Паросиловой двигатель (варианты)

 

Двигатель предназначен для преобразования теплой энергии в механическую. Двигатель поршневого типа с паровым приводом, имеющий несколько ступеней, который можно сконструировать в виде единого блока или узла. Каждая ступень имеет свой собственный отдельный источник паровой энергии, и текучие среды на каждой ступени различны и имеют разные характеристики нагрева/температуры, так что рассеиваемое тепло из одного двигателя можно использовать для привода последующего двигателя. Такое выполнение двигателя позволит использовать источники тепла при относительно низких температурах, позволяя таким образом использовать недорогое топливо. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к паросиловому двигателю, содержащему по меньшей мере два двигателя поршневого типа с паровым приводом, каждый из которых имеет впускное отверстие для парообразной текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды, теплообменник или котел, представляющий собой испаритель и подсоединенный к впускному отверстию для пара и выпускному отверстию первого из двигателей поршневого типа с первым приводом для приема текучей среды из выпускного отверстия для текучей среды первого из двигателей поршневого типа с паровым приводом; внешний источник тепла для избирательного подсоединения к теплообменнику или котлу для испарения текучей среды в нем с целью сообщения энергии первому из двигателей поршневого типа с паровым приводом; причем двигатель поршневого типа с паровым приводом соединены друг с другом так, что текучая среда предшествующего двигателя поршневого типа с паровым приводом либо становится текучей средой последующего двигателя поршневого типа с паровым приводом, либо нагревает посредством теплообменника отличающуюся текучую среду последующего двигателя поршневого типа с паровым приводом.

Обычный поршневой паросиловой агрегат содержит испаряемую текучую среду, испаритель для испарения текучей среды, поршневую паровую машину и замкнутый контур, в котором установлены испаритель и поршневая паровая машина для перемещения текучей среды. Такой обычный паросиловой агрегат этого вида может быть паросиловой установкой, в которой в качестве текучей среды используется вода. Испаритель представляет собой парогенератор, а паровая машина представляет собой двигатель с поршнями или паровую турбину, приводящую в действие генератор тока.

Однако вода испаряется при 100^oC при атмосферном давлении. Чтобы получить хороший КПД, требуется подогретый или перегретый пар при еще более высокой температуре. Это означает, что агрегат не может работать только на тепле, даже если его можно получать в больших количествах. Энергия, подаваемая таким образом, относительно дорога.

В патент США N 3218802, выданном на имя Д.Р.Савье (D.R. Sawie), бинарная паросиловая установка включает цикл серы, состоящий из источника тепла 10, который нагревает и испаряет серу, теплового двигателя 12 первой ступени цикла серы, который преобразует цикл пара в кинетическую энергию, и теплообменник 14, который принимает частично охлажденную серу и отводит остаток тепла. Теплообменник 14 нагревает текучую среду в трубопроводах 37, 41 и 43, чтобы подвести водяной пар к тепловому двигателю 16 второй ступени. Аналогичные системы применялись на нефтехимических заводах, где используются реакторы с этиленоксидом. Эти реакторы охлаждают текучей средой, имеющей высокую температуру и находящейся под низким давлением (текучей средой типа дифила). Эту текучую среду направляют в теплообменник для получения перегретого водяного пара. Водяной пар использовали в паровой турбине для сжатия газообразного этилена. При эксплуатации такой системы возникают проблемы, которые очень трудно решить, поскольку применение сульфида, серы, фосфора или даже натрия исключается, так как сталь проницаема для водорода, а наличие водорода в вышеупомянутых материалах вызовет очень серьезные проблемы. Этот агрегат работает при очень высокой температуре с насыщенными парами серы при 682^oC (1260^oF).

В патенте США N 4070862, выданному Дернеру (Doerner) и др., предлагается турбина для использования в установках электростанций, в которой присутствуют две текучие среды, такие как вода и H₂. Одной из проблем является утечка из одного местоположения турбины к другому. Изобретение представляет возможность выбора из двух жидкостей, когда вторая жидкость имеет более низкую температуру кипения, чем первая жидкость, и пароконденсат (по трубам) возвращается в котел. Обе эти жидкости имеют низкие давление применительно к их температурам, при 800^oC - абсолютное давление 234 кПа (34 фунт-сил/кв. дюйм) и при 450^oC - абсолютное давление 352 кПа (51 фунт-сил/кв.дюйм). Несмотря на то, что в этом патенте не указаны цифровые показатели КПД, использование таких высоких температур и низких давлений должны оказать негативное влияние на общий КПД турбины.

В патенте США N 4700543, выданном Кригеру (Krieger) и др., раскрыто множество независимых энергоустановок с замкнутым циклом Ренкина (Rankine), каждая из которых имеет испаритель и задействуется путем последовательного приложения воздействия вещества или текучей среды, являющейся низкотемпературным источником тепла, к энергоустановкам для образования текучей среды, являющейся обедненным источником тепла. Эту являющуюся обедненным источником тепла текучую среду прикладывают ко всем подогревателям параллельно. Показано, что энергоустановки являются турбинными.

Таким образом, в технике существует серьезная потребность в двигателе поршневого типа с паровым приводом, обладающим высоким КПД и работающим при относительно низких температурах.

В заявке на патент Франции N FR-A-903.448 раскрыт паросиловой двигатель, соответствующий определению, приведенному выше в первом абзаце описания. Он содержит два двигателя поршневого типа, строение которых не конкретизировано и которые в предложенном двигателе могут быть заменены, например, турбинами.

Задачей настоящего изобретения является избавление от указанных недостатков и создание высокоэффективного поршневого паросилового агрегата, эксплуатация которого относительно дешева, и который в конкретном варианте воплощения дает возможность практического использования источника тепла при относительно низких температурах, позволяя таким образом использовать недорогие топлива.

Эта задача решается при воплощении настоящего изобретения за счет того, что каждый из двигателей поршневого типа с паровым двигателем содержит: выходной вал; поршни, приводимые в движение паром, подсоединенные к выходному валу; впускное отверстие для парообразной текучей среды, принимающее первую испарительную текучую среду из внешнего источника тепла от предшествующего двигателя поршневого типа с паровым приводом или от теплообменника, соединенного с этим предшествующим двигателем поршневого типа с паровым приводом, для привода в движение поршней, приводимых в движение паром, и вращения выходного вала; первый контур пара/текучей среды для приема первой испарившейся текучей среды от поршней; внутренний насос в первом контуре пара/текучей среды для обеспечения циркуляции пара/текучей среды обратно к внешнему источнику тепла для повторного нагрева; внутренний теплообменник в первом контуре пара/текучей среды, стоящий перед внешним источником тепла; второй замкнутый контур текучей среды/пара, в котором заключена (заключен) вторая (второй) текучая среда/пар, имеющая (имеющий) более низкую температуру испарения (парообразования), чем первая (первый) текучая среда/пар, причем второй замкнутый контур текучей среды/пара проходит через внутренний теплообменник для обеспечения испарения; внутренний компрессор во втором контуре текучей среды/пара, приводимый в действие выходным валом с целью сжатия второй (второго) текучей среды/пара и повышает ее/его температуры для перемещения в теплообменник; и турбину во втором замкнутом контуре текучей среды/пара, подсоединенную к выходному валу и принимающую вторую (второй) текущую среду/пар и обеспечивающую подвод мощности к выходному валу.

В заявке на патент Франции N FR-A-2.265.206 раскрыт паросиловой двигатель, содержащий испаритель и турбину, приводящую в действие электрический генератор, причем внутренним источником тепла для испарителя является двигатель внутреннего сгорания. Этот паросиловой двигатель содержит, однако всего один замкнутый контур, в котором установлены турбина, испаритель и конденсатор.

Изобретение также касается паросилового двигателя того типа, который определен в первом абзаце описания, дополнительно содержащего второй теплообменник для приема текучей среды, выходящий из первого двигателя поршневого типа с паровым приводом, для испарения этой текучей среды с целью привода второго из двигателей поршневого типа с поршневым приводом, причем впускное отверстие для парообразной текучей среды второго двигателя поршневого типа с паровым приводом связано со вторым теплообменником, за счет чего текучие среды в каждом двигателе поршневого типа с паровым приводом различны, и температура испарения текучей среды во втором двигателе поршневого типа с паровым приводом меньше, чем температура текучей среды первого двигателя поршневого типа с паровым приводом на выходе этого двигателя.

Двигатель этого типа раскрыт в вышеупомянутой заявке на патент Франции N FR-A-903.448. Этот двигатель содержит два двигателя поршневого типа и два типа теплообменника. Испаритель представляет собой котел, а внешний источник тепла - горелку.

