PL228152B1 - Maszyna cieplna Stirlinga - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Tłokowe silniki cieplne zewnętrznego spalania, których czynnikiem roboczym jest gaz, są potocznie określane wspólnym mianem silników Stirlinga. Szerzej, mianem maszyny cieplnej Stirlinga określa się obecnie wszystkie gazowe maszyny cieplne - zarówno pompy ciepła, jak i silniki - których gaz roboczy jest przemieszczany pomiędzy źródłem ciepła a źródłem zimna przez element mechaniczny (pełniący w ten sposób funkcję tłoka) w zamkniętym/hermetycznym systemie komór, nawet kiedy geometria samej maszyny odbiega znacząco od geometrii opisanej w patencie Stirlinga z 1816 r., tj. dwóch cylindrycznych tłoków, wykonujących ruch posuwisto-zwrotny w tym samym cyklu, lecz przesunięty w fazie o 90° (maksymalnie do 120°). Przykładem takiej odmiennej geometrii jest geometria silnika Wankla. W silniku Wankla: tłok o przekroju wyoblonego trójkątna, porusza się rotacyjnie po obwodzie wpisanego w ten trójkąt stacjonarnego wytrybienia, a w tym czasie jego narożniki kreślą trochoidę, która wyznacza kształt przekroju poprzecznego jego cylindra. Taka konstrukcja jest przykładem silnika z tłokiem rotacyjnym. Rotacyjny tłok silnika jest korzystny między innymi dlatego, że energia nie jest w nim tracona na przyspieszanie i hamowanie masy tłoka w jego ruchu posuwistozwrotnym, jak to ma miejsce w tradycyjnych silnikach tłokowych. Znane są silniki z tłokami rotacyjnymi, których tłoki mają przekrój w kształcie wielokąta wyższego rzędu niż trójkąt silnika Wankla.

Znane maszyny cieplne Stirlinga z tłokiem rotacyjnym, odwzorowują klasyczną konfigurację silnika Stirlinga, w której gaz roboczy jest przetaczany pomiędzy komorami dwóch cylindrów (patenty: PL.198217, US.3763649, US.6109040), których tłoki pracują ze standardowym przesunięciem fazy cyklu Stirlinga. W tych konstrukcjach, znaczący transport ciepła do/z gazu roboczego następuje bezpośrednio przed daną komorą, a nie w niej samej.

Ich gaz roboczy, opuszczając daną komorę ponownie podlega temu samemu transportowi ciepła (grzaniu lub chłodzeniu), któremu podlegał na wejściu do tej komory; co jest niekorzystne i m.in. dlatego, kolejnym elementem na drodze gazu do drugiej komory jest w tych silnikach regenerator tymczasowy bufor dla przekazywanego wtedy do/z gazu ciepła. Znane są również silniki cieplne, które jednokierunkowo przetaczają gaz pomiędzy obszarem grzania a obszarem chłodzenia i w ten sposób unikają konieczności stosowania regeneratora. Są to turbiny cieplne oraz konstrukcje zamknięte sterowane synchronicznie zestawem zaworów (zgłoszenie P.392581) lub pomp (zgłoszenie P.389988). Turbiny mają co prawda prostą konstrukcję, ale za to wyższe wymagania technologiczne względem materiałów i precyzji wykonania. Natomiast systemy zaworów w silnikach zaworowych znacząco komplikują ich konstrukcję.

Celem wynalazku jest uproszczenie konstrukcji maszyny cieplnej Stirlinga, do pracy jako silnik cieplny zewnętrznego spalania albo jako pompa ciepła.

