Знакомьтесь: сильфонно-поршневой двигатель

Со времен паровой машины Уатта – первого массового теплового двигателя – и до сегодняшнего дня теория тепловых машин и совокупность технических решений по их реализации прошли длительный путь эволюции.

Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и выявило множество связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Неизменным за прошедший период для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое человеческой деятельностью в данной сфере.

Сразу отметим, что факты известной практики являются вовсе не базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Ведь и самолеты не всегда летали!

Из истории поршневых двигателей

Первым массовым тепловым двигателем была паровая машина Уатта – поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу.

Рабочий процесс паровой машины здесь обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала.

С конца XVIII до конца XIX века паровая машина была единственным распространенным тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста. Коэффициент полезного действия от нескольких процентов на начальном этапе достигает к закату эпохи паровых машин 20‑25 процентов.

К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность, вызванная большой неизбежной передачей тепла в окружающую среду, и ограничение единичной мощности.

О двигателе внутреннего сгорания

Следующим этапом развития теплотехники стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС подразделяются на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении.

Общим недостатком всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40‑50 процентов и ограничивает единичную мощность.

ПГУ и ГТУ

Вслед за ДВС широкое развитие получили паротурбинные и газотурбинные установки.

Паротурбинная (паросиловая) установка состоит из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса. Работает она по циклу Ренкина.

К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря большого количества тепла из‑за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из компрессора (сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания), собственно камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри) происходит горение топлива. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона, относится то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, то есть снижает возврат тепла в цикл. Это снижает КПД и экономичность установки.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри, относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора (по циклу Ленуара) и иметь более благоприятные условия для регенерации в этих установках, на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.

В настоящее время наиболее перспективными признаны парогазовые установки (ПГУ). ПГУ состоит из ГТУ, работающей по циклу Брайтона, и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котел-утилизатор, генерирующий пар за счет тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50 процентов.

К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, все та же компенсация, а также сложность и дороговизна установок.

Известны также реактивные (ракетные) тепловые двигатели. Главным недостатком этих двигателей является низкий КПД.

Говоря о КПД, мы везде имели в виду термический КПД.

Таким образом, исследование современного уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкие КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные и иные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Природа компенсации

Отметим еще один, пусть тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды.

Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или (то же самое) – против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации.

Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к ущербности всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 килограмм рабочего тела на выходе из тепловой машины под воздействием процессов расширения внутри машины имеет больший объем, чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 килограмм рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину – для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 килограмм рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме.

А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, то есть мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины, по сравнению с объемом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом.

И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела на выхлопе, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

О регенерации

Регенерация позволяет самым существенным образом сократить передачу тепла в окружающую среду (в холодильник), сократить компенсацию за преобразование тепла в работу. Это снижает относительную долю переданного в холодильник тепла и, следовательно, повышает термический КПД. Однако процесс предварительного сжатия рабочего тела и теплоперепад в регенераторе накладывают ограничения на глубину регенерации.

Тем не менее есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и соответственно затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне.

Сильфонно-поршневой двигатель

Автором были запатентованы две установки: «Л-2» и «Л-3».

Первая позволяет сократить компенсацию за преобразование тепла в работу, а вторая исключает ее полностью.

Общим технологическим недостатком этих установок был процесс теплопередачи в регенераторах в условиях газовой конвекции. В этих условиях теплопередача имеет очень низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора.

Автором предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, и коллектора.

Внутренняя полость рабочих цилиндров заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1).

Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов и коллектора.

Внутренняя полость сильфонных поршней заполнена трансформаторным или турбинным маслом.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом.

Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух , который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра (при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра).

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

В предлагаемой конструкции сильфонный поршень выполнен из нетеплопроводящего материала. Его сжатие и растяжение происходят только под воздействием перепада давлений по сторонам.

Источник: Энергетика и промышленность России