Преобразователь тепловой энергии

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что Каждый нагреватель вмонтирован в головку Цилиндра сверху И несколько выступает в его объем.3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что Цилиндры в нижней части содержат буферные полости, поршни выполнены Из тяжелого материала, не проводящего тепло, И содержат полые штокИ, выполненные с возможностью контакта с буферными полостями.4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что регенераторы всех соединенных попарно Цилиндров расположены в емкости, заполненной теплопоглощающей жидкостью И имеющей сообщение с выходным валом, выполненным полым.5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что объем нагревателя при заполнении холодным рабочим телом обеспечивает перемещение поршня в головке Цилиндра до его верхней мертвой точки.6. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что температура воздушного пространства в зоне охлаждения постоянна, стабильна И обеспечивает уменьшение давления паров рабочего тела до рабочего уровня в нагревателе, находящемся в зоне охлаждения.7. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что рабочим телом является диссоЦиирующая система, выбранная Из ряда, включающего 1 Т 2 О 4, 11 ОС 1, МОВГ.8. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что рабочим телом является жидкость, выбранная Из ряда, включающего воду, спирт, эфир.9. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что рабочим телом является газ, вь 1 бранный Из ряда, включающего СОд Н 2, Не.Изобретение относится к машиностроению, а Именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую работу в процессе осуществления пароконденсационного термодинамического Цикла в камере переменного объема с подвижной стенкой, И может быть Использовано для привода различных машин И механизмов.Известно устройство под названием Тепловой двИгатель, содержащий по крайней мере один корпус с размещенной в нем частично заполненной легкокипящей текучей средой рабочей камерой, И с размещенными в ее противоположных концах зонами Испарения И конденсации с жесткими торЦевымИ стенками, одна Из которых выполнена подвижной в виде поршня с углублением в его днище, а другая, расположенная в зоне Испарения, покрыта Изнутри капИллярно-пористым слоем И представляет собой дно вертикально установленного Цилиндра с зоной Испарения, размещенной в его верхней части. В качестве рабочего тела Используется легкокИпящая текучая среда, например фреон, спирт. В нижней части Цилиндра расположены окна, Имеющие сообщение через коллектор И картер с зоной конденсаЦИИ И рабочей камерой 1.Устройство работает следующим образом. Поршень поднимается посредством кривошипно-шатунного механизма. В верхней мертвой точке поршень конденсатом среды,скопившейся на его днище, входит в соприкосновение с капИллярно-пористым слоем днаЦилиндра. В результате этого конденсат среды, находящийся на днище поршня, за счет капиллярных сил переходит в осушенный за предыдущий период капиллярно-пористь 1 й слой зоны испарения. К зоне испарения подводится от внешнего источника теплота, которая затрачивается на испарение легкокипящей текучей среды из капиллярно-пористого слоя. Давление паров легкокипящей текучей среды внутри Цилиндра в рабочей камере возрастает, и поршень под его действием опускается, передавая Механическую энергию через кривошипно-шатуннь 1 й механизм и вал внешней нагрузке. Движение поршня вниз сопровождается осушением капиллярно-пористого слоя. При подходе к нижней мертвой точке поршень открывает коллектор, где на внутренних стенках Цилиндра конденсируются пары легкокипящей среды, отдавая свою теплоту среде, охлаждающей коллектор, а образовавшийся при этом конденсат среды стекает по стенкам Цилиндра и скапливается на днище поршня. Давление паров легкоиспаряющейся текучей среды в рабочей камере уменьшается. Поршень доходит до нижней мертвой точки. При этом капиллярно-пористь 1 й слой полностью осушается за предыдущий период. Поршень начинает подниматься, а в рабочей камере в этот момент имеет место разряжение вследствие конденсации паров среды. Далее Цикл работы теплового двигателя повторяется.К недостаткам устройства двигателя следует отнести 1) наличие кривошипно-шатунного механизма, который передает механическую энергию валу. Такая передача механической энергии приводит к большим затратам ее на трущихся деталях этого механизма 2) наличие картера, соединенного с коллектором, по которому стекает конденсат среды,по дополнительному трубопроводу приводит к тому, что конденсат среды имеет контакт со смазкой трущихся частей кривошипно-шатунного механизма, а это приводит к изменению химического состава среды и, при ее агрессивности, может привести к изменению ее свойств, а это отразится на текучести и испарительных свойствах среды 3) шарнирное соединение поршня с шатуном также приводит к затратам энергии на преодоление трения этих деталей.