Двигатель с внешним подводом теплоты
Двигатель с внешним подводом теплоты имеет камеры (1) с жидкостью. В камерах есть цилиндры с рабочими поршнями (2). Поршни через шатуны связанны с коленчатым валом (3). С камерами большой поверхностью теплоотдачи неразрывно связаны подкамеры (4). В подкамерах находится жидкость и насыщенный пар. В подкамерах происходит нагрев при конденсации и охлаждение при испарении. Испарение и конденсация вызваны движением поршня накачки (5). Двигатель производит работу за счет теплового расширения жидкости в камерах. Работа через рабочие поршни передается на коленчатый вал. При этом происходит охлаждение двигателя. 2 ил.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использовано в различных отраслях, например транспортном машиностроении, электроэнергетике.
Уровень техники.
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к двигателям с внешним источником тепла. Хорошо известны двигатели с внешним источником тепла (ДВПТ). Основным недостатком этих двигателей является то, что они требуют высокой температуры от источника тепла и обладают маленьким КПД. ДВПТ RU 2002100509 А 2002.01.08; RU 2001108799 А, 2001.04.04; RU 2157459 C1, 11.03.1999; SU 1726830 A, 15.04.1992; GB 1508996 A, 26.04.1978; DE 2613272 A, 21.10.1976;
В качестве прототипа выбран ДВПТ патент RU 2004136477 А 2004.12.14.
Главный недостаток этого двигателя это то, что на различных этапах работы осуществляются тепловые контакты между различными узлами двигателя и разрыв этих контактов. Конструктивно площадь поверхности таких контактов не может быть большой. Толщина стенок для различных узлов в такой системе достаточно велика из-за давлений. Теплопередача меди одна из самых больших в природе равна 385 Вт/(м×К), это означает, что через каждый квадратный метр медной стенки при разности температур 1 Кельвин и при толщине стенки 1 метр передается 386 Джоулей в течении 1 секунды. Если для расчетного двигателя удастся сделать площадь каждого контакта 1 квадратный дециметр, толщину стенки теплопередачи 1 сантиметр, и передачу тепла 1000 Джоулей в течении 1 секунды. Тепловой напор на таком тепловом контакте будет около 3 Кельвин. Это в случае: что все нагревающее тело расположено в непосредственной близости от контакта нагрева, контакт идеален, все охлаждающее тело тоже расположено в непосредственной близости от поверхности контакта. Если рассмотреть циркуляцию тепловой энергии, то она минимум проходит 2 тепловых контакта, также изменение температуры рабочего тела в диапазоне, при котором упомянутое тело способно к совершению механической работы. Тепловой насос при разнице температур 13 кельвин, перекачивая 1000 Джоулей, расходует более 50 Джоулей, без учета потерь на трение. Рабочему телу требуется передача тепловой энергии во много раз больше полезной работы. (По моим подсчетам при нагревании на 7 Кельвин не более 3% тепловой энергии расходуется на работу). Потери энергии для перекачивания тепла от одного блока к другому будут сравнимы с полезной работой. В результате эффективность такого двигателя крайне мала.
раскрытие полезной модели
В полезной модели используется свойство жидкости расширяться при нагревании, преодолевая большие давления. В двигателе нагретая жидкость, увеличиваясь в объеме, будет производить полезную работу. При остывании жидкость уменьшается в объеме, не производя и не используя какой либо значимой работы. Для нагревания и охлаждения, используется свойство жидкости испаряться и конденсироваться. Как известно, давление насыщенного пара при определенной температуре постоянно. При увеличении давления пар превращается в жидкость с выделением тепла. При уменьшении давления жидкость превращается в пар с поглощением тепла. При уменьшении объема растет давление, происходит конденсация с выделением тепла. При уменьшении объема, давление понижается, происходит испарение с охлаждением. В новом двигателе изменение объема вызвано движением поршня накачки. Объемы подкамер наполненных насыщенным паром и жидкостью
изменяются, вследствие чего происходит конденсация и нагрев, затем испарение и охлаждение. Подкамеры имеют постоянный тепловой контакт с камерами. Подкамеры и камеры и образуют единые узлы имеющую общую теплоемкость. Жидкость в камерах при нагревании расширяется, толкая рабочий поршень и производя полезную работу. При охлаждении сжимается, не мешая рабочему поршню, вернутся на место. Поршень накачки приводится в движение коленчатым валом. Почти в каждый момент времени по разные стороны поршня будут разные давления. Перепад давления будет то по ходу движения поршня накачки то против. Если бы система в каждый момент времени мгновенно приходила в состояние термодинамического равновесия, тогда суммарная работа поршня накачки за один такт равнялась бы 0. Но нагрев жидкости в камере не будет происходить мгновенно. В результате чего во время вращения, термодинамического равновесия в системе не будет. И суммарная работа поршня накачки будет больше 0. Уменьшить затраты на движение поршня накачки можно, увеличив теплопередачу от подкамеры к камере, уменьшив скорость. При уменьшении скорости вращения затраты на движение поршня уменьшается и стремится к 0, за один такт. Полезная работа за один такт практически постоянна и не зависит от времени.
Во время нагрева жидкость производит полезную работу, толкая рабочий поршень. Часть тепловой энергии конденсации расходуется на эту полезную работу, вторая большая часть идет на нагрев узла. При конденсации не вся тепловая энергия идет на нагрев узла. Во время испарения жидкости происходит охлаждение узла. Охлаждение узла будет происходить на величину тепловой энергии парообразования. За один такт конденсации и испарения, при одинаковых давлениях насыщенного пара и при одинаковом объеме подкамеры до и после, узел больше остынет, чем нагреется на величину полезной работы. Для поддержания нужной температуры в камерах и подкамерах нужен внешний источник тепла.
