Двигатель с внешним подводом теплоты

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым машинам, работающим по термодинамическому циклу Стирлинга, и позволяет повысить эффективность указанного цикла. Двигатель с внешним подводом теплоты содержит герметичный корпус, внутри которого размещен механизм с цилиндрами, поршнями и шатунами. Механизм состоит из двух блоков цилиндров - расширения и сжатия. Блок цилиндров расширения находится в нетеплоизолированной герметичной камере с температурой окружающей среды, а блок цилиндров сжатия - в герметичной теплоизолированной камере. Блоки цилиндров камеры расширения и сжатия содержат механизмы качающейся шайбы. Синхронизация вращения этих механизмов обеспечивается электрически наличием двух синхронно вращающихся электромашин: генератора, выполненного по технологии сверхпроводимости, вращаемого механизмом качающейся шайбы в теплоизолированной камере и отдающего основную часть электроэнергии потребителю, и электродвигателя, размещенного в нетеплоизолированной камере расширения и вращающего вал механизма качающейся шайбы. Весь объем герметичных камер заполнен гелием под давлением в смеси с порошкообразным льдом (снегом), причем гелий в теплоизолированной камере находится в криогенном состоянии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области тепловых машин, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга, т.е. в идеальном случае: изотерма-изохора-изотерма-изохора.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты по патенту РФ 2157459 кл. F 02 G 1/043 от 11.03.99, содержащий герметичный корпус с размещенными в нем цилиндрами с поршнями и шатунами, расположенными в каждом из цилиндров; механизм состоит из двух блоков цилиндров - расширения и сжатия, в каждом из которых равное число цилиндров, параллельных оси симметрии механизма и равномерно расположенных по окружности с центральной симметрией относительно оси валов. Блок цилиндров расширения находится в нетеплоизолированной герметичной камере с температурой окружающей среды. Блок цилиндров сжатия находится в герметичной теплоизолированной камере, заполненной криогенной жидкостью, камеры разделены между собой теплоизолированной перегородкой, но соосные цилиндры каждого блока соединены через регенераторы. Блоки цилиндров камер расширения и сжатия содержат механизмы качающихся шайб. В каждом цилиндре размещен поршень, соединенный с качающейся шайбой и шатуном со сферическими шарнирами на концах. Качающиеся шайбы повернуты друг относительно друга на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей для реализации термодинамического цикла Стирлинга. На поршнях выполнены внутренние конические поверхности, к которым прилегают по образующим цилиндрические поверхности шатунов. В теплоизолированной камере расположен электрогенератор, выполненный по технологии сверхпроводимости с герметизированными электрическими выходами из теплоизолированной камеры. Для полной теплоизоляции камеры сжатия (кроме каналов соединения соосных цилиндров камер расширения и сжатия через регенераторы) отсутствует механическая связь между качающимися шайбами камер, а синхронизация вращения этих механизмов обеспечивается электрически наличием двух синхронно вращающихся электромашин: вышеупомянутого генератора, выполненного по технологии сверхпроводимости, вращаемого механизмом качающейся шайбы в теплоизолированной камере и отдающего основную часть электроэнергии потребителю и электродвигателя, размещенного в нетеплоизолированной камере и вращающего вал механизма качающейся шайбы, причем синхронность вращения валов и движений качающихся шайб достигается за счет наличия дискретных датчиков углового положения вращающихся валов, управляющей ЭВМ, в которой в реальном времени вычисляется рассогласование валов качающихся шайб и согласующего усилителя, управляемого сигналом от ЭВМ для устранения углового рассогласования валов и обеспечения синхронного движения качающихся шайб.

Недостатком известного технического решения является применение водорода и металлогидрида, что приводит к переходу водорода в газообразное состояние, повышению давления, выпуску в окружающую среду и потерю водорода.

Задачей изобретения является повышение эффективности и экономичности работы устройства за счет использования вместо водорода гелия в смеси с порошкообразным льдом (снегом), что исключает потерю рабочего тела (гелия) за счет уменьшения отвода тепла в холодильник, а также за счет более близких к абсолютному нулю криогенных температур жидкого гелия. Это приводит к возможности поглощения отводимого тепла снегом, не ведет к переводу жидкого гелия в газообразное состояние и повышению давления, следствием чего является выпуск газа (в данном случае гелия) в атмосферу и позволяет использовать тот же запас газа в повторном захолаживании гелия после срабатывания его на двигателе внешнего нагревания.

