Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве традиционного двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую. Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии содержит маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, при этом он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера. Технический результат - повышение термического КПД теплового двигателя и упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Реферат
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве традиционного двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую.
Известен тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии, содержащий маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело.
Патент RU 2101521 С1, (Дунаевский С.Н.), 10.01.1998.
Недостатком известного теплового двигателя является сложность устройства и недостаточно высокий КПД.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение термического КПД теплового двигателя и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в тепловом двигателе с использованием возобновляемой энергии, содержащем маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело, новым является то, что он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера.
А также за счет того, что в качестве рабочего тела использован ксенон.
На фиг.1 показана принципиальная схема теплового двигателя с использованием возобновляемой энергии.
На фиг.2 показана PV диаграмма фазового перехода между жидкостью и паром для 1 кг ксенона.
Тепловой двигатель содержит маховик 1, соединенный кривошипно-шатунным механизмом 2 с поршнем 3, установленным в цилиндре 4 с возможностью образования рабочей камеры 5 переменного объема, и установленный в верхней части рабочей камеры 5 плунжер 6 с распыляющим устройством рабочего тела, выполненным, например, в виде осевого канала и радиального, сообщенного с форсунками, расположенными в верхней части плунжера, на периферии. При этом в поршне 3 выполнено углубление с возможностью сбора конденсата рабочего тела и входа в него плунжера 6 при подходе поршня 3 к верхней мертвой точки.
Известно, что при адиабатном расширении влажного пара вблизи линии насыщения (правая верхняя кривая, см. фиг.2) с уменьшением температуры пара происходит его конденсация, что приводит к уменьшению сухости пара [Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. Издание втрое. М.: Энергия. 1974. 310 с.] и, следовательно, к уменьшению массы пара. Отделим конденсат (жидкость) от пара с помощью сил гравитации и произведем адиабатное сжатие оставшейся части пара до первоначального давления процесса адиабатного расширения. В результате получим полезную разницу работ процессов расширения и сжатия.
Рассмотрим данные термодинамические процессы в рабочей камере идеальной тепловой машины (см. фиг.1), рабочим телом которой будет реальный газ (например, пар ксенона массой 1 кг) с параметрами Ро, Vo и То (точка 1, см. фиг.2),
где Ро - первоначальное давление;
Vo - первоначальный объем;
То - первоначальная температура - температура окружающей среды.
Температура окружающей среды (головки цилиндра) То равна или больше критической для жидкости, то есть в рабочей камере 5 (предположим) находится пар со степенью сухости Х=1.
Проведем адиабатное расширение пара по кривой 1-2 за счет предварительной раскрутки стартером. При этом рабочее тело охлаждается и степень сухости пара уменьшится в конце процесса расширения, например, до Х=0,5. Т.е. 50% пара конденсируется, и под действием сил гравитации жидкая фаза осаждается и поступает в специальное углубление в головке поршня 3. Поршень 3 из верхней мертвой точки переместится в нижнюю, что вызовет вращение маховика 1. Инерция вращения маховика 1 заставит перемещаться поршень 3 вверх, совершая адиабатное сжатие рабочего тела. При этом сжимается 0,5 кг пара, и, следовательно, работа, затрачиваемая на процесс сжатия до первоначального давления Ро, оказывается в 2 раза меньше, чем при расширении 1 кг пара. При подходе к верхней мертвой точке жидкость в углублении поршня 3 с помощью плунжера 6 распыляется в рабочей камере 5, нагреваясь от стенок цилиндра и головки до температуры То. При этом конденсат быстро испаряется по изотерме 4-1. При адиабатном сжатии 0,5 кг пара последний нагревается также до температуры То. Поэтому рабочее тело принимает первоначальные параметры Ро, Vo, То, Х=1 и начинается новый цикл работы двигателя.
Заштрихованная площадь 4-1-2-3-4 характеризует полезную работу цикла. Таким образом, расширение пара массой 1 кг происходит со степенью сухости от Х=1 до Х=0,5, а сжатие пара (рабочего тела) массой 0,5 кг при степени сухости Х=0,5. Работа процесса сжатия, очевидно, меньше работы процесса расширения рабочего тела. Работой на подъем жидкой фракции рабочего тела можно пренебречь.
Рассмотренный выше замкнутый термодинамический цикл состоит из адиабаты расширения пара с переменной массой пара, изменяющейся от 1 кг до 0,5 кг, адиабаты сжатия пара с постоянной массой пара, равной 0,5 кг и одной изотермы, т.к. процесс испарения конденсата происходит при постоянной температуре То головки цилиндра. Такой цикл позволяет получить полезную работу от одного источника нагрева без холодильника. Следовательно, термический КПД (ηт) установки будет равен 1.
Так как ηт=1-q1/q2,
где q1 и q2 - соответственно тепло, получаемое от нагревателя и отдаваемое холодильнику.
Таким образом, получен замкнутый термодинамический цикл, состоящий из адиабаты расширения пара с переменной массой пара от 1 кг до 0,5 кг, адиабаты сжатия пара с постоянной массой равной 0,5 кг и одной изотермы, соединяющей обе эти адиабаты. Этот цикл позволяет получить полезную работу от одного нагревателя без холодильника.
В случае использования в качестве рабочего тела ксенона с критической температурой 16,55°С и критическим давлением 5,83 МПа в данном термодинамическом цикле отпадает надобность специального нагревателя, поскольку двигатель может функционировать от тепла окружающей среды.
1. Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии, содержащий маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело, отличающийся тем, что он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использован ксенон.