Теплосиловая установка на горячем воздухе и способ её работы

Авторы патента:

F02B41/10 - использующие выхлопные турбины (использование выхлопных турбин для заполнения и наддува F02B 37/00; конструкции турбин F01D; газотурбинные установки F02C)

F02B37/20 - путем повышения энергии выхлопа, например с использованием камер сгорания

Владельцы патента RU 2705687:

Михайлов Владимир Викторович (RU)

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к альтернативным схемам тепловых двигателей с внешним подводом тепла. Теплосиловая установка на горячем воздухе включает турбокомпрессор, обратный клапан, ресивер, кран, двигатель, теплообменник, нагреватель, при этом элементы теплосиловой установки соединены последовательно: компрессор турбокомпрессора, обратный клапан, ресивер, кран, двигатель, камера для нагреваемой среды, турбина турбокомпрессора, нагреватель и/или камера для нагревающей среды теплообменника. Перед подачей рабочего тела в двигатель, для совершения в нем механической работы, его сжимают в компрессоре турбокомпрессора, отработанное в двигателе рабочее тело нагревают в камере для нагреваемой среды теплообменника и подают на турбину турбокомпрессора, где оно также совершает механическую работу, отработанное на турбине рабочее тело направляют в нагреватель и/или камеру для нагревающей среды теплообменника. Достигается обеспечение работы двигателя при невысоких температурах рабочего тела, осуществление быстрой остановки и быстрого пуска. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Заявленное решение относится к области теплоэнергетики, в частности к альтернативным схемам тепловых двигателей с внешним подводом тепла.

Известны различные решения теплосиловых установок на основе двигателя Стирлинга. Практически все они основаны на толкании поршня непосредственно разогретым, расширенным рабочим телом, в частности воздухом, и, как следствие, в некоторых из них наличие в системе элемента охлаждения двигателя, а в некоторых существенное увеличение массогабаритных показателей силовой установки за счет увеличенных радиаторов. Кроме того, известные решения, основанные на двигателе Стирлинга, требуют разогрева для пуска двигателя, после его остановки, что замедляет скорость пуска после остановки.

Ближайших аналогов заявленное решение не имеет.

Раскрытие изобретения

Задачами заявленного решения являются разработка конструкции и способа работы теплосиловой установки, которая позволяет осуществлять работу двигателя при невысоких температурах рабочего тела, и, как следствие, исключает элемент охлаждения двигателя и/или изменения габаритных размеров двигателя, а также позволяет снизить износ деталей двигателя. Кроме того, заявленное решение предусматривает возможность быстрой остановки и пуска.

Поставленные задачи достигаются за счет конструкции теплосиловой установки и способа ее работы.

Заявленная теплосиловая установка включает в себя следующие элементы нагреватель (топочная камера) (1), теплообменник (2), турбокомпрессор (3), обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель(5).

Элементы теплосиловой установки соединены при помощи труб (9) последовательно (фиг. 1): компрессор (3.2) турбокомпрессора (3), обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель (5), камера для нагреваемой среды теплообменника (2), турбина (3.1) турбокомпрессора (3), нагреватель (топочная камера) (1) и/или камера для нагревающей среды теплообменника (2).

Цикл последовательного прохождения рабочего тела в виде воздуха можно представить следующим образом (фиг.1): сжатый компрессором (3.2) воздух, проходит через обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7) и под давлением подается в двигатель (5), отдает мощность и под остаточным давлением через вход (2.1) поступает в камеру для нагреваемой среды теплообменника (2), где нагревается, расширяется и через выход (2.2) поступает в турбину (3.1) турбокомпрессора (3), вращает ее, и подается через вход (1.1) в нагреватель(1) и/или подается в камеру для нагревающей среды теплообменника (2) и нагреваются нагревателем (1). Газы, нагревающие рабочее тело в камере для нагреваемой среды теплообменника (2), удаляются через выхлопную трубу (8).

Таким образом, за один цикл воздух, сжатый в компрессоре (3.2), подается на двигатель (5), совершает работу, затем поступает в теплообменник (2), где нагревается, расширяется и подается в турбину (3.1) турбокомпрессора (3), компрессор (3.2) «забирает» «новую порцию» воздуха, и цикл повторяется.

Способ работы заявленной теплосиловой установки позволяет достичь заявленный результат. Нагретый и расширенный воздух не напрямую оказывает влияние на работу двигателя, а используется для работы турбокомпрессора (3), компрессор (3.2) которого забирает и сжимает воздух. Затем воздух через обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7) подается в двигатель (5), где совершает работу. После чего отработанный воздух с остаточным давлением нагревается, расширяется в теплообменнике (2) и подается в турбину (3.1) турбокомпрессора (3).

Теплосиловая установка имеет возможность остановки и нового пуска, без предварительного нагрева рабочего тела (воздуха). Это возможно за счет ресивера (4). При помощи закрытия/открытия крана (7), установленного между ресивером (4) и двигателем (5), может быть осуществлена остановка/пуск двигателя. При этом работа нагревателя (1) не останавливается. В любой момент пуска установка готова к работе.

