Теплообменная часть двигателя стирлинга
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Теплообменная часть двигателя Стирлинга представляет два цилиндра: горячий и холодный. Цилиндры выполнены с поршнями-вытеснителями равных диаметров и ходов поршней, противофазно движущимися, плотно подогнанными к цилиндрам. Цилиндры выполнены с общим рабочим пространством и уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители. Изобретение направлено на повышение эффективности двигателя Стирлинга. 2 ил.
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания типа Стирлинг, в частности двигателям с теплообменными цилиндрами.
Наиболее близким по технической сути, или прототипом, является теплообменный цилиндр двигателя внешнего сгорания Стерлинга [2, стр. 56, рис.6-1]. В двигателе Стерлинга нагрев рабочего тела, газа происходит при постоянной температуре, это примерно изотермический процесс. Теплообменный цилиндр имеет сложную конструкцию, где есть одновременно горячая половина и холодная, разделенные теплоизолирующим слоем, с поршнем-вытеснителем из теплоизолирующего материала или поршнем-регенератором. Уплотнение штока работает при переменной температуре. Все это делает конструкцию дорогой, малотехнологичной и ненадежной. Кроме того, в классическом двигателе Стерлинга происходит нагревание рабочего тела не только при его перемещении из регенератора в область расширения, но и при обратном движении. Подобным же образом происходит и охлаждение рабочего тела как на входе, так и на выходе из области сжатия [2, стр. 27]. Следовательно, уменьшается удельная мощность в отношении массы двигателя. При нагревании и расширении рабочего тела, газ в рабочий цилиндр проходит через внешний охладитель, что снижает эффективность рабочего хода. Теоретический коэффициент полезного действия двигателей внешнего сгорания может достигать 70% [1, стр. 7].
Задачей изобретения является при сохранении достоинства прототипа как высокий теоретический коэффициент полезного действия, конструкцию сделать недорогой, технологичной и надежной. Систему потоков рабочего тела в двигателе Стерлинга с заявляемой теплообменной частью улучшить в сравнении с классическим двигателем Стерлинга. Предусмотреть возможность двойного действия двигателя с заявляемой теплообменной частью. Как следствие, увеличить мощность на единицу массы. Указанный технический результат достигается тем, что теплообменный цилиндр классического двигателя Стерлинга заменяется на два цилиндра, один горячий с нагревом, а другой холодный и охлаждаемый, оба с поршнями-вытеснителями равных диаметров и ходов поршней, плотно подогнанными к цилиндрам и противофазно движущимися, с общим рабочим пространством над поршнями, общей зоной или другим рабочим пространством под поршнями, уравновешенным рабочим давлением над и под поршнями-вытеснителями. Следовательно, так как рабочее давление на поршни уравновешено, то они перекачивают только рабочее тело, газ из холодного в горячий цилиндр и обратно, преодолевая гидравлическое сопротивление и трение. В таком случае технологически проще выполнить поверхности нагрева и охлаждения в цилиндрах, надежней будут работать уплотнения штоков поршней, каждый со своей рабочей температурой. Используя как рабочее пространство объем над и под поршнями-вытеснителями, получим теплообменные цилиндры двойного действия для соответствующего двигателя. Если не применять дополнительного нагревателя кроме нагревателя самого горячего цилиндра, то нагрев рабочего тела произойдет только при перемещении его через регенератор в горячий цилиндр на нагрев, а обратно перемещение рабочего тела через регенератор на охлаждение не произойдет. Если не применять дополнительного охладителя, кроме охлаждения самого холодного цилиндра, то охлаждение рабочего тела произойдет только при перемещении его через регенератор в холодный цилиндр на охлаждение, а обратно перемещение рабочего тела через регенератор на нагрев не произойдет. Произойдет улучшение системы потоков рабочего тела в двигателе. Нагреваемый горячий цилиндр и охлаждаемый холодный цилиндр приближают процесс нагрева и охлаждения к изотермическому [2, стр. 26, 27].
