RU68067U1 - HEAT ENGINE (OPTIONS) - Google Patents
HEAT ENGINE (OPTIONS) Download PDFInfo
- Publication number
- RU68067U1 RU68067U1 RU2006120188/22U RU2006120188U RU68067U1 RU 68067 U1 RU68067 U1 RU 68067U1 RU 2006120188/22 U RU2006120188/22 U RU 2006120188/22U RU 2006120188 U RU2006120188 U RU 2006120188U RU 68067 U1 RU68067 U1 RU 68067U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working
- heat
- cylinders
- bellows
- pistons
- Prior art date
Links
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована для преобразования тепловой энергии в механическую. Тепловой двигатель (вариант 1) содержит рабочие цилиндры 1, 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3, 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Повышение КПД и экономичности двигателя достигается за счет исключения потерь тепла, передаваемого в окружающую среду. Для этого внутренние полости рабочих цилиндров 1, 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7, при этом рабочие цилиндры 1, 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, а каждый рабочий цилиндр 1, 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1, 2. Внутренние полости сильфонных поршней 3, 4 объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора 5 и заполнены трансформаторным или турбинным маслом. Тепловой двигатель (вариант 2) содержит рабочие цилиндры 1, 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3, 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Для этого внутренние полости рабочих цилиндров 1, 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7, при этом рабочие цилиндры 1, 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, а каждый рабочий цилиндр 1, 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1, 2. Внутренние полости сильфонных поршней 3, 4 сообщаются с атмосферой и имеют шток 23, проходящий внутри них. 2 н.п. ф-лы, 5 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to heat engineering and can be used to convert thermal energy into mechanical energy. The heat engine (option 1) contains working cylinders 1, 2 with a heated working fluid, inside of which are located bellows pistons 3, 4, made of non-conductive material, and connected to a crank mechanism. Improving the efficiency and efficiency of the engine is achieved by eliminating the loss of heat transferred to the environment. For this, the internal cavities of the working cylinders 1, 2, made of heat-conducting materials, are combined using a manifold 6 and bypass pipelines having control valves 7, while the working cylinders 1, 2 are located in the volume of the vessel 14 filled with transformer or turbine oil, and each the working cylinder 1, 2 is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections 15-22, consisting of two halves and installed with the possibility of sequential pressing them to the surface of the working cylinder Indra 1, 2. The internal cavities of the bellows pistons 3, 4 are combined using bypass pipelines and the manifold 5 and are filled with transformer or turbine oil. The heat engine (option 2) contains working cylinders 1, 2 with a heated working fluid, inside of which are located bellows pistons 3, 4, made of non-conductive material, and connected to a crank mechanism. For this, the internal cavities of the working cylinders 1, 2, made of heat-conducting materials, are combined using a manifold 6 and bypass pipelines having control valves 7, while the working cylinders 1, 2 are located in the volume of the vessel 14 filled with transformer or turbine oil, and each the working cylinder 1, 2 is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections 15-22, consisting of two halves and installed with the possibility of sequential pressing them to the surface of the working cylinder Indra 1, 2. The internal cavities of the bellows pistons 3, 4 communicate with the atmosphere and have a rod 23 passing inside them. 2 n.p. 5 wp f-ly, 3 ill.
Description
Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована во всех областях народного хозяйства, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.The utility model relates to heat engineering and can be used in all areas of the national economy, where the conversion of thermal energy into mechanical energy is required.
Известна паровая машина (первый массовый тепловой двигатель) - первичный поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. С конца 18 до конца 19 века паровая машина была единственным распространенным тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста. Коэффициент полезного действия (КПД) достигает 20-25% (см., например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с.360).A known steam engine (the first mass thermal engine) is a primary piston engine in which the potential energy of compressed water vapor is converted into mechanical work. The working process of a steam engine is caused by periodic changes in the elasticity of the steam in the cavities of its cylinder, the volume of which changes during the reciprocating movement of the piston, which is converted by means of a crank mechanism into rotational motion of the shaft. From the late 18th to the end of the 19th century, the steam engine was the only common heat engine in industry and transport. The steam engine has good traction characteristics, allows for large overloads and reversal, reliable, simple. The coefficient of performance (COP) reaches 20-25% (see, for example, the New Polytechnical Dictionary. Editor-in-chief A.Yu. Ishlinsky. - M.: Big Russian Encyclopedia, 2003, p. 360).
К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность и ограничение единичной мощности.The disadvantages of the steam engine include low efficiency and limited unit power.
Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС делятся на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении (см., например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с.414-420).Known internal combustion engine (ICE) is a heat engine in which fuel in a mixture with air is burned inside the working cylinders and the heat generated in this process is partially converted into mechanical work. ICEs are divided into carburetor engines that work in a cycle with heat supply at a constant volume, and diesel engines that work in a cycle with heat supply at a constant pressure (see, for example, Heat Engineering. Edited by I.N.Sushkin. - M.: Metallurgy, 1973, p. 414-420).
Общими недостатками всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40-50% и ограничение единичной мощности.Common shortcomings of all internal combustion engines is the lack of heat recovery of exhaust gases in the cycle, which reduces their thermal efficiency to 40-50% and the limitation of unit power.
Известна паротурбинная (паросиловая) установка, состоящая из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса, работающая по циклу Ренкина (см., например, Техническая термодинамика. А.С.Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с.365-368).Known steam turbine (steam power) installation, consisting of a steam boiler with a superheater, a steam turbine with a regeneration system, a condenser and a feed pump, working according to the Rankine cycle (see, for example, Technical thermodynamics. A.S. Yastrzhembsky. - M .: State energy Publishing House, 1953, p. 365-368).
К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря тепла из-за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.The disadvantages of steam turbine plants include heat loss due to regeneration restrictions caused by the properties of wet steam, as well as the complexity and cost of the plants.
Известна газотурбинная установка (ГТУ), состоящая из компрессора, сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания, камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри) происходит горение топлива и газовой турбины. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл (см., например, Техническая термодинамика. А.С.Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с.257-267).A gas turbine unit (GTU) is known, consisting of a compressor that compresses air directed to a combustion chamber, a combustion chamber in which fuel and a gas turbine are burned at constant pressure (Brighton cycle) or at a constant volume (Humphrey cycle). GTUs operating according to the Brighton cycle are equipped with regenerators that ensure the return of part of the heat of the exhaust gases to the cycle (see, for example, Technical Thermodynamics. A.S. Yastrzhembsky. - M.: State Energy Publishing House, 1953, p. 257-267).
