Тепловая машина яковлевых

Тепловая машина яковлевых

Реферат

 

Изобретение относится к тепловым машинам и может быть использовано при разработке двигателей, холодильных машин и тепловых насосов. Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик путем повышения экономичности. Это достигается за счет выполнения теплообменника 1, установленного между нагнетателем 2 и кинематически соединенного с газовым мотором 3, из размещенных один в другом трубопроводов 4 - 6, образующих три канала 7 - 9, причем наружный канал 7 разделен на две полости поперечной перегородкой 10. Внутренний канал 9 и средний канал 8 соединены с патрубками газового мотора и нагнетателя таким образом, что рабочий газ движется в них противотоком, обеспечивая эффективный теплообмен. Источник нагнетательной среды 11 соединен с наружным каналом со стороны газового мотора, а охлаждающей среды 12 - со стороны нагнетателя, при этом выпускные окна выполнены по обе стороны перегородки. 3 ил.

Изобретение относится к тепловым машинам, работающим по замкнутому газовому циклу внешнего сгорания (двигателя Стирлинга), и может быть использовано при разработке двигателей, холодильных машин, тепловых насосов. Цель изобретения - улучшение функционально-эксплуатационных характеристик путем повышения экономичности тепловой машины типа Стирлинга. На фиг. 1 изображена газокинематическая схема тепловой машины; на фиг. 2 - цикл тепловой машины в координатах P-V; на фиг. 3 - цикл тепловой машины в координатах Т-V. Тепловая машина содержит теплообменник 1, газовый мотор 2 с выходным валом, кинематически соединенный с нагнетателем 3. Теплообменник 1 выполнен из трубопроводов 4-6, размещенных один в другом, которые образуют наружный канал 7, средний канал 8 и внутренний канал 9, вход которого соединен с выходным патрубком нагнетателя 3, а выход - с входным патрубком газового мотора 2, средний канал 8, вход в который соединен с выходным патрубком газового мотора 2, а выход - с входным патрубком нагнетателя. Наружный канал 7 разделен поперечной перегородкой на две полости, причем вход в одну полость соединен с источником охлаждающей среды 11, а вход в другую полость - с источником нагревательной среды 12. Теплообменник 1, газовый мотор 2 и нагнетатель 3 соединены в единый герметичный рабочий объем. На фиг. 2 представлена диаграмма состояния рабочего газа в координатах P-V (давление - объем) и результаты расчета численного примера рабочего цикла предложенной схемы тепловой машины в режиме двигателя. Расчет проводился на 1 кг азота. Участки 15-16 и 7-18 - адиабаты, участки 18-15 и 16-17 - изобары. Параметры точек следующие: V₁ = 21,5 л Т₁ = 300 К V₂ = 20,2 л Т₂ = 310 К V₃ = 65 л Т₃ = 1000 К V₄ = 69 л Т₄ = 970 К Р₁ = 40 кг/см² (4 МПа) Р₂ = 44 кг/см² (4,4 МПа) q₁ = 10 кДж - теплота, отводимая в окружающую среду. q₂ - 30 кДж - теплота, подводимая в нагревателе. q₃ = 660 кДж - теплота, рекуперированная в теплообменнике между центральным и средним каналами. А = 18,4 кДж - работа, вычисленная по площади диаграммы. q₂ - q₁ = 30-10 = 20 кДж - тепловая энергия, затраченная на работу в цикле. Термический КПД _т= = = 0,7 КПД предложенного цикла _ц= = 0,62 Из расчета следует, что предложенная схема тепловой машины позволяет осуществить значительное приближение к циклу Карно. На фиг. 3 изображена диаграмма в координатах Т - (температура - объем), где линия 16-17 - изобара при давлении Р₂ = 44 кг/см², линия 18-15 - изобара при давлении Р₁ = 40 кг/см². Сплошные линии ограничивают цикл в двигательном режиме при перепаде температур 300-1000 К, пунктирные линии ограничивают цикл холодильной машины при перепаде температур 300-97 К при тех же конструктивных параметрах тепловой машины. Тепловая машина в двигательном режиме действует следующим образом. В патрубок 13 подается нагревательная среда, например, горячие газы, нагретые керосиновой горелкой до 1000 К. Через стенку теплообменника нагревается газ во внутреннем канале 4, вследствие чего в нем поднимается давление. На газовом моторе 2 возникает перепад давления, заставляющий вращаться выходной вал 14. Через кинематическую связь движение передается на нагнетатель 1, который перекачивая газ из среднего канала 5 во внутренний канал 4, поддерживает перепад давления, который совершает работу в газовом моторе 2. Перепад давления зависит от соотношения объемной производительности кинематически связанных нагнетателя 1 и газового мотора 2, а также от перепада температур нагревательной и охлаждающей среды. Газ, перемещающийся по внутреннему каналу от нагнетателя 1 к газовому мотору 2, контактирует со стенкой теплообменника, снаружи которой по среднему каналу навстречу движется нагретый газ, прошедший газовый мотор 2 (температура 970 К). В результате теплообмена газ во внутренней трубе 4 будет нагреваться по мере продвижения к газовому мотору 2, а газ, идущий навстречу по среднему каналу, - терять тепло и охлаждаться по мере продвижения к входу в нагнетатель 1. Пройдя перегородку 7, газ (температура 310 К), поступающий по среднему каналу 5, контактирует со стенкой теплообменника, омываемой охлаждающей средой, и охлаждается до ее температуры (т.е. до температуры окружающей среды 300 К). На вход в нагнетатель 1 поступает максимально охлажденный газ. При этом в охлаждающую среду поступает доля тепла, выделяемая при адиабатическом сжатии газа в нагнетателе 1. Нагревательная среда, поступающая в патрубок 13, отдает тепловую энергию при температуре 1000 К газу, поступающему в газовый мотор, и по мере перемещения вдоль теплообменника охлаждается, передавая тепло через стенку между наружным и средним каналом газу, протекающему попутно из выхода газового мотора (температура газа 970 К), который охлаждается до температуры выхода из нагревателя (температура газа 310 К). До этой же температуры снижается температура нагревательной среды (с 1000 К до 310 К - почти до температуры окружающей среды). Утилизация тепловой энергии нагревательной среды осуществляется на = 100 = 98,6 % Если тепловая мощность подаваемой нагревательной среды постоянна, то мощность на выходном валу 14 газового мотора также будет постоянной. Частота вращения выходного вала 14 будет обратно пропорциональна моменту сопротивления. У двигателя оказывается исключительно мягкая механическая характеристика, идеальная, например, для применения в автомобильном транспорте. Если вал 14 тепловой машины принудительно вращать без циркуляции нагревательной и охлаждающей среды, то внешняя сила будет совершать работу по перекачке тепловой энергии из зоны теплообменника, примыкающей к нагнетателю, в зону, примыкающую к газовому мотору, пока не установится равновесный перепад температур, при котором работа, потребляемая нагнетателем и выделяемая в газовом моторе, не станут равны. Если подать охлаждающую среду в патрубок 12, а нагревательную среду ее подавать, то при принудительном вращении вала 14 тепловая машина начнет работать как тепловой насос, перекачивая тепло из холодной зоны теплообменника в горячую, пока не установится равновесное термическое состояние с указанными ниже температурами: Т₁ = 300 К - на входе в нагнетатель, Т₂ = 310 К - на выходе из нагнетателя, Т₃ = 1000 К - на входе в газовый мотор, Т₄ = 970 К - на выходе из газового мотора. При достижении этих температур момент сопротивления на валу 14 упадет до нуля. Если затем подать нагревательную среду в патрубок 13 (включить нагревательную горелку с температурой газов 1000 К, например, тепловой мощности 1 кВт, то на валу 14 появится движущий момент, и установится соответствующая частота вращения. Механическая работа, совершаемая тепловой машиной, будет 0,7 кВт. Тепловая машина работает в режиме холодильной машины, если на вал 14 подается внешняя механическая мощность, в патрубок 13 подается охлаждающая среда, например, с температурой 300 К, а в патрубок 12 подается хладагент, то в стационарном режиме установятся температуры Т₁ = 97 К - температура охлаждения хладагента, Т₂ = 100 К - начальная температура хладагента, Т₃ - 310 К - температура нагрева охлаждающей среды, Т₄ - 300 К - исходная температура охлаждающей среды. Хладопроизводительность равна тепловой мощности, поглощаемой охлаждающей средой, за вычетом подводимой механической мощности. Преимущества предлагаемой тепловой машины в следующем: 1. Повышенный КПД по сравнению с существующими тепловыми машинами за счет применения теплообменника с тремя каналами, определенным образом подсоединенных к нагнетателю и газовому мотору. 2. Применение однонаправленных потоков рабочего газа в теплообменнике позволяет исключить теплопотери на охлаждение попеременно-охлаждаемых и нагреваемых элементов конструкции, что также повышает экономичность тепловой машины. 3. Направление циркуляции нагревательной среды, совпадающее с направлением рабочего газа в среднем канале, позволяет утилизировать практически полностью тепловую энергию топлива, что также повышает экономичность тепловой машины в режиме двигателя. 4. Рациональная механическая характеристика постоянной мощности в режиме двигателя позволяет упростить трансмиссии транспортных средств и повысить их тепловую экономичность. 5. Исключительно простой и легкий запуск двигателя, который сводится только к зажиганию горелки, одинаковый для условий как низких, так и высоких температур окружающей среды. 6. Экологическая чистота тепловой машины в режиме двигателя. Это связано с тем, что сгорание углеводородного топлива происходит полностью в наружном канале теплообменника с возможностью подачи избытка кислорода. Уменьшение токсичности "выхлопа" способствует низкая температура выходящих из теплообменника сгоревших газов. Эти двигатели могут найти широкое применение в энергетике, на автомобильном и железнодорожном транспорте. В первую очередь этими двигателями необходимо снабдить внутрипроизводственный транспорт, затем коммунальный внутригородской транспорт, карьерные большегрузные самосвалы, затем очередь дойдет и до личных легковых автомобилей, у которых можно будет достигнуть экономичности 1 л топлива на 100 км пробега.

Формула изобретения

ТЕПЛОВАЯ МАШИНА ЯКОВЛЕВЫХ. Тепловая машина, содержащая газовый мотор с выходным валом, кинематически соединенный с нагнетателем, теплообменник, соединенный патрубками с источниками охлаждающей и нагревательной сред в единый герметичный рабочий объем, отличающаяся тем, что, с целью улучшения функционально-эксплуатационных характеристик путем повышения экономичности, в ней теплообменник выполнен из трубопроводов, размещенных один в другом с образованием внутреннего канала, вход которого соединен с выходным патрубком нагнетателя, а выход - с входным патрубком газового мотора, среднего канала, вход которого соединен с выходным патрубком газового мотора, а выход - с входным патрубком, нагнетателя, и наружного канала, разделенного поперечной перегородкой на две полости, причем вход в одну полость соединен с источником нагревательной среды, а вход в другую полость - с источником охлаждающей среды, при этом выходы из обеих полостей расположены по обе стороны перегородки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3