Способ работы теплового двигателя и двигатель романова
Изобретения относятся к объемным тепловым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по термодинамическому циклу Стерлинга, и могут быть использованы в различных областях машиностроения для привода объектов, работающих автономно и в обычных атмосферных условиях. Двигатель содержит, по меньшей мере, одну кольцевую цилиндрическую камеру, ротор, выполненный в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, делящим полосы камеры на внутреннюю и наружную эксцентрические полости. В продольных прорезях ротора лопасти установлены на шарнирах. В камере выполнено два перепускных канала, один из которых проходит через рекуперативный теплообменник и сообщает межлопастные объемы лопастей. Второй перепускной канал сообщает межлопастные объемы полостей при их минимальных величинах и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель. Приведен способ работы двигателя. Изобретения позволяют осуществить непрерывное превращение тепловой энергии в механическую с максимальным соответствием циклу Стирлинга. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к тепловым двигателям объемного расширения с внешним подводом тепла, и может быть использовано для мобильных и стационарных силовых установок с использованием любых источников тепловой энергии, а также в холодильной технике.
Известны тепловые машины с внешним подводом тепла и с замкнутым рабочим контуром циркуляции рабочего тела. Однако ни один из способов, реализуемых при осуществлении рабочего процесса в известных машинах, не обеспечивает работу в соответствии с наиболее эффективным термодинамическим циклом Стерлинга и соответственно не обеспечивает достижение высоких термического и эффективного КПД.
Наиболее близким аналогом заявленного способа и двигателя является двигатель, содержащий овалообразную камеру, в которой, эксцентрично на валу, установлен сплошной цилиндрический ротор, делящий полость камеры на две диаметрально противоположные полости переменного окружного сечения, в продольных прорезях ротора установлены лопасти, делящие полости на межлопастные рабочие объемы, при этом двигатель снабжен внешним нагревателем и рекуперативными теплообменниками (Патент США №4357800 - прототип).
При осуществлении рабочего процесса в известном двигателе не обеспечивается изотермичности процессов расширения и сжатия, процесс регенерации не является изохронным, так как осуществляется не при максимальном и постоянном объеме рабочего тела, а рабочие полости расширения и сжатия, содержащие впускные и выпускные окна, расположенные в диаметральной плоскости, не обеспечивают эффективности процессов расширения и сжатия. Кроме того, рабочая полость камеры используется не эффективно, т.к. основной объем занимает сплошной ротор, при этом цилиндрическая поверхность ротора и лопасти, периодически перемещаясь из горячей полости расширения в холодную полость сжатия, переносят тепло из горячей в холодную, а из холодной в горячую, снижая эффективность процессов расширения и сжатия и соответственно тепловой и эффективный КПД.
Задача изобретения - создание способа работы теплового двигателя, полностью соответствующего термодинамическому циклу Стирлинга, и двигателя, работающего по указанному способу и обеспечивающего максимально возможные тепловой и эффективный КПД.
Задача решается тем, что в способе работы теплового двигателя, включающем расширение нагретого рабочего тела, перепуск через рекуперативный теплообменник с последующим сжатием, охлаждением внешним охладителем, перепуск через рекуперативный теплообменник и нагрев внешним нагревателем, процессы сжатия и расширения осуществляют в двух эксцентрических полостях, образованных множеством изменяющихся по величине межлопастных объемов, при этом в несообщающихся и увеличивающихся от минимальных до максимальных объемах одной полости рабочее тело расширяют, продолжая подводить тепло от внешнего нагревателя, после расширения в зоне уменьшения от максимальных до минимальных объемов перепускают через рекуперативный теплообменник в пропорционально увеличивающиеся от минимальных до максимальных и охлаждаемые внешним охладителем межлопастные объемы второй, после чего, продолжая охлаждение, сжимают в уменьшающихся, от максимальных до минимальных объемах второй, перепускают через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель в межлопастные объемы первой при минимальных межлопастных объемах и внешний нагреватель в первую полость также при минимальных ее межлопастных объемах.
