Теплоакумуляторний двигун – агрегат вижленкова

Теплоакумуляторний двигун - агрегат, що має поршневий двигун, який складається з двокартерного рамкового корпуса з піддоном, колінчастого вала з ексцентриковими дисками, поршня з шатуном, підпружинених стрижнів з клапанами, коробки передач, який відрізняється тим, що містить тепловий акумулятор - випаровувач з комплектом термітних стрижнів, водопарову систему, пароконденсаційну систему, пневматичну систему, електричне обладнання, а тепловий акумулятор - випаровувач виконаний у вигляді масивного металевого елемента з головною внутрішньою камерою, осьовою трубкою, вертикальними гніздами, що знаходяться у теплоізоляційному корпусі, причому термітні стрижні складаються з металевокерамічної головки, та жаростійкого керамічного корпусу, заповненого термітною сумішшю у три шари, причому електрична спіраль - активатора знаходиться всередині середнього запального шару термітної суміші, яка за допомогою ізольованого дроту та розніму електрично з'єднана з контактними пластинами головки термітного стрижня О Винахід відноситься до усіх галузей промисловості і сільського господарства, для різного роду пасажирських і вантажних транспортних засобів, та переважно вантажного і пасажирського автомобільного транспорту, у тому числі магістрального автопотягу, автобуса (А) і легкового автомобіля малого класу (Б), у якості більш економічних і екологічно чистих двигунів-агрегатів без використання рідкого або газоподібного видів палива, які володітимуть високим ККД, забезпечуючим надійність і безпеку експлуатації транспортного засобу Пропонований винахід знайде реальне застосування у міському вантажно-пасажирському транспорті, сільському господарстві, річковому флоті На базі пропонованого двигуна можна створити енергоустановки для різних по потужності тепловозів, засобів пневмоколісного транспорту, (у тому числі і для підземного виробництва гірничорудної промисловості), пересувних та стаціонарних автономних електрогенераторів, підводних апаратів, військової техніки (танків, БМП і т д ) Пропонований термітний тепло-акумуляторний двигун-агрегат складається з основних елементів циліндро-поршневого двигуна з зубчастим коле сом (маховиком), теплового акумулятора, термітних стрижнів, водопарової та конденсаційної систем, пневмо-системи та електричного обладнання Усі ЦІ, вище названі, ознаки складають суть даного винаходу І, за винятком циліндро-поршневого двигуна, не мають прототипів та аналогів Аналогом до даного циліндро-поршневого двигуна може слугувати карбюраторний двигун внутрішнього згорання, а прототипом - паровий двигун Циліндро-поршневий двигун відрізняється тим, що працює за двотактовою, а не чотиритактовою схемою, крім того, для роботи двигуна не потрібні такі конструктивні ознаки, як карбюратор, запальні СВІЧІ та розподільні вали, притаманні двигунам внутрішнього згорання Циліндро-поршневий двигун відрізняється простотою, а значить і надійністю конструктивного улаштування Для роботи двигуна не потрібні також вентилятор, повітроочищувач, глушник, поплавкова камера, водяна рубашка, розпилювач Циліндро-поршневий паровий двигун може бути багатоциліндровим Двигун має двоблочний картер з піддоном, колінчастий вал з ексцентриковими дисками (кулачками), зовнішнє зубчасте колесо у кожусі, шатун з поршнем По Ю 1 ю 57115 ршень знаходиться у циліндрі, розміщеному у верхньому картерному блоці, де також знаходяться клапанові коробки Клапан впуску пари знаходиться на вертикальному стрижні з пружиною, встановленому на одному ексцентриковому диску колінчастого валу, а клапан випуску на другому стрижні, встановленому на другому ексцентриковому диску Зверху клапанних коробок у верхньому блоці картера камера-голівка, котра з'єднана з трубою термітного теплоакумулятора На