Тепловой двигатель (варианты)

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована для преобразования тепловой энергии в механическую. Тепловой двигатель (вариант 1) содержит рабочие цилиндры 1, 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3, 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Повышение КПД и экономичности двигателя достигается за счет исключения потерь тепла, передаваемого в окружающую среду. Для этого внутренние полости рабочих цилиндров 1, 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7, при этом рабочие цилиндры 1, 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, а каждый рабочий цилиндр 1, 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1, 2. Внутренние полости сильфонных поршней 3, 4 объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора 5 и заполнены трансформаторным или турбинным маслом. Тепловой двигатель (вариант 2) содержит рабочие цилиндры 1, 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3, 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Для этого внутренние полости рабочих цилиндров 1, 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7, при этом рабочие цилиндры 1, 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, а каждый рабочий цилиндр 1, 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1, 2. Внутренние полости сильфонных поршней 3, 4 сообщаются с атмосферой и имеют шток 23, проходящий внутри них. 2 н.п. ф-лы, 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована во всех областях народного хозяйства, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

Известна паровая машина (первый массовый тепловой двигатель) - первичный поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. С конца 18 до конца 19 века паровая машина была единственным распространенным тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста. Коэффициент полезного действия (КПД) достигает 20-25% (см., например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с.360).

К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность и ограничение единичной мощности.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС делятся на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении (см., например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с.414-420).

Общими недостатками всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40-50% и ограничение единичной мощности.

Известна паротурбинная (паросиловая) установка, состоящая из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса, работающая по циклу Ренкина (см., например, Техническая термодинамика. А.С.Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с.365-368).

К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря тепла из-за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.

Известна газотурбинная установка (ГТУ), состоящая из компрессора, сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания, камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри) происходит горение топлива и газовой турбины. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл (см., например, Техническая термодинамика. А.С.Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с.257-267).

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона, относится, во-первых, то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, т.е. снижает возврат тепла в цикл. Во-вторых, более половины мощности, вырабатываемой турбиной, затрачивается на собственные нужду ГТУ, т.е. привод компрессора. Все это снижает КПД и экономичность установки.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри, относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора и иметь более благоприятные условия для регенерации, в этих установках на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.

Известна парогазовая установка (ПГУ), состоящая из ГТУ, работающей по циклу Брайтона и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котел утилизатор, генерирующий пар за счет тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50% (см., например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с.380-383).

К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, сложность и дороговизна установок.

Таким образом, исследование уровня техники показало, что общим технологическим недостатком вышеперечисленных тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность. Причинами передачи тепла в окружающую среду являются или отсутствие регенерации тепла в цикл (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, ранее выпускавшиеся газотурбинные установки пульсирующего типа, работающие по циклу Гемфри), или

ограничения на глубину регенерации, которые накладываются процессом предварительного сжатия рабочего тела и наличием теплоперепада в регенераторе (газотурбинные установки с подводом тепла при постоянном давлении, работающие по циклу Брайтона), и свойствами рабочего тела (паротурбинные установки, работающие по циклу Ренкина).

Известна газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном трубопроводе которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания, при этом регенератор содержит расположенные внутри корпуса капсулы, установленные с возможностью взаимодействия с камерой сгорания, причем капсулы, с обеих торцевых сторон которых размещены запорные устройства, выполнены в виде цилиндров с поршнями. Капсулы расположены последовательно и установлены на ротационной или конвейерной линии, снабженной механизмом доставки капсул к камере сгорания, а камера сгорания выполнена цилиндрической и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы (см. патент РФ на изобретение №2154181, МПК F02C 7/08, 5/12, опубл. 10.08.2000 г.).

К недостаткам этой установки относится то, что, несмотря на отсутствие процесса предварительного сжатия (отсутствие компрессора) и, следовательно, более глубокую регенерацию и более высокий КПД, полная регенерация тепла в данной установке невозможна. Это связано с необходимостью теплоперепада в регенераторе. Другим существенным недостатком данной установки является теплопередача в регенераторе в условиях газовой конвекции. В этих условиях коэффициент теплопередачи имеет низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора, снижающим экономичность установки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известная газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном патрубке которой установлены камера сгорания и регенератор, при этом регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания, дополнительно введен вспомогательный регенеративный контур, содержащий теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора, причем камера сгорания расположена на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя, при этом первый вход теплообменника-охладителя рабочего тела турбины соединен с первым выходом охлажденного рабочего тела регенератора, первый выход теплообменника-охладителя соединен

