the incoming gas and air up to 950 ° C, and heat exchangers and a smoke exhauster are used as a heat exchanger with the possibility of transferring heat from combustion products to technological units in oil fields, for example, for heating crude oil, process water with the subsequent release of combustion products into the atmosphere.
При этом в двигателе Стирлинга с регулируемой выходной мощностью теплообменники и дымосос имеют конструкцию с возможностью выброса продуктов горения в атмосферу при температуре не выше 50°С.At the same time, in a Stirling engine with an adjustable output power, the heat exchangers and the smoke exhauster are designed with the possibility of exhausting combustion products into the atmosphere at a temperature not higher than 50 ° C.
Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1 - фиг. 3), на которых представлен двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью и дано обоснование некоторых его характеристик.The invention is illustrated in the drawings (Fig. 1 - Fig. 3), which shows a Stirling engine with variable output power and a justification of some of its characteristics.
Фиг. 1 - структурная схема двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью с включенной в нее низкотемпературной беспламенной горелкой.FIG. 1 is a block diagram of a Stirling engine with adjustable power output with a low temperature flameless burner included in it.
Фиг. 2 - фрагмент (часть) двигателя Стирлинга с регулируемой выходной мощностью, а именно, низкотемпературная беспламенная горелка с устройствами подвода компонентов топлива к ней и с устройствами отвода продуктов горения от нее вплоть до выброса их в атмосферу.FIG. 2 - a fragment (part) of a Stirling engine with an adjustable output power, namely, a low-temperature flameless burner with devices for supplying fuel components to it and with devices for removing combustion products from it until they are released into the atmosphere.
Фиг. 3 - график зависимости образования выбросов токсичных веществ от температуры горения топлива (газ + воздух).FIG. 3 is a graph of the dependence of the formation of emissions of toxic substances on the combustion temperature of the fuel (gas + air).
Двигатель Стирлинга (фиг. 1) содержит цилиндр 1, в котором установлены вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни, разделяющие объем цилиндра 1 на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень 3 кинематически связан с исполнительным механизмом 4 через шток рабочего поршня 5. На внешней поверхности цилиндра 1 размещены нагреватель 6 и охладитель 7, между которыми установлен регенератор 8, при этом цилиндр 1 заполнен рабочим газом 9, подаваемым по трубопроводу через обратный клапан 10 и электромагнитный питательный клапан 11 от блока подготовки смеси рабочего газа 12, включающего смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры. Блок имеет соединение с баллонами фонового и дополнительного однокомпонентных рабочих газов 13 через электромагнитные обратные клапаны 14, регулируемые управляющим устройством 15. Кроме того, цилиндр двигателя 1 и блок подготовки смеси газа содержат электромагнитные обратные клапаны сброса избытка газа 16 и 17 соответственно. Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью содержит в составе нагревателя 6 низкотемпературную беспламенную горелку 18 с возможностью передачи тепла цилиндру 1. Низкотемпературная беспламенная горелка 18 снабжена радиационной трубой 24, например, из нитрида кремния, для изоляции окружающих элементов конструкции двигателя от тепла продуктов горения.The Stirling engine (Fig. 1) contains a cylinder 1, in which the displacement 2 and the working 3 pistons are installed, dividing the volume of the cylinder 1 into hot and cold cavities, while the working
Основным принципом цикла Стирлинга является периодический нагрев и охлаждение рабочего тела, находящегося в цилиндре двигателя, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объема рабочего тела.The basic principle of the Stirling cycle is the periodic heating and cooling of the working fluid in the engine cylinder, with the extraction of energy from the resulting change in the volume of the working fluid.
