CZ2021190A3 - Dvoudobý tepelný plynový motor - Google Patents

Abstract

Dvoudobý tepelný plynový motor se skládá z izobaricko- izotermického kompresoru, který je stále ochlazován na nižší teplotu T1, a izobaricko-izotermického motoru, který je stále ohříván na horní teplotu T2. V první době je pracovní plyn ochlazený na spodní teplotu přesunut z kompresorového válce (1) přes protiproudý tepelný výměník (5), kde odebere teplo proti proudícímu pracovnímu plynu, do izobarického válce (3) motoru, který má vyšší teplotu T2. Zde se izobaricky rozpíná a koná práci. Souběžně je pracovní plyn z izotermického válce motoru stlačen izobaricky protiproudy tepelný výměník (5) do izobarického válce kompresoru (2). Ve druhé době je pracovní plyn z izobarického válce (3) motoru přesunut do izotermického válce (4) motoru, zde se rozpíná izotermicky a vykoná kladnou práci. Souběžně je pracovní plyn z válce (2) kompresoru izotermicky stlačen do válce (1) kompresoru a přitom je mu dodána část izotermické práce vykonané v motoru, která je v podobě tepla Q odvedena chladičem.

Description

Dvoudobý tepelný plynový motor

Oblast techniky

Vynález se týká dvoudobého tepelného plynového motoru pracujícího v uzavřeném dokonalém izobaricko-izotermicko-izobaricko-izotermickém termodynamickém cyklu a teplo do motoru je dodáváno z vnějšího zdroje.

Dosavadní stav techniky

V současnosti je známa pouze jedna koncepce plynového motoru, který se obecně nazývá Stirlingův motor. Tento motor se vyznačuje tím, že pracuje ve značně nedokonalém izochorickoizotermicko-izochoricko-izotermickém cyklu. Jeho zásadní nevýhodou je velmi nízká praktická účinnost, která je dána zejména nedokonalostí použitého cyklu a navíc značně nedokonalým průběhem vlastních dějů cyklu.

Úkolem předkládaného vynálezu je pomoci zcela nově vyvinutého dokonalého termodynamického cyklu a jemu přizpůsobené vlastní konstrukci motoru, který zajistí dokonalý průběh jednotlivých dějů cyklu dosáhnout výrazného zvýšení praktické účinnosti.

Podstata vynálezu

Tento úkol je řešen dvoudobým tepelným plynovým motorem, podle vynálezu, který pracuje v nově sestrojeném pracovním termodynamickém cyklu a který se skládá ze dvou dějů izotermických a dvou dějů izobarických. Vlastní motor je konstruován tak aby umožnil to, aby jednotlivé děje proběhly během cyklu co nej dokonaleji.

Dvoudobý tepelný plynový motor sestává z dvouválcového kompresoru, který je umístěn na straně chladiče a má nižší termodynamickou teplotu TI, a jeho hřídel z jedné strany je propojena přes termoizolační spojku s dvouválcovým motorem, jenž je umístěn na straně ohřívače a pracuje při vyšší termodynamické teplotě T2. Na vyvedené hřídeli z druhé strany kompresoru je uložen setrvačník a je zde odebírána vykonaná mechanická práce W. Jednotlivé válce kompresoru jsou přes zpětné ventily propojeny s protiproudým tepelným výměníkem a vyrovnávacím zásobníkem pracovního plynu a z druhé strany je protiproudý výměník spojen přes rozvody ovládané ventily s válci dvouválcového motoru. Dále jsou válce kompresoru mezi sebou propojeny zpětným ventilem a válce motoru j sou propoj eny ventilem ovládaným rozvody V plynovém tepelném motoru jej ako pracovní látka použit stlačený plyn.

Tepelný plynový motor pracuje v izobaricko-izotermicko-izobaricko-izotermickém cyklu tak že cyklus proběhne během dvou dob, tedy během jedné otáčky motoru, přičemž v první době proběhnou oba izobarické děje a ve druhé době proběhnou oba děje izotermické a během této doby je vykonána využitelná práce W_v.