Чтобы решить вышеизложенную техническую задачу и создать высокоэффективный паросиловой двигатель поршневого типа, внешний источник тепла представляет собой двигатель внутреннего сгорания, а предлагаемый двигатель содержит третий теплообменник для приема текучей среды, выходящий из второго двигателя поршневого типа с паровым приводом и обеспечения наличия третьей текучей среды внутри него, которая будет испаряться при температуре, меньшей, чем температура текучей среды второго двигателя поршневого типа с паровым приводом.

В заявке на патент США N 4.347.702 также раскрыт паросиловой двигатель, содержащий двигатель поршневого типа, который установлен в замкнутом контуре, где также установлен испаритель, причем внешним источником тепла, испаряющего текучую среду для двигателя поршневого типа, является двигатель внутреннего сгорания. Однако этот паросиловой двигатель содержит только один двигатель поршневого типа.

В конкретном варианте воплощения текучая среда в испарителе испаряется при температуре менее 180^oC (350^oF); температура текучей среды на выходе первого двигателя поршневого типа с паровым приводом меньше 120^oC (248^oF); парообразная текучая среда второго двигателя (22, 54) поршневого типа с паровым приводом испаряется при температуре менее 120^oC (248^oF); текучая среда, выходящая из второго двигателя (22) поршневого типа с паровым приводом, имеет температуру менее 80^oC (140^oF), и внутри имеется третья текучая среда, которая будет испаряться при температуре менее 80^oC (140^oF).

Эти и другие задачи настоящего изобретения станут более понятны при рассмотрении вместе с нижеследующим "Подробным описанием чертежей", в числе которых: фиг. 1 - блок-схема известного паросилового агрегата; фиг. 2 - блок-схема, аналогичная блок-схеме, показанной на фиг. 1, но со ссылками на другой вариант воплощения агрегата, в котором источником тепла является двигатель внутреннего сгорания, заключенный в одном корпусе с паровым двигателем; фиг. 3 - блок-схема, аналогичная блок-схеме, показанной на фиг. 1 и 2, но со ссылкой на еще один вариант воплощения, в котором текучая среда, которая испаряется и приводит в действие паровой двигатель поршневого типа, представляет собой охлаждающую текучую среду для двигателя внутреннего сгорания, который заключен в общем корпусе с двигателем поршневого типа с паровым приводом; фиг. 4 - блок-схема варианта воплощения настоящего изобретения, в котором текучая среда, обеспечивающая наличие источников тепла для множества каскадированных паровых двигателей, проходит через все каскадированные двигатели, входя в каждый двигатель при одной температуре, достаточной для испарения находящейся внутри него текучей среды, выходя из первого двигателя при температуре, достаточной для испарения второй текучей среды во втором двигателе, выходя из второго двигателя при более низкой температуре, достаточной для испарения третьей текучей среды в третьем паровом двигателе, и текучая среда возвращается обратно в нагреватель для испарения текучей среды и завершения цикла; фиг. 5 - блок-схема еще одного варианта воплощения изобретения, в котором каждая паровая машина имеет свой собственный замкнутый контур текучей среды, причем температура выходящей текучей среды в одном двигателе достаточна для испарения текучей среды в последующем двигателе, а все двигатели подсоединены к общему валу для получения выходной мощности; фиг. 6 - принципиальная схема двигателя поршневого типа с паровым приводом, называемого двигателем Баудино (Baudino), который имеет два замкнутых контура и обеспечивает получение высокого КПД; фиг. 7A и 7B - изображения блок-схемы конструкции с использованием паросилового двигателя поршневого типа, аналогичной блок-схеме, показанной на фиг. 5, за исключением того, что показаны подробности подсоединения и парового двигателя, и двигателя Баудино к общему валу; фиг. 7, 9, 10 и 11 - связаны каждый с фиг. 7 для пояснения изображенных средств управления давлением и температурой.

Известный паросиловой агрегат, показанный на фиг. 1, включает в себя испаряемую текучую среду 1, испаритель 2 для испарения текучей среды, приводимую в действие паром машину 3, которая имеет поршни, приводимые в движение паром, замкнутый контур 4 текучей среды, в котором установлены испаритель 2 и паровая машина 3 для перемещения текучей среды 1. В замкнутом контуре 4 текучей среды перед испарителем 2 выше по течению установлен насос 5. На практике испаритель 2 может быть радиатором обычного двигателя внутреннего сгорания 6, такого как автомобильный двигатель, в котором текучая среда, такая как вода, протекает в замкнутом контуре 7 через теплообменник или радиатор 2 и перекачивается посредством насоса 8 обратно в двигатель внутреннего сгорания 6 с целью непрерывного охлаждения этого двигателя. Нагрев текучей среды в замкнутом контуре 7, когда она выходит из двигателя внутреннего сгорания 6 в испаритель 2, может соответствовать температуре примерно 240^oC. Текучая среда в двигателе 3 поршневого типа с паровым приводом может быть текучей средой того типа, который испаряется при температурах ниже 240^oC, так что она будет испаряться под действием тепла жидкости в замкнутом контуре 7 из двигателя внутреннего сгорания 6. Такой агрегат отличается тем, что текучая среда 1 является не водой, а веществом, которое может легко испаряться и у которого температура испарения при атмосферном давлении или температура кипения ниже 240^oC, предпочтительно - ниже 30^oC в обстоятельствах, рассматриваемых ниже, и которое имеет такие характеристики испарения, что даже при низкой температуре позволит получить пар под высоким давлением. Следует понять, что термин "низкая температура" относится к таким низким температурам, величина которых менее 240^oC, например, 240^oC, 180^oC, 120^oC или 60^oC, соответственно, а термин "высокое давление" означает давление, равное или превышающее 1 МПа (10 бар), например, превышающее 2 МПа (20 бар) при 120^oC, где 1 бар равен 1 атмосфере.

Текучими жидкостями, которые удовлетворяют этим условиям и, следовательно, пригодны для использования в рассматриваемом агрегате, являются те текучие среды, которые используются в холодильных установках, таких как фторсодержащие углеводороды. Подходящими текучими средами являются, например, фторсодержащие углеводороды из ряда: трихлорфторметан, дихлорфторметан, хлорфторметан, 1,1-дихлор-2,2,2-трифторэтан, 1,1-дихлор-1-фторэтилен, 1-хлор-1,1-дифторэтилен, 1,1,1,2-тетрафторэтилен и дифторметан. Кроме того, интересны в этом смысле такие заменители, как дихлортрифторметан (например, KLEA ® F123; поставляемый ICI) и тетрафторэтилен (например, KLEA ® 134a, поставляемый ICI). Первое упомянутое вещество имеет температуру кипения при атмосферном давлении, равную 27^oC, и критическую температуру 183^oC при давлении 3,6 МПа (36 бар), тогда как последнее упомянутое вещество имеет температуру кипения при атмосферном давлении, равную 26^oC, но испаряется при 80^oC при давлении 2,63 МПа (26,3 бар) и при 100^oC даже при давлении 3,97 МПа (3,7 бар). Критическая температура этого вещества равна 101^oC при давлении 4,05 МПа (40,5 бар).

Пар подается способом, аналогичным способу подачи водяного пара в паровую машину с поршнями, приводимыми в движение паром. В паровой машине 3 имеет место падение давления. Текучая среда при этом пониженном давлении может иметь форму жидкости и тоже перекачивается в испаритель 2 посредством насоса 5, как пояснялось ранее. Когда температура в испарителе 2 выше, чем температура испарения при заданном давлении для текучей среды паровой машины, получается перегретый пар, и предпочтительно в испарителе получается незначительно перегретый пар, чтобы избежать конденсации в паровой машине 3. Такой насыщенный или перегретый пар уже получен, благодаря специально подобранной текучей среде, при относительно низких температурах, так что можно с выгодой использовать низкотемпературные источники тепла, которые имеются в изобилии, но их нелегко использовать эффективным способом. Таким образом, можно использовать тепло двигателя внутреннего сгорания 6, которое в противном случае большей частью теряется в атмосферу.