В качестве нагревателя (1) фиг. 1, 2 в заявленном решении может выступать любое известное решение, используемое для нагрева, например, горелки разного типа, электронагреватель и т.д., но предпочтительно использовать горелку (жидкотопливную) ГБЖ (1) фиг. 2. Следует заметить, что рабочее тело после нагрева в теплообменнике (2) поступает в турбину (3.1) турбокомпрессора (3) нагретое в среднем до температуры 700°С.

В качестве теплообменника (2) может быть использован любой двухкамерный теплообменник, имеющий камеру для нагреваемой среды и камеру для нагревающей среды. Предпочтительно использовать трубный теплообменник (2) фиг. 2, где в качестве камеры для нагреваемой среды используется, как минимум одна трубка, а в качестве камеры для нагревающей среды вокруг трубное (если одна трубка) и/или межтрубное пространство (в случае если трубок больше одной).

Ресивер (4) фиг. 1, 2 направлен на сглаживание пульсаций давления забранного воздуха после турбокомпрессора и создания резерва сжатого воздуха, освобождения от капель масла и влаги. Предпочтительно использовать ресивер (4) выдерживающий давление 3 атм.

В качестве двигателя (5) фиг. 1, 2 может быть использован любой поршневой двигатель, например, ЯМ3-238 (5) фиг. 2.

В качестве элемента отбора мощности может быть использован генератор (5.1) фиг. 2.

В результате заявленная теплосиловая установка на горячем воздухе имеет простую конструкцию, позволяет осуществлять работу двигателя при невысоких температурах рабочего тела, позволяет осуществлять быструю остановку и быстрый пуск после остановки без совершения прогрева рабочего тела, за счет ресивера и крана. Не требует изменения габаритных размеров двигателя, увеличения его радиаторов, не требует дополнительных специальных элементов охлаждения двигателя, за счет работы при невысоких температурах рабочего тела снижается износ деталей двигателя.

Следует заметить, что для понимания сущности работы в описании заявленного решения и на фигурах приведен принцип работы на примере отдельно взятой входящей порции рабочего тела.

Следует заметить, что все изображения, приведенные на фигурах в приложении, схематичны и носят поясняющий характер, в реальном исполнении заявленная теплосиловая установка и ее элементы, как в размерном, так и внешнем исполнении, а так же их наличие и отсутствие, могут отличаться от приведенных на фигурах.

Краткое описание чертежей:

фиг. 1 - схема теплосиловой установки;

фиг. 2 - общий вид теплосиловой установки в аксонометрии;

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - нагреватель (топочная камера):

1.1 - вход в нагреватель;

2 - теплообменник:

2.1 - вход в теплообменник;

2.2 - выход из теплообменника;

3 - турбокомпрессор;

3.1 - турбина;

3.2 - компрессор;

4 - ресивер;

5 - двигатель;

5.1 - генератор;

6 - обратный клапан;

7 - кран;

8 - дымовая труба;

9 - труба.

Принцип работы.

Заявленная теплосиловая установка на горячем воздухе включает соединенные последовательно (фиг. 1, 2) компрессор (3.2) обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель (5), с камерой для нагреваемой среды теплообменника (2), турбину (3.1) турбокомпрессора (3), топочную камеру (1) и/или камеру для нагревающей среды теплообменника (2).

Теплосиловая установка работает следующим образом.

Работа начинается с пуска нагревателя (1) фиг. 1, 2. Накопленный в ресивере (4) сжатый воздух через кран (7) поступает в двигатель (5). Двигатель (5) совершает механическую работу, которая передается на генератор (5.1) фиг. 2 для выработки электроэнергии. Затем через вход (2.1) отработанный в двигателе (5) воздух поступает в камеру для нагреваемой среды теплообменника (2). Там воздух нагревается и через выход (2.2) поступает в турбину (3.1). Компрессор (3.2) засасывает и сжимает воздух. Далее сжатый воздух через обратный клапан (6) подается в ресивер (4). Воздух, отработанный в турбине (3.1), поступает в нагреватель (топочную камеру) (1) через вход (1.1) и/или поступает в камеру для нагревающей среды теплообменника (2), где нагревается. Газы, нагревающие рабочее тело в камере для нагреваемой среды теплообменника (2), удаляются через выхлопную трубу (8). Далее цикл повторяется.

При необходимости остановка и повторный пуск двигателя (5) осуществляется закрытием или открытием крана (7) между ресивером (4) и двигателем (5). При этом работа нагревателя (1) не останавливается.

Для полной остановки теплосиловой остановки останавливают работу нагревателя (1).

1. Теплосиловая установка на горячем воздухе, включающая турбокомпрессор, обратный клапан, ресивер, кран, двигатель, теплообменник, нагреватель, при этом элементы теплосиловой установки соединены последовательно: компрессор турбокомпрессора, обратный клапан, ресивер, кран, двигатель, камера для нагреваемой среды, турбина турбокомпрессора, нагреватель и/или камера для нагревающей среды теплообменника.

