Двигун із зануреними роторами та рідинними поршнями

Винахід відноситься до перетворювачів теплової енергії і може бути використаний для приводу різних механізмів. Винахід дозволяє використовувати різні джерела теплової енергії, у тому числі низько потенціальні. Відомий двигун «Эриксона» який включає: жорстко зв'язані поршні циліндрів компресора і робочої камери, регенеративний теплообмінник, газорозподільні клапани, (див. М. Уокер «Машини працюючі по циклу Стерлінга», вид. Москва, «Енергія», 1978р.). Конструктивна особливість цього двигуна полягає в тім, що, діаметр поршня циліндра робочої камери більший від діаметра поршня компресора і при надлишковому однаковому тиску на поршень компресора і на поршень робочої камери відбувається їхнє парне переміщення у бік компресора за рахунок різниці площ. Недоліком двигуна «Эриксона» є низький ККД у наслідок не достатньої теплопровідності конструктивних елементів двигуна, що виражаються в надлишковій теплопровідності для одних елементів і недостатньої для інших елементів, що веде до теплових втрат, втрат теплової енергії внаслідок утворення «мертвих обсягів», втрат на тертя в елементах, що сполучаються, і недоліком ущільнення по шторках поршнів і клапанів. Відомий так само насос-компресор ротор, що включає, виконаний у ви гляді спірального багатозахідного гвинта з трубопроводів. Кожен крок-виток ротора містить порцію рідини, що працює як поршень і порцію стиснутого газу. (див. SU 1430611 А1. Бюл. №38 від 15.10.1988р.). Технічне завдання винаходу полягає в перетворенні теплової енергії, у тому числі низько потенційних джерел, у механічну. Поставлена задача досягається за допомогою створення двигуна з зануреними роторами і рідинними поршнями з відкритим циклом. Двигун із зануреними роторами і рідинними поршнями містить: компресор і турбіну з однаково виконаними роторами у вигляді спіральних багатозахідних гвинтів із тр убопроводів. Зазначені ротори похило і частково занурені в рідину так, що, їхні вер хні витки при обертанні періодично занурюються в рідину та повітря над зазначеною рідиною, при цьому в робочому стані вони мають плавучість близьку до нульової. Рідина в яку занурені ротори циркулює через теплообмінники, або відкриті водойми, а так само застосовується як рідинні поршні в роторах. На фіг.1 приведено принципову схему теплового двигуна з частково зануреними роторами і рідинними поршнями, де: 1 - корпус компресор (К); 2 - спіральний похило розташований багатозахідний ротор компресора; 3 - сепаратор компресора, що містить забірний пристрій газів; 4 - корпус турбіни (Т); 5 - спіральний багатозахідний похило розташований ротор турбіни; 6 - приймальний пристрій турбіни, що подає повітря в ротор; 7 - повітровод, з'єднуючий сепаратор (С) компресора і прийомний пристрій (6) турбіни; 8 - дренажі газоходу; 9 - магістраль циркуляції води компресора та турбіни; 10 - теплообмінники компресора і турбіни (перетворювач також може забирати воду з відкритої водойми); 11 - пусковий компресор (ПК); 12 - зрівняльна лінія; 13 - рекуперативний теплообмінник; 14 - 19- запірно-регулююча арматура. Двигун з частково зануреними роторами і рідинними поршнями працює таким чином: при нагнітанні повітря за допомогою пускового компресора 11 у газохід 7 при закритих вентилях 8, 12, 15, 16 і відкритих 14, 17, 18, 19 повітря надійде в турбіну 4 і викличе обертання ротора турбіни і кінематично зв'язаного з ним ротора компресора. Після продувки турбіни і її повітроводу 7 через вентиль 8, відкривається вентиль 15 і 12, чим забезпечується рівний гідростатичний тиск у камері 3 забірного пристрою компресора та камери 6 прийомного пристрою турбіни. Після вирівнювання тисків у компресорі і турбіні, здійснюється вихід теплового двигуна на режим із установленням циркуляції води через теплообмінники 10 чи ставки. Після