RU2022147C1 - External combution engine and method of its operation - Google Patents
External combution engine and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2022147C1 RU2022147C1 SU5024862A RU2022147C1 RU 2022147 C1 RU2022147 C1 RU 2022147C1 SU 5024862 A SU5024862 A SU 5024862A RU 2022147 C1 RU2022147 C1 RU 2022147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- cylinder
- working
- heater
- engine
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при конструировании тепловых двигателей, использующих разные виды топлив. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and can be used in the design of heat engines using different types of fuels.
Известен способ работы двигателя внешнего сгорания, заключающийся в том, что сжимают газообразное рабочее тело в компрессорном цилиндре, перепускают его в нагреватель, снабженный камерой сгорания. Нагретое рабочее тело подают из нагревателя в рабочий цилиндр для преобразования энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя. Причем начало подачи рабочего тела в рабочий цилиндр устанавливают при положении его поршня в ВМТ. A known method of operation of an external combustion engine, which consists in compressing a gaseous working fluid in a compressor cylinder, passing it to a heater equipped with a combustion chamber. The heated working fluid is supplied from the heater to the working cylinder to convert the energy of the expanded working fluid into the rotational energy of the engine output shaft. Moreover, the beginning of the supply of the working fluid to the working cylinder is set at the position of its piston at TDC.
Известен двигатель внешнего сгорания, содержащий компрессорный и рабочий цилиндры с впускными и выпускными патрубками. Поршни, установленные в компрессорном и рабочем цилиндрах, связаны посредством шатунов с коленчатым валом двигателя. Двигатель снабжен клапанным механизмом газораспределения с приводом от коленчатого вала двигателя и нагревателем. Нагреватель с камерой сгорания и теплообменником продукты сгорания - рабочее тело сообщает выпускной патрубок компрессорного цилиндра с впускным патрубком рабочего цилиндра. A known external combustion engine comprising a compressor and a working cylinder with inlet and outlet pipes. Pistons installed in the compressor and working cylinders are connected by connecting rods to the engine crankshaft. The engine is equipped with a valve timing mechanism driven by a crankshaft of the engine and a heater. A heater with a combustion chamber and a heat exchanger combustion products - the working fluid communicates the exhaust pipe of the compressor cylinder with the inlet pipe of the working cylinder.
Недостатком известных способа и устройства являются малая тепловая экономичность и невысокий КПД. Одна из главных причин низкого теплоиспользования - большие потери тепла с охлаждением, составляющие в тепловом балансе расходов до 50%, еще 10-15% составляют потери тепла с отходящими газами. С этой особенностью структуры теплового баланса связан и неизбежный конструктивный недостаток двигателей - громоздкая, сложная, материало- и энергоемкая, дорогостоящая система охлаждения. A disadvantage of the known method and device are low thermal efficiency and low efficiency. One of the main reasons for low heat use is the large loss of heat with cooling, which accounts for up to 50% in the heat balance, another 10-15% is heat loss with exhaust gases. An inevitable structural drawback of engines is also associated with this feature of the heat balance structure - cumbersome, complex, material- and energy-intensive, expensive cooling system.
К другим недостаткам двигателей внешнего сгорания надо отнести следующие режимные ограничения и условия: малые значения степеней сжатия и повышения давления и связанная с этим необходимость высоких значений среднего давления рабочего тела в цикле для получения приемлемых мощностей. Высокий уровень давлений ужесточает требования к изготовлению и материалам, увеличивает стоимость оборудования. Other disadvantages of external combustion engines include the following regime limitations and conditions: small values of compression and pressure increase and the related need for high average pressure of the working fluid in the cycle to obtain acceptable power. A high level of pressure tightens the requirements for manufacturing and materials, increases the cost of equipment.
Цель изобретения - повышение тепловой эффективности и удельной мощности путем снижения потерь тепла с охлаждением двигателя, увеличения полезной работы за счет расширения пара в рабочем цилиндре, глубокой утилизации тепла рабочего тела. The purpose of the invention is to increase thermal efficiency and specific power by reducing heat loss with engine cooling, increasing useful work by expanding the steam in the working cylinder, deep utilization of the heat of the working fluid.