со вторым входом регенератора, второй вход теплообменника-охладителя соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины, второй выход теплообменника-охладителя соединен с всасывающим патрубком компрессора вспомогательной турбины, нагнетательный патрубок компрессора вспомогательной турбины соединен со вторым входом теплообменника-подогревателя, второй выход теплообменника-подогревателя соединен с входным патрубком вспомогательной турбины, первый вход теплообменника-подогревателя соединен с выхлопным патрубком турбины, первый выход теплообменника-подогревателя соединен с входом в камеру сгорания, а выход камеры сгорания соединен с первым входом регенератора, причем первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй выход регенератора соединен с входным патрубком турбины (см. патент РФ на изобретение №2184255, МПК F02C 1/00, опубл. 27.06.2002 г.).

К недостаткам этой установки относится то, что, несмотря на полную регенерацию тепла в данной установке, в ней сохранились существенные недостатки, присущие предыдущей установке. Здесь теплопередача в регенераторе и в теплообменниках теплового насоса также осуществляется в условиях газовой конвекции. В этих условиях коэффициент теплопередачи имеет низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора и теплообменников теплового насоса, что снижает экономичность установки.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение КПД и экономичности установки. Это обеспечивается, с одной стороны, за счет отсутствия необходимости передачи тепла в окружающую среду для реализации цикла и с другой за счет организации процессов теплопередачи в установке в условиях кипящей жидкости, при которых коэффициент теплопередачи на несколько порядков выше, чем при свободной газовой конвекции, как в установке, принятой в качестве прототипа.

Указанная задача достигается за счет того, что в тепловом двигателе, содержащем рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, согласно полезной модели, внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных

с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом.

В качестве рабочего тела цилиндров может использоваться вода. Также в качестве рабочего тела цилиндров может быть использован агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

Указанная задача достигается также за счет того, что в тепловом двигателе, содержащем рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, согласно полезной модели, внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней сообщаются с атмосферой и имеют шток, проходящий внутри них.

В качестве рабочего тела цилиндров также может использоваться вода, либо агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении, при этом в качестве агента может быть использован либо жидкий азот, либо жидкий радон, либо жидкий фторид бора.

Все варианты выполнения предложенного теплового двигателя направлены на решение одной и той же технической задачи, а именно: повышение КПД и экономичности установки.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется гидравлически, когда внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом (цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха и сосуд, заполненный кипящим маслом, в котором находятся рабочие цилиндры, не показаны) (вариант 1); на фиг.2 - конструктивная

компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется гидравлически, когда внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом (рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха отодвинуты от поверхности обечайки одного из рабочих цилиндров (первого) и цилиндрические секции (скорлупы) теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки другого рабочего цилиндра (второго) (вариант 1); на фиг.3 изображена конструктивная компоновка рабочих цилиндров теплового двигателя, при которой взаимодействие сильфонных поршней осуществляется механически при помощи штока, когда внутренние полости сильфонных поршней заполнены воздухом (вариант 2).

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 и 2 - рабочие цилиндры; 3 и 4 - сильфонные поршни; 5 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4; 6 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2; 7 - запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутреннюю полость рабочего цилиндра (1 и 2) и коллектора 6; 8 - сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9; 9 - ползун, передающий тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма; 10 - шатун; 11 - коленчатый вал; 12 - маховик кривошипно-шатунного механизма; 13 - сочленение между ползуном 9 и шатуном 10; 14 - сосуд, заполненный кипящим маслом, в котором находятся рабочие цилиндры 1 и 2; 15-22 - отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок (скорлуп), при сближении охватывающих рабочий цилиндр (1, 2); 23 - шток, проходящий во внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4.

По первому варианту выполнения полезной модели тепловой двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3 и 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Поперечное сечение рабочих цилиндров 1 и 2 может иметь любую удобную форму, например, круг, прямоугольник. Внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 соединяются воедино коллектором 5. Внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7.

Конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 теплового двигателя (вариант 1), при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 осуществляется гидравлически, показана на фиг.1 и 2. При этом внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора 5 и заполнены трансформаторным или турбинным маслом.

