Тепловой двигатель

 

Использование: машиностроение, двигателестроение, холодильная техника. Сущность изобретения: внутри корпуса двигателя, выполненного в виде замкнутого объема, размещено рабочее тело, находящееся в газообразной (паровой) фазе, а также преобразующий элемент, у которого одна из двух противоположных сторон обладает свойством, вызывающим переход рабочего тела из газообразной фазы в жидкую фазу (твердую). Это приводит к нескомпенсированности суммарного импульса, передаваемого молекулами рабочего тела преобразующему элементу с рабочей стороны, суммарным импульсом, передаваемым молекулами рабочего тела преобразующему элементу со стороны, противоположной рабочей, что и обеспечивает движение преобразующего элемента относительно корпуса. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании двигателей и в холодильной технике.

Во всех известных тепловых двигателях [1] энергия, затраченная на повышение температуры рабочего тела, передается в виде суммарного импульса молекул рабочего тела преобразующему элементу (поршню, турбине) и может быть использована для полезной работы, уносится с отработанным рабочим телом в окружающее пространство непосредственно или через холодильник, отводится через детали двигателя, в том числе и через корпус в окружающее пространство.

Известно также, что во всех известных тепловых двигателях доля энергии, уносимой с отработанным рабочим телом, составляет значительную часть общей энергии, затраченной на разогрев рабочего тела, что является причиной сравнительно низких КПД таких тепловых двигателей.

В известном тепловом двигателе [2] , являющемся наиболее близким по техническому решению и содержащем замкнутый корпус, заполненный рабочим телом, находящимся при рабочей температуре в газообразной фазе, преобразующий элемент, тепловой экран и источник тепла, КПД преобразования тепловой энергии в механическую сравнительно низок из-за уносимой отработанным рабочим телом значительной части общей энергии.

Целью изобретения является увеличение КПД преобразования тепловой энергии в механическую энергию.

Для достижения цели преобразующий элемент выполнен в виде пластины, у которой одна из двух взаимно противоположных сторон, являющаяся рабочей поверхностью, обладает свойством перевода рабочего тела из газообразной среды в жидкую фазу. Причем преобразующий элемент может быть выполнен в виде полупроводникового термоэлектрического преобразователя, у которого одна из двух взаимно противоположных сторон является охлаждаемой.

На рабочей поверхности преобразующего элемента могут быть установлены чередующиеся диэлектрические и электропроводящие полосы, причем электропроводящие полосы через одну соединены между собой и подключены к разноименным полюсам источника питания.

Преобразующий элемент может быть снабжен приспособлением для удаления жидкой или твердой фазы рабочего тела, выполненным в виде крыльчатки, установленной на его рабочей поверхности.

Масса рабочего тела в рабочем объеме двигателя должна быть не менее величины, определяемой соотношением ρ V, где ρ - удельная плотность рабочего тела при критических параметрах; V - рабочий объем двигателя.

Тепловой экран должен быть выполнен эквидистантно корпусу со средствами регулирования расхода газообразной среды.

На фиг. 1-3 представлены конструкции теплового двигателя, а также отдельных его узлов.

Двигатель включает корпус 1, выполненный в виде полого тора из меди. Рабочий объем двигателя заполнен этиленом (рабочим телом), находящимся в газообразном состоянии. Масса рабочего тела в рабочем объеме должна быть не менее величины, определяемой соотношением ρ_э V_р, где ρ_э - удельная плотность этилена при критических параметрах; V_р - рабочий объем двигателя.

Внутри корпуса 1 размещен преобразующий элемент 2, которым является полупроводниковый термоэлектрический преобразователь, у которого одна из сторон 3 является охлаждаемой (рабочая поверхность).

Для подвода электрической энергии к термоэлектрическому преобразователю 2 внутри корпуса размещены электропроводящие шины 4, 5, которые одновременно являются направляющими при перемещении преобразующего элемента 2 внутри корпуса. Подвод электроэнергии к шинам 4, 5 осуществляется через электровводы 6, 7.

Источник тепловой энергии расположен вне корпуса 1 так, что передача тепла от источника тепловой энергии к рабочему телу осуществляется через корпус 1 и тепловой экран 8, выполненный эквидистантно корпусу со средствами регулирования газовой среды в зазоре 9 между экраном 8 и корпусом 1.