Как указано выше, в паросиловом агрегате, изображенном на фиг. 1, испаритель 2 представляет собой теплообменник или радиатор двигателя внутреннего сгорания 6, который может быть, например, радиатором автомобиля или иного транспортного средства, который вместо охлаждения воздухом охлаждается посредством текучей среды 1 паросилового двигателя, циркулирующей в замкнутом контуре 4. Охлаждающая вода, которая прокачивается через контур охлаждения 7 двигателя посредством насоса 8 и которая имеет температуру около 80^oC, представляет собой первичную текучую среду. Текучая среда, которая прокачивается по замкнутому контуру 4 посредством насоса 5, представляет собой вторичную текучую среду, которая нагревается до тех пор, пока не достигает по существу вышеупомянутой температуры и за счет этого испаряется. После испарителя 2 ниже по потоку установлен расширительный бак 9, в котором собирается испарившаяся вторичная текучая среда и не испарившаяся текучая среда. После бака ниже по потоку установлен клапан 10 регулирования давления в контуре 4. Насыщенный или, предпочтительно, перегретый пар под высоким давлением получают в испарителе 2. Как указано выше, когда в качестве вторичной текучей среды 1 в замкнутом контуре 4 используют тетрафторэтилен, можно получить давление 2,6 МПа (26 бар) на выходе испарителя 2 при температуре 80^oC. Давление на выходе паровой машины 3 можно задать посредством клапана 10 регулирования давления, например, в зависимости от давления внутреннего сгорания 6. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания 6 и двигатель 3 поршневого типа с паровым приводом можно объединить в одном и том же блоке двигателей, и они могут даже иметь общий вид 18, который можно соединить с каким-либо ведомым блоком 20, как показано пунктирными линиями на фиг. 1.

Как показано на фиг. 2, двигатель внутреннего сгорания 6 и двигатель 3 поршневого типа с паровым приводом можно выполнить в общем корпусе 17. Работа этого агрегата аналогична работе агрегата, показанного на фиг. 1, в котором охлаждающая вода двигателя внутреннего сгорания 6 в замкнутом контуре 7 проходит через испаритель 2, конденсируется и перекачивается обратно в двигатель внутреннего сгорания 6 насосом 8. Тепло, возникающее в испарителе 2, прикладывается к текучей среде 1, которая испаряется в контуре 4 и используется для привода двигателя 3 поршневого типа с паровым приводом. Конденсировавшаяся текучая среда на выходе двигателя 3 с паровым приводом перекачивается обратно в испаритель 2 насосом 5, и процесс в испарителе повторяется. И вновь можно установить в контуре расширительный бак 9.

В варианте, соответствующем фиг. 3, испаритель 2 является не радиатором двигателя внутреннего сгорания 6, а самим двигателем внутреннего сгорания 6, откуда следует, что двигатель внутреннего сгорания 6 установлен в замкнутом контуре 4 текучей среды, а текучая среда 1 представляет собой хладагент двигателя внутреннего сгорания 6. Таким образом, когда текучая среда в замкнутом контуре 4 перекачивается насосом 5 через двигатель внутреннего сгорания 6, она охлаждает двигатель внутреннего сгорания 6, испаряется в процессе охлаждения и пропускается через расширительный бак 9 в клапан 10 регулирования давления, а затем - в паровой двигатель 3 для привода вала 18. И двигатель внутреннего сгорания 6, и двигатель 3 поршневого типа с паровым приводом можно соединить с общим валом 18 для привода вала 18. С двигателем внутреннего сгорания 6 соединен обводной питающий контур 11 с установленными в нем насосом 12 и охладителем 16, чтобы охлаждать среду 1 в замкнутом контуре 4 в случае отказа.

На фиг. 4 показан вариант воплощения предлагаемого нового двигателя с паровым приводом. Тепло для испарителя 2 можно подводить с помощью двигателя внутреннего сгорания, радиатор которого или сам двигатель может представлять собой испаритель 2, или с помощью такого источника тепла, как горелка 13, которая нагревает рабочую текучую среду в контуре 4 текучей среды посредством текучей среды 14 в испарителе 2 прямо или косвенно, как показано на фиг. 4. В последнем случае испаритель 2 представляет собой теплообменник с котлом, наполненным текучей средой 14, которая представляет собой первичную текучую среду, и трубу или трубопровод 15 текучей среды, проходящую (проходящей) через котел и являющуюся (являющийся) частью контура 4 текучей среды, через которую протекает рабочая текучая среда в качестве вторичной текучей среды. В этом случае текучая среда в замкнутом контуре 4 попадает в первый двигатель 20 поршневого типа с паровым приводом при температуре, например, 180^oC и будет приводить в действие двигатель 20 поршневого типа и испарять первую текучую среду в первом замкнутом контуре в двигателе 20 поршневого типа с паровым приводом так же, как описано применительно к фиг. 1 и 2. Первичная текучая среда в замкнутом контуре 4 текучей среды, которая выходит из первого двигателя 20 поршневого типа с паровым приводом, имеет температуру примерно 120^oC и поступает во второй двигатель 22 поршневого типа с паровым приводом, обеспечивая теплопередачу в этот двигатель. В замкнутом контуре текучей среды во втором двигателе 22 поршневого типа с паровым приводом протекает вторая текучая среда, которая испаряется при температуре менее 120^oC и за счет этого приводит в действие второй поршневой паровой двигатель 22. Первичная текучая среда в замкнутом контуре 4 текучей среды выходит из двигателя 22 при температуре, например, приблизительно 60^oC и поступает в третий двигатель 24 поршневого типа с паровым приводом, обеспечивая теплопередачу третьей текучей среде, которая протекает в замкнутом внутреннем контуре текучей среды и испаряется при температуре менее 60^oC, приводя в действие двигатель 24 поршневого типа с паровым приводом. Все три двигателя 20, 22 и 24 соединены с общим выходным валом 18. Текучая среда в замкнутом контуре 4 текучей среды выходит из двигателя 24 поршневого типа с паровым приводом в виде жидкости, которая перекачивается насосом 5 обратно в испаритель 2, где она испаряется, и цикл повторяется.

Изображение на фиг. 5 аналогично тому, что показано на фиг. 4, за исключением того, что по первому замкнутому контуру 4 текучей среды испарившаяся текучая среда подается только в первый двигатель 20 поршневого типа с паровым приводом и выходит из теплообменника 37, показанного пунктирными линиями, при температуре примерно 120^oC. Текучая среда отдает по существу все свое тепло второй текучей среде во втором двигателе 22. Так, первая текучая среда затем выходит из теплообменника 37 в виде жидкости и перекачивается насосом 5 обратно в испаритель 2, где процесс повторяется.

Вторая текучая среда во втором двигателе 22 поршневого типа с паровым приводом воспринимает по существу большую часть генерируемого при 120^oC тепла от первой ступени, которая поддерживается при температуре, достаточной для испарения второй текучей среды и привода второго двигателя. Однако после затрат энергии на привод второго двигателя 22, текучая среда, поступающая во второй теплообменник 36, имеет температуру примерно 60^oC. Это тепло передается третьей текучей среде в третьем двигателе 24 поршневого типа с паровым приводом, где третья текучая среда испаряется и приводит в действие этот третий двигатель 24. Вторая текучая среда, вышедшая из испарителя 36, конденсируется в жидкость и перекачивается насосом 28 через замкнутый контур 26 текучей среды обратно в испаритель 37, где процесс повторяется. Аналогично третья текучая среда в третьем двигателе 24 поршневого типа с паровым приводом выходит из этого двигателя в контуре 30 текучей среды при температуре примерно 15^oC в виде жидкости и нагнетается насосом 32 обратно в теплообменник 36, где процесс снова повторяется.

Три двигателя 20, 22 и 24 поршневого типа с паровым приводом объединены в едином корпусе 100 и все соединены с одним и тем же приводным валом 18 для привода какого-либо устройства 38, такого как генератор.

Конечно, следует помнить, что источником тепла 13, показанным на фиг. 4 и 5, может быть солнечная энергия, горячий газ или энергия любого другого желаемого типа.

Текучие среды в трех отдельных контурах текучих сред приспособлены к требуемым температурам. Так, в качестве первой текучей среды можно использовать вышеупомянутый фторсодержащий углеводород F123, и эту текучую среду можно нагревать до 180^oC в теплообменнике. В первом паровом двигателе 20 эта текучая среда охлаждается примерно до 120^oC после привода в движение поршней внутри этого двигателя. Второй текучей средой во втором двигателе 22 является вышеупомянутый углеводород F134a, который нагревается примерно до 120^oC, испаряется за счет этого и используется за счет привода в действие второго двигателя 22 поршневого типа с паровым приводом. Вторая текучая среда охлаждается примерно до 60^oC, приводя в действие второй двигатель 22 поршневого типа с паровым приводом. Это тепло можно передавать третьему паровому двигателю 24, который запитывают третьим фторсодержащим углеводородом, или рабочей текучей средой, известной под названием R11 Бис-Δ²-бутилентетрагидрофурфурол. Эта текучая среда испаряется при температуре 60^oC или ниже, приводит в действие третий двигатель 24 и выходит из третьего двигателя 24 при температуре примерно 15^oC. На фиг. 4 показано, что текучая среда, выходящая из третьего двигателя 24, перемещается обратно в теплообменник 2, где снова нагревается до 180^oC, и цикл повторяется. Однако на фиг. 5 каждая из отдельных текучих сред во втором и третьим двигателях 22 и 24 повторно нагревается посредством радиаторов или теплообменных устройств 36 и 37.

