Тепловая машина

Использование: двигателестроение, холодильная техника, теплонасосные устройства.

Тепловая машина содержит полости сжатия и расширения, в каждой полости расположено по паре роторов, соединенных общим валом, трубопроводы, нагреватель, охладитель, теплообменник. Полости сжатия и расширения расположены соосно, роторы выполнены овальной формы, катящихся друг по другу без проскальзования, насаженные на параллельные валы, при этом L₁>L₂, где L₁ - длина роторов полости сжатия, L₂ - длина роторов полости расширения, между полостями сжатия и расширения расположена зубчатая передача из овальных зубчатых колес овальной формы, связывающая валы. упрощение конструкции, снижение весогабаритных характеристик и тепловых потерь. Достоинством данной тепловой машины являются простота конструкции, малые тепловые потери и небольшие габариты.

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к энергетическим установкам с внешним подводом тепла и может быть использовано в качестве автономной энергоустановки для стационарных и мобильных объектов с любыми источниками нагревания, а также в холодильной технике и теплонасосных устройствах.

Известна тепловая машина, работающая по замкнутому циклу, например двигатель с внешним подводом тепла (ДВПТ), схема которого приведена в учебнике «Двигатели внутреннего сгорания», т.1 стр.12, Москва, «Высшая школа», 1995 г, в котором рабочее тело, например вода, циркулирует по замкнутому контуру, переходя из одного агрегатного состояния в другое в парогенераторе и конденсаторе.

Основным недостатком приведенного ДВПТ является разделение конструкции преобразователя давления пара в механическую работу (в приведенной схеме турбины) и питательного насоса, возвращающего воду в парогенератор, а также отсутствие теплообменника между выходом из турбины и выходом из насоса. Это, с одной стороны, усложняет конструкцию, а с другой снижает эффективность использования подводимой теплоты по сравнению с возможной в случае реализации циркулирования рабочего тела при температурах, превышающих температуру фазового перехода жидкости в пар, например при использовании в качестве рабочего тела аммиака.

Наиболее близким по технической сущности является двигатель с внешним подводом теплоты (патент 2075618, МПК F02G 1/04, опубл. 20.03.1997 г.) содержащее пару роторов, соединенных общим валом. Роторы выполнены в виде обыкновенных цилиндрических шестерен с зубьями эвольвентного профиля, находящихся в зацеплении. Рабочие камеры сообщаются трубопроводами, проходящими через теплообменник. Один теплообменник снабжен охладителем, а другой нагревателем.

Недостатком прототипа является сложная конструкция, большие габариты и невысокая эффективность.

В основу полезной модели поставлена задача - упрощение конструкции, снижение весогабаритных характеристик и тепловых потерь.

Данная задача решается за счет того, что в тепловой машине, содержащей полости сжатия и расширения, в каждой полости расположено по паре роторов, соединенных общим валом, трубопроводы, нагреватель, охладитель, теплообменник, согласно полезной модели, полости сжатия и расширения расположены соосно, роторы выполнены овальной формы, катящихся друг по другу без проскальзования, насаженные на параллельные валы, при этом L₁>L₂, где L₁ - длина роторов полости сжатия, L₂ - длина роторов полости расширения, между полостями сжатия и расширения расположена зубчатая передача из овальных зубчатых колес овальной формы, связывающая валы.

Вследствие того, что длина некруглых роторов в «горячей» объемной машине больше, чем длина некруглых роторов в «холодной» объемной машине, на выходном валу создается однонаправленный крутящий момент, повышающий эффективность тепловой машины.

Достоинствами такой схемы являются простота конструкции, отсутствие клапанов и «мертвых точек» в цикле

Тепловая машина представлена на схеме.

Двигатель состоит из следующих основных частей.

В корпусе 1 на валах 2, из которых, например, нижний является выходным валом двигателя, связанных между собой через передачу, составленную из некруглых зубчатых колес 3, попарно расположены овальные роторы 4 длиной вдоль оси L₁ и имеющие одинаковые с роторами 4 размеры в поперечном сечении роторы 5 с длиной вдоль оси L ₂, меньшей, чем L₁. Овальные роторы 4 и 5 отсекают в корпусе 1 соответствующие пары объемов, последовательно соединенные магистралями 6 и 7, на которых расположены теплообменник 8, охладитель 9 и нагреватель 10, причем выход из нагревателя 10 через роторы 4 и магистраль 6 соединен со входом в охладитель 9, а выход из охладителя 9 через роторы 5 и магистраль 7 соединен со входом в нагреватель 10.

Работает двигатель следующим образом.

При нагревании рабочего тела в нагревателе 10 происходит увеличение его объема и повышение давления по магистрали 7 на роторы 4 и 5, и на валах 2 создаются крутящие моменты, направленные навстречу друг другу. Поскольку длина L₁ роторов 4 больше, чем длина L₂ роторов 5, то и крутящий момент на них, направленный против часовой стрелки, будет больше, чем на роторах 5, и выходной вал повернется против часовой стрелки, как показано на схеме. При вращении роторов 4 отсекаемые ими порции «горячего» рабочего тела по магистрали 6, проходя через теплообменник 8, где отдают часть тепла рабочему телу в магистрали 7, перемещаются в охладитель 9, после которого уменьшившееся в объеме «холодное» рабочее тело роторами 5 по магистрали 7, преодолевая сопротивление «горячего» рабочего тела, перемещается опять в нагреватель 10 и цикл повторяется.

Работа холодильных машин происходит по обратному циклу.

При работе тепловой машины, например в режиме двигателя с внешним подводом тепла, циркулирование рабочего тела по магистрали и преобразование давления рабочего тела во вращение выходного вала двигателя реализуется за счет того, что длина некруглых роторов вдоль оси вращения и, соответственно, величина создаваемого на них давление рабочего тела крутящего момента в «горячей» камере, расположенной на участке магистрали между выходом из теплообменника, нагревающего рабочее тело и входом в теплообменник, охлаждающий рабочее тело больше, чем длина роторов и обратный крутящий момент в холодной «холодной» камере, расположенной на участке магистрали между выходом из теплообменника, охлаждающего рабочее тело и входом в теплообменник, нагревающий рабочее тело, а для повышения эффективности использования подводимого тепла т.е. к.п.д. двигателя на участках магистрали между выходом из «горячей» камеры и выходом из «холодной» камеры установлен теплообменник.

Тепловая машина, содержащая полости сжатия и расширения, в каждой полости расположено по паре роторов, соединенных общим валом, трубопроводы, нагреватель, охладитель, теплообменник, отличающаяся тем, что полости сжатия и расширения расположены соосно, роторы выполнены овальной формы, катящихся друг по другу без проскальзования, насаженные на параллельные валы, при этом L₁>L₂, где L₁ - длина роторов полости сжатия, L₂ - длина роторов полости расширения, между полостями сжатия и расширения расположена зубчатая передача из овальных зубчатых колес овальной формы, связывающая валы.