RU2246021C2 - Engine with external delivery of heat - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of engines.

SUBSTANCE: proposed engine has reservoir filled with heat-transfer agent and heat exchanger located inside this reservoir; heat exchanger has chamber containing working medium; reservoir is connected with radiator and heat-transfer agent heater forming closed hot and cold heat-transfer agent loops; actuating mechanism is made in form of cylinder with constant pressure chamber and working pressure chamber connected with working medium chamber; heat exchanger is made in form of tubes whose holes are connected with heat-transfer agent reservoir. Hot heat-transfer loop includes heater, hot heat-transfer agent supply control unit and pipe lines. Cold heat-transfer agent loop includes radiator, cold heat-transfer agent supply control unit and pipe lines. Used as heat-transfer agent is water; oil AMГ-10 may be used as working medium.

EFFECT: enhanced efficiency; increased service life of engine; simplified construction.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего тела, и может быть использовано в двигателях с внешним подводом тепла.The invention relates to mechanical engineering, in particular to engines operating when expanding and compressing the mass of the working fluid, and can be used in engines with external heat supply.

Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепловой энергии, систему циркуляции теплоносителя, включающую теплообменное устройство, накопитель теплоносителя, насос для его подачи и трубопроводы, камеру рабочего тела. (патент РФ №2166103, См. МПК F 01 K 25/04, опубл. 27.04.01 г.)A known engine with an external heat supply containing a source of thermal energy, a coolant circulation system including a heat exchange device, a coolant storage device, a pump for its supply and pipelines, a working medium chamber. (RF patent No. 2166103, See IPC F 01 K 25/04, publ. 04/27/01)

Существенными недостатками известного устройства являются:Significant disadvantages of the known device are:

- низкий коэффициент полезного действия, обусловленный большими затратами энергии на получение жидкого воздуха или азота;- low efficiency, due to the large expenditure of energy to obtain liquid air or nitrogen;

- значительный выброс азота или воздуха с примесями пенообразующих веществ в атмосферу, обусловленный образованием сжатого пенообразующего газа, повышенного до сотен атмосфер давления;- a significant release of nitrogen or air with impurities of foaming substances into the atmosphere, due to the formation of compressed foaming gas, increased to hundreds of pressure atmospheres;

- шумная работа, обусловленная тем, что при смешении в цилиндре двигателя теплоносителя и теплопоглотителя резко увеличивается давление образующего газа;- noisy work, due to the fact that when mixing in the cylinder of the engine coolant and heat sink, the pressure of the generating gas increases sharply;

- низкий ресурс, обусловленный тем, что при температурах минус 25°С и ниже работа двигателя приводит его к перегрузкам.- low resource, due to the fact that at temperatures minus 25 ° C and below, the operation of the engine leads to overloads.

Наиболее близким к заявляемому является двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, холодные камеры сжатия с изменяемым объемом, горячие камеры расширения с изменяемым объемом, камеры охлаждения постоянного объема и горячие камеры постоянного объема, соединенные с холодными камерами сжатия с изменяемым объемом и горячими камерами расширения с изменяемым объемом, исполнительный механизм (cм. патент Российской Федерации №2042851, МПК F 02 G 1/043, опубл. 27.07.95 г.)Closest to the claimed is an external heat supply engine containing a heat source, a heat exchanger, variable volume cold compression chambers, variable volume hot expansion chambers, constant volume cooling chambers and hot constant volume chambers connected to cold variable volume chambers and hot expansion chambers with variable volume, actuator (see patent of the Russian Federation No. 2042851, IPC F 02 G 1/043, publ. 07.27.95)

Существенными недостатками известного устройства являются:Significant disadvantages of the known device are:

- низкий коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что:- low efficiency, due to the fact that:

- при работе двигателя невозможно получить высокое давление и температуру за счет использования камер сжатия и расширения переменного объема с использованием их в виде сильфонов или цилиндропоршневой группы, при работе которых образуется вредное пространство, в котором остается неиспользованный газ, не участвующий в работе;- when the engine is running, it is impossible to obtain high pressure and temperature due to the use of compression chambers and expansion of variable volume using them in the form of bellows or a cylinder-piston group, during which a harmful space is formed in which unused gas remains that is not involved in the work;

