Двигун з зовнішнім підводом тепла

Корисна модель відноситься до теплових двигунів з зовнішнім нагріванням і призначена для обладнання стаціонарних та мобільних енергосилових устаткувань. Відомий тепловий двигун з зовнішнім нагріванням, що працює по циклу Стірлінга (прототип), що містить щонайменше одну пару циліндрів, поршні, які розташовані в циліндрах і відокремлюють у них змінні робочі об’єми, нагрівач, регенератор з насадкой і охолоджувач, та з’єднувальні труби, які з’єднують порожнини теплообмінників між собою та робочими об’ємами, який відрізняється тим, що регенератор виконано у вигляді частини з’єднувальної труби, а насадка виконана у вигляді пучка трубок, зібраних в окремі секції і устатковані уздовж осі цієї частини з’єднувальної труби з зазорами між ними [А.с. СССР №954589]. Недоліками такого двигуна є складність конструкції, велика маса та громіздкість. Двигун має щонайменше два циліндра з поршнями, складний механізм приводу поршнів та громіздкий корпус. Така будова ускладнює конструкцію, затрудняє балансування механізму привода та суттєво збільшує масу та габарити. Регенератор виконано з тонких трубок, що значно збільшує гідродинамічний опір руху робочого тіла і як наслідок зменшує коефіцієнт корисної дії. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення двигуна з зовнішнім підводом тепла шляхом заміни поршнів (робочого та витискувача) одним поршнем-витискувачем, який встановлено на шийці ексцентрикового вала з можливістю обертання і взаємодії з робочими об’ємами, розташованими в циліндричній проточці корпуса-циліндра, чим досягається спрощення конструкції і можливість розмістити в одній проточці корпуса дві робочі секції при значному зменшенні розмірів та маси двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що у двигуні з зовнішнім підводом тепла, що містить корпус-циліндр, гарячі та холодні робочі об’єми, регенератори, нагрівачі та поршень-витискувач, гарячі та холодні робочі об’єми утворені поршнем - витискувачем і шиберами, укладеними в пази корпуса-циліндра, регенератори розташовані в поршні-витискувачі і утворюють канали, які з’єднують робочі об’єми між собою, а поршень-витискувач встановлений на шийці ексцентрикового вала з можливістю обертання та фіксування його положення відносно корпуса-циліндра. Устаткування на валу з ексцентриком поршня-витискувача в циліндричній проточці корпуса-циліндра, обладнаного шиберами, дозволило поділити об’єм циліндричної проточки на гарячі та холодні робочі об’єми і циклічно змінювати їх величину, що спрошує конструкцію, та дає можливість розташовувати дві робочі секції в одному корпусі-циліндрі. Поршень-витискувач встановлено з можливістю обертання, що зменшує сили тертя та знос деталей. Поршень-витискувач грає одночасно роль робочого поршня і витискувача відповідно з яким робочим об’ємом він контактує. Така будова двигуна дозволяє суттєво зменшити його розміри, масу, мертвий об’єм та збільшити коефіцієнт корисної дії. На Фіг.1 зображено двигун, з зовнішнім підводом тепла, загальний вигляд; на Фіг.2 - розтин А-А на Фіг.1. Двигун з зовнішнім підводом тепла, містить корпус-циліндр 1 з бічними кришками 2 і 3, в якому розташовано вал 4 з ексцентриком 5. На шийці ексцентрика 5 встановлено поршень-витискувач 6 з можливістю обертання. В корпусі-циліндрі 1 виконані пази для розміщення в них шиберів 7, 8, 9 і 10, які притискуються газом або пружинами до поверхні поршня-витискувача 6. Шибери 7, 8, 9 і 10 сумісно з поршнем-витискувачем 6 та бічними кришками 2 і 3 поділяють циліндричну порожнину в корпусі 1 на робочі об’єми: гарячі 11 і 12 та холодні 13 і 14. Поршень-витискувач має канали, в яких вбудовано насадки регенератори 15 і 16. Поршень-витискувач 6 повинен мати відповідне розташування відносно корпуса 1, тому у тілі поршня-витискувача 6 виконано паз, в який входе шибер 7. До корпусу 1 приєднано два нагрівачі 17, які складені з кожуха 18, рубашки 19 з патрубком 20, жаростійкої вставки 21, форсунки 22, турбулізатора 23 та трубки 24 для підводу палива. Для поліпшення теплопередачі корпус-циліндр 1 виконано з ребрами 25 (Фіг.2, підвід тепла) та 26 (Фіг.1, охолодження). Замість повітряного охолодження можливо виконати систему рідинного охолодження, для чого корпус-циліндр виконують з рубашкою для протікання холодоагента. Перша секція двигуна складена з робочого гарячого об’єму 11, регенератора 15 та холодного робочого об’єму 13; друга - відповідно з гарячого об’єму 12, регенератора 16 та холодного робочого об’єму 14. Порожнини цих складових заповнені робочім тілом (газом), наприклад, воднем, гелієм, азотом та іншими і створюють проточну частину двигуна. Вал 4 устаткований на підшипниках 27 і 28 і обладнаний тягарями 29 і 30, які призначені для статичного та динамічного балансування. Вихідний кінець вала 4 обладнано ущільнювачем 31. Робочий цикл в двигуні близький до циклу Стірлінга. Двигун з зовнішнім підводом тепла працює таким чином. В проточній частині двигуна робоче тіло (газ) при обертанні вала 4 безперервно циркулює між гарячими і холодними робочими об’ємами. В положенні поршня-витискувача 6, показаному на Фіг.1, робочий об’єм 11 найменший. При повороті вала 4 по часовій стрілці робочий газ із об’єма 13 перетікає в об’єм 11 та ізотермічно стискується, оскільки теплота через оребрену стіну корпуса передається в навколишнє середовище. Після повороту на 90° газ починає ізохорно нагріватись. Холодний газ із об’єма 13 через регенератор 16, який віддає тепло накопичене в попередньому циклі, тече в об’єм 11, температура збільшується до найвищої, оскільки в газ тепло поступає з нагрівача. Після повороту на 180° наступає фаза ізотермного розширення, газ перетікає із об’єма 11 в об’єм 13, тиск падає, а газ виконує корисну роботу. Температура лишається високою оскільки тепло поступає в газ із нагрівача. При повороті на 270° наступає фаза ізотермного охолодження. Газ, який лишився у гарячому об’ємі 11 через регенератор 15 втікає в об’єм 13. Частина тепла іде на нагрівання насадки регенератора, а решта передається через оребрену стінку корпуса 1 в навколишнє середовище. Тиск газу падає до найнижчого. Далі цикл повторюється. В другій секції двигуна протікає аналогічний цикл, але зсунутий на 180°. Регенератори 15 і 16 призначені для поліпшення теплового процесу, збільшення термічного коефіцієнта корисної дії. Гарячі об’єми 11 і 12 отримують тепло від нагрівачів 17, в яких безперервно горить паливо (газоподібне чи рідке). Паливо поступає по трубці 24 в форсунку 22, а з неї в камеру вставки 21, де змішується з повітрям та згорає. Повітря поступає через патрубок 20. де підігрівається, а потім тече в камеру вставки 21. Продукти згорання витікають в навколишнє середовище через порожнину 32. Тепло можливо підводити також за допомогою теплових труб від теплоакумулятора. Таким чином, запропонований двигун з зовнішнім підводом тепла має більш просту конструкцію, менші ніж у прототипа масу, габарити і мертвий об’єм та, як наслідок, більший коефіцієнт корисної дії.