Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве традиционного двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую. Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии содержит маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, при этом он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера. Технический результат - повышение термического КПД теплового двигателя и упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве традиционного двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую.

Известен тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии, содержащий маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело.

Патент RU 2101521 С1, (Дунаевский С.Н.), 10.01.1998.

Недостатком известного теплового двигателя является сложность устройства и недостаточно высокий КПД.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение термического КПД теплового двигателя и упрощение конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что в тепловом двигателе с использованием возобновляемой энергии, содержащем маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело, новым является то, что он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера.

А также за счет того, что в качестве рабочего тела использован ксенон.

На фиг.1 показана принципиальная схема теплового двигателя с использованием возобновляемой энергии.

На фиг.2 показана PV диаграмма фазового перехода между жидкостью и паром для 1 кг ксенона.

Тепловой двигатель содержит маховик 1, соединенный кривошипно-шатунным механизмом 2 с поршнем 3, установленным в цилиндре 4 с возможностью образования рабочей камеры 5 переменного объема, и установленный в верхней части рабочей камеры 5 плунжер 6 с распыляющим устройством рабочего тела, выполненным, например, в виде осевого канала и радиального, сообщенного с форсунками, расположенными в верхней части плунжера, на периферии. При этом в поршне 3 выполнено углубление с возможностью сбора конденсата рабочего тела и входа в него плунжера 6 при подходе поршня 3 к верхней мертвой точки.

Известно, что при адиабатном расширении влажного пара вблизи линии насыщения (правая верхняя кривая, см. фиг.2) с уменьшением температуры пара происходит его конденсация, что приводит к уменьшению сухости пара [Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. Издание втрое. М.: Энергия. 1974. 310 с.] и, следовательно, к уменьшению массы пара. Отделим конденсат (жидкость) от пара с помощью сил гравитации и произведем адиабатное сжатие оставшейся части пара до первоначального давления процесса адиабатного расширения. В результате получим полезную разницу работ процессов расширения и сжатия.

Рассмотрим данные термодинамические процессы в рабочей камере идеальной тепловой машины (см. фиг.1), рабочим телом которой будет реальный газ (например, пар ксенона массой 1 кг) с параметрами Ро, Vo и То (точка 1, см. фиг.2),

где Ро - первоначальное давление;

Vo - первоначальный объем;

То - первоначальная температура - температура окружающей среды.

Температура окружающей среды (головки цилиндра) То равна или больше критической для жидкости, то есть в рабочей камере 5 (предположим) находится пар со степенью сухости Х=1.

Проведем адиабатное расширение пара по кривой 1-2 за счет предварительной раскрутки стартером. При этом рабочее тело охлаждается и степень сухости пара уменьшится в конце процесса расширения, например, до Х=0,5. Т.е. 50% пара конденсируется, и под действием сил гравитации жидкая фаза осаждается и поступает в специальное углубление в головке поршня 3. Поршень 3 из верхней мертвой точки переместится в нижнюю, что вызовет вращение маховика 1. Инерция вращения маховика 1 заставит перемещаться поршень 3 вверх, совершая адиабатное сжатие рабочего тела. При этом сжимается 0,5 кг пара, и, следовательно, работа, затрачиваемая на процесс сжатия до первоначального давления Ро, оказывается в 2 раза меньше, чем при расширении 1 кг пара. При подходе к верхней мертвой точке жидкость в углублении поршня 3 с помощью плунжера 6 распыляется в рабочей камере 5, нагреваясь от стенок цилиндра и головки до температуры То. При этом конденсат быстро испаряется по изотерме 4-1. При адиабатном сжатии 0,5 кг пара последний нагревается также до температуры То. Поэтому рабочее тело принимает первоначальные параметры Ро, Vo, То, Х=1 и начинается новый цикл работы двигателя.

Заштрихованная площадь 4-1-2-3-4 характеризует полезную работу цикла. Таким образом, расширение пара массой 1 кг происходит со степенью сухости от Х=1 до Х=0,5, а сжатие пара (рабочего тела) массой 0,5 кг при степени сухости Х=0,5. Работа процесса сжатия, очевидно, меньше работы процесса расширения рабочего тела. Работой на подъем жидкой фракции рабочего тела можно пренебречь.

Рассмотренный выше замкнутый термодинамический цикл состоит из адиабаты расширения пара с переменной массой пара, изменяющейся от 1 кг до 0,5 кг, адиабаты сжатия пара с постоянной массой пара, равной 0,5 кг и одной изотермы, т.к. процесс испарения конденсата происходит при постоянной температуре То головки цилиндра. Такой цикл позволяет получить полезную работу от одного источника нагрева без холодильника. Следовательно, термический КПД (η_т) установки будет равен 1.

Так как η_т=1-q1/q2,

где q1 и q2 - соответственно тепло, получаемое от нагревателя и отдаваемое холодильнику.

Таким образом, получен замкнутый термодинамический цикл, состоящий из адиабаты расширения пара с переменной массой пара от 1 кг до 0,5 кг, адиабаты сжатия пара с постоянной массой равной 0,5 кг и одной изотермы, соединяющей обе эти адиабаты. Этот цикл позволяет получить полезную работу от одного нагревателя без холодильника.

В случае использования в качестве рабочего тела ксенона с критической температурой 16,55°С и критическим давлением 5,83 МПа в данном термодинамическом цикле отпадает надобность специального нагревателя, поскольку двигатель может функционировать от тепла окружающей среды.

1. Тепловой двигатель с использованием возобновляемой энергии, содержащий маховик, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, установленным в цилиндре с возможностью образования рабочей камеры переменного объема, и рабочее тело, отличающийся тем, что он снабжен установленным в верхней части рабочей камеры плунжером с распыляющим устройством, при этом в центре головки поршня выполнено углубление с возможностью сбора конденсата и входа в него плунжера.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использован ксенон.