трубі 0 відгалуження зі зворотнім клапаном, вентилем і заглушкою, До колінчастого валу, за допомогою муфти, приєднана коробка передач Двигун-агрегат для різних видів транспорту повинен розроблятися ВІДПОВІДНО конструктивних потреб конкретного різновиду транспортних засобів на базі пропонованого двигуна-агрегата В основу повинна бути прийнята залежність потужності від геометричних та фізичних параметрів двигуна-агрегата N,=f(P,,S n ,l n x ,n^),[BT], де N, - індикаторна потужність, [вт], P. - середній індикаторний тиск, [кг/м2], п [І], 2 ІП S - площа поршня, [м ], х - рух поршня, [м], п ц - КІЛЬКІСТЬ циліндрів, [І], ті - механічний ККД, \/ пв об'єм води початковий, [м3], зп - коефіцієнт збільшення об'єму при перетворенні води на пару, [І], при збільшенні температури та сталому тиску, К Р-коеф І Ц І ент розширення пари, [м 3 К], ув_ уп _ початкова температура води і кінцева температура пари, [К], - сумарний об'єм 3 порожнин, [м ], Vu, V KB , VTp - об'єми циліндра, камери випаровувача, з'єднуючих труб та клапанних порожнин, [м3], Металевий теплоакумулятор-випаровувач, з внутрішніми циліндричною і кульовою дзеркальними порожнинами, виконано у вигляді основного масивного фігурно-циліндричного елементу, з верхніми вертикальними отворами (гніздами), запресованого у теплоізоляційному кожусі У вертикальних отворах запресовані жаростійкі вольфрамові або кобальтові гільзи Всередині циліндричної порожнини розміщено металевий стакан з донною кільцевою деталлю, яка має вакуумну порожнину і верхню плиту із дзеркальною поверхнею Внутрішня поверхня металевого стакана також, дзеркально полірована Металевий стакан за допомогою теплоізоляційних кілець відокремлено від внутрішніх стінок металевого елементу Все це розміщено всередині герметичного циліндра з його торцевими кришками, скріплюваними стяжними болтами, укріпленого на опорній рамі Верхня торцева кришка розміщена виступаючими напівкільцевими кромками у кільцевих внутрішніх пазах верхньої частини корпуса циліндра Кришка май центровий отвір і бічний отвір з виступаючим різьбовим штуцером, на котрий надіта кришка з горизонтальними виступами (приливами) і кільцем з ланцюгом Інший кінець ланцюга прикріплено до другого кільця на зовнішньому боку верхньої кришки циліндричного корпуса теплоакумулятора Металевий елемент має центральний осьовий отвір та бічний паз, у яких запресована П-подібна трубка з теплоізоляційною втулкою і обкладкою На трубці встановлено зворотній клапан Сопло (насадка) трубки знаходиться всередині кульової порожнини На корпусі головного циліндра укріплено трубу з теплоізоляційною обкладкою, що з'єднує тепловий акумулятор-випаровувач з циліндро-поршневим двигуном Джерело теплової енергії У верхніх вертикальних отворах (гніздах) основного елементу розміщені термітні стрижні джерело теплової енергії Термітні стрижні складаються з жаростійкого керамічного циліндра (кожуха), з металево-керамічною кришкою, всередині якого знаходиться термітна суміш та запальний пристрій (запальна суміш з електричною спіраллю) Термітний стрижень заповнено термітною сумішшю у три шари Середній (невеликий) шар складається із легко та швидко займистого магнієвого терміту, склад якого виражається формулою ЗМд+ РегОз Реакцію займання цієї суміші можна записати рівнянням ЗМд+ Fe2O3=3MgO+2Fe Верхній і нижній (великі) шари складаються з алюмінієвого терміту 2AI+Fe2O3=Al2O3+2Fe Для зменшення швидкості реакції у суміш додається залізо Fe Всередині середнього шару термітної суміші знаходиться електрична спіральактиватор Електроди з'єднані зі спіраллю Один з електродів виводиться через бічний отвір у фігурній (двофланцевій з виступами по колу) керамічній втулці і скріплено з її металевим кільцем, яке торкається металевого елемента, тобто електрод виведено на масу (для