зазначених операцій відключається пусковий компресор 11. При обертанні ротора компресора 2 повітря, захоплене його частково зануреними верхніми витками, переміщається вниз з наростанням тиску в сепаратор 3, далі стиснене повітря при постійному тиску переміщається повітровіду 7 через теплообмінник 13 у турбіну 4. У турбіні, аналогічної компресору, цикл протікає в зворотному порядку стосовно компресора, при цьому повітря викидається в атмосферу, так само через теплообмінник. Одержання теплової енергії, що приводить до зміни (збільшення) обсягу повітря після компресора, здійснюється у рекуперативному теплообміннику 13, через який повітря проходить після турбіни; на вході в турбіну при контакті з рідиною, в який занурений її ротор, при контакті з рідкими поршнями-у витках гвинтових спіралей. Температура рідини, в який занурені ротори і температура рідких поршнів (відвід і підведення теплової енергії) підтримується при обміні рідини з відкритими водоймами чи при циркуляції через теплообмінники і т.д. Робочий цикл включає: 1. Стиск при одночасному охолодженні повітря забирається з атмосфери в компресорі 1 і далі його витиснення в турбіну 4. Відвід тепла від стиснутого повітря в турбіні відбувається за рахунок теплопередачі теплової енергії від повітря рідким поршням. З урахуванням кількості стиснутого повітря і рідких поршнів близьким 1/1000 і відносно не великому стиску - процес стиску близький до ізотермічного (див. діаграму 1-2). На вході в перші витки ротора компресора 1 відбувається вирівнювання температур між повітрям, що забирається з атмосфери і рідкими поршнями компресора. Температура зовнішнього повітря може бути вище і нижче температури рідких поршнів компресора, тому що у робочому циклі практичного навантаження не несе і при розрахунках може бути упущена. 2. Нагрівання і як наслідок розширення повітря при проході через теплообмінник і далі на вході в турбіну, а в перших витках спіралей ротора турбіни 4 відбувається вирівнювання температур (нагрівання та розширення) між повітрям і рідкими поршнями (фіг.2). 3. Робочий хід розширення і зниження тиску повітря до атмосферного в турбіні 1, яка конструктивно аналогічна компресору 4 так само відбувається при постійній температурі, в наслідок вище означених причин співвідношення кількості повітря і рідких поршнів (див. діаграму 3-4). Після проходження через теплообмінник повітря викидається в атмосферу зі зміненим обсягом і температурою. 4. Зменшення обсягу і зниження температури до первісного на вході в компресор (див. діаграму 4-1) умовно через те, що в турбіну надходить повітря з атмосфери. Приведена діаграма ідеального циклу Эриксона відповідає дійсній діаграмі запропонованого двигуна з зануреними роторами і рідкими поршнями більше, ніж дійсна діаграма двигуна «Эриксона», внаслідок того, що обсяг рідини перевищує обсяг повітря (робочого тіла) не менше ніж на 3 порядки. Зміна обсягу повітря в компресорі і турбіні відбувається в режимі близькому до ізотермічного. Температурна складова виявляється опосредовано в наслідок зміни обсягу повітря: у компресорі при передачі теплової енергії від повітря рідкими поршнями і рідиною, що оточує ротор, в цей час в турбіні відбувається відбір повітрям теплової енергії від рідких поршнів і рідини, що оточує ротор. Запропонований двигун не має «мертвого» простору між поршнями і поршневою камерою, тому що все повітря з компресора надходить у турбіну. Рух середовищ в одному напрямку так само припускає зменшення «мертвого» простору і можливість ефективного використання рекуперативного теплообмінника. Контакт газів і рідини припускає більший теплообмін, чим контакт між газом і твердим тілом. Ротори двигуна, будучи розташованими похило і маючи близьку до нульового плавучість, забезпечують простоту конструкції і зниження енерговитрат на тертя.