Внутренняя полость рабочих цилиндров 1 и 2 может быть заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05-0,1). Сальниковые уплотнения 8 установлены в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9. Сильфонные поршни 3 и 4 соединены ползуном 9 с кривошипно-шатунным механизмом. Ползун 9 передает тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма. Кривошипно-шатунный механизм преобразует тяговое усилие сильфонных поршней 3 и 4 во вращательное движение коленчатого вала 11, на котором расположен маховик 12. Между ползуном 9 и шатуном 10 выполнено сочленение 13.

Рабочие цилиндры 1 и 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде 14 обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1 и 2. Съемный теплоизоляционный кожух в нужный момент или охватывает рабочий цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и рабочим цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором 5 и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикрепленная к ползуну 9, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон - тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений, внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия (см. например. Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с.486).

По второму варианту выполнения полезной модели тепловой двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 с подогреваемым рабочим телом, внутри которых расположены сильфонные поршни 3 и 4, выполненные из нетеплопроводящего материала, и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом. Поперечное сечение рабочих цилиндров 1 и 2 может иметь любую удобную форму, например, круг, прямоугольник. Внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора 6 и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру 7.

Конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 теплового двигателя (вариант 2), при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 попарно обеспечивается с помощью штока 23, приведена на фиг.3, при этом рабочие цилиндры 1 и 2 расположены на одной осевой линии. Внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4 заполнены воздухом (сообщаются с атмосферой) и имеют шток 23, проходящий внутри них.

Внутренняя полость рабочих цилиндров 1 и 2 может быть заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05-0,1). Сальниковые уплотнения 8 установлены в месте прохода через стенку рабочего цилиндра (1 и 2) ползуна 9. Сильфонные поршни 3 и 4 соединены ползуном 9 с кривошипно-шатунным механизмом. Ползун 9 передает тяговое усилие от сильфонного поршня 3 на шатун 10 кривошипно-шатунного механизма. Кривошипно-шатунный механизм преобразует тяговое усилие сильфонных поршней 3 и 4 во вращательное движение коленчатого вала 11, на котором расположен маховик 12. Между ползуном 9 и шатуном 10 выполнено сочленение 13.

Рабочие цилиндры 1 и 2 расположены в объеме сосуда 14, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде 14 обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций 15-22, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра 1 и 2. Съемный теплоизоляционный кожух в нужный момент или охватывает рабочий цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и рабочим цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

В предложенной конструкции теплового двигателя (варианты 1 и 2) сильфонный поршень напротив выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно выполнение

сильфонного поршня из названных выше теплопроводных материалов, но покрытых слоем нетеплопроводного материала. В предложенной конструкции сильфонный поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие и растяжение происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона (вариант 1) или сжатия под воздействием перепада давлений, а растяжение под воздействием штока 23 (фиг.3) (вариант 2).

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Рабочий цикл предложенного теплового двигателя (вариант 1), конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2 которого изображена на фиг.1, следующий. Сильфонный поршень 3 рабочего цилиндра 1 полностью растянут, а сильфонный поршень 4 рабочего цилиндра 2 полностью сжат (фиг.1). Теплоизоляционные кожуха на рабочих цилиндрах 1 и 2 (фиг.2) плотно прижаты к цилиндрам. Арматура 7 (фиг.1) на трубопроводах, соединяющих внутренние полости рабочих цилиндров 1 и 2 с коллектором 6, закрыта. Температура масла в сосуде 14 (фиг.2) доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда 14, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров 1 и 2 и давление масла внутри полостей сильфонных поршней 3 и 4 равно атмосферному. В этот момент арматура 7 на обоих рабочих цилиндрах 1 и 2 и теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 1 открываются. Цилиндрические секции (скорлупы) 15-22 теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1 (фиг.2). В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего в сосуде 14 масла, к рабочему телу цилиндра 1. Теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 2, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы 15-22 теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки рабочего цилиндра 2 (фиг.2). Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350°С) в полости сосуда 14 выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0.05-0,1), находящейся в полости рабочего цилиндра 1, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) рабочего цилиндра 1. Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей жидкости составляет величину порядка 2200-11000 Вт/(м²·К) (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985, с.228). Принимая коэффициент теплоотдачи от кипящего масла к металлической поверхности рабочего цилиндра, на выше отмеченном уровне и учитывая разность температур между кипящим маслом с внешней стороны цилиндра и кипящей водой с внутренней стороны, получаем, что мощность теплового потока, подводимого к рабочему телу

цилиндра, составит величину порядка 200-1000 Квт/м ². Рабочее тело (кипящая вода) в цилиндрах 1 и 2 и масло внутри сильфонных поршней 3 и 4 находятся в процессе работы теплового двигателя при постоянном объеме. Интенсивно подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела. При этом температура и давление масла внутри сильфонного поршня 3 рабочего цилиндра 1 не изменяется, так как поверхность сильфонного поршня 3 нетеплопроводна. В результате создается перепад давлений по сторонам сильфонного поршня 3 рабочего цилиндра 1. Сильфонный поршень 3 рабочего цилиндра 1 начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун 9 передается на кривошипно-шатунный механизм.