Поставленная цель достигается тем, что по способу работы двигателя внешнего сгорания, заключающемуся в сжатии газообразного рабочего тела в компрессорном цилиндре, перепуске его в нагреватель, снабженный камерой сгорания, подаче нагретого рабочего тела из нагревателя в рабочий цилиндр, преобразовании в последнем энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя и установлении при этом начала подачи рабочего тела в рабочий цилиндр при положении его поршня в ВМТ, согласно изобретению газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в холодильнике-конденсаторе (Х-К), сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель. This goal is achieved by the fact that according to the method of operation of the external combustion engine, which consists in compressing the gaseous working fluid in the compressor cylinder, transferring it to a heater equipped with a combustion chamber, supplying the heated working fluid from the heater to the working cylinder, and the last energy of the expanded working fluid is converted into the rotational energy of the output shaft of the engine and the establishment of the beginning of the supply of the working fluid to the working cylinder at the position of its piston in the TDC, according to the invention, gaseous the barrel is isothermally compressed, the heat generated by the compression of the working fluid is used to evaporate water in the compressor cylinder, the expanding working fluid in the working cylinder is heated by the combustion products formed in the heater, the expanded working fluid is cooled to condense the water vapor in the refrigerator-condenser (X- K), the condensed water is directed to evaporation in the compressor cylinder, and before the expanded working fluid is supplied to the XK, it is cooled in surface heat exchangers by two stages th first removing heat to the working fluid exiting the compressor cylinder, and then the oxidant supplied to the combustion in the heater.
Общими существенными отличительными признаками заявленного способа являются следующие: газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в Х-К, сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель. The common essential distinguishing features of the claimed method are the following: the gaseous working fluid is isothermally compressed, the heat generated by the compression of the working fluid is used to evaporate water in the compressor cylinder, the expanding working fluid in the working cylinder is heated by the combustion products formed in the heater, and the expanded working fluid is cooled to condensation of water vapor in the HC, the condensed water is directed to evaporation in the compressor cylinder, and before applying the expanded working the bodies in XK are cooled in surface heat exchangers by a two-stage heat removal, first to the working fluid leaving the compressor cylinder, and then to the oxidizer supplied to the heater for combustion.
При этом предпочтительным является то, что газообразное рабочее тело, осушенное в Х-К, подает на впуск компрессорного цилиндра. In this case, it is preferable that the gaseous working fluid drained in XK feeds to the inlet of the compressor cylinder.
Целесообразным является также то, что осуществляют дополнительное сжатие рабочего тела перед его подачей в рабочий цилиндр путем двухступенчатого нагрева сначала теплом рабочего тела, расширившегося в рабочем цилиндре, а затем продуктами сгорания, образующимися в нагревателе. It is also advisable that additional compression of the working fluid is carried out before it is supplied to the working cylinder by two-stage heating, first by the heat of the working fluid, expanded in the working cylinder, and then by the combustion products formed in the heater.
Технический результат, выраженный в цели изобретения, достигается как совокупностью общих, так и частных существенных признаков заявленного способа. The technical result, expressed in the purpose of the invention, is achieved by a combination of general and private essential features of the claimed method.
Так, например, изотермическое сжатие газообразного рабочего тела с отводом тепла на испарение воды снижает потери тепла на охлаждение, утилизация тепла рабочего тела снижает потери тепла с отходящими газами, а расширение пара в рабочем цилиндре повышает удельную мощность, что в целом повышает тепловую эффективность. So, for example, isothermal compression of a gaseous working fluid with heat removal to evaporate water reduces heat loss for cooling, heat recovery of the working fluid reduces heat loss with exhaust gases, and expansion of steam in the working cylinder increases specific power, which generally increases thermal efficiency.
Поставленная цель изобретения достигается также и тем, что двигатель внешнего сгорания, содержащий компрессорный и рабочий цилиндры с впускными и выпускными патрубками, поршни, установленные в цилиндрах и связанные с выходным валом двигателя, клапанный механизм газораспределения и нагреватель с камерой сгорания и теплообменником продукты сгорания - рабочее тело, сообщающий выпускной патрубок компрессорного цилиндра с впускным патрубком рабочего цилиндра, согласно изобретению снабжен испарителем, размещенным в компрессорном цилиндре, поверхностными теплообменниками рабочее тело - рабочее тело, продукты сгорания - окислитель и рабочее тело - окислитель, Х-К с водосборником и фильтром, насосом и дутьевым вентилятором, причем теплообменник рабочее тело - рабочее тело размещен между выпускным патрубком компрессорного цилиндра и нагревателем, выход дутьевого вентилятора сообщен с камерой сгорания нагревателя через последовательно установленные теплообменники рабочее тело - окислитель и продукты сгорания - окислитель, выпускной патрубок рабочего цилиндра через указанные последовательно установленные теплообменники рабочее тело - рабочее тело и рабочее тело - окислитель сообщен с входом Х-К, водосборник которого через последовательно установленные фильтр и насос сообщен с испарителем. The object of the invention is also achieved by the fact that the external combustion engine containing the compressor and working cylinders with inlet and outlet pipes, pistons installed in the cylinders and connected with the output shaft of the engine, a valve timing and a heater with a combustion chamber and a heat exchanger, the combustion products are working the body communicating the exhaust pipe of the compressor cylinder with the inlet pipe of the working cylinder, according to the invention is equipped with an evaporator placed in the compressor cylinder e, surface heat exchangers working fluid - working fluid, combustion products - oxidizing agent and working fluid - oxidizing agent, XK with a water collector and filter, pump and blower, moreover, the working fluid-working fluid heat exchanger is located between the exhaust pipe of the compressor cylinder and the heater, output the blower fan communicates with the combustion chamber of the heater through sequentially installed heat exchangers, the working fluid is an oxidizer and the combustion products are an oxidizer, the exhaust pipe of the working cylinder is indicated through s consecutively installed heat exchangers working fluid - the working fluid and the working fluid - oxidant inlet in communication with the X-K, which sump through successively set the filter and the pump communicates with the evaporator.
Общими существенными отличительными признаками заявленного двигателя внешнего сгорания являются следующие: двигатель снабжен испарителем, размещенным в компрессорном цилиндре, поверхностными теплообменниками рабочее тело - рабочее тело, продукты сгорания - окислитель и рабочее тело - окислитель, Х-К с водосборником и фильтром, насосом и дутьевым вентилятором, причем теплообменник рабочее тело - рабочее тело размещен между выпускным патрубком компрессорного цилиндра и нагревателем, выход дутьевого вентилятора сообщен с камерой сгорания нагревателя через последовательно установленные теплообменники рабочее тело - окислитель и продукты сгорания - окислитель, выпускной патрубок рабочего цилиндра через указанные последовательно установленные теплообменники рабочее тело - рабочее тело и рабочее тело - окислитель сообщен с входом Х-К, водосборник которого через последовательно установленные фильтр и насос сообщен с испарителем. The common essential distinguishing features of the claimed external combustion engine are as follows: the engine is equipped with an evaporator located in the compressor cylinder, surface heat exchangers the working fluid is the working fluid, the combustion products are the oxidizing agent and the working fluid is the oxidizer, XK with a catchment and filter, a pump and a blower fan moreover, the heat exchanger working medium - working medium is placed between the exhaust pipe of the compressor cylinder and the heater, the output of the blower fan is connected to the chamber the heater through sequentially installed heat exchangers the working fluid - oxidizer and combustion products - oxidizing agent, the exhaust pipe of the working cylinder through the specified sequentially installed heat exchangers working fluid - the working fluid and the working fluid - oxidizer is connected to the inlet ХК, the water collector of which through a serial filter and pump communicated with the evaporator.
Целесообразным является то, что теплообменники с общим теплоносителем установлены в одном корпусе, имеющем один вход и один выход для упомянутого общего теплоносителя. It is advisable that the heat exchangers with a common heat carrier are installed in one housing having one input and one outlet for said common heat carrier.
Предпочтительным является то, что впускной клапан компрессорного цилиндра сообщен с выходом Х-К посредством трехходового крана с возможностью подачи осушенного рабочего тела из Х-К и/или атмосферного воздуха. It is preferable that the inlet valve of the compressor cylinder is in communication with the output XK through a three-way valve with the possibility of supplying a dried working fluid from XK and / or atmospheric air.
Целесообразным является также и то, что рабочий цилиндр выполнен с рубашкой нагрева, сообщенной с камерой сгорания нагpевателя, теплообменники рабочее тело - рабочее тело и продукты сгорания - рабочее тело сообщены между собой посредством обратного клапана и выполнены в виде термокомпрессора. It is also advisable that the working cylinder is made with a heating jacket in communication with the combustion chamber of the heater, heat exchangers working fluid - working fluid and combustion products - working fluid communicated with each other by means of a check valve and made in the form of a thermal compressor.
Желательным является также то, что одна из стенок камеры сгорания нагревателя выполнена в виде наружной поверхности рабочего цилиндра. It is also desirable that one of the walls of the combustion chamber of the heater is made in the form of the outer surface of the working cylinder.
Технический результат, выраженный в цели изобретения, достигается так же как совокупностью общих, так и частных существенных признаков заявленного двигателя. The technical result, expressed in the purpose of the invention, is achieved in the same way as a combination of general and private essential features of the claimed engine.
Так, например, снабжение компрессорного цилиндра испарителем позволяет осуществить изотермическое сжатие газообразного рабочего тела с отводом тепла на испарение воды, снижает потери тепла на охлаждение, введение в контур циркуляции рабочего тела нескольких теплообменников обеспечивает утилизацию его тепла и снижает потери тепла с отводящими газами, а сообщение впускного клапана компрессорного цилиндра с выходом Х-К, посредством трехходового крана с возможностью подачи осушенного рабочего тела из Х-К и/или атмосферного воздуха позволяет снизить потери на наполнение компрессорного цилиндра, что в целом повышает тепловую эффективность двигателя. For example, supplying the compressor cylinder with an evaporator allows isothermal compression of the gaseous working fluid with heat removal to evaporate the water, reduces cooling heat loss, the introduction of several heat exchangers into the circulation circuit of the working fluid provides heat recovery and reduces heat loss with exhaust gases, and the message the inlet valve of the compressor cylinder with an output XK, by means of a three-way valve with the possibility of supplying a dried working fluid from XK and / or atmospheric air wish to set up to reduce the loss of filling of the compressor cylinder, which generally improves the thermal efficiency of the engine.
Проведенный поиск по фондам патентной и научно-технической литературы не выявил известность совокупности общих отличительных существенных признаков, описывающих как заявленный способ, так и заявленный двигатель, которые использовались бы по тому же назначению и проявляли бы такие же свойства, которые они проявляют в заявленной совокупности общих существенных признаков заявленных способа и устройства. A search of the collections of patent and scientific and technical literature did not reveal the popularity of the combination of common distinctive essential features that describe both the claimed method and the claimed engine, which would be used for the same purpose and would exhibit the same properties that they exhibit in the claimed combination of general essential features of the claimed method and device.
Вместе с тем отдельные существенные признаки уже известны. However, some significant features are already known.
Известно выполнение цилиндра поршневого двигателя с испарителем для подачи и постепенного испарения воды внутри цилиндра. (Изобретатель и рационализатор, 1989, 3, с.18). В известном техническом решении испарение воды производится в цилиндре двигателя внутреннего, а не внешнего сгорания, при этом решается задача снижения температуры среды в камере сгорания до величины, которую могут выдержать конструкционные материалы. It is known that the piston engine has a cylinder with an evaporator for supplying and gradually evaporating water inside the cylinder. (Inventor and rationalizer, 1989, 3, p. 18). In a known technical solution, water is evaporated in the cylinder of an internal rather than external combustion engine, while the problem of reducing the temperature of the medium in the combustion chamber to a value that structural materials can withstand is solved.
В заявленном техническом решении испарение воды используется для обеспечения изотермического сжатия рабочего тела и снижения потерь, тепла на охлаждение. Следовательно, известный признак использован в заявленном техническом решении по иному назначению, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень". In the claimed technical solution, the evaporation of water is used to provide isothermal compression of the working fluid and reduce losses, heat for cooling. Therefore, the known feature is used in the claimed technical solution for a different purpose, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention "inventive step".
На фиг. 1 приведена принципиальная тепловая схема двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 3-5 - разрезы Б-Б, В-В, Г-Г на фиг. 2; на фиг. 6 - узел I на фиг. 2; на фиг. 7 и 8 - поперечное и продольное сечения термокомпрессора-теплообменника типа "труба в трубе" с секциями. In FIG. 1 shows a schematic thermal diagram of the engine; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 3; in FIG. 3-5 - sections BB, BB, GG in FIG. 2; in FIG. 6 - node I in FIG. 2; in FIG. 7 and 8 are cross-sectional and longitudinal sections of a pipe-in-pipe heat-compressor-heat exchanger with sections.
Для наглядности на фиг. 2 и 6 все части двигателя развернуты в плане чертежа, а патрубки и клапаны условно показаны в плоскости сечения. Расположение оборудования в плане на фиг. 3 также дано произвольно. For clarity, in FIG. 2 and 6, all parts of the engine are deployed in the plan of the drawing, and nozzles and valves are conventionally shown in the plane of the section. The arrangement of the equipment in plan in FIG. 3 is also given arbitrarily.
Двигатель, реализующий заявленный способ работы, содержит рабочий цилиндр 1 с клапанами впуска 2 выпуска 3, компрессорный цилиндр 4 с клапанами впуска 5 и выпуска 6. Компрессорный цилиндр 4 снабжен пористыми вставками 7 (испаритель). Нагреватель содержит камеру сгорания 8 с изоляцией 9 и горелочным устройством 10. В состав двигателя также входят рекуперативные трубчатые теплообменники: первый 11 - паровоздушная смесь (ПВС) из компрессорного цилиндра - ПВС из рабочего цилиндра (теплообменник рабочее тело - рабочее тело), второй 12 - продукты сгорания - ПВС (теплообменник продукты сгорания - рабочее тело), третий 13 - ПВС - воздух (теплообменник рабочее тело - окислитель), четвертый 14 - продукты сгорания - воздух (теплообменник продукты сгорания - окислитель), а также Х-К 15, оборудованный водосборником-конденсатоотводчиком, фильтром 16 и насосом 17 высокого давления, коммуникации (трубопроводы): ПВС 18-22, воздуха на горение 23-25, осушенного воздуха 26, продуктов сгорания 27, 28, конденсата 29. An engine that implements the claimed method of operation contains a working cylinder 1 with
Впускной патрубок компрессорного цилиндра 4 с клапаном 5 впуска снабжен трехходовым краном 30 с элементом управления (например, заслонкой 31), патрубок 32 которого сообщен с атмосферой, а патрубок 33 соединен трубопроводом 26 с Х-К 15. Клапан 5 представляет собой клапан с приводом от выходного вала двигателя, может быть также выполнен в виде обратного клапана. Для подачи атмосферного воздуха на горение - к горелочному устройству через систему теплообменников 13, 14 под необходимым напором служит центробежный (дутьевой) вентилятор 34. The inlet pipe of the
Конструктивная схема на фиг. 2-5 реализована с использованием традиционной компоновки двигателя Стирлинга. Камера сгорания 8 смонтирована непосредственно на головке рабочего цилиндра 1. Воздухоподогреватель - четвертый теплообменник 14 встроен в камеру сгорания, образуя ее боковое цилиндрическое ограждение. На фиг. 2 показаны также отдельные элементы конструкции: завихритель 35, жаровая труба 36, трубки 37 для прохода газов и коллектор 38 продуктов сгорания. The structural diagram of FIG. 2-5 is implemented using the traditional Stirling engine layout. The
Второй теплообменник 12 представляет собой открытый трубчатый нагреватель, состоящий из трубок 39, смонтирован на кольцевом коллекторе. Трубки 39, также как и трубки 37, могут быть оребрены. Коллектор установлен на основании камеры сгорания и состоит из двух частей: входной 40 и выходной 41. The
В схеме, показанной на фиг. 2, предусматривается более глубокая утилизация тепла продуктов сгорания по сравнению с тепловой схемой, показанной на фиг. 1 и 6, - установлен еще один, пятый, теплообменник 42 ПВС - продукты сгорания, он соединен патрубком 43 с коллектором 38 теплообменника 14. Таким образом, помимо теплообмена в камере сгорания в теплообменнике 14 продукты сгорания отдают тепло ПВС в дополнительном теплообменнике 42. In the circuit shown in FIG. 2, a deeper heat recovery of the combustion products is provided compared to the thermal circuit shown in FIG. 1 and 6, another, fifth,
По наружной поверхности рабочего цилиндра на его диаметрально противоположных участках выполнены закрытые каналы 44, 45, имеющие общую с цилиндром крышку и сообщающиеся с одной стороны с внутренней полостью рабочего цилиндра через отверстие в его цилиндрической стенке под крышкой, а с другой с патрубком ПВС. В этих каналах вне камеры сгорания размещены клапаны 2 и 3.
Коллектор включен в контур ПВС, его входная часть 40 трубопроводом 46 сообщена с выходом ПВС из теплообменника 42, а выходная часть 41 сообщается патрубком 47 с входным каналом 44 рабочего цилиндра. К выходному каналу 45 подсоединен трубопровод ПВС 48 от входа в теплообменник 11. The collector is included in the PVA circuit, its
В соответствии с конструктивной схемой на фиг. 6 в рабочем объеме камеры сгорания находится и, следовательно, обогревается часть цилиндрической поверхности рабочего цилиндра. Клапаны размещены в открытой головке цилиндра. Рекуператор 50 выполнен в виде теплообменника-термокомпрессора, разделенного на отдельные секции 52 обратными клапанами 53. Каждая секция представляет собой пучок труб с плоскими коллекторами 54, обратные клапаны установлены на стыке коллекторов. Трубки могут иметь ребра. Клапан 2 рабочего цилиндра выполняет роль последнего обратного клапана в линии ПВС. Рекуператор 50 работает по противоточной схеме. Целесообразно все теплообменники устанавливать по схеме противотока, но в случае термокомпрессора она обязательна, т.к. дает возрастающие по ходу потока рабочего тела температуру и давление его по секциям. (Для упрощения на фиг. 6 рекуператор 51 показан как прямоточный). In accordance with the structural diagram of FIG. 6, a part of the cylindrical surface of the working cylinder is located in the working volume of the combustion chamber and, therefore, is heated. Valves are located in the open cylinder head. The recuperator 50 is made in the form of a heat exchanger-thermocompressor, divided into
На фиг. 7 и 8 показана наиболее простая и рациональная конструкция термокомпрессора (теплообменник типа "труба в трубе"). В корпусе 55, изолированном покрытием 56, установлена внутренняя труба 57, собранная из отдельных участков (секций) с обратными клапанами между ними. Труба 57 имеет хорошо развитую поверхность теплообмена, например продольные прямые ребра 58. In FIG. 7 and 8 show the most simple and rational design of a thermocompressor (pipe-to-pipe heat exchanger). In the housing 55, insulated by coating 56, an
Двигатель, реализующий заявленный способ, работает следующим образом. An engine that implements the claimed method works as follows.
При ходе поршня компрессорного цилиндра 4 вверх клапаны 5 и 6 закрыты, происходит сжатие воздуха (до давления порядка 5-10 МПа, максимум до 15 МПа, с учетом уровня давлений в двигателях внешнего сгорания). Выделяемое в процессе сжатия воздуха тепло поглощается непосредственно в цилиндре водой в пористых вставках 7. During the piston stroke of the
Клапаны обоих цилиндров приводятся от кулачков распределительного вала, связанного с выходным валом двигателя. Их работа синхронизирована. The valves of both cylinders are driven by camshaft cams connected to the engine output shaft. Their work is synchronized.
При подходе поршня к ВМТ клапан 6 открывается и насыщенная ПВС под давлением подается по трубопроводу 18 в первый теплообменник 11. Там она нагревается за счет теплообмена с отработавшей ПВС из рабочего цилиндра 1 (первая ступень нагрева). Далее ПВС поступает во второй теплообменник 12 (вторая ступень), где происходит окончательный ее нагрев продуктами сгорания. Этот теплообменник размещен непосредственно в камере сгорания 8 с изоляцией 9, причем в рабочем объеме камеры находится и часть поверхности корпуса расширителя, которая также омывается и обогревается продуктами сгорания. Таким образом осуществляется одновременный нагрев ПВС и внешний подвод тепла к горячей полости непосредственно от продуктов сгорания. Теплообменники 11 и 12 могут быть выполнены трубчатыми или в виде термокомпрессора. Из теплообменника 12 нагретая ПВС по трубопроводу 22 поступает к клапану 2 впуска и в момент его открытия начинает поступать под давлением в рабочий цилиндр. Расширяющаяся ПВС перемещает поршень к НМТ - происходит рабочий ход. When the piston approaches TDC,
Следующий такт - ход поршня рабочего цилиндра от НМТ к ВМТ. Отработавшая ПВС удаляется через открытый клапан 3 выпуска по трубопроводу 19 в первый теплообменник 11, отдает там тепло холодной ПВС из компрессорного цилиндра 4 (первая ступень охлаждения) и оттуда направляется по трубопроводу 20 в третий теплообменник 13 (вторая ступень охлаждения). Здесь она охлаждается холодным наружным воздухом, нагнетаемым дутьевым вентилятором 34 по трубопроводу 23. The next step is the piston stroke of the working cylinder from BDC to TDC. The spent PVA is removed through the
Охлажденная ПВС из теплообменника 13 по трубопроводу 21 поступает в Х-К 15, например, радиаторного типа (третья ступень охлаждения). В нем происходит окончательное охлаждение отрабатываемой ПВС до конденсации водяного пара (до или несколько ниже точки росы). The cooled PVA from the
Выпавший конденсат отделяется конденсатоотводчиком, собирается в водосборник и, пройдя фильтр 16, откачивается насосом 17 высокого давления по трубопроводу 29 к пористым вставкам 7 цилиндра 4. Осушенный воздух из Х-К 15 поступает в трубопровод 26, соединенный с патрубком 33 трехходового крана 30. С помощью заслонки 31 всасывающую линию цилиндра 4 через патрубок 32 соединяют с атмосферным воздухом либо через патрубок 33 с трубопроводом 26 от Х-К 15. Таким образом, возможна работа машины в открытом контуре с всасыванием в каждом цикле новой порции воздуха либо в замкнутом, когда в контуре циркулирует одно и то же количество рабочего тела. The precipitated condensate is separated by a condensate drain, collected in a water collector and, having passed through a
Дутьевой воздух после третьего теплообменника 13 (первая ступень нагрева воздуха) поступает на вторую ступень - в четвертый теплообменник 14, в котором он получает тепло от отходящих продуктов сгорания. Далее горячий воздух по трубопроводу 24 направляется к горелочному устройству 10. The blast air after the third heat exchanger 13 (the first stage of air heating) enters the second stage - into the
Продукты сгорания в камере сгорания 8 отдают тепло ПВС (в теплообменнике 12) и в рабочем цилиндре 1. Отсюда они следуют в теплообменник 14 по трубопроводу 27 и далее в атмосферу через трубопровод 28 (выхлопную трубу). The combustion products in the
Работа двигателя по схеме на фиг. 2 осуществляется аналогично. The operation of the engine according to the circuit of FIG. 2 is carried out similarly.
Этот двигатель позволяет сохранить известную хорошо отработанную конструкцию двигателя Стирлинга в части компоновки и исполнения камеры сгорания нагревателя, воздухоподогревателя без увеличения габаритов. Незначительное усложнение касается установки клапанов и выполнения цилиндра 1 с боковыми продольными каналами. Размещение клапанов обеспечивает удобство их обслуживания, контроля и, если необходимо, охлаждения. This engine allows you to save the well-known well-developed design of the Stirling engine in terms of layout and design of the combustion chamber of the heater, air heater without increasing the size. A slight complication concerns the installation of valves and the implementation of the cylinder 1 with lateral longitudinal channels. The placement of the valves provides the convenience of their maintenance, control and, if necessary, cooling.
Отличие в работе двигателя по схеме, показанной на фиг. 6, заключается в наличии термокомпрессора. The difference in engine operation according to the circuit shown in FIG. 6, is the presence of a thermal compressor.
Принцип действия термокомпрессора состоит в том, что при работе в циклическом режиме по схеме противотока происходит нагрев порций воздуха в герметичных секциях при постоянном объеме, а система обратных клапанов обеспечивает при срабатывании впускного клапана автоматический переток ПВС через секции и подачу ПВС в цилиндр. При этом прямо пропорционально абсолютной температуре растет давление в секциях и обеспечивается дополнительное сжатие ПВС. The principle of operation of the thermocompressor is that when operating in a cyclic mode according to the counterflow scheme, air portions are heated in sealed sections at a constant volume, and the check valve system ensures that when the intake valve is activated, the PVA automatically flows through the sections and the PVA is fed into the cylinder. At the same time, the pressure in the sections increases in direct proportion to the absolute temperature and provides additional compression of the PVA.
В обеих схемах теплообменники попарно сблокированы с общим одним из двух теплоносителей. В схеме на фиг. 2 - второй 12 и четвертый 14 в камере сгорания, первый 11 и пятый 42, образующие рекуператор 49. В схеме на фиг. 6 - первый 11 и второй 12, третий 13 и четвертый 14, образующие соответственно рекуператоры 50 и 51. In both schemes, heat exchangers are pairwise interlocked with a common one of the two coolants. In the circuit of FIG. 2 - the second 12 and fourth 14 in the combustion chamber, the first 11 and fifth 42, forming a
Предлагаемая схема обеспечивает большую глубину утилизации тепла: двухступенчатый нагрев ПВС и воздуха, двухступенчатое охлаждение ПВС (в схеме на фиг. 2 - трехступенчатый нагрев ПВС), а также компактность, удобство и простоту размещения при минимальном количестве и протяженности коммуникаций. Число теплообменников (поверхности нагрева) определяют из условия оптимума - степени рекуперации тепла и размеров и стоимости устройства. При этом температура ПВС перед Х-К должна быть в пределах 150-210оС.The proposed scheme provides a greater depth of heat recovery: two-stage heating of PVA and air, two-stage cooling of PVA (in the scheme of Fig. 2 - three-stage heating of PVA), as well as compactness, convenience and ease of placement with a minimum number and length of communications. The number of heat exchangers (heating surfaces) is determined from the optimum condition - the degree of heat recovery and the size and cost of the device. Thus PVA temperature before X-K must be within 150-210 ° C.
Пористые вставки (испаритель) могут быть выполнены, например, из металлической резины, применяемой в виброизоляторах, или из прессованных металлических мелкоячеистых сеток. Они вмонтированы в ниши, выполненные на внутренних стенках компрессорного цилиндра. Наиболее эффективное размещение - в крышке цилиндра, находящейся постоянно в контакте с газом. В этом отношении схема на фиг. 6, где крышка цилиндра свободна от клапанов, предпочтительнее. Вода к вставкам поступает через сверления в корпусе цилиндра от высоконапорной системы подачи конденсата. Porous inserts (evaporator) can be made, for example, of metal rubber used in vibration isolators, or of pressed metal fine mesh. They are mounted in niches made on the inner walls of the compressor cylinder. The most effective placement is in the cylinder cover, which is constantly in contact with the gas. In this regard, the circuit of FIG. 6, where the cylinder cover is valve free, more preferably. Water to the inserts enters through drilling in the cylinder body from a high-pressure condensate supply system.
Конденсат подается постоянно и пропитывает весь объем пористого слоя. Его подача регулируется так, что при работе в цилиндре образуется насыщенный пар. Condensate is supplied continuously and impregnates the entire volume of the porous layer. Its supply is regulated so that when working in the cylinder, saturated steam is formed.