Известен тепловой двигатель под название Двигатель внутреннего сгорания, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механическую работу. К ним относится поршневая машина-устройство для преобразования энергии рабочего тела с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное движение в цилиндре. При движении поршня объем, занимаемый рабочим телом, периодически меняется вместе с другими параметрами (давление, температура и т.д.). В связи с чем энергия рабочего тела понижается 2.Наиболее распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выбрасывают часть тепла вместе с отработанными газами в окружающую среду, вь 1 деляют вредные отработавшие газы, а вместе с ними и присадки, улучшающие детонирующие свойства горючего и при этом являющиеся экологически вредными веществами, потребляют много дорогого топлива.Наиболее близким из широкого числа существующих в настоящее время двигателей по своей технической сущности является преобразователь тепловой энергии, совершающий механическую работу, содержащий неподвижный остов, состоящий из неподвижных деталей, направляющих и поддерживающих движущие детали механизма движения, с зонами нагрева и охлаждения и, пульсирующие - взаимозаменяемые, источники тепла и охлаждения, головку Цилиндра, разделенную на горячую и холодную рабочие полости, сообщающиеся между собой соединительными каналами и имеющие возможность изменять свой объем, с помещенными в ней рабочим и вытеснительным поршнями, рабочее тело,имеющее возможность перемещаться из одной полости в другую, нагреватель, регенератор, холодильник, выходной вал З.Полезная работа в рабочем Цикле этого преобразователя тепловой энергии (двигатель Стирлинга) совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабо ВУ 6846 Счего тела при низкой температуре И расширении того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменника. Существенным отличием двигателя Стирлинга от двигателей внутреннего сгорания является отсутствие в нем клапанов или отверстий для впуска и выпуска рабочего тела. Двигатели Стирлинга работают по замкнутому циклу, без непрерывных микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, и топлива им требуется значительно меньше. Двигатель Стирлинга - это поршневой двигатель с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется. Он может работать от любого вида тепловой энергии. Полезная работа почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. В качестве рабочего тела в двигателе обычно используется воздух,гелий или водород. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности. Нагрев, охлаждение и регенерация в двигателе осуществляются с помощью встроенных теплообменников. Основными конструктивными элементами двигателя Стирлинга являются рабочий поршень, вытеснительный поршень (в некоторых вариантах конструкции), нагреватель, регенератор, охладитель. В двигателях Стирлинга,выполненных по любой конструктивной схеме, можно выделить следующие основные механизмы, устройства и системы. 1. Механизм движения, который обеспечивает необходимый закон изменения объемов горячей и холодной полостей, воспринимает давление газов в цилиндре двигателя и преобразует поступательное движение поршней во вращательное движение вала. 2. Остов двигателя, состоящий из неподвижных деталей, направляющих и поддерживающих движущиеся детали механизма движения. 3. Теплообменные устройства, включающие воздухоподогреватель, нагреватель рабочего тела, регенератор и охладитель, которые служат для подвода теплоты от внешнего источника к рабочему телу в рабочем пространстве двигателя и отвода теплоты от рабочего тела в систему охлаждения, а также для регенерации теплоты газа, перетекающего из одной полости в другую. 4. Системы охлаждения, смазки, регулирования т.п., необходимые для нормальной работы двигателя. Работа двигателя Стирлинга.По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабочего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться в сторону меньшего давления. По мере перемещения поршня давление в цилиндре падает и, для компенсации охлаждения рабочего тела при его расширении, продолжается подвод тепла к головке цилиндра, благодаря чему процесс перемещения поршня протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью внешнего источника охлаждения. В процессе охлаждения давление в головке цилиндра продолжает падать и поршень начинает перемещаться в сторону головки цилиндра, сжимая газ. Процесс охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать нагрев рабочего тела при его сжатии. Таким образом, сжатие рабочего тела протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего положения в головке цилиндра (верхней мертвой точки), охлаждающее устройство заменяется источником тепла. И процесс повторяется. Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охлаждением, двигатель совершает полезную работу.К недостаткам устройства двигателя Стирлинга следует отнести1. Использование в качестве рабочего тела высокотекучего водорода, способного при высоких температурах диффундировать через стальные стенки нагревателя, для обеспечения постоянного давления которого необходимо прибегать к всевозможным ухищрениям и использовать довольно сложную систему уплотнителей. Местами утечек водорода являются уплотнение штока поршня и трубка нагревателя. Поэтому конструкторам приходится прибегать к сложной системе подпитки газа в процессе работы двигателя, которыйдолжен работать в среде не содержащей масел, что предотвращает их засорение. Важным элементом, ограничивающим долговечность двигателя, является система уплотнений всех деталей и корпуса двигателя. Кроме того, применение водорода в двигателях, работающих в ограниченном пространстве, нецелесообразно по условиям взрь 1 вобезопасности. Применение же воздуха или гелия более Целесообразно, но при этом для обеспечения требуемой мощности рабочий объем двигателя должен быть увеличен примерно на 40 4.2. В двигателях Стирлинга К деталям движения относятся порщни (рабочий и вь 1 теснительный), крейцкопф, поршневые пальцы, коленчатые валы, подщипники, щатуны,щтоки, траверсы и т.д. И при этом в качестве передаточных механизмов используются кривощипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая щайба, кривощипнощатуннь 1 й и дезаксиальный кривощипно-щатунный, кривощипно-кулисный механизмы. Известно, что чем больще в механизме привода движущихся частей, тем меньще, как правило, механический КПД при этом преимущества, обусловленные воспроизведением закона изменения объема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низким общим КПД двигателя. Кроме того, больщое количество деталей приводит к повыщению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания.3. Так как производимая двигателем работа снимается с рабочего порщня, то и силы,возникающие в его приводе, существенно превыщают силы, действующие в приводе вь 1 теснительного порщня. Поэтому щатун, порщневой палец и другие детали, связанные с рабочим порщнем, должны быть прочнее деталей привода вытеснительного порщня.4. В настоящее время в двигателях Стирлинга вытеснительного типа наибольщее распространение получил ромбический преобразующий механизм, который используется и в приводе рабочего и вытеснительного порщней. Он состоит из двух коленчатых валов и ряда Шатунов. При этом рабочий порщень, воспринимающий и передающий больщие нагрузки, приводится в движение четырьмя щатунами, а вытеснительный порщень - только двумя. Все это необходимо для обеспечения строгого линейного перемещения рабочего и вытеснительного порщней. Таким образом, мы видим насколько двигатели Стирлинга сложны в изготовлении и требуют применения больщого количества трущихся деталей,применение которых требует использования больщого количества уплотнений многообразных по конструкционному исполнению.5. Для достижения максимальных КПД и удельных параметров двигателя Стирлинга необходимо в его замкнутом рабочем пространстве поддерживать высокое среднее давление рабочего тела ( 100-250 кгс/см 2). В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга наиболее щироко применяются водород и гелий - газы, имеющие незначительную вязкость. Поэтому для исключения их утечки применяют уплотнения 1. Уплотнение вь 1 теснительного порщня препятствует перетеканию газа из горячей полости в холодную. А если работа уплотнения сопровождается увеличением количества рабочего тела, перетекающего из горячей полости в холодную, то повыщается нижняя температура цикла и, как следствие,уменьщается КПД и удельные параметры двигателя 2. Уплотнение рабочего порщня служит для предотвращения утечки газа из рабочего пространства, а утечка газа из рабочего пространства ведет к уменьщению массы рабочего тела, участвующего в цикле, а следовательно, и к снижению мощности и удельных показателей двигателя 3. Верхнее и нижнее уплотнения щтока вытеснительного порщня препятствуют утечке рабочего тела из рабочего пространства в картер и попаданию смазочного масла из последнего в рабочее пространство 4. Уплотнение щтока рабочего порщня предотвращает утечку рабочего тела из буферной полости в картер и от попадания смазочного масла в эту полость, а утечка рабочего тела из буферной полости ведет, с одной стороны, к возрастанию одностороннего силового воздействия на кривощипно-щатунный механизм, если буферная полость не связана с рабочим пространством, а с другой - к уменьщению массы рабочего тела, участ 5