спрощення конструкції) Другий електрод проходить через осьовий отвір у фігурній двофланцевій керамічній втулці кришки термітного стрижня і приєднано до металевого кільця фігурної кришки Кришка також має по колу пази На верхній торцевій ІЗОЛЯЦІЙНІЙ прокладці і додатковій металевій плиті по центру за допомогою гвинтів вкручуваних в основний елемент укріплено металево-керамічний циліндр із запресованими у ньому окремими металевими пластинами, окремо з'єднаними з кришками термітних стрижнів Шоста, загальна пластина, за допомогою гвинтів, з'єднана з основним елементом (електрично з'єднана з масою) До верхніх металевих пластин керамічної муфти приєднано жили багатожильного кабеля, з'єднаного з електричним комутаційно-пусковим апаратом активації термітних стрижнів Зверху фігурна керамічна муфта герметично зачинена кришкою з теплоелектроізоляцією Термітні стрижні, як джерело енергії, є головною ознакою пропонованого винаходу Термітні стрижні при реакції виділяють КІЛЬКІСТЬ теплової енергії, що рівняється Q=qm, [дж], Де Q - КІЛЬКІСТЬ виділеної енергії, [дж], q - питома теплота реакції, дж кг 57115 m - маса реагуючої суміші, [кг] Основний металевий елемент є накопичувачем теплової енергії і також є основною ознакою КІЛЬКІСТЬ накопиченої енергії рівняється Q=cm(j2Ті), [дж], де Q - накопичена теплова енергія, [дж], С - питома теплоємкість металу основного елемента, кгК m - маса основного елемента, [кг], Ті - початкова температура основного елемента, [К], [°С], Тг - кінцева температура основного елемента, [К] [°С], Тоді температура основного елемента складе cm Водотрубна мережа складається з головної МІСТКОСТІ, з допоміжної МІСТКОСТІ з водою, насоса з трубною мережею, зворотного клапана, послідовно з'єднаних з трубкою всередині основного елемента теплового акумулятора-випаровувача Паро-конденсаційна мережа складається із змійовика, розміщеного у герметичному кожусі з водою з'єднаний трубою з головною МІСТКІСТЮ, засувки, перемикаючого автоматичного пристрою (температурне реле) Паро-конденсаційна мережа призначена для більш раціонального використання теплової енергії, а отже, і підвищення ККД двигуна-агрегата Пневмо-система у вигляді одного, або двох балонів із стисненим повітрям і трубної мережі з засувками та клапанами Кожен балон має клапан, засувку, дистанційний засувковий регулятор потужності з електроприводом і гнучкий шланг із штуцерною гайкою Пневмо-система забезпечує роботу двигуна у разі надмірного охолодження теплоакумулятора Електричне обладнання складається з акумуляторних батарей, шинної коробки, запального пристрою, стартового електродвигуна, електрозасувок, пристроїв автоматичного контролю температурних режимів Двигун-агрегат дозволяє 1 Виключити споживання органічного палива, 2 Виключити забруднення навколишнього середовища транспортними засобами, 3 Збільшити ККД транспортних засобів, 4 Спростити конструкцію енергетичної установки транспортних засобів, а отже і зменшити матеріальні витрати на виробництво двигунів, 5 Підвищити безпеку використання транспортних засобів, 6 Зменшити коефіцієнт акустичного випромінення, 7 Збільшити строк експлуатації за рахунок виключення використання ХІМІЧНО ВИСОКО активних речовин Фіг 1 - Зображено загальну схему влаштування двигуна - агрегата Фіг 2 - Паровий циліндро-поршневий двигун у розрізі Фіг 3 - Тепловий акумулятор (термітний реактор) у вертикальному розрізі Фіг 4 - Тепловий акумулятор у плані Фіг 5 - Розріз по А-А фіг З Фіг 6 - Розріз по Б-Б фіг З Фіг 7 - Термітний стрижень з металевокерамічною кришкою у розрізі Термітний теплоакумуляторнии двигун-агрегат складається з парового циліндро-поршневого двигуна з зубчастим колесом-маховиком, металевого теплоакумулятора, термітних стрижнів, водопарової системи, паро-конденсаційної системи, пневматичної