Это достигается тем, что в двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем герметичный корпус, внутри которого размещен механизм с цилиндрами, поршнями и шатунами, расположенными в каждом из цилиндров; механизм состоит из двух блоков цилиндров - расширения и сжатия, в каждом из которых равное число цилиндров, параллельных оси симметрии механизма и равномерно расположенных по окружности с центральной симметрией относительно оси валов: блок цилиндров расширения находится в нетеплоизолированной герметичной камере с температурой окружающей среды, а блок цилиндров сжатия в герметичной теплоизолированной камере, заполненной криогенной жидкостью; камеры разделены между собой теплоизолированной перегородкой, но соосные цилиндры каждого блока соединяются через регенераторы; блоки цилиндров камеры расширения и сжатия содержат механизмы качающейся шайбы, в каждом цилиндре размещен поршень, соединенный с качающейся шайбой со сферическими шарнирами на концах, причем качающиеся шайбы повернуты друг относительно друга на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей для реализации термодинамического цикла Стирлинга, на поршнях выполнены внутренние конические поверхности, к которым прилегают по образующим цилиндрические поверхности шатунов, причем в теплоизолированной камере расположен электрогенератор, выполненный по технологии сверхпроводимости с герметизированными электрическими выходами из теплоизолированной камеры для полной теплоизоляции камеры сжигания (кроме каналов соединения соосных цилиндров расширения и сжатия через регенераторы), отсутствует механическая связь между качающимися шайбами камер, а синхронизация вращения этих механизмов обеспечивается электрически наличием двух синхронно вращающихся электромашин: вышеупомянутого генератора, выполненного по технологии сверхпроводимости, вращаемого механизмом качающейся шайбы в теплоизолированной камере и отдающего основную часть электроэнергии потребителю и электродвигателя, размещенного в нетеплоизолированной камере расширения и вращающего вал механизма качающейся шайбы, причем синхронность вращения валов и движения качающихся шайб достигается за счет наличия дискретных датчиков углового положения вращающихся валов, управляющей ЭВМ, в которой в реальном времени вычисляется угловое рассогласование валов механизмов качающихся шайб и согласующего усилителя, управляемого сигналом от ЭВМ для устранения рассогласования валов и обеспечения синхронного движения качающихся шайб, весь объем герметичных камер заполнен гелием под давлением в смеси с порошкообразным льдом (снегом), причем гелий в теплоизолированной камере находится в криогенном состоянии, а также имеется зарядное устройство для захолаживания и восполнения выпущенного в окружающую среду гелия. Выполнение параметров механизмов качающейся и вращающейся шайб по следующим соотношениям: R-r = r-Rcosγ, (1) где R - радиус окружности центров сферических шарниров шатунов на качающейся и вращающейся шайбе, r - радиусы осей цилиндров относительно вала, γ - угол наклона плоскости, качающейся или вращающейся шайбы относительно плоскости, перпендикулярной оси вала, обеспечивает непрерывную обкатку шатунов по внутренней конической поверхности поршней на два оборота за один оборот вала и создает синхронное движение вала и шайб. При равномерном вращении такие механизмы создают только инерционные силы первого порядка как в обычном вращающемся роторе, что позволяет при балансировке полностью устранить силы от неуравновешенностей.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого устройства.