К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона, относится, во-первых, то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, т.е. снижает возврат тепла в цикл. Во-вторых, более половины мощности, вырабатываемой турбиной, затрачивается на собственные нужду ГТУ, т.е. привод компрессора. Все это снижает КПД и экономичность установки.The disadvantages of gas turbines operating on the Brighton cycle include, firstly, that the heat transfer in the regenerator is limited. After compression in the compressor, the air temperature rises sharply, which leads to a decrease in the possibility of heat extraction of the flue gases, i.e. reduces heat return to the cycle. Secondly, more than half of the power generated by the turbine is spent on GTU's own needs, i.e. compressor drive. All this reduces the efficiency and efficiency of the installation.
К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри, относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора и иметь более благоприятные условия для регенерации, в этих установках на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.The disadvantages of gas turbines operating on the Humphrey cycle include the fact that, despite the fundamental possibility of operating without a compressor and having more favorable conditions for regeneration, in these plants there are practically no regenerators. For this reason, their efficiency is lower than that of gas turbines operating on the Brighton cycle.
Известна парогазовая установка (ПГУ), состоящая из ГТУ, работающей по циклу Брайтона и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котел утилизатор, генерирующий пар за счет тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50% (см., например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с.380-383).Known gas-vapor plant (CCGT), consisting of a gas turbine operating on the Brighton cycle and a steam turbine installation, in which instead of a steam boiler, a recovery boiler is used that generates steam due to the heat of the gas turbine exhaust gases. CCPPs have the highest efficiency in modern power engineering, exceeding 50% (see, for example, Heat Engineering. Under the general editorship of I.N.Sushkina. - M.: Metallurgy, 1973, p. 380-383).
К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, сложность и дороговизна установок.The disadvantages of CCGT include significant heat loss associated with its transfer to the environment, the complexity and high cost of the plants.
Таким образом, исследование уровня техники показало, что общим технологическим недостатком вышеперечисленных тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность. Причинами передачи тепла в окружающую среду являются или отсутствие регенерации тепла в цикл (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, ранее выпускавшиеся газотурбинные установки пульсирующего типа, работающие по циклу Гемфри), или Thus, a study of the prior art has shown that a common technological drawback of the above heat engines is the need to transfer to the environment a significant part of the heat supplied to the heat engine cycle. Mainly, therefore, they have low efficiency and profitability. The reasons for the transfer of heat to the environment are either the lack of heat recovery in the cycle (steam engines, internal combustion engines, previously produced pulsed gas turbine units operating on the Humphrey cycle), or
ограничения на глубину регенерации, которые накладываются процессом предварительного сжатия рабочего тела и наличием теплоперепада в регенераторе (газотурбинные установки с подводом тепла при постоянном давлении, работающие по циклу Брайтона), и свойствами рабочего тела (паротурбинные установки, работающие по циклу Ренкина).restrictions on the depth of regeneration, which are imposed by the process of preliminary compression of the working fluid and the presence of heat drop in the regenerator (gas turbine units with heat input at constant pressure, operating according to the Brighton cycle), and the properties of the working fluid (steam turbine installations operating according to the Rankine cycle).
Известна газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном трубопроводе которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания, при этом регенератор содержит расположенные внутри корпуса капсулы, установленные с возможностью взаимодействия с камерой сгорания, причем капсулы, с обеих торцевых сторон которых размещены запорные устройства, выполнены в виде цилиндров с поршнями. Капсулы расположены последовательно и установлены на ротационной или конвейерной линии, снабженной механизмом доставки капсул к камере сгорания, а камера сгорания выполнена цилиндрической и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы (см. патент РФ на изобретение №2154181, МПК F02C 7/08, 5/12, опубл. 10.08.2000 г.).A gas turbine installation is known, comprising a turbine, on the exhaust pipe of which a regenerator is installed, which is in communication with the combustion chamber, while the regenerator contains capsules located inside the housing and arranged to interact with the combustion chamber, the capsules having shut-off devices on both ends of which are made in the form of cylinders with pistons. Capsules are arranged in series and mounted on a rotary or conveyor line equipped with a mechanism for delivering capsules to the combustion chamber, and the combustion chamber is cylindrical and equipped with a piston moving mechanism inside the capsule (see RF patent for invention No. 2154181, IPC F02C 7/08, 5/12 , published on 08/10/2000).
К недостаткам этой установки относится то, что, несмотря на отсутствие процесса предварительного сжатия (отсутствие компрессора) и, следовательно, более глубокую регенерацию и более высокий КПД, полная регенерация тепла в данной установке невозможна. Это связано с необходимостью теплоперепада в регенераторе. Другим существенным недостатком данной установки является теплопередача в регенераторе в условиях газовой конвекции. В этих условиях коэффициент теплопередачи имеет низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора, снижающим экономичность установки.The disadvantages of this installation include the fact that, despite the absence of a pre-compression process (absence of a compressor) and, therefore, a deeper regeneration and higher efficiency, complete heat recovery in this installation is impossible. This is due to the need for heat transfer in the regenerator. Another significant drawback of this installation is the heat transfer in the regenerator in the conditions of gas convection. Under these conditions, the heat transfer coefficient is low, which leads to large dimensions of the regenerator, reducing the efficiency of the installation.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известная газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном патрубке которой установлены камера сгорания и регенератор, при этом регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания, дополнительно введен вспомогательный регенеративный контур, содержащий теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора, причем камера сгорания расположена на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя, при этом первый вход теплообменника-охладителя рабочего тела турбины соединен с первым выходом охлажденного рабочего тела регенератора, первый выход теплообменника-охладителя соединен The closest technical solution, selected as a prototype, is a well-known gas turbine installation containing a turbine, on the exhaust pipe of which a combustion chamber and a regenerator are installed, while the regenerator is made in the form of a housing, inside which there is a production line that moves the heated capsules installed on it the working fluid against the flow of the preheated working fluid in the combustion chamber, an auxiliary regenerative circuit is additionally introduced, containing a common heat exchanger-cooler of the turbine working fluid, a heat exchanger-heater of the turbine working fluid, an auxiliary turbine, an auxiliary turbine compressor and a compressor drive motor, the combustion chamber being located on the exhaust pipe from the turbine after the heat exchanger-heater, the first input of the heat exchanger-cooler of the turbine working fluid connected to the first output of the cooled working fluid of the regenerator, the first output of the heat exchanger-cooler is connected
со вторым входом регенератора, второй вход теплообменника-охладителя соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины, второй выход теплообменника-охладителя соединен с всасывающим патрубком компрессора вспомогательной турбины, нагнетательный патрубок компрессора вспомогательной турбины соединен со вторым входом теплообменника-подогревателя, второй выход теплообменника-подогревателя соединен с входным патрубком вспомогательной турбины, первый вход теплообменника-подогревателя соединен с выхлопным патрубком турбины, первый выход теплообменника-подогревателя соединен с входом в камеру сгорания, а выход камеры сгорания соединен с первым входом регенератора, причем первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй выход регенератора соединен с входным патрубком турбины (см. патент РФ на изобретение №2184255, МПК F02C 1/00, опубл. 27.06.2002 г.).with the second input of the regenerator, the second input of the heat exchanger-cooler is connected to the exhaust pipe of the auxiliary turbine, the second output of the heat exchanger-cooler is connected to the suction pipe of the compressor of the auxiliary turbine, the discharge pipe of the compressor of the auxiliary turbine is connected to the second input of the heat exchanger-heater, the second output of the heat exchanger-heater is connected to the inlet pipe of the auxiliary turbine, the first input of the heat exchanger-heater is connected to the exhaust pipe of the turbine, per the output of the heat exchanger-heater is connected to the entrance to the combustion chamber, and the output of the combustion chamber is connected to the first input of the regenerator, the first output of the heat exchanger-cooler is connected to the second input of the regenerator, the second output of the regenerator is connected to the turbine inlet (see RF patent for invention No. 2184255, IPC F02C 1/00, published on June 27, 2002).
