Спосіб роботи теплового двигуна та тепловий двигун

1. Спосіб роботи теплового двигуна, який складається із процесів стискування, нагрівання, розширення та охолодження робочого газу, який відрізняє ться тим, що суміщують процеси стискування та розширення і здійснюють їх одночасно, а також процеси охолодження та нагрівання і здійснюють їх одночасно, збільшують тривалість усіх процесів удвічі, причому процеси відбуваються із двома окремими об'ємами робочого газу. 2. Тепловий двигун для здійснення способу за п. 1, який складається із робочого циліндра з розміщеним у ньому робочим поршнем, що з'єднаний через кривошипно-шатунний механізм з валом відбору потужності, а також послідовно встановлених нагрівника, холодильника, теплообмінника нагріваного та охолоджуваного робочого газу, теплообмінника стискуваного робочого газу, який відрі C2 2 85870 1 3 85870 ршень - витискувач цього циліндра забезпечує передачу робочого газу із гарячої порожнини через регенератор до холодної порожнини і навпаки. Є також робочий циліндр з робочим поршнем, у якому відбувається розширення та стиск робочого газугі який сприймає роботу, що виконується робочим газом. Рух поршня - витискувача випереджає рух робочого поршня на 90. У циклі двигуна Стірлінга один за одним відбуваються наступні такти: 1. Ізотермічний такт стискування. 2. Ізохоричний такт нагрівання. 3. Ізотермічний такт розширення. 4. Ізохоричний такт охолодження. Недоліком прототипу є зменшення ККД внаслідок відхилення реальних процесів нагрівання охолодження та розширення - стискування від теоретичних, недосконалості теплообмінну, а також невисокі масові та габаритні показники, недостатньо високе число обертів. У двигунах зовнішнього згорання збільшення числа обертів призводить до погіршення умов теплообміну, тому, що внаслідок нетривалого часу теплообміну гарячий газ не встигає віддати свою теплоту холодному робочому газу, який у свою чергу не всти гає нагріватися до максимальної температури, що призводить до зниження потужності та економічності двигуна. В основу винаходу покладено завдання створити екологічно чистий тепловий двигун, який має високий ККД, питому потужність, надійність, невибагливість до палива. Поставлене завдання вирішується у запропонованому тепловому двигуні зовнішнього згоряння, у циклі якого суміщаються і відбуваються одночасно такти розширення - стискування та нагрівання - охолодження, причому кожен такт відбувається на протязі ½ частини циклу, і одночасно у процесі, беруть участь два різних об'єма робочого газу. Це дозволяє удвічі збільшити час кожного такту і тим самим поліпшити умови теплообміну і максимально наблизити процеси стискування - розширення до ізотермічних, а процеси нагрівання - охолодження до ізохоричних. Відмінними ознаками теплового двигуна із суміщеним циклом що заявляється є те, що в робочому циліндрі подвійної дії з робочим поршнем, з одного боку його міститься порожнина розширення, а з іншого порожнина стискування робочого газу, одночасно відбуваються такти розширення та стискування, а після їх завершення порожнина розширення робочого циліндра сполучається з його ж порожниною стискування, гарячий робочий газ передається через теплообмінник і холодильник, де відбувається його охолодження. У цей же час відбувається нагрівання робочого газу, для чого введений допоміжний циліндр подвійної дії з поршнем, який у своїй холодній порожнині приймає стиснутий робочий газ і передає його у свою гарячу порожнину через теплообмінник та нагрівник, де робочий газ нагрівається, а потім передає його до порожнини розширення робочого циліндра, де гарячий робочий газ розширюється. Графік суміщеного циклу теплового двигуна зображений на Фіг.1 4 Тепловий двигун, який реалізує такий цикл зображений на Фіг.2 а - такти стиску та розширення, б - такти охолоджування та нагрівання. + Q - підведення теплоти до робочого газу. - Q - відведення теплоти від робочого газу. Двигун зовнішнього згоряння складається із робочого циліндра подвійної дії 1 з робочим поршнем 2. З одного боку робочого поршня міститься порожнина розширення 3, а з іншого порожнина стискування 4 робочого газу. Робочий циліндр має впускний 5 та випускний 6 клапани порожнини розширення, впускний 7 та нагнітаючий 8 клапани порожнини стискування. Порожнина розширення робочого циліндра сполучається з порожниною стискування через теплообмінник 9 та холодильник 