Двигатель с внешним подводом тепла состоит из трех сосудов А, В и С, соединенных между собой и образующих в целом герметичную систему. Сосуды А и В теплоизолированы и напрямую соединены между собой, образуя общую теплоизолированную камеру. Показанные на чертеже теплоизоляционные стенки 20, 22 можно расширительно интегрировать как вакууммированные (типа сосуда Дьюара) или активного принудительного термостатирования. Камера со стенкой 21, обладающей высокой теплопроводностью, находится при температуре окружающей среды. Все три сосуда заполнены гелием в различных фазовых состояниях - А и В - жидким, С - при температуре окружающей среды. Камера В дополнительно заполнена порошкообразным льдом (снегом) 32. Камера С находится выше сосудов А. Два механизма качающейся шайбы двигателя с внешним подводом тепла находятся в сосудах А и С. Механизмы в сосудах С и А образованы блоками цилиндров расширения 2 и сжатия 5. Цилиндры расположены параллельно оси вращения равномерно по окружности, их число больше 4, предпочтительно 7 или 9 в каждом блоке. Попарно цилиндры в блоках 2 и 5 расположены соосно. В каждом цилиндре расположены поршни 3. Поршни 3 через шатуны 4 со сферическими шарнирами соединены с качающимися шайбами 7 - для блока цилиндров расширения и 8 - для блока сжатия. Геометрия механизма такова, что цилиндрические поверхности шатунов постоянно находятся своими прямолинейными образующими на внутренних конических поверхностях поршней 3, что удерживает качающиеся шайбы 7 и 8 от проворачивания. Каждая пара соосных цилиндров блоков 2 и 5 соединена короткими трубопроводами со встроенными в них регенераторами 9 (пористыми элементами или проволочной, волоконной набивкой). Качающаяся шайба 7 через радиально-упорный подшипник 10 размещена в косой чаше 19 вала 1, а качающаяся шайба 8 через радиально-упорный подшипник 11 в косой чаше 23 вала 49.

Углы поворота плоскостей чаш 19 и 23 выполнены относительно осей, расположенных перпендикулярно осям валов 1 и 49, для чаши 19 относительно оси, перпендикулярной плоскости чертежа, для чаши 23 относительно оси, расположенной в плоскости чертежа.

Таким образом для соосных цилиндров, когда поршни 3 блока расширения 2 находятся в мертвых крайних положениях, для блока сжатия 5 поршни 3 находятся в средних положениях, то есть движения поршней сдвинуты на 90^o. Механизмы качающихся шайб выполнена в соответствии с геометрическими соотношениями, что обеспечивает безотрывное обкатывание шатунов по конусам поршней. Ниже косой чаши 19 на валу 1 размещен ротор электродвигателя 34, размещенный внутри статора 35, для питания электродвигателя к статору 35 подходит электрическая линия 36. Вал 1 опирается на подшипники 12 и 14. Кроме того, на валу 1 установлен зубчатый диск 37, а электропреобразователь 38 (электромагнитный или оптоэлектронный или датчик Холла) установлен на внутренней поверхности блока 2. Позиции 37 и 38 образуют вместе датчик положения вала 1, от электропреобразователя 38 отходит электрическая линия 39.

Выше косой чаши 23 на валу 49 размещен ротор 15 электрогенератора, статор которого 16 размещен внутри блока 5. Электрогенератор выполнен по технологии сверхпроводимости. Подмагничивание обеспечивается электрической линией 17, а съем электроэнергии электрической линией 18. Вал 49 опирается на подшипники 33 и 13. На валу 49 между подшипником 33 и ротором 15 установлен зубчатый диск 40, а на внутренней поверхности блока 5 электропреобразователь 41, аналогичный 37 и 38. От электропреобразователя 41 отходит электрическая линия 42. Электрические линии 17, 18, 36, 39 и 42 не нарушают герметичности сосудов А, В и С.

Сосуды А и В соединены каналами 24, образуя общую теплоизолированную камеру. Блоками 25, 26 и 27 обозначена криогенная зарядная установка, 28 - электрическая линия питания, - вход дозаправки жидким гелием, 29 - регулирующий клапан, 30 - соединительный трубопровод, 31 - выпускной клапан.

Двигатель с внешним подводом тепла работает следующим образом.

Весь объем сосудов А, В и С заполнен гелием в различных фазовых состояниях под давлением (см. Г. Уокера "Двигатели Стирлинга". М., Машиностроение, 1985, с.57...60). Блок цилиндров 5 находится в среде жидкого гелия. Рабочим телом внутри цилиндров также является гелий в газообразном состоянии. Сдвиг по фазе между движениями шатунно-поршневых групп в соосных цилиндрах составляет 90^o за счет наклона качающихся шайб 7 и 8 посредством поворота шайб относительно взаимно перпендикулярных осей в плоскостях, перпендикулярных оси вала, что приближенно обеспечивает реализацию термодинамического цикла Стирлинга.