К недостаткам этой установки относится то, что, несмотря на полную регенерацию тепла в данной установке, в ней сохранились существенные недостатки, присущие предыдущей установке. Здесь теплопередача в регенераторе и в теплообменниках теплового насоса также осуществляется в условиях газовой конвекции. В этих условиях коэффициент теплопередачи имеет низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора и теплообменников теплового насоса, что снижает экономичность установки.The disadvantages of this installation include the fact that, despite the complete heat recovery in this installation, it retained significant disadvantages inherent in the previous installation. Here, the heat transfer in the regenerator and heat exchangers of the heat pump is also carried out in gas convection. Under these conditions, the heat transfer coefficient is low, which leads to large dimensions of the regenerator and heat exchangers of the heat pump, which reduces the efficiency of the installation.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение КПД и экономичности установки. Это обеспечивается, с одной стороны, за счет отсутствия необходимости передачи тепла в окружающую среду для реализации цикла и с другой за счет организации процессов теплопередачи в установке в условиях кипящей жидкости, при которых коэффициент теплопередачи на несколько порядков выше, чем при свободной газовой конвекции, как в установке, принятой в качестве прототипа.The task to which the proposed utility model is directed is to increase the efficiency and efficiency of the installation. This is ensured, on the one hand, due to the absence of the need for heat transfer to the environment for the implementation of the cycle and, on the other hand, to the organization of heat transfer processes in a boiling liquid installation, in which the heat transfer coefficient is several orders of magnitude higher than with free gas convection, as in the installation adopted as a prototype.
Указанная задача достигается за счет того, что в тепловом двигателе, содержащем рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, согласно полезной модели, внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных This task is achieved due to the fact that in the heat engine containing the working cylinders, the internal cavities of which are filled with a heated working fluid, the pistons located in them are connected to the crank mechanism, according to the utility model, the internal cavities of the working cylinders made of heat-conducting materials combined by means of a manifold and bypass pipelines having control valves, working cylinders are located in the volume of the vessel filled with transformer or turbine oil, each The first working cylinder is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections, consisting of two halves and installed
с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом.with the possibility of sequentially pressing them to the surface of the working cylinder, while inside the working cylinders there are bellows pistons made of non-conductive material, the internal cavities of the bellows pistons are combined using bypass pipelines and a manifold and filled with transformer or turbine oil.
В качестве рабочего тела цилиндров может использоваться вода. Также в качестве рабочего тела цилиндров может быть использован агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении.As the working fluid of the cylinders, water can be used. Also, an agent having a low boiling point at atmospheric pressure can be used as the working fluid of the cylinders.
Указанная задача достигается также за счет того, что в тепловом двигателе, содержащем рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, согласно полезной модели, внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней сообщаются с атмосферой и имеют шток, проходящий внутри них.This problem is also achieved due to the fact that in a heat engine containing working cylinders, the internal cavities of which are filled with a heated working fluid, the pistons located in them, connected to the crank mechanism, according to the utility model, the internal cavities of working cylinders made of heat-conducting materials are combined with the help of a manifold and bypass pipelines having control valves, working cylinders are located in the volume of a vessel filled with transformer or turbine oil m, each working cylinder is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections, consisting of two halves and installed with the possibility of their sequential pressing against the surface of the working cylinder, while inside the working cylinders are bellows pistons made of non-conductive material, the internal cavity of the bellows pistons communicate with the atmosphere and have a stem passing inside them.
В качестве рабочего тела цилиндров также может использоваться вода, либо агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении, при этом в качестве агента может быть использован либо жидкий азот, либо жидкий радон, либо жидкий фторид бора.Water or an agent having a low boiling point at atmospheric pressure can also be used as the working fluid of the cylinders, while either liquid nitrogen or liquid radon or liquid boron fluoride can be used as an agent.
Все варианты выполнения предложенного теплового двигателя направлены на решение одной и той же технической задачи, а именно: повышение КПД и экономичности установки.All options for the implementation of the proposed heat engine are aimed at solving the same technical problem, namely: increasing the efficiency and efficiency of the installation.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется гидравлически, когда внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом (цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха и сосуд, заполненный кипящим маслом, в котором находятся рабочие цилиндры, не показаны) (вариант 1); на фиг.2 - конструктивная The utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a structural arrangement of the working cylinders of a heat engine in which the bellows pistons interact hydraulically when the internal cavities of the bellows pistons are combined using bypass pipelines and a manifold and are filled with transformer or turbine oil (cylindrical sections (shells) a heat-insulating casing and a vessel filled with boiling oil, in which the working cylinders are located, are not shown) (option 1); figure 2 - constructive
компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется гидравлически, когда внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом (рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха отодвинуты от поверхности обечайки одного из рабочих цилиндров (первого) и цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки другого рабочего цилиндра (второго) (вариант 1); на фиг.3 изображена конструктивная компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется механически при помощи штока, когда внутренние полости сильфонных поршней заполнены воздухом (вариант 2).arrangement of the working cylinders of a heat engine, in which the bellows pistons interact hydraulically when the internal cavities of the bellows pistons are combined using bypass pipes and a manifold and are filled with transformer or turbine oil (working cylinders are located in the volume of a vessel filled with transformer or turbine oil, cylindrical sections (shells ) the heat-insulating casing is moved away from the surface of the shell of one of the working cylinders (first) and the cylindrical sections and (shells) of the heat-insulating casing are pressed against the surface of the shell of another working cylinder (second) (option 1); Fig. 3 shows the structural arrangement of the working cylinders of the heat engine, in which the bellows pistons interact mechanically with the help of the rod when the internal cavities of the bellows pistons are filled air (option 2).
