PL215915B1

PL215915B1 - Silnik cieplny pneumatyczny

Info

Publication number: PL215915B1
Application number: PL389988A
Authority: PL
Inventors: Szymon Klein
Original assignee: Szymon Klein
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2014-02-28
Also published as: PL389988A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik cieplny pneumatyczny, przeznaczony do zasilania maszyn i urządzeń, jak również do napędzania generatorów prądotwórczych.

Silnik pneumatyczny dwustronnego działania znany z polskiego opisu patentowego nr 155290, ma mechanizm rozrządu zamocowany do płyty siłownika i osłonięty obudową, także zamocowaną do tej płyty. Wewnątrz obudowy na wsporniku zamocowane są dwa zawory zwrotne, sterowane łącznikami krańcowymi, a do tłoka siłownika, po przeciwnej stronie niż tłoczysko jest zamocowany trzpień, na końcu którego wystającym poza płytę, znajduje się walcowo - stożkowa rolka współpracująca w skrajnych położeniach tłoka siłownika z łącznikami krańcowymi zaworów zwrotnych. Tłok rozrządu jest tłokiem różnicowym.

Silnik powietrzny dwustronnego działania znany z polskiego opisu patentowego nr 153983 ma wewnątrz tulei umieszczone łączniki lewy i prawy przechodzące suwliwie poprzez otwory w tłoku i ściągające pokrywy górną i dolną do tulei cylindrycznej. Lewy łącznik posiada wydrążenie dopr owadzone do przestrzeni w obudowie rozrządu i otwory boczne prowadzące do dolnej komory cylindra, natomiast łącznik prawy posiada wydrążenie doprowadzone do przestrzeni w obudowie rozrządu i połączone z dolną komorą cylindra poprzez otwory przysłonięte tulejką podpartą sprężyną.

Silnik pneumatyczny znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.285485 przeznaczony jest do wytwarzania mocy i przekazywania jej do napędu. Silnik ma ułożyskowany w korpusie wał obrotowy, z którym sprzęgnięta jest prowadnica masy wirującej kontaktującej się z pierścieniem odśrodkowym zamocowanym mimośrodowo i połączonym funkcjonalnie z tłoczyskami zakończonymi tłokami w cylindrach sprężarek tłokowych rozmieszczonych na obwodzie korpusu silnika.

Silnik pneumatyczny napędzany sprężonym czynnikiem roboczym znany z polskiego opisu patentowego nr 179181, ma trzpień tłoka napędowego silnika pneumatycznego, który stanowi jednocześnie zawór rozdzielający, połączony pneumatycznie z zaworem sterującym. Do zaworu sterującego doprowadzany jest czynnik roboczy. Zawór sterujący łączony jest przemiennie swoimi obszarami od strony czołowej suwaka z kanałami doprowadzającymi i odprowadzającymi czynnik sterujący. Kanały doprowadzające czynnik roboczy znajdują się w części środkowej zaworu sterującego. W częściach skrajnych umieszczone są dwa główne kanały odprowadzające czynnik roboczy oraz dwa kanały dodatkowe stanowiące doprowadzenie czynnika utrzymującego suwak w skrajnych położeniach.

Sposób uzyskiwania energii z ciepła atmosfery i wieloobiegowy silnik do tego sposobu w akumulacji energii do pneumatycznego napędu pojazdów kołowych znany jest z polskiego opisu patentowego nr 200970. Sposób uzyskiwania energii z ciepła atmosfery w akumulacji energii do pneumatycznego napędu pojazdów kołowych polega na tym, że cała energia pochodzi z dwóch oddzielnych obiegów, obiegu głównego i obiegu pomocniczego, przy czym obieg główny na wykresie entropowym zawiera izobarę 1 MPa regeneracyjnego podgrzewania od temperatury około 105°K do temperatury atmosfery, izotermę atmosferycznego ogrzewania od ciśnienia 1 MPa do 0,1 MPa, izobarę 0,1 MPa regeneracyjnego ochładzania do temperatury około 105°K, izentropę rozprężania, izotermę około 75°K dolnego źródła ciepła w chłodnicy, którym jest strumień pary mokrej azotu i izentropę sprężania od 0,1 MPa do 1 MPa. Obieg pomocniczy zawiera izentropę sprężania od 0,1 MPa do 10 MPa, izotermę atmosferycznego ogrzewania do 0,1 MPa i izobarę chłodzenia w chłodnicy strumieniem pary przegrzanej azotu, przy czym chłodnica jest zasilana ciekłym azotem ze zbiornika kriogenicznego. Oba obiegi mają dwa wspólne parametry czynnika roboczego, ciśnienie 0,1 MPa i temperaturę około 75°K, zaś strumień tego czynnika w obiegu głównym jest 3,29 raza większy od masowego strumienia czynnika roboczego obiegu pomocniczego.

