WO2017164762A1 - Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа - Google Patents

Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа Download PDF

Info

Publication number
WO2017164762A1
WO2017164762A1 PCT/RU2016/000167 RU2016000167W WO2017164762A1 WO 2017164762 A1 WO2017164762 A1 WO 2017164762A1 RU 2016000167 W RU2016000167 W RU 2016000167W WO 2017164762 A1 WO2017164762 A1 WO 2017164762A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
heat exchanger
converter
heat
protrusions
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000167
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Анатольевич ЗАЙЦЕВ
Михаил Александрович НАДТОЧЕЙ
Original Assignee
ГАЙЗЕР, Эдуард Петрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГАЙЗЕР, Эдуард Петрович filed Critical ГАЙЗЕР, Эдуард Петрович
Priority to PCT/RU2016/000167 priority Critical patent/WO2017164762A1/ru
Publication of WO2017164762A1 publication Critical patent/WO2017164762A1/ru

Links

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
    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers

Definitions

  • the invention relates to mechanical engineering, namely to piston converters for engines with an external supply of heat, converted to mechanical energy.
  • F02G1 / 04, publ. 08/15/1981 containing a housing of at least one pair of cylinders, in each of which the internal cavity is divided by a piston into two chambers filled with a working fluid, connected to the corresponding chambers of the neighboring cylinder through a regenerator, and a heat supply source.
  • Known piston converter representing a cylinder with a piston forming a working chamber for engines with external heat supply (Patent RU JN ° 2343300, IPC F02G1 / 04, publ. 10.01.2009) and a distribution mechanism.
  • the distribution mechanism is located in the cylinder head and is made in the form of a spool displacer, which includes a housing with oppositely placed means of heat input - a heater and heat removal - a refrigerator, in which a rotating cylindrical spool is installed with a recess on a part of the side surface forming a displacement cavity associated with the working chamber ring channel.
  • the disadvantage of the converter is its large overall dimensions.
  • the task of the invention is the development of a piston converter equipped with a heat exchanger to increase the efficiency of engines with external heat supply using the proposed piston converter.
  • the problem is solved using the method of working the energy converter of the working fluid into mechanical work, or, conversely, mechanical work into the energy of the working fluid, in devices with external supply or removal of heat, including periodic movement of the piston 4 in the cylinder 5 of the working chamber of the converter with expansion or compression of the working body and the supply of heat to the working fluid or cooling the working fluid.
  • recesses or protrusions are made with the formation of a heat exchanger 1, 1a
  • reciprocal recesses or protrusions are made with the possibility of free movement of the piston 4 in the heat exchanger 1, 1a.
  • the method implements the temperature gradient of the heating or cooling heat exchanger 1, 1a, in which the temperature change coincides with the direction of movement of the movable piston 4.
  • the inlet channel of the working fluid 9 is performed at a point with a maximum temperature of the heating heat exchanger 1.
  • the counterparts of both the cylinder 5 and the piston 4 of the transducer are in the form of straight or concentric grooves — recesses and ribs — protrusions.
  • the counterparts of the cylinder 5, or the piston 4 of the transducer are made in the form of holes — recesses and mating rods — protrusions.
  • the counterparts of both the cylinder 5 and the piston 4 of the transducer are tilted with the side walls of the recesses and protrusions.
  • the heat exchanger 1, 1a of the converter consists mainly of a material with a high coefficient of thermal conductivity.
  • heat is supplied or removed to the working fluid through the converter heat exchanger 1, 1a by a liquid or gaseous heat carrier.
  • the converter heat exchanger 1, 1a is configured to allow gaseous or liquid heat carrier to pass through it.
  • a piston converter of the energy of the working fluid into mechanical work or, conversely, mechanical work into the energy of the working fluid, for devices with an external supply of heat, including a piston 4 and cylinder 5, forming a working chamber and heat exchanger 1, 1a.
  • recesses and protrusions are made in the form of axisymmetric ribs and grooves with the formation of a heat exchanger 1, 1a, and in protruding end parts of the piston 4 made protrusions and recesses in the form of grooves and ribs, with the possibility of free movement of the piston in the heat exchanger 1, 1A.
  • recesses and protrusions are made in the form of axisymmetric concentric ribs and grooves with the formation of a heat exchanger 1, 1a, and in the counter end part of the piston 4 there are concentric protrusions and recesses in the form of grooves and ribs, with the possibility of free movement of the piston 4 in the heat exchanger 1, 1a.
  • the gap between the grooves or ribs of the heat exchanger 1, 1a and the grooves or ribs in the mating end portion of the piston 4 is minimal.
  • the lateral surfaces of the ribs and grooves of the heat exchanger 1, la, as well as the grooves and ribs of the reciprocal end part of the piston 4, are inclined.
  • axisymmetric recesses or protrusions in the form of rods or holes are formed in the end part of the cylinder 5 to form a heat exchanger 1, 1a, and protrusions or recesses in the form of rods or holes are made in the counter end of the piston 4, respectively, with the free movement of the piston 4 in the heat exchanger 1 1a.
  • the gap between the walls of the rods or holes of the heat exchanger 1, 1a and the walls of the rods or holes of the counterpart of the piston 4 is minimal.
  • the walls of the rods or holes of the heat exchanger 1, 1a and the walls of the rods or holes of the reciprocal part of the piston 4 are made with an inclination.
  • the converter heat exchanger 1, 1a is for the most part made of a material with a high thermal conductivity.
  • the converter heat exchanger 1, 1 a is configured to allow gaseous or liquid heat carrier to pass through it.
  • the inlet channel of the working fluid is made at a point with a maximum temperature of the heating heat exchanger 1, 1a.
  • the piston converter is used in an alpha-type Stirling engine, in engines with external heat supply, in installations with external heat supply.
  • the technical result of the invention is the development of a piston Converter with the implementation of isothermal or close to process of expansion or contraction of the working fluid, with the organization of the supply or removal of heat to the working fluid during its expansion or contraction, which preserves the temperature of the working fluid and increases the work 1.5–2 times.
  • Such a converter is applicable in engines with an external supply of heat, if possible equipped with a recuperator.
  • FIG. 1 shows a piston converter of the energy of the working fluid into mechanical energy and vice versa.
  • FIG. 2 shows an application of a converter in an alpha-type Stirling engine.
  • FIG. Figure 3 shows a variant of a piston converter of the energy of the working fluid into mechanical energy and, conversely, with the implementation of the temperature gradient in the heat exchange part of the converter. Also shown is a different arrangement and arrangement of recesses and protrusions of the heat exchange and counterparts of the converter.
  • FIG. 1 shows a piston converter of the energy of the working fluid into mechanical energy and vice versa.
  • a feature of such a converter is a heat exchanger 1 with an increased heat exchange area located in the working chamber 2.
  • the heat exchanger 1 is designed to supply or remove heat from the working fluid located in the working chamber 2.
  • the heat exchanger 1 has a developed heat exchange surface, while the counterpart of the movable part of the converter, the piston 4 allows regardless of the increase in the area of the heat exchanger 1 to reduce the "dead volume" of the Converter to a minimum.
  • FIG. 1 An example of a developed surface of the heat exchanger 1 in FIG. 1 is shown in the form of grooves in the form of grooves made in the stationary part of the transducer and mating protrusions in the form of plates 3, which are integral with the piston 4.
  • the recesses in the form of grooves of the heat exchanger 1 and the plate 3 of the piston 4 are made with a gap allowing the working fluid to pass between them .
  • a developed surface can be made in the form of axisymmetric cylindrical recesses and protrusions in the form of rods, while grooves — recesses and plates — protrusions can be made with the walls inclined, and holes — recesses and rods — protrusions can be made conical.
  • the piston 4 and the cylinder 5 are sealed with rings 6.
  • the piston is connected to the crank mechanism 7, to transfer mechanical energy from the piston 4 or vice versa, any other mechanism similar to the crank can be used.
  • the control of the flow of the working fluid is implemented by valves 8 with electromagnetic actuators (not shown).
  • the piston converter operates as follows:
  • Valves 8 control the inlet or outlet of the working fluid coming from channel 9 and leaving channel 10.
  • This converter design is applicable to and without valves, for example, in well-known Stirling engines consisting of "hot” and “cold” cylinders.
  • the heat in the heat exchanger 1 is supplied by the coolant 11.
  • the arrows 12 show the direction of movement of the working fluid in the converter with heat supply.
  • the coolant 1 1 may be liquid or gaseous.
  • the liquid coolant can circulate both due to convection, and due to an external circulation pump (not shown), transferring heat from an external source to the heat exchanger 1.
  • the gaseous coolant can be the products of combustion of any fuel or, similar to a liquid coolant, transfer heat from external heat source. It is optimal to implement both options for supplying heat from the heat carrier to the heat exchanger with the coincidence of temperature gradients of both heat exchanger 1 and heat carrier 11, which will reduce the temperature of heat carrier 11 as much as possible and therefore make better use of the transported heat.
  • This converter design similarly to the heat supply function, can realize the heat removal from the working fluid compressed in the working chamber 2. In this case, when the piston 4 moves upward, the working fluid is compressed with the heat removed from it by the heat carrier through the heat exchanger 1.
  • the above-described principles of heat supply by the heat carrier 11 to the heat exchanger 1 are also feasible for the variant with heat removal.
  • FIG. 2 shows an application of the converter described above in the well-known alpha-type Stirling engine ("Sterling Engines” G. Reeder C. Hooper Moscow “Mir” 1986, pp. 31-32).
  • the difference between the converter in this arrangement is the presence of the "hot” and “cold” cylinders of the converter in the same engine with an external supply of heat.
  • FIG. 2 shows a specific application of both a converter with heat input through a heat exchanger 1 and a converter with heat removal through a heat exchanger 1a.
  • the converter operates as follows:
  • a feature of the converter used in this circuit is the absence of any valves to control the inlet or outlet of the working fluid.
  • the working fluid according to arrow 16 moves in different directions between the hot and cold cylinders along channel 18, each time passing through a regenerator 15 filled with heat storage by feasting elements.
  • the disclosed converter can be used in any other known embodiment of engines with an external supply of heat.
  • FIG. 3 shows a piston converter of the energy of the working fluid into mechanical energy and vice versa. Its difference from those shown in FIG. 1 and 2 of the options is that, as mentioned above, the developed surface for increasing the heat transfer area is achieved by conical holes - recesses 20 in the piston 4 and the counterpart of the heat exchanger 1, made in the form of conical rods - protrusions. The gaps between these rods and the recesses 20 in the piston 4 form the volume of the working chamber 2.
  • FIG. 3 also shows that for the implementation of the developed heat transfer surface in the converter, it does not matter where, on the piston 4 or heat exchanger 1, protrusions or recesses are made, the existing level of technology makes it possible to fully realize the most various variants of the developed heat transfer surface.
  • the heat exchanger 1 is designed to supply or remove heat from the working fluid located in the working chamber 2.
  • the heat is supplied to the working fluid not by the heat carrier and not through a relatively thin wall of the heat exchanger 1, but through the thickness of the metal of the heat exchanger 1 from an external heat source 19.
  • the protrusions of the heat exchanger 1 are made of heat-conducting material. It has been shown that it is possible to realize a temperature gradient 21 from the maximum temperature (T max) provided by the thermal conductivity of the material of the heat exchanger 1. This possibility of realizing a gradient along the height of the heat exchanger 1 can be used to avoid excessive overheating of the spent working fluid leaving the transducer through channel 10.
  • FIG. 3 shows that the feed channel of the working fluid 9 is made at a point with a maximum temperature, and the exhaust channel. 10 at a point with a lower temperature.
  • a feasible temperature gradient is also optimally suited for a harmonious supply of a heating medium, such as combustion products or other external heat carrier.
  • the heating medium interacting with the heat exchanger 1 will also have a temperature gradient that coincides in direction with the gradient of the heat exchanger 1 itself.
  • heat exchanger 1 when heat can be transferred to the working fluid not only through the thickness of the material of heat exchanger 1 itself, but also through a special material with a high coefficient of thermal conductivity, for example, graphite, copper, etc., which acts as a filler - heat carrier.
  • a special material with a high coefficient of thermal conductivity for example, graphite, copper, etc., which acts as a filler - heat carrier.
  • lateral surfaces of conical holes - recesses 20 of the piston 4 and rods - protrusions of the heater 1 are made with an inclination, which, as mentioned above, allows, when these surfaces diverge from each other, to increase the width of the gap between them, and to minimize the volume of the working chamber when they are closer together volume "to a minimum.
  • the piston converter is used in an Alpha-type Stirling engine, in engines with an external heat supply, in installations with an external heat supply equipped with heat recovery or heat recovery systems.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Предложен способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления его. Способ работы преобразователя энергии рабочего тела в механическую работу или, наоборот, механической работы в энергию рабочего тела, в устройствах с внешним подводом или отводом тепла включает периодическое движение поршня (4) в цилиндре (5) рабочей камеры преобразователя с расширением или сжатием рабочего тела и подводом тепла к рабочему телу или охлаждением рабочего тела. В торцевой части цилиндра (5) преобразователя выполняют выемки или выступы с образованием теплообменника (1), (1а), а в торцевой части поршня (4) выполняют ответные выемки или выступы, с возможностью свободного движения поршня (4) в теплообменнике (1), (1а). Техническим результатом является разработка поршневого преобразователя с реализацией изотермического или приближенного к нему процесса расширения или сжатия рабочего тела, с организацией подвода или отвода теплоты к рабочему телу во время его расширения или сжатия, что сохраняет температуру рабочего тела и в 1,5-2 раза увеличивает работу. Такой преобразователь применим в двигателях с внешним подводом теплоты, оборудованных рекуператором.

Description

Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и
преобразователь для осуществления способа
Область техники
Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым преобразователям для двигателей с внешним подводом тепла, преобразуемого в механическую энергию.
Предшествующий уровень техники
Известны двигатели с внешним подводом теплоты (а. с. СССР N 855241, МПК
F02G1/04, опубл. 15.08.1981), содержащие корпус, по меньшей мере одну пару цилиндров, в каждом из которых внутренняя полость разделена поршнем на две заполненные рабочим телом камеры, сообщенные с соответствующими камерами соседнего цилиндра через регенератор, и источник подвода тепла.
Эти двигатели при значительной площади теплообмена имеют низкий ресурс работы сильфонов, сложность их практической реализации и значительный объем «мертвого» пространства, остающегося в крайних положениях поршней в рабочих камерах цилиндров, негативно влияющего на эффективность работы подобных двигателей.
Известен двигатель Стерлинга (а.с.СССР 1270395, МПК F02G1/04, опубл.
15.1 1.1986), который снабжен по меньшей мере одной парой цилиндров, сообщенных между собой газовой связью через теплообменные аппараты, и рабочими поршнями, смещенными по фазе и связанными с механизмом отбора мощности. Такие двигатели оборудованы простой системой регулирования мощности.
В то же время этим двигателям присущи основные недостатки двигателей
Стерлинга, обусловленные вынесенными за пределы рабочей камеры теплообменниками, что ограничивает их площадь из-за возрастающего объема этих теплообменников или гидравлического сопротивления при попытках этот объем уменьшить. Эти факторы напрямую снижают эффективность работы двигателей.
Известна теплообменная часть двигателя Стирлинга, представляющая собой два цилиндра: горячий и холодный (Патент RU N° 2549273, МПК F02G1/055 , опубл. 27.04.2015). В поршневом преобразователе цилиндры выполнены с поршнями- вытеснителями равных диаметров и ходов поршней, противофазно движущимися, плотно подогнанными к цилиндрам. Цилиндры выполнены с общим рабочим пространством и уравновешенным действием рабочего давления на поршни- вытеснители.
Недостатком теплообменной части двигателя с использованием поршневых преобразователей является невысокий КПД, из-за вынесенных за пределы рабочей камеры теплообменников, что ограничивает их площадь из-за возрастающего объема этих теплообменников или гидравлического сопротивления при попытках этот объем уменьшить.
Известен поршневой преобразователь, представляющий цилиндр с поршнем, образующим рабочую камеру, для двигателей с внешним подводом теплоты (Патент RU JN°2343300, МПК F02G1/04, опубл. 10.01.2009) и распределительный механизм. Распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом.
Недостатком преобразователя являются большие массогабаритные характеристики.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка поршневого преобразователя, оборудованного теплообменником, для повышения КПД двигателей с внешним подводом теплоты, использующих предлагаемый поршневой преобразователь.
Поставленная задача решается с помощью способа работы преобразователя энергии рабочего тела в механическую работу или, наоборот, механической работы в энергию рабочего тела, в устройствах с внешним подводом или отводом тепла, включающего периодическое движение поршня 4 в цилиндре 5 рабочей камеры преобразователя с расширением или сжатием рабочего тела и подводом тепла к рабочему телу или охлаждением рабочего тела. В торцевой части цилиндра 5 преобразователя выполняют выемки или выступы с образованием теплообменника 1, 1а, а в торцевой части поршня 4 выполняют ответные выемки или выступы, с возможностью свободного движения поршня 4 в теплообменнике 1 , 1а.
Предпочтительно в способе реализуют температурный градиент греющего или охлаждающего теплообменника 1, 1а, в котором изменение температуры совпадает с направлением движения подвижного поршня 4.
Предпочтительно канал впуска рабочего тела 9 выполняют в точке с максимальной температурой греющего теплообменника 1.
Предпочтительно ответные части как цилиндра 5, так и поршня 4 преобразователя выполняют в форме прямых или концентрических пазов - выемок и ребер - выступов.
Предпочтительно ответные части цилиндра 5, или поршня 4 преобразователя выполняют в форме отверстий - выемок и ответных стержней - выступов.
Предпочтительно ответные части как цилиндра 5, так и поршня 4 преобразователя выполняют с наклоном боковых стенок выемок и выступов.
Предпочтительно теплообменник 1, 1а преобразователя состоит по большей части из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
Предпочтительно теплоту к рабочему телу подводят или отводят через теплообменник 1, 1а преобразователя жидким или газообразным теплоносителем.
Предпочтительно теплообменник 1, 1а преобразователя выполняют с возможностью пропуска через него газообразного или жидкого теплоносителя.
Также поставленная задача решается с помощью поршневого преобразователя энергии рабочего тела в механическую работу или, наоборот, механической работы в энергию рабочего тела, для устройств с внешним подводом теплоты, включающего поршень 4 и цилиндр 5, образующих рабочую камеру и теплообменник 1, 1а.
В торцевой части цилиндра преобразователя выполнены выемки или выступы с образованием теплообменника 1, 1а, а в торцевой части поршня 4 выполнены ответные выемки или выступы, с возможностью свободного движения поршня в теплообменнике 1 , 1а.
Предпочтительно в торцевой части цилиндра 5 выполнены выемки и выступы в форме осесимметричных ребер и пазов с образованием теплообменника 1, 1а, а в ответной торцевой части поршня 4 выполнены выступы и выемки в форме пазов и ребер, с возможностью свободного движения поршня в теплообменнике 1, 1а.
Предпочтительно в торцевой части цилиндра 5 выполнены выемки и выступы в форме концетрических осесимметричных ребер и пазов с образованием теплообменника 1 , 1а, а в ответной торцевой части поршня 4 выполнены концентрические выступы и выемки в форме пазов и ребер, с возможностью свободного движения поршня 4 в теплообменнике 1, 1а.
Предпочтительно зазор между пазами или ребрами теплообменника 1, 1а и пазами или ребрами в ответной торцевой части поршня 4 является минимальным.
Предпочтительно боковые поверхности ребер и пазов теплообменника 1, la, а также пазов и ребер ответной торцевой части поршня 4 выполнены наклонными.
Предпочтительно в торцевой части цилиндра 5 выполнены осесимметричные выемки или выступы в форме стержней или отверстий с образованием теплообменника 1, 1а, а в ответной торцевой части поршня 4 соответственно выполнены выступы или выемки в форме стержней или отверстий, с возможностью свободного движения поршня 4 в теплообменнике 1, 1а.
Предпочтительно зазор между стенками стержней или отверстий теплообменника 1, 1а и стенками стержней или отверстий ответной части поршня 4 является минимальным.
Предпочтительно стенки стержней или отверстий теплообменника 1, 1а и стенки стержней или отверстий ответной части поршня 4 выполнены с наклоном.
Предпочтительно теплообменник 1, 1а преобразователя по большей части выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
Предпочтительно теплообменник 1, 1а преобразователя выполнен с возможностью пропуска через него газообразного или жидкого теплоносителя.
Предпочтительно канал впуска рабочего тела выполнен в точке с максимальной температурой греющего теплообменника 1, 1а.
Предпочтительно поршневой преобразователь использован в двигателе Стерлинга альфа типа, в двигателях с внешним подводом теплоты, в установках с внешним подводом теплоты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка поршневого преобразователя с реализацией изотермического или приближенного к нему процесса расширения или сжатия рабочего тела, с организацией подвода или отвода теплоты к рабочему телу во время его расширения или сжатия, что сохраняет температуру рабочего тела и в 1,5 - 2 раза увеличивает работу.
Такой преобразователь применим в двигателях с внешним подводом теплоты, по возможности оборудованных рекуператором.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 показан поршневой преобразователь энергии рабочего тела в механическую энергию и наоборот.
На фиг. 2 показан вариант применения преобразователя в двигателе Стирлинга альфа типа.
На фиг. 3 показан вариант поршневого преобразователя энергии рабочего тела в механическую энергию и, наоборот, с реализацией температурного градиента в теплообменной части преобразователя. Также показано иное расположение и устройство выемок и выступов теплообменной и ответной частей преобразователя.
На фиг. 1 показан поршневой преобразователь энергии рабочего тела в механическую энергию и наоборот.
Особенностью такого преобразователя является теплообменник 1 с увеличенной площадью теплообмена, находящийся в рабочей камере 2. Теплообменник 1 предназначен для подвода или отвода теплоты от рабочего тела, находящегося в рабочей камере 2. Теплообменник 1 имеет развитую поверхность теплообмена, при этом ответная часть подвижной части преобразователя, поршня 4 позволяет не зависимо от увеличения площади теплообменника 1 свести "мертвой объём" преобразователя к минимуму.
Пример развитой поверхности теплообменника 1 на фиг. 1 показан в виде выемок в форме пазов, выполненных в неподвижной части преобразователя и ответных выступов в форме пластин 3, составляющих одно целое с поршнем 4. Выемки в форме пазов теплообменника 1 и пластины 3 поршня 4 выполнены с зазором, позволяющим проходить между ними рабочему телу. Аналогично пластинам 3 и пазам 4 развитая поверхность может выполняться в виде осесимметричных цилиндрических выемок и выступов в виде стержней, при этом, как пазы - выемки и пластины - выступы могут быть выполнены с наклоном стенок, так и отверстия - выемки и стержни - выступы могут быть выполнены коническими. Эта особенность расположения поверхностей позволяет ещё больше уменьшить "мертвый объём" между поршнем 4 и поверхностью теплообменника 1, при этом достаточные для прохождения рабочего тела зазоры образуются практически в самом начале движения поршня 4 от верхней мертвой точки преобразователя.
Поршень 4 и цилиндр 5 между собой уплотнены кольцами 6. Поршень соединён с кривошипно-шатунным механизмом 7, для передачи механической энергии от поршня 4 или наоборот, также может использоваться любой другой механизм аналогичный кривошипно-шатунному. Для показанного на фиг. 1 случая управление потоком рабочего тела реализуется клапанами 8 с электромагнитными приводами (не показаны).
Поршневой преобразователь работает следующим образом:
Клапаны 8 управляют впуском или выпуском рабочего тела из рабочей камеры поступающего по каналу 9 и выходящего по каналу 10. Данная конструкция преобразователя применима в конструкции и без клапанов, например в широко известных двигателях Стирлинга состоящих из "горячего" и "холодного" цилиндров.
Теплота в теплообменник 1 подводится теплоносителем 11. Стрелками 12 показано направление движения рабочего тела в преобразователе с подводом теплоты. Теплоноситель 1 1 может быть жидким или газообразным. При этом жидкий теплоноситель может циркулировать как за счет конвекции, так и за счет внешнего циркуляционного насоса (не показан), перенося теплоту от внешнего источника к теплообменнику 1. Газообразный теплоноситель может представлять собой продукты сгорания какого либо топлива или аналогично жидкому теплоносителю, переносить теплоту от внешнего источника тепла. Оба варианта подвода теплоты от теплоносителя к теплообменнику оптимально реализовывать с совпадением температурных градиентов как теплообменника 1 , так и теплоносителя 11 , что позволит максимально снизить температуру теплоносителя 11 и следовательно полнее использовать транспортируемую теплоту.
Данная конструкция преобразователя аналогично функции подвода теплоты может реализовывать и отвод теплоты от сжимаемого в рабочей камере 2 рабочего тела. В этом случае при движении поршня 4 вверх происходит сжатие рабочего тела с отводом теплоты от него теплоносителем через теплообменник 1. Описанные выше принципы подвода теплоты теплоносителем 11 к теплообменнику 1 реализуемы и для варианта с отводом теплоты.
В преобразователе данной конструкции применимы газообразные рабочие тела и пар. Основное преимущество описанного преобразователя, это реализация изотермического или приближенного к нему процесса расширения или сжатия рабочего тела без увеличения "мертвого объема", по приблизительным оценкам это позволит в 1,5 - 2 раза увеличить производимую работу. Для повышения эффективности силовых установок, данный преобразователь с теплообменником целесообразно применять в составе двигателей с внешним подводом теплоты, двигателях Стерлинга, по возможности оборудованных системами рекуперации или регенерации тепла.
На фиг. 2 показан вариант применения описанного выше преобразователя в широко известном двигателе Стерлинга альфа типа ("Двигатели Стерлинга" Г.Ридер Ч.Хупер Москва "Мир" 1986г. стр. 31-32). Отличием преобразователя в этой компоновке является наличие "горячего" и "холодного" цилиндров преобразователя в одном двигателе с внешним подводом теплоты. На фиг. 2 показано конкретное применение, как преобразователя с подводом теплоты через теплообменник 1, так и преобразователя с отводом теплоты через теплообменник 1а.
Преобразователь работает следующим образом:
В этом преобразователе, оборудованном теплообменником 1, совершается положительная работа газообразного рабочего тела над поршнем 4. В преобразователе, оборудованном теплообменником 1а, наоборот, поршнем 4а совершается отрицательная работа над сжимаемым газом, при этом теплоносителем Па через теплообменник 1а от рабочего тела отводится теплота.
Также особенностью применяемого в данной схеме преобразователя является отсутствие каких либо клапанов для управления впуском или выпуском рабочего тела. Рабочее тело согласно стрелке 16 разнонаправлено перемещается между горячим и холодным цилиндром по каналу 18, каждый раз проходя через регенератор 15, заполненный теплоаккуму пирующими элементами.
Оси "горячего" и "холодного" цилиндра в данном случае разнесены на 90 градусов, шатуны каждого из поршней 4 и 4а соединены с общим кривошипом. Оба цилиндра имеют общий картер 14. Данная конструкция широко известна из существующего уровня техники и подробного описания не требует ("Двигатели Стерлинга" Г.Ридер Ч.Хупер Москва "Мир" 1986г).
Помимо упомянутой компоновки, раскрываемый преобразователь может найти применение в любом другом известном варианте двигателей с внешним подводом теплоты.
На фиг. 3 показан поршневой преобразователь энергии рабочего тела в механическую энергию и наоборот. Его отличием от показанных на фиг. 1 и 2 вариантов является то, что как упоминалось выше, развитая поверхность для увеличения площади теплообмена достигается коническими отверстиями - выемками 20 в поршне 4 и ответной частью теплообменника 1, выполненной в виде конических стержней - выступов. Зазоры между этими стержнями и отверстия-выемки 20 в поршне 4 образуют объем рабочей камеры 2.
Фиг. 3 также показывает, что для реализации развитой поверхности теплообмена в преобразователе не имеет значения где, на поршне 4 или теплообменнике 1 выполнены выступы или выемки, существующий уровень техники позволяет полноценно реализовать самые различные варианты развитой поверхности теплообмена. Как говорилось ранее, теплообменник 1 предназначен для подвода или отвода теплоты от рабочего тела, находящегося в рабочей камере 2.
Особенностью теплообменника 1, показанного на фиг. 3, является то, что теплота к рабочему телу подводится не теплоносителем и не через относительно тонкую стенку теплообменника 1 , а через толщу металла теплообменника 1 от внешнего источника теплоты 19. Выступы теплообменника 1 выполнены из теплопроводящего материала. При этом показано, что возможна реализация температурного градиента 21 от максимальной температуры (Т max), обеспеченного теплопроводностью материала теплообменника 1. Эта возможность реализации градиента по высоте теплообменника 1 может быть использована для избежания излишнего перегрева отработанного рабочего тела, выходящего из преобразователя по каналу 10.
На фиг. 3 видно, что канал подачи рабочего тела 9 выполнен в точке с максимальной температурой, а канал выпуска. 10 в точке с меньшей температурой. Реализуемый градиент температуры также оптимально подходит для гармоничного подвода греющей среды, например продуктов сгорания или другого внешнего теплоносителя. При этом греющая среда, взаимодействующая с теплообменником 1, будет также иметь температурный градиент, совпадающий по направлению с градиентом самого теплообменника 1.
На фиг. 3 не показан вариант реализации теплообменника 1 , когда теплота к рабочему телу может передаваться не только через толщу материала самого теплообменника 1, но и через специальный материал с высоким коэффициентом теплопроводности, например, графит, медь и др., выполняющий роль наполнителя - теплоносителя.
В отличие от показанных на фиг. 1 и фиг. 2 прямолинейных боковых поверхностей пазов - выемок теплообменника 1 и ребер - выступов 3 поршня 4, на фиг. 3 боковые поверхности конических отверстий - выемок 20 поршня 4 и стержней - выступов нагревателя 1 выполнены с наклоном, что как говорилось выше, позволяет при расхождении этих поверхностей друг от друга увеличивать ширину зазора между ними, а при максимальном их сближении свести объем рабочей камеры "мертвый объем" к минимуму.
Лучший вариант осуществления изобретения
Все описанные варианты выполнения поршневого преобразователя и способы работы, описанные выше, являются лучшими вариантами осуществления изобретения.
Промышленная применимость
Поршневой преобразователь использован в двигателе Стерлинга альфа типа, в двигателях с внешним подводом теплоты, в установках с внешним подводом теплоты, оборудованных системами рекуперации или регенерации тепла.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ работы преобразователя энергии рабочего тела в механическую работу или, наоборот, механической работы в энергию рабочего тела, в устройствах с внешним подводом или отводом тепла, включающий периодическое движение поршня (4) в цилиндре (5) рабочей камеры преобразователя с расширением или сжатием рабочего тела и подводом тепла к рабочему телу или охлаждением рабочего тела, отличающийся тем, что в торцевой части цилиндра (5) преобразователя выполняют выемки или выступы с образованием теплообменника (1), (1а), а в торцевой части поршня (4) выполняют ответные выемки или выступы, с возможностью свободного движения поршня (4) в теплообменнике (1), (1а).
Способ по п.1, отличающийся тем, что реализуют температурный градиент греющего или охлаждающего теплообменника (1), (1а), в котором изменение температуры совпадает с направлением движения подвижного поршня (4).
Способ по п.1 , отличающийся тем, что канал впуска рабочего тела (9) выполняют в точке с максимальной температурой греющего теплообменника (1).
Способ по п.1, отличающийся тем, что ответные части как цилиндра (5), так и поршня (4) преобразователя выполняют в форме прямых или концентрических пазов - выемок и ребер - выступов.
Способ по п.1, отличающийся тем, что ответные части цилиндра (5), или поршня (4) преобразователя выполняют в форме отверстий - выемок и ответных стержней - выступов.
Способ по п. 1, отличающийся тем, что ответные части как цилиндра (5), так и поршня (4) преобразователя выполняют с наклоном боковых стенок выемок и выступов.
Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник (1), (1а) преобразователя состоит по большей части из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплоту к рабочему телу подводят или отводят через теплообменник (1), (1а) преобразователя жидким или газообразным теплоносителем.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник (1), (1а) преобразователя выполняют с возможностью пропуска через него газообразного или жидкого теплоносителя.
10. Поршневой преобразователь энергии рабочего тела в механическую работу или, наоборот, механической работы в энергию рабочего тела, для устройств с внешним подводом теплоты, включающий поршень (4) и цилиндр (5), образующих рабочую камеру и теплообменник (1), (1а) отличающийся тем, что в торцевой части цилиндра преобразователя выполнены выемки или выступы с образованием теплообменника (1), (1а), а в торцевой части поршня (4) выполнены ответные выемки или выступы, с возможностью свободного движения поршня в теплообменнике (1), (1а).
1 1. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что в торцевой части цилиндра (5) выполнены выемки и выступы в форме осесимметричных ребер и пазов с образованием теплообменника (1), (1а), а в ответной торцевой части поршня (4) выполнены выступы и выемки в форме пазов и ребер, с возможностью свободного движения поршня в теплообменнике (1), (1а).
12. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что в торцевой части цилиндра (5) выполнены выемки и выступы в форме концетрических осесимметричных ребер и пазов с образованием теплообменника (1), (1а), а в ответной торцевой части поршня (4) выполнены концентрические выступы и выемки в форме пазов и ребер, с возможностью свободного движения поршня (4) в теплообменнике (1), (1а).
13. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что зазор между пазами или ребрами теплообменника (1), (1а) и пазами или ребрами в ответной торцевой части поршня (4) является минимальным.
14. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что боковые поверхности ребер и пазов теплообменника (1), (1а), а также пазов и ребер ответной торцевой части поршня (4) выполнены наклонными.
15. Поршневой преобразователь по п. 10 отличающийся тем, что в торцевой части цилиндра (5) выполнены осесимметричные выемки или выступы в форме стержней или отверстий с образованием теплообменника (1), (1а), а в ответной торцевой части поршня (4) соответственно выполнены выступы или выемки в форме стержней или отверстий, с возможностью свободного движения поршня
(4) в теплообменнике (1), (1а).
16. Поршневой преобразователь по п. 15, отличающийся тем, что зазор между стенками стержней или отверстий теплообменника (1), (1а) и стенками стержней или отверстий ответной части поршня (4) является минимальным.
17. Поршневой преобразователь по п. 15, отличающийся тем, что стенки стержней или отверстий теплообменника (1), (1а) и стенки стержней или отверстий ответной части поршня (4) выполнены с наклоном.
18. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что теплообменник (1), (1а) преобразователя по большей части выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
19. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что теплообменник (1), (1а) преобразователя выполнен с возможностью пропуска через него газообразного или жидкого теплоносителя.
20. Поршневой преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что канал впуска рабочего тела выполнен в точке с максимальной температурой греющего теплообменника (1), (1а).
21. Поршневой преобразователь по любому из п.п. 10 - 20, отличающийся тем, что использован в двигателе Стирлинга альфа типа, в двигателях с внешним подводом теплоты, в установках с внешним подводом теплоты.
PCT/RU2016/000167 2016-03-25 2016-03-25 Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа WO2017164762A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2016/000167 WO2017164762A1 (ru) 2016-03-25 2016-03-25 Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2016/000167 WO2017164762A1 (ru) 2016-03-25 2016-03-25 Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017164762A1 true WO2017164762A1 (ru) 2017-09-28

Family

ID=59899669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000167 WO2017164762A1 (ru) 2016-03-25 2016-03-25 Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2017164762A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3106859A1 (fr) * 2020-02-04 2021-08-06 Gilles BRULE Moteur thermodynamique
WO2021259401A1 (en) * 2020-06-23 2021-12-30 MUCKA, Jiri Stirling engine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4446698A (en) * 1981-03-18 1984-05-08 New Process Industries, Inc. Isothermalizer system
SU1273625A1 (ru) * 1985-07-19 1986-11-30 Институт Физико-Технических Проблем Энергетики Ан Литсср Двигатель с внешним подводом теплоты
RU1089U1 (ru) * 1993-03-25 1995-11-16 Государственное предприятие - Лихоборское опытно-экспериментальное производство "Красная Звезда" Газовая поршневая машина с внешним теплообменом

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4446698A (en) * 1981-03-18 1984-05-08 New Process Industries, Inc. Isothermalizer system
SU1273625A1 (ru) * 1985-07-19 1986-11-30 Институт Физико-Технических Проблем Энергетики Ан Литсср Двигатель с внешним подводом теплоты
RU1089U1 (ru) * 1993-03-25 1995-11-16 Государственное предприятие - Лихоборское опытно-экспериментальное производство "Красная Звезда" Газовая поршневая машина с внешним теплообменом

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3106859A1 (fr) * 2020-02-04 2021-08-06 Gilles BRULE Moteur thermodynamique
WO2021156325A1 (fr) * 2020-02-04 2021-08-12 Gilles Brule Moteur thermodynamique
WO2021259401A1 (en) * 2020-06-23 2021-12-30 MUCKA, Jiri Stirling engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4446698A (en) Isothermalizer system
EP2841820B1 (en) Piston assembly
JP4897335B2 (ja) スターリングエンジン
EP2503133B1 (en) Heat exchanger and associated method employing a stirling engine
WO2017164762A1 (ru) Способ работы поршневого преобразователя с теплообменником и преобразователь для осуществления способа
ES2929623T3 (es) Motor térmico con una salida hidráulica dinámicamente controlable
Gehlot et al. Development and fabrication of Alpha Stirling Engine
JP2008223555A (ja) 熱機関
NL2024832B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
NL2024827B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
NL2024830B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
JP4867635B2 (ja) スターリングエンジン用体積変動部材
NL2024829B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
RU2778028C1 (ru) Нагревательная головка двигателя стирлинга
RU2788798C1 (ru) Тепловой блок двигателя стирлинга
RU2757746C1 (ru) Тепловой блок двигателя Стирлинга
NL2024833B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
NL2024831B1 (en) Energy transfer apparatus and associated methods
JP4929470B2 (ja) スターリング機関熱交換器
RU2271469C1 (ru) Тепловой компрессор
RU182024U1 (ru) Охладитель двигателя Стирлинга
RU2464504C1 (ru) Холодильная установка с оппозитной тепловой машиной стирлинга
WO2022256302A1 (en) Stirling engine with near isothermal working spaces
JP2024511582A (ja) 熱力学サイクルを有する熱機関及び関連する熱機関のためのカートリッジ
RU2183767C1 (ru) Тепловой компрессор

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16895627

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205 DATED 30.11.2018)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16895627

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1