способ преобразования тепловой энергии в механическую работу

Формула изобретения

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающийся в том, что в качестве рабочего тела используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ, причем рабочее тело находится в рабочей камере, а передачу тепловой энергии производят к рабочему телу с последующим его расширением, а полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую энергию, отличающийся тем, что рабочее тело на всех фазах термодинамического цикла остается в замкнутой и полностью герметичной рабочей камере, кроме того, расширение рабочего тела происходит при подаче теплового потока непосредственно к рабочему телу, а сжатие рабочего тела происходит при подаче охлаждающего потока к рабочему телу, причем на рабочее тело всегда действует внешнее давление, которое больше давления рабочего тела при минимальной температуре термодинамического цикла, которая должна быть меньше критической температуры рабочего тела, а рабочее тело термоизолировано от рабочей камеры.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к силовым установкам и может быть использовано в различных областях техники, например в транспортных машинах в качестве двигателя, в энергетических установках и пр.

Аналогом 1 заявляемого технического решения является свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере два рабочих цилиндра, каждый из которых содержит рабочий поршень, разделяющий объем цилиндра на рабочую камеру, в которой установлены элементы механизма газораспределения и элемент системы подачи топлива, и герметичную подпоршневую полость, заполненную рабочей жидкостью и соединенную герметичной соединительной магистралью с подпоршневой полостью другого рабочего цилиндра, систему подачи топлива, механизм газораспределения, задатчик режима работы двигателя, преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию, отличающийся тем, что с целью одновременного обеспечения взаимонезависимого изменения рабочего объема двигателя, степени сжатия и вида топлива в процессе работы двигателя при сохранении необходимой рабочей мощности двигатель дополнительно снабжен регулятором объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров, камера изменяемого объема которого заполнена рабочей жидкостью и герметически присоединена к соединительной магистрали подпоршневых полостей, а элемент регулировки его рабочего объема соединен через дополнительно введенный усилитель-преобразователь с задатчиком режима работы двигателя, соединенным с системой подачи топлива и механизмом газораспределения (патент № 2018004, МПК F02B 71/04, дата публикации: 15.08.1994).

Аналогом 2 заявляемого технического решения является способ преобразования тепловой энергии в энергию другого вида путем сжигания топлива с образованием рабочего тела, передающего свою энергию давления инерционному аккумулятору, совершающему возвратно-поступательные движения с ускорением и торможением, и последующего превращения кинетической энергии инерционного аккумулятора в полезную работу непрерывно движущегося энергетического приемника исполнительного механизма, в котором в качестве инерционного аккумулятора используют столб нестационарно движущейся несжимаемой жидкости, обеспечивающей получение инерционного напора (патент № 2282732, МПК F02B 1/04, дата публикации заявки: 20.09.2005).

Аналогом 3 заявляемого технического решения является способ преобразования тепловой энергии в механическую путем поочередного нагрева и охлаждения в диапазоне рабочих температур жидкого рабочего тела, заполняющего герметичную камеру переменного объема, преобразования теплового расширения рабочего тела в перемещение звена отбора мощности и возвратного перемещения звена отбора мощности под действием внешней нагрузки в процессе теплового сжатия рабочего тела, в котором с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока в качестве рабочего тела используют жидкость (авторское свидетельство № 1495493, МПК F03G 7/06, дата публикации заявки: 23.07.1989).

Аналогом 4 заявляемого технического решения является способ работы теплового двигателя, включающий использование в качестве рабочего вещества газожидкостного раствора, который вводят в закрытое посредством рабочей стенки пространство при температуре котла, объем которого в первой рабочей фазе расширяется движением подвижной стенки от внутренней мертвой точки до внешней мертвой точки, который затем отдает тепло, а во второй рабочей фазе через движение подвижной стенки к внутренней мертвой точке газожидкостный раствор сжимается до исходного объема, при этом рабочее вещество посредством теплообмена доводится до температуры котла, а в качестве рабочего вещества используют газожидкостный раствор, обладающий обратной растворимостью по температуре, при этом выбирают давление и концентрацию газожидкостного раствора, при которых он при температуре котла находится в зоне обратной растворимости по температуре и парциальное давление паров жидкого компонента в газожидкостном растворе является минимальным (патент № 2121582, МПК F01К 25/06, дата публикации заявки: 10.11.1998).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающийся в том, что в качестве рабочего тела используют смесь из нескольких компонентов, при этом одна группа компонентов смеси представляет собой теплопоглотитель, а другая - жидкий теплоноситель, который предварительно нагревают, после чего в рабочей камере производят передачу тепловой энергии от теплоносителя к теплопоглотителю путем смешивания теплоносителя с теплопоглотителем с последующим расширением рабочего тела, полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу, после чего отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла, отличающийся тем, что нагрев жидкого теплоносителя осуществляют за счет тепловой энергии окружающей среды, а в качестве теплопоглотителя используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ в процессе смешивания с теплоносителем, при этом отработанный теплоноситель отводят для повторного нагрева за счет тепловой энергии окружающей среды (Патент № 2166103, МПК F01K 25/04, дата публикации: 27.04.2001).

Недостаток известных технических решений заключается в необходимости использования больших градиентов температур при нагревании и охлаждении рабочего тела.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение разницы температур, необходимых для запуска процесса преобразования, а также снижение потерь на трение.

Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия технического устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающемся в том, что в качестве рабочего тела используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ, причем рабочее тело находится в рабочей камере, а передачу тепловой энергии производят к рабочему телу с последующим его расширением, а полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую энергию, рабочее тело на всех фазах термодинамического цикла остается в замкнутой и полностью герметичной рабочей камере, кроме того, расширение рабочего тела происходит при подаче теплового потока непосредственно к рабочему телу, а сжатие рабочего тела происходит при подаче охлаждающего потока к рабочему телу, причем на рабочее тело всегда действует внешнее давление, которое больше давления рабочего тела при минимальной температуре термодинамического цикла, которая должна быть меньше критической температуры рабочего тела, а рабочее тело термоизолировано от рабочей камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана схема устройства, реализующего заявляемый способ;

на фиг.2 показана циклическая диаграмма, описывающая термодинамический процесс, проходящий в цилиндре устройства, реализующего заявляемый способ.

Устройство, реализующее заявляемый способ, состоит из цилиндра 1, поршней 2 и 6, штока 3, рабочего тела 7, находящегося в газовой фазе 4 и жидкой фазе 5, радиатора 8, покрытия 9.

Нагрев рабочего тела 7, находящегося в газовой фазе 4 и жидкой фазе 5, производят в цилиндре 1, причем цилиндр 1 полностью герметичен, а тепло подводят непосредственно к рабочему телу 7. Цилиндр 1 содержит поршень 6, соединенный штоком 3 с поршнем 2. Цилиндр 1 выполнен с теплоизолирующим покрытием 9, а при помощи радиатора 8 происходит подача тепла к рабочему телу 7. Рабочая камера состоит из цилиндра 1 и поршня 6.

Способ реализуется следующим образом. При охлаждении охлаждающим потоком Q₂ цилиндра 1 происходит изохорическое охлаждение рабочего тела 7 с уменьшением его энергии и, соответственно, давления Р от точки «а» до точки «b» (фиг.2), находящейся на линии L₁-L ₂, которая обозначает границу равновесия фазовых состояний (ГРФС), участок «а»-«b». После прохождения ГРФС внешнее давление, оказывающее давление с силой F₀ на поршень 2, превышает давление в цилиндре 1, оказывающее давление с силой F_p.т., происходит изотермическое сжатие рабочего тела 7 в цилиндре 1, участок «b»-«с». В точке «с» изотермическое сжатие сменяется изобарическим сжатием, так как температура и давление рабочего тела 7 достигают своего минимума. Температура рабочего тела 7 на участке «c»-«d» всегда меньше критической температуры вещества, используемого в качестве рабочего тела 7. При этом пересыщенная газовая фаза 4 рабочего тела 7 переходит в жидкую фазу 5 путем конденсации при неизменном постоянном давлении и минимальном усилии сопротивления, в полном соответствии с ходом изотерм Ван-дер-Ваальса. В точке «d» происходит смена тепловых потоков, начинается изохорическое нагревание тепловым потоком Q₁ рабочего тела 7, основная часть которого находится в жидкой фазе 5, участок «d»-«e». После прохождения точки «е», лежащей на линии равновесия L₁-L₂, начинается процесс испарения (кипения) жидкой фазы рабочего тела 7, происходит изотермическое расширение рабочего тела 7, участок «e»-«f». В точке «f» изотермическое расширение сменяется изобарическим расширением, так как давление рабочего тела 7 достигает своего максимума, определяемого верхней границей температуры теплового потока. В случае если температура теплового потока Q₁ превышает температуру критическую вещества, используемого в качестве рабочего тела 7, то вся жидкая фаза 5 переходит в газовую фазу 4. Кроме того, стенки цилиндра 1 термоизолированы от рабочего тела 7, например, с помощью керамического покрытия 9 стенок цилиндра 1 и поршня 6.

При реализации данного способа преобразования энергии происходит изобарическое перемещение штока 3 в любое положение, т.е. давление в цилиндре 1 будет постоянным.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность работы машин, а именно коэффициент полезного действия при преобразовании тепловой энергии в механическую.