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 и 2 - рабочие цилиндры; 3 и 4 - сильфонные поршни; 5 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4; 6 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2; 7 - запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутреннюю полость рабочего цилиндра (1 и 2) и коллектора 6; 8 - сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9; 9 - ползун, передающий тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма; 10 - шатун; 11 - коленчатый вал; 12 - маховик кривошипно-шатунного механизма; 13 - сочленение между ползуном 9 и шатуном 10; 14 - сосуд, заполненный кипящим маслом, в котором находятся рабочие цилиндры 1 и 2; 15-22 - отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок (скорлуп), при сближении охватывающих рабочий цилиндр (1, 2); 23 - шток, проходящий во внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4.In the drawings, the following notation: 1 and 2 - working cylinders; 3 and 4 - bellows pistons; 5 - a collector connecting together the internal cavity of the bellows pistons 3 and 4; 6 - a collector connecting together the internal cavity of the working cylinders 1 and 2; 7 - shutoff valves on the pipeline connecting the internal cavity of the working cylinder (1 and 2) and collector 6; 8 - stuffing box seals in the place of passage through the wall of the working cylinder (1 and 2) of the slider 9; 9 - a slider transmitting traction from the bellows piston 3 to the connecting rod 10 of the crank mechanism; 10 - connecting rod; 11 - a cranked shaft; 12 - flywheel of the crank mechanism; 13 - the joint between the slider 9 and the connecting rod 10; 14 - a vessel filled with boiling oil, in which there are working cylinders 1 and 2; 15-22 - separate cylindrical sections, consisting of two halves (shells), when approaching, covering the working cylinder (1, 2); 23 - rod passing in the inner cavity of the bellows pistons 3 and 4.
По первому варианту выполнения полезной модели тепловой двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3 и 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Поперечное сечение рабочих цилиндров 1 и 2 может иметь любую удобную форму, например, круг, прямоугольник. Внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 соединяются воедино коллектором 5. Внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7.According to the first embodiment of the utility model, the heat engine comprises working cylinders 1 and 2 with a heated working fluid, inside of which are located bellows pistons 3 and 4, made of non-conductive material, and connected to the crank mechanism. The cross section of the working cylinders 1 and 2 may have any convenient shape, for example, a circle, a rectangle. The internal cavities of the bellows pistons 3 and 4 are connected together by a collector 5. The internal cavities of the working cylinders 1 and 2, made of heat-conducting materials, are combined using a manifold 6 and bypass pipelines having control valves 7.
Конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 теплового двигателя (вариант 1), при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 осуществляется гидравлически, показана на фиг.1 и 2. При этом внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора 5 и заполнены трансформаторным или турбинным маслом.The structural arrangement of the working cylinders 1 and 2 of the heat engine (option 1), in which the interaction of the bellows pistons 3 and 4 is carried out hydraulically, is shown in figures 1 and 2. In this case, the internal cavities of the bellows pistons 3 and 4 are combined using bypass pipelines and a manifold 5 and filled with transformer or turbine oil.
Внутренняя полость рабочих цилиндров 1 и 2 может быть заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05-0,1). Сальниковые уплотнения 8 установлены в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9. Сильфонные поршни 3 и 4 соединены ползуном 9 с кривошипно-шатунным механизмом. Ползун 9 передает тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма. Кривошипно-шатунный механизм преобразует тяговое усилие сильфонных поршней 3 и 4 во вращательное движение коленчатого вала 11, на котором расположен маховик 12. Между ползуном 9 и шатуном 10 выполнено сочленение 13.The inner cavity of the working cylinders 1 and 2 can be filled as boiling water with a working fluid (wet steam with a degree of dryness of the order of 0.05-0.1). Stuffing box seals 8 are installed in the place of passage through the wall of the working cylinder (1 and 2) of the slider 9. The bellows pistons 3 and 4 are connected by the slider 9 with a crank mechanism. The slider 9 transfers the traction force from the bellows piston 3 to the connecting rod 10 of the crank mechanism. The crank mechanism converts the traction force of the bellows pistons 3 and 4 into the rotational movement of the crankshaft 11, on which the flywheel 12. The joint 13 is made between the slider 9 and the connecting rod 10.
Рабочие цилиндры 1 и 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде 14 обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1 и 2. Съемный теплоизоляционный кожух в нужный момент или охватывает рабочий цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и рабочим цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.The working cylinders 1 and 2 are located in the volume of the vessel 14, filled with boiling transformer or turbine oil. The boiling of oil in the vessel 14 is provided by the supply of heat from an external source. Each working cylinder 1 and 2 is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections 15-22, consisting of two halves and installed with the possibility of their sequential pressing against the surface of the working cylinder 1 and 2. A removable heat-insulating casing at the right time or covers the working cylinder, stopping the heat transfer process between the boiling oil and the working cylinder, or frees the surface of the working cylinder and at the same time provides heat transfer from the boiling oil to the working fluid of the cylinder.
Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором 5 и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикрепленная к ползуну 9, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.The bellows piston, made in the form of a bellows, is fixed on one side with a pipeline connecting the internal cavity of the bellows piston to the manifold 5 and the working cylinder body, the other side, attached to the slider 9, is movable and moves (is compressed) in the internal cavity of the working cylinder, under exposure to increased pressure of the working fluid of the cylinder.
Сильфон - тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений, внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия (см. например. Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с.486).Bellows - a thin-walled corrugated tube or chamber made of steel, brass, bronze, stretching or contracting (like a spring) depending on the difference in pressure, inside and out, or from external force (see, for example, the New Polytechnical Dictionary. Editor-in-Chief A.Yu. Ishlinsky. - M.: Big Russian Encyclopedia, 2003, p. 486).