První doba probíhá tak, že motor je ohřát pomoci ohřívače na danou termodynamickou teplotu T2 a kompresor je pomocí chladiče udržován na dané nižší termodynamické teplotě TI, poté je pracovní plyn z prvního izobarického válce kompresoru přesunut přes zpětný ventil a protiproudy tepelný výměník a pomocí rozvodu otevřený ventil do prvního izobarického válce motoru, přičemž se rozpíná izobaricky a vykoná kladnou izobarickou práci W1. Souběžně jez druhého válce motoru pracovní plyn izobaricky stlačen přes otevřený ventil a protiproudý tepelný výměník, kde předá většinu svého měrného tepla c_v a tepla rovnajícího se dodané izobarické práci protiproudícímu pracovnímu plynu a je dále stlačen přes zpětný ventil do druhého izotermického válce kompresoru , přitom je mu dodána stejně velká práce Wl, která byla vykonána během izobarického rozpínání

-1 CZ 2021 - 190 A3 pracovního plynu v izobarickém válci motoru, takže tyto práce se vyruší a v této době cyklu stroj žádnou ani kladnou ani zápornou práci nekoná. Ve druhé době probíhají děje izotermické, přičemž je pracovní plyn z prvního izobarického válce motoru přesunut přes otevřený ventil do druhého izotermického válce motoru, zde se izotermicky rozpíná a vykoná práci Wizoterm., která je rovna odebranému teplu Q z ohřívače. Souběžně je z druhého izotermického válce kompresoru stlačen pracovní plyn přes zpětný ventil izotermicky do prvního izobarického válce kompresoru. Přitom je dodaná práce Wizoterm. 1 odvedena v podobě tepla Q1 do chladiče, tím je celý cyklus ukončen.

Objemy válců obou strojů tedy jak kompresoru tak motoru je potom nutno nastavit tak, aby jednotlivé děje proběhly co nejpřesněji, a jsou vypočítány na základě velikosti pracovních termodynamických teplot TI a T2 ajejich rozdílu. Izobarické děje jsou ve své podstatě nahrazením dějů adiabatických v teoretickém Camotově cyklu, které teoreticky plní stejný účel a to ten, že se vrátí teoreticky celé měrné teplo c_v do plynu dodané na začátku cyklu zpět do každého dalšího cyklu , takže si celý proces můžeme představit tak že samozřejmé teoreticky je měrné teplo Q_cv nulové, takže z ohřívače je odebíráno pouze teplo které odebere motor při izotermické expanzi a využitelná práce je potom dána rozdílem kladné a záporné izotermické práce. Takže maximální teoretická účinnost mezi dvěma danými teplotami dvoudobého tepelného plynového motoru je W2 - W1 / W2. teoreticky maximálně dosažitelná účinnost je potom naprosto shodná s teoreticky maximálně dosažitelnou účinností Camotova cyklu a pro výpočet účinnosti mezi dvěma danými teplotami platí Camotův vztah.

Výhodou konstrukce dvoudobého tepelného plynového motoru je to že v první době proběhnou v protiproudém výměníku oba děje izobarické takže v protiproudém výměníku probíhá z jedné strany izobarická expanze pracovního plynu z izobarického válce kompresoru do prvního izobarického válce motoru a z druhé strany probíhá izobarická komprese pracovního plynu z motoru do kompresoru, je v první větvi protiproudého tepelného výměníku stále tlak p2 a ve druhé větvi stále tlak pl, vzhledem k tomu že protiproudy tepelný výměník na straně kompresoru je uzavírán zpětnými ventily a na straně motoru rozvody ovládanými ventily, může mít protiproudý tepelný výměník značný objem, aniž by se tento mohl promítnout negativně z hlediska takzvaného mrtvého objemu, to umožní bez větších problémů dosáhnout praktické účinnosti protiproudého výměníku až kolem 90%.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále blíže objasněn výkresy konkrétního přikladu provedení dvoudobého tepelného plynového motoru podle vynálezu, kde znázorňuje:

Obr. 1 - schematickou sestavu motoru, kde nejsou zakresleny rozvody ovládající ventily motoru pro větší přehlednost.

Obr. 2 - diagram p-V na kterém je zakreslen průběh dokonalého izobaricko izotermicko izobarickoizotermického cyklu, kde úsečka 1-2 představuje izobarickou expanzi a izoterma 2-3 izotermickou expanzi při vyšší termodynamické teplotě T2, úsečka 3-4 izobarickou kompresi a izoterma 4-1 izotermickou kompresi při nižší termodynamické teplotě TI.