Технический результат: При использовании таких жидкостей как жидкий азот, расчетная температура в камерах и подкамерах очень низка, поэтому новый двигатель может работать практически от любого источника тепла. В новом двигателе большая часть тепла от внешнего источника идет на получение полезной работы, следовательно он имеет больший КПД.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлены.
Фиг.1 ДВПТ, продольный разрез.
Фиг.2 Схема, иллюстрирующая положения конструктивных элементов двигателя в течение одного оборота.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 показан разрез двигателя. В корпусе расположены камеры 1 с жидкостью. В каждой камере есть цилиндр с рабочим поршнем 2. Поршни через шатуны связаны с коленчатым валом 3. Работа при расширении жидкости передается через поршни и шатуны на коленчатый вал. С камерами неразрывно связанны изолированные подкамеры 4. Площадь стенки через которую может переходить теплопередача в новом двигателе можно сделать сколь угодно большой, увеличивая тем самым теплопередачу. Объем подкамер изменяется за счет движения поршня накачки 5. При изменении объема изменяется давление и происходит конденсация с выделением тепла или испарение с поглощением тепла. Поршень накачки приводится в движение коленчатым валом 6, который вращается с той же угловой скоростью, что и вал 3
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая положения элементов двигателя в течение одного оборота. Узлы обозначены буквами А и В, каждый содержит камеру и подкамеру. Коленчатый вал, приводящий в движение поршень накачки, не показан.
t1: В камере В температура и объем жидкости максимальны. В камере А температура и объем жидкости минимальны. Давление в подкамере В больше чем давление в подкамере А. Поршень накачки двигается из подкамеры В в А. Перепад давления помогает поршню двигаться.
t2: Поршень накачки двигается из подкамеры В в А. В подкамере В уменьшается давление происходит испарение и охлаждение. Жидкость в камере также охлаждается, ее объем уменьшается. Жидкость не мешает рабочему поршню входить в цилиндр. В подкамере А повышается давление происходит конденсация и нагрев. Жидкость в камере нагревается, увеличиваясь в объеме, она толкает рабочий поршень, совершая полезную работу. Давление в подкамере В больше чем давление в подкамере А. Перепад давления помогает поршню накачки двигаться.
t3: Поршень накачки двигается из подкамеры В в А. В подкамере В уменьшается давление происходит испарение и охлаждение. Жидкость в камере также охлаждается, ее объем уменьшается. Жидкость не мешает рабочему поршню входить в цилиндр. В подкамере А повышается давление происходит конденсация и нагрев. Жидкость в камере нагревается, увеличиваясь в объеме, она толкает рабочий поршень, совершая полезную работу. Давление в подкамере В меньше чем давление в подкамере А. Перепад давления теперь мешает поршню накачки двигаться.
t4: Поршень накачки дошел до крайней точки и теперь двигается из подкамеры А в В. В подкамере В давление достигло минимума и уже начинает расти. Температура и объем жидкости минимальны. В подкамере А давление достигло максимума и начинает понижаться. Температура и объем жидкости максимальны. До этого момента жидкость увеличивалась в объеме, и толкала рабочий поршень, совершая полезную работу. Давление в подкамере В меньше чем давление в подкамере А. До крайней точки пока поршень накачки двигался из подкамеры В в А перепад давления мешал поршню. В момент, показанный на рисунке, поршень накачки уже двигается в другую сторону, перепад давления помогает поршню.
t5: Поршень накачки двигается из подкамеры А в В. В подкамере А уменьшается давление происходит испарение и охлаждение. Жидкость в камере охлаждается, ее объем уменьшается. Жидкость не мешает рабочему поршню входить в цилиндр. В подкамере В повышается давление происходит конденсация и нагрев. Жидкость в камере нагревается, увеличиваясь в объеме, она толкает рабочий поршень, совершая полезную работу. Давление в подкамере А больше чем давление в подкамере В. Перепад давления помогает поршню накачки двигаться.
t6: Поршень накачки двигается из подкамеры А в В. В подкамере А уменьшается давление происходит испарение и охлаждение. Жидкость в камере также охлаждается, ее объем уменьшается. Жидкость не мешает рабочему поршню входить в цилиндр. В подкамере В повышается давление происходит конденсация и нагрев. Жидкость в камере нагревается, увеличиваясь в объеме, она толкает рабочий поршень, совершая полезную работу. Давление в подкамере В больше чем давление в подкамере А. Перепад давления мешает поршню накачки двигаться. Следующий момент соответствует положению t1.
Из схемы видно, что перепад давления в подкамерах в разные моменты времени мешает и помогает поршню накачки двигаться. Общие затраты на движение поршня прямо зависят от скорости нагрева и охлаждения узла, и от скорости вращения. Также стоит учитывать силу трения при движении поршней.
Двигатель с внешним подводом теплоты, характеризующийся тем, что производит работу за счет теплового расширения жидкости, находящейся в изолированных камерах, в каждой из которых установлен цилиндр с рабочим поршнем, который через шатун связан с коленчатым валом рабочего поршня, при этом нагрев и охлаждение камер происходит от неразрывно соединенных с ними изолированных подкамер, в каждой из которых установлен поршень накачки, приводимый в движение коленчатым валом поршня, который вращается с той же частотой, что и коленчатый вал рабочего поршня.