системи, електричного обладнання Циліндро-поршневий двигун (одно або багатоциліндровий), фіг 2, має двоблочний картер 1 з піддоном 2 У нижньому блоці картера, у підшипниках, встановлено колінчастий вал 3 з ексцентриковими дисками (кулачками) 4 і 5, ЗОВНІШНІМ зубчастим колесом (маховиком) 6 у кожусі 7 На шийці 8 колінчастого валу знаходиться шатун 9, який, за допомогою пальця 10, з'єднано з поршнем 11, що знаходиться у циліндрі 12 у верхньому блоці картера, де, також, знаходяться клапанові коробки 13 і 14 У одній з клапанових коробок (13) знаходиться впускний клапан 15, а в ІНШІЙ (14) випускний клапан 16 Впускний клапан знаходиться на вертикальному стрижні 17 з пружиною 18, встановленому на одному з ексцентрикових дисків колінчастого валу, а клапан випуску на стрижні 19 з пружиною 20, встановленому на іншому ексцентриковому диску Зверху клапанних коробок укріплено камеру-голівку 21, з'єднану з трубою 22 теплового акумулятора, на якій є трубчасте відгалуження 23 зі зворотнім клапаном 24, вентилем 25 і заглушкою 26 До колінчастого валу, за допомогою муфти, приєднано коробку передач 27 3 протилежного боку, за допомогою диско-фракційної муфти 28, приєднано редуктор 29 У кожусі з зубчастим колесом (інерційним маховиком) з'єднана мала шестерня ЗО з зовнішньою ролико-обпнною муфтою 31, яка, в свою чергу, з'єднана зі стартовим електродвигуном 32 Тепловий акумуляторвипаровувач з внутрішньою циліндричною 33 та дзеркально полірованою 34 порожнинами (фіг 3) у вигляді основного масивного фігурноциліндричного елемента 35 з верхніми вертикальними не наскрізними отворами (гніздами) 36, що знаходиться у теплоізоляційному кожусі 37 Внутрішня дзеркально полірована кульова порожнина виконана з кулеподібною масивною оболонкою 38, що знаходиться всередині циліндричної порожнини і має осьовий паровипускний отвір У вертикальних не наскрізних отворах (гніздах) запресовані гільзи 39 з важко плавкого металу (вольфраму або кобальту) Всередині циліндричної порожнини розміщено металевий стакан 40 з донною кільцевою деталлю 41, що має вакуумну порожнину і верхню плиту 42 з дзеркальною поверхнею Металевий стакан, за допомогою теплоізоляційних кілець, відділено від внутрішніх стінок основного металевого елементу Все це розміщено всередині герметичного (головного) циліндра 43 з торцевими (верхньою 44 і нижньою 45) кришками, закріпленими гвинтами 46 з кільцевими голівками 46 Головний циліндр укріплено на опорній рамі 47 Верхня кришка має центральний отвір 48 (фіг 4) і бічний отвір 49 з виступаючими різьбовим штуцером, на якому нагвинчено кришку 50 (фіг 3) з горизонтальними виступаючими приливами і верхнім 57115 кільцем з ланцюгом 51 Протилежний кінець ланцюга укріплено на іншому КІЛЬЦІ у центрі кришки циліндричного корпуса Металевий елемент має вертикальний осьовий отвір та боковий паз в яких запресовано П-подібну трубку 52 з теплоізоляційною втулкою і обкладкою П-подібна трубка укріплена хомутом 53 На трубці встановлено зворотній клапан 54 Сопло 55 трубки (фіг 3) знаходиться всередині шарової порожнини На корпусі головного циліндра, за допомогою хомута 56, укріплена труба з електричною засувкою 56а, з теплоізоляційною обкладкою, що з'єднує тепловий акумулятор з циліндро-поршневим двигуном У верхніх вертикальних отворах (гніздах) основного металевого елемента розміщені однакові за улаштуванням термітні (ЗМІННІ) стрижні 57 (по одному у кожному отворі) Термітні стрижні зображені на фіг 7 Кожен з них складається з жаростійкого керамічного або магнезитового циліндра 58 з електричною спіраллю 59 всередині Циліндр заповнено термітом у три шари Середній шар 60 складається з магнієвого терміта ЗМд+ РегОз, або з іншої, спеціальної, суміші бертолетова сіль - 25%, перекис марганцю - 50%, алюмінієвого порошку - 10%, сірки - 1 5 % Верхній 61 і 61а шари складаються з алюмінієвого терміту з додатками чистого заліза 2AI+Fe2O3 Всередині термітного стрижня знаходяться електроди 62 і 63, які електрично ізольовані від терміту і між собою Всередині середнього шару до електродів приєднано електричну спіраль-активатор 64 Керамічний циліндр термітного стрижня зачинено диском 65, який має осьовий отвір, через який електроди виведені у металевокерамічну голівку термітного стрижня Один з електродів через отвір у фігурній двофланцевій керамічній втулці 66 приєднано до металевого кільця 67 Верхня внутрішня кромка має по колу вирізи Нижній І верхній фланці фігурної керамічної втулки також мають вирізи по колу Металеве двокромкове кільце безпосередньо торкається основного металевого елемента, тобто з'єднане з ним електрично На металеве кільце також напресовано теплоізоляційне кільце 68 На фігурну керамічну втулку надітий дископодібний кожух 69, на якому укріплено кільце 70, до якого кріпиться другий електрод Кожух також має внутрішні кромочні вирізні пази по колу, зверху по осі теплоакумулятора на торцевій теплоізоляційній прокладці і металевій додатковій плиті 7 1 , за допомогою гвинтів, що вгвинчуються у основний металевий елемент теплоакумулятора, укріплено збірний циліндр 72, який складається з керамічного стакана 72а, зовнішньої металевої муфти 73, внутрішньої ізоляційної втулки 74 та металевої герметичної кришки 75 Всередині збірного циліндра по колу укріплені металеві пластини 76, нижні КІНЦІ 77 яких під пружинені і мають бічний Гподібний вихід із збірного циліндра і безпосередньо контактують з металевим кожухом (ковпаком) голівок термітних стрижнів (з'єднані з ними електрично) (фіг 7) До верхніх КІНЦІВ пластин приєднано жили 78 кабеля 79, який з'єднано з електрокомутаційним пристроєм-активатором термітних стрижнів Загальна пластина 80 за допомогою гвинтів 81 електрично з'єднана з масою Водотрубна ме 8 режа (фіг 1 і 3) складається з МІСТКОСТІ 82, додаткової МІСТКОСТІ 83, насоса 84 з трубною розводкою 85, клапана 86 та П-подібної трубки всередині теплоакумулятора Пароконденсаційна мережа (фіг 1 і 2) складається із змійовика 87, який розміщено всередині головної МІСТКОСТІ з водою, автоматичного перемикача відпрацьованої пари 88, крана 89, засувки 90, конденсаційного баку 91 (фіг 2) Пневматична система складається з одного або кількох балонів 92 і 93 (фиг 1) Із стисненим повітрям і трубчастої розводки Кожен балон має клапан 94, вентиль 95 і 95, електрозасувковий регулятор потужності 96 і гнучкий шланг зі штуцерною гайкою Електричне обладнання складається з генератора струму 97 (фіг 1 і 2), (тільки, у разі використання у якості автономного електрогенератора), що має якір 98, статор 99, колектор 100 та щітки 101, акумуляторних батарей 102, шинних коробок 103 і 104, пускових і контролюючих пристроїв Принцип дії двигуна-агрегата I Попередня екіпіровка (підготовка) Заправка двигуна - агрегата здійснюється у наступній ПОСЛІДОВНОСТІ Відкривається кришка 50, у вертикальний отвір (гніздо) у основному металевому елементі, що знаходиться під кришкою, вставляється термітний стрижень 57 Потім кришка 44 повертається до співміщення отвору під кришкою 50 з наступним, по колу, гніздом, у який теж вставляється термітний стрижень Процес повторюється до заповнення всіх гнізд Далі, кришка 50 зачиняється Необхідно перевірити електричний контакт металевого ковпака 69 (фіг 7) кожного з термітних стрижнів з підпружиненим кінцем 77 пластини 76 (перевірка електрична) МІСТКІСТЬ 82 (фіг 1) і додаткова МІСТКІСТЬ 83 наповнюються очищеною водою Встановлюються балони 92 і 93 із стисненим повітрям Встановлюються акумуляторні батареї 102 для початку роботи двигуна необхідно за допомогою електрокомутаційного пускового пристрою подати струм у електричний ланцюг