В заявляемом изобретении используется устройство, изменяющее состав рабочего тела в процессе работы двигателя. В качестве рабочего тела используется двухкомпонентный газ, представляющий собой смесь двух газов, имеющих различные термодинамические свойства, например, гелий и азот. Поскольку, коэффициент теплопроводности гелия значительно выше азота, его применение в качестве рабочего тела будет обуславливать более высокую частоту движения поршня, чем при использовании азота. Таким образом, варьируя их процентное массовое содержание, в процессе работы становится возможным регулировать выходные механические характеристики двигателя при максимальной термодинамической эффективности двигателя.The claimed invention uses a device that changes the composition of the working fluid during the operation of the engine. A two-component gas is used as a working fluid, which is a mixture of two gases with different thermodynamic properties, for example, helium and nitrogen. Since the thermal conductivity of helium is much higher than nitrogen, its use as a working fluid will cause a higher frequency of piston movement than when using nitrogen. Thus, by varying their percentage by mass, during operation it becomes possible to adjust the output mechanical characteristics of the engine at the maximum thermodynamic efficiency of the engine.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
При стартовом запуске двигателя цилиндр 1 заполнен фоновым однокомпонентным газом, имеющим требуемое рабочее давление. При этом двигатель работает по циклу Стирлинга, обеспечивая выработку соответствующей номинальной выходной мощности на исполнительном механизме 4.When starting the engine, cylinder 1 is filled with a single-component background gas having the required operating pressure. In this case, the engine operates according to the Stirling cycle, ensuring the generation of the corresponding rated output power on the actuator 4.
При необходимости изменения выходной мощности двигателя, на управляющее устройство 15 поступает внешняя команда управления в виде цифрового кодированного сигнала об установке необходимой выходной мощности двигателя. Контроллер управляющего устройства 15 по внутреннему алгоритму рассчитывает требуемое соотношение концентраций газов, с учетом последующего смешения с фоновым газом, находящемся в цилиндре двигателя, и передает задание на блок подготовки газовой смеси 12. В смесительную камеру блока подготовки газовой смеси 12 через электромагнитные обратные клапаны 14 поступает дозированное количество однокомпонентных газов из баллонов 13, необходимых для обеспечения заданного режима работы. Параметры газа внутри смесительной камеры контролируются датчиками давления и температуры. Обратный клапан 17 в составе блока подготовки газовой смеси 12 обеспечивает аварийный сброс давления в случае превышения максимального безопасного рабочего уровня.If it is necessary to change the engine output power, an external control command is sent to the
После подготовки газа в блоке 12, через электромагнитный питательный клапан 11 и обратный клапан 10 в цилиндр 1 подается подготовленная смесь газов, при этом избыток фонового газа сбрасывается через электромагнитный клапан сброса 16. За счет высоких диффузионных свойств газов переходной период изменения состава рабочего тела в цилиндре минимален.After gas preparation in
В связи с изменением термодинамических свойств рабочего тела, происходит естественное изменение скорости процессов сжатия и расширения рабочего тела в цикле Стирлинга при прочих равных внешних условиях (температуры нагревателя 6, охладителя 7 и их конструкции), изменяя тем самым частоту движения рабочего поршня, что приводит к изменению выходной мощности двигателя.In connection with a change in the thermodynamic properties of the working fluid, there is a natural change in the rate of compression and expansion of the working fluid in the Stirling cycle, all other conditions being equal (temperatures of
