Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и паросиловая установка для его осуществления

 

Использование: в двигателестроении, при проектировании двигателей с внешним подводом теплоты. Сущность изобретения: в паросиловой установке для преобразования тепловой энергии в механическую работу в парогенераторе испаряют и перегревают рабочее тело, подают его в поршневую машину попеременно с разных сторон поршня. На такте сжатия отводят часть отработавшего пара, остальную часть сжимают, аккумулируя теплоту сжатия в регенераторе, впрыскивают в объем сжатия охлажденный конденсат рабочего тела и испаряют его за счет теплоты регенератора, теплоты сжатия и теплоты продуктов сгорания топлива, подводимой через трубки подогревателя и стенки цилиндра. На такте расширения к сжатому рабочему телу дополнительно впускают свежий пар из парогенератора в количестве, равном отведенному, интенсивно подогревая его в процессе впуска. В процессе расширения продолжают подводить к рабочему телу теплоту от продуктов сгорания топлива и возвращают теплоту, аккумулированную в регенераторе в процессе сжатия, обеспечивая изотермичность процесса расширения, преобразуют всю подведенную теплоту в механическую работу. 2 с. и 10 3. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по замкнутому регенеративному циклу.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую работу путем испарения рабочего тела и перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру паровой машины, его свободного расширения и отвода отработавшего пара в конденсатор, нагнетания полученного конденсата рабочего тела дискретными дозами в парогенератор синхронно с частотой рабочих циклов паровой машины.

Известна паросиловая установка для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащая соединенные между собой парогенератор, камеру сгорания с форсунками, поршневую паровую машину двухстороннего действия с цилиндром и размещенным в нем с образованием рабочих камер переменного объема поршнем, конденсатор, конденсатный насос и подогреватель воздуха продуктами сгорания топлива.

К недостаткам известных способа и установки можно отнести низкий КПД и плохие массогабаритные характеристики, что обусловлено недостаточной регенерацией теплоты продуктов сгорания топлива и отработавшего пара.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение КПД и улучшение массогабаритных характеристик. Данная техническая задача решается за счет повышения степени использования и регенерации теплоты продуктов сгорания топлива, отработавшего пара и теплоты наружных поверхностей горячих агрегатов и деталей установки, заключенных в теплошумоизолирующий кожух, а также за счет регенератора, установленного внутри рабочей камеры, и организации изотермического процесса расширения рабочего тела.