Istota silnika według wynalazku, polega na tym, że ma zbiornik gazu gorącego, do którego dostarczane jest ciepło, połączony pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego z pierwszą komorą skrajną układu napędzającego, a druga komora skrajna układu napędzającego połączona jest pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego ze zbiornikiem gazu chłodnego, od którego odbierane jest ciepło, natomiast zbiornik gazu chłodnego połączony jest drugim przewodem rurowym gazu chłodnego z pierwszą komorą skrajną układu pompującego, a druga komora skrajna układu pompującego połączona jest drugim przewodem rurowym gazu gorącego ze zbiornikiem gazu gorącego, przy czym zbiorniki, przewody rurowe i komory stanowią układ zamknięty. Komory układu napędzającego utworzone są pomiędzy powierzchniami rotora układu napędzającego i statora układu napędzającego natomiast komory układu pompującego utworzone są pomiędzy powierzchniami rotora układu pompującego i statora układu pompującego. Komory układu napędzającego szczelnie odseparowane od siebie

PL 215 915 B1 i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu napędzającego w przestrzeni pomiędzy statorem układu napędzającego i rotorem układu napędzającego, który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu napędzającego i zaopatrzony, w co najmniej jeden suwak układu napędzającego dociskany sprężyną suwaka układu napędzającego do wewnętrznej powierzchni statora układu napędzającego, przy czym suwaki układu napędzającego dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu napędzającego i statorem układu napędzającego, na co najmniej dwie komory układu napędzającego, natomiast komory układu pompującego szczelnie odseparowane od siebie i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu pompującego w przestrzeni pomiędzy statorem układu pompującego i rotorem układu pompującego, który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu pompującego i zaopatrzony, w co najmniej jeden suwak układu pompującego dociskany sprężyną suwaka układu pompującego do wewnętrznej powierzchni statora układu pompującego, przy czym suwaki układu pompującego dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu pompującego i statorem układu pompującego, na co najmniej dwie komory układu pompującego.

Korzystnie, objętość robocza komór układu napędzającego jest większa od objętości roboczej komór układu pompującego.

Korzystnie, rotor układu napędzającego połączony jest z rotorem układu pompującego wspólnym wałem, na którym osadzone jest koło zamachowe będące odbiornikiem energii kinetycznej. Rotor układu napędzającego z rotorem układu pompującego korzystnie, osadzone są na wałach połączonych przekładnią, przy czym położenie kątowe obu rotorów jest zawsze identyczne, ponadto na wale układu napędzającego osadzone jest koło zamachowe będące odbiornikiem energii kinetycznej.

Korzystnie, rotor układu napędzającego wyposażony jest w jeden suwak układu napędzającego dociskany sprężyną suwaka układu napędzającego oraz w pomocniczy suwak układu napędzającego dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu napędzającego, przy położeniu suwaka układu napędzającego pomiędzy pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego i pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego.

Korzystnie, rotor układu pompującego wyposażony jest w jeden suwak układu pompującego dociskany sprężyną suwaka układu pompującego oraz w pomocniczy suwak układu pompującego dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu napędzającego przy położeniu suwaka układu pompującego pomiędzy drugim przewodem rurowym gazu gorącego i drugim przewodem rurowym gazu chłodnego.

Korzystnie, objętości zbiorników są znacznie większe od objętości roboczych komór układu napędzającego i pompującego.

Korzystnie, powierzchnia boczna suwaka układu napędzającego wysuniętego ponad rotor układu napędzającego jest większa od powierzchni bocznej suwaka układu pompującego wysuniętego ponad rotor układu pompującego dla każdego położenia kątowego rotorów.