Если текучей средой, используемой в качестве первой текучей среды, является текучая среда, которую можно нагревать до 240^oC и которая охлаждается примерно до 180^oC после привода в действие двигателя поршневого типа с паровым приводом, то такой паровой поршневой двигатель можно устанавливать между испарителем 2 и первым поршневым паровым двигателем 20, показанным на фиг. 4 и 5, и получать таким образом агрегат с четырьмя уровнями температуры, который, конечно, обеспечивает высокоэффективное использование тепла. Такие варианты воплощения дают возможность без затруднений повысить выходную мощность двигателя внутреннего сгорания или иного источника тепла.

Если текучей средой, используемой в качестве первой текучей среды, является текучая среда, которую можно нагревать до 180^oC после приведения в действие четвертого двигателя поршневого типа с паровым приводом, то такой четвертый поршневой паровой двигатель (не показан) можно устанавливать между испарителем 2 и первым поршневым паровым двигателем 20, показанным на фиг. 4 и 5, и получить таким образом агрегат с четырьмя уровнями температуры, который, конечно, обеспечивает высокоэффективное использование тепла. В примере воплощения изобретения по фиг. 5 теплообменник присоединен между четвертым двигателем и первым двигателем 20 так, чтобы тепло от выхода текучей среды использовалось для испарения первой текучей среды в первом двигателе 20. Такие варианты воплощения дают возможность без затруднений повысить выходную мощность двигателя внутреннего сгорания или иного источника тепла.

Эффективный двигатель, который можно использовать в качестве одного из двигателей поршневого типа с паровым приводом, рассмотренным всвязи с фиг. 1 - 5, схематически изображен на фиг. 6. Он известен как двигатель Баудино и запатентован во Франции, где ему присвоен номер публикации FR 2 588 645-A1 и национальный регистрационный номер 85 15545. (Этот патент был подан во Франции 14 октября 1985 г. и опубликован 17 апреля 1987 г.). Двигатель Баудино представляет собой анаэробный двигатель внутреннего сгорания, в котором используется комбинированный цикл для комбинированного производства тепловой энергии (для охлаждения или нагрева) и электрической или механической энергии, которую можно использовать для любых целей посредством рационального применения любого источника тепла, такого как солнечная энергия, уголь, газ и т. п. , причем эта энергия сначала преобразуется в тепловую энергию привода, а затем - в производительную энергию. Этот двигатель бесшумен и чист экологически, а также работает на любом топливе, в замкнутом цикле, без клапанов или системы зажигания. Следовательно, он может удовлетворять самым жестким требованиям современных рынков, обуславливающих комбинированное применение более одного вида энергии, такой как тепло и электричество, и т. п., за счет использования местных видов топлива, которые существующие двигатели использовать не могут.

Это делает такой двигатель притягательной альтернативой для развивающихся стран, где он может конкурировать с паровыми турбинами и топливными элементами, а также может стать объектом возможного предпочтения многих промышленно развитых стран, желающих завоевать новые рынки. Взаимозаменяемость его элементов делает его простым и неприхотливым двигателем, технологию изготовления которого можно приспособить к удовлетворению таких различных требований, как децентрализованное производство электроэнергии или создание силовых установок для наземных или подводных приложений.

В этой системе движение поршней осуществляется не как в обычных двигателях за счет внутреннего сгорания тепловоздушной смеси, а за счет непрерывной последовательности воздействий, осуществляемых двумя активными текучими средами - рабочей текучей средой и регенерирующей текучей средой. Эти две текучие среды работают при противоположных направлениях протекания в ограниченном объеме между двумя источниками тепла при разных температурах, разделенными адиабатическим теплообменником. Система получает тепло из внешней атмосферы или от внешнего источника, генерирует мощность, которую можно использовать в механической, электрической или тепловой форме, и отводит остаточное тепло в источник холода.

Система состоит из двух отдельных агрегатов, энергопреобразующего агрегата, предназначенного для преобразования используемой энергии в тепловую энергию, и непроницаемого для текучей среды конденсационного силового агрегата привода, предназначенного для преобразования тепловой энергии в термомеханическую или термоэлектрическую энергию. Камеры преобразования тепловой энергии приспособлены к использованию таких источников энергии, как солнечная энергия, нефтепродукты, отходы, газ и т.п. Такой источник энергии можно использовать непрерывно, поскольку движение поршней не связано со впрыскиванием и выбросом газообразных продуктов сгорания, и это существенно снижает количество вредных газов, таких как оксиды азота, монооксид углерода и т. п. , выбрасываемых в окружающую атмосферу обычными двигателями. Камера конденсации содержит блок цилиндров двигателя и приводимые в действие системы, включая компрессоры, насосы, генераторы переменного тока, непроницаемые для текучей среды замкнутые системы циркуляции текучей среды/пара и контуры тепловой регенерации. Блок цилиндров двигателя состоит из некоторого количества рядом расположенных цилиндров, например трех, каждый из которых содержит поршень для передачи механической мощности приводному валу. Узел сжатия состоит из нескольких радиально расположенных цилиндров, например трех, каждый из которых содержит поршень, который термодинамически согласован с адиабатическим теплообменником и выполнен как единое целое со змеевиками терморегуляции. Это гарантирует оптимальное сопряжение узла двигатель/компрессор и работу при постоянном крутящем моменте, соответствующем нагрузке. Назначение турбонасоса состоит в том, чтобы гарантировать циркуляцию с постоянным расходом и рекомбинацию рабочей текучей среды.

Рассматривая теперь фиг. 6, отмечаем, что под взаимодействием получаемого тепла рабочая текучая среда в испарителе 41 высокого давления испаряется, повышая таким образом свое давление, и испарившуюся текучую среду можно затем использовать для циклического привода в движение поршней 42 двигателя известным способом. Внешний источник тепла 40 может обеспечить подвод тепла к рабочей текучей среде в контейнере или испарителе 41 высокого давления. Испарившаяся текучая среда или газ, отходящая (отходящий) от поршней 42, выпускается в осевой насос 49 и теплообменник 39, где передает часть своего тепла в процессе замкнутой циркуляции регенерирующей текучей среде в контуре 44 текучей среды. Теплообменники 39 и 46 выполнены в виде одного блока. Таким образом, газ, отходящий от поршней 42, протекает через одну часть 39 в одном направлении, а через другую часть 46 - в другом направлении. После этого газ выпускается в источник холода 43, где он конденсируется, а потом проходит через турбонасос 51 в теплообменник 46 (в направлении, противоположном направлению протекания в теплообменник 39) и возвращается в свою исходную точку в замкнутом контейнере 41 для начала нового цикла. Таким образом, следует понимать что теплообменники 39 и 46 являются частью общего блока, через который газ от поршней 42 проходит в первом направлении, а потом возвращается обратно в противоположном направлении в виде текучей среды через тот же самый блок теплообменников. Поэтому текучая среда в резервуаре 41 высокого давления при равной массе занимает больший объем в своей паровой фазе, чем в своей жидкой фазе. Разница в объеме преобразуется в мощность, которую потом использует приводной вал 48, а скрытое тепло текучей среды используется по меньшей мере частично замкнутым контуром 44 теплорегенерирующей текучей среды. Из теплообменника 39 теплорегенерирующая текучая среда поступает в контуре 44 текучей среды в ряд компрессоров 45 и по мере повышения температуры в адиабатический теплообменник 46.

Выпуск активной текучей среды под пониженным давлением из цилиндров 42 (понижение давления не прерывается, а происходит в текучей среде до достижения равномерного состояния) и принудительное повторное сжатие текучей среды в части теплообменника 46, через который проходит контур 44 регенерирующей текучей среды, находящейся под низким давлением, осуществляет осевой насос 49, который выполнен как единое целое с турбиной 50. Турбина 50, механически подсоединенная к приводному валу 48, частично приводится в движение за счет понижения давления сжатой регенерирующей текучей среды в теплообменнике 46 и это компенсирует значительную долю затрат мощности, расходуемой на циклическую рекомбинацию тепловой энергии. В зависимости от типа приложения или типа камеры сгорания, используемой для нагрева активной текучей среды двигателя, контур тепловой регенерации используется либо для передачи тепла рабочей текучей среды изнутри системы наружу, либо наоборот, снаружи внутрь.