одного, або кількох термітних стрижнів Струм піде шляхом, акумуляторна батарея 102, контакти пускового пристрою, жила 78 кабелю 79, пластина 76 з підпружиненим кільцем 77, металевий ковпак 69 термітного стрижня, електрод 63 у електроізолюючій втулці 59, електрична спіраль 64 всередині термітного шару 60 і розігріває її, електрод 62, металеве кільце 67, металевий елемент 35, пластина 80, загальна жила кабелю 79, акумуляторна батарея 102 В результаті розігріву електричної спіраліактиватора займається легкозаймистий середній шар 60 термітного наповнення, що призводить до займання шарів 61 і 61а Завдяки достатньо великому термічному опору керамічного корпусу 58 термітного стрижня розігрів основного елементу 35 теплового акумулятора здійснюється рівномірно, що виключає можливість плавлення основного елементу 35 навколо стрижнів II Принцип руху, або перетворення теплової енергії у механічну Після розігріву теплового акумуляторавипаровувача вмикається насос 84, який спочатку працює від акумуляторної батареї 102 Вода з міс 57115 ткості 83 надходить по трубці 85, через зворотній клапан 86 (фіг1), по П-подібній трубці 52, через клапан 54 (фіг 3), через насадку 55, в шарову камеру 34, де миттєво перетворюється на пару Пара під великим тиском надходить по трубці 22, через засувку 56 до порожнини 21 (фіг 2) Вмикається пусковий електродвигун 32, який за допомогою ролико-обпнної муфти 31 малої шестерні ЗО і зубчастого колеса 6 обертає колінчастий вал 3 за допомогою ексцентрикового диску 5 рухає підпружинений стрижень 17, який відкриває впускний клапан 15 Пара з клапанної коробки 13 надходить у циліндр 12, рухає поршень 11, який за допомогою шатуна 9 обертає колінчастий вал 3 Обертаючись другий ексцентриковий джок 4 рухає вертикальний підпружинений стрижень 19, який відкриває випускний клапан 16, а впускний клапан 15 в цей час зачинено Відпрацьована пара надходить у клапанну коробку 14 і далі, в залежності від стоку автоматичного перемикача потоку пари 88, на зовні, або у конденсаційний змійовик, який розміщено всередині головної МІСТКОСТІ з водою 82 Пусковий електродвигун 32 після кількох обертів колінчастого валу поршневого двигуна вимикається і переходить у режим генератора Насос 84 відмикається від акумуляторної батареї 102 і починає працювати від тепер вже генератора 32 Обертаючись колінчастий вал обертає шестерінчастий механізм коробки передач 27, за допомогою якої здійснюється відбір і розподіл оберта $1 аг І 10 ючого моменту На випадок закінчення пального (термітних стрижнів) або води передбачено балони 92 і 93 із стисненим повітрям При роботі від балонів 92 і 93 попередньо зачиняється засувка 56, вентилі 25 і 95 (фіг 1) на трубному відгалуженні 23 відкриваються Стиснене повітря, як і пара буде проходити через клапанну коробку 13, циліндр, клапанну коробку 14 на зовні Техніко-економічна ефективність Пропонований винахід відкриває новий вид дешевого енергоносія для більш економічних транспортних засобів Використання пропонованого винаходу "Термітний теплоакумуляторний двигун-агрегат" дозволить 1 виключити споживання дорогих органічних видів палива, 2 використовувати у якості палива відпрацьовані відходи металургійної промисловості, 3 виключити забруднення навколишнього середовища, що зменшить витрати на його відновлення в майбутньому, 4 спростити конструкцію енергетичної установки транспортних засобів, а отже, зменшити матеріальні витрати на їх виробництво, 5 зменшити витрати на обслуговування двигунів за рахунок збільшення строку експлуатації, 6 збільшити ККД транспортних засобів, 7 збільшити економічність виробництва і експлуатації транспортних засобів в цілому / ІОЗ 83 фіг. І 11 57115 12 57115 14 •Jr. 5 Комп'ютерна верстка Л Ціхановська Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна