Газовая тепловая машина

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую энергию. В газовой тепловой машине, работающей в режиме теплового двигателя, выполненной в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса служат камерой расширения рабочего тела, в камере расширения рабочего тела производят предварительное расширение, а в качестве камеры окончательного расширения рабочего тела используют объемный или динамический пневмодвигатель, после которого рабочее тело проходит к входу во вращающийся корпус через теплообменник, служащий камерой охлаждения рабочего тела. Полезная модель позволяет повысить КПД преобразования тепловой энергии в механическую. 4 з. п. ф-лы., 2 ил.

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую энергию.

Известен тепловой двигатель (см. Кругов В.И. Теплотехника, М., Машиностроение, 1986, с.192-198, рис.4.17), содержащий контур сжатия, выполненный в виде многоступенчатого лопастного компрессора, камеру сгорания топлива и контур расширения - в виде многоступенчатой лопастной турбины.

Основным недостатком данной конструкции является низкий механический КПД, обусловленный большими механическими потерями в лопастных машинах, которые многократно преобразуют скоростной напор газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно. Соответственно, общий КПД преобразования тепловой энергии в механическую тоже оказывается невысоким. Например, в наиболее часто применяемых в газотурбинных двигателях многоступенчатом осевом компрессоре механический КПД составляет 0.85, а в многоступенчатой осевой турбине - тоже около 0,85. Следовательно, общий механический КПД газотурбинного двигателя будет равен: 0,85×0,85=0,72, что, даже при достаточно высоком термодинамическом КПД=0,5, дает общий КПД газотурбинного двигателя не более 0,36.

Наиболее близкой газовой тепловой машиной является газовая тепловая машина (см. RU 2084666, кл. F02С 3/16, 20.07.1977), работающая в режиме теплового двигателя, выполненная в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, а сжатие и расширение рабочего тела, вводимого во вращающийся корпус, вблизи от оси вращения через уплотнительные устройства, в радиальных каналах происходит в поле центробежных сил.

Недостатком известной газовой тепловой машины является недостаточно высокий КПД.

Задачей полезной модели является устранение отмеченного недостатка.

Технический результат, на достижение которого направлена данная полезная модель, заключается в повышении КПД газовой тепловой машины.

Задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что в газовой тепловой машине, работающей в режиме теплового двигателя, выполненной в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, а сжатие и расширение рабочего тела, вводимого во вращающийся корпус и выводимого из него вблизи от оси вращения через уплотнительные устройства, в радиальных каналах происходит в поле центробежных сил, в камере расширения рабочего тела производят предварительное расширение, а в качестве камеры окончательного расширения рабочего тела используют объемный или динамический пневмодвигатель, после которого рабочее тело проходит к входу во вращающийся корпус через теплообменник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве рабочего тела применен газ с большой молярной массой, например, ксенон или фторид серы (элегаз).

Указанный технический результат достигается также тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется тепловым излучением от нагревателя, размещенного с зазором вокруг вращающегося корпуса.

Указанный технический результат достигается также тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется посредством теплопередачи от нагретого вещества-теплоносителя.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве вещества-теплоносителя применен газ с небольшой молярной массой, например, водород или гелий.

На фиг.1 изображена газовая тепловая машина, в котором рабочий газ получает нагрев от нагревателя путем теплового излучения.

На фиг.2 изображен тепловая машина, в котором рабочий газ получает нагрев от вещества - теплоносителя.

Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.1, состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. По оси вращения корпуса 1 установлены уплотнительное устройства 6, через которое производится подвод рабочего тела, например, газа ксенона, в корпус 1 и уплотнительное устройство 7, служащее для отвода рабочего тела. Через трубопровод уплотнительное устройство 7, служащее для выхода газа, соединено с входным каналом поршневого (объемного) пневмодвигателя 8. Выходной канал пневмодвигателя 8 трубопроводами через теплообменник 9 соединен с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Концентрично наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 размещен нагреватель 10.

Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.1, работает следующим образом.