На чертеже схематично изображена паросиловая установка для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Паросиловая установка содержит парогенератор 1, камеру 2 сгорания, объемную поршневую паровую машину 3, конденсатор 4, конденсатный насос 5, вихревую трубу 6 с рубашкой 7, выполняющей функцию подогревателя конденсата рабочего тела, трехпоточный теплообменник 8 дополнительного подогревателя конденсата рабочего тела и топлива, трубчатые подогреватели 9 и регенераторы 10, размещенные в полостях рабочих камер цилиндра 11, ресивер 12 рабочего тела, змеевики 13, 14 испарителя-перегревателя рабочего тела и топлива. Парогенератор 1 размещен в полости ресивера 12, а в полости парогенератора 1 размещены камера 2 сгорания и тепловой аккумулятор 15, в котором установлен электронагреватель (не показан) и трубки 16 для прохода газов из камеры 2 сгорания. К торцам цилиндра 11 примыкают впускные камеры 17 с золотниками 18, которые соединены трубопроводами 19 с полостью ресивера 12. В центральной части цилиндра 11 выполнено выпускное окно 20 и расположены форсунки 21 впрыска конденсата. Со стороны штока 22 поршня 40 к впускной камере 17 примыкает кольцевая камера 23, вход которой через насос 24 охлажденного конденсата подсоединен к выходу конденсатора 4, а выход к его входу. В стенках кольцевой камеры 23 установлены уплотнения 25. Выпускное окно 20 через золотник 26 соединено с предварительным подогревателем 27 конденсата, выход которого по греющей среде соединен со входом вихревой трубы 6. Горячий выход трубы 6 через трехпоточный теплообменник 8 соединен трубопроводом 28 с холодным ее выходом, который подключен к входу конденсатора 4, снабженного форсункой 29, подключенной к насосу 24. Вход конденсатора 4 через конденсатный насос 5 подключен к змеевику 30, выход которого соединен с рубашкой 7 вихревой трубы 6, соединенной через змеевик 31 трехпоточного теплообменника с коллектором-распределителем 32 змеевика 13 испарителя-перегревателя рабочего тела, выходные концы 33 которого помещены в полость ресивера 12. Вход змеевика 34 теплообменника 8 подключен через насос к топливному баку (не показан), а его выход подключен к змеевику 14 испарителя-перегревателя топлива, выход которого соединен с форсунками 35. Для воспламенения топливо-воздушной смеси в камере 2 сгорания установлены свечи 36 зажигания. В рабочих камерах размещены трубчатые подогреватели 9 и регенераторы 10. На внутренней поверхности цилиндра 11 выполнены кольцевые проточки лабиринтного уплотнения рабочих камер. Для поддержания минимальных зазоров между зеркалом цилиндра и поршнем 40 и зазоров в других парах тертрения в трубопроводе подачи конденсата к форсункам 21 установлена насадка 38, выполненная из слаборастворимых в воде солей плакирующих металлов. Конденсат к форсункам 21 подается плунжерным насосом 39. Насосы 5 и 39 кинематически связаны с валом привода и с органом управления мощностью (не показаны). Поршень 40 выполнен из двух частей и снабжен по меньшей мере одним уплотняющим неразъемным кольцом 41. С обоих рабочих торцов поршня 40 имеются выборки, в которых размещены регенераторы 10. Воздухонагpеватель выполнен трехступенчатым: первой ступенью является конденсатор 4, второй наружные поверхности кожухов 42 цилиндра 11, ресивера 12, вихревой трубы 6, теплообменников 8, 27 трубопроводов 19, 28, выпускной трубы 43, которые покрыты теплоизоляцией и заключены в теплошумоизолирующий кожух 44. Третьей ступенью является поверхность впускных труб 45, которые соединяют полость кожуха 44 с камерой 2 сгорания и размещены внутри выпускной трубы 43. Оканчиваются впускные трубы 45 патрубками в форме сопла Лаваля с отверстиями 47 в критическом сечении, сообщающими полость сопла с полостью парогенератора 1. Камера 2 сгорания имеет окно 48 для выхода газов в парогенератор 1, трубки 16 для пропускания газов через аккумулятор теплоты и трубопроводы 49 для подачи газов к трубчатым подогревателям 9.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в паросиловой установке осуществляется следующим образом.

В установившемся режиме работы на такте сжатия из рабочей камеры вытесняют 30-50% отработавшего пара; оставшийся пар сжимают, аккумулируя в регенераторе 10 теплоту сжатия и теплоту, подводимую от трубчатого подогревателя 9 и стенок, образующих объем сжатия. Для уменьшения работы сжатия сжимаемый пар охлаждают распыливанием через форсунки 21 конденсата рабочего тела в количестве, не превышающем массы вытесненного пара. В конце процесса сжатия температура и давление пара резко возрастают в основном за счет подвода теплоты от трубчатого подогревателя 9. Впрыснутая вода полностью испаряется и перегревается. С началом движения поршня 40 в обратном направлении в рабочую камеру впускают свежий пар (в количестве, определяемом режимом работы), который, проходя между трубками подогревателя 9, дополнительно подогревается. В процессе расширения к рабочему телу продолжают подводить теплоту от трубчатого подогревателя 9, стенок рабочей камеры, и возвращают от регенератора 10 теплоту, запасенную на такте сжатия, обеспечивая высокую изотермичность процесса. В конце процесса расширения через выпускное окно 20 в теплообменник 27 (предварительный подогреватель конденсата) выпускают отработавший пар в количестве, определяемом режимом работы установки, где используют для первичного подогрева цикловой дозы конденсата рабочего тела, нагнетаемого через змеевик 30 в парогенератор 1, и подают в вихревую трубу 6. Охлажденный в вихревой трубе 6 пар направляют непосредственно в конденсатор 4, а подогретый через трехпоточный теплообменник 8, где подогревают топливо, прокачиваемое через змеевик 34, и конденсат рабочего тела в змеевике 31, предварительно подогретый в теплообменнике 27 и рубашке 7 вихревой трубы 6. В конденсаторе 4 отработавший пар конденсируют, охлаждая распыливаемым через форсунку 29 конденсатом, который нагнетают насосом 24. Горячий конденсат в количестве цикловой дозы насосом 5 подают в змеевик 30 теплообменника 27, а оставшийся конденсат охлаждают воздухом, нагнетаемым в полость кожуха 44 установки. В полости кожуха 44 воздух дополнительно нагревают от горячих поверхностей агрегатов и деталей установки и подают по впускным трубам 45 в камеру 2 сгорания, подогревая теплотой отработавших продуктов сгорания топлива через стенки впускных труб 45 и путем смешивания воздуха с низкотемпературными газами, поступающими через отверстия 47. Конденсат и топливо из теплообменника 8 подают соответственно в змеевики 13 и 14 испарителя-перегревателя, где их испаряют и перегревают, топливо через форсунки 35 подают в камеру 2 сгорания, а перегретый пар через открытые концы змеевика 13 поступает в ресивер 12. Продукты сгорания топлива из камеры 2 сгорания через окна 48 и трубки 16, отдавая теплоту змеевикам 13, 14 и аккумулятору теплоты 15, поступают через патрубки 46 в полости кожухов 42 на подогрев стенок цилиндра, затем через выпускную трубу 43 отводятся в окружающую среду. Часть высокотемпературных газов непосредственно из камеры 2 сгорания по трубопроводам 49 направляют в трубчатые подогреватели 9 и на выходе из них смешивают с остальными газами. Конденсат к форсункам 21 подают насосом 39 через насадку 38, заполненную, например, солями титана, слабо растворимыми в воде. В процессе работы установки титан осаждается на поверхностях цилиндра 11, поршня 40 и его штока 22 в местах износа, тем самым восстанавливая герметичность рабочих камер.