- большой протяженностью трубопроводов и каналов рабочего тела, приводящей к большим тепловыми потерям и потерям давления;- a large length of pipelines and channels of the working fluid, leading to large heat losses and pressure losses;

- сложная конструкция, обусловленная:- complex construction due to:

- наличием отдельных холодных и горячих камер сжатия и расширения с изменяемым объемом, а также горячих и холодных камер постоянного объема;- the presence of separate cold and hot chambers of compression and expansion with a variable volume, as well as hot and cold chambers of constant volume;

- наличием исполнительного механизма, выполненного в виде рычажно-сферического механизма преобразования расширения рабочего тела во вращение вала двигателя;- the presence of an actuator made in the form of a lever-spherical mechanism for converting the expansion of the working fluid into the rotation of the motor shaft;

- низкий ресурс работы, обусловленный низкой усталостной прочностью камер сжатия и расширения, выполненных в виде сильфонов.- low service life due to the low fatigue strength of compression and expansion chambers made in the form of bellows.

Задачей изобретения является создание двигателя с внешним подводом тепла с высоким коэффициентом полезного действия и ресурсом работы при упрощении конструкции.The objective of the invention is to provide an engine with an external supply of heat with a high efficiency and service life while simplifying the design.

Задача достигается тем, что двигатель с внешним источником тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, исполнительный механизм, согласно изобретению дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителей, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя, контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы, контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы, в качестве теплоносителя использована вода, а в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10.The objective is achieved in that the engine with an external heat source, comprising a heat source, a heat exchanger, an actuator, according to the invention further comprises a container with a heat carrier, inside of which there is a heat exchanger with a working medium chamber, while the tank is connected to a radiator and a heat carrier heater with the formation of closed loops hot and cold coolants, and the actuator is made in the form of a cylinder with a cavity of constant pressure and a cavity of working pressure connected to a measure of the working fluid, while the heat exchanger is made in the form of tubes, the openings of which are connected to the coolant tank, the hot coolant circuit includes a heater, a hot coolant supply control unit, pipelines, a cold coolant circuit includes a radiator, a coolant supply control unit, pipelines, as a coolant water was used, and oil, for example, grade AMG-10, was used as a working fluid.

Заявляемое изобретение имеет отличия от прототипа в существенных признаках:The claimed invention has differences from the prototype in essential features:

- дополнительно содержит емкость с теплоносителем;- additionally contains a container with a coolant;

- внутри емкости расположен теплообменник с камерой рабочего тела;- inside the tank there is a heat exchanger with a working fluid chamber;

- емкость соединена с нагревателем с образованием контура горячего теплоносителя;- the tank is connected to the heater with the formation of the hot coolant circuit;

- емкость соединена с радиатором с образованием контура холодного теплоносителя;- the capacity is connected to the radiator with the formation of the cold coolant circuit;

- исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления;- the actuator is made in the form of a cylinder with a cavity of constant pressure and a cavity of working pressure;

- полость рабочего давления соединена с камерой рабочего тела.- the cavity of the working pressure is connected to the chamber of the working fluid.

Следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию “новизна”.Therefore, the proposed invention meets the criterion of "novelty."

