Двигун, що працює за циклом стірлінга

Двигун, що працює за замкнутим циклом Стірлінга, який містить принаймні один циліндр, в якому розташовані робочий поршень і виштовхуваль ний поршень, що розділяє об'єм циліндра на гарячу і холодну порожнини, заповнені рідким робочим тілом і послідовно сполучені між собою через нагрівник, регенератор і холодильник, а також має механізм перетворення зворотно-поступального руху у обертальний, який відрізняється тим, що в ньому застосований тепловий насос, який містить конденсатор і переохолодник холодоагенту як нагрівник і два випарники, відповідно, як холодильник та відбірник тепла з навколишнього середовища. В.Ш. (13) 32401 (11) UA працює за замкнутим циклом із зовнішнім підведенням та регенерацією теплової енергії, і складається в ідеалі з 2-х ізотермічних та 2-х ізохо ричних процесів, які послідовно чергуються, з рідким робочим тілом без фазового перетворення з робочим тиском 20...80 МПа (200...800 кг/см 2), що містить в одному чи дво х ци ліндрах два поршні робочий та виштовхувальний, а також регенератор між верхньою гарячою та нижньою холодною порожнинами. До верхньої порожнини тепло підводиться від нагрівника при спалюванні пального, а від нижньої відводиться охолоджувачем, у якому, як правило, циркулює во да. Перетворення зворотно-поступального руху поршнів у обертовий здійснюється кривошипно-шатунним або ромбічним механізмами. (Г.Уокер. Двигуни Стірлінга. - М.: Ма шинобудування, 1985, с. 157). Недоліком вибраного за прототип двигуна Стірлінга з рідким робочим тілом є необхідність спалення пального у нагрівнику. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити дви гун Стірлінга, що працює за замкнутим циклом із зовнішнім підведенням та регенерацією теплової енергії і складається в ідеалі з 2-х ізотермічних та 2-х ізохо річних процесів, які послідовно чергують ся з рідким робочим тілом без фазового перетворення з робочим тиском 20...80 МПа (200...800 кг/см 2), що містить в одному чи двох циліндрах два поршні - робочий та виштовхувальний, а також регенератор між верхньою гарячою та нижньою холодною порожнинами з під (19) Винахід належить до галузі енергетики, зокрема, до двигунів, які працюють за замкнутим циклом Стірлінга із зовнішнім підведенням та регенерацією теплової енергії з перетворенням її у механічну. Відомий двигун Стірлінга, який працює із зовнішнім підведенням та регенерацією теплової енергії за замкнутим циклом, що складається в ідеалі з 2-х ізотермічних та 2-х ізохоричних процесів, які послідовно чергують ся, з газоподібним робочим тілом - гелій або водень з робочим тиском 10... 14 МПа (100...140 кг/см 2), що містить в одному чи двох циліндрах два поршні - робочий та виштовхувальний, а також регенератор, який ніби розділяє простір циліндра на верхню гарячу та нижню хо лодну порожнини. До верхньої порожнини тепло підводиться до робочого тіла від нагрівника шляхом спалювання пального, а від нижньої порожнини тепло відводиться охолоджувачем, у якому, як правило, циркулює во да. Перетворення зворотно-поступального руху поршнів у обертовий здійснюється кривошипношатунним або ромбічним механізмами. (Г. Уокер. Двигуни Стірлінга, М. Ма шинобудування, 1985, с. 180, 121). Недоліками відомого двигуна Стірлінга є застосування газоподібного робочого тіла (гелій чи водень), необхідність спалювання пального та застосування жаростійких матеріалів у нагрівнику, а ККД лише наближається до ККД дизеля. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є двигун Стірлінга, який C2 ____________________ 32401 водом тепла до робочого тіла верхньої порожнини від нагрівника і відводом тепла від робочого ті ла нижньої порожнини охолоджувачем з перетворенням зворотно-поступального руху поршнів у обертовий кривошипно-шатун ним або ромбічним механізмами, шляхом застосуван ня теплового насосу, в якому конденсатор та переохолодник холодоагенту є нагрівники робочого тіла, а два випарники здійснюють, відповідно, відведення тепла від робочого тіла в охолоджувачі та відбір теплової енергії із навколишнього середовища (повітря, вода) з наступ ним її переведенням з допомогою компресора на температурний рівень нагрівника, що дозволяє забезпечити постійну працю двигуна Стірлінга в перетворенні теплової енергії навколишнього середовища у механічну без спалювання пального. Сутність винаходу пояснюється з допомогою схе ми, де показано двигун С тірлінга з тепловим насосом. Двигун Стірлінга для перетворення теплової енергії навколишнього середовища у механічну конструктивно містить верхній гарячий