Для увеличения КПД установка может быть выполнена с предварительным впрыском охлажденного конденсата при открытом выпускном окне, с вытеснением образовавшегося пара вместе с частью отработавшего, что обеспечивает больший отвод теплоты на такте сжатия от регенератора, поверхностей, образующих камеру сжатия, и пара, оставляемого для работы в очередном цикле. Второй впрыск конденсата производят как было описано выше после закрытия выпускного окна.

Для пуска установки, а также для работы в экологически чистом режиме тепловую энергию запасают в тепловом аккумуляторе 15, который "заряжает", например, в ночное время от электросети. Во время работы двигателя аккумулятор теплоты поддерживают в рабочем состоянии за счет энергии продуктов сгорания топлива.

На режимах работы с малыми нагрузками впуск свежего пара в рабочую камеру не производят, при этом установка работает за счет пара, оставленного для повторного использования, и пара, полученного при испарении воды, впрыснутой на такте сжатия. Управление мощностью установки в этом режиме осуществляют изменением дозы впрыска конденсата рабочего тела на такте сжатия. На режимах средней и большой мощности регулировку мощности установки осуществляют изменением дозы впуска свежего пара в рабочую камеру путем изменения время-сечения впускных окон.

Для увеличения коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания топлива через стенки цилиндра к рабочему телу, цилиндр снаружи оребрен, а внутреннюю поверхность цилиндра увеличивают за счет глубины и формы профиля проточек лабиринтного уплотнения, обеспечивающего, кроме того, более высокое качество уплотнения рабочих камер.

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в паросиловой установке путем испарения рабочего тела и перегрева его паров в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру поршневой машины с разных сторон поршня, отвода отработавшего пара в конденсатор и нагнетания конденсата в парогенератор, отличающийся тем, что на такте сжатия отводят часть отработавшего пара, оставшуюся часть сжимают, аккумулируя теплоту сжатия в аккумуляторе, дозаполняют рабочую камеру свежим паром в начале такта расширения, подогревая его при впуске, процесс расширения ведут изотермически за счет подвода теплоты от продуктов сгорания топлива и теплоты, аккумулированной в регенераторе на такте сжатия, регенерируют теплоту отработавшего пара, его конденсата, теплоту от внешних поверхностей агрегатов установки, заключенных в теплошумоизолирующий кожух, и теплоту отработавших продуктов сгорания топлива, используя ее для подогрева конденсата рабочего тела, нагнетаемого в парогенератор, топлива и воздуха, нагнетаемых в камеру сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отвода из рабочей камеры на такте сжатия части отработавшего рабочего тела оставшуюся его часть в процессе сжатия дополнительно охлаждают путем впрыска в объем сжатия охлажденного конденсата рабочего тела, который в процессе сжатия испаряют.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что часть теплоты рабочего тела, отведенного из рабочей камеры на такте сжатия, используют для подогрева конденсата рабочего тела, нагнетаемого в парогенератор, после чего его разделяют на два разнотемпературных потока, например, с помощью вихревой трубы, при этом охлажденный поток направляют непосредственно в конденсатор, а горячий поток перед подачей в конденсатор используют для подогрева топлива и дополнительного подогрева конденсата рабочего тела.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что воздух, нагнетаемый в камеру сгорания, подогревают теплотой конденсата рабочего тела, теплотой от горячих поверхностей агрегатов и деталей установки, заключенных в теплошумоизолирующий кожух, теплотой отработавших продуктов сгорания топлива через стенки впускной трубы и непосредственно путем смешивания с частью продуктов сгорания топлива, отработавших в парогенераторе.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что пуск установки и работу в экологически чистом режиме осуществляют от теплового аккумулятора, работающего, например, на расплаве фтористого лития, который в рабочее состояние приводят от электронагревателя, а во время работы установки подогревают от основного источника теплоты.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что на режимах малой мощности управление мощностью осуществляют изменением дозы конденсата, распыливаемого в рабочей камере на такте сжатия.