Как следствие, все это сделает двигатель с заявляемой теплообменной частью надежнее, технологически проще в изготовлении даже в случае схемы двойного действия, с более эффективными тепловыми процессами, чем у прототипа, следовательно, увеличится мощность на единицу массы двигателя.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая ТЕПЛООБМЕННАЯ ЧАСТЬ обеспечат двигателю Стирлинга выше мощность на единицу массы двигателя в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция теплообменных цилиндров. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтвеждается чертежами (фиг. 1, фиг. 2) на которых представлены конструкции ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА. На фиг. 1 представлен один из вариантов конструкции теплообменной части двигателя Стирлинга одинарного действия, где два цилиндра, горячий и нагреваемый 1, холодный и охлаждаемый 2, поршень-вытеснитель с штоком горячего цилиндра 3, поршень-вытеснитель с штоком холодного цилиндра 4 равных диаметров и ходов поршней, плотно подогнанными к цилиндрам 1,2, противофазно движущимися, с общим рабочим пространством, уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители 3,4, нагреватель 5, охладитель 6, регенератор 8, рабочий цилиндр 9, поршень рабочего цилиндра с штоком 10, буферное пространство 11, кривошип 12, шатун поршня горячего цилиндра 13, шатун поршня холодного цилиндра 14, шатун поршня рабочего цилиндра 15, общее пространство под поршнями горячего и холодного цилиндров 7, регенератор 8 позволяют нагревать рабочее тело, поступающее на нагрев в горячий цилиндр 1 из холодного цилиндра 2. Регенератор 8 позволяет запасать тепло при перемещении отработанного газа из горячего цилиндра 1 на охлаждение в холодный цилиндр 2. Нагретый газ, рабочее тело, при рабочем ходе поступает в рабочий цилиндр 9, а у прототипа [2, стр. 56, рис. 6-1] еще и через регенератор и охладитель, что менее эффективно.
На фиг. 2 представлен один из вариантов конструкции ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА двойного действия, где горячий и нагреваемый цилиндр 17, холодный и охлаждаемый цилиндр 18, поршень-вытеснитель с штоком горячего цилиндра 19, поршень-вытеснитель с штоком холодного цилиндра 20 равных диаметров и ходов поршней, плотно подогнанными к цилиндрам 17,18, противофазно движущимися, с общим рабочим надпоршневым пространством 28, с общим подпоршневым пространством 29, уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители 19,20, регенератор 22 надпоршневой области, регенератор 24 подпоршневой области, шатун поршня горячего цилиндра 21, шатун поршня холодного цилиндра 26, рабочий цилиндр 27, поршень рабочего цилиндра с штоком 16, шатун порганя рабочего цилиндра 23, коленчатый вал 25. Регенераторы 22, 24 позволяют запасать тепло при перемещении отработавшего газа из горячего пространства и рабочего цилиндра в холодное пространство и отдавать тепло охлажденному газу при его перемещении из холодного пространства на нагрев. На фиг. 2 над поршнем 19 горячего цилиндра 17 находится большая часть рабочего тела надпоршневого пространства 28, что определит область высокого давления там, и над рабочим поршнем 16 в том числе. Под поршнем 20 холодного цилиндра 18 находится большая часть рабочего тела подпоршневого пространства 29, что определит область низкого давления там, и под рабочим поршнем 16 в том числе. Это режим рабочего хода. Нагретый газ, рабочее тело, при рабочем ходе поступает непосредственно в рабочий цилиндр 27, а у прототипа [2, стр. 56, рис.6-1] еще и через регенератор и охладитель, что менее эффективно. Следовательно, использование заявляемой ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА позволяет получить простую конструкцию двигателя Стерлинга двойного действия. На фиг. 2 представлена схема, конструкция двигателя без внешних нагревателя и охладителя, а нагреваемый горячий цилиндр и охлаждаемый холодный цилиндр приближают процесс нагрева и охлаждения к изотермическому [2. стр. 26, 27].