Korzystnie, zbiornik gazu gorącego połączony jest ze zbiornikiem gazu chłodnego dodatkowym przewodem rurowym zaopatrzonym w zawór.

Silnik pracuje w obiegu zamkniętym, jeżeli spełniony jest warunek, że stosunek temperatury bezwzględnej gazu w zbiorniku gazu gorącego do temperatury bezwzględnej gazu w zbiorniku gazu chłodnego przekracza stosunek objętości roboczej układu napędzającego do objętości roboczej układu pompującego. Silnik może, więc pracować z wykorzystaniem gradientu temperatur niezależnie od sposobu jego wytworzenia, tzn. dla dowolnego sposobu ogrzewania zbiornika gazu gorącego lub dowolnego sposobu chłodzenia zbiornika gazu chłodnego. Fakt, że zbiorniki gazu gorącego i gazu chłodnego połączone są przewodami rurowymi z układem napędzającym i układem pompującym tak, że pozostają w znacznej odległości, ograniczonej ewentualnie tylko stratami cieplnymi w przewodach, od siebie nawzajem i od wspomnianych układów pozwala na lepsze wykorzystanie naturalnie występujących gradientów temperatur lub ułatwia konstrukcję grzejnika i chłodnicy. Wspomniana separacja pozwala również zminimalizować narażenie na ekstremalne temperatury lub ich duże gradienty ruchomych elementów silnika, które nie muszą być bezpośrednio grzane lub chłodzone, co eliminuje problemy z np. rozszerzalnością i naprężeniami. Duża i względnie dowolna objętość zbiorników gazu w połączeniu z wyżej wspomnianą ich separacją przestrzenną, pozwala na dowolne umieszczanie i kształtowanie dla zoptymalizowania pobierania ciepła z otoczenia względnie oddawania ciepła do otoczenia. Silnik charakteryzuje się dość wysoką sprawnością i przy temperaturze gazu gorącego około 1200 K i temperaturze gazu chłodnego ok. 300 K, sprawność silnika wynosi około 48%, natomiast przy niższych temperaturach gazu gorącego około 400 K i gazu chłodnego około 300 K, które to temperatury można uzyskać z wykorzystaniem ciepła geotermalnego albo kolektorów słonecznych,

PL 215 915 B1 sprawność wynosi około 10%. Duża objętość zbiorników gazu gorącego i chłodnego powoduje szybkie w przybliżeniu izobaryczne ogrzewanie i odpowiednio szybkie w przybliżeniu izobaryczne, chłodzenie cyrkulującej masy gazu, a więc pozwala na osiągnięcie dużej prędkości obrotowej. Silnik może być stosowany do napędu wszelkiego rodzaju maszyn i urządzeń w tym również pojazdów i w szczególności generatorów elektrycznych. Może być zasilany dowolnym paliwem lub z pomocą dowolnego nie chemicznego źródła ciepła, w szczególności takiego jak promieniowanie słoneczne, rozpad promieniotwórczy, czy też energia geotermalna, może być stosowany również dowolny sposób chłodzenia i czynnik chłodzący, przy odpowiednim doborze czynnika roboczego. W szczególności może być zastosowany do napędzania generatorów lub innych urządzeń np. pomp, z wykorzystania naturalnych źródeł energii w postaci promieniowania słonecznego, czy też energii geotermalnej. Ponadto model tego silnika, może znaleźć zastosowanie w dydaktyce do poglądowej ilustracji II zasady termodynamiki.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik cieplny pneumatyczny, fig. 2 - przekrój osiowy silnika wyposażonego w statory układu napędzającego i pompującego o różnym promieniu i takiej samej długości, fig. 3 - przekrój osiowy silnika wyposażonego w statory układu napędzającego i pompującego o takim samym promieniu i różnej długości, a fig. 4 - cykl pracy silnika.