2. Способ работы теплосиловой установки на горячем воздухе, характеризующийся тем, что перед подачей рабочего тела в двигатель, для совершения в нем механической работы, его сжимают в компрессоре турбокомпрессора, отработанное в двигателе рабочее тело нагревают в камере для нагреваемой среды теплообменника и подают на турбину турбокомпрессора, где оно также совершает механическую работу, отработанное на турбине рабочее тело направляют в нагреватель и/или камеру для нагревающей среды теплообменника.

Изобретение относится к двигателестроению. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Способ и система глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котлов электростанций // 2607118

Изобретение относится к станционной энергетике, конкретнее к энергосбережению при эксплуатации котлов электростанций, содержащих паротурбинные установки (ПТУ). В способе глубокой утилизации осуществляют подачу конденсата ПТУ в водогазовый теплообменник (ВГТ) на выходе из котла и нагрев конденсата за счет тепла продуктов сгорания (ПС), продукты сгорания в (ВГТ) охлаждают до температуры ниже точки росы на (5-10)°C, полученный конденсат (ПС) собирают, подвергают очистке по известной технологии и направляют в конденсатную линию и далее последовательно в подогреватель конденсата, деаэратор и котел.

Способ преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока // 2505694

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам получения кинетической энергии за счет преобразования потенциальной энергии. Изобретение позволяет получить движущийся высокотемпературный газовый поток, преобразуемый в кинетическую энергию без экологического ущерба.

Способ преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока // 2505693

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока.

Двухтактный двигатель внутреннего нагревания рабочего тела // 2465479

Изобретение относится к области двигателестроения и может использоваться в транспортной технике. .

Тепловой двигатель // 2460898

Изобретение относится к роторным тепловым двигателям. .

Способ преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока // 2293865

Двухтактный двигатель // 2293198

Изобретение относится к машиностроению. .

Газораспределительный механизм двигателя внешнего сгорания // 2287712

Изобретение относится к двигателестроению. .

Способ получения и преобразования энергии рабочей среды в механическую работу и устройство для его осуществления // 2285144

Изобретение относится к области энергетики, а именно к силовым установкам, и может быть использовано в двигателях. .

Способ (варианты) и система для контроля температуры выпускной системы двигателя // 2701927

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Раскрыты способы и системы для улучшения работы двигателя при высоких скоростях вращения и нагрузках.

Силовая установка транспортного средства // 2693953

Изобретение относится к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания, в частности с турбопоршневыми двигателями. Техническим результатом является повышение мощности силовой установки и уменьшение температуры газов, уходящих в окружающую среду.

Турбокомпаундный блок, способ его изготовления и двигатель внутреннего сгорания // 2684137

Турбокомпаундный блок включает вал турбины, рабочее колесо турбины, установленное на одном конце вала турбины, зубчатое колесо, установленное на противоположном конце вала турбины, а также корпус и узел подшипника качения.

Комбинированный роторно-поршневой двигатель с реактивным эффектом // 2667847

Изобретение относится к области утилизации энергии продуктов сгорания двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является увеличение мощности и КПД всех типов ДВС.

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией // 2661234

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания имеет одно- или многоступенчатое предварительное охлаждение, что позволяет контролировать температуру и давление всасываемого воздуха в цилиндры сгорания, таким образом, гораздо более высокая степень сжатия и давление предварительного зажигания могут быть достигнуты без приближения к порогу самовоспламенения воздушно-топливной смеси.

Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления // 2646172

Изобретение касается системы силовой турбины, точнее системы двухканальной силовой турбины и способа ее управления, относится к технике рекуперации энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Двигательный узел и транспортное средство с гибридным приводом // 2633315

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигательному узлу для гибридного автомобиля. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования двигателя путем изменения сопротивления потока отработавших газов.

Турбокомпаундная двигательная установка с наддувом // 2600842

Изобретение может быть использовано в турбокомпаундных двигательных установках с наддувом. Способ управления предназначен для турбокомпаундной двигательной установки, содержащей двигатель (1) внутреннего сгорания (ДВС), имеющий впускную линию (2) и выпускную линию (20), компрессор (11) низкого давления и компрессор (5) высокого давления, установленные в упомянутой впускной линии (2) по ходу потока воздуха, турбину (6) высокого давления и турбину (7) низкого давления, установленные в выпускной линии по ходу потока газов.

Гибридная турбокомпаундная двигательная установка с наддувом // 2600839

Изобретение может быть использовано в турбокомпаундных двигательных установках. Двигательная установка содержит двигатель (1) внутреннего сгорания, включающий в себя впускную и выпускную линии (2) и (20), компрессор (11) низкого давления, компрессор (5) высокого давления, турбину (6) высокого давления, турбину (7) низкого давления и первый байпасный механизм (3, 4).

Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания // 2596888

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение тепловых потерь и повышение экологичности.

Система двигателя с турбонаддувом (варианты) и способ двигателя с турбонаддувом // 2700967

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Система двигателя с турбонаддувом содержит первую улитку (100), вторую улитку (102), переходник (200) и спиральный клапан (220).