Процес взаємного перетворення енергії робочого тіла, що стискується, і механічної енергії

Процес (спосіб) взаємного перетворення енергії робочого тіла, що стискується, і механічної енергії, що передбачає ведення процесу в системі, яка має декілька відокремлених один від одного робочих органів, в кожному з яких процеси розши 3 У існуючих пристроях необ'ємного витіснення реактивного типу, падіння тиску відбувається вже в соплах. Енергія тиску робочого тіла, перетворюється в його кінетичну енергію. Решта зміна енергії, в частинах або ступенях розширення, пристроїв, в яких використовується лише невеликий перепад тиску між ними. В соплах, енергія робочого тіла преобразується в його кінетичну енергію. (1 - стр. 242 - 252). Кінетична енергія це перш за все швидкість руху робочого тіла. І ця швидкість залежить від перепаду тисків. Та завдяки турбіні, в частинах і ступенях якої (як зазначено в учбовому підручнику) знову використовується тиск, кінетична енергія буде значно менше теоретичної. Завдяки тому що кінетична енергія і тиск (потенційна енергія) це зовсім не те саме, вже неможливо буде використовувати усю енергію робочого тіла. К тому ж, однаковий перепад тиску в ступенях та частинах пристроїв, є не чим іншим як середній тиск між першою та останньою отупінню пристрою. Тобто використовується один тиск і відповідно один робочий орган. У існуючих пристроях необ’ємного витіснення імпульсного типу, отримувана робота залежить від кінетичної енергії робочого тіла, завдяки чому робоче тіло матиме якийсь імпульс (2 - стр. 168). Але не враховується зміна кінетичній енергії тобто розширення робочого тіла, яке відбувається в основному за межами сопла, в навколишньому середовищі. В якому, кінетична енергія робочого тіла без корисно втрачає свою якість. Тобто не дає додаткового імпульсу. У існуючих пристроях об'ємного витіснення кількість робочих органів залежить тільки від заданої потужності. (3 - стр. 206). Та кількість робочих органів, в існуючих двигунах, не залежить від якості енергії вживаного робочого тіла. Дані пристрої, а точніше багато циліндрові двигуна і компресора, є найближчими аналогами винаходу. Якщо прийняти таку умову, що в сіх двигунах внутрішнього згорання однакова якість робочого тіла. Тобто тиск в циліндрах, наприклад сімдесят кілограмів на сантиметр квадратний. То прототипом винаходу можна вважати двигун внутрішнього згорання, зіркоподібний дизель 42ЧНСП 16/17. Тільки завдяки тому, що у нього найбільша кількість робочих органів тобто циліндрів під цю якість енергії, що мені відомо, їх сорок два штуки. (3 - стр. 206). Ця кількість також не відповідає якості енергії того робочого тіла. У основу корисної моделі поставлено завдання - визначення умов проведення процесів об'ємного і необ'ємного витіснення газоподібного робочого тіла без залежності від температури, з метою підвищення коефіцієнта взаємного перетворення пружної енергії робочого тіла і механічної енергії, як в теплових так і не теплових пристроях. Газовий закон Бойля - Маріотта, стверджує «при постійній температурі для даної маси разу твір тиску газу на його об'єм постійно». (1 - стр. 108). Це також означає, що в ізотермічному процесі в скільки разів збільшиться чи зменшиться об'єм газу в стільки ж разів зміниться й тиск. Відносно до 45273 4 цього, винахід має два рішення. Перше рішення поставленого завдання. Наведене завдання досягається в системі робочих органів. Шляхом постійної наявності і використання різних зусиль певної кількості робочих органів в цій системі. Це означає, що в кожному робочому органі системи, процес розширення (стиснення) повинен відбуватися одночасно та синхронно. При цьому, параметри робочого тіла (тобто об'єм та тиск), в кожному робочому органі, відмінні від всіх інших робочих органів