Спосіб і пристрій для перетворення теплової енергії у механічну

1. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну енергію шляхом зміни об'єму, тиску і температури робочого тіла, головним чином газу, на декількох стадіях, який відрізняється тим, що робоче тіло всмоктується на першу стадію при збільшенні об'єму цієї першої стадії, потім при зменшенні об'єму першої стадії воно переводиться на другу стадію при збільшенні її об'єму, потім при зменшенні об'єму другої стадії воно переводиться третьою стадією при одночасному підведенні тепла на четверту стадію при збільшенні об'єму цієї четвертої стадії, потім з четвертої стадії при зменшенні її об'єму воно переводиться на п'яту стадію, і на цій п'ятій стадії при збільшенні її об'єму воно розширюється. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при зменшенні об'єму другої стадії робоче тіло переводиться третьою стадією при одночасному нагріванні прямо на п'яту стадію. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що при переводі з першої стадії на другу стадію робоче тіло охолоджується. 4. Спосіб за пп. 1-3, який відрізняється тим, що з п'ятої стадії при зменшенні її об'єму робоче тіло при одночасному охолодженні переводиться на першу стадію при збільшенні об'єму цієї першої стадії. 2 (19) 1 3 Винахід стосується способу перетворення теплової енергії у механічну енергію шляхом зміни об'єму, тиску та температури робочого тіла, головним чином, газу, на декількох стадіях, а також винахід стосується і пристрою для здійснення цього способу. Відомі способи перетворення теплової енергії в механічну, при яких змінюються тиск і температура робочого тіла в робочій порожнині з об'ємом, що змінюється по черзі. При зменшенні об'єму підвищуються тиск і температура, і це відбувається як у результаті зазначеної зміни об'єму, так і, головним чином, в останній фазі зменшення об'єму, або ж і у першій фазі вторинного збільшення об'єму, при додатковому підведенні теплової енергії, чи ззовні, або при утворенні теплоти, наприклад, горіння у робочому тілі усередині робочої порожнини. При вторинному збільшенні об'єму тиск, утворений при попередньому зменшенні об'єму в закритій робочій порожнині, виконує, після відрахування втрат, роботу, необхідну для наступного зменшення об'єму, у той час як тиск, що виник при додатковому підведенні теплової енергії, виконує, також після відрахування втрат, результуючу механічну роботу. У постійно закритій робочій порожнині в результаті додаткового підведення теплової енергії температура робочого тіла наприкінці кожного збільшення об'єму, а таким чином, і на початку наступного зменшення об'єму, була б завжди більшою, ніж температура на початку попереднього збільшення об'єму; у такий спосіб при підведенні тепла зовні температура робочого тіла досягла б температури, при якій тепло підводять зовні, і різниця температур, а таким чином, і кількість тепла, що підводять, були б, без обліку втрат, нульовими. Підведення тепла, що утворюється у робочому тілі в постійно закритій робочій порожнині, припинився б через брак кисню. Тому необхідно робочу порожнину для відводу використаного (відпрацьованого) робочого тіла й підвода нового робочого тіла на певний період відкрити, і це необхідно зробити як на початку періоду зменшення об'єму або перед ним, так і наприкінці періоду збільшення об'єму або після нього. Робочий процес змін тиску й температури при зменшенні й збільшенні об'єму проходить у два такти. Якщо до цим двох тактів додаються ще два інших, тобто збільшення об'єму для підведення використаного робочого тіла, і зменшення об'єму для відводу використаного робочого тіла, тоді мова йде про чотиритактний процес перетворення теплової енергії в механічну. Якщо підведення й відвід робочого тіла відбуваються на початку першого такту, або наприкінці другого такту, то мова йде про двотактний процес. Всі ці процеси відбуваються відповідно до вже відомої конструкції пристрою в одній робочій порожнині, як виняток, розділеної на дві частини. У способі перетворення теплової енергії в механічну енергію шляхом зміни об'єму, тиску і температури робочого тіла, відповідно до винаходу, робоче тіло всмоктується на першу стадію при збільшенні об'єму цієї першої стадії, після чого при зменшенні об'єму