Выбор текучей среды определяет технологию изготовления конструкции двигателя и включает следующие параметры: температуру, давление, поверхность теплопередачи, потребность в резком уменьшении давления, которое не требует перегрева на входах цилиндров блока двигателя, и, в частности, в контурах теплового привода. С точки зрения теории органическая текучая среда, содержащая фтор, такая как фторсодержащая среда FC75, в контуре теплового привода должна хорошо сочетаться с фреоном R11 в контуре регенерации.

Применение двигателя Баудино в многоступенчатом паровом двигателе проиллюстрировано на фиг. 7A и фиг. 7B. Двигатель 52 содержит три ступени 54, 56 и 58, причем каждая ступень выполнена на основе двигателя Баудино. Следует уяснить, что каждый двигатель Баудино представлен двигателем, показанным на фиг. 6 и изображенным на фиг. 7A и 7B с поршнями двигателя, отделенными друг от друга, чтобы показать связь между поршнями двигателя и остальной частью двигателя Баудино. Так, на первой ступени двигатель Баудино 54 и поршни 53 двигателя находятся в одном и том же корпусе, как показано пунктирной линией 51, окружающей поршень 53 двигателя и идущей от двигателя Баудино 54. Аналогично поршни 55 двигателя являются составной частью двигателя Баудино 56, как показано пунктирной линией 61, окружающей поршни 55 двигателя. Аналогично поршни 57 двигателя на третьей ступени выполнены в одном корпусе с двигателем Баудино 58, как показано пунктирной линией 63, окружающей поршни и двигатель Баудино.

Показано, что этот двигатель потребляет необходимое для привода тепло из такого источника, как котел 60 с системой 62 горелки, обеспечивающие подвод тепла. Топливо, такое, как газ, подают по трубопроводу 65 через регулирующий клапан 66 в систему 62 горелки. Система 62 горелки нагревает рабочую жидкость в трубопроводе 64 в котле 60 и испаряет ее. Насос 68 прокачивает жидкую текучую среду в трубопровод 64 и в котел 60. Клапан 70 регулирования жидкости установлен параллельно насосу 68, так что, как будет описано ниже, когда клапан 70 открывается, насос 68 по существу отключается, чтобы прекратить прокачивание текучей среды, если это необходимо.

Датчик 72 уровня жидкости определяет уровень жидкости в расширительном баке 73 и котле 60. Испарившаяся жидкость поступает в трубопровод 75, где датчик давления 74 и датчик температуры 76 постоянно выдают показания давления и температуры в трубопроводе 75. Таким образом, как можно видеть на фиг. 8, возможно применение ЭВМ для управления работой различных клапанов и насосов на основе показаний уровня жидкости, давления и температуры, обеспечиваемых датчиками 72, 74 и 76. Так, обозначенное позицией 82 на фиг. 8 устройство числового программного управления уровнем текучей среды принимает показания уровня жидкости от датчика 72 и суммирует этот сигнал в сумматоре 88 с сигналом давления, полученным устройством управления давлением от датчика давления 74. Результат суммирования в сумматоре 88 используют для управления клапаном 70 регулирования уровня, который установлен параллельно насосу 68 текучей среды, как указано выше. Таким образом, если уровень становится слишком высоким и/или давление выходит за допустимые пределы, клапан 70 регулирования уровня жидкости открывается должным образом и регулирует количество текучей среды, которое насос 68 может подавать в котел 60. Аналогично, как можно увидеть на позиции 86 на фиг. 8, индикатор температуры или устройство управления температурой получает сигнал температуры, выданный датчиком температуры 76 и используемый ЭВМ через селектор 85 вместе с показанием давления, выдаваемым устройством 84, с целью управления клапаном 66 регулирования давления, который регулирует количество газа в трубопроводе 65, подаваемого в узел 62 горелки. Так, если давление и/или температура становятся слишком высокими (высокой), количество газа, подаваемого в котел для получения этой температуры, уменьшается путем частичного перекрытия клапана регулирования 66. Все эти средства, управляемые ЭВМ, давно и хорошо известны в данной области техники, так что эксплуатация этих клапанов и управление ими на основании сигналов температуры и давления не ново ни применительно к рассматриваемому выражению, ни само по себе.

Испарившаяся текучая среда в трубопроводе 75 поступает в регулируемый вручную клапан 78, который может быть аналогичен игольчатому клапану на карбюраторе, обеспечивая регулирование минимальной скорости двигателя. Клапан 80 регулирования скорости регулируют вручную, например с помощью ручного дроссельного крана или ножной педали, но, конечно его можно регулировать и с помощью ЭВМ: чтобы обеспечить количество пара, необходимое для привода поршней 53 первого двигателя Баудино 54. Таким образом, пар начинает перемещать поршни 53 первого двигателя Баудино, который начинает вращать вал 102, являющийся общим для всей ступени. Использование пара, отходящего от поршней 53 по трубопроводу 89, в двигателе Баудино 54 разъяснялось ранее применительно к фиг 6 и здесь повторно описываться не будет. Пар, выходящий из двигателя Баудино 54 по трубопроводу 90, поступает в подогреватель 92, который является теплообменником, также получающим текучую среду по трубопроводу 94 от второго двигателя Баудино 56 до того, как она поступает на поршни 53 двигателя в качестве охлаждающей текучей среды. Кроме того, пар в трубопроводе 90, который проходит через подогреватель 92, также проходит через охладитель 96, передавая оставшееся у него тепло текучей среде 98, поступающей из двигателя Баудино 58 третьей ступени. Таким образом, текучая среда в трубопроводе 90 отдает свое тепло текучей среде в трубопроводе 98 и охлаждается с превращением в жидкость в трубопроводе 67, по которому она поступает обратно в насос 68, а затем цикл повторяется. Таким образом, как можно увидеть на фиг. 9, прибор 104 ручного управления (или управляемый ЭВМ сигнал) управляет клапаном 80 регулирования скорости, обеспечивающей подачу большего или меньшего количества пара в поршневой двигатель 53 с целью регулирования скорости двигателя.

Давление и температуру пара в трубопроводе 75, поступающего в поршневой двигатель 53, измеряют датчиками 108 и 110, соответственно. Далее перепускной клапан 112, когда он открыт, позволяет пару проходить по трубопроводу 113 в охладитель 96 с последующим возвратом в насос 68. Таким образом, обращаясь к фиг. 9, можно отметить, что, когда давление и/или температура согласно показаниям датчиков 108 и 110 слишком высоки или выходят за нормальные пределы, ЭВМ, как показано на фиг. 9, с помощью устройств управления давлением 114 и температурой 116, используют сигналы датчиков для отображения аномальных давления и температуры с целью осуществления управления клапанами 106 и 112 со стороны устройства управления 118. Если клапан 106 открыт, пар может обходить поршни 53 двигателя и направляться непосредственно в оставшуюся часть двигателя Баудино 54 при более высокой температуре. Если давление и температура таковы, что их надо уменьшить, клапан 112 открывается в обход всей группы двигателя Баудино с целью подачи заданной части пара обратно через охладитель 96, где он конденсируется в жидкость, поступающую в трубопровод 67 и направляемую обратно в насос 68. Таким образом, можно не только регулировать давление и температуру пара, поступающего к поршням 53 двигателя Баудино, но и обеспечить полное или частичное поступление пара в обход поршней 53 обратно в охладитель 96 с целью подогрева текучей среды, поступающей со второй и третьей ступени по трубопроводам 94 и 98.

Далее оперативный контроль температуры в подогревателе 92 осуществляет датчик 120, тогда как оперативный контроль температуры в охладителе (или подогревателе) 96 осуществляет датчик температуры 122. Если температура в подогревателе 92 ниже заданной температуры, о чем свидетельствуют показания датчика 120, то, как можно заметить, снова обращаясь к фиг. 9, ЭВМ использует сигнал датчика, чтобы с помощью индикаторного устройства 124 управления температурой и автоматического селектора 128 управлять клапаном 106 регулирования давления и обеспечить поступление испарившейся текучей среды в обход поршней 53 двигателя непосредственно в двигателе Баудино 54, увеличивая тем самым температуру в выпускном трубопроводе 90. Аналогично, если температура охладителя 96 ниже заданного уровня, о чем свидетельствуют показания датчика 122, то, как можно заметить, снова обращаясь к фиг. 9, ЭВМ использует эту информацию, чтобы с помощью индикаторного устройства 126 управления температурой управлять перепускным клапаном 112 с целью подачи большого и меньшего количества испарившейся текучей среды непосредственно в охладитель 96 полностью в обход поршневого двигателя 53 двигателя Баудино и подачи большого количества тепла на двигатель 58 третьей ступени, как будет пояснено ниже.