системи. Тобто кожен робочий орган має якусь свою стадію процесу, яка відмінна від стадій процесу в останніх робочих органах. Що досягається завдяки послідовним введенням порції робочого тіла в кожен робочий орган цієї системи. Порція це якійсь об'єм робочого тіла, з максимальним або з мінімальним тиском процесу, в одному робочому органі, тобто якась кількість газу в одному робочому органі. Порцію треба вводить послідовно в кожен робочий орган системи. Одна порція в один робочий орган, який готовий до початку процесу. Тобто, в робочий орган що не містить робочого тіла - у процесі розширення, або той що містить максимальній об'єм порції - в процесі стиснення. Кількість робочих органів в цій системі, залежить від якості енергії вживаного робочого тіла і визначається розрахунком із значень максимального та мінімального параметрів робочого тіла в процесі. Тобто, в скільки разів збільшиться чи зменшиться об'єм порції робочого тіла в процесі (та відповідно й тиск в ізотермічному процесі), така відповідно буде кількість робочих органів в системі. Наприклад, розрахунком кількості об'ємів, кожен з яких має об'єм порції робочого тіла з максимальним тиском, що теоретично вміщаються в максимальному об'ємі цієї ж порції з мінімальним тиском робочого тіла в процесі. При цьому, в системі виникає кратність стадій процесу. Тобто, в кожному робочому органі, об'єм робочого тіла буде кратним об'єму порції робочого тіла з максимальним тиском процесу, та буде відрізнятися від об'ємів інших робочих органів в арифметичній прогресії. Відносно до всього цього, це і буде тою необхідною, та постійною кількістю різних зусиль, в зазначеної системі. На Фіг. 1. Система координат, в якій показана система з чотирьох робочих органів (A; D; C; D). По осі «V» показані стадії процесів в кожному робочому органі, в момент коли кінчився процес впуску порції робочого тіла. По осі «n» кількість робочих органів. Цифра перед літерою «V» вказує у скільки разів змінився об'єм робочого тіла по відношенню до первісного об'єму порції робочого тіла з максимальним тиском. Робочий орган «А» має стадію в якої; V - Об'єм робочого тіла, що був введений або отриманий, тобто об'єм порції з максимальним тиском процесу; Робочий орган «В» має другу стадію; 2V означає що об'єм порції робочого тіла розширився в два рази або об'єм, що стискався, потрібно ще зменшити в два рази; Робочий орган «С» має третю стадію; 3V означає що введений об'єм порції розширився в 5 три рази або об'єм, що стискався, потрібно ще зменшити в три рази; Робочий орган «D» має четверту стадію; 4V об'єм порції робочого тіла з мінімальнім тиском. Це робочий орган готовій до початку процесу зміни об'єму порції робочого тіла; Розглянемо корисну модель на прикладі процесу розширення робочого тіла. В системі робочих органів постійно присутня стадія процесу з максимальним тиском. Це впускання об'єму порції робочого тіла з максимальним тиском в один робочий орган системи, готовий до початку процесу. Якщо уявити, що всі робочі органи системи знаходяться на одному роторі. Тобто напрямок руху рухомих частин, робочих органів, має одне постійне направлення, як зображено на Фіг. 1; 2. То цей робочий орган «D». Відповідно, в момент початку впуску, в якомусь одному робочому органі процес розширення досягне своїй кінцевої стадії. І в цьому прикладі з ротором, цей робочий орган знову «D». Він також одночасно буде мати стадію процесу з максимальним об'ємом порції робочого тіла та відповідно мінімальний тиск. В останніх робочих органах системи, вже присутня решта всіх стадій процесу розширення, від попередніх послідовних введень порцій робочого тіла. Тобто, постійно присутня якась кількість різних зусиль. Кожне введення порції робочого тіла в систему робочих органів, в той робочий орган який буде готовий до початку процесу розширення, також приведе до розвитку процесу в кожному робочому органі системи на величину об'єму порції робочого тіла. Кількість стадій процесу і їх кратність залишаються постійною. Сума зусиль всіх робочих органів буде загальним зусиллям пристрою, а відстань дії цієї сили буде еквівалентним об'єму однієї порції робочого тіла з максимальнім тиском процесу. Що і буде, максимально можливою довершеною роботою одної порції робочого тіла. Ця робота буде значно більша роботи яку можна отримати з цієї ж порції в одному робочому органі, чи в системі робочих органів, в якої відсутній вказаний зв'язок між кількістю робочих органів та якістю енергії робочого тіла. Наприклад: Для системи із чотирьох робочих органів (Фіг. 2), відповідно до закону Бойля - Маріотта, максимальний тиск робочого тіла буде дорівнювати 405,2 кПа. Та за умови, що в кожному робочому органі, системи, робоча площа дорівнює один метр квадратний. А об'єм порції з максимальним тиском, становить один метр кубічний. Тоді, в момент закінчення впуску порції робочого тіла, в робочий орган «А», в системі будуть такі тиски та відповідно зусилля: В робочому органі «А» - 405,2 кПа (405,2 кН/м2); в робочому органі «В» - 202,6 кПа (202,6кН/м2); в «С» - 135 кПа (135 кН/м2); в «D» 101,3 кПа (101,3 кН/м2). Загальне зусилля системи робочих органів становить 844,1 кН/м2. При цьому, в момент введення порції робочого тіла в систему, наприклад коли в систему введено тільки одну десяту об'єму цієї порції, зусилля системи буде значно більше і буде становить 1097 кН/м2. Замість постійного зусилля в 405,2 кН/м2, що буде в одному робочому органі при введенні цієї ж порції 45273 6 робочого тіла, без розширення. При розширені, різниця зусиль буде ще більша. Проаналізуємо енергійну відтвореність однієї порції робочого тіла процесом об'ємного витіснення. В пристрої в якому, система розширення та система стиснення мають прямий та жорсткий механічний зв'язок. За умови, що якість робочого тіла, як на стороні розширення так і на стороні стиснення, повинна бути однаковою. (Фіг. 2). Візьмемо наприклад, робоче тіло з тиском чотири кілограми на сантиметр квадратний. Відповідно до закону Бойля - Маріотта, при умові розширення до атмосферного тиску, системи розширення та стиснення матимуть по чотири робочих органа. На (Фіг. 2) механічний зв'язок не вказано. Тобто кожен робочий орган (A, D, C, D) майже такий самий як і циліндр котрий описувався в аналізі вище за текстом. В такому пристрої, однакові зусилля як на стороні розширення так і на стороні стиснення. Тобто, в робочому органі «А» на стороні розширення, тиск (зусилля) буде рівним тиску (зусиллю) робочого органа «С» на стороні стиснення. Тому, що в них однакові об'єми. Теж саме буде і в інших робочих органах. В робочому органі «D» робоче тіло буде мати максимальній об'єм на стороні розширення, та відповідно, атмосферний тиск. Вихід з цього рівновісного положення наступить коли в робочий орган «D», систем розширення (На фіг. 2 позначено словом «ВПУСК») почнеться впуск наступної порції робочого тіла. Одночасно з цим в робочому органі «С», системі стиснення, почнеться процес випуску порції робочого тіла, яка буде мати такі самі параметри як і порція що була введена в систему розширення. Тобто, коефіцієнт взаємного перетворення пружної енергії робочого тіла і механічної енергії досягає абсолютного значення, без урахування сил тертя. Заявленій корисній моделі є друге рішення. Якщо збільшити кількість робочих органів в системі на любу кількість, в зрівнянні з оптимальним, першим рішенням заявленого винаходу. То коефіцієнт взаємного перетворення енергії робочого тіла і механічної енергії, також буде мати абсолютне значення, без урахування сил тертя. При цьому. Порція робочого тіла вводиться однаковими частинами одночасно в декілька робочі органи. Кількість частин порції визначається діленням кількості робочих органів, що маємо в системі на кількість робочих органів визначених першим рішенням винаходу. Отримане будь-яке не ціле число округляється у велику сторону. Кратність стадій процесу в кожному робочому органі системи буде рівна об'єму визначеної частини порції, тобто мінімальному об'єму робочого тіла з максимальнім тиском в процесі. Кількість робочих органів в які одночасно вводяться частини порції робочого тіла, постійна. Як тільки в одному робочому органі закінчиться впуск всього об'єму порції, то одночасно почнеться в наступному, готовому до початку процесу. В реальному пристрої, при цьому збільшені буде тільки зростати сила тертя. Що знизить загальний КПД пристрою. Щоб щось збільшити, треба знати що збільшувати. Це означає, що все одно треба знати кількість необхідних робочих органів 7 45273 до якоїсь якості енергії. Тобто розрахунок кількості робочих органів все одно треба проводить відносно до початкових та кінцевих параметрів робочого тіла. Загальним недоліком пристроїв що існують, в тому числі і прототипу є спосіб проведення процесів розширення, стиснення робочого тіла. Який заснований на проведенні процесу в робочих органах, кількість яких не відповідає якості енергії вживаного робочого тіла. Що відповідно приводить до використання не всієї необхідної кількості різних зусиль. Що значно зменшує загальну корисну роботу. Кількість циліндрів прототипу також значно не відповідає необхідному, відносно до для тієї якості робочого тіла. Відповідно до умови, яку прийняли в описані існуючих пристроїв об'ємного витіснення «що в сіх двигунах внутрішнього згорання однакова якість робочого тіла. Тобто тиск в циліндрах, наприклад сімдесят кілограмів на сантиметр квадратний». Та за умови проведення ізотермічного процесу. Об'єм робочого тіла в одному циліндрі прототипу (зіркоподібний дизель 42ЧНСП 16/17) з цим тиском, повинен розширитись відповідно до закону Бойля -Маріотта, наприклад до атмосферного тиску, в сімдесят разів. Це і буде той необхідною кількістю циліндрів, в зазначеної вище системі. Якщо двигун чотирьохтактний, то цю кількість циліндрів в системі треба помножити на чотири, що і буде становить необхідні двісті вісімдесят циліндрів, в двигунах внутрішнього згорання. Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 При цьому неберучі до уваги, що якість робочого тіла в дизелях ще вища. Тобто тиск робочого тіла, в цих двигунах досягає ста і більше кілограмів на сантиметр квадратний, та мінімальний тиск в два три рази більше атмосферного (3 - стр. 243 249; 254). Технічним результатом корисної моделі є створення пристроїв, як об'ємного так і не об'ємного витіснення, в яких процеси взаємного перетворення енергії стислих газів і механічної роботи, повністю енергетично взаємо перетворені, без урахування сил тертя. При цьому виникає можливість ефективного використання низько якісної енергії робочого тіла. Даний процес, а точніше його принцип (Залежність кількості робочих органів від якості енергії) має застосування у всіх системах, в яких присутній пружний взаємозв'язок між тілами, і ця сила взаємодії залежить від відстані між ними: магнітних, гравітаційних, електростатичних... Джерела інформації 1. Е30 «Основы гидравлики и теплотехники» В.Е. Егорушкин, Б.И. Цеплович, Учебное пособие для машиностроительных техникумов. - М.: Машиностроение, 1981. - 268 с, ил. 2. И.К. Кикоин А.К. Кикоин «Физика 8 - класс» Изд. «Просвещение», 1982 г., с изменениями. 3. Моргулис Ю.Б. «Двигатели внутреннего сгорания» теория, конструкция и расчет. Изд. 2-е. М., «Машиностроение», 1972, 336 с. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601