По второму варианту выполнения полезной модели тепловой двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3 и 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Поперечное сечение рабочих цилиндров 1 и 2 может иметь любую удобную форму, например, круг, прямоугольник. Внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7.According to the second embodiment of the utility model, the heat engine comprises working cylinders 1 and 2 with a heated working fluid, inside of which are located the bellows pistons 3 and 4, made of non-conductive material, and connected to the crank mechanism. The cross section of the working cylinders 1 and 2 may have any convenient shape, for example, a circle, a rectangle. The internal cavities of the working cylinders 1 and 2, made of heat-conducting materials, are combined using a manifold 6 and bypass pipelines having control valves 7.
Конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 теплового двигателя (вариант 2), при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 попарно обеспечивается с помощью штока 23, приведена на фиг.3, при этом рабочие цилиндры 1 и 2 расположены на одной осевой линии. Внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 заполнены воздухом (сообщаются с атмосферой) и имеют шток 23, проходящий внутри них.The structural arrangement of the working cylinders 1 and 2 of the heat engine (option 2), in which the interaction of the bellows pistons 3 and 4 in pairs is provided using the rod 23, is shown in figure 3, while the working cylinders 1 and 2 are located on the same axial line. The internal cavities of the bellows pistons 3 and 4 are filled with air (communicate with the atmosphere) and have a stem 23 passing inside them.
Внутренняя полость рабочих цилиндров 1 и 2 может быть заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05-0,1). Сальниковые уплотнения 8 установлены в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9. Сильфонные поршни 3 и 4 соединены ползуном 9 с кривошипно-шатунным механизмом. Ползун 9 передает тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма. Кривошипно-шатунный механизм преобразует тяговое усилие сильфонных поршней 3 и 4 во вращательное движение коленчатого вала 11, на котором расположен маховик 12. Между ползуном 9 и шатуном 10 выполнено сочленение 13.The inner cavity of the working cylinders 1 and 2 can be filled as boiling water with a working fluid (wet steam with a degree of dryness of the order of 0.05-0.1). Stuffing box seals 8 are installed in the place of passage through the wall of the working cylinder (1 and 2) of the slider 9. The bellows pistons 3 and 4 are connected by the slider 9 with a crank mechanism. The slider 9 transfers the traction force from the bellows piston 3 to the connecting rod 10 of the crank mechanism. The crank mechanism converts the traction force of the bellows pistons 3 and 4 into the rotational movement of the crankshaft 11, on which the flywheel 12. The joint 13 is made between the slider 9 and the connecting rod 10.
Рабочие цилиндры 1 и 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде 14 обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1 и 2. Съемный теплоизоляционный кожух в нужный момент или охватывает рабочий цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и рабочим цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.The working cylinders 1 and 2 are located in the volume of the vessel 14, filled with boiling transformer or turbine oil. The boiling of oil in the vessel 14 is provided by the supply of heat from an external source. Each working cylinder 1 and 2 is equipped with a removable heat-insulating casing made of separate cylindrical sections 15-22, consisting of two halves and installed with the possibility of their sequential pressing against the surface of the working cylinder 1 and 2. A removable heat-insulating casing at the right time or covers the working cylinder, stopping the heat transfer process between the boiling oil and the working cylinder, or frees the surface of the working cylinder and at the same time provides heat transfer from the boiling oil to the working fluid of the cylinder.
В предложенной конструкции теплового двигателя (варианты 1 и 2) сильфонный поршень напротив выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно выполнение In the proposed design of the heat engine (options 1 and 2), the bellows piston, on the contrary, is made of non-heat-conducting material. Possible execution
сильфонного поршня из названных выше теплопроводных материалов, но покрытых слоем нетеплопроводного материала. В предложенной конструкции сильфонный поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие и растяжение происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона (вариант 1) или сжатия под воздействием перепада давлений, а растяжение под воздействием штока 23 (фиг.3) (вариант 2).bellows piston from the above heat-conducting materials, but coated with a layer of non-heat-conducting material. In the proposed design, the bellows piston does not have spring properties either. Its compression and stretching occurs only under the influence of the differential pressure on the sides of the bellows (option 1) or compression under the influence of the differential pressure, and stretching under the influence of the rod 23 (figure 3) (option 2).
Тепловой двигатель работает следующим образом.The heat engine operates as follows.
Рабочий цикл предложенного теплового двигателя (вариант 1), конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 которого изображена на фиг.1, следующий. Сильфонный поршень 3 рабочего цилиндра 1 полностью растянут, а сильфонный поршень 4 рабочего цилиндра 2 полностью сжат (фиг.1). Теплоизоляционные кожуха на рабочих цилиндрах 1 и 2 (фиг.2) плотно прижаты к цилиндрам. Арматура 7 (фиг.1) на трубопроводах, соединяющих внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2 с коллектором 6, закрыта. Температура масла в сосуде 14 (фиг.2) доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда 14, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров 1 и 2 и давление масла внутри полостей сильфонных поршней 3 и 4 равно атмосферному. В этот момент арматура 7 на обоих рабочих цилиндрах 1 и 2 и теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 1 открываются. Цилиндрические секции (скорлупы) 15-22 теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1 (фиг.2). В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего в сосуде 14 масла, к рабочему телу цилиндра 1. Теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 2, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы 15-22 теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки рабочего цилиндра 2 (фиг.2). Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350°С) в полости сосуда 14 выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0.05-0,1), находящейся в полости рабочего цилиндра 1, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) рабочего цилиндра 1. Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей жидкости составляет величину порядка 2200-11000 Вт/(м2·К) (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985, с.228). Принимая коэффициент теплоотдачи от кипящего масла к металлической поверхности рабочего цилиндра, на выше отмеченном уровне и учитывая разность температур между кипящим маслом с внешней стороны цилиндра и кипящей водой с внутренней стороны, получаем, что мощность теплового потока, подводимого к рабочему телу The duty cycle of the proposed heat engine (option 1), the structural layout of the working cylinders 1 and 2 of which is shown in figure 1, the following. The bellows piston 3 of the working cylinder 1 is fully extended, and the bellows piston 4 of the working cylinder 2 is fully compressed (FIG. 1). The heat-insulating casing on the working cylinders 1 and 2 (figure 2) is tightly pressed to the cylinders. The valve 7 (Fig. 1) on the pipelines connecting the internal cavities of the working cylinders 1 and 2 with the collector 6 is closed. The temperature of the oil in the vessel 14 (figure 2) is brought to a boil. The pressure of boiling oil in the cavity of the vessel 14, the working fluid inside the cavities of the working cylinders 1 and 2 and the oil pressure inside the cavities of the bellows pistons 3 and 4 is equal to atmospheric. At this moment, the reinforcement 7 on both working cylinders 1 and 2 and the heat-insulating casing on the working cylinder 1 open. The cylindrical sections (shells) 15-22 of the heat-insulating casing are moved away from the surface of the shell of the cylinder 1 (figure 2). In this state, heat transfer is ensured from oil boiling in the vessel 14 to the working fluid of cylinder 1. The heat-insulating casing on the working cylinder 2, on the contrary, fits tightly onto the surface of the cylinder shell. The shells 15-22 of the insulating casing are pressed against the surface of the shell of the working cylinder 2 (figure 2). Thus, heat transfer from boiling oil to the working fluid of cylinder 2 is not possible. Since the temperature of oil boiling at atmospheric pressure (approximately 350 ° C) in the cavity of the vessel 14 is higher than the temperature of water boiling at atmospheric pressure (wet steam with a degree of dryness of 0.05-0.1) located in the cavity of the working cylinder 1, intense heat transfer energy from boiling oil to the working fluid (boiling water) of the working cylinder 1. The heat transfer coefficient from the surface of the metal to the boiling liquid is of the order of 2200-11000 W / (m 2 · K) (see, for example, Larikov NN Heat engineering. - M.: Stroyizdat, 1985, p.228). Taking the heat transfer coefficient from boiling oil to the metal surface of the working cylinder at the level noted above and taking into account the temperature difference between the boiling oil on the outside of the cylinder and boiling water on the inside, we obtain that the heat flux supplied to the working fluid
цилиндра, составит величину порядка 200-1000 Квт/м2. Рабочее тело (кипящая вода) в цилиндрах 1 и 2 и масло внутри сильфонных поршней 3 и 4 находятся в процессе работы теплового двигателя при постоянном объеме. Интенсивно подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела. При этом температура и давление масла внутри сильфонного поршня 3 рабочего цилиндра 1 не изменяется, так как поверхность сильфонного поршня 3 нетеплопроводна. В результате создается перепад давлений по сторонам сильфонного поршня 3 рабочего цилиндра 1. Сильфонный поршень 3 рабочего цилиндра 1 начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун 9 передается на кривошипно-шатунный механизм.cylinder, will amount to about 200-1000 kW / m 2 . The working fluid (boiling water) in cylinders 1 and 2 and the oil inside the bellows pistons 3 and 4 are in the process of operating the heat engine with a constant volume. Intensively supplied heat to the first cylinder causes an increase in pressure of its working fluid. In this case, the temperature and pressure of the oil inside the bellows piston 3 of the working cylinder 1 does not change, since the surface of the bellows piston 3 is non-conductive. As a result, a pressure differential is created on the sides of the bellows piston 3 of the working cylinder 1. The bellows piston 3 of the working cylinder 1 begins to compress, a tractive effort arises, which is transmitted through the slider 9 to the crank mechanism.
Возможны и другие известные кинематические схемы, преобразующие тяговое усилие сильфонного поршня в механическую энергию рабочего вала. Происходит преобразование энергии теплового потока, подводимого к рабочему телу цилиндра 1, в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сильфонного поршня 3, масло из его внутренней полости выдавливается и по коллектору 5 перетекает во внутреннюю полость сильфонного поршня 4. Сильфонный поршень 4 растягивается и выталкивает рабочее тело из полости рабочего цилиндра 2 через коллектор 6 в полость рабочего цилиндра 1, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня 3. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах 1 и 2 и масло внутри сильфонных поршней 3 и 4, перетекая, постоянно находятся при постоянном объеме. При этом доля подведенной к цилиндру тепловой энергии, пошедшей на перемещение масла из сильфонного поршня 3 в сильфонный поршень 4 и рабочего тела из полости цилиндра 2 в полость цилиндра 1, может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией, превращенной в механическую энергию на коленчатом валу. Тепловой поток q, подводимый к рабочему цилиндру 1 за период сжатия его сильфонного поршня 3, для конкретных температурных условий и размеров цилиндра 1 величина постоянная. Эта величина равна работе, производимой рабочим цилиндром 1 при сжатии сильфонного поршня 3Other well-known kinematic schemes are possible that convert the traction force of the bellows piston into the mechanical energy of the working shaft. The energy of the heat flux supplied to the working fluid of cylinder 1 is converted to mechanical energy on the crankshaft. When the bellows piston 3 is compressed, oil is squeezed out of its internal cavity and flows through the manifold 5 into the internal cavity of the bellows piston 4. The bellows piston 4 stretches and pushes the working fluid from the cavity of the working cylinder 2 through the manifold 6 into the cavity of the working cylinder 1, which is released upon compression bellows piston 3. Thus, the working fluid in cylinders 1 and 2 and the oil inside the bellows pistons 3 and 4, flowing, are constantly at a constant volume. In this case, the fraction of thermal energy supplied to the cylinder, which went to move the oil from the bellows piston 3 to the bellows piston 4 and the working fluid from the cavity of the cylinder 2 to the cavity of the cylinder 1, can be very small in comparison with the thermal energy converted into mechanical energy on the crankshaft . The heat flux q supplied to the working cylinder 1 during the compression period of its bellows piston 3 is constant for specific temperature conditions and cylinder 1 dimensions. This value is equal to the work performed by the working cylinder 1 during compression of the bellows piston 3
где q - тепловой поток, подведенный к рабочему цилиндру 1 в процессе сжатия сильфонного поршня 3; ΔР - перепад давлений между подогреваемым в рабочем цилиндре 1 рабочим телом и маслом внутри сильфонного поршня 3, находящимся при атмосферном давлении; Sc.n. - площадь поверхности сильфонного поршня (площадь гармошки); l - длина, на которую сокращается при сжатии сильфонный поршень 3, обеспечивая тяговое усилие.where q is the heat flux supplied to the working cylinder 1 during compression of the bellows piston 3; ΔР - pressure difference between the working fluid heated in the working cylinder 1 and the oil inside the bellows piston 3 at atmospheric pressure; S cn is the surface area of the bellows piston (accordion area); l is the length by which the bellows piston 3 is shortened during compression, providing traction.
