Способ квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа и тепловая машина для его осуществления

Способ квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа и тепловая машина для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить степень изотермизации процессов сжатия и расширения и обеспечить одностороннюю циркуляцию газа в теплообменных аппаратах. КвазиизотермИческие сжатие и расширение производятся путем последовательного подключения каждой из двух групп тепS В В tN

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (1% (11) (11 4 F 02 G 1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Е

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРеТений и ОткРытий (21) 3451318/25-06 (86) РСТ/RO 81/00005 (07. 09. 81) (22) 07.06.82 (31) 102311 (32) 08.10.80 (33) RO (46) 30.03.88. Бюл. ¹ 12 (7 1) 3е Нейшнл Инститьют фор Термэл

Енджинз (RO) (72) Андрей Василе Крисогилос (RO) (53). 621.41 (088.8) (56) Патент США № 3867815, кл. 60-682, опублик. 1975. (54) СПОСОБ КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКОГО

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ СЖАТИИ И РАСШИРЕНИИ ГАЗА И ТЕПЛОВАЯ ИАШИНА ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить степень изотермизации процессов сжатия и расширения и обеспечить одностороннюю циркуляцию газа в теплообменных аппаратах. Квазиизотермические сжатие и расширение производятся путем последовательного подключения каждой из двух групп теп1386038 лообменных аппаратов к одной камере сжатия и одной камере расширения переменного объема. Объемы последних и теплообменных аппаратов выполнены в определенном соотношении. При вращении ротора 4 рабочее пространство переменного объема будет последовательно соединяться в фазе сжатия с теплообменником (Т) А, а в фазе расширения с Т В при помощи использования окон f,,ïðåäóñìàòðèâàåìûõ в стенке рабочего пространства (РП).

Длительность соединения между РП Pl и Т должна разделяться на две фазы.

В течение первой фазы рабочий агент (РА) из Т А протекает в направлении

Изобретение относится к машино.строению, а именно к .двигателестроению, и может быть использовано при создании двигателей с внешним подво5 дом теплоты.

Целью изобретения является повышение степени изотермизации процессов сжатия и расширения и обеспечение односторонней циркуляции газа в lp

t теплообменных аппаратах.

На фиг. 1 показана принципиальная схема варианта роторно-лопастного двигателя с внешним подводом .теплоты, реализующего способ квазиизотерми- 15 ческого преобразования при сжатии и расширении газа; на фиг. 2 — диаграмма квазиизотермических процессов сжа1 тия и расширения в координатах P — V; на фиг. 3 — диаграмма квазиизотерми- 2р ческих процессов сжатия и расширения в координатах Т вЂ” S на фиг. 4 — теоретическая диаграмма цикла двигателя с внешним подводом теплоты в координатах P — V, на фиг ° 5 — вариант пор- 25 шневого двигателя с внешним. подводом теплоты, реализующего способ квазиизотермического преобразования при, сжатии и расширении газа; на фиг.б— сечение А-А на фиг. 5; на фиг. 7 — 3p деталь уплотнения окон, на фиг.8— сечение Б-Б на фиг, 5.

Роторно-лопастной двигатель с . внешним подводом теплоты (фиг. 1) содержит группу независимых охлаждаеРП а через окно Ь Т А и окно f, обеспечивая вместе с РА рабочего пространства создание полимерной смеси.

PA рабочего пространства передает тепло РА, который выходит из Т. Во второй фазе закрытие окна Ь и открытие окна с осуществляются одновременно, Два объема при этом соединяются вместе. Газ протекает от PA к Т через окна Й .и б, осуществляя подвод тепла к массе, которая покидает РП. Часть тепла от сжатия газов, выходящих из Т в РП, отводится через стенки Т наружу. Сжатие имеет подадиабатический характер. 2 с.и. 3 з.п. ф-лы, 8 ил. мых теплообменников А, каждый из которых содержит некоторое количество теплообменных блоков 1, снабженных окнами Ь, с, и группу независимых нагреваемых теплообменников В,каждый из которых содержит некоторое количество теплообменных блоков 2, снабженных окнами d, е. Блоки 1 и 2 размещены диаметрально противоположно на статоре 3, внутри которого размещен ротор 4 с лопатками 5, образующими камеры рабочего пространства ц переменного. объема, снабженные окнами f.

Двигатель снабжен входным окном б, выходным окном 7 и окном 8 сжатия.

В зависимости от назначения двигателя окна могут быть либо открыты, либо заглушены.