В обратном трубопроводе 94 текучей среды, идущей от двигателя Баудино 56 второй ступени, имеется насос 136 для перекачивания текучей среды обратно к поршням 53 двигателя первой ступени. Поршни 53 двигателя служат источником тепла для текучей среды двигателя Баудино 56 второй ступени. Датчик 130 уровня текучей среды на поршневом двигателе 53 дает показания, если происходит повышение уровня текучей среды в поршневом двигателе 53. В этом случае можно отметить, вновь обращаясь к фиг. 9, что сигнал, негенерируемый датчиком 130 уровня текучей среды, используется ЭВМ, чтобы с помощью индикаторного устройства 132 управления уровнем управлять клапаном 134, установленным в обход насоса 136 с целью регулирования количества текучей среды, перекачиваемой в трубопроводе 94 обратно в источник тепла или поршневой двигатель 53.

Рассматривая вторую ступень, отметаем, что текучая среда, перекачиваемая насосом 136 (изображенным на фиг. 7B) от двигателя Баудино 56 второй ступени, проходит через подогреватель 92 (изображенный на фиг. 7A), где, как указывалось ранее, получает тепло, остающееся в текучей среде, выходящей из двигателя Баудино 54 первой ступени по трубопроводу 90, и таким образом подогревается. Затем эта текучая среда поступает в бак 53 поршневого двигателя первой ступени, где служит хладагентом для первой ступени и в процессе охлаждения испаряется и выходит из поршневого двигателя 53 в трубопровод 138 к поршням 55 двигателя второй ступени, изображенным на фиг. 7B. И вновь температуру и давление пара определяют с помощью датчиков 140 и 142. Если давление и/или температура превышает заданные пределы, то, как можно заметить, обращаясь к фиг. 10, ЭВМ - с помощью индикаторных устройств 146 и 148 управления давлением и температурой - использует показания температуры и давления, поступающие от датчиков 140 и 142, для управления автоматическим селектором 150, который, в свою очередь, управляет клапаном 144 регулирования давления. Клапан 144, регулирующий давление, установлен в обход поршней 55 двигателя и обеспечивает поступление текучей среды непосредственно в двигатель Баудино 56 второй ступени. И вновь давление и температуру текучей среды, подаваемой к поршням 55 двигателя, регулируют. И здесь, пар, выходящий из поршневого двигателя 55 в трубопровод 152, поступает в двигатель Баудино 56, который функционирует, как описано выше со ссылкой на фиг. 6. Текучая среда, выходящая из двигателя Баудино 56 по трубопроводу 154, поступает в подогреватель 156 и в охладитель (или подогреватель) 158, где текучая среда кондиционируется в трубопроводе 160 и поступает обратно в насос 136 для рециркуляции через вторую ступень, как описано выше. И вновь предусмотрены датчики температуры 162 и 164 для подогревателя 156 и охладителя 158, соответственно. Если показания свидетельствуют, что эти температуры не соответствуют должному уровню, ЭВМ, с помощью индикатора и устройства управления температурой, обозначенных позициями 166 и 168, соответственно, на фиг. 10, и вновь - с помощью автоматического селектора, 170, управляет перепускным клапаном 144 регулирования давления, обеспечивая пару возможность обхода поршней 55 двигателя и подачи непосредственно в двигатель Баудино 56 на второй ступени. Таким образом, выход из двигателя 56 второй ступени должен иметь повышенную температуру при поступлении в подогреватель 156 и охладитель 158.

Следует отметить, что на изображении двигателя Баудино 58 третьей ступени продемонстрированы его детали и его связь с поршневым двигателем 63, осуществляемая так же, как описано применительно к фиг. 6. Как указано выше, двигатели Баудино 54 и 56 сконструированы одинаково. Нужно отметить, что привод внутреннего насоса 172 в двигателе Баудино 58 на третьей ступени осуществляется от вала 102. Точно так же насос 68 на первой ступени и насос 136 на второй ступени может быть частями двигателей Баудино 56 и 54, соответственно, и выполнены так же, как показано в случае двигателя Баудино 58 на третьей ступени. Однако насосы 68 и 136 изображены снаружи двигателя Баудино 54 и 56 для простоты объяснения. Насос 172 перекачивает текучую среду по трубопроводу 176 из двигателя Баудино 58 в охладитель 158 на второй ступени, где она отбирает часть тепла, а также способствует конденсации пара, выходящего со второй ступени. Текучая среда продолжает поступать в охладитель 96 на первой ступени, где производит то же действие и отбирает дополнительное тепло. Затем она возвращается по трубопроводу 180 в подогреватель 156 на второй ступени, где отбирает больше тепла у пара, выходящего со второй ступени по трубопроводу 154, а затем поступает в поршневой двигатель 55 в качестве его хладагента. Охлаждая поршни 55, текучая среда поглощает тепло, испаряется и выходит из поршневого двигателя 55 в трубопровод 182, по которому возвращается на вход поршневого двигателя 63 двигателя Баудино 58. Там она приводит в движение поршни, а потом проходит через двигатель Баудино 58, как пояснялось ранее, и повторяет процесс.

Следует отметить в отношении двигателя Баудино 58, что клапан 174 регулирования уровня установлен в обход насоса 172. С поршневым двигателем 55 второй ступени связан индикатор 184 датчика уровня текучей среды, обеспечивая таким образом показания, когда в поршневом двигателе 55 достигается заданный уровень текучей среды. Далее можно отметить, обращаясь к фиг. 10, что сигнал, поступающий от индикатора 184 датчика уровня текучей среды, используется ЭВМ и индикаторным устройством 190 управления уровнем для управления клапаном 175 регулирования уровня текучей среды в двигателе Баудино 58 с целью открытия клапана 174 и уменьшения количества текучей среды, перекачиваемой насосом 172. Таким образом, можно осуществлять регулирования уровня текучей среды в поршневом двигателе 55 второй среды.

Следует также отметить, что на выходе поршневого двигателя 55 второй ступени имеются датчик давления 186 и датчик температуры 188. Обращаясь теперь к фиг. 11, отмечаем, что ЭВМ управляет индикаторным устройством 190 управления давлением с целью управления автоматическим селектором 194 для управления клапаном 144 регулирования давления на входе поршневого двигателя 55 второй ступени, чтобы при необходимости обойти двигатель 55 и тем самым повысить температуру текучей среды, осуществляющей теплопередачу текучей среде, поступающей с третьей ступени в подогреватель 156 и охладитель 158. Кроме того, к поршневому двигателю 57 третьей ступени можно подсоединить датчик 196 регулирования уровня текучей среды, а также, обращаясь к фиг. 11, можно отметить, что индикаторное устройство 198 управления уровнем, находящееся под управлением ЭВМ, может приводить в действие клапан 174 регулирования уровня в двигателе Баудино 58, чтобы обойти насос 172 и таким образом поддержать надлежащий уровень текучей среды в поршневом двигателе 63 текучей среды.

Необходимо отметить, что соединение вала 102 на всех трех ступенях осуществляется посредством редукторов 200 и 202. Так, редуктор 200 соединяет ступени один и два с валом 102, тогда как редуктор 202 соединяет вторую и третью ступени с выходным валом 102. Редукторы известны и имеют зубчатые колеса с внутренним и внешним зубчатым венцом, сцепленные друг с другом и соответствующей частью вала. Это обеспечивает балансировку усилий, прикладываемых к валу, даже в случае, если скорости трех блоков различаются. Если ЭВМ управляет достижением всеми тремя ступенями по существу одной и той же скорости, зубчатые колеса с внутренним и внешним зубчатым венцом будут просто осуществлять совместное вращение.

