Двигатель с внешним подводом тепла
Полезная модель относится к роторным двигателям с замкнутым циклом, использующимся в энергомашиностроении, в частности в автономных энергетических установках. Двигатель с внешним подводом тепла содержит цилиндр, ротор с пластинами, установленный в цилиндре эксцентрично и образующий в нем камеры переменных объемов, встроенный холодильник, подключенный к области сжатия, и внешний теплообменный аппарат, в котором теплообменная поверхность и камера сгорания объединены в едином теплоизолированном с внутренней стороны корпусе. Двигатель выполнен с возможностью вывода рабочего тела из рабочего объема в теплообменный аппарат, что позволяет увеличить поверхность теплообмена до необходимых размеров и создать противоточный теплообмен. Теплообменный аппарат подключен к полости цилиндра в области конца сжатия через систему невозвратных клапанов и в области начала расширения. Техническим результатом предлагаемого двигателя является повышение КПД за счет улучшения теплообмена между рабочим телом и подводимым теплом и снижения потерь тепла.
Полезная модель относится к энергомашиностроению в частности к двигателям с замкнутым циклом и может использоваться в автономных энергетических установках.
Известны роторные газовые двигатели с внешним подводом тепла, работающие по замкнутому циклу за счет расширения рабочего тела, содержащие статор, ротор, нагреватель и холодильник (патенты RU 2132476 С1, SU 1836579 A3). Рабочее тело таких двигателей нагревается во внешнем нагревателе, при этом теплота расширяющегося газа превращается в механическую работу вращающегося ротора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому двигателю является двигатель с внешним подводом тепла (патент SU 1836579 A3 F02G 1/04), содержащий цилиндр с внешним оребрением в области конца сжатия и начала расширения рабочего тела, обеспечивающим подвод внешнего тепла к рабочему телу, ротор с пластинами, установленный в цилиндре эксцентрично и образующий в нем камеры переменных объемов, и встроенный холодильник, подключенный к области сжатия и охлаждаемый воздухом.
Недостатками указанного двигателя вследствие его конструктивных особенностей являются маленькая (особенно с внутренней стороны цилиндра) поверхность теплообмена между рабочим телом и внешним подводимым теплом, которая не обеспечивает необходимый противоточный теплообмен рабочего тела с подводимым теплом, а также недостаточный отвод тепла от сжимаемого рабочего тела при воздушном охлаждении встроенного холодильника.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективного КПД двигателя.
Для достижения данного результата конструктивно двигатель содержит цилиндр, ротор с пластинами, встроенный холодильник и теплообменный аппарат. Ротор установлен в цилиндре эксцентрично и образует в нем камеры переменных объемов. Холодильник подключен к области сжатия и снабжен патрубками для подвода и отвода охлаждающей среды. Согласно полезной модели, двигатель выполнен с возможностью вывода рабочего тела из рабочего объема в теплообменный аппарат. При этом теплообменная поверхность и камера сгорания объединены в едином корпусе, который имеет патрубок для отвода продуктов сгорания и теплоизолирован с внутренней стороны. Камера сгорания снабжена форсункой для подачи топлива и каналом для подвода воздуха. Теплообменный аппарат подключен к полости цилиндра в области конца сжатия через систему невозвратных клапанов и в области начала расширения.
Указанный технический результат достигается тем, что к рабочей полости цилиндра подключается внешний теплообменный аппарата, позволяющий увеличить поверхность теплообмена до необходимых размеров и создать противоточный теплообмен, что в совокупности значительно улучшает теплообмен между рабочим телом и подводимым теплом. Во-вторых, выполнение теплообменного аппарата со встроенной в корпус камерой сгорания и теплоизоляция его корпуса с внутренней стороны позволяет снизить потери тепла в окружающую среду. Кроме того, применение водяного охлаждения и схема расположения подводящих и отводящих патрубков холодильника улучшает отвод тепла, особенно в начальной стадии сжатия.
На Фиг.1 показан поперечный разрез предлагаемого двигателя. Двигатель состоит из корпуса в виде цилиндра 1 с крышками (не показаны), внутри которого эксцентрично установлен ротор 2 с рабочими пластинами 3, образующими камеры переменных объемов А, В, С, D в области сжатия и Е, Н, G, F в области расширения, встроенного холодильника 4, подключенного к области сжатия и внешнего трубчатого теплообменного аппарата 5, каждая трубка 6 которого подключена к цилиндру 1, одним концом в области конца сжатия (камера D) а другим концом в области начала расширения (камера Е). В месте подключения трубок 6 к цилиндру 1 в области конца сжатия установлены невозвратные клапана 7. Корпус теплообменного аппарат 5 с внутренней стороны теплоизолирован керамическим 8 и теплоизоляционным 9 материалами. В нижней части теплообменного аппарата 5 встроена камера сгорания 10 с форсункой 11, подающей топливо, и каналом 12, подводящим воздух, в верхней части теплообменного аппарата расположен патрубок 13 отводящий продукты сгорания. Цилиндр 1 в области расширения покрыт теплоизоляционным материалом 14. Встроенный холодильник 4 охлаждается водой, которая подводится в нижней его части в области конца расширения патрубком 15 и отводится в области конца сжатия патрубком 16.
Работа двигателя осуществляется следующим образом. При вращении ротора 2 с пластинами 3 рабочее тело (в момент времени, изображенный на Фиг.1), находящееся в перемещающихся камерах переменных объемов А, В, С, D сжимается и, одновременно, интенсивно охлаждается встроенным холодильником 4. После прохождения передней пластины 3 камеры сжатия D места подключения трубок 6 к цилиндру 1 давление в камере сначала меньше давления в трубках 6 теплообменного аппарата 5, и клапана 7 закрыты. При дальнейшем движении камеры давление в ней превышает давление в трубках 6 теплообменного аппарата 5, и клапана 7 открываются. Рабочее тело начинает вытесняться из камеры D в камеру Е по трубкам 6 через теплообменный аппарат 5, где нагревается, повышая свою температуру и давление. Это происходит до тех пор, пока следующая пластина 3 не отсечет камеру D от трубок 6, соединив их со следующей камерой С, где процесс повторяется. В области расширения при вращении ротора 2 камеры переменных объемов, поочередно, попадая в область начала расширения (на Фиг.1 камера Е) с подключенными (другим концом) трубками 6 теплообменного аппарата 5 заполняются рабочим телом с высокой температурой и давлением, где начинается процесс расширения. При дальнейшем вращении ротора контакт камеры с трубками 6 прекращается и в ней происходит дальнейший процесс расширения рабочего тела. Затем процесс повторяется в следующей камере.
Анализ известных технических решений в данной области не выявил конструкций двигателей с внешним подводом тепла, с указанными особенностями преимущественных и отличительных признаков.
Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий цилиндр, ротор с пластинами, установленный в цилиндре эксцентрично и образующий в нем камеры переменных объемов, встроенный холодильник, подключенный к области сжатия, снабженный патрубками для подвода и отвода охлаждающей среды, теплообменный аппарат с патрубком для отвода продуктов сгорания, расположенный в области минимальных рабочих объемов, камеру сгорания, снабженную форсункой для подачи топлива и каналом для подвода воздуха, отличающийся тем, что двигатель выполнен с возможностью вывода рабочего тела из рабочего объема во внешний теплообменный аппарат, содержащий теплообменную поверхность и встроенную в корпус теплообменного аппарата камеру сгорания, упомянутый теплообменный аппарат подключен к полости цилиндра в области конца сжатия через систему невозвратных клапанов и в области начала расширения, при этом корпус теплообменного аппарата теплоизолирован с внутренней стороны.