При синхронном движении валов 1 и 49 поршни 3 и шатуны 4 приходят в возвратно-поступательное движение, создавая сферическое движение без вращения качающихся шайб 7 и 8. При равномерном вращении валов 1 и 49 движение поршней 3 будет чисто гармоническим в силу геометрических соотношений. Каждый механизм в сосудах А и С обладает одной степенью свободы за счет постоянного контакта цилиндрических поверхностей шатунов 4 и внутренних конических поверхностей поршней 3, что достигается при этих соотношениях. Допуски на величину угла α при изготовлении выбирают положительными во избежание заклинивания механизмов. Вал 49 вращает ротор 15 электрогенератора, который вырабатывает электроэнергию, снимаемую с обмотки статора 16. Вращение валов 49 и 1 является синхронным, что необходимо для обеспечения работоспособности двигателя с внешним подводом тепла. Синхронизация вращения электрогенератора и электродвигателя достигается следующим образом. Датчики оборотов электрогенератора и электродвигателя измеряются дисками 40 и 37 и элекропреобразователями 41, 38. Зубцы дисков 40, 37, проходя мимо электропреобразователей 38, 41, выдают электрические импульсы в линии 39, 42, что задает координаты положения вращающихся механизмов. Укороченные зубья на дисках задают начальную точку отсчета. Импульсы поступают в интерфейс, и счетчики, программно организованные внутри управляющей ЭВМ, осуществляют вычисление в реальном времени разности цифровых сигналов и координаты углового положения, при этом определяется рассогласование валов 1 и 49, т.е. выдается сигнал на ускорение или замедление вращения ротора электродвигателя 34.

Некоторая часть электроэнергии линии 18 подается на согласующий усилитель. Сигнал углового рассогласования валов 1 и 49, полученный на ЭВМ, управляет мощностью электрического тока, подаваемой на статор 35 электродвигателя по линии 36, и сводит к нулю угловое рассогласование валов 1 и 49 при вращении. Большая часть электроэнергии снимается со статора 16 электрогенератора и отдается потребителю, а на обмотке подмагничивания статора электроэнергия подается по линии 17.

Термодинамический коэффициент полезного действия двигателя с внешним подводом тепла при температуре холодильника, соответствующей температуре жидкого гелия, составит 98...99%. Большая часть тепла окружающей среды из нетеплоизолированной камеры С переводится в механическую работу, а затем в электроэнергию. Однако часть этого тепла (1-2%) поступает из камеры С в теплоизолированную камеру (сосуды А и В). Незначительного объема порошкообразного льда (снега) в сосуде В достаточно для того, чтобы поглотить это тепло за счет теплоемкости льда.

При приближении к температуре перехода гелия в газовую фазу в сосудах А и В процесс считается законченным. Включается криогенная зарядная установка, которая понижает температуру в сосудах А и В до начальной.

Двигатель с внешним подводом тепла будет восприниматься как электрический аккумулятор чрезвычайно большой емкости. Он будет обеспечивать при применении в мобильных машинах (прежде всего в автомобилях) полную экологическую чистоту. Энергетическая емкость двигателя по запасу энергии в массогабаритных соотношениях в несколько раз больше, чем у двигателей внутреннего сгорания на легком и тяжелом углеводородном топливе (бензиновых и дизельных).

В приложении показано на примере расчета емкости сосуда В, что его объем будет на порядок меньше объема бензобака в 40 л для легкового автомобиля на тот же запас энергии, переводимый в полезную механическую работу.

Определение необходимого объема льда (снега) в смеси с жидким гелием.

1. Определение запаса энергии. Определим необходимый запас энергии, исходя из объема 40 дм³ бензина (объем бензобака легкового автомобиля). Запас энергии: E = aqρV, (3) где а= 4,18 Дж/кал - тепловой эквивалент механической работы или электроэнергии в системе СИ, q=10,5•10⁶ кал/кг - теплотворная способность бензина, ρ=0,8 кг/дм³ - массовая плотность бензина, V=40 дм³ - объем бензобака, В этом случае запас энергии будет равен Е=1410•10⁶ Дж.