Возможны и другие известные кинематические схемы, преобразующие тяговое усилие сильфонного поршня в механическую энергию рабочего вала. Происходит преобразование энергии теплового потока, подводимого к рабочему телу цилиндра 1, в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сильфонного поршня 3, масло из его внутренней полости выдавливается и по коллектору 5 перетекает во внутреннюю полость сильфонного поршня 4. Сильфонный поршень 4 растягивается и выталкивает рабочее тело из полости рабочего цилиндра 2 через коллектор 6 в полость рабочего цилиндра 1, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня 3. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах 1 и 2 и масло внутри сильфонных поршней 3 и 4, перетекая, постоянно находятся при постоянном объеме. При этом доля подведенной к цилиндру тепловой энергии, пошедшей на перемещение масла из сильфонного поршня 3 в сильфонный поршень 4 и рабочего тела из полости цилиндра 2 в полость цилиндра 1, может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией, превращенной в механическую энергию на коленчатом валу. Тепловой поток q, подводимый к рабочему цилиндру 1 за период сжатия его сильфонного поршня 3, для конкретных температурных условий и размеров цилиндра 1 величина постоянная. Эта величина равна работе, производимой рабочим цилиндром 1 при сжатии сильфонного поршня 3

где q - тепловой поток, подведенный к рабочему цилиндру 1 в процессе сжатия сильфонного поршня 3; Р - перепад давлений между подогреваемым в рабочем цилиндре 1 рабочим телом и маслом внутри сильфонного поршня 3, находящимся при атмосферном давлении; S_c.n. - площадь поверхности сильфонного поршня (площадь гармошки); l - длина, на которую сокращается при сжатии сильфонный поршень 3, обеспечивая тяговое усилие.

При заданной длине рабочего цилиндра площадь поверхности сильфонного поршня можно изменять в очень широких пределах, изменяя число гармошек сильфона. Из формулы (1) видно, что если увеличивать площадь поверхности сильфонного поршня, то при постоянном тепловом потоке в рабочий цилиндр и постоянной работе сжатия сильфонного поршня будет уменьшаться перепад давлений между внешней и внутренней сторонами сильфона.

Работа, производимая при сжатии сильфонного поршня 3, полученная из формулы (1), затрачивается на производство механической энергии (полезной работы) на коленчатом валу и на работу проталкивания масла из сильфонного поршня 3 в сильфонный поршень 4 и рабочего тела из полости рабочего цилиндра 2 в полость рабочего цилиндра 1. Затратами энергии на перетекание масла можно пренебречь, так как давление масла в обоих сильфонных поршнях одинаково, а гидравлические потери при перетоке масла можно сделать сколь угодно малыми. Работа по перемещению рабочего тела (кипящей воды) из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1 при сжатии сильфонного поршня 3 и растяжении сильфонного поршня 4 определяется из выражения

где А - работа перемещения рабочего тела; Р - перепад давлений между давлением подогретого рабочего тела в цилиндре 1 и давлением теплоизолированного рабочего тела цилиндра 2, находящемся при атмосферном давлении (перепад давлений в формуле (2) равен перепаду давлений в формуле (1)); V - объем перемещаемого рабочего тела из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1 (эта величина постоянная).

Выше было показано, что, увеличивая поверхность сильфона, можно значительно уменьшить перепад давлений в формулах (1) и (2). Тем самым значительно снижается работа (формула (2)) по перемещению рабочего тела из рабочего цилиндра 2 в рабочий цилиндр 1. В принципе эту работу можно сделать сколь угодно малой. Таким образом, в предлагаемом тепловом двигателе почти вся подведенная тепловая энергия преобразуется в механическую энергию на валу машины. Та небольшая часть тепловой энергии, которая потрачена на перемещение рабочего тела, также не теряется, а остается в цикле.