Maszyna cieplna Stirlinga, z rotacyjnym tłokiem o przekroju zbliżonym do N-kąta i cylindrem o przekroju odpowiedniej trochoidy, ma zgodnie z wynalazkiem 2x(N-1) podłużnych obszarów transportu ciepła, biegnących po poszyciu jej cylindra równolegle do osi jej wału w ten sposób, że na trochoidalnym obwodzie tego cylindra stanowią one naprzemiennie rozłożone, rozłączne obszary: obszar grzania, obszar chłodzenia, ponownie obszar grzania, itd. Te liniowe obszary wymiany ciepła, o długości zbliżonej do wysokości cylindra maszyny zgodnej z wynalazkiem, będą poniżej określane mianem pręg wymiany ciepła, odpowiednio: (N-1) pręg grzewczych i (N-1) pręg chłodzenia. Pręgi wymiany ciepła mogą być zgodnie z wynalazkiem zbudowane zarówno jako pozostające w kontakcie cieplnym z gazem roboczym maszyny przewody/rury/kanały, dla transportujących energię cieplną czynników (tj. chłodzących czy grzejących, cieczy lub gazu), albo jako obszary liniowo skoncentrowanego promieniowania słonecznego, albo jako liniowe miejsca zamocowania sztywnych radiatorów do(od)prowadzających ciepło do/z zewnętrznych źródeł zimna/ciepła. Kiedy pręgę wymiany ciepła stanowi przewód/rura/tunel dla czynnika grzewczego lub chłodzącego, to ten przewód zgodnie z wynalazkiem może mieć zarówno kształt prostej rury, stykającej się ze ścianą cylindra maszyny na całej swojej długości, jak też może mieć kształt wężowy, spiralny lub dowolny inny, stykający się z poszyciem cylindra również bez zachowania ciągłości tego styku wzdłuż pręgi wymiany ciepła (np. stykających się tylko wielo-punktowo).

Zgodnie z wynalazkiem, korzystnie jest rozmieścić pręgi wymiany ciepła asymetrycznie na obwodzie cylindra w ten sposób, że każda pręga, znajdująca się pomiędzy sąsiadującymi z nią pręgami przeciwnego przeznaczenia (czyli np. pręga grzewcza pomiędzy pręgami chłodzenia), będzie względem osi wału maszyny oddalona kątowo od sąsiednich pręg w przybliżeniu w stosunku jak jeden do dwa - czyli np. w przypadku tłoka o przekroju trójkątnym (silnik Wankla) będą to odległości kątowe, odpoPL 228 152 B1 wiednio: 60° i 120°. Korzystnie jest, kiedy mniejsza z tych odległości kątowych wypada w tej części komory maszyny, w której gaz roboczy ma najmniejszą objętość (jak np. komora B na rysunku fig. 1).

Rozmieszczenie pręg wymiany ciepła zgodnie z wynalazkiem powoduje, że rotacyjny tłok maszyny cieplnej staj e się tłokiem dwustronnego działania, ponieważ w czasie pracy jednocześnie: działa na niego nadciśnienie gazu ogrzewanego, oraz wykonuje on pracę kompresji chłodzonego gazu w sąsiadującej komorze. Znane silniki cyklu Stirlinga z tłokami dwustronnego działania wykonują ruch posuwisto-zwrotny. W konsekwencji, faza cyklu takich maszyn dla gazu znajdującego się w komorze nad jej tłokiem jest przesunięta o 180° względem fazy cyklu w której znajduje się gaz po drugiej stronie tego tłoka. Rotacyjny tłok maszyny zgodnej z wynalazkiem, ma wokół siebie trzy (lub więcej) komory przesunięte w fazie o 120° (lub mniej), i fazy cyklu w których aktualnie znajduje się gaz w poszczególnych komorach są względem siebie przesunięte o ten właśnie kąt. To mieści się w granicach przesunięcia fazy, wymaganego dla realizacji cyklu Stirlinga. W konsekwencji, dzięki rozmieszczeniu obszarów wymiany ciepła zgodnie z wynalazkiem, możliwa jest budowa maszyny cieplnej Stirlinga w oparciu o jeden tylko wieloboczny rotacyjny tłok, poruszający się wewnątrz jednego hermetycznego cylindra o przekroju trochoidy.

Dodatkowo konstrukcję maszyny zgodnej z wynalazkiem upraszcza fakt, że przetacza ona swój gaz roboczy jednokierunkowo, więc nie wymaga regeneratora.