При заданной длине рабочего цилиндра площадь поверхности сильфонного поршня можно изменять в очень широких пределах, изменяя число гармошек сильфона. Из формулы (1) видно, что если увеличивать площадь поверхности сильфонного поршня, то при постоянном тепловом потоке в рабочий цилиндр и постоянной работе сжатия сильфонного поршня будет уменьшаться перепад давлений между внешней и внутренней сторонами сильфона.For a given length of the working cylinder, the surface area of the bellows piston can be changed over a very wide range by changing the number of bellows harmonica. It can be seen from formula (1) that if the surface area of the bellows piston is increased, then with a constant heat flow into the working cylinder and constant compression of the bellows piston, the pressure differential between the outer and inner sides of the bellows will decrease.
Работа, производимая при сжатии сильфонного поршня 3, полученная из формулы (1), затрачивается на производство механической энергии (полезной работы) на коленчатом валу и на работу проталкивания масла из сильфонного поршня 3 в сильфонный поршень 4 и рабочего тела из полости рабочего цилиндра 2 в полость рабочего цилиндра 1. Затратами энергии на перетекание масла можно пренебречь, так как давление масла в обоих сильфонных поршнях одинаково, а гидравлические потери при перетоке масла можно сделать сколь угодно малыми. Работа по перемещению рабочего тела (кипящей воды) из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1 при сжатии сильфонного поршня 3 и растяжении сильфонного поршня 4 определяется из выраженияThe work performed by compressing the bellows piston 3, obtained from formula (1), is spent on the production of mechanical energy (useful work) on the crankshaft and on the work of pushing oil from the bellows piston 3 into the bellows piston 4 and the working fluid from the cavity of the working cylinder 2 in working cylinder cavity 1. Energy costs for oil flow can be neglected, since the oil pressure in both bellows pistons is the same, and hydraulic losses during oil flow can be made arbitrarily small. The work of moving the working fluid (boiling water) from the working cylinder 2 into the working cylinder 1 by compressing the bellows piston 3 and stretching the bellows piston 4 is determined from the expression
где А - работа перемещения рабочего тела; ΔР - перепад давлений между давлением подогретого рабочего тела в цилиндре 1 и давлением теплоизолированного рабочего тела цилиндра 2, находящемся при атмосферном давлении (перепад давлений в формуле (2) равен перепаду давлений в формуле (1)); ΔV - объем перемещаемого рабочего тела из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1 (эта величина постоянная).where A is the work of moving the working fluid; ΔР is the pressure difference between the pressure of the heated working fluid in cylinder 1 and the pressure of the heat-insulated working fluid of cylinder 2 at atmospheric pressure (the pressure differential in formula (2) is equal to the pressure differential in formula (1)); ΔV is the volume of the moving working fluid from the working cylinder 2 to the working cylinder 1 (this value is constant).
Выше было показано, что, увеличивая поверхность сильфона, можно значительно уменьшить перепад давлений в формулах (1) и (2). Тем самым значительно снижается работа (формула (2)) по перемещению рабочего тела из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1. В принципе эту работу можно сделать сколь угодно малой. Таким образом, в предлагаемом тепловом двигателе почти вся подведенная тепловая энергия преобразуется в механическую энергию на валу машины. Та небольшая часть тепловой энергии, которая потрачена на перемещение рабочего тела, также не теряется, а остается в цикле.It was shown above that by increasing the surface of the bellows, it is possible to significantly reduce the pressure drop in formulas (1) and (2). This significantly reduces the work (formula (2)) for moving the working fluid from the working cylinder 2 to the working cylinder 1. In principle, this work can be made arbitrarily small. Thus, in the proposed heat engine, almost all the supplied thermal energy is converted into mechanical energy on the shaft of the machine. That small part of the thermal energy that is spent on moving the working fluid is also not lost, but remains in the cycle.
По мере сжатия сильфонного поршня 3 в рабочем цилиндре 1 происходит прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха к поверхности рабочего цилиндра 1. Происходит это последовательно снизу вверх, сначала скорлупы 15 и так далее до скорлупы 22. Это необходимо для того, чтобы подводить тепло и поднимать давление рабочего тела только в рабочей зоне цилиндра 1, в зоне гармошки сильфона. Этим исключается подогрев рабочего тела и повышение его давления вне рабочей зоны, что в свою As the bellows piston 3 is compressed in the working cylinder 1, the shells of the insulating casing are pressed against the surface of the working cylinder 1. This happens sequentially from the bottom up, first the shell 15 and so on to the shell 22. This is necessary in order to bring heat and raise the pressure of the working fluid only in the working area of cylinder 1, in the area of the bellows harmonica. This eliminates the heating of the working fluid and increasing its pressure outside the working area, which in its
очередь не вызывает увеличение работы проталкивания. Последовательное прижатие скорлуп 15-22 нужно производить даже с некоторым опережением сжатия сильфонного поршня 3, что исключит постепенный перегрев рабочего тела от работы проталкивания и обеспечит полное преобразование энергии теплового потока в механическую энергию на валу машины.the queue does not cause an increase in push work. The sequential pressing of the shells 15-22 should be done even with a certain advance of the compression of the bellows piston 3, which will eliminate the gradual overheating of the working fluid from the work of pushing and will ensure the complete conversion of the heat flux energy into mechanical energy on the machine shaft.
Последовательное прижимание теплоизоляционных скорлуп к поверхности рабочего цилиндра можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединенной с коленчатым валом. Возможен также вариант оснащения теплового двигателя управляющим компьютером и системой датчиков по давлению и температуре рабочих агентов, положению механических элементов двигателя.Consistent pressing of heat-insulating shells to the surface of the working cylinder can be achieved using a kinematic scheme connected to the crankshaft. It is also possible to equip the heat engine with a control computer and a system of sensors for pressure and temperature of working agents, the position of the mechanical elements of the engine.
В момент полного сжатия сильфонного поршня 3, полного закрытия теплоизоляционным кожухом рабочего цилиндра 1, при полном растяжении сильфонного поршня 4 рабочего цилиндра 2, полностью раскрывается теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра 2, происходит сжатие сильфонного поршня 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от рабочего цилиндра 2 к рабочему цилиндру 1. Цикл замкнулся.At the moment of full compression of the bellows piston 3, complete closure of the working cylinder 1 by the heat-insulating casing 1, when the bellows piston 4 is completely stretched, the heat-insulating casing on the working cylinder 2 is fully opened. Heat supply to the working medium of cylinder 2 begins, and the bellows piston 4 is compressed. Further, all processes proceed in the same sequence as described above, but from the working cylinder 2 to the working cylinder 1. The cycle is closed.