першої стадії воно переводиться (надходить) на другу стадію при збільшенні її об' 88442 4 єму, після чого при зменшенні об'єму другої стадії воно переводиться третьою стадією при одночасному підведенні тепла на четверту стадію при збільшенні об'єму цієї четвертої стадії, після чого з четвертої стадії при зменшенні її об'єму воно переводиться на п'яту стадію, і на цій п'ятій стадії при збільшенні її об'єму, розширюється. Крім того, відповідно до винаходу, спосіб відрізняється тим, що при зменшенні об'єму другої стадії робоче тіло переводиться третьою стадією при одночасному нагріванні прямо на п'яту стадію, або ж, при переводі з першої стадії на другу стадію робоче тіло охолоджується. Наступною ознакою винаходу є те, що з п'ятої стадії робоче тіло при зменшенні її об'єму при одночасному охолодженні переводиться на першу стадію при збільшенні об'єму цієї першої стадії. Відповідно до винаходу, спосіб перетворення енергії можна також видозмінити таким чином, що з п'ятої стадії при її зменшенні робоче тіло переводиться на третю стадію й використовується для процесу нагрівання, або таким чином, що п'ята стадія з'єднується з першою стадією і при зменшенні цієї об'єднаної стадії робоче тіло, також і при одночасному охолодженні переводиться прямо на другу стадію при збільшенні цієї другої стадії. Відповідно до винаходу, пристрій для здійснення способу перетворення енергії сконструйовано таким чином, що кожна стадія являє собою не менш ніж одну самостійну робочу порожнину, причому третя стадія являє собою не менше ніж одну робочу порожнину з об'ємом, що не змінюється, у той час як інші стадії являють собою робочі порожнини з об'ємом, що змінюється, головним чином, як поршневі механізми з обертовим поршнем, і в ході проходження робочого тіла вони функціонально розташовані послідовно одна за іншою, причому, частково перед третьою стадією, і частково за нею. Крім того, відповідно до винаходу, пристрій для здійснення способу перетворення енергії влаштовано таким чином, що найбільший об'єм першої стадії більше, ніж найбільший об'єм другої стадії, причому найбільший об'єм п'ятої стадії більше, ніж найбільший об'єм четвертої стадії, і, причому найбільший об'єм п'ятої стадії більше або такий же, як найбільший об'єм першої стадії. Відповідно до винаходу, пристрій може бути далі виконаний таким чином, що п'ята стадія одночасно являє собою й першу стадію. Відповідно до наступної ознаки винаходу третя стадія виконана як камера згоряння й/або як теплообмінник. Крім того, винахід вигідно видозмінено таким чином, що п'ята стадія обладнана впускним клапаном. Відповідно до останньої ознаки винаходу, між першою стадією й другою стадією, також як і між п'ятою стадією й першою стадією, і між об'єднаною стадією та другою стадією, розміщено охолоджувач. Винахід більш докладно зображений на кресленнях, що додаються, де на Фіг. 1 зображений основний варіант виконання винаходу; на Фіг. 2 зображений видозмінений варіант із охолоджувачем між першою й другою стадіями, також як і між п'ятою й першою стадіями; а 5 88442 6 на Фіг. 3 зображений варіант виконання винатого, найбільший об'єм п'ятої стадії 5 більший, ніж ходу з першою стадією, об'єднаною з п'ятою стадінайбільший об'єм четвертої стадії 4, а найбільший єю та з охолоджувачем між п'ятою й другою стадіоб'єм п'ятої стадії 5 більший або такий же, як найями. більший об'єм першої стадії 1. Найбільший об'єм Робоче тіло вводять на першу стадію 1 (Фіг. 1) об'єднаної стадії 51 більший, ніж найбільший об'єм при збільшенні об'єму цієї першої стадії і, після четвертої стадії 4 і більший, ніж найбільший об'єм чого при зменшенні об'єму першої стадії 1 воно другої стадії 2. Третя стадія 3 сконструйована як перейде на другу стадію 2 при збільшенні її об'єму. камера згоряння і/або як теплообмінник. Потім при зменшенні об'єму на другій стадії 2 воно Робоче тіло, насамперед, надходить, наприперейде на третю стадію 3. клад, усмоктуванням, в об'єм, що збільшується, При проходженні третьої стадії 3 у робоче тіло першої стадії 1. При досягненні максимуму об'єм надійде тепло або зсередини, при згорянні палива цієї стадії починає зменшуватися і робоче тіло в робочому тілі, або зовні, при нагріванні третьої виштовхується в об'єм, що збільшується, другої стадії, наприклад, при зовнішньому згорянні. З стадії 2. Тому що найбільший об'єм другої стадії 2 третьої стадії 3 робоче тіло перейде на четверту у кілька разів менше, ніж найбільший об'єм першої стадію 4, об'єм якої в той же час збільшиться, при стадії 1, то зміниться стан робочого тіла таким цьому з четвертої стадії 4 при зменшенні її об'єму чином, що після його переміщення з першої стадії воно перейде на п'яту стадію 5. На цій п'ятій стадії 1 у другу стадію 2 це робоче тіло має більше висо5 при збільшенні її об'єму робоче тіло розширитький тиск і більше високу температуру. Якщо небася. Після розширення робоче тіло при зменшенні жано зайве підвищення температури, то можна об'єму п'ятої стадії 5 або вийде назовні, або повеміж обома стадіями помістити проміжний охолорнеться назад на першу стадію 1. При викорисджувач 6, як це показано на Фіг. 2. При вторинному танні повітря як робочого тіла і зовнішнього згозменшенні об'єму другої стадії 2 робоче тіло з неї ряння як способу підведення тепла на третю переміщується через третю стадію 3 на четверту стадію, вигідно використовувати розширене, але стадію 4 з об'ємом, що збільшується. На третій гаряче повітря для зовнішнього згоряння. Таким стадії 3 у робоче тіло надходить тепло або шлячином, відповідно до винаходу, спосіб перетвохом зовнішнього нагрівання, коли ця стадія сконсрення енергії являє собою п'ятитактний термодитруйована як теплообмінник, або шляхом внутрішнамічний цикл. У деяких випадках може бути з нього спалювання аналогічно тому, як у камері вигодою виключити четверту стадію 4, а робоче згоряння турбін, однак, зі значно більш високим тіло перевести прямо на п'яту стадію, і залишити тиском. його тут розширюватися. Вигідно, якщо при переТому що найбільший об'єм четвертої стадії 4, воді з першої стадії 1 на другу стадію 2 робоче як правило, дорівнює найбільшому об'єму другої тіло охолоджується в проміжному охолоджувачі 6 стадії 2, то робоче тіло буде мати в кінцевому ста(Фіг. 2). При замкнутому циклі, при якому робоче ні на четвертій стадії 4 після нагрівання на третій тіло з п'ятої стадії 5 переміщується назад на перстадії 3 більш високий тиск і температуру в порівшу стадію 1, вигідно між п'ятою й першою стадіями нянні з початковим станом на другій стадії. Потім зі помістити інший проміжний охолоджувач 7. У дезменшуваного об'єму четвертої стадії 4 робоче яких випадках вигідно, відповідно до іншого варіатіло розшириться в об'єм, що збільшується (поронта виконання винаходу, об'єднати п'яту й першу жнина) п'ятої стадії 5, де воно виконує роботу. Одстадії в об'єднану стадію 51, а робоче тіло, розшинак можна видозмінити пристрій відповідно до вирене при збільшенні об'єму об'єднаної стадії 51, находу таким чином, що найбільший об'єм перевести, при вторинному зменшенні об'єму цієї четвертої стадії 4 буде більшим, ніж найбільший об'єднаної стадії, на другу стадію 2 при одночасоб'єм другої стадії 2, так що між обома стадіями ному збільшенні цієї другої стадії, і зробити це при буде виникати часткове, від ізобаричного до ізотенеобхідності через об'єднаний проміжний охолормічного, розширення, а спосіб перетворення енеджувач 76. У цьому випадку основний п'ятитактний ргії відповідно до винаходу буде наближатися до термодинамічний цикл буде видозмінено на тритаспособу Карно (Carnot). В екстремальних випадках ктний цикл. четверту стадію можна повністю виключити, і дати Пристрій для здійснення (реалізації) описаного робочому тілу можливість розширитися з другої способу перетворення теплової енергії в механічстадії 2 при нагріванні на третій стадії 3 прямо до ну, відповідно до винаходу, сконструйовано таким п'ятої стадії 5. Третя стадія має ненульовий об'єм, чином, що третя стадія 3 являє собою не менш ніж так що, якщо в неї не надходить тепло, то на почаодну робочу порожнину з об'ємом, що не змінютку підведення робочого тіла відбудеться часткове ється, у той час як інші стадії 1, 2, 4, 5, 51 сконстрозширення, а після переводу робочого тіла на руйовані як робочі порожнини з об'ємом, що змітретю стадію воно буде мати на четвертій стадії нюється. Буде вигідно, якщо всі стадії, за винятком більше низький тиск і температуру, ніж на другій третьої стадії, будуть виконані як поршневі механістадії. Однак у результаті більше