P r z y k ł a d 1

Silnik cieplny pneumatyczny ma zbiornik gazu gorącego 1, do którego dostarczane jest ciepło z dowolnego źródła, zbiornika gazu chłodnego 2, od którego odbierane jest ciepło oraz dwa połączone ze sobą układy napędzający i pompujący. Zbiornik gazu gorącego 1 połączony pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego 11 z pierwszą komorą skrajną układu napędzającego 9, a druga komora skrajna układu napędzającego 10 połączona jest pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego 12 ze zbiornikiem gazu chłodnego. Zbiornik gazu chłodnego 2 połączony jest drugim przewodem rurowym gazu chłodnego 20 z pierwszą komorą skrajną układu pompującego 18, a druga komora skrajna układu pompującego 19 połączona jest drugim przewodem rurowym gazu gorącego 21 ze zbiornikiem gazu gorącego 1. Zbiorniki 1, 2, przewody rurowe 11, 12, 20, 21 i komory 9, 10, 18, 19 pracują w układzie zamkniętym. Komory układu napędzającego 9, 10 szczelnie odseparowane od siebie i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu napędzającego 8 w przestrzeni pomiędzy statorem układu napędzającego 8 i rotorem układu napędzającego 3, który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu napędzającego 3 i zaopatrzony, w dwa suwaki układu napędzającego 6 dociskane sprężynami suwaków układu napędzającego 7 do wewnętrznej powierzchni statora układu napędzającego 8. Suwaki układu napędzającego 6 dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu napędzającego 3 i statorem układu napędzającego 8, na trzy komory, z których dwie to komory skrajne układu napędzającego pierwsza 9 i druga 10. Komory układu pompującego 18, 19 również szczelnie odseparowane od siebie i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu pompującego 17 w przestrzeni pomiędzy statorem układu pompującego 17 i rotorem układu pompującego 4, który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu pompującego 17 i zaopatrzony w dwa suwaki układu pompującego 15 dociskane sprężynami suwaków układu pompującego 16 do wewnętrznej powierzchni statora układu pompującego 17. Suwaki układu pompującego 15 dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu pompującego 4 i statorem układu pompującego 17 na trzy komory, z których dwie to komory skrajne układu pompującego pierwsza 18 i druga 19. Powierzchnia boczna s1 suwaka układu napędzającego 6 wysuniętego ponad rotor układu napędzającego 3 jest większa od powierzchni bocznej s2 suwaka układu pompującego 15 wysuniętego ponad rotor układu pompującego 4 dla każdego położenia kątowego rotorów 3, 4. Rotor układu napędzającego 3 połączony jest z rotorem układu pompującego 4 wspólnym wałem 5, na którym osadzone jest koło zamachowe 24 będące odbiornikiem energii kinetycznej. Ponadto koło zamachowe 24, które magazynuje energię kinetyczną, zapobiega zmianom prędkości obrotów silnika dla położeń kątowych rotorów 3, 4, w których moment obrotowy spada do zera. Objętości zbiorników 1, 2 są znacznie większe od objętości roboczych v1, v2 komór układu napędzającego 9, 10 i pompującego 18, 19. Objętość robocza v1 komór układu napędzającego 9, 10 jest większa od objętości roboczej v2 komór układu pompującego 18, 19.

PL 215 915 B1

P r z y k ł a d 2

Silnik cieplny pneumatyczny wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że rotor układu napędzającego 3 wyposażony jest w jeden suwak układu napędzającego 6 dociskany sprężyną suwaka układu napędzającego 7 oraz w pomocniczy suwak układu napędzającego 13 dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu napędzającego 14, przy położeniu suwaka układu napędzającego 6 pomiędzy pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego 11 i pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego 12 i jednocześnie rotor układu pompującego 4 wyposażony jest w jeden suwak układu pompującego 15 dociskany sprężyną suwaka układu pompującego 16 oraz w pomocniczy suwak układu pompującego 22 dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu napędzającego 23 przy położeniu suwaka układu pompującego 16 pomiędzy drugim przewodem rurowym gazu chłodnego 20 i drugim przewodem rurowym gazu gorącego 21. Wyposażenie silnika w pomocnicze suwaki układu napędzającego 13 i układu pompującego 23, zapobiega bezpośredniemu przepływowi płynu pomiędzy zbiornikiem gazu gorącego 1 i zbiornikiem gazu chłodnego 2.

P r z y k ł a d 3

Silnik cieplny pneumatyczny wykonany jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że rotor układu napędzającego 3 z rotorem układu pompującego 4 osadzone są na wałach połączonych przekładnią przy czym obrót rotora układu napędzającego 3 wymusza obrót rotora układu pompującego 4 o ten sam kąt i ich położenie kątowe jest zawsze identyczne. W silniku tym stosunek promienia rotora układu napędzającego 3 do promienia rotora układu pompującego 4 jest taki sam jak stosunek promienia statora układu napędzającego 8 do promienia statora układu pompującego 17, a co za tym idzie i taki sam stosunek objętości roboczej układu napędzającego v1 do objętości roboczej układu pompującego v2, przy czym długości rotora układu napędzającego 3, rotora układu pompującego 4, statora układu napędzającego 8 i statora układu pompującego 17 są sobie równe.

P r z y k ł a d 4

Silnik cieplny pneumatyczny wykonany jak w przykładzie pierwszym albo drugim albo trzecim z tą różnicą, że promień zewnętrzny rotora układu napędzającego 3 jest równy promieniowi zewnętrznemu rotora układu pompującego 4, a promień wewnętrzny statora układu napędzającego 8 jest równy promieniowi wewnętrznemu statora układu pompującego 17, przy czym długości rotora układu napędzającego 3 i statora układu napędzającego 8 są większe od długości rotora układu pompującego 4 i statora układu pompującego 17, przy czym stosunek tych długości jest proporcjonalny do stosunku objętości roboczej układu napędzającego v1 do objętości roboczej układu pompującego v2. W przykładzie tym zbiornik gazu gorącego 1 połączony jest ze zbiornikiem gazu chłodnego 2 dodatkowym przewodem rurowym zaopatrzonym w zawór, którego otwarcie powoduje natychmiastowe wyrównanie ciśnień w obu zbiornikach 1, 2 i tym samym unieruchomienie silnika.

Silnik cieplny pneumatyczny działa na zasadzie rozprężania gazu w zbiorniku gazu gorącego 1, a rozprężający się gaz przepływa do zbiornika gazu chłodnego 2 i w trakcie rozprężania wykonuje pracę obracając rotor układu napędzającego 3, którego obrót powoduje z kolei, przepompowanie za pomocą rotora układu pompującego 4 gazu ze zbiornika gazu chłodnego 2, w którym gaz jest ochładzany, z powrotem do zbiornika gazu gorącego 1, gdzie jest podgrzewany.

W zakresie dostatecznie wysokich temperatur można założyć, że parametry czynnika roboczego opisuje równanie Clapeyrona: pV=nRT, gdzie p jest ciśnieniem, V objętością gazu, T temperaturą, n ilością gazu w molach a R uniwersalną stałą gazową. Ponieważ objętości zbiornika gazu gorącego 1 i zbiornika gazu chłodnego 2 są znacznie większe od objętości roboczych v1 i v2 można je w dalszych rozważaniach przyjąć, jako stałe a równanie to przepisać w dogodniejszej postaci:

p = ρ RT/μ, gdzie ρ jest gęstością gazu a μ jego masą molową.

Tak więc ciśnienie w zbiorniku gazu gorącego 1 będzie równe;

Pi = piRTi/μ, a w zbiorniku gazu chłodnego 2:

P2 = p2RT2^J.

W czasie pojedynczego cyklu roboczego silnika wyznaczonego jednym pełnym obrotem rotora układu napędzającego 3 i połączonego z nim rotora układu pompującego 4 nie ulegają znaczącej zmianie również gęstości gazu ρ1 i ρ2, co wynika ze wspomnianej stałej w przybliżeniu objętości

