Устройство для преобразования энергии газообразного теплоносителя в механическую энергию

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики, а именно к устройствам для преобразования энергии газообразного теплоносителя, например, пара в механическую энергии. Преобразователь содержит цилиндр с поршнем, кинематически соединенный с коленчатым валом, клапан впуска газообразного теплоносителя, два клапана выпуска отработавшего теплоносителя управляемые распределительным валом, посредством которого в цилиндре организован двухтактный цикл, на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) на участке хода поршня от ВМТ до НМТ и вытеснение отработавшего теплоносителя в проточные охладители с обратными клапанами на участке его хода от НМТ до ВМТ через последовательно открываемые в каждом цикле выпускные клапаны с изменением порядка их открытия в каждом последующем цикле рабочего цилиндра.

Новыми признаками устройства являются:

- организованный газораспределительной системой в цилиндре двухтактный цикл, на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) на участке хода поршня от ВМТ до НМТ и вытеснение отработавшего теплоносителя в проточные охладители с обратными клапанами на участке его хода от НМТ до ВМТ через последовательно открываемые в каждом цикле выпускные клапаны с изменением порядка их открытия в каждом следующем цикле рабочего цилиндра;

- соединение каждого клапана с атмосферой через проточный охладитель и клапан сброса.

Существенно новыми признаками устройства являются:

- организация при помощи газораспределительной системы двухтактного цикла работы цилиндра на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) на участке хода поршня от ВМТ до НМТ и вытеснение отработавшего теплоносителя в проточные охладители с обратными клапанами на участке его хода от НМТ до ВМТ через последовательно открываемые в каждом цикле выпускные клапаны с изменением порядка их открытия в каждом следующем цикле рабочего цилиндра;

- соединение каждого клапана с атмосферой через проточный охладитель и клапан сброса.

Техническим эффектом от использовании предложенного устройства является повышение КПД преобразователя с одновременным упрощением конструкции, что обеспечено формированием силового воздействия поршня на коленчатый вал как при движении его вниз от ВМТ к НМТ за счет давления теплоносителя, так и при движении его вверх от НМТ к ВМТ за счет вакуума в соответствующем охладителе.

В настоящее время автором проводится работа по реализации опытного образца предложенной паровой машины.

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики, а именно к устройствам для преобразования энергии газообразного теплоносителя, например, пара в механическую энергии.

В настоящее время во всем мире бурно развивающиеся технические отрасли производства требуют все больших энергетических затрат, что в свою очередь, требует от энергетической отрасли создания тепловых машин, использующих новые принципы работы с повышенным КПД, более простых и технологичных в изготовлении, с высокими показателями по экологии при их использовании.

Несмотря на новые направления создания энергетических установок, модернизация тепловых машин, использующих известные принципы преобразования энергии, остаются актуальными.

Одним из таких направлений является модернизация машин преобразующих тепловую энергию газообразного теплоносителя, например, пара в механическую энергию.

Известны тепловые машины (1), где для преобразования энергии пара в механическую энергию используются поршни двухстороннего действия, размещенные в цилиндре, получающие импульс от воздействия пара, направляемого то с одной стороны поршня, то с другой при помощи золотникового устройства.

Недостатками таких машин являются:

- большой вес и габариты;

- низкий КПД, что объясняется большими тепловыми потерями тепловой энергии именно в цилиндре машины;

- сложность обслуживания;

- преимущественно стационарное использование такого рода преобразователей.

Известны преобразователи (2) тепловой энергии газообразного теплоносителя в механическую энергию, использующие так называемый принцип Стирлинга.

Недостатками таких машин являются:

- большой вес и габариты в вязи с использованием громоздких охладителей-нагревателей;

- низкий КПД преобразователя в связи с ограниченными возможностями по формированию необходимой разницы температур между охладителем и нагревателем;

- возможность взрыва преобразователя при применении в качестве теплоносителя водорода, гелия и т.п. взрывоопасных газов.

Вышеуказанный преобразователь взят автором в качестве прототипа предложенного двигателя, как наиболее близкий по технической сути, так и по достигаемому техническому эффекту.

Задачей, которую ставил перед собой автор, разрабатывая предложенную конструкцию преобразователя тепловой энергии в механическую, например, вращения, являлось повышение КПД преобразователя с одновременным упрощением конструкции.

Эта задача решена в предложенном преобразователе, содержащем цилиндр с поршнем, кинематически соединенным с коленчатым валом, клапан впуска газообразного теплоносителя, два клапана выпуска отработавшего теплоносителя, управляемые распределительным валом, посредством которого в цилиндре организован двухтактный цикл, на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) на участке хода поршня от ВМТ до НМТ и вытеснение отработавшего теплоносителя в проточные охладители с обратными клапанами на участке его хода от НМТ до ВМТ через последовательно открываемые в каждом цикле выпускные клапаны с изменением порядка их открытия в каждом последующем цикле рабочего цилиндра.

Новыми признаками устройства являются:

- организованный газораспределительной системой в цилиндре двухтактный цикл, на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) на участке хода поршня от ВМТ до НМТ и вытеснение отработавшего теплоносителя в проточные охладители с обратными клапанами на участке его хода от НМТ до ВМТ через последовательно открываемые в каждом цикле выпускные клапаны с изменением порядка их открытия в каждом следующем цикле рабочего цилиндра;

- соединение каждого клапана с атмосферой через проточный охладитель и клапан сброса.