Низкотемпературная беспламенная горелка с устройствами подвода компонентов топлива к ней и с устройствами отвода продуктов горения от нее вплоть до выброса их в атмосферу (фиг. 2) состоит из рабочей камеры 19 и блока управления 20 работой горелки. К блоку управления 20 подводятся трубопровод 21 подачи газа (ПНГ или ПГ или т.п.) и трубопровод 22 подачи воздуха. От горелки отводится трубопровод отвода продуктов горения 23. Горелка снабжена радиационной трубой 24, например, из нитрида кремния, которая охватывает рабочую камеру 19 горелки таким образом, чтобы экранировать (защитить) окружающие элементы конструкции двигателя от тепла продуктов горения, а также, чтобы исключить (уменьшить) потери тепла рабочего процесса горелки.A low-temperature flameless burner with devices for supplying fuel components to it and with devices for removing combustion products from it until they are released into the atmosphere (Fig. 2) consists of a working
Газ в трубопроводе 21 и воздух в трубопроводе 22 подогреваются продуктами горения топлива за счет размещения приемника тепла 25 на входных участках этих трубопроводов 21 и 22. В приемник тепла 25 продукты горения поступают с выхода рабочей камеры 19 горелки.The gas in the pipeline 21 and the air in the
Продукты горения из приемника тепла 25 поступают на теплообменник 26 и далее через дымосос 27 выбрасываются в окружающую среду. В теплообменнике 26 происходит подогрев технологических продуктов (например, сырой нефти или/и технологической воды и т.п.), обычно присутствующих в технологических процессах на нефтепромыслах. Для этого у теплообменника имеются трубопроводы 28, 29, 30, 31 подвода и отвода названных технологических продуктов.The combustion products from the
Зависимости образования выбросов токсичных веществ (их содержание в продуктах горения) от температуры горения топлива (газ + воздух) представлены на графике (фиг. 3). График подтверждает минимизацию выброса NOx и СО в окружающую среду благодаря проведению процесса горения на беспламенной горелке при температуре не выше 1200°С по сравнению с процессом открытого пламени («Отчет по договору №4-НИР-12519/11 «Научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы по созданию экспериментальной технологии по утилизации попутного нефтяного газа с получением электрической и тепловой энергий» Этап 1 «Поиск и оценка существующих технологических и технических решений. Обзор законченных систем. Обоснование выбранного технического решения»», Научно-технический отчет ПАО, "Протон-ПМ", Пермь, 2011 г., стр. - 41).The dependence of the formation of emissions of toxic substances (their content in combustion products) on the combustion temperature of the fuel (gas + air) are shown in the graph (Fig. 3). The graph confirms the minimization of NOx and CO emissions into the environment due to the combustion process on a flameless burner at a temperature not exceeding 1200 ° C compared to the open flame process ("Report under contract No. 4-NIR-12519/11" Research, experimental design work on the creation of an experimental technology for the utilization of associated petroleum gas with the receipt of electrical and thermal energy "Stage 1" Search and assessment of existing technological and technical solutions. Review of completed systems. Justification of the selected technical solution "", Scientific and technical report of PJSC, "Proton- PM ", Perm, 2011, p. - 41).
Низкотемпературная беспламенная горелка позволяет решить вопрос уменьшения образования активных серосодержащих соединений за счет образования пассивных окислов, в том числе SO3 и тем самым продлить ресурс работы оборудования при сжигании серосодержащих топлив газов, в том числе попутного нефтяного газа (ПНГ). Эта горелка позволяет также:The low-temperature flameless burner makes it possible to solve the issue of reducing the formation of active sulfur-containing compounds due to the formation of passive oxides, including SO 3, and thereby extend the service life of equipment when burning sulfur-containing fuels, including associated petroleum gas (APG). This burner also allows:
- существенно уменьшить расход топлива за счет глубокой рекуперации тепла продуктов горения с передачей его подводимым к горелке топливу и воздуху;- significantly reduce fuel consumption due to deep recovery of the heat of combustion products with its transfer to the fuel and air supplied to the burner;
- обеспечить поддержание заданной адиабатической температуры горения топлива;- to ensure the maintenance of the specified adiabatic temperature of fuel combustion;
- минимизировать выброс NOx и СО в окружающую среду благодаря проведению процесса горения на беспламенной горелке при адиабатической температуре не выше 1200°С.- to minimize the emission of NOx and CO into the environment by carrying out the combustion process on a flameless burner at an adiabatic temperature not exceeding 1200 ° C.