Введение дополнительной емкости с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, позволит сократить тепловые потери при передаче тепла от теплоносителя к рабочему телу как за счет уменьшения пути движения теплоносителя, так и за счет увеличения поверхности контакта теплоносителя с рабочим телом посредством трубок теплообменника, а соединение емкости с теплоносителем в замкнутый контур горячего и холодного теплоносителей позволит рекуперировать неиспользованное тепло при нагреве и охлаждении рабочего тела и исключить сложную систему теплопередачи в виде горячих камер расширения с изменяемым и постоянным объемом от теплоносителя рабочему телу, при которой имеют место значительные тепловые потери, при этом функции камер нагрева и охлаждения выполняет внутренний объем большого количества трубок теплообменника, которые попеременно являются камерами нагрева и камерами охлаждения, а камера рабочего тела при нагреве выполняет функцию камеры расширения, а при охлаждении - функцию камеры сжатия рабочего тела, увеличивая тем самым ресурс работы двигателя и упрощая конструкцию.The introduction of an additional tank with a heat carrier, inside of which there is a heat exchanger with a working medium chamber, will allow to reduce heat losses during heat transfer from the coolant to the working fluid both by reducing the path of the coolant and by increasing the contact surface of the coolant with the working fluid through the heat exchanger tubes, and the connection of the tank with the coolant in a closed loop of hot and cold coolants will allow you to recover unused heat during heating and cooling its bodies and to exclude a complex heat transfer system in the form of hot expansion chambers with a variable and constant volume from the coolant to the working fluid, in which there are significant heat losses, while the functions of the heating and cooling chambers are performed by the internal volume of a large number of heat exchanger tubes, which are alternately heating chambers and cooling chambers, and the chamber of the working fluid, when heated, acts as an expansion chamber, and when cooled, the function of the compression chamber of the working fluid, thereby increasing the with the engine operation, and simplifying design.

Выполнение исполнительного механизма в виде цилиндра с полостью постоянного давления и с полостью рабочего тела, соединенной с камерой рабочего тела, позволит создать внутри теплообменника, в камере рабочего тела высокое давление (20 МПа), которое при нагреве и расширении рабочего тела увеличивается в несколько раз и передается в полость рабочего давления цилиндра, действуя на поршень, производя работу, при этом увеличивая коэффициент полезного действия работы двигателя.The execution of the actuator in the form of a cylinder with a cavity of constant pressure and with a cavity of the working fluid connected to the chamber of the working fluid will allow high pressure (20 MPa) to be created inside the heat exchanger in the chamber of the working fluid, which increases several times during heating and expansion of the working fluid and transferred to the cylinder working pressure cavity, acting on the piston, performing work, while increasing the efficiency of the engine.

В предложенном решении все отличительные признаки взаимосвязаны и в сочетании с другими признаками позволяют получить новый технический результат: повысить коэффициент полезного действия работы двигателя, увеличить его ресурс и упростить конструкцию.In the proposed solution, all the distinguishing features are interconnected and, in combination with other features, allow to obtain a new technical result: increase the efficiency of the engine, increase its service life and simplify the design.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен общий вид двигателя в разрезе.The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the engine in section.

Двигатель с внешним подводом тепла содержит источник тепла, выполненный в виде камеры сгорания 1, теплообменник в виде трубок 2, расположенных в корпусе 3, установленном в емкости 4 с теплоносителем, например водой, внутри которой расположена камера 5 рабочего тела, например, масла АМГ-10.An engine with an external heat supply contains a heat source made in the form of a combustion chamber 1, a heat exchanger in the form of tubes 2 located in a housing 3 installed in a tank 4 with a coolant, such as water, inside which there is a chamber 5 of a working fluid, for example, AMG- oil 10.

Замкнутый контур горячего теплоносителя включает нагреватель 6 теплоносителя, емкость 4, блок управления подачи теплоносителя, состоящий из электромагнитного клапана 7 входа теплоносителя, насоса 8, дроссельного крана 9, электромагнитного клапана 10 выхода теплоносителя, трубопроводов 11.The closed loop of the hot coolant includes a coolant heater 6, a container 4, a coolant supply control unit, consisting of a coolant inlet solenoid valve 7, a pump 8, a throttle valve 9, a coolant outlet solenoid valve 10, pipelines 11.

Замкнутый контур холодного теплоносителя включает радиатор 12 воздушно-водяной с расположенными внутри гофрированными латунными трубками (на чертеже не показаны), емкость 4, блок управления подачи холодного теплоносителя, состоящий из электромагнитного клапана 13 входа теплоносителя, насоса 14, электромагнитного клапана 15 выхода теплоносителя, трубопроводы 16.The closed loop of the coolant includes an air-water radiator 12 with corrugated brass tubes located inside (not shown in the drawing), tank 4, a coolant supply control unit, consisting of a coolant inlet solenoid valve 13, a pump 14, a coolant outlet solenoid valve 15, pipelines 16.