По мнению автора, вышеуказанные новые признаки являются существенными, т.к. в совокупности с остальными позволили получить технический эффект, связанный с повышением КПД преобразователя при одновременном упрощении конструкции, что объясняется увеличением времени воздействия газообразного теплоносителя на поршень при впуске пара в его цилиндр при движении от ВМТ к НМТ и воздействием вакуума на поршень от соответствующего охладителя при его движении от НМТ к ВМТ, т.к. периоды сброса отработавшего теплоносителя кратковременны по отношению ко времени силового воздействия на поршень.

Предложенное устройство представлено на фиг 1-6, где:

- на фиг.1 показано положение узлов и деталей в момент начала впуска в цилиндр газообразного теплоносителя;

- на фиг.2 показано положение узлов и деталей в момент окончания рабочего хода поршня, открытия первого выпускного клапана и начала перепуска теплоносителя в первый охладитель;

- на фиг.3 показано положение узлов и деталей в НМТ поршня, открытия второго перепускного клапана и начала перепуска теплоносителя во второй охладитель;

- на фиг.4 показано положение узлов и деталей в ВМТ; при начале впуска новой порции теплоносителя;

- на фиг 5 показано положение узлов и деталей в конце рабочего хода поршня, открытия второго перепускного клапана и перепуск отработавшего пара во второй охладитель;

на фиг.6 показано положение узлов и деталей в конце рабочего хода поршня, открытие первого выпускного клапана и перепуск отработавшего пара в первый охладитель.

Предложенный преобразователь содержит цилиндр 1 с поршнем 2, соединенный с коленчатым валом 11, впускной клапан 4, установленный на патрубке 3, подводящем газообразный теплоноситель, например, пар.

Цилиндр имеет два выпускных клапана 5 и 6, каждый из которых подсоединен к соответствующему проточному охладителю 7, 8 с обратным клапаном 9, 10.

Работа устройства заключается в следующем.

В исходном состоянии перепускные клапаны 5 и 6 закрыты, поршень 2 в цилиндре 1 находится в ВМТ.

Открывается впускной клапан 4 (фиг.1) и газообразный теплоноситель, например, пар, под давлением поступает через входной патрубок 3 в полость цилиндра 1.

Под воздействием пара поршень 2 начинает двигаться вниз.

В это время в охладителях 7 и 8 происходит охлаждение и соответственно сжатие теплоносителя, которые были перепущены из цилиндра 1 в предыдущем такте.

В момент подхода поршня 1 к НМТ, впускной клапан 4 закрывается, а один из двух перепускных, например, клапан 5 открывается, и газы теплоносителя, продолжая расширяться в полости цилиндра 1, перепускаются в полость охладителя 7.

После того, как давление в полости охладителя 7 превысит давление окружающей среды, клапан сброса 9 открывается и часть охлажденных и соответственно сжатых газов вытесняется наружу (фиг.2).

Как только давление газообразного теплоносителя в цилиндре 1 сравняется с давлением окружающей среды, клапан сброса 9 закрывается, а второй перепускной клапан 6 открывается, что соответствует положению поршня 1 в НМТ.

Ввиду того, что в охладителе 8 давление теплоносителя от предыдущего такта менее давления окружающей среды (разрежение) поршень 1 начинает движение вверх к ВМТ.

При этом в ВМТ (фиг.4) перепускные клапаны 5 и 6 закрываются, а впускной клапан 4 открывается.

Первая такт цикла закончен.

Далее поршень 1 вновь перемещается под воздействием давления поступающего газового теплоносителя, но теперь на подходе к НМТ после закрытия клапана 4, первым открывается (фиг.5) перепускной клапан 6, и теплоносителем первым заполняется полость охладителя 8, вытесняя порцию отработавшего теплоносителя от предыдущего такта наружу через клапан сброса 10.

После того как давления в цилиндре 1 и полости охладителя сравниваются, клапан 10 закрывается, открывается перепускной клапан 5 (фиг.6), и поршень 1 за счет разряжения в охладителе 7 перемещается в вверх к ВМТ, и цикл повторяется.

При этом во время всех четырех перемещений (два цикла) поршня 2, последний, перемещаясь, передавал движение на коленчатый вал 11.

Из вышеуказанного видно, что усилие поршня 2 на коленчатый вал 11 в предложенном преобразователе передавалось, как при движении вниз под воздействием пара, так и при движении вверх под воздействием вакуума в одном из охладителей 7 или 8.

Учитывая фактор кратковременности открытия обратных клапанов 9, 10 в своих тактах работы, можно уверенно говорить, что потери энергии в предложенном преобразователе небольшие и КПД его будет выше, чем прототипа.

В отличие от прототипа, предложенная конструкция может использовать комплектующие от обычного ДВС, в котором реализуется классический цикл Отто.

В настоящее время автором проводится работа по реализации опытного образца предложенной паровой машины.

Литература.

1. Паровая машина.. Большой энциклопедический политехнический словарь. Научное издательство. «Большая Российская энциклопедия». Стр.364

2. Двигатель Стирлинга. Большой энциклопедический политехнический словарь. Научное издательство. «Большая Российская энциклопедия». Стр.505

2а. Двигатель Стирлинга. Http:\\ru.wikipedia.org/wiki

Устройство для преобразования энергии газообразного теплоносителя в механическую энергию, содержащее цилиндр с поршнем, кинематически соединенным с коленчатым валом, клапаны впуска и выпуска теплоносителя, управляемые распределительным валом, отличающееся тем, что в цилиндре организован двухтактный цикл, на основе впуска газообразного теплоносителя (рабочий ход) и выпуска отработавшего теплоносителя, при этом в цилиндре установлено два выпускных клапана, последовательно открываемых в каждом цикле в такте выпуска отработавшего теплоносителя с изменением порядка их открытия в каждом последующем цикле в цилиндре, при этом каждый из выхлопных клапанов соединен с атмосферой через проточные охладители с клапанами сброса.