Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR OPERATING SYSTEMS HAVING AN EXTERNAL SUPPLY OF HEAT, BASED ON THE PRINCIPLE OF FRAGMENTING A WORKING MEDIUM, AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/097742
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the field of thermal power engineering and can be used in thermal electric power stations, motor vehicles, refrigerating machines, and heat pumps equipped with recovery systems or heat regeneration systems. A method for operating a system having an external supply of heat, including a closed cycle of a working medium, in which pump-free circulation of the working medium is carried out, for which periodic fragmentation of the working medium is carried out in chambers having walls, said chambers being equipped with gate valves, and the fragmented working medium is heated in the chambers to increase the pressure of the working medium. A device for periodic fragmentation of the working medium is also proposed. The invention provides efficient heat exchange, optimizes the thermodynamic operating cycle, and reduces hydraulic loss.

Inventors:
ZAYTSEV ALEKSANDR ANATOL'EVICH (RU)
NADTOCHEY MIKHAIL ALEKSANDROVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2016/000801
Publication Date:
May 31, 2018
Filing Date:
November 22, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
GAYZER EDUARD PETROVICH (RU)
International Classes:
F03G7/06
Domestic Patent References:
WO2015012732A12015-01-29
Foreign References:
RU2027898C11995-01-27
US20100024413A12010-02-04
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ работы установки с внешним подводом теплоты, включающий замкнутый цикл циркуляции рабочего тела, отличающийся тем, что в установке осуществляют без насосную циркуляцию рабочего тела, для этого проводят периодическую фрагментацию рабочего тела в камерах (1) со стенками, оборудованных запорными элементами и нагревают фрагментированное рабочее тело в камерах (1) по крайней мере от одной греющей среды с повышением давления рабочего тела.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодинамический цикл работы установки состоит из процессов кипения и испарения рабочего тела, адиабатического или приближенного к нему расширения рабочего тела в преобразователе, конденсации рабочего тела, повышения давления рабочего тела при постоянном объеме за счет нагрева рабочего тела в камере (1).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодинамический цикл работы установки состоит из процессов кипения и испарения рабочего тела, изотермического или приближенного к нему расширения рабочего тела в преобразователе, по возможности рекуперативного охлаждения рабочего тела, конденсации рабочего тела, повышения давления рабочего тела при постоянном объеме за счет рекуперативного нагрева рабочего тела в камере (1).

4. Способ по п.1 , отличающийся тем, что термодинамический цикл работы установки состоит из одновременных процессов, приближенных к изотермическому расширению рабочего тела с частичным подводом тепла и изотермического сжатия рабочего тела с частичным отводом тепла и одновременных процессов рекуперативного охлаждения рабочего тела и процесса рекуперативного нагрева рабочего тела в камере (1).

5. Устройство для периодической фрагментации рабочего тела, включающее рабочую камеру (1), отличающееся тем, что устройство включает по крайней мере две камеры (1), камера (1) выполнена с возможностью периодической герметизации в ней рабочего тела, камера (1) имеет стенки и по крайней мере один запорный элемент.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что стенки камеры (1) имеют функцию теплообменника для передачи теплоты греющей среды к фрагментированному рабочему телу.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что стенки камеры (1) имеют функцию теплообменника для отвода теплоты охлаждающей средой от фрагментированного рабочего тела.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что камера (1) имеет по крайней мере один паропровод (7) для