Теперь обсудим работу многоступенчатого парового двигателя 52, показанного на фиг. 7A и фиг. 7B. При запуске котел 60 и горелку 62 запускают по сигналу, который инициирует следующую последовательность: сначала задействуется насос 68 подачи жидкости, и уровень жидкости в котле 60 регулируется на основании выходного сигнала датчика уровня 72, как указано выше. В то же время сигнал управления системой 62 горелки открывает известный предохранительный клапан и позволяет топливу в трубопроводе 65 протекать через клапан 66 регулирования давления и воспламеняться горелкой 62. Горелка 62 открывается с поддержанием максимального расхода, что обеспечивает нагрев системы и приводит ее к достижению этого давления. Чтобы обеспечить запуск, можно соединить стартерный электродвигатель 204 с валом 102 и тем самым обеспечить его вращение, чтобы начать циркуляцию текучей среды в различные ступени посредством насосов 68 на первой ступени, 136 на второй ступени и 172 на третьей ступени. Напомним, как указывалось ранее, что насосы 68 и 136 на первой и второй ступенях, соответственно, могут быть частью двигателя Баудино, что проиллюстрировано посредством насоса 172 в двигателе Баудино 58 третьей ступени. Когда манометр 74 и термометр 76 в трубопроводе 75, ведущем к поршневому двигателю 53 первой ступени, показывают, что вход в систему доведен до требуемых давления и температуры, ЭВМ осуществляет управление клапаном газа 66, как пояснялось выше, чтобы поддержать требуемое давление. Ввиду исключительно малого объема жидкости в котле эта операция занимает всего несколько секунд.

Двигатель 52 задействуют с минимальной скоростью с помощью настраиваемого игольчатого регулирующего клапана 78, как пояснялось ранее, а желаемую скорость регулируют, задействуя клапан 80 регулирования вручную, предназначенный для привода первой ступени. Чтобы получить быстро балансируемую систему, вторую и третью ступени можно задействовать быстро - за счет управления перепускными клапанами 106 на первой ступени и 144 на второй ступени, чтобы тем самым вызвать передачу заданного количества испарившейся текучей среды непосредственно во вторую и третью ступени. Перепускными клапанами 106 и 144 управляет ЭВМ посредством устройств управления давлением 106, показанного на фиг. 9, и 144, показанного на фиг. 10. Этими клапанами также управляют устройство управления температурой 166, показанное на фиг. 10, и 192, показанное на фиг. 11, на основании показаний датчика температуры 122 на первой ступени и 158 на второй ступени, установленных на выходе охладителей 96 и 158 из ступеней один и два.

Таким образом, три давления, прикладываемые на ступенях один, два и три в соответствии с показаниями связанных с этими ступенями датчиков давления, устанавливаются на основании давления и температур на входах и выходах каждой ступени. Каналы регулирования давления 106, 112 и 144 управляются ЭВМ, чтобы быстро сбалансировать систему. Как только ступени приходят в сбалансированное состояние, эти клапаны либо закрываются, либо устанавливаются в положения, соответствующие сниженному расходу, на основании сигналов управления, поступающих на ЭВМ.

Три ступени являются блоками с отдельным приводом, поэтому необходимо сбалансировать усилия, прикладываемые к валу. Следовательно, скорость трех блоков может быть различной, и ее даже можно изменять механически - посредством зубчатых колес с внутренним и внешним зубчатыми венцами, изображенных в редукторах 200 и 202 на фиг. 7А и фиг. 7B. Путем механического задания вращения зубчатых колес друг относительно друга известным способом балансируют усилия, прикладываемые к валу 102. Давления на поршни и в трубопроводах, определяемые датчиками давления, как указано выше, обеспечивают определение мощности на каждом валу каждой ступени. ЭВМ сравнивает замеры мощности известным способом и изменяет световой поток от одной ступени к другой, как указано, чтобы осуществить скорости вращения вала трех ступеней.

Поскольку, как указано ранее, в каждом из двигателей Баудино 54, 56 и 58 применяется отличающаяся текучая среда, которая кипит при температуре, меньшей, чем температура на выходе предшествующей ступени, ступень 2 получает энергию, рассеиваемую со ступени 1, а ступень 3 получает энергию, рассеиваемую со ступени 3. В случае необходимости потребления энергии на ступени 2 или ступени 3 с целью балансировки мощности, ступени 2 и 3 могут получать дополнительную энергию через перепускные клапаны 106 и 144 со ступени 1 или ступени 2, за счет чего происходит регулирование температуры теплопередачи в подогревателях 92 и 156 и охладителях 96 и 158. Охладители ступеней 1 и 2 - 96 и 158, соответственно, - сконструированы так, что учитывается максимальный тепловой поток в течение периодов теплопередачи. Конечно, охладители можно выполнить и с запасом по размерам, чтобы избежать кавитацию насосов и надежно охладить жидкость.

Все устройства управления в системах, обозначенные на фиг. 8, 9, 10 и 11 позициями 82, 84, 86, 104, 114, 116, 124, 126, 132, 146, 148, 166, 168, 190, 191, 192 и 198, являются устройствами пропорционально-интегрального управления, которые известны в данной области техники и таковы, что, когда отмечается определенное отклонение функций двигателя от установленного режима, о чем свидетельствуют сигналы измерений, интегральная функция исключается. Интегральную функцию вводят в употребление всегда, когда необходимо избежать выхода сигнала управления за допустимые пределы, как известно в данной области техники.

Чтобы увеличить или уменьшить мощность или скорость двигателя, основной клапан 66 подачи топлива открывается, обеспечивая подачу на ступень 1 и в котел 60. Поскольку температуру и давление всегда поддерживают постоянными на выходе котла 60, возможно быстрое ускорение или жесткое сопровождение на низкой скорости без внесения нарушений в сгорание. Таким образом, давление и температура текучей среды из котла 60 регулируются раздельно от давления и температуры, генерируемых поршневыми двигателями 53 и 55 для двигателей трех ступеней. Устройства управления температурой работают в режиме автоматического выбора, чтобы ограничить температуру паров в охладителях и/или подогревателях.

Таким образом, настоящее изобретение относится к паровому двигателю, которое имеет несколько ступеней, но может быть выполнено в виде единого блока. Каждая ступень имеет свой отдельный источник мощности пара, и текучие среды на каждой ступени отличаются друг от друга и имеют разные тепловые/температурные характеристики. В процессе работы первая текучая среда, проходящая через первую ступень, сама нагревается котлом до первой температуры и проходит через первую ступень двигателя. Насос перекачивает первую текучую среду обратно в котел. Избыточная температура первой ступени передается охлаждающей текучей среде со второй ступени. Охлаждающая текучая среда второй ступени является второй, отличающейся текучей средой, которая при второй, более низкой температуре использует рассеиваемое тепло первой ступени для привода поршней, которые тоже подсоединены к тому же валу, что и первая ступень. Вторая текучая среда второй ступени проходит через внутренний теплообменник и перекачивается обратно в первую ступень для рециркуляции. Третья ступень двигателя имеет третью, отличающуюся текучую среду, которая проходит через теплообменники на первой и второй ступенях, где она нагревается до третьей, более низкой температуры, чем температура, определяемая теплом, рассеиваемым на второй ступени, а затем приводит в движение общий вал, после чего третья текучая среда перекачивается обратно на вторую ступень для рециркуляции. Три ступени можно установить друг за другом в виде каскада и сконструировать в виде унитарного блока двигателя. Текучие среды в трех контурах все отличаются друг от друга и приспособлены к испарению при температуре, определяемой конкретными ступенями двигателя. В качестве текучих сред можно использовать фторсодержащие углеводороды.

Расшифровка сокращений на чертежах: ИУУУ - индикаторное устройство управления уровнем;
ИУУД - индикаторное устройство управления давлением;
ИУУТ - индикаторное устройство управления температурой;
КРУ - клапан регулирования уровня;
КРД - клапан регулирования давления;
КРС - клапан регулирования скорости;
ИУУС - индикаторное устройство управления скоростью;
РКР - регулируемый вручную клапан регулирования давления;
ДУ - датчик уровня;
ДД - датчик давления;
ДТ - датчик температуры.