Парных рабочих цилиндров в предложенном тепловом двигателе может быть сколь угодно в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий. Попарно отключая рабочие цилиндры 1 и 2 с помощью арматуры 7 и теплоизоляционных кожухов, можно в широких пределах осуществлять грубую регулировку мощности теплового двигателя. Самой различной может быть и пространственная компоновка рабочих цилиндров.Paired working cylinders in the proposed heat engine can be arbitrarily depending on the required power and other design conditions. By pairing off the working cylinders 1 and 2 with the help of fittings 7 and heat-insulating casings, it is possible to carry out coarse power control of the heat engine over a wide range. The spatial layout of the working cylinders may also be very different.
Рабочий цикл предложенного теплового двигателя (вариант 2), конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2, при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 осуществляется механически при помощи штока 23, следующий (фиг.3). Когда при подогреве рабочего тела рабочего цилиндра 1 его давление повышается, сильфонный поршень 3 начинает сжиматься. Шток 23 начинает перемещаться слева направо (фиг.3) и, растягивая сильфонный поршень 4 рабочего цилиндра 2, перемещает рабочее тело из полости рабочего цилиндра 2 через трубопровод 6 в полость рабочего цилиндра 1.The working cycle of the proposed heat engine (option 2), the structural arrangement of the working cylinders 1 and 2, in which the interaction of the bellows pistons 3 and 4 is carried out mechanically using the rod 23, the following (figure 3). When, when the working fluid of the working cylinder 1 is heated, its pressure rises, the bellows piston 3 begins to compress. The rod 23 begins to move from left to right (figure 3) and, stretching the bellows piston 4 of the working cylinder 2, moves the working fluid from the cavity of the working cylinder 2 through the pipe 6 into the cavity of the working cylinder 1.
Принципиально важным для работы предлагаемого теплового двигателя является поддержание постоянного давления в полости сильфонных поршней 3 и 4. Для схемы, изображенной на фиг.3, это достигается соединением внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4 с атмосферой. Для конструктивной схемы, изображенной на Fundamentally important for the operation of the proposed heat engine is to maintain a constant pressure in the cavity of the bellows pistons 3 and 4. For the circuit shown in figure 3, this is achieved by connecting the inner cavity of the bellows pistons 3 and 4 with the atmosphere. For the design shown in
фиг.1, можно предусмотреть соединение внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4 с расширительным бачком как, например, в системах отопления.figure 1, it is possible to provide for the connection of the internal cavity of the bellows pistons 3 and 4 with an expansion tank, as, for example, in heating systems.
В качестве рабочего тела в рабочих цилиндрах 1 и 2 возможно использовать агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении. Например: жидкий азот, жидкий радон, жидкий фторид бора и т.д. Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Это позволит иметь температурный перепад с низко потенциальными источниками тепловой энергии и использовать их как источник тепла. В этих условиях в качестве рабочего агента, заполняющего внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4, в схеме, показанной на фиг.1, необходимо использовать вещества, имеющие жидкое состояние при температурах кипения рабочего тела.As a working fluid in working cylinders 1 and 2, it is possible to use an agent having a low boiling point at atmospheric pressure. For example: liquid nitrogen, liquid radon, liquid boron fluoride, etc. There are a large number of inorganic and organic substances that meet these conditions. This will allow you to have a temperature difference with low potential sources of thermal energy and use them as a heat source. Under these conditions, as the working agent filling the internal cavities of the bellows pistons 3 and 4, in the circuit shown in Fig. 1, it is necessary to use substances having a liquid state at the boiling points of the working fluid.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120188/22U RU68067U1 (en) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | HEAT ENGINE (OPTIONS) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120188/22U RU68067U1 (en) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | HEAT ENGINE (OPTIONS) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU68067U1 true RU68067U1 (en) | 2007-11-10 |
Family
ID=38958664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006120188/22U RU68067U1 (en) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | HEAT ENGINE (OPTIONS) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU68067U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2552022C1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-06-10 | Юлай Масабихович Насибуллин | Hybrid corrugated internal combustion engine |
| RU2570941C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-12-20 | Юлай Масабихович Насибуллин | Crimped ice |
-
2006
- 2006-06-08 RU RU2006120188/22U patent/RU68067U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2552022C1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-06-10 | Юлай Масабихович Насибуллин | Hybrid corrugated internal combustion engine |
| RU2570941C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-12-20 | Юлай Масабихович Насибуллин | Crimped ice |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4747271A (en) | Hydraulic external heat source engine | |
| US7273023B2 (en) | Steam enhanced double piston cycle engine | |
| CN101509437B (en) | Highly effective high temperature external combustion engine | |
| Glushenkov et al. | Single-piston alternative to Stirling engines | |
| US9945321B2 (en) | Hot gas engine | |
| WO2015165199A1 (en) | Rotor high and low pressure power device and work-doing method therefor | |
| JP2023082139A (en) | Efficient heat recovery engine | |
| RU68067U1 (en) | HEAT ENGINE (OPTIONS) | |
| WO2016000400A1 (en) | Efficient thermal energy power device and work-doing method therefor | |
| CN101482056B (en) | Heat absorption and energy recovery type internal combustion engine | |
| TWM614077U (en) | Internal combustion engine booster system | |
| CN201367951Y (en) | Efficient high-temperature external combustion engine | |
| RU2360144C2 (en) | Device for converting heat energy into mechanical energy | |
| CN103423022A (en) | Rotor type external combustion engine air cylinder and rotor type external combustion engine | |
| RU2820046C1 (en) | Method of producing steam from water in steam engine | |
| RU2477375C2 (en) | Method of piston engine cycling and piston engine | |
| JP2005522628A (en) | External combustion engine | |
| RU104247U1 (en) | EXTERNAL HEAT ENGINE | |
| RU2050442C1 (en) | Method of operating engine with external heat supply and engine with external heat supply | |
| RU21219U1 (en) | STEAM ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY FOR DISPOSAL OF HEAT OF EXHAUST GAS ICE | |
| RU59737U1 (en) | PNEUMATIC V-SHAPED PISTON ENGINE FOR DISPOSAL OF HEAT OF EXHAUST GAS ICE | |
| CN101012785A (en) | Air supplemental heat transfer engine | |
| RU117517U1 (en) | EXTERNAL HEATING ENGINE | |
| RU2107169C1 (en) | Steam engine | |
| RU17946U1 (en) | ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY FOR DISPOSAL OF HEAT OF EXHAUST GAS ICE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20080609 |