В двигателях Стерлинга с заявляемой ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТЬЮ могут быть только внешние нагреватели и охладители, только нагреваемые и охлаждаемые цилиндры, или совместно внешние нагреватели и охладители и нагреваемые и охлаждаемые цилиндры. Применение теплообменной части в виде пары горячего и холодного цилиндров в двигателе Стерлинга позволяет разделить горячую и холодную часть, в большей степени изменять конструкцию в соответствии с требованиями к двигателю, что повысит надежность, снизит стоимость, повысит эффективность тепловых процессов в отношении прототипа. Следовательно, мощность на единицу массы двигателя Стерлинга с заявляемой теплообменной частью больше, чем у прототипа.
Для понимания сущности технического решения предлагаемого автором приведу подробное описание ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА. На фиг. 1 представлен один из вариантов конструкции теплообменной части двигателя Стерлинга одинарного действия, где горячий и нагреваемый цилиндр 1, холодный и охлаждаемый цилиндр 2, поршень-вытеснитель с штоком горячего цилиндра 3, поршень-вытеснитель с штоком холодного цилиндра 4 равных диаметров и ходов поршней, плотно подогнанными к цилиндрам 1, 2, противофазно движущимися, с общим рабочим пространством, уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители 3, 4, нагреватель 5, охладитель 6, регенератор 8, рабочий цилиндр 9, поршень рабочего цилиндра с штоком 10, буферное пространство 11, кривошип 12, шатун поршня горячего цилиндра 13, шатун поршня холодного цилиндра 14, шатун поршня рабочего цилиндра 15, общее пространство под поршнями горячего и холодною цилиндров 7. Регенератор 8 позволяет запасать тепло при перемещении отработанного газа из горячего цилиндра 1 на охлаждение в холодный цилиндр 2, а при перемещении газа из холодного цилиндра 2 в горячий цилиндр 1 нагревать его. Нагретый газ, рабочее тело, при рабочем ходе поступает в рабочий цилиндр 9, а у прототипа [2, стр. 56, рис. 6-1] еще и через охладитель, что менее эффективно. На фиг. 1 поршень 4 холодного цилиндра 2 находится в нижней мертвой точке, а поршень 3 горячего цилиндра 1 в верхней мертвой точке, следовательно, большая часть рабочего тела в зоне охлаждения. Рабочий поршень 10 двигается к верхней мертвой точке, происходит сжатие охлажденного газа. При достижении рабочим поршнем 10 верхней мертвой точки, окончание сжатия, происходит перемещение газа поршнем 4 холодного цилиндра 2, двигающимся к верхней мертвой точке, через регенератор 8, где он нагревается, в горячий цилиндр 1 и нагреватель 5. При достижении поршнем 4 холодного цилиндра 2 верхней мертвой точки, поршень 3 горячего цилиндра 1 будет в нижней мертвой точке, и большая часть рабочего тела окажется в зоне нагрева. Нагретый газ своим давлением двигает рабочий поршень 10 к нижней мертвой точке, происходит рабочий ход, одновременно, запасается энергия для возврата механизма в буферном пространстве 11. При возврате рабочий поршень 10 двигается к верхней мертвой точке и выталкивает отработанный газ, а поршень 3 горячего цилиндра 1 перемещает его в холодный цилиндр 2 на охлаждение через регенератор 8, где запасается тепло для последующего нагрева газа после сжатия.