Работа теплового двигателя основана на эффекте нескомпенсированности суммарного импульса M_Б (см. фиг. 1), передаваемого молекулами рабочего тела преобразующему элементу 2 в направлении Б, суммарным импульсом M_А, передаваемым молекулами рабочего тела преобразующему элементу 2 в направлении А, что имеет место в рабочем режиме.

Действительно, если тепловой двигатель находится в нерабочем режиме (в данном конкретном примере это выражается в отсутствии напряжения питания на термоэлектрическом преобразователе (преобразующем элементе 2), то суммарный импульс M_А, передаваемый молекулами рабочего тела преобразующему элементу 2 в направлении А, оказывается скомпенсирован суммарным импульсом M_Б молекул рабочего тела, поступающих на противоположную сторону 10 (в направлении Б), так как количество молекул, падающих в единицу времени на единицу поверхности 3 и поверхности 10, в среднем одинаково, одинаковы также средние значения энергии молекул, поступающих на поверхность 3 и поверхность 10, одинаковы и противоположно направлены суммарные значения импульсов молекул, падающих на поверхность 3 и поверхность 10, одинаковы и противоположно направлены суммарные значения импульсов молекул, отраженных от поверхности 3 и поверхности 10.

В рабочем же режиме, при поданном напряжении питания на термоэлектрический преобразователь 2, рабочая сторона 3 охлаждается до температуры, равной или ниже критической температуры T_кр (в данном, конкретном, примере до 9,45^оС). В этом случае часть молекул рабочего тела, падающих на рабочую сторону 3, не отражается (закрепляется на поверхности 3, переходя в жидкую фазу), в результате суммарный импульс молекул, отраженных от поверхности 3 в направлении Б, уменьшается и, следовательно, суммарный импульс M_А, переданный молекулами рабочего тела преобразующему элементу 2 в направлении А, оказывается меньше суммарного импульса M_Б, переданного молекулами преобразующему элементу 2 в направлении Б. В этих условиях к преобразующему элементу 2 будет приложено усилие, пропорциональное разнице суммарных импульсов в направлении А и в направлении Б: M = M_Б - M_А, что и обеспечивает движение преобразующего элемента 2 относительно корпуса 1.

Эффективность преобразования зависит от энергетического баланса двух процессов, которые относительно независимы друг от друга: энергозатрат в единицу времени, связанных с переводом рабочего тела из газообразной фазы в жидкую фазу на поверхности 3 преобразующего элемента 2; количества кинетической энергии, получаемой в единицу времени преобразующим элементом 2 от газовой фазы рабочего тела.

Энергозатраты первого процесса, связанные с переводом рабочего тела из газообразной фазы в жидкую фазу, удобно представить в виде: E₁ = (E_Δт+ E_гж)/ Θ , где E - энергозатраты, связанные с понижением температуры рабочего тела от T_раб до температуры T_гж, при которой осуществляется фазовый переход газ-жидкость. Величину можно сделать, в принципе, как угодно малой, приближая температуру T_раб к T_гж; E_гж - скрытая теплота фазового перехода газ-жидкость рабочего тела. Величина E_гж зависит от вещества, используемого в качестве рабочего тела, а также от температуры и давления, при которых осуществляется фазовый переход. Величину E_гж также можно сделать, в принципе, как угодно малой, приближая температуру фазового перехода T_гж к T_кр; Θ - коэффициент полезного действия преобразующего элемента. Θ≈ 0,5, когда в качестве преобразующего элемента используется термоэлектрический преобразователь, при работе с малым перепадом температур (ΔT < 5^оС) (см. , например УГО. 296.000 ТУ, Микроохладитель ТЕМО-5).

Известно (см. , например, Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. : Наука, 1972), что при давлении рабочего тела P_раб., большем или равном критическому давлению P_кр, энергозатраты, связанные с переводом рабочего тела из газовой фазы в жидкую фазу, являются обратной функцией разницы температур (T_раб - T_кр) и стремятся к нулю при T_раб = T_кр.