При реализации способа в качестве рекуперативного теплообменника может быть использована тепловая труба, испаритель которой размещают в перепускном канале, сообщающем уменьшающиеся от максимальных до минимальных межлопастные объемы одной полости с пропорционально увеличивающимися от минимальных до максимальных другой, а конденсатор размещают в перепускном канале, сообщающем минимальные межлопастные объемы полостей.
Задача создания двигателя, реализующего предложенный способ, решена тем, что в двигателе, содержащем камеру, в которой эксцентрично на валу установлен ротор, делящий полость камеры на две полости и в продольных прорезях которого установлены лопасти, делящие полости на межлопастные объемы, внешний нагреватель, рекуперативный теплообменник и внешний охладитель, содержится, по меньшей мере одна кольцевая цилиндрическая камера, ротор выполнен в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, делящим полость камеры на две, внутреннюю и наружную, полости расширения и сжатия, лопасти установлены в прорезях на шарнирах, в камере выполнено два перепускных канала, один из которых проходит через рекуперативный теплообменник, сообщая межлопастные объемы полостей в зоне уменьшения от максимальных до минимальных межлопастных объемов одной и пропорционального увеличения от минимальных до максимальных межлопастных объемов другой, а второй перепускной канал сообщает межлопастные объемы полостей при их минимальных величинах и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель. Внешний нагреватель выполнен контактирующим со стенками камеры в зоне расширения.
В качестве расширительной полости может использоваться как наружная, так и внутренняя полости, при этом в качестве полости сжатия используется внутренняя или наружная.
При использовании в двигателе в качестве рекуперативного теплообменника тепловой трубы ее испаритель размещается в перепускном канале, сообщающем уменьшающиеся и увеличивающиеся межлопастные объемы полостей, а конденсатор - в перепускном канале, сообщающем минимальные межлопастные объемы полостей.
Для изменения мощности двигателя путем уменьшения или увеличения количества, находящегося в рабочих полостях рабочего тела, в камере выполнен канал для подачи и сброса рабочего тела.
На фиг.1 представлена совмещенная принципиальная схема предложенного способа и рабочего процесса двигателя; на фиг.2 - индикаторная диаграмма двигателя; где Qвн - внешний нагреватель, qво - внешний охладитель, qр - рекуперативный теплообменник; на фиг.3 - общий вид; на фиг.4 - сечение А-А фиг.3.
Двигатель (фиг.3, 4) содержит кольцевую цилиндрическую камеру 1, в которой эксцентрично на валу 2 установлен ротор 3, выполненный в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, входящим в полость камеры 1 и делящим ее на две эксцентрические с изменяющимся сечением в окружном направлении полости. В продольных прорезях выступа ротора 3 на шарнирах 4 установлены рабочие лопасти 5, делящие полости на множество межлопастных объемов, изменяющихся по величине при движении с ротором 3 по кольцевой камере 1 от максимальных до минимальных и от минимальных до максимальных, при этом внешняя полость выполняет функцию расширительной ("горячей"), а внутренняя - полости сжатия ("холодной").
С внешней стороны камеры 1 у стенок, образующих наружную полость, установлен внешний нагреватель 6, а у стенок камеры, образующих внутреннюю полость, установлен внешний охладитель 7. Камера 1 снабжена также двумя перепускными каналами 8 и 9, проходящими через рекуперативный теплообменник 10. Канал 8 сообщает между собой наружную и внутреннюю полости в зоне уменьшающихся от максимальных до минимальных межлопастных объемов первой и пропорционального увеличения от минимальных до максимальных межлопастных объемов второй. В стенке камеры выполнен канал 11 для подачи в рабочие полости рабочего тела и сброса его из полости с целью изменения мощности двигателя.
Двигатель, реализующий предложенный способ, работает следующим образом.
Нагретое в рекуператоре 10 и внешнем нагревателе 6 рабочее тело непрерывно поступает в перемещающиеся друг за другом межлопастные объемы наружной полости. Расширяясь с продолжением нагревания в увеличивающихся не сообщающихся между собой межлопастных объемах полости, рабочее тело передает усилие на лопасти 5, которые, передавая усилие через шарниры 4 выступу ротора 3, обеспечивают его вращение вместе с валом 2. На фиг.1, 2 этой фазе соответствует процесс I-II (изотермическое расширение).