Исполнительный механизм выполнен в виде двух цилиндрических корпусов 17 и 18, внутри которых расположен шток 19, соединенный с одной стороны с поршнем 20 с образованием полости 21 рабочего давления, а с другой стороной с поршнем 22 с образованием полости 23 постоянного давления. Полость 21 рабочего давления соединена с камерой 5 рабочего тела трубопроводом 24. Полость 23 постоянного давления соединена трубопроводом 25 с буферным воздушным баллоном 26.The actuator is made in the form of two cylindrical bodies 17 and 18, inside of which there is a rod 19, connected on one side to the piston 20 to form the working pressure cavity 21, and on the other side to the piston 22 to form the constant pressure cavity 23. The cavity 21 of the working pressure is connected to the chamber 5 of the working fluid by a pipe 24. The cavity 23 of constant pressure is connected by a pipe 25 to a buffer air cylinder 26.

Поршень 22 соединен с золотником 27, расположенным в корпусе 28, на котором установлены контактные переключатели 29 и 30.The piston 22 is connected to a spool 27 located in the housing 28, on which the contact switches 29 and 30 are mounted.

Радиатор 12 соединен с камерой сгорания 1 подогревателем 31, внутри которого расположены продольные пластины 32, образующие каналы как для прохода воздуха, поступающего от вентилятора 33, так и отработанных газов из нагревателя 6 теплоносителя. Отработанные газы удаляются из камеры сгорания 1 посредством трубы 34. Трубопроводы 11, 16, 24, 34 и корпуса 1, 3, 6, 12, 18, 31 снабжены термоизоляцией 35.The radiator 12 is connected to the combustion chamber 1 by a heater 31, inside of which there are longitudinal plates 32 forming channels for both the passage of air coming from the fan 33 and the exhaust gases from the heating medium 6. Exhaust gases are removed from the combustion chamber 1 by means of a pipe 34. Pipelines 11, 16, 24, 34 and the housing 1, 3, 6, 12, 18, 31 are provided with thermal insulation 35.

Двигатель с внешним подводом тепла работает следующим образом.An engine with external heat supply operates as follows.

В камере сгорания 1 происходит сжигание жидкого или газообразного топлива с образованием газообразных продуктов сгорания, которые поступают в нагреватель 6 теплоносителя, выполненный трубчатого типа, который нагревает воду до температуры немного ниже точки кипения и автоматически поддерживается постоянной при работе двигателя. Нагретый теплоноситель посредством насоса 8, открытого клапана 7 и дроссельного крана 9 поступает в емкость 4 и в трубки 2 теплообменника, из которых вытесняет охлажденный теплоноситель в контур холодного теплоносителя, и одновременно при этом происходит передача тепла через стенки трубок 2 рабочему телу, находящемуся в камере 5, которое постоянно сжато до давления 20 МПа посредством поршня 22 полости постоянного давления 23, создаваемого и поддерживаемого сжатым маслом, поступаемым по трубопроводу 25 из буферного воздушного баллона 26.In the combustion chamber 1, liquid or gaseous fuel is burned with the formation of gaseous products of combustion, which enter the heat carrier heater 6, made of a tubular type, which heats the water to a temperature slightly below the boiling point and is automatically maintained constant during engine operation. The heated heat carrier through the pump 8, the open valve 7 and the throttle valve 9 enters the tank 4 and into the heat exchanger tubes 2, from which the cooled coolant is displaced into the cold coolant circuit, and at the same time, heat is transferred through the walls of the tubes 2 to the working fluid in the chamber 5, which is continuously compressed to a pressure of 20 MPa by means of a piston 22 of a constant-pressure cavity 23 created and supported by compressed oil supplied through a pipe 25 from a buffer air cylinder 26.

При передаче тепла рабочему телу происходит увеличение его объема.When heat is transferred to the working fluid, its volume increases.