7. Паросиловая установка для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащая соединенные между собой парогенератор, камеру сгорания с форсунками, поршневую паровую машину двустороннего действия с цилиндром и размещенным в нем с образованием рабочих камер переменного объема поршнем, конденсатор, конденсатный насос и подогреватель воздуха продуктами сгорания топлива, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рубашку цилиндра, включенную в поток отработавших газов, регенераторы и трубчатые подогреватели, установленные в рабочих камерах цилиндра, предварительный подогреватель конденсата рабочего тела отработавшим рабочим телом, вихревую трубу с выполненной в ее корпусе рубашкой-подогревателем конденсата, трехпоточный теплообменник-подогреватель конденсата и топлива отработавшим рабочим телом, парогенератор с камерой сгорания, испарителями-перегревателями рабочего тела и топлива и аккумулятором теплоты, ресивер рабочего тела, подогреватели воздуха теплотой конденсата рабочего тела, теплотой от горячих поверхностей агрегатов установки, заключенных в теплошумоизолирующий кожух, теплотой отработавших газов в подогревателе рекуператорного типа и теплотой отработавших газов, причем к торцам цилиндра примыкают соединенные с ресивером впускные камеры, снабженные золотниками, связанными с валом установки, цилиндр снабжен форсунками для впрыска в объем сжатия конденсата и выпускным окном с золотником, связанным с валом установки, при этом окно через предварительный подогреватель конденсата соединено с входом вихревой трубы, "горячий" выход которой подключен к входу трехпоточного теплообменника, выход которого соединен с выходом "холодного" конца вихревой трубы и подключен к входной полости конденсатора, соединенной через насос горячего конденсата с входом змеевика предварительного подогревателя конденсата отработавшим паром, выход которого через полость рубашки вихревой трубы и первый змеевик трехпоточного теплообменника соединен с испрителем-перегревателем рабочего тела, соединенного с полостью ресивера, вход второго змеевика трехпоточного теплообменника соединен с топливным баком, а выход через змеевик испарителя-перегревателя топлива соединен с форсунками камеры сгорания, выходная полость конденсатора через насосы охлажденного конденсата соединена с форсунками распыла конденсата в камере сжатия цилиндра и с кольцевой камерой охлаждения поршневого штока, выход которой подключен к входной полости конденсатора, кроме того, трубчатые подогреватели входами подсоединены непосредственно к полости камеры сгорания или конечной части газохода парогенератора, их выходы размещены внутри кожухов цилиндра в зоне начала выпускных труб, а камера сгорания снабжена свечами зажигания, патрубками подвода воздуха и окнами для выхода продуктов сгорания в газоход парогенератора.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности рабочих камер цилиндра выполнены кольцевые проточки, образующие лабиринтное уплотнение и внутреннее оребрение цилиндра.

9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что поршень паровой машины выполнен составным из двух частей с проточкой в плоскости разъема, в которой установлено по меньшей мере одно неразъемное уплотнительное кольцо, с торцов поршня выполнены выборки, в которых установлены регенераторы.

10. Установка по п.7, отличающаяся тем, что поршень паровой машины выполнен цельным.

11. Установка по п.7, отличающаяся тем, что патрубок подачи воздуха в камеру сгорания выполнен в виде сопла Лаваля с отверстием в критическом сечении, сообщающим внутренний объем сопла с полостью парогенератора.

12. Установка по п.7, отличающаяся тем, что в аккумуляторе теплоты продуктов сгорания топлива установлен электронагреватель.

РИСУНКИ

Рисунок 1