RU2326256C2

RU2326256C2 - Heat machine "ilo" employing stirling closed cycle

Info

Publication number: RU2326256C2
Application number: RU2006140531/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Воронин (RU); Александр Васильевич Воронин
Original assignee: Александр Васильевич Воронин
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-06-10
Also published as: RU2006140531A

Abstract

FIELD: mechanic engineering.

SUBSTANCE: invention is related to mechanic engineering and can be used to convert thermal energy into mechanical work. The invention can be widely used in transport and power industry using, for example geothermal sources, solar power and residual heat of internal combustion engines. Heat machine includes regenerator between cold and hot zones and no less than two closed spaces to displace working medium. Closed spaces are mechanically interconnected by their variable volumes and located in hot zone. No less than two coolers are positioned in cold zone. Coolers with equal and constant volumes are linked with reducing volumes of closed spaces in hot zone by means of parallel gas lines. Expanding volumes are interconnected by gas line. When maximum value is achieved, closed space is linked with the smallest reducing volume joined with all coolers through one of coolers to be replaced each cycle. Reducing space is then isolated before its minimum volume is achieved.

EFFECT: simplification of heat machine structure; improvement of weight and size indicators with simultaneous increase of efficiency factor; problem of fast working medium cooling is solved.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано для преобразования тепловой энергии в механическую работу и может найти широкое применение во многих областях техники, на транспорте и в энергетике, используя, например, геотермальные источники, солнечную энергию, остаточное тепло двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, can be used to convert thermal energy into mechanical work and can find wide application in many fields of technology, transport and energy, using, for example, geothermal sources, solar energy, residual heat of internal combustion engines.

Известны двигатели и тепловые машины, работающие по замкнутому циклу Стирлинга, например способ работы двигателя внешнего сгорания, заключающийся в сжатии газообразного рабочего тела в компрессорном цилиндре, перепуске его в нагреватель, снабженный камерой сгорания, подаче нагретого рабочего тела из нагревателя в рабочий цилиндр, преобразовании в последнем энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя и установлении при этом начала подачи рабочего тела в рабочий цилиндр при положении его поршня в ВМТ, причем газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в холодильнике-конденсаторе (Х-К), сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель. (Способ работы двигателя внешнего сгорания и двигатель внешнего сгорания, патент № RU 2022147, F02G 1/00)Known engines and heat engines operating on a closed Stirling cycle, for example, a method of operating an external combustion engine, which consists in compressing a gaseous working fluid in a compressor cylinder, transferring it to a heater equipped with a combustion chamber, supplying a heated working fluid from the heater to the working cylinder, converting to the last energy of the expanded working fluid in the rotational energy of the output shaft of the engine and the establishment of the supply of the working fluid to the working cylinder with its piston position I am at TDC, and the gaseous working fluid is isothermally compressed, the heat generated by the compression of the working fluid is used to evaporate water in the compressor cylinder, the expanding working fluid in the working cylinder is heated by the combustion products generated in the heater, and the expanded working fluid is cooled to condense the water vapor in condenser refrigerator (HK), condensed water is directed to evaporation in the compressor cylinder, and before the expanded working fluid is fed into the HK, it is cooled in surface heat exchangers by means of a two-stage heat removal, first to the working fluid leaving the compressor cylinder, and then to the oxidizer supplied to the heater for combustion. (Способ работы работы F F F F F F F F F F F F02G 1/00)

Известен способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла, включающий испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, причем расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения. В тепловом двигателе по этому способу, содержащем паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых регенераторов, расширительная машина имеет цилиндропоршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом, и дополнительного регенератора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос. (Способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла и двигатель для его осуществления, патент № RU 2082895, F02G 1/00, F01K 3/02).A known method of operation of a heat engine with an external heat supply, including evaporative expansion of the working fluid at maximum pressure, steam overheating to maximum temperature, steam expansion with selection of work and pressure drop to minimum, regenerative cooling of steam, condensation compression into a liquid with heat removal, increase the pressure of the obtained liquid and its regenerative heating, and the expansion of the steam with the selection of work is carried out isothermally by supplying external heat, and the evaporative expansion of la and overheating of its steam is carried out due to regenerative heating, while the maximum pressure is brought to a supercritical value. In a heat engine according to this method, comprising a steam boiler, an external heat source, an expansion machine, a condenser cooler, a booster liquid pump and a system of heat regenerators, the expansion machine has a piston-cylinder structure configured to supply heat to the cylinder from an external source, the steam boiler is made in the form of a steam receiver, and the system of thermal regenerators consists of two parts of the main regenerator connected between the cylinder and the boiler, and an additional regenerator with two flow circuits, one of which is connected between the main regenerator and the condenser-refrigerator through an exhaust valve, and the second between the condenser-refrigerator and the boiler through a booster liquid pump. (The method of operation of a heat engine with an external supply of heat).

Известен двигатель Стирлинга с газообразным рабочим телом, в котором осуществляется замкнутый рабочий цикл, содержащий рабочую и насосную камеры, нагреватель и холодильник, а также связывающие их между собой газовые магистрали. (Ридер Г., Хупер Ч. - Двигатели Стирлинга, Пер. с англ. М.: Мир.,1986)A well-known Stirling engine with a gaseous working fluid, in which a closed duty cycle is carried out, comprising a working and pump chambers, a heater and a refrigerator, as well as gas lines connecting them together. (Reader G., Hooper C. - Stirling Engines, Trans. From English M.: Mir., 1986)

Наиболее близкой к заявляемой является тепловая машина, включающая кольцеобразный статор, имеющий внутри ротор, высокотемпературную и низкотемпературную камеры. Каждая из указанных камер включает впускное отверстие для впуска рабочего тела в камеру и выходное отверстие для выпуска рабочего тела. Высокотемпературная камера имеет больший объем, чем низкотемпературная камера. Ротор снабжен лопастями, установленными на пружинах, которые находятся в скользящем контакте с поверхностью статора. Изменяя эксцентриситет ротора в пределах камеры ротора можно изменять относительные объемы высокотемпературных и низкотемпературных камер, что позволяет оптимизировать работу тепловой машины при изменениях температуры. (Патент США №4357800)Closest to the claimed one is a heat engine including an annular stator having a rotor inside, a high-temperature and a low-temperature chamber. Each of these chambers includes an inlet for inlet of the working fluid into the chamber and an outlet for discharging the working fluid. The high temperature chamber has a larger volume than the low temperature chamber. The rotor is equipped with blades mounted on springs, which are in sliding contact with the surface of the stator. By changing the eccentricity of the rotor within the rotor chamber, the relative volumes of high-temperature and low-temperature chambers can be changed, which allows optimizing the operation of the heat engine with temperature changes. (US Patent No. 4357800)

К недостаткам указанных тепловых машин можно отнести сложность конструкции, большую материалоемкость, присутствие механического вытеснителя либо его механического аналога, а также проблемы с быстрым охлаждением рабочего тела.The disadvantages of these heat engines include design complexity, high material consumption, the presence of a mechanical displacer or its mechanical counterpart, as well as problems with rapid cooling of the working fluid.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции тепловой машины, улучшение массогабаритных показателей с одновременным увеличением КПД и устранение проблемы быстрого охлаждения отработавшего цикл рабочего тела.The problem to which the present invention is directed, is to simplify the design of the heat engine, improve overall dimensions with a simultaneous increase in efficiency and eliminate the problem of rapid cooling of the spent working fluid cycle.

Поставленная задача решается тем, что в тепловой машине, содержащей регенератор между холодной и горячей зонами и не менее двух замкнутых пространств для размещения рабочего тела, механически связанных своими изменяющимися объемами. Эти замкнутые пространства размещены в горячей зоне, а в холодной не менее двух охладителей с равными и постоянными объемами, параллельно соединенных газовыми магистралями с уменьшающимися объемами замкнутых пространств горячей зоны, при этом увеличивающиеся объемы газовой магистралью связаны между собой. При достижении максимальной величины замкнутое пространство через один из охладителей, сменяющихся в каждом цикле, соединено с наименьшим из уменьшающихся объемов замкнутых пространств, соединенным со всеми охладителями, с последующей изоляцией этого уменьшающегося пространства до достижения им минимального объема.The problem is solved in that in a heat engine containing a regenerator between cold and hot zones and at least two enclosed spaces for accommodating a working fluid mechanically connected by its changing volumes. These enclosed spaces are located in the hot zone, and in the cold at least two coolers with equal and constant volumes, connected in parallel by gas lines with decreasing volumes of closed spaces in the hot zone, while the increasing volumes of the gas line are interconnected. When the maximum value is reached, the enclosed space through one of the coolers changing in each cycle is connected to the smallest of the decreasing volumes of the enclosed spaces connected to all coolers, with the subsequent isolation of this decreasing space until it reaches the minimum volume.

Заявляемая тепловая машина может быть реализована в различных модификациях, например, в виде роторных пластинчатых машин с различным количеством охладителей.The inventive heat engine can be implemented in various modifications, for example, in the form of rotary vane machines with a different number of coolers.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено перемещение рабочего тела в точке максимального объема замкнутого пространства роторной тепловой машины с тремя пластинами, таким же количеством замкнутых пространств и охладителей, на фиг.2 показано соединение охладителей с горячей зоной заявляемой машины до и после точки максимального объема, на фиг.3 - вид сверху, как один из вариантов исполнения тепловой машины, имеющей четыре пластины, четыре замкнутых пространства и два охладителя, на фиг.4 - вид сбоку тепловой машины изображенной на фиг.3, где видно разделение газовых магистралей на два охладителя.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the movement of a working fluid at a point of maximum volume of an enclosed space of a rotary heat engine with three plates, the same number of enclosed spaces and coolers, Fig. 2 shows the connection of coolers with the hot zone of the inventive machine before and after the point maximum volume, figure 3 is a top view, as one of the variants of the heat engine having four plates, four enclosed spaces and two coolers, figure 4 is a side view of the heat engine image ennoy in Figure 3, which illustrates the separation of the two gas lines for coolant.

Роторная тепловая машина содержит цилиндрический полый статор 1, ротор 2 в виде тела вращения со свободно перемещающимися в нем пластинами и газовыми каналами 4, которые образуют изменяющиеся замкнутые пространства 3, регенератор 5, охладители 6, газовые магистрали 7 и место их присоединения к боковым поверхностям статора 8.The rotary heat engine contains a cylindrical hollow stator 1, a rotor 2 in the form of a body of revolution with plates and gas channels 4 freely moving in it, which form variable enclosed spaces 3, a regenerator 5, coolers 6, gas lines 7 and the place of their attachment to the side surfaces of the stator 8.

В основе описываемой конструкции тепловой машины лежит принцип разделения на горячую и холодную рабочие зоны и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной в другую. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей.The described design of the heat engine is based on the principle of separation into hot and cold working zones and the way in which the working fluid is directed from one to another. Therefore, to create the necessary gas flows, a change in the physical volumes of hot and cold working cavities is used.

Выбор рабочего тела зависит исключительно от конструкции и назначения тепловой машины, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция тепловой машины оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Так, для тепловой машины, представленной на фиг.1, 2, оптимальным является использование в качестве рабочего тела насыщенных паров с жидкой фазой, например фреонов. А для тепловой машины, представленной на фиг. 3, 4, предпочтительно использование в качестве рабочего тела газов, например водорода или гелия.The choice of the working fluid depends solely on the design and purpose of the heat engine, since the same efficiency can be obtained without regard to the working fluid, provided that the design of the thermal machine is optimal with respect to the selected working fluid. So, for the heat engine, shown in figure 1, 2, it is optimal to use as a working fluid saturated vapors with a liquid phase, such as freons. And for the heat engine shown in FIG. 3, 4, it is preferable to use gases, for example hydrogen or helium, as a working fluid.