Формула изобретения

1. Паросиловой двигатель, содержащий по меньшей мере два двигателя (20, 22, 24, 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом, каждый из которых имеет впускное отверстие для парообразной текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды; теплообменник или котел (60), образующий испаритель (2) и подсоединяемый к впускному отверстию для пара, выпускному отверстию первого (20, 54) из двигателей (20, 22, 24; 54, 56, 58) для приема текучей среды из выпускного отверстия для текучей среды первого (20, 54) из двигателей поршневого типа с паровым приводом; внешний источник тепла (13, 40) для избирательного подсоединения к теплообменнику или котлу (60) для испарения текучей среды в нем с целью сообщения энергии первому (20, 54) из двигателей поршневого типа с паровым приводом, причем двигатели (20, 22; 24; 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом соединены друг с другом так, что текучая среда предшествующего двигателя (20 или 22; 54 или 56) поршневого типа с паровым приводом либо становится текучей средой последующего двигателя (22 или 24; 54 или 56) поршневого типа с паровым приводом, либо нагревает посредством теплообменника отличающуюся текучую среду последующего двигателя (22 или 24; 56 или 58) поршневого типа с паровым приводом, отличающийся тем, что каждый из двигателей поршневого типа с паровым приводом содержит выходной вал (48), поршни (42), приводимые в движение паром, подсоединенные к выходному валу (48), причем впускное отверстие для парообразной текучей среды принимает первую испарившуюся текучую среду из внешнего источника тепла (40), от предшествующего двигателя (20 или 54) поршневого типа с паровым приводом или из теплообменника (37, 92), соединенного с этим предшествующим двигателем поршневого типа с паровым приводом для привода в движение поршней (42), приводимых в движение паром, и вращения выходного вала (48); первый контур пара/текучей среды для приема первой испарившейся текучей среды от поршней (42); внутренний насос (49) в первом контуре пара/текучей среды для обеспечения циркуляции пара/текучей среды обратно к внешнему источнику тепла (40) для повторного нагрева, внутренний теплообменник (39, 46) в первом контуре пара/текучей среды, стоящий перед внешним источником тепла (40); второй замкнутый контур (44) текучей среды/пара, в котором заключена (заключен) вторая (второй) текучая среда/пар, имеющая (имеющий) более низкую температуру испарения (парообразования), чем первая (первый) текучая среда/пар, причем второй замкнутый контур (44) текучей среды/пара проходит через внутренний теплообменник (39, 46) для обеспечения испарения; внутренний компрессор (45) во втором контуре (44) текучей среды/пара, приводимый в действие выходным валом (48) с целью сжатия второй (второго) текучей среды/пара и повышения ее/его температуры для передачи в теплообменник (39, 46); и турбину (50) во втором замкнутом контуре (44) текучей среды/пара, подсоединенную к выходному валу и принимающую вторую (второй) текучую среду/пар и обеспечивающую подвод мощности к выходному валу (48).

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере три двигателя (20, 22, 54; 56, 58) поршневого типа с паровым приводом, соединенные друг с другом так, что текучая среда предшествующего двигателя (20 или 22; 54 или 56) поршневого типа с паровым приводом либо становится текучей средой последующего двигателя (22 или 24; 54 или 56) поршневого типа с паровым приводом, либо нагревает посредством теплообменника текучую среду последующего двигателя (22 или 24; 56 или 58).

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере второй теплообменник (37, 92) для приема текучей среды, выходящей из первого двигателя (20, 54) поршневого типа с паровым приводом, для испарения отличающейся текучей среды с целью привода в действие последующего из двигателей (20, 22, 24; 54, 56, 58), причем впускное отверстие для парообразной текучей среды второго двигателя (22, 56) поршневого типа с паровым приводом соединено с вторым теплообменником (37, 92), за счет чего текучие среды в каждом двигателе (20, 22, 24; 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом различны, и температура испарения текучей среды во втором двигателе (22, 56) поршневого типа с паровым приводом меньше, чем температура текучей среды первого двигателя (20, 54) поршневого типа с паровым приводом на выходе этого двигателя.

4. Двигатель по пп.2 и 3, отличающийся тем, что содержит три двигателя Баудино (54, 56, 58), образованные двигателями поршневого типа с паровым приводом типа, определенного в п.1, и тем, что содержит первый замкнутый контур (67, 75, 89, 90), содержащий трубопровод (75) испарившейся текучей среды, подсоединяющий испаритель (60), нагреваемый внешним источником (62), к поршням (53) первого двигателя Баудино (54), трубопровод (90), соединяющий выпускное отверстие для пара двигателя Баудино (54) по меньшей мере с одним теплообменником (92, 96) и трубопровод (67), соединяющий указанный теплообменник с испарителем (60), и второй замкнутый контур (94, 138, 152, 154, 160), содержащий трубопровод (94, 154) возврата текучей среды, соединенный с выпускным отверстием второго двигателя Баудино (56), проходящий по меньшей мере через один теплообменник (156, 158), через один из теплообменников (92, 96) в первом замкнутом контуре (67, 75, 89, 90) и через корпус поршней (53) первого двигателя Баудино (54) для охлаждения их, трубопровод (138), соединенный с указанным корпусом и поршнями (55) второго двигателя Баудино (56), и последний замкнутый контур (98, 176, 180, 182), содержащий трубопровод возврата (176, 98, 180), проходящий по меньшей мере через один из теплообменников (158, 156) в замкнутом контуре (94, 138, 152, 154, 160), относящемся непосредственно к предшествующему двигателю Баудино (56), и предпочтительно проходящий также через теплообменник (96) в замкнутом контуре (67, 75, 89, 90), относящемся к предыдущему по отношению к предшествующему двигателю Баудино (54), и через корпус поршней (55) предшествующего двигателя Баудино (56) для охлаждения этих поршней, и трубопровод (182), соединяющий этот корпус с последним двигателем Баудино (58).

5. Паросиловой двигатель, содержащий по меньшей мере два двигателя (20, 22, 24; 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом, каждый из которых имеет впускное отверстие для парообразной текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды; первый теплообменник или котел (60), образующий испритель (2) и подсоединяемый к впускному отверстию для пара и выпускному отверстию первого (20, 54) из двигателей (20, 22, 24; 54, 56, 58) поршневого типа для приема текучей среды из выпускного отверстия для текучей среды первого (20, 54) из двигателей поршневого типа с паровым приводом; внешний источник тепла (13, 40) для избирательного подсоединения к теплообменнику или котлу (60) для испарения текучей среды в нем с целью сообщения энергии первому (20, 54) из двигателей поршневого типа с паровым приводом; второй теплообменник (37, 92) для приема текучей среды, выходящей из первого двигателя (20, 54) поршневого типа с паровым приводом, для испарения этой текучей среды с целью привода в действие второго из двигателей (20, 22, 24; 54, 56, 58), причем впускное отверстие для парообразной текучей среды второго двигателя (22, 56) поршневого типа с паровым приводом соединено с вторым теплообменником (37, 92), за счет чего текучие среды в каждом двигателе (20, 22, 24, 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом различны и температура испарения текучей среды во втором двигателе (22, 56) поршневого типа с паровым приводом меньше, чем температура текучей среды первого двигателя (20, 54) поршневого типа с паровым приводом на выходе этого двигателя, отличающийся тем, что внешний источник тепла (13) представляет собой двигатель внутреннего сгорания (6) и тем, что содержит третий теплообменник (36, 154) для приема текучей среды, выходящей из второго двигателя (22) поршневого типа с паровым приводом, имеющий заключенную внутри него третью текучую среду, которая будет испаряться при температуре, меньшей, чем температура текучей среды второго двигателя (22, 56) поршневого типа с паровым приводом.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что текучая среда в испарителе (2) испаряется при температуре менее 180^oC (350^oF), температура на выходе первого двигателя (20, 54) поршневого типа с паровым приводом меньше 120^oC (248^oF), парообразная текучая среда второго двигателя (22, 56) поршневого типа с паровым приводом испаряется при температуре менее 120^oC (248^oF); текучая среда, выходящая из второго двигателя (22) поршневого типа с паровым приводом, имеет температуру менее 80^oC (140^oF), и внутри имеется третья текучая среда, которая будет испаряться при температуре менее 80^oC (140^oF).

7. Двигатель по п.5 или 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит четвертый двигатель поршневого типа с паровым приводом, имеющий впускное отверстие для парообразной жидкости и выпускное отверстие для жидкости; причем внутри четвертого двигателя заключена четвертая текучая среда, четвертый двигатель расположен между источником нагрева и первым двигателем, так что источник нагрева подсоединен между впускным отверстием для парообразной текучей среды четвертого двигателя и выпускным отверстием для текучей среды с целью испарения четвертой текучей среды и привода в действие четвертого двигателя; и теплообменник, подсоединенный между четвертым двигателем и первым двигателем так, что отработанное тепло выпускного отверстия для текучей среды четвертого двигателя используется для испарения первой текучей среды первого двигателя и привода первого двигателя.

8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что четвертая текучая среда в четвертом двигателе испаряется при температуре менее 240^oC (484^oF) в его впускном отверстии для парообразной текучей среды, а четвертый двигатель генерирует рассеиваемое тепло в своем выпускном отверстии для текучей среды при температуре менее 180^oC (350^oF).

9. Двигатель по любому из пп.5 - 8, отличающийся тем, что испаритель (2) представляет собой радиатор двигателя внутреннего сгорания (6).

10. Двигатель по любому из пп.5 - 9, отличающийся тем, что содержит выходной вал (18, 102), приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания (6), и приводной вал, приводимый в движение двигателями (20, 22, 24; 54, 56, 58) поршневого типа с паровым приводом и подсоединенный к выходному валу для обеспечения общей выходной мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12