Цилиндрический корпус 1 от какого-либо маломощного двигателя раскручивается до высоких оборотов и это вращение необходимо поддерживать во время всей работы тепловой машины или за счет вышеупомянутого маломощного двигателя, или за счет отбора части мощности от пневмодвигателя 8. Через уплотнительное устройство 6 рабочее тело (в дальнейшем тексте - газ) при начальном (минимальном) давлении Р₀ и начальной (минимальной) температуре Т₀ входит по оси вращения в корпус). Проходя через радиальные каналы 3 от оси вращения к периферии корпуса) газ под действием центробежной силы адиабатически сжимается до давления Р₁, при этом его температура возрастает до значения Т₁. Далее газ проходит по периферийным каналам 4, где под действием теплового излучения нагревателя 10 нагревается изобарически при давлении Р₁ до температуры Т ₂. После прохождения периферийных каналов 4 сжатый и нагретый газ поступает в радиальные каналы 5. Здесь он адиабатически расширяется до давления Р₂, охлаждаясь при этом до температуры Т₃. Из формул адиабатического закона следует, что Р₀<Р₂, а Т₀<Т₃ . Через уплотнительное устройство 7 газ при Р₂ и Т ₃ по трубопроводу поступает на вход пневмодвигателя 8. Расширяясь в пневмодвигателе до давления Р₀ газ совершает механическую работу, которая передается потребителю механической энергии, охлаждаясь при этом до температуры Т₄. Следует отметить, что Т₀<Т₄<Т₃ . После выхода из пневмодвигателя 8 при давлении Р₀ и температуре Т₄ газ проходит через теплообменник 9, где изобарически охлаждается до температуры Т₀ и вновь, с начальными параметрами Р₀ и Т₀ , поступает на вход в корпус 1. Согласно законам термодинамики для сжатия холодного газа от Р₀ до Р₁ и расширения горячего газа от Р₁ до Р₂ затрачивается и производится одинаковая работа, при этом: Т₁-Т ₀=Т₃-Т₃. Следовательно, вращающийся цилиндрический корпус 1 не расходует механической энергии для сжатия и расширения газа, проходящего в каналах корпуса 1. Но, в виду неизбежных механических потерь при вращении корпуса 1 в подшипниках 2 и уплотнительных устройствах 6 и 7, для вращения корпуса 1 необходимо отбирать какое-то количество энергии или от пневмодвигателя 8 или от какого-либо дополнительного источника вращательного движения. В предлагаемой тепловой машине нет преобразования кинетической энергии газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно, влекущее за собой большие потери, как в газотурбинном двигателе, поэтому при одинаковых исходных, промежуточных и максимальных значениях температур, КПД предлагаемой тепловой машины выше, чем у газовой турбины. Для повышения удельной мощности начальное давление Р₀ следует выбирать максимально высоким. Для повышения КПД преобразования тепловой энергии в механическую следует применять газ с высокой молярной массой и показателем адиабаты, например, ксенон или фторид серы (элегаз), а также поддерживать максимально высокую окружную скорость вращающегося цилиндрического корпуса, что влечет за собой больший перепад давлений и температур. Поскольку нагреватель никак не связан с подвижными деталями тепловой машины, то его нагрев до высокой температуры можно осуществлять любыми известными в технике способами, что повышает утилитарность предлагаемого тепловой машины.

На фиг.2 изображена тепловая машина, в которой рабочий газ получает нагрев от вещества-теплоносителя.

Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.2, состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. По оси вращения корпуса 1 установлены уплотнительное устройства 6, через которое производится подвод рабочего тела, например, газ ксенон, в корпус 1 и уплотнительное устройство 7, служащее для отвода рабочего тела. Через трубопровод уплотнительное устройство 7, служащее для выхода газа, соединено с входным каналом пневмотурбины 8. Выходной канал пневмотурбины (динамичекого пневмодвигателя) 8 трубопроводами через теплообменник 9 соединен с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Внутри корпуса 1 размещен также теплообменник 10, каналы которого находятся в тепловом контакте с периферийными каналами 4, в которых циркулирует рабочий газ. Через уплотнительные устройства 11 и 12 вещество-теплоноситель подводится к теплообменнику 10 и отводится от него. Вещество-теплоноситель нагревается перед подачей в теплообменник 10 в отдельном удаленном теплообменнике (на чертежах не показан) за счет любого известного в технике источника тепловой энергии.

Газовая тепловая машина, изображенная на фиг.2, работает точно так же, как тепловая машина, изображенная на фиг.1 (что описано выше), за исключением того, что рабочий газ в периферийных каналах 4 нагревается не за счет теплового излучения от удаленного нагревателя, а путем теплообмена с веществом-теплоносителем в каналах теплообменника 10. В качестве вещества-теплоносителя целесообразно применять газ с низкой молярной массой, например, водород или гелий. Также в качестве вещества-теплоносителя могут непосредственно служить нагретые газы, образующиеся в какой-либо камере сгорания, что поможет отказаться от удаленного теплообменника для нагрева вещества-теплоносителя.

1. Газовая тепловая машина, работающая в режиме теплового двигателя, выполненная в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, причем радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, а сжатие и расширение рабочего тела, вводимого во вращающийся корпус и выводимого из него во вращающийся корпус, вблизи от оси вращения через уплотнительные устройства, в радиальных каналах происходит в поле центробежных сил, отличающаяся тем, что в камере расширения рабочего тела производят предварительное расширение, а в качестве камеры окончательного расширения рабочего тела используют объемный или динамический пневмодвигатель, после которого рабочее тело проходит к входу во вращающийся корпус через теплообменник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.

2. Газовая тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела применен газ с большой молярной массой, например ксенон или фторид серы (элегаз).

3. Газовая тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется тепловым излучением от нагревателя, размещенного с зазором вокруг вращающегося корпуса.

4. Газовая тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется посредством теплопередачи от нагретого вещества-теплоносителя.

5. Газовая тепловая машина по п.4, отличающаяся тем, что в качестве вещества-теплоносителя применен газ с небольшой молярной массой, например водород или гелий.