Příklad uskutečnění vynálezu

Dvoudobý tepelný plynový motor pracuje v dokonalém termodynamickém izobarickoizotermicko-izobaricko-izotermickém cyklu tak, že v první době proběhnou izobarické děje a ve druhé době proběhnou děje izotermické, se skládá z izobaricko-izotermického kompresoru, který je stále ochlazován na nižší teplotu TI, a izobaricko-izotermického motoru, který je stále ohříván na horní termodynamickou teplotu T2, přičemž jsou hřídele propojeny termoizolační spojkou 13 a na druhé straně hřídele kompresoru je osazen setrvačník 14 a je odebírána vykonaná mechanická

-2 CZ 2021 - 190 A3 práce W_v. Dvoutaktní tepelný plynový motor pracuje tak že v první době je pracovní plyn ochlazeny na spodní termodynamickou teplotu TI, přesunut z kompresorového válce 1 přes zpětný ventil 9 a vyrovnávací zásobník pracovního plynu 6 dále přes protiproudy tepelný výměník 5, kde odebere teplo protiproudícímu pracovnímu plynu a přes otevřený ventil 10 do izobarického válce 3 motoru který má vyšší termodynamickou teplotu T2, zde se izobaricky rozpíná a koná práci.

Souběžně je pracovní plyn z izotermického válce motoru 4 stlačen izobaricky přes otevřený ventil 12 a protiproudy tepelný výměník 5 a dále zpětný ventil 7 do izobarického válce kompresoru 2. přitom je ventil 11 uzavřen. Protože obě vykonané izobarické práce jsou stejně velké, tak se v podstatě vyruší a dvoutaktní tepelný motor v této době nekoná žádnou práci, tím je první doba ukončena. Ve druhé době je ventil 10 a 12 uzavřen a otevřen ventil 11 a pracovní plyn je z izobarického válce 3 motoru přesunut do izotermického válce 4 motoru, zde se rozpíná izotermicky a vykoná kladnou práci. Souběžně je pracovní plyn z válce 2 kompresoru přes zpětný ventil 8 izotermicky stlačen do válce 1 kompresoru a přitom je mu dodána část izotermické práce vykonané v motoru, přičemž je teplo Q rovnající se dodané izotermické práci odvedeno chladičem. Ventily motoru 10, 11 a 12 jsou ovládány příslušnými ventilovými rozvody, které nejsou z důvodu vetší přehlednosti schematického vyobrazení dvoudobého tepelného plynového motoru zakresleny. Tím je celý izobaricko-izotermicko-izobaricko-izotermický cyklus ukončen.

Průmyslová využitelnost

Dvoudobý tepelný plynový motor podle vynálezu bude mít velmi široké využití zejména v energetice a bude schopen nahradit mimo jiné i výbušné motory.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Dvoudobý tepelný plynový motor sestávající z izobaricko-izotermického kompresoru, který je stále ochlazován na nižší termodynamickou teplotu TI, a izobaricko-izotermického motoru, který je stále ohříván na horní termodynamickou teplotu T2, přičemž jsou hřídele propojeny termoizolační spojkou (13) ana druhé straně hřídele kompresoruje osazen setrvačník (14) aje odebírána vykonaná mechanická práce, vyznačující se tím, že motor pracuje v dokonalém termodynamickém izobaricko izotermicko-izobaricko-izotermickém cyklu.
2. 2. Dvoudobý tepelný plynový motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že v první době je pracovní plyn ochlazený na spodní termodynamickou teplotu přesunut z kompresorového válce (1) přes zpětný ventil (9) a vyrovnávací zásobník pracovního plynu (6), dále přes protiproudý tepelný výměník (5), kde odebere teplo protiproudícímu pracovnímu plynu, a přes otevřený ventil (10) do izobarického válce (3) motoru, který má vyšší termodynamickou teplotu T2, zde se izobaricky rozpíná a koná práci, souběžně je pracovní plyn z izotermického válce (4) motoru stlačen izobaricky přes otevřený ventil (12) a protiproudý tepelný výměník (5) a dále zpětný ventil (7) do izobarického válce kompresoru (2), přitom je ventil (11) uzavřen.
3. 3. Dvoudobý tepelný plynový motor podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že v první době proběhnou děje izobarické a ve druhé době proběhnou děje izotermické.
4. 4. Dvoudobý tepelný plynový motor podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ve druhé době jsou ventily (10) a (12) uzavřeny a otevřen je ventil (11) a pracovní plyn je z izobarického válce (3) motoru přesunut do izotermického válce (4) motoru, zde se rozpíná izotermicky a vykoná kladnou práci, souběžně je pracovní plyn z válce (2) kompresoru přes zpětný ventil (8) izotermicky stlačen do válce (1) kompresoru a přitom je mu dodána část izotermické práce vykonané v motoru, která je odvedena v podobě tepla Q chladičem.
5. 5. Dvoudobý tepelný plynový motor podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ventily motoru (10), (11) a (12) jsou ovládány pomocí ventilových rozvodů.