На основе выше сказанного следует вывод, что техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения "Двигатель Стирлинга с регулируемой выходной мощностью", обеспечивает решение задачи изобретения - повышение эксплуатационно-технических, экономических и экологических характеристик за счет получения технического результата, а именно, создания технических средств, позволяющих повысить названные характеристики двигателя, состоящие в повышении энергетической эффективности, коэффициента полезного действия и экологичности выбрасываемых в атмосферу отработавших технических продуктов.Based on the above, it follows that the technical solution, which is the subject of the claimed invention "Stirling engine with adjustable output power", provides a solution to the problem of the invention - improving the operational, technical, economic and environmental characteristics by obtaining a technical result, namely, creating technical means , allowing to improve the named characteristics of the engine, consisting in increasing energy efficiency, efficiency and environmental friendliness of the spent technical products emitted into the atmosphere.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019143995A RU2741168C1 (en) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Stirling engine with controlled output power |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019143995A RU2741168C1 (en) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Stirling engine with controlled output power |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2741168C1 true RU2741168C1 (en) | 2021-01-22 |
Family
ID=74213040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019143995A RU2741168C1 (en) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Stirling engine with controlled output power |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2741168C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3854290A (en) * | 1972-09-13 | 1974-12-17 | Philips Corp | Hot-gas reciprocating engine |
US3857668A (en) * | 1969-08-02 | 1974-12-31 | Siemens Ag | Flameless catalytic combustion of hydrocarbon in porous sintered stones |
US4285665A (en) * | 1978-05-08 | 1981-08-25 | Johnson, Matthey & Co., Limited | Engines |
RU2135804C1 (en) * | 1997-05-12 | 1999-08-27 | Исмагилов Зинфер Ришатович | Catalytic engine |
RU2440504C1 (en) * | 2010-05-11 | 2012-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" | Cogeneration plant with internal combustion engine and stirling engine |
RU162044U1 (en) * | 2016-02-19 | 2016-05-20 | Владимир Валерьевич Жаров | STIRLING ENGINE WITH ADJUSTABLE OUTPUT POWER |
RU191262U1 (en) * | 2019-04-24 | 2019-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью ПРОЕКТНО-МОНТАЖНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭНЕРГОПРОМ-СЕРВИС" | INSTALLATION COGENERATIVE ON THE BASIS OF EXTERNAL COMBUSTION ENGINE |
-
2019
- 2019-12-26 RU RU2019143995A patent/RU2741168C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3857668A (en) * | 1969-08-02 | 1974-12-31 | Siemens Ag | Flameless catalytic combustion of hydrocarbon in porous sintered stones |
US3854290A (en) * | 1972-09-13 | 1974-12-17 | Philips Corp | Hot-gas reciprocating engine |
US4285665A (en) * | 1978-05-08 | 1981-08-25 | Johnson, Matthey & Co., Limited | Engines |
RU2135804C1 (en) * | 1997-05-12 | 1999-08-27 | Исмагилов Зинфер Ришатович | Catalytic engine |
RU2440504C1 (en) * | 2010-05-11 | 2012-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" | Cogeneration plant with internal combustion engine and stirling engine |
RU162044U1 (en) * | 2016-02-19 | 2016-05-20 | Владимир Валерьевич Жаров | STIRLING ENGINE WITH ADJUSTABLE OUTPUT POWER |
RU191262U1 (en) * | 2019-04-24 | 2019-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью ПРОЕКТНО-МОНТАЖНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭНЕРГОПРОМ-СЕРВИС" | INSTALLATION COGENERATIVE ON THE BASIS OF EXTERNAL COMBUSTION ENGINE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103912405B (en) | A kind of parallel motion thermal power machine and work method thereof | |
CN101509437B (en) | Highly effective high temperature external combustion engine | |
JP6916816B2 (en) | Combustion chamber device and system including combustion chamber device | |
RU2741168C1 (en) | Stirling engine with controlled output power | |
US3756022A (en) | External combustion engine | |
JP2010285964A (en) | Internal combustion stirling engine | |
KR102640548B1 (en) | Efficient heat recovery engine | |
CN103912404B (en) | A kind of parallel motion high low pressure power equipment and application thereof | |
RU2008124524A (en) | METHOD OF WORK OF MULTI-FUEL HEAT ENGINE AND COMPRESSOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
KR101997091B1 (en) | Combustion chamber independent combustion engine | |
RU179513U1 (en) | STEAM GAS GENERATOR | |
RU2686138C1 (en) | Method for obtaining highly overheated steam and detonation steam generator device (options) | |
RU78527U1 (en) | PISTON ENGINE | |
RU162044U1 (en) | STIRLING ENGINE WITH ADJUSTABLE OUTPUT POWER | |
US3677026A (en) | Internal combustion heat engine and process | |
CN201367951Y (en) | Efficient high-temperature external combustion engine | |
CN204829842U (en) | Fuel gas steam generator | |
RU2631849C1 (en) | Power plant and steam generator for this power plant (two versions) | |
CN203892053U (en) | Parallel-motion heat energy power machine | |
RU2107169C1 (en) | Steam engine | |
UA112910U (en) | STIRLING ENGINE (KM) | |
CN211399820U (en) | Waste gas combustion device based on silicon carbide heating rod | |
RU2338141C1 (en) | Installation for recovery of waste furnace gas heat | |
WO2016025562A1 (en) | External combustion engine and method | |
RU2146014C1 (en) | Heat engine; method of operation and design versions |