По мере сжатия сильфонного поршня 3 в рабочем цилиндре 1 происходит прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха к поверхности рабочего цилиндра 1. Происходит это последовательно снизу вверх, сначала скорлупы 15 и так далее до скорлупы 22. Это необходимо для того, чтобы подводить тепло и поднимать давление рабочего тела только в рабочей зоне цилиндра 1, в зоне гармошки сильфона. Этим исключается подогрев рабочего тела и повышение его давления вне рабочей зоны, что в свою

очередь не вызывает увеличение работы проталкивания. Последовательное прижатие скорлуп 15-22 нужно производить даже с некоторым опережением сжатия сильфонного поршня 3, что исключит постепенный перегрев рабочего тела от работы проталкивания и обеспечит полное преобразование энергии теплового потока в механическую энергию на валу машины.

Последовательное прижимание теплоизоляционных скорлуп к поверхности рабочего цилиндра можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединенной с коленчатым валом. Возможен также вариант оснащения теплового двигателя управляющим компьютером и системой датчиков по давлению и температуре рабочих агентов, положению механических элементов двигателя.

В момент полного сжатия сильфонного поршня 3, полного закрытия теплоизоляционным кожухом рабочего цилиндра 1, при полном растяжении сильфонного поршня 4 рабочего цилиндра 2, полностью раскрывается теплоизоляционный кожух на рабочем цилиндре 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра 2, происходит сжатие сильфонного поршня 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от рабочего цилиндра 2 к рабочему цилиндру 1. Цикл замкнулся.

Парных рабочих цилиндров в предложенном тепловом двигателе может быть сколь угодно в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий. Попарно отключая рабочие цилиндры 1 и 2 с помощью арматуры 7 и теплоизоляционных кожухов, можно в широких пределах осуществлять грубую регулировку мощности теплового двигателя. Самой различной может быть и пространственная компоновка рабочих цилиндров.

Рабочий цикл предложенного теплового двигателя (вариант 2), конструктивная компоновка рабочих цилиндров 1 и 2, при которой взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4 осуществляется механически при помощи штока 23, следующий (фиг.3). Когда при подогреве рабочего тела рабочего цилиндра 1 его давление повышается, сильфонный поршень 3 начинает сжиматься. Шток 23 начинает перемещаться слева направо (фиг.3) и, растягивая сильфонный поршень 4 рабочего цилиндра 2, перемещает рабочее тело из полости рабочего цилиндра 2 через трубопровод 6 в полость рабочего цилиндра 1.

Принципиально важным для работы предлагаемого теплового двигателя является поддержание постоянного давления в полости сильфонных поршней 3 и 4. Для схемы, изображенной на фиг.3, это достигается соединением внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4 с атмосферой. Для конструктивной схемы, изображенной на

фиг.1, можно предусмотреть соединение внутренней полости сильфонных поршней 3 и 4 с расширительным бачком как, например, в системах отопления.

В качестве рабочего тела в рабочих цилиндрах 1 и 2 возможно использовать агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении. Например: жидкий азот, жидкий радон, жидкий фторид бора и т.д. Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Это позволит иметь температурный перепад с низко потенциальными источниками тепловой энергии и использовать их как источник тепла. В этих условиях в качестве рабочего агента, заполняющего внутренние полости сильфонных поршней 3 и 4, в схеме, показанной на фиг.1, необходимо использовать вещества, имеющие жидкое состояние при температурах кипения рабочего тела.

1. Тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, отличающийся тем, что внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней объединены с помощью перепускных трубопроводов и коллектора и заполнены трансформаторным или турбинным маслом.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела цилиндров используется вода.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела цилиндров используется агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

4. Тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренние полости которых заполнены подогреваемым рабочим телом, расположенные в них поршни, соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, отличающийся тем, что внутренние полости рабочих цилиндров, выполненных из теплопроводных материалов, объединены с помощью коллектора и перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного трансформаторным или турбинным маслом, каждый рабочий цилиндр снабжен съемным теплоизоляционным кожухом, выполненным из отдельных цилиндрических секций, состоящих из двух половинок и установленных с возможностью их последовательного прижатия к поверхности рабочего цилиндра, при этом внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, выполненные из нетеплопроводящего материала, внутренние полости сильфонных поршней сообщаются с атмосферой и имеют шток, проходящий внутри них.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела цилиндров используется вода.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела цилиндров используется агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве агента использован жидкий азот, либо жидкий радон, либо жидкий фторид бора.