PL 215 915 B1 zbiorników i małej ilości przepływającego jednorazowo gazu. Ponieważ również temperatury zmieniają się dostatecznie wolno można z dobrym przybliżeniem przyjąć, że ciśnienia p1 i p2 są w tym czasie stałe. W typowych warunkach jeżeli gęstości w obu zbiornikach 1, 2 są zbliżone, to ciśnienie p1 w zbiorniku gazu gorącego 1 jest większe. Ponieważ zbiornik gazu gorącego 1 połączony jest przewodem 11 z pierwszą komorą skrajną układu napędzającego 9 utworzoną między powierzchniami rotora układu napędzającego 3, statora układu napędzającego 8 i powierzchnią s1 suwaka układu napędzającego 6 wysuniętego nad powierzchnię rotora układu napędzającego 3, na powierzchnię s1 wywierany jest nacisk F1 = (p1 - p2)s1, co powoduje powstanie momentu obrotowego M1 = F1Rśr1, gdzie Rśr jest średnim ramieniem siły. Ciśnienie p1 panuje również w drugiej komorze skrajnej układu pompującego 19 połączonej ze zbiornikiem gazu gorącego 1 drugim przewodem rurowym gazu gorącego 21 wywierając nacisk na powierzchnię suwaka 15 równy F2 =(p1 - p2)s2, co prowadzi do pojawienia się momentu M2 = F2Rśr2 przeciwnie skierowanego do M1. Ponieważ niezależnie od konstrukcji i położenia kątowego rotorów zawsze s₁>s₂ oraz zależnie od konstrukcji, R_śr1 > R_śr2 wypadkowy moment obrotowy M = M1 - M2 jest zawsze nieujemny z czego wynika, że jeżeli p1>p2 rotor układu napędzającego 3 silnika obraca się (Fig. 1) zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara i może wykonać pracę użyteczną. Na skutek obrotu pierwsza komora skrajna układu napędzającego 9 zwiększając swoją objętość wypełnia się gazem o temperaturze T1, gęstości ρ1 i ciśnieniu p1, ze zbiornika gazu gorącego 1, mimo że jest to rozprężanie izotermiczne to dwa ostatnie parametry można przyjąć za stałe w czasie tego procesu, z uwagi na wielokrotnie większą objętość zbiornika gazu gorącego 1 od objętości roboczej v1. W tym samym czasie do pierwszej komory skrajnej układu pompującego 18, również zwiększającej swoją objętość, napływa gaz ze zbiornika gazu chłodnego 2 o temperaturze T2, gęstości ρ2 i ciśnieniu p2, również w tym wypadku, z analogicznych powodów, przyjmujemy parametry za stałe. Po osiągnięciu odpowiedniego kąta obrotu pomocniczy suwak układu napędzającego 13, w konstrukcji z jednym suwakiem układu napędzającego 6, zamyka wlot pierwszego przewodu rurowego gazu gorącego 11, a zatem odcina pierwszą komorę skrajną układu napędzającego 9 od zbiornika gazu gorącego 1, następnie suwak układu napędzającego 6 odsłania wlot pierwszego przewodu rurowego gazu chłodnego 12 i łączy pierwszą komorę skrajną układu napędzającego 9, która staje się teraz drugą komorą skrajną układu napędzającego 10, ze zbiornikiem 2, co powoduje w przybliżeniu adiabatyczne, rozprężenie zawartego w niej gazu do ciśnienia p2. W analogiczny sposób i dla tych samych odpowiednio kątów obrotu pomocniczy suwak układu pompującego 22 odcina połączenie zbiornika gazu chłodnego 2 poprzez drugi przewód rurowy gazu chłodnego 20 z pierwszą komorą skrajną układu pompującego 18 następnie suwak układu pompującego 15 łączy pierwszą komorę skrajną układu pompującego 18, która staje się w ten sposób drugą komorą skrajną układu pompującego 19, poprzez drugi przewód rurowy gazu gorącego 21 ze zbiornikiem gazu gorącego 1 co powoduje, w przybliżeniu adiabatyczne, sprężenie zawartego w niej gazu do ciśnienia p1. Po adiabatycznym rozprężeniu gazu o objętości v1, który przepłynął do zbiornika gazu chłodnego 2 jego objętość wynosi v₁(v₁T₁/(v₂T₂))^1/K i ulega on w nim dalszemu ochłodzeniu do temperatury T2, co oznacza, że ulega sprężaniu izobarycznemu, ponieważ zmianę ciśnienia p2 wynikającą z izotermicznego rozprężenia reszty gazu zaniedbujemy z uwagi na bardzo dużą objętość zbiornika gazu chłodnego 2; gdzie κ jest wykładnikiem adiabaty, zdefiniowanym, jako stosunek ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu do jego ciepła właściwego przy stałej objętości. Analogicznie w tym samym czasie, po adiabatycznym sprężeniu gazu o objętości v2, który przepłynął do zbiornika gazu gorącego 1 i jego objętość wynosi V₂(v₁T₂/(v₂T₁))^1/K ogrzewa się w zbiorniku gazu gorącego 1 do temperatury T1 czyli ulega izobarycznemu rozprężaniu, również w tym przypadku zaniedbujemy zmianę ciśnienia p2 z uwagi na dużą objętość zbiornika gazu gorącego 1. Tak, więc cykl przemian termodynamicznych wygląda w przybliżeniu następująco; rozprężanie izobaryczne, rozprężanie adiabatyczne, sprężanie izobaryczne i sprężanie adiabatyczne. Stacjonarne warunki pracy silnika poza niezmiennymi w czasie wartościami temperatur T1 i T2 wymagają również stałych gęstości gazu ρ1 i ρ2. Prowadzi to do warunku równej masy m przepływającej pomiędzy zbiornikami 1, w obie strony, a zatem spełnione jest równanie;