В то же время количество кинетической энергии E_к, получаемой преобразующим элементом 2 от газовой фазы рабочего тела в единицу времени, является прямой функцией температуры T_раб и давления рабочего тела. Независимость этих двух процессов дает возможность уменьшать E₁при неизменной величине E_к, что и обеспечивает высокий коэффициент преобразования η = . Или переход к единицам мощности можно записать η = Q_к/Q₁, где Q_к - мощность, развиваемая преобразующим элементом в своем движении по направляющим под действием газовой фазы рабочего тела; Q₁ - мощность, расходуемая на перевод рабочего тела из газовой фазы в жидкую фазу на рабочей поверхности.

В рассматриваемом случае нет принципиальных ограничений на уменьшение E₁ (Q₁) и, следовательно, коэффициент преобразования может быть больше единицы.

Как следует из вышесказанного, условием эффективной работы теплового двигателя является близость температуры рабочего тела в рабочем объеме двигателя критической температуре рабочего тела. Это условие может быть достигнуто регулировкой температуры источника тепла при неизменном тепловом сопротивлении, созданном элементами конструкции двигателя, в цепи теплопередачи источник тепла - рабочее тело; регулировкой теплового сопротивления в цепи теплопередачи источник тепла - рабочее тело. В этом случае используется тепловой экран 8 со средствами регулирования расхода газовой среды в зазоре 10 между корпусом 1 и экраном 8. Тепловое сопротивление R_т экрана должно быть равно R_т = где T_ис - температура источника; T_кр - критическая температура рабочего тела; Q_к - механическая мощность, отводимая от преобразователя к внешним устройствам; Q₁ - мощность, расходуемая на перевод рабочего тела из газообразной среды в жидкую фазу на рабочей поверхности 3.

На фиг. 2 демонстрируется пример использования крыльчатки для удаления жидкой фазы рабочего тела с рабочей поверхности 3. Принцип действия вращающейся крыльчатки (фиг. 2), лопасти 11 которой скользят по рабочей поверхности 3 преобразующего элемента 2, традиционен: рабочее тело, сконденсированное на рабочей поверхности преобразующего элемента, за счет центробежных сил выбрасывается на периферию вращения, т. е. за пределы рабочей поверхности преобразующего элемента, в зазор 12 между преобразующим элементом 2 и корпусом 1. Реализация вращения крыльчатки может быть осуществлена, например, с использованием вращающегося диска 13 и гибкого вала 14, который связывает вращающийся диск 13 с осью крыльчатки. Вращение диска 13 осуществляется за счет фрикционной передачи между неподвижным корпусом 1 и диском 13 при движении преобразующего элемента 2 относительно корпуса 1.

На фиг. 3 изображен преобразующий элемент 2, на рабочей поверхности которого сформированы токопроводящие полосы 15-20, чередующиеся с диэлектрическими полосами 21, причем электрические полосы через одну соединены друг с другом (15, 17, 19) и (16, 18, 20) и на полосы 15, 17, 19 подан положительный потенциал, а на полосы 16, 18, 20 подан отрицательный потенциал. Появляющееся на рабочей поверхности электрическое поле E увеличивает вероятность конденсации рабочего тела на рабочей поверхности преобразующего элемента.

Реализация предлагаемого технического решения позволит получить тепловые двигатели с высоким коэффициентом преобразования, чем и будет обусловлена экономическая и экологическая целесообразность их использования.

Формула изобретения

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий замкнутый корпус, заполненный рабочим телом, находящимся при рабочей температуре в газообразной фазе, преобразующий элемент, тепловой экран, источник тепла, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, преобразующий элемент выполнен в виде пластины, у которой одна из двух взаимно противоположных сторон, являющаяся рабочей поверхностью, обладает свойством перевода рабочего тела из газообразной среды в жидкую фазу.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде полупроводникового термоэлектрического преобразователя, у которого одна из двух взаимно противоположных сторон является охлаждаемой.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на рабочей поверхности преобразующего элемента установлены чередующиеся диэлектрические и электропроводящие полосы, причем указанные полосы через одну соединены между собой и подключены к разноименным полюсам источника питания.

4. Двигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что преобразующий элемент снабжен приспособлением для удаления жидкой или твердой фазы рабочего тела, выполненным в виде крыльчатки, установленной на его рабочей поверхности.

5. Двигатель по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что масса рабочего тела в рабочем объеме должна быть не менее величины, определяемой соотношением ρV , где ρ - удельная плотность рабочего тела при критических параметрах, V - рабочий объем двигателя.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что тепловой экран выполнен эквидистантно корпусу со средствами регулирования расхода газообразной среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3