низького тиску зми з обертовим поршнем, при обертанні якого четверта стадія забере з третьої стадії пропорційнад кожною поверхнею, що з'єднує його пікові грано меншу вагову кількість робочого тіла, ніж було ні (гребені поршня), і буде циклічно збільшуватися переведено на третю стадію з другої стадії, а кільта зменшуватися об'єм порожнини, що відтинаєтькість, що залишилася, утворить, або ж підвищить ся цією поверхнею й прилягаючою внутрішньою залишковий тиск на третій стадії. Таким чином, поверхнею циліндра, у якому поршень обертаєтьзалежно від розміру (об'єму) третьої стадії, і без ся. При цьому найбільший об'єм першої стадії 1 подачі тепла, на третій стадії тиск підвищиться більший, ніж найбільший об'єм другої стадії 2, крім дуже швидко настільки, що вже при переводі ро 7 88442 8 бочого тіла із другої стадії на четверту стадію чеспособом і пристроєм, відповідно до винаходу, є рез третю стадію не виникне розширення, а тепло п'ятитактним циклом. можна буде підводити з першої стадії на другу При певній величині ступеня розширення на стадію під тиском, одержуваним стисканням робоп'ятій стадії 5, тобто між найбільшими об'ємами чого тіла. Тому можна визначити розмір третьої п'ятої й четвертої стадії, наприкінці розширення стадії, як камеру згоряння з малою зовнішньою впаде не тільки тиск, але й температура до велиповерхнею, щоб не виникало надлишкового витоку чин, близьких до величин навколишнього середотепла, так й як теплообмінник з великою поверхвища. Тому при замкнутому циклі і при зовнішньонею, щоб було можливо підводити як можна більму нагріванні робочого тіла на третій стадії 3 шу кількість тепла. Для того щоб можна було підможна, відповідно до чергової ознаки винаходу, водити якнайбільше тепла на третю стадію і об'єднати п'яту стадію 5 з першою стадією 1 (Фіг. зменшити роботу, витрачену на компресійній фазі 3), а робоче тіло піддати розширенню, найкраще циклу, необхідно, наскільки це можливо, знижувачерез проміжний охолоджувач 76, з об'єднаної ти температуру при переводі з першої стадії на стадії 51 на другу стадію 2 при одночасному стисдругу стадію. Відповідно до винаходу, це можна канні. І в цьому випадку рекомендується забезпездійснити, якщо між першою стадією 1 і другою чити об'єднану стадію 51 всмоктувальним клапастадією 2 розмістити проміжний охолоджувач 6. ном 8. Отже, у рамках винаходу в деяких випадках При замкнутому циклі, коли робоче тіло переміможна основний п'ятитактний цикл видозмінити на щують з п'ятої стадії 5 назад на першу стадію 1, тритактний цикл. рекомендується між цими обома стадіями розмісВинахід, як по прикладах варіантів виконання, тити ще один проміжний охолоджувач 7. так і у наступних варіантах виконання, що виплиВідповідно до винаходу при компонуванні привають із патентних прав, у порівнянні з відомими строю, можна вибрати, незалежно від величини тепловими двигунами, головним чином, із чотириступеня стискання, величину ступеня розширення, тактним циклом, більш вигідний тим, що допускає тому можна стисле і нагріте робоче тіло залишити більше високі робочі тиски й температури, ніж туррозширюватися до величини тиску навколишнього бінні двигуни, допускає більше тривалий час нагрісередовища, що приведе до хороших показників вання стислого робочого тіла й більше низький КПД (ефективності) циклу. При даній величині стутиск і температури наприкінці розширення, чим пеня розширення тиск наприкінці розширення задотепер відомі поршневі двигуни. Результатом дається тиском на початку його розширення, і тому цього є більше високий КПД (ефективність) циклу, при меншому підведенні тепла тиск наприкінці а також при нагріванні робочого тіла внутрішнім розширення може впасти нижче тиску навколишабо зовнішнім спалюванням, більше низький шум і нього середовища. Якщо цей ефект небажаний, то більше низька емісія оксидів вуглецю й азоту. Виможна використати ще одну ознаку винаходу, тобнахід також можна вигідно використовувати для то підсмоктування робочого тіла наприкінці розперетворення сонячної енергії в механічну енерширення всмоктувальним клапаном 8. Отже, відгію. повідно до винаходу, робочий цикл, реалізований 9 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 88442 Підписне 10 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