На фиг. 2 представлен один из вариантов конструкции ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА двойного действия, где горячий и нагреваемый цилиндр 17, холодный и охлаждаемый цилиндр 18, поршень-вытеснитель с штоком горячего цилиндра 19, поршень-вытеснитель с штоком холодного цилиндра 20 равных диаметров и ходов поршней, плотно подогнанными к цилиндрам 17,18, противофазно движущимися, с общим рабочим надпоршневым пространством 28, с общим подпоршневым пространством 29, уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители 19,20, регенератор 22 надпоршневого пространства 28, регенератор 24 подпоршневого пространства 29, шатун поршня горячего цилиндра 21, шатун поршня холодного цилиндра 26, рабочий цилиндр 27, поршень рабочего цилиндра с штоком 16, шатун поршня рабочего цилиндра 23, коленчатый вал 25. Регенераторы 22, 24 позволяют запасать тепло при перемещении отработавшего газа из горячего пространства и рабочего цилиндра в холодное пространство, и отдавать тепло охлажденному газу при его перемещении из холодного пространства на нагрев. На фиг. 2 над поршнем 19 горячего цилиндра 17 находится большая часть рабочего тела надпоршневого пространства 28, что определит область высокого давления там и над рабочим поршнем 16 в том числе. Под поршнем 20 холодного цилиндра 18 находится большая часть рабочего тела подпоршневого пространства 29, что определит область низкого давления там и под рабочим поршнем 16 в том числе. Это режим рабочего хода, где рабочий поршень 16 поворачивает коленчатый вал 25, при этом, поршень 19 горячего цилиндра 17 вытесняет рабочее тела надпоршневого пространства 28 в холодный цилиндр 18, а поршень 20 холодного цилиндра 18 рабочее тело подпоршневого пространства 29 вытесняет в горячий цилиндр 17 на нагрев, подготавливая следующий рабочий ход при обратном ходе рабочего поршня 16 и повышенном давлении в подпоршневом пространстве 29 и пониженном в надпоршневом 28. Нагретый газ, рабочее тело, при рабочем ходе поступает непосредственно в рабочий цилиндр 27, а у прототипа [2, стр. 56, рис.6-1] еще и через регенератор и охладитель, что менее эффективно. Следовательно, использование заявляемой ТЕПЛООБМЕННОЙ ЧАСТИ ЛВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА позволяет получить простую конструкцию двигателя двойного действия. На фиг. 2 представлена схема, конструкция двигателя без внешних нагревателя и охладителя, а нагреваемый горячий цилиндр и охлаждаемый холодный цилиндр приближают процесс нагрева и охлаждения к изотермическому [2. стр. 26, 27]. В двигателях с заявляемой теплообменной частью могут быть только внешние нагреватели и охладители, только нагреваемые и охлаждаемые цилиндры, или совместно внешние нагреватели и охладители и нагреваемые и охлаждаемые цилиндры. Применение заявляемой теплообменной части позволит сделать рабочий цилиндр двигателя с ней обогреваемым или, обратное, охлаждаемым подобно классическому Стирлингу альфа-типа [2, стр. 56, рис. 6-1].
Применение заявляемой теплообменной части в двигателе Стирлинга позволяет разделить горячую и холодную часть, в большей степени изменять конструкцию в соответствии с требованиями к двигателю, что повысит надежность, снизит стоимость, повысит эффективность тепловых процессов в отношении прототипа. Следовательно, мощность на единицу массы двигателя Стирлинга с заявляемой теплообменной частью больше, чем у прототипа. Заявляемая теплообменная часть с рабочим цилиндром могут работать отдельно или объединяться в схемы компановки двигателей внутреннего сгорания [3, стр. 9-13]. Для привода теплообменной части с рабочим цилиндром может использоваться не только кривошипно-шатунный механизм, но и бесшатунный привод двигателя Баландина, современный бесшатунный поршневой привод, приспособлен ромбический привод [1, стр. 14, рис.4].
Следовательно, призводство двигателей Стирлинга с заявляемой теплообменной частью будет экономически эффективнее, чем классического двигателя Стирлинга.
Источники информации
1. Г.В. Смирнов. Двигатели внешнего сгорания. - М.: Знание, 1967. 30 с.
2. Г. Уокер. Машины, работающие по циклу Стирлинга. - М.: Энергия, 1978. 152 с.
3. А.С. Орлин, М.Г. Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984. 382 с.
Теплообменная часть двигателя Стирлинга, отличающаяся тем, что представляет два цилиндра, горячий и холодный, с поршнями-вытеснителями равных диаметров и ходов поршней, противофазно движущимися, плотно подогнанными к цилиндрам, с общим рабочим пространством и уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители.