Полезно используется при переходе в механическую работу только часть энергии с учетом КПД двигателя внутреннего сгорания на легком топливе η=0,25.

L=ηE=353•10⁶ Дж=91 кВтч, округленно примем: L≅100 кВтч.

2. Если начальную температуру жидкого гелия примем 2К, а конечную примем 3К (температура кипения 4,22К), то будем считать, что средняя температура составляет 2,5К. Тепло, отводимое в двигателе с внешним подводом теплоты в холодильник, составит Примем Т_Г= 2,5К - температура жидкого гелия, и Т_ОС=293К (20^oС) - температура окружной среды. Получим из формулы (4), что Q=Q=21600 Дж.

3. Определим необходимый объем льда (снега), исходя из того, что его теплоемкость обеспечит необходимое поглощение поступающей в холодильник теплоты. Весом и теплоемкостью жидкого гелия пребрегаем
где с= 2090 Дж/кгК - теплоемкость льда при обычных температурах окружающей среды ниже ^oС (следует отметить, что реальные данные по теплоемкости льда при криогенных температурах отсутствуют), ρ=900 кг/м³ - плотность льда, Δt=1Δt=1К - изменение температуры.

В результате получим: V=0,0162 дм³ или V=16,2 л.

В итоге выигрыш в объемах по сравнению с бензобаком составит примерно 40/16=2,5 раза.

Формула изобретения

1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий герметичный корпус, внутри которого размещен механизм с цилиндрами, поршнями и шатунами, расположенными в каждом из цилиндров; механизм состоит из двух блоков цилиндров - расширения и сжатия, в каждом из которых равное число цилиндров, параллельных оси симметрии механизма и равномерно расположенных по окружности с центральной симметрией относительно оси валов; блок цилиндров расширения находится в нетеплоизолированной герметичной камере с температурой окружающей среды, а блок цилиндров сжатия - в герметичной теплоизолированной камере, заполненной криогенной жидкостью; камеры разделены между собой теплоизолированной перегородкой, но соосные цилиндры каждого блока соединяются через регенераторы; блоки цилиндров камеры расширения и сжатия содержат механизмы качающейся шайбы, в каждом цилиндре размещен поршень, соединенный с качающейся шайбой со сферическими шарнирами на концах, причем качающиеся шайбы повернуты друг относительно друга на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей для реализации термодинамического цикла Стирлинга, на поршнях выполнены внутренние конические поверхности, к которым прилегают по образующим цилиндрические поверхности шатунов, причем в теплоизолированной камере расположен электрогенератор, выполненный по технологии сверхпроводимости с герметизированными электрическими выходами из теплоизолированной камеры, для полной теплоизоляции камеры сжигания (кроме каналов соединения соосных цилиндров расширения и сжатия через регенераторы) отсутствует механическая связь между качающимися шайбами камер, а синхронизация вращения этих механизмов обеспечивается электрически наличием двух синхронно вращающихся электромашин: вышеупомянутого генератора, выполненного по технологии сверхпроводимости, вращаемого механизмом качающейся шайбы в теплоизолированной камере и отдающего основную часть электроэнергии потребителю, и электродвигателя, размещенного в нетеплоизолированной камере расширения и вращающего вал механизма качающейся шайбы, причем синхронность вращения валов и движения качающихся шайб достигается за счет наличия дискретных датчиков углового положения вращающихся валов, управляющей ЭВМ, в которой в реальном времени вычисляется угловое рассогласование валов механизмов качающихся шайб, и согласующего усилителя, управляемого сигналом от ЭВМ для устранения рассогласования валов и обеспечения синхронного движения качающихся шайб, отличающийся тем, что весь объем герметичных камер заполнен гелием под давлением в смеси с порошкообразным льдом (снегом), причем гелий в теплоизолированной камере находится в криогенном состоянии.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся наличием зарядного устройства для захолаживания и восполнения выпущенного в окружающую среду гелия.

РИСУНКИ

Рисунок 1