Заявляемая тепловая машина работает следующим образом. После раскручивания ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к внутренней образующей цилиндра статора, и при подведении тепловой энергии замкнутое пространство 3, образованное частью статора 1, ротора 2 и пластинами, начинает увеличиваться за счет роста давления и расширения размещенного в нем рабочего тела. При достижении одним из замкнутых пространств максимальной величины размещенное в нем горячее рабочее тело, имеющее остаточное высокое давление, перемещается в один из охладителей 6, вытесняя, в свою очередь, находящееся в нем холодное рабочее тело. В данном случае оно и выполняет функцию механического вытеснителя.The inventive heat engine operates as follows. After the rotor is untwisted, the plates are pressed against the inner generatrix of the stator cylinder by the action of centrifugal force, and when thermal energy is applied, the enclosed space 3 formed by the part of the stator 1, rotor 2 and plates begins to increase due to the increase in pressure and expansion of the working fluid located in it. When one of the enclosed spaces reaches its maximum value, the hot working fluid located in it, having a residual high pressure, moves to one of the coolers 6, displacing, in turn, the cold working fluid located in it. In this case, it performs the function of a mechanical displacer.

Так как в устройстве машины предусмотрено подключение наименьшего из уменьшающихся объема замкнутого пространства ко всем охладителям 6, вытесненное холодное рабочее тело вытесняет горячее рабочее тело из замкнутого пространства наименьшего объема, которое распределяется по остальным охладителям 6 за счет разницы давлений между замкнутым пространством максимального объема и охладителями 6. Замещение рабочего тела происходит по цепочке: замкнутое пространство максимального объема - охладитель - замкнутое пространство наименьшего объема - остальные охладители.Since the device of the machine provides the connection of the smallest decreasing volume of the enclosed space to all coolers 6, the displaced cold working fluid displaces the hot working fluid from the enclosed space of the smallest volume, which is distributed among the other coolers 6 due to the pressure difference between the enclosed space of the maximum volume and coolers 6 The replacement of the working fluid occurs along the chain: closed space of maximum volume - cooler - closed space of the smallest volume EMA - other coolers.

Далее холодное рабочее тело, поступившее в наименьшее замкнутое пространство, изолируется в нем, сжимается и разогревается. Под действием приложенной тепловой энергии происходит увеличение давления. Замкнутое пространство максимального объема, в это время, подключается ко всем охладителям 6 и в нем происходит падение давления. Вследствие чего объем максимального замкнутого пространства уменьшается, а минимального увеличивается. Цикл повторяется с выбросом горячего рабочего тела в следующий охладитель.Next, the cold working fluid, which entered the smallest enclosed space, is isolated in it, compressed and heated. Under the influence of the applied thermal energy, an increase in pressure occurs. An enclosed space of maximum volume, at this time, is connected to all coolers 6 and a pressure drop occurs in it. As a result, the volume of the maximum enclosed space decreases, and the minimum increases. The cycle is repeated with the release of the hot working fluid into the next cooler.

Заявляемая тепловая машина обеспечивает высокую эффективность использования замкнутого цикла с хорошо реализуемыми на практике процессами за счет устранения механических промежуточных устройств в передаче рабочего тела, использованного в одном процессе для работы в другом. Таким образом, реализуя заявляемое изобретение можно получить тепловую машину с высокими эксплуатационными параметрами.The inventive heat engine provides high efficiency of using a closed cycle with well-implemented processes in practice by eliminating mechanical intermediate devices in the transfer of the working fluid used in one process to work in another. Thus, realizing the claimed invention, it is possible to obtain a heat engine with high operational parameters.

Claims

A heat engine containing a regenerator between cold and hot zones and at least two closed spaces for accommodating a working fluid mechanically connected by its changing volumes, characterized in that these closed spaces are located in the hot zone, and in the cold at least two coolers with equal and constant volumes parallel connected by gas lines with decreasing volumes of enclosed spaces of the hot zone, while increasing volumes of the gas line are interconnected when reaching m The maximum value of the closed space through one of the coolers, changing in each cycle, is connected to the smallest of the decreasing volumes of the closed spaces connected to all coolers, with the subsequent isolation of this decreasing space until it reaches the minimum volume.