m = p1v = p2V2

Wynika z tego, że gęstość p₂ = p₁v₁/v₂

Biorąc pod uwagę zależność ciśnienia od gęstości i temperatury oraz to, że p1 musi być większe od p2, można zapisać, że:

T₁ > T₂v₁/v₂, która to zależność określa stacjonarne warunki pracy silnika.

PL 215 915 B1

Wykaz oznaczeń:

zbiornik gazu gorącego, zbiornik gazu chłodnego, rotor układu napędzającego, rotor układu pompującego, wspólny wał, suwak układu napędzającego, sprężyna suwaka układu napędzającego, stator układu napędzającego, pierwsza komora skrajna układu napędzającego, druga komora skrajna układu napędzającego, pierwszy przewód rurowy gazu gorącego, pierwszy przewód rurowy gazu chłodnego, pomocniczy suwak układu napędzającego, sprężyna pomocniczego suwaka układu napędzającego, suwak układu pompującego, sprężyna suwaka układu pompującego, stator układu pompującego, pierwsza komora skrajna układu pompującego, druga komora skrajna układu pompującego, drugi przewód rurowy gazu chłodnego, drugi przewód rurowy gazu gorącego, pomocniczy suwak układu pompującego, sprężyna pomocniczego suwaka układu pompującego, koło zamachowe, m - masa gazu cyrkulującego,

F1 - siła nacisku na powierzchnię boczną suwaka układu napędzającego,

F2 - siła nacisku na powierzchnię boczną suwaka układu pompującego, κ - wykładnik adiabaty,

M - moment całkowity,

M1 - moment rotora napędzającego,

M2 - moment rotora pompującego.

μ - masa molowa gazu, p1 - ciśnienie gazu gorącego, p2 - ciśnienie gazu chłodnego,

R - uniwersalna stała gazowa,

R1śr - średnie ramię siły rotora napędzającego,

R2śr - średnie ramię siły rotora pompującego, ρ1 - gęstość gazu gorącego, ρ2 - gęstość gazu chłodnego, s1 - pole powierzchni bocznej suwaka układu napędzającego, s2 - pole powierzchni bocznej suwaka układu pompującego,

T1 - temperatura gazu gorącego,

T2 - temperatura gazu chłodnego, v1 - objętość robocza układu napędzającego, v2 - objętość robocza układu pompującego,

V - objętość gazu.

Claims

1. Silnik cieplny pneumatyczny, znamienny tym, że ma zbiornik gazu gorącego (1), do którego dostarczane jest ciepło, połączony pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego (11) z pierwszą komorą skrajną układu napędzającego (9), a druga komora skrajna układu napędzającego (10) połączona jest pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego (12) ze zbiornikiem gazu chłodnego (2), od którego odbierane jest ciepło, natomiast zbiornik gazu chłodnego (2) połączony jest drugim przewodem rurowym gazu chłodnego (20) z pierwszą komorą skrajną układu pompującego (18), a druga komora skrajna układu pompującego (19) połączona jest drugim przewodem rurowym gazu gorącego (21) ze zbiornikiem gazu gorącego (1), przy czym zbiorniki (1, 2), przewody rurowe (11, 12, 20, 21) i komory (9, 10, 18, 19) stanowią układ zamknięty, przy czym komory układu napędzającego (9, 10) utworzone są pomiędzy powierzchniami rotora układu napędzającego (3) i statora układu napędzającego (8) natomiast komory układu pompującego (18, 19) utworzone są pomiędzy powierzchniami rotora układu pompującego (4) i statora układu pompującego (17).

2. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że objętość robocza (v1) komór układu napędzającego (9, 10) jest większa od objętości roboczej (v2) komór układu pompującego (18, 19).

3. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że komory układu napędzającego (9, 10) szczelnie odseparowane od siebie i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu napędzającego (8) w przestrzeni pomiędzy statorem układu napędzającego (8) i rotorem układu napędzającego (3), który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu napędzającego (8) i zaopatrzony, w co najmniej jeden suwak układu napędzającego (6) dociskany sprężyną suwaka układu napędzającego (7) do wewnętrznej powierzchni statora układu napędzającego (8), przy czym suwaki układu napędzającego (6) dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu napędzającego (3) i statorem układu napędzającego (8), na co najmniej dwie komory układu napędzającego (9, 10), natomiast komory układu pompującego (18, 19) szczelnie odseparowane od siebie i od otoczenia, usytuowane są wewnątrz statora układu pompującego (17) w przestrzeni pomiędzy statorem układu pompującego (17) i rotorem układu pompującego (4), który umieszczony jest stycznie do powierzchni statora układu pompującego (17) i zaopatrzony, w co najmniej jeden suwak układu pompującego (15) dociskany sprężyną suwaka układu pompującego (16) do wewnętrznej powierzchni statora układu pompującego (17), przy czym suwaki układu pompującego (15) dzielą przestrzeń pomiędzy rotorem układu pompującego (4) i statorem układu pompującego (17), na co najmniej dwie komory układu pompującego (18, 19).

4. Silnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że rotor układu napędzającego (3) połączony jest z rotorem układu pompującego (4) wspólnym wałem (5), na którym osadzone jest koło zamachowe (24) będące odbiornikiem energii kinetycznej.

5. Silnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że rotor układu napędzającego (3) z rotorem układu pompującego (4) osadzone są na wałach połączonych przekładnią, przy czym położenie kątowe rotorów (3, 4) jest zawsze identyczne, ponadto na wale układu napędzającego osadzone jest koło zamachowe (24) będące odbiornikiem energii kinetycznej.

6. Silnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że rotor układu napędzającego (3) wyposażony jest w jeden suwak układu napędzającego (6) dociskany sprężyną suwaka układu napędzającego (7) oraz w pomocniczy suwak układu napędzającego (13) dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu napędzającego (14), przy położeniu suwaka układu napędzającego (6) pomiędzy pierwszym przewodem rurowym gazu gorącego (11) i pierwszym przewodem rurowym gazu chłodnego (12).

7. Silnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że rotor układu pompującego (4) wyposażony jest w jeden suwak układu pompującego (15) dociskany sprężyną suwaka układu pompującego (16) oraz w pomocniczy suwak układu pompującego (22) dociskany sprężyną pomocniczego suwaka układu pompującego (23) przy położeniu suwaka układu pompującego (15) pomiędzy drugim przewodem rurowym gazu gorącego (21) i drugim przewodem rurowym gazu chłodnego (20).

8. Silnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że powierzchnia boczna (s1) suwaka układu napędzającego (6) wysuniętego ponad rotor układu napędzającego (3) jest większa od powierzchni bocznej (s2) suwaka układu pompującego (15) wysuniętego ponad rotor układu pompującego (4) dla każdego położenia kątowego rotorów (3, 4).

9. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że objętości zbiorników (1, 2) są znacznie większe od objętości roboczych (v1, v2) komór układu napędzającego (9, 10) i pompującego (18, 19).

10. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiornik gazu gorącego (1) połączony jest ze zbiornikiem gazu chłodnego (2) dodatkowym przewodem rurowym zaopatrzonym w zawór.