Давление при этом возрастает в несколько раз, при котором рабочее тело поступает в полость 21 и воздействует па поршень 20, перемещая его из нижнего крайнего положения (нижняя мертвая точка) в крайнее верхнее положение (верхняя мертвая точка), производя при этом работу. При достижении верхней мертвой точки путем воздействия золотника 27 на контактный переключатель 29 происходит открытие электромагнитных клапанов 13 и 10 и одновременное закрытие электромагнитных клапанов 7 и 15, при этом происходит поступление холодного теплоносителя из радиатора 12 в трубки 2 теплообменника и вытеснение оставшегося горячего теплоносителя в нагреватель 6 и охлаждение рабочего тела, находящегося в камере 5, уменьшение его объема до первоначального, и под действием давления в полости 23 шток 19 с поршнями 22 и 20 перемещается в крайнее нижнее положение, при достижении которого золотник 27 воздействует на переключатель 30, происходит закрытие электромагнитных клапанов 13 и 10 и открытие клапанов 7 и 15 и поступление горячего теплоносителя из нагревателя 6 в емкость 4 и трубки 2 теплообменника, вытесняя холодный теплоноситель с остатками тепла в радиатор 12. Поршень 20 перемещается в верхнее крайнее положение, и далее процесс повторяется.The pressure in this case increases several times, at which the working fluid enters the cavity 21 and acts on the piston 20, moving it from the lower extreme position (lower dead center) to the highest upper position (upper dead center), while doing work. When reaching the top dead center by the action of the spool 27 on the contact switch 29, the solenoid valves 13 and 10 are opened and the solenoid valves 7 and 15 are simultaneously closed, while the coolant flows from the radiator 12 to the heat exchanger tubes 2 and the remaining hot coolant is forced out into the heater 6 and cooling the working fluid in the chamber 5, reducing its volume to the original one, and under the action of pressure in the cavity 23, the rod 19 with pistons 22 and 20 moves to the edge its lower position, upon reaching which the spool 27 acts on the switch 30, the solenoid valves 13 and 10 are closed and the valves 7 and 15 are opened and the hot coolant flows from the heater 6 into the tank 4 and the heat exchanger tube 2, displacing the coolant with residual heat into the radiator 12. The piston 20 moves to the upper extreme position, and then the process is repeated.

Скорость поступления горячего теплоносителя регулируется посредством изменения проходного сечения дроссельного крана 9.The flow rate of hot coolant is controlled by changing the flow area of the throttle valve 9.

К поршню 20 исполнительного механизма присоединяется рабочий механизм, в качестве которого могут быть машины с возвратно-поступательным движением рабочих органов, например насосы, жидкостный насос с гидромотором, линейный электрогенератор и др.A working mechanism is connected to the actuator piston 20, which can be machines with reciprocating movement of the working bodies, for example, pumps, a liquid pump with a hydraulic motor, a linear electric generator, etc.

Применение заявляемого изобретения позволит увеличить коэффициент полезного действия работы двигателя, увеличить ресурс работы и упростить конструкцию. Кроме этого, уменьшить токсичность отработанных газов и устранить шумность двигателя.The use of the claimed invention will increase the efficiency of the engine, increase the service life and simplify the design. In addition, reduce the toxicity of exhaust gases and eliminate engine noise.

Claims (4)

1. Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепла, теплообменник, исполнительный механизм, отличающийся тем, что дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителя, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя.1. An engine with an external heat supply, comprising a heat source, a heat exchanger, an actuator, further comprising a container with a heat carrier, inside of which there is a heat exchanger with a working medium chamber, while the tank is connected to a radiator and a heat carrier with the formation of closed hot circuits and coolant, and the actuator is made in the form of a cylinder with a cavity of constant pressure and a cavity of working pressure connected to the chamber of the working fluid, while the heat exchanger is made in the form of tubes, the openings of which are connected to the heat carrier capacity. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что замкнутый контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы, а замкнутый контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы.2. The engine according to claim 1, characterized in that the closed circuit of the hot coolant includes a heater, a control unit for supplying a hot coolant, pipelines, and the closed loop of a cool coolant includes a radiator, a control unit for supplying a coolant, pipelines. 3. Двигатель по пп.1,2, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя использована вода.3. The engine according to claims 1, 2, characterized in that water is used as a heat carrier. 4. Двигатель по пп.1,2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10.4. The engine according to claims 1, 2, characterized in that oil, for example, grade AMG-10, is used as a working fluid.