циліндр 1 та нижній холодний 2, виштовхувальний поршень 3, робочий поршень 4, верхню гарячу порожнину 5, нижню хо лодну порожнину 6, механізм перетворення зворотно-поступального руху поршнів у обертовий 7, нагрівник (конденсатор) 8, регенератор 9, охолоджувач (перший випарник) 10, переохолодник 11, клапан 12, дросель 13, компресор 14, віддільник рідини 15, другий випарник 16, шток виштовхувального поршня 17. Двигун Стірлінга для перетворення теплової енергії навколишнього середовища працює таким чином. Перед початком роботи розгінним пристроєм (ел. дви гуном, на схе мі не показаний) запускається двигун С тірлінга і зв'язаний з ним компресор 14 теплового насоса. Після завершення перехідного періоду робоче тіло у верхній порожнині 5 буде мати температуру нагрівника, а у нижній порожнині 6, відповідно, температуру охолоджувача 10. У тепловому насосі при цьому температура в конденсаторі дорівнює температурі у нагрівнику, а температура у першому ви парнику (охолоджувачу) 10 і у др угому випарнику 16 повинна бути на декілька градусів нижча від температури навколишнього середовища, щоб був приплив теплової енергії у цикл теплового насоса шляхом випаровування холодоагенту у ви парнику 16. буде температури нагрівника і, розширяючись, надійде у верхню гарячу порожнину 5. Відхідний об'єм штока 17 виштовхувального поршня 3 під час руху вниз компенсується розширенням робочого тіла, що надходить у верхню порожнину, і тиск у системі залишатиметься високим. Рухом виштовхувального поршня вниз виконується корисна робота. Під час досягнення виштовхувальним поршнем приблизно середини циліндра робочий поршень досягає своєї вер хньої мертвої точки і починає рух вниз. Під час подальшого опускання виштовхувального поршня до нижньої мертвої точки весь об'єм робочого ті ла перейде з нижньої холодної порожнини у верхню гарячу, розши риться, а рухом обох поршнів униз через механізм перетворення зворотно-поступального руху поршнів у оберто вий валу пе ретворює теплову енергію у механічну. Після досягнення виштовхувальним поршнем нижньої мертвої точки робочий поршень 4 буде опускатися ще вниз і тиск у системі впаде, так як нічим не компенсуєть ся збільшення об'єму над робочим поршнем. При цьому температура робочого тіла у верхній порожнині знизиться на долі градуса. На схемі показано, що під час руху виштовхувального поршня вниз частина хо лодного рідкого робочого тіла буде проходи ти через відкритий клапан 12 у переохолодник 11, в якому, відбираючи тепло від сконденсованого у нагрівнику 8 (конденсаторі) холодоагенту теп лового насоса і, пройшовши нагрівник, надійде у вер хню порожнину 5. Практично вся енергія теплового насоса буде передаватися рідкому робочому тілу дви гуна Стірлінга на 25...30% у пе реохолоднику і на 70...75% у нагрівнику (конденсаторі). Під час руху ви штовхувального поршня вгору гаряче робоче тіло проходить нагрівник і через теплообмін набуває його температури, а потім віддає тепло у регенератор, доохолоджується у охолоджувачі і переходить у нижню холодну порожнину. При цьому клапан 12 буде закритий і весь обсяг робочого ті ла пройде через регенератор. У роботі теплового насоса необхідно відзначити, що після стискання у компресорі 14 холодоагент у га зовидному ста ні з високим тиском надійде у нагрівник (конденсатор) 8, сконденсується, віддавши тепло робочому тілу і надійде у переохолодник, де через теплообмін набуде температури, близької до температури охолоджувача. Після проходження дроселя 13 тиск холодоагенту знизиться, а проходячи че рез охолоджувач 10 (для теплового насоса це перший випарник) частково перейде у газовидний стан, відбираючи тепло у рідкого робочого тіла двигуна. Потім хо лодоагент надходить у віддільник рідини 15, де газовидна його части на надхо дить знову у компресор 14, а рідка - у др угий випарник 16, де, відбираючи теплову енергію із навколишнього середовища (води, повітря), знову переходить у газоподібний стан, і також надхо дить у компресор. Виштовхувальний поршень 3 за фазою свого руху ви переджує робочий поршень 4 на кут 90... 120°, що забезпечує при проходженні виштовхувальним поршнем верхньої мертвої точки робочому поршню стиснути робоче тіло у хо лодній порожнині 6 до високого тиску. При цьому температура робочого ті ла підвищиться всього на долі градуса. Рухом виштовхувального поршня вниз робоче тіло, проходячи охолоджувач 10, набуде знову температури останнього, а потім, проходячи через регенератор і нагрівник, відбираючи тепло, на 2 32401 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 3