После увеличения межлопастных объемов до максимальных рабочее тело из них через перепускной канал 8, проходящий через рекуператор 10, поступает в смежные (радиально) увеличивающиеся межлопастные объемы внутренней полости, охлаждаясь в рекуператоре 10, и затем внешним охладителем 7 с одновременным снижением давления и температуры. На фиг.1, 2 этой фазе соответствует II-III (изохорное охлаждение).
При дальнейшем движении межлопастные объемы, не сообщающиеся между собой, уменьшаются по величие до минимальных, при этом рабочее тело в них продолжает охлаждаться внешним охладителем 7. Этой фазе на фиг.1, 2 соответствует процесс III-IV (изотермическое сжатие).
При достижении межлопастных объемов минимального значения рабочее тело из них по каналу 9, проходящему по рекуператору 10, и через внешний нагреватель 6, нагретое поступает в межлопастные объемы первой полости в момент их увеличения.
Этой фазе на фиг.1, 2 соответствует процесс IV-I (изохорный нагрев). Предложенный способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла и реализующий его двигатель обеспечивают осуществление рабочего процесса в полном соответствии с термодинамическим циклом Стирлинга и достижение максимальных термического и эффективного КПД.
Конструкция двигателя отличается от известных простотой, минимальной длиной общего тракта циркуляции рабочего тела и улучшенными удельными габаритно-весовыми характеристиками.
1. Способ работы теплового двигателя, включающий расширение нагретого рабочего тела, перепуск через рекуперативный теплообменник с последующим сжатием, охлаждением внешним охладителем, перепуск через рекуперативный теплообменник и нагрев внешним нагревателем, отличающийся тем, что процессы сжатия и расширения осуществляют в двух эксцентрических полостях, образованных множеством изменяющихся по величине межлопастных объемов, при этом в несообщающихся и увеличивающихся от минимальных до максимальных объемах одной полости рабочее тело расширяют, продолжая подводить тепло от внешнего нагревателя, после расширения в зоне уменьшения от максимальных до минимальных объемов перепускают через рекуперативный теплообменник в пропорционально увеличивающиеся от минимальных до максимальных и охлаждаемые внешним охладителем межлопастные объемы второй, после чего, продолжая охлаждение, сжимают в уменьшающихся от максимальных до минимальных объемах второй, перепускают через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель в межлопастные объемы первой при минимальных межлопастных объемах обеих полостей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рекуперативного теплообменника используют тепловую трубу, испаритель которой размещают в перепускном канале, сообщающем уменьшающиеся от максимальных до минимальных межлопастные объемы одной полости с пропорционально увеличивающимися от минимальных до максимальных другой, а конденсатор размещают в перепускном канале, сообщающем минимальные межлопастные объемы полостей.
3. Двигатель, содержащий камеру, в которой эксцентрично на валу установлен ротор, делящий полость камеры на две полости и в продольных прорезях которого установлены лопасти, делящие полости на межлопастные объемы, внешний нагреватель, рекуперативный теплообменник, внешний охладитель, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну кольцевую цилиндрическую камеру, ротор выполнен в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, делящим полость камеры на внутреннюю и наружную полости расширения и сжатия, лопасти установлены в прорезях на шарнирах, в камере выполнено два перепускных канала, один из которых проходит через рекуперативный теплообменник и сообщает межлопастные объемы полостей в зоне уменьшения от максимальных до минимальных межлопастных объемов одной и пропорционального увеличения от минимальных до максимальных межлопастных объемов другой, а второй перепускной канал сообщает межлопастные объемы полостей при их минимальных величинах и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель.
4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что внешний нагреватель выполнен контактирующим со стенками камеры в зоне расширения.
5. Двигатель по любому из пп.3 или 4, отличающийся тем, что в качестве рекуперативного теплообменника использована тепловая труба, испаритель которой размещен в перепускном канале, сообщающем уменьшающиеся и увеличивающиеся межлопастные объемы полостей, а конденсатор размещен в перепускном канале, сообщающем минимальные межлопастные объемы полостей.