Во всех случаях предусматривается применение замкнутого водяного контура, т.е. оборотного цикла: охлаждение отработавшей ПВС до конденсации, сбор и возврат конденсата в контур - подача его по трубопроводу высокого давления к пористым вставкам. Чтобы получить непрерывную циркуляцию воды в конденсаторе в случае ПВС достаточно охладить ее до температуры конденсации (40-60оС), что вполне достижимо при обычном воздушном охлаждении.In all cases, the use of a closed water circuit, i.e. reverse cycle: cooling the spent PVA to condensation, collecting and returning the condensate to the circuit - supplying it through a high pressure pipeline to the porous inserts. To obtain a continuous circulation of water in the condenser in the case of the PVA sufficiently cool it to the condensation temperature (40-60 ° C), which is achievable in conventional air cooling.
Эффективность предлагаемых способа работы и двигателя связана с совершенствованием его тепловой работы, улучшением теплоиспользования и обусловлена прежде всего двумя факторами: "внутренним" охлаждением холодной полости и дополнительным сжатием ПВС путем термокомпрессии; в условиях закрытого цикла на двухкомпонентном рабочем теле - ПВС и глубокой утилизации. The effectiveness of the proposed method of operation and the engine is associated with improving its thermal work, improving heat use and is primarily due to two factors: “internal” cooling of the cold cavity and additional compression of the PVA by thermal compression; in a closed cycle on a two-component working fluid - PVA and deep disposal.
Наиболее рациональная область применения - крупные стационарные установки, например энергетические (привод электрогенераторов, мощные силовые двигатели, например судовые) и т.п. Наилучшие условия работы - в долговременном стационарном режиме с незначительными колебаниями параметров. Повышенные требования связаны с эксплуатацией термокомпрессора. По мере освоения и совершенствования устройства и работы этого узла пределы применения, возможности и режимы работы предлагаемого двигателя будут расширяться. The most rational area of application is large stationary installations, for example, power plants (drive of electric generators, powerful power engines, for example, ship), etc. The best working conditions are in the long-term stationary mode with slight fluctuations in the parameters. Increased requirements are associated with the operation of the thermocompressor. With the development and improvement of the device and the operation of this unit, the application limits, capabilities and operating modes of the proposed engine will expand.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5024862 RU2022147C1 (en) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | External combution engine and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5024862 RU2022147C1 (en) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | External combution engine and method of its operation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2022147C1 true RU2022147C1 (en) | 1994-10-30 |
Family
ID=21595678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5024862 RU2022147C1 (en) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | External combution engine and method of its operation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2022147C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA023624B1 (en) * | 2012-03-28 | 2016-06-30 | Михаил Михайлович Украинко | Steam engine and its operating method |
-
1992
- 1992-01-31 RU SU5024862 patent/RU2022147C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР N 1174581, кл. F 02G 3/02, 1985. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA023624B1 (en) * | 2012-03-28 | 2016-06-30 | Михаил Михайлович Украинко | Steam engine and its operating method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8176748B2 (en) | Cao heat engine and refrigerator | |
| KR101417143B1 (en) | Piston steam engine having internal flash vapourisation of a working medium | |
| JP3544377B2 (en) | Internal combustion engine as heat engine | |
| US6415607B1 (en) | High efficiency, air bottoming engine | |
| CN1138058C (en) | Supercritical backheat-heated engine | |
| US4120157A (en) | Power generating and air conditioning system utilizing waste heat | |
| KR101018379B1 (en) | External combustion engine and output method thereof | |
| RU2022147C1 (en) | External combution engine and method of its operation | |
| JPS58220945A (en) | Heat energy recovery device in engine | |
| JPH0158321B2 (en) | ||
| LT6635B (en) | The atmospheric cold steam engine and operating method thereof | |
| KR100815091B1 (en) | Internal and external engine applying equal pressure on pistons of different cross section for electric generator | |
| CN1138952C (en) | Supercritical backheat heated heat pump unit driven thermodynamically | |
| RU2788268C1 (en) | Energy complex | |
| RU2044149C1 (en) | Method of operation of combined external combustion engine and external combustion engine | |
| SU1539391A1 (en) | Heat motor | |
| CN101994669A (en) | Solar thermoelectric co-production device | |
| RU2176323C1 (en) | Method of operation of internal combustion engine and design of engine | |
| CN114320655B (en) | Novel high-efficient Stirling engine | |
| RU1089U1 (en) | Gas piston machine with external heat exchange | |
| RU1697481C (en) | Steam power plant | |
| RU2056584C1 (en) | Supercharged boiler and steam production process in it | |
| UA146428U (en) | INSTALLATION FOR PRODUCTION OF THERMAL AND ELECTRICITY | |
| RU2018015C1 (en) | Internal combustion engine | |
| RU2285141C2 (en) | External combustion engine |