По другому варианту двигатель;реализующий предлагаемый способ, представляет собой поршневую машину, Поршневой двигатель с внешним подводом теплоты (фиг. 5) содержит вращающийся цилиндр 9, в котором размещен поршень 10 двойного действия с уплотняющими кольцами 11. Поршень размещен в подшипниках 12 на кривошипе р коленчатого вала 13 и состоит из двух половинок r, скрепляемых в плоскости разъема подшипников при помощи болтов 14. Коленчатый вал 13 закрепляется основными цапфами в поперечных крышках 15 и 16, снаб1386038 женных окнами t u на роликовых подшипниках 17 и 18. Вращающийся цилиндр

9 установлен на поперечных крышках 15 и 16 при помощи роликовых подшипников

19 и 20, которые располагаются на оси . 0-0, перпендикулярной продольной оси цилиндра, разделяя ее на две равные части, На коленчатом валу размещено зубчатое колесо 21 с наружными зубцами, которое осуществляет передачу с отношением 1:2 с зубчатым колесом

22, закрепленным на вращающемся цилиндре 9. В поперечных стенках вращающегося цилиндра 9 располагается четыре окна f сообщающиеся попарно с каждой рабочей камерой а переменного объема. На корпусе цапфы вращающегося цилиндра 9 закреплены два распределительных диска 23 с каждой сто- 20 роны от вращающегося цилиндра 9.Каждый из распределительных дисков 23 снабжен двумя окнами s откуда начинаются проходы 24, которые соединяют окна s с окнами f в стенках вращающегося цилиндра 9. Во время вращения распределительные диски 23 вместе с вращающимся цилиндром проходят окно s перед радиальными окнами t u располагаемыми на том же диаметре, что и окна s, Окна используются для подсоединения камеры а к теплообменникам А или В в первой фазе при помощи некоторого количества соединений 25,окна и используются для подсоединения камеры к теплообменникам А и В во второй фазе при помощи соединений 26.

Соединения 25 соответствуют выходу, а соединения 26 — входу теплообменного блока 1 или 2 (cM. фиг. 1).

Каждое из окон t u закрывается на трапецеидальном контуре при помощи линейных раскрывающихся сегментов

27 (фиг. 7), располагаемых в гнездах фиксированных крьппек 15 и 16. При по45 мощи линейных раскрывающихся сегментов, располагаемых в непрерывном ряду на перекрываемом трапецеидальном контуре на том же диаметре, что и окна

С, и также перекрывается два пространства v, располагаемые между двумя. группами окон t u соответствующих групп теплообменников А и B.

На наружных крьппках 15 и 16 в области, соответствующей нижней мерт- 5S вой точке поршня 10, находятся окна

v такой же формы и радиального расположения, что и окна t u каждое из которых подсоединяется к всасывающему патрубку 6. Так же, как и окна и, окна v перекрываются на. трапецеидальном контуре при помощи раскрывающихся линейных сегментов 27. Всасывающие окна w могут закрываться после достижения двигателем рабочего режима.

Роторно-лопастной двигатель свнешним подводом теплоты (фиг. 1) работает следующим образом.

При вращении ротора 4 рабочее пространство а переменного объема с начальными параметрами (Р,, U, Т ) последовательно подсоединяется в фазе сжатия к теплообменнику А, а в фазе расширения к теплообменнику В при помощи окон f в. стенке рабоче- го пространства. Параметры состояния рабочего агента в первом теплообменнике А равны (Р, U», Т, ) .

Длительность соединения между рабочим пространством а и теплообменником должна разделяться на две фазы.

Первую фазу, в течение которой рабочий агент теплообменника А протекает в направлении рабочего пространства а через окно Ь теплообменника. А н окно f в стенке рабочего пространства, обеспечивая вместе с рабочим агентом рабочего пространства создание политропной смеси, параметры состояния которой Р,, Ч +7,, Т,, рабочий агент рабочего пространства передает тепло рабочему агенту, который выходит из теплообменника.

Между величинами начального состояния двух газов следующие соотношения:

Ро с Р» 9 Т Т, в то время как параметры состояния политропной смеси имеют следующие соотношения:

Во второй фазе закрытие окна Ь и открытие окна с осуществляются одновременно, два объема при этом соединяются, газ протекает от рабочего пространства к теплообменнику через окна f с, осуществляя подвод тепла к массе, которая покидает рабочее пространство.

В то же время часть тепла от сжатия газов, выходящих из теплообменника и рабочего пространства, отводится через стенки теплообменника нару-.

1386Р38 (Р2 9 Ча2 9 Т2) 9 (Р2

Рл к.

Р сР

II

Тк ат„;

Т, I

P (Ро Рл Рк

Чо Чл к

Т =Тл ... =Тк о

45 т.е. Р„Ч„= const.

T =Т ... =T2KK, KЛ 2 а

О; жу, при этом сжатие имеет подадиабатический характер. В момент отсоединения первого охлаждаемого теплообменника А от рабочего пространства, 5 когца окно с закрывается, газ в рабочем пространстве находится в состояНИИ Рл9 V,, Т,, а Гаэ В ПЕРВОМ ОХЛаждаемом теплообменнике А находится в состоянии P(9 V 9 Т 10

По сравнению с начальными состояниями параметры состояния двух газов имеют следующие соотношения:

Рабочее пространство Рл)Р ; Т,=Т, Теплообменник . Рл P, Т, ) Т", Как только рабочее пространство !

6 отсоединится от охлаждаемого теплообменника А, оно подсоединяется к следующему охлаждаемому теплообменнику А, где процесс повторяется, как в случае с первым теплообменником.

Рабочий агент в теплообменнике А,отсоединяемом от рабочего пространства, находится в изохорном состоянии,осуществляя теплообмен в условиях стабильного объема в течение всего периода времени до подсоединения теплообменника к следующему рабочему пространству, которое находится в таком состоянии, что его параметры

30 могут считаться идентичными начальным параметрам, сохраняющимся до данного момента контакта с первым рабо9 II I i пРостРанством P Ча л 9 Т, .

После прохождения через все k теплообменников рабочее пространство З5 а проходит последовательно со стояния (Р,(, Ч(9 То ); (Р, Ч,, Т )... (P(,9 V Тк) со следующими соотношениями между параметрами состояния:

40 в то время как политропная смесь имеет последующие состояния:

Это представляет условия квазиизотермического состояния газа в рабочем пространстве, т.е. уменьшение отклонения с каждой стороны от изотермической кривой.

В то же время каждый теплообменник поочередно находится в двух состояниях: в то время как параметры состояния удовлетворяют следующим соотношениям:

Подача рабочего агента к теплообменникам при рабочих параметрах и воспроизведение этих параметров в каждом цикле осуществляется автома- . тически при помощи развития самого цикла, в котором рабочий агент поглощается при помощи всасывающего канала 6, постепенно заполняя калдь9й теплообменник при стабилизированных параметрах, воспроизводимых в каждом цикле. Последовательность явления абсорбции, образования политропной смеси„ образование общих объемов и изохорное охлаждение теплообменников обеспечивают стабильное равновесие системы благодаря монотонным изменениям параметров состояния газа в рабочем пространстве, а также в теплообменниках в отношении ограничений стабильности, самовоспроизводящихся в каждом цикле. Ограничение величин практически достигается после нескольких циклов работы машины.

Таким образом, ограничения, к которым стремятся давления P в рабочем пространстве при его отсоединении от каждого теплообменника, определяются следующими уравнениями: т -(9(л ( л л ал л -I(I, + Ч р (лс — p = p о о

1386038

1 =р, !!! 2

Рк к-! (1 к-!+ ак) 50

55!

+ P -P =О к-! к-1 к э где m, — политропный показатель- смеси двух газов;

m< — политропный показатель общего состояния газа в рабочем пространстве и в теплообменнике;

Т;

15 — — коэффициент изохорного сос-! тояния газа в i-м теплообменнике в период ожидания между периодами контактирования с двумя рабочими про- 20 странствами.

Газ в рабочем пространстве переменного размера смешивается изотермически с газом в охлаждаемом теплообменнике. Так, при m = 1 получим 25 следующие отношения для стабилизированных величин давлений Р„:

Р v.(v +v, )

-д 1 1 +!, Г! 4! 4 4! 30 р р 7 Ь+ч.-)" ч. / +1 !!!i-а V V + m -! 7

Щ / 2 43. 42

Величины P.; конечны, если между объемом в рабочем пространстве (V ) и объемом в независимом теплообменнике поддерживается соотношение 40 (v 7, ) -P;v . (v;, +74, ) ) О, Таким образом обеспечивается циркуляция рабочего агента в теплообменниках А только в одном направлении 45 (показанном вьппе), если между параметрами поддерживается следующее соотношение: (v, +v, ) -p;vÄ (v, +v„) о для квазиизотермического сжатия и (v;+v„)" -p; (v;-1+v„)" О для квазиизотермического расширения.

Интенсификация теплообмена до требуемого уровня изотермического состояния газа в рабочем пространстве при помощи теплообменников очевидна, с одной стороны, благодаря воздействию политропного показателя общего состояния !, величина которого лежит в области единицы, а с другой стороны, благодаря иэохорному теплообмену в теплообменниках, выраженному коэффициентом, который меньше единицы для иэотермы сжатия и вьппе единицы для изотермы расширения.

Диаграммы процессов квазиизотермического сжатия и расширения, представленные на фиг. 2 и 3, показывают что кривые дейст".ительного преобразования g для сжатия и Ь для расширения получаются в результате суммирования некоторого количества последовательных политропных преобразований, непрерывные точки i располага-. ются над и под теоретическими изотермическими кривыми j для сжатия и

1 для расширения.. Диаграмма, представленная на фиг. 3, показывает незави-. симость температуры от энтропии. Кривые даны только для действительного преобразования, т.е. кривая п - для сжатия, кривая о — для расширения.

Поршневой двигатель с внешним подводом теплоты согласно фиг. 5 работает следующим образом, Рабочий агент воздействует через поршень 10 двойного действия на коленчатый вал 13, и вращающийся цилиндр 9 поворачивается вокруг оси

0-0 со скоростью вращения, равной половине скорости вращения коленчатого вала. Движение перемещения в целом является колебательным, максимальный ход поршня равен четырехкратному расстоянию между осью ос" новной цапфы и осью коленчатого вала 13, т.е. четырехкратному эксцентриситету кривошипа. Общие силы инерции создают рациональную силу в фазе с положением коленчатого вала. Эта . сила может быть сбалансирована на коленчатом валу при помощи фиксированного противовеса в соответствии с известным способом.

Передача зубчатых колес 21 и 22 не принимает участия в передаче крутящего момента двигателя к коленчатому валу. Теоретически механизм пол,ностью работает без этой передачи.

Передача 21-22 дублирует кинематиI ческую цепочку поршень — кривошип, и ее целью является облегчение вращения цилиндра, когда направление действующих сил находится под кону1386038 сом трения (сцепления) без участия в передаче крутящего момента.

При введении зубчатой передачи контакт между поршнем и стенками вращающегося цилиндра уменьшается.

В двигателе осуществляется цикл

Карно за счет того, что в первой части сжатия рабочее пространство g последовательно приходит в контакт с охлаждаемым теплообменником А через соединения 25 и 26, окна t, u в поперечных крышках 15 и 16, окно

s на распределительном диске 23,проходы 24 H окна f B стенках вращающегося цилиндра 9, подавая часть рабочего агента в эти теплообменники и сжимая квазиизотермическим способом остальную часть рабочего агента.

Как только рабочее пространство а отделяется от охлаждаемого теплообменника А, начинается адиабатическое сжатие рабочего агента, который ,остается в рабочем пространстве до верхней мертвой точки поршня. С этой целью двигатель. снабжен соответствующей тепловой изоляцией.

В момент достижения поршнем верхней йертвой точки рабочее пространство Д подсоединяется к теплообменнику В, как описано выше, при этом осуществляется нагрев рабочего агента. После отсоединения рабочего пространства от последнего теплообменника В рабочий агент, оставшийся внутри, подвергается адиабатическому расширению, пока всасывающее окно открыто, и рабочее пространство о всасывает количество рабочего агента, равное количеству, подаваемому в две группы теплообменников А и В во время предыдущего цикла. Затем цикл повторяется последовательно для двух рабочих пространств О, Процесс подачи рабочего агента в рабочее пространство стабилизируется после нескольких оборотов коленчатого вала, при этом всасывание уменьшается до нуля и всасывающее окно v должно закрыться. После закрытия окна w двигатель с рабочим агентом работает 50 в замкнутом цикле. Мощность двигателя увеличивается пропорционально увеличению давления рабочего агента.

Всасывание рабочего агента может осуществляться либо непосредственно 55 из атмосферы, либо из закрытого объема. В последнем случае параметры состояния рабочего агента могут отличаться по величине от параметров атмосферы, Рабочий агент может представлять собой любой газ, смесь газов или однородную смесь газа с жидкостью. Охлаждение теплообменников

А может осуществляться обычным путем при помощи охлаждающего агента, в то время как нагревание теплообменника В может осуществляться при помощи использования любых тепловых источников, включая геотермальную воду, солнечные источники, источники ядерной энергии или топливные горелки любого типа.

Если в соответствии с изобретением тепловая машина работает в качестве компрессора, то группа теплообменников В и выходное соединение

7 могут быть исключены при сохранении те лообменников А и увеличении всасывающего патрубка 6, при этом должно быть использовано соединение

8 сжатия. Тепловая машина, которая работает в качестве компрессора, должна сжимать газ в одной ступени при относительно высокой степени сжатия, выпуская газ при температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Компрессор., который работает в соответствии с изобретением, может содержать синтетические материалы для поршня, сегментов, клапанов и т.д., при этом достигается относительная простота конструкции, уменьшение веса и размеров вследствие исключения промежуточных ступеней сжатия.

Если тепловая машина работает в качестве теплового насоса или холодильной установки, то расположение двух групп теплообменников должно быть изменено таким образом, чтобы обеспечить получение цикла в противоположном направлении по сравнению с его работой в качестве двигателя внешнего сгорания. Группа теплообменников В должна. содержать источники тепла и соответствовать той части насоса, которая подает тепло, в то время как вторая группа теплообменников А должна соответствовать той части холодильной установки, которая может осуществлять охлаждение.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н.и я

1. Способ квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа путем последовательного

1386038 подключения двух групп теплообменных аппаратов к камерам сжатия и расширения переменного объема, о т л ич а ю щ и Й с я тем, что, с целью увеличения степени изотермизации про5 цессов, в течение сжатия и расширения осуществляют циклические подключения и отключения каждого теплообменного аппарата каждой группы к одной камере 0 сжатия и одной камере расширения переменного объема для обеспечения газообмена между теплообменными аппаратами и камерами в две фазы: при сжатии в первой фазе поток газа выt5 текает из охлаждаемого теплообменного аппарата в камеру сжатия переменного объема до момента выравнивания в них давления, во.второй фазе поток газа втекает в охлаждаемый теплообменный аппарат из камеры сжатия переменного объема, при расширении в первой фазе поток газа втекает в нагреваемый теплообменный аппарат из камеры расширения переменного объема до момента выравнивания в них давления, во второй фазе поток газа вытекает из нагреваемого теплообменного аппарата в камеру расширения переменного объема.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что характер процессов втекания и вытекания газа в теплообменные аппараты обеспечивают путем задания закона изменения объема камер. 35

3. Тепловая машина для квазиизотермического преобразования при сжатии и расширении газа, содержащая вращающийся цилиндр, установленньж на поперечных крышках,, поршень двойного действия, установленный в цилиндре и образующий с его днищами камеры сжатия и расширения, подключенные каналами соответственно к группам теплообменных аппаратов, контак- 45 тирующих с охладителем и нагревателем, и коленчатый вал привода поршня и цилиндра, отличающаяся тем, что, с целью увеличения степени изотермизации процессов, машина до; 50

-.cëíèòeëüzIî снабжена распределителЬными дисками с окнами распределения и проходами, закрепленными на дисках и цилиндре, в стенке цилиндра в районе днищ выполнены цилиндровые окна, сообщающиеся с проходами и с окнами распределения, а в поперечных крышках выполнены окна подключения теплообменных аппаратов к камерам сжатия и расширения и уплотняющий трапецеидальный контур, контактирующий с распределительными дисками, причем теплообменные аппараты в каждой группе выполнены с возможностью независимого контакта с нагревателем и охладителем и каждый из них подключен к окнам подключения в крышках.

4. Машина по п, 3, о т л и ч а ющ а я с я тем, что окна подключе- . ния теплообменных аппаратов и пространство между ними расположены радиально и выполнены в виде линейных раскрывающихся сегментов, располагающихся в непрерывном ряду в виде контуров трапецеидальной формы.

5. Машина по пп. 3 и 4,, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что, с целью обеспечения односторонней циркуляции газа в теплообменных аппаратах, объемы теплообменных аппаратов и пе-. ременные объемы камер выполнены в соответствии с соотношениями для квазиизотермического сжатия (v;+v„) — р; (v;, +v,; )" о, для квазиизотермического расширения: (v;+v„) p,ч (v v,) > 0 (v;+v,;) - p; (v;, +v„) > о, где V; — объем камеры в момент ее подключения к а-му теплообменному аппарату

Ч вЂ” объем 1 го теплообменника; ш — политропный показатель об2 щего состояния газа в полости и в теплообменном аппарате;

Г—, — коэффициент изохорного состояния газа в теплообменнике, 1386038

Фиг, 3 зяьозв

1386038

l 3 8á038

Составитель И.Дикопов

Редактор И.Рыбченко Техред Л. Сердюкова

Корректор С.Шекмар

Заказ 1427/58 Тираж 505 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4