10. Робочий циліндр через теплообмінник 11 сполучається з допоміжним циліндром 12, який також має поршень 13, холодну 14 та гарячу 15 порожнини, впускний 16 та випускний 17 клапани. Холодна порожнина допоміжного циліндра сполучається з його гарячою порожниною через теплообмінник 9 та нагрівник 18. Розширення робочого газу передається від робочого поршня через кривошипно-шатунний механізм 19 на вал відбору потужності 21. Поршень допоміжного циліндра приводиться за допомогою кривошипно-шатунного механізму 20. Рух поршня робочого циліндра зміщено відносно руху поршня допоміжного циліндра на 180° Це означає, що в той час коли робочий поршень рухається від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ) поршень допоміжного циліндра рухається від ВМТ до НМТ і навпаки. До гарячої порожнини допоміжного циліндра нагрівника, до порожнини розширення робочого циліндра теплота підводиться від зовнішнього джерела, а від холодної порожнини допоміжного циліндра, порожнини стискування робочого циліндра, холодильника, теплообмінника 11 теплота відводиться в атмосферу. У теплообміннику 9 гарячий робочий газ, який виходить із порожнини розширення робочого циліндра охолоджується, віддаючи свою теплоту холодному робочому газу, який рухається із холодної порожнини допоміжного циліндра у його гарячу порожнину. У холодильнику 10 робочий газ знаходиться при мінімальних температурі та тиску. У той момент, коли робочий поршень знаходиться у ВМТ, поршень допоміжного циліндра знаходиться в НМТ, порожнина стискування робочого циліндра заповнена холодним робочим газом, а гаряча порожнина допоміжного циліндра гарячим робочим газом (Фіг.2а). У цей час клапани 5, 8, 16 відкриваються, а клапани 6, 7, 17 закриваються, робочий поршень починає рух від ВМТ до Н МТ, поршень допоміжного циліндра від НМТ до ВМТ, в порожнині розширення робочого циліндра відбувається розширення гарячого робочого газу, в порожнині стискування-стискування холодного робо 5 85870 чого газу. Такти розширення та стискування відбуваються на протязі ½ циклу, доки робочий поршень не досягне НМТ, а поршень допоміжного циліндра ВМТ. Розширення робочого газу ізотермічне, тому що до нього на протязі усього такту підводиться теплота, зберігаючи сталою його температуру. Стискуваний робочий газ передається із робочого циліндра до допоміжного циліндра через теплообмінник 11, де від нього відводиться теплота, яка виникає при стискуванні, отже процес стискування теж максимально наближений до ізотермічного. У той момент, коли робочий поршень знаходиться у НМТ, а поршень допоміжного циліндра у ВМТ, порожнина розширення робочого циліндра заповнена гарячим робочим газом, а холодна порожнина допоміжного циліндра холодним робочим газом (Фіг.2б). У цей час клапани 5, 8, 16 закриваються, а клапани 6, 7, 17 відкриваються, робочий поршень починає рухатися від НМТ до ВМТ. Гарячий робочий газ із порожнини розширення робочого циліндра передається до порожнини стискування робочого циліндра через теплообмінник 9, де передає свою теплоту холодному робочому газу, та холодильник 10, де охолоджується до температури навколишнього середовища У цей час стиснутий холодний робочий газ із хо Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 лодної порожнини допоміжного циліндра передається до його гарячої порожнини через теплообмінник 9, де нагрівається гарячим робочим газом, та нагрівник 18, де догрівається до максимальної температури. Передача охолоджуваного робочого газу у робочому циліндрі, та робочого газу, що нагрівається у допоміжному циліндрі відбувається у постійному об'ємі, а значить охолоджування та нагрівання робочого газу-процеси ізохоричні і тривають вони на протязі ½ циклу Коли робочий поршень досягне ВМТ, а поршень допоміжного циліндру НМТ порожнина стискування робочого циліндра заповнюється холодним робочим газом, а гаряча порожнина допоміжного циліндра гарячим робочим газом, клапани 5, 8, 16 відкриваються, а клапани 6, 7, 17 закриваються, робочий поршень починає рух від ВМТ до НМТ, поршень допоміжного циліндра від НМТ до ВМТ, і цикл повторюється Техніко-економічні переваги теплового двигуна що заявляється у порівнянні з прототипом полягають у підвищенні за рахунок кращої організації робочих процесів ККД, а за рахунок суміщення тактів циклу числа обертів, отже і питомої потужності. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601