Kiedy źródło ciepła/zimna jest zbliżone do źródła idealnego (tzn.: pobór ciepła/zimna nie skutkuje znaczącą zmianą jego temperatury - czego przykładem może być zogniskowane promieniowanie słoneczne), korzystnie jest aby cylinder maszyny zgodnej z wynalazkiem miał wysokość względnie dużą w stosunku do cięciw swojego przekroju. Wraz ze wzrostem wysokości cylindra rośnie długość, na której pręgi wymiany ciepła stykają się z komorami maszyny, co zwiększa transport ciepła do/z tych komór i będzie nadążało za jednoczesnym wzrostem oporów ślizgu krawędzi wielokątnego tłoka po ścianie tego cylindra. Jednocześnie opory ślizgu dna tłoka o dno cylindra pozostaną niezmienione, i tym samym ich wpływ relatywnie zmaleje.

Kiedy źródło ciepła/zimna nie ma cech źródła idealnego (tzn.: pobór ciepła/zimna znacząco zmienia jego temperaturę - czego przykładem może być odbiór ciepła z gazów spalinowych), korzystnie jest aby cylinder maszyny zgodnej z wynalazkiem był relatywnie niski w stosunku do cięciw swojego przekroju. W takim przypadku korzystnie jest spiąć ze sobą osiowo wały wielu maszyn zgodnych z wynalazkiem. Pręgi transportu ciepła każdej z maszyn wchodzących w skład takiego stosu będą przechodziły w odpowiadające im pręgi kolejnej maszyny, czego skutkiem będzie stopniowa zmiana temperatury czynnika grzewczego/chłodzącego wzdłuż pręgi takiej złożonej maszyny.

Rysunek fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny cylindra przykładowej realizacji maszyny cieplnej zgodnej z wynalazkiem, w wersji z tłokiem o przekroju wyoblonego trójkąta wzorowanym na silniku Wankla. Jest to maszyna przeznaczona do pracy jako pompa ciepła. Na tym rysunku dla uproszczenia pominięto nieistotne dla wynalazku szczegóły układu przeniesienia mocy z jej wielokątnego tłoka P, poprzez wewnętrzny mimośród, na wał S. Widoczne na tym przekroju obszary H1 i H2 to przekroje pręg grzewczych - tj.: pręg w którym maszyna podnosi temperaturę, umożliwiając w ten sposób odprowadzenie tamtędy ciepła do otoczenia. Analogicznie obszary C1 i C2, to przekroje pręg chłodzących - tj.: pręg, których temperatura będzie obniżana w wyniku pracy maszyny. Pręgi wymiany ciepła uzyskują powyższe role, kiedy wał S i w konsekwencji tłok P, są obracane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (obrót lewoskrętny). W takim przypadku, w przedstawionej na rysunku fig. 1 fazie ruchu, rozpoczyna się etap kompresji gazu roboczego w komorze A, co podnosi jego temperaturę i umożliwia transport ciepła z gazu w tej komorze do pręgi H1. Jednocześnie kończy się dekompresja gazu w komorze C, co obniżało jego temperaturę i umożliwiało odbiór ciepła z pręgi C2. W tym czasie objętość komory B nie podlega większym zmianom, ale gaz ma tam w tej fazie ruchu podwyższoną temperaturę, ponieważ chwilę wcześniej podlegał kompresji umożliwiając transport ciepła do pręgi H2. W przedstawionej na rysunku fig. 1 fazie ruchu, gaz w komorze B oddał już część ciepła do pręgi H2, ale jego podwyższona temperatura niekorzystnie ogrzewa pręgę chłodzenia C1. Do pewnego stopnia, to niekorzystne ogrzewanie pręgi C1 jest ograniczone dzięki istnieniu przewężenia D, które umożliwia chwilowe utrzymanie stanu nierównowagi termodynamicznej pomiędzy skrajnymi częściami komory B. Chwilę później, gaz w komorze B będzie już podlegał dekompresji, co obniży jego temperaturę i umożliwi odbiór ciepła z pręgi C1 .

Pompa cieplna zobrazowana na rysunku fig. 1 zamienia role swoich pręg transportu ciepła, kiedy zmienia się kierunek obrotu jej wału. Pręgi grzewcze stają się wtedy pręgami chłodzenia i na

PL 228 152 B1 odwrót. Jest to korzystne w urządzeniach klimatyzacyjnych, które mają zadanie chłodzić pomieszczenia latem a ogrzewać je zimą.

Ze względu na termodynamikę cyklu Carnot’a, korzystnie jest aby maszyna cieplna Stirlinga, pracująca jako silnik, miała stopień kompresji nie większy niż 2. Przekrój przykładowej maszyny Stirlinga zgodnej z wynalazkiem, przeznaczonej do pracy jako silnik zewnętrznego spalania zobrazowano na rysunku fig. 2.

Kiedy wskazane na rysunku fig. 2 obszary H1 i H2 oraz analogicznie obszary C1 i C2, pełnią odpowiednio role pręg grzewczych i pręg chłodzenia, wtedy tłok P i w konsekwencji wał S, będzie obracany przez ten silnik zgodnie z ruchem wskazówek zegara (obrót prawoskrętny). Przy takim użyciu tych pręg, w przedstawionej na rysunku fig. 2 fazie ruchu, kończy się etap grzania gazu w komorze A i jego prężność kończy wykonywać pracę na rzecz obrotu tłoka P (i tym samym obrotu wału S), oraz zaczyna wykonywać pracę na rzecz kompresji gazu w komorze C, który w tym czasie wchodzi w fazę chłodzenia. W komorze B zachodzi w tej fazie ruchu jednoczesne grzanie (pręga H2) i chłodzenie (pręga C1) gazu roboczego, co jest niekorzystne, ale trwa krótko. Chwilę później, gaz w komorze B będzie już jedynie grzany i jego prężność będzie wykonywać wtedy pracę na rzecz tłoka oraz dokończy fazę kompresji gazu, chłodzonego w tym czasie w komorze C.

Maszyna zgodna z wynalazkiem może pracować zarówno w relatywnie niskich temperaturach ciepła odpadowego procesów technologicznych, kiedy czynnikiem grzewczym przetaczanym przez pręgę grzewczą jest np. gorący olej (temp: 100^oC-300^oC), jak i w zakresie temperatur gdzie czynnikiem grzewczym jest płynny sód (temp: 200°C-800°C). Kiedy maszyna zgodna z wynalazkiem pracuje jako silnik cieplny zewnętrznego spalania, jej pręga grzewcza może być grzana bezpośrednio skoncentrowanym promieniowaniem słonecznym; a pręga chłodząca może być chłodzona radiatorem powietrznym.

Claims (2)

1. Maszyna cieplna Stirlinga, z rotacyjnym tłokiem o przekroju zbliżonym do wielokąta o N krawędziach i cylindrem o przekroju odpowiadającej temu wielokątowi trochoidy, znamienna tym, że na poszyciu jej cylindra, równolegle do osi jej wału (S), rozmieszczonych jest naprzemiennie N-1 podłużnych obszarów (pręg) grzania (H1, H2) gazu roboczego zamkniętego w komorach (A, B, C) wokół jej tłoka (P), i N-1 analogicznych podłużnych obszarów (pręg) chłodzenia (C1, C2) tego gazu tak, że każda pręga grzania sąsiaduje z dwoma pręgami chłodzenia nie stykając się jednak z nimi a każda pręga chłodzenia sąsiaduje tak samo z pręgami grzania.

2. Maszyna cieplna Stirlinga zgodna z zastrz. 1, znamienna tym, że odległości kątowe dowolnej pręgi transportu ciepła (C1, C2, H1, H2) od pręg bezpośrednio z nią sąsiadujących, mierzone względem osi jej wału, pozostają względem siebie w proporcji w przybliżeniu jak: 1 do 2.