Способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида и устройство для его осуществления

Способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топливной смеси, в иной вид энергии, преобразуемой в полезную работу.

Изобретение может быть использовано для производства распространенного и многочисленного класса тепловых машин - двигателей внутреннего сгорания.

Широко известны традиционные способы преобразования тепловой энергии в механическую, в основе которых лежит круговой замкнутый тепловой цикл, состоящий из различных термодинамических процессов с результирующей положительной работой, возможной лишь в том случае, когда на одних участках цикла тепло подводится, а на других отводится.

Устройства для осуществления указанных способов содержат системы подготовки топливно-воздушной смеси и цилиндры с поршнями, совершающими возвратно-поступательное движение. Поршни через кривошипно-шатунный механизм соединены с различными потребителями энергии. Устройства имеют индивидуальные конструктивные особенности, обеспечивающие, например, уменьшение габаритов, снижение механических и гидравлических потерь, повышение эффективности работы. КПД таких двигателей теоретически достигает значения 0,73 (при степени сжатия 12), а практически не превышает значения 0,35-0,41 (35-41%) [см., например. Малая советская энциклопедия, т.7, с.446-447, т.9, с.231, изд. "Советская энциклопедия", 1960 г.; з. РФ №93018064, опубл. 27.08.1996, МПК F 02 B 71/04; з. РФ №94016348, опубл. 20.12.1995, МПК F 02 B 1/00; з. РФ №97103884, опубл. 27.03.1999, МПК F 02 B 33/22; з. РФ №99119829, опубл. 27.06.2001, МПК H 02 N 11/00; п. РФ №2063560, опубл. 10.07.1996, МПК F 04 F 7/00; п. РФ №2066384, опубл. 10.09.1996, МПК F 02 B 75/32, 75/18, 41/06; п. РФ №2120046, опубл. 10.10.1998, МПК F 02 B 75/28, 75/32; п. РФ №2136926, опубл. 10.09.1999, МПК F 02 B 71/04; п. РФ №2151891. опубл. 27.06.2000, МПК F 02 B 33/22; п. РФ №2196236, опубл. 10.01.2003, МПК F 02 B 71/00, 75/32; п. РФ №2209324, опубл. 27.07.2003, МПК F 02 B 71/04; п. РФ №2212544, опубл. 20.09.2003, МПК F 01 B 3/04 и др.].

Основным недостатком известных, указанных выше, способов преобразования тепловой энергии в механическую и устройств для их осуществления является относительно низкий КПД.

Известны также способы преобразования тепловой энергии в механическую с использованием бескривошипных или бесшатунных устройств. Такие устройства содержат блоки цилиндров, а для обеспечения кругового возвратно-поступательного движения поршней снабжены, например, кулачковым диском или маховиками с рабочими и опорными роликами [см., например, п. РФ №2182241, опубл. 10.05.2002, МПК F 02 B 75/26, F 01 B 9/02; з. РФ №99101287, опубл. 27.10.2000, МПК F 02 B 75/32 и др.].

Подобные способы и устройства за счет увеличения степени расширения по сравнению со степенью сжатия хотя и снижают расход топлива (позволяют использовать практически весь энергозапас сгоревшего топлива) и механические потери, являются достаточно сложными (как технологически, так и конструктивно) и КПД повышают незначительно.

Кроме того, известны способы преобразования тепловой энергии с использованием термочувствительного рабочего тела в виде жидкости с растворенной в ней легко испаряемой (или легко замерзаемой) составляющей. В этих способах могут также использоваться жидкости, постоянно пребывающие в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла, или две несмешивающиеся жидкости.

Реализация данных способов осуществляется в устройствах, содержащих испарители (парогенераторы), поглотители тепловой энергии, систему преобразования с импульсным гидроприводом и инерционным аккумулятором, а также различные исполнительные механизмы [см., например, з. РФ №92009037, опубл. 20.01.1995, МПК F 03 G 7/06; з. РФ №96116166, опубл. 27.11.1998, МПК F 02 B 71/04; з. РФ №97100003, опубл. 20.02.1999, МПК F 01 K 19/08; п. РФ №2006672, опубл. 30.01.1994, МПК F 03 G 7/06; п. РФ №2081345, опубл. 10.06.1997, МПК F 03 G 7/06; п. РФ №2189496, опубл. 20.09.2002, МПК F 03 G 7/06 и др.].

В последних из описываемых способов и устройств использовано свойство жидкостей расширяться, обеспечивая возвратно-поступательное движение поршней с раскручиванием маховиков исполнительных механизмов.

Однако и эти способы и устройства имеют конструктивные сложности и низкие КПД и, как следствие, ограниченное применение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида (в механическую энергию) путем сжигания топлива с образованием рабочего тела (газа), передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору (поршню), совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма (кривошипно-шатунного механизма с маховиком и коленчатым валом).

Устройство для осуществления описываемого способа (классический двигатель внутреннего сгорания) представляет собой замкнутую поршневую систему (цилиндры с поршнями внутри), на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а жестко связанные поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом (кривошипно-шатунным механизмом с маховиком и коленчатым валом), снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника (коленчатого вала и маховика).

Данные способ и устройство для его осуществления за счет модернизации некоторых узлов могут достигать величин степени сжатия 13-18 и эффективного КПД 0,35 (35%) [см.Internet autoinf.tgb.ru, "Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС)", дата публикации 18 окт. 2002].

Недостатки прототипа (способа и устройства) общие для подобных объектов, а именно:

- большие габариты и масса;

- сложность конструкции;

- необходимость использования строго определенных видов топлива;

- ограниченная степень сжатия газов;

- низкий КПД и мощность двигателя.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно создание технологии и устройства для ее реализации, обеспечивающих возможность увеличения КПД процесса в целом и снижение эксплуатационных расходов.

Поставленная задача решается тем, что способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору, совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, при этом в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивает получение инерционного напора.

Устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида, представляющее собой замкнутую систему в виде трубы, на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а внутри - поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом, снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника, при этом в качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости; в качестве исполнительного механизма установлен объемный насос, на выходном трубопроводе которого расположен полый карман.

В устройстве труба выполнена прямолинейной или имеет U-образную форму.

В устройстве столб несжимаемой жидкости в прямолинейной трубе снабжен с противоположных сторон уплотнителями, обеспечивающими сохранение его формы.

Заявляемые параметры способа преобразования тепловой энергии в энергию другого вида и предлагаемая конструкция устройства для его осуществления необходимы и достаточны для решения поставленной задачи. Причем замена традиционного исполнительного механизма на столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости приводит к исключению силы, направленной по нормали к зеркалу цилиндра, имеющей место в кривошипно-шатунных механизмах и вызывающей энергетические потери на преодоление сил трения. Наличие указанной силы лимитирует конструктивно-прочностные характеристики современных ДВС.

Кроме того, осуществление способа в заявляемых условиях с помощью предлагаемого устройства приводит к вовлечению в число используемых факторов для получения положительной работы так называемого инерционного напора в момент ускорения или торможения столба жидкости [см. Т.М.Башта и др. "Гидравлика, гидромашины и гидроприводы", гл. 10, "Неустановившееся движение жидкости в трубах", с.136-140]. При этом увеличивается КПД процесса в целом, снижаются эксплуатационные расходы на систему смазки и замену трущихся деталей (металлические поршни, кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал, маховик и т.п.).

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение неизвестно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность изготовления заявляемого устройства для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида из преимущественно серийно выпускаемых деталей и приспособлений свидетельствует о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 и 2 схематично представлено заявляемое устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида: на фиг.1 - устройство с прямолинейной трубой; на фиг.2 - устройство с трубой U-образной формы.

Обозначения на фигурах:

1 - линейная или U-образная труба

2 - камера сгорания

3 - столб «несжимаемой жидкости»

4 - объемный насос

5 - газообразная или жидкая среда

6 - полый карман

7 - уплотнители

8 - поршни объемного насоса

9 - нагнетательная и всасывающая камеры объемного насоса.

Заявляемое устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида состоит из замкнутой поршневой системы, представляющей собой прямолинейную или U-образную трубу 1, выполненную из Ст. 3 с напылением, например, из цинка. На противоположных концах трубы 1 размещены камеры сгорания 2 для образования рабочего тела. В качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости 3. Исполнительный механизм - объемный насос 4, энергетический приемник которого - газообразная или жидкая среда 5, непрерывно движущаяся за счет полого кармана 6, расположенного на выходном трубопроводе насоса 4.

Объемный насос 4 снабжен поршнями 8 и имеет две камеры: нагнетательную и всасывающую 9, функции которых меняются в процессе работы насоса 4.

Столб несжимаемой жидкости 3 (фиг.1) в прямолинейной трубе 1 снабжен уплотнителями 7, например, из нержавеющей стали.

Потребителями энергии могут быть насосы, любые гидротурбины или другие гидро- и пневмомашины.

В качестве топлива может быть использован природный газ, пропан - бутан и т.п.

Заявляемые способ и устройство для его реализации прошли испытания в опытно-промышленных условиях УрО РАН (г.Екатеринбург). Пример. Перекачка жидкости к потребителю.

Для осуществления перекачки жидкости использовали устройство с трубой U-образной формы (Фиг.2).

Характеристики устройства:

D_bh=100 мм; D_нар=120 мм; длина U-образного канала 3,8 м; объем полого канала V=30 л.

Параметры способа

Задаваемая мощность N=50 кВт; степень сжатия воздуха ε=30; столб несжимаемой жидкости - воды массой М=30 кг; топливо-природный газ (давление газа в трубопроводе Ртр=3 атм); температура сжатого воздуха перед впрыскиванием топлива в камере сгорания Т=715°С; энергетический приемник - жидкая среда - вода (давление воды в выходном трубопроводе объемного насоса Рнас=3,5 атм); длительность "рабочего хода" τ=0,02 с.

В левую камеру сгорания 2 U-образной трубы 1, где уже находился предварительно сжатый воздух (Рвозд=100 атм), подавали топливо под давлением Ртопл=110 атм. Происходило воспламенение топлива, и столб несжимаемой жидкости 3 - жидкий поршень начинал ускоренное движение из верхней мертвой точки (в.м.т.) в направлении нижней мертвой точки (н.м.т.) под действием давления рабочего тела (расширяющихся продуктов сгорания топлива), осуществляя "рабочий ход". В это же время в правой камере сгорания 2 через открытые клапаны происходило удаление продуктов сгорания с одновременным заполнением U-образной трубы 1 воздухом. При достижении в.м.т. в правой камере сгорания 2 "жидким поршнем" 3 или по отношению к левой камере сгорания 2 - достижении н.м.т. осуществляли впрыск топлива под давлением Ртопл=110 атм, начиная обратный процесс возвратно-поступательного движения. Инерционный аккумулятор - столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости 3 при приближении к н.м.т. тормозился, при этом его кинетическая энергия увеличивалась на величину инерционного напора.

Одновременно в объемном насосе 4 происходило снятие полезной работы, т.е. жидкая среда - вода 5 из заполненной нагнетательной камеры 9 под действием полого кармана 6 непрерывно поступала к потребителю энергии. Причем при выпуске воды из нагнетательной камеры 9 вода из входного трубопровода объемного насоса 4 заполняла всасывающую камеру 9 под действием возникающего разрежения. Функции камер при работе устройства постоянно меняются, совершая попеременно нагнетание и всасывание.

Эффективный КПД η=50%.

Как видно из приведенного примера, осуществление способа преобразования тепловой энергии в другой вид энергии в заявляемых условиях с использованием предлагаемого устройства по сравнению со способом и устройством, взятыми за прототип [см. Internet autoinf.tgb.ru, "Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС)", дата публикации 18 окт. 2002], обеспечивают следующие технические и общественно-полезные преимущества:

- увеличение эффективного КПД на 15%

- снижение габаритов и массы устройства

- упрощение технологии и конструкции устройства

- возможность применения любых видов топлива

- высокую степень сжатия газов

- снижение эксплуатационных расходов

- расширение функциональных возможностей за счет монтажа любых потребителей энергии

- экологическую безопасность.

1. Способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору, совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, отличающийся тем, что в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивающей получение инерционного напора.

2. Устройство для преобразования тепловой энергии в энергию другого вида, представляющее собой замкнутую систему в виде трубы, на противоположных концах которой размещены камеры сгорания для образования рабочего тела, а внутри - поршни, выполняющие роль инерционного аккумулятора, соединены с исполнительным механизмом, снимающим полезную работу в виде непрерывного движения энергетического приемника, отличающееся тем, что в качестве поршней использован единый столб несжимаемой жидкости, в качестве исполнительного механизма установлен объемный насос, на выходном трубопроводе которого расположен полый карман.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что труба может быть выполнена прямолинейной или иметь U-образную форму.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что столб несжимаемой жидкости в прямолинейной трубе снабжен с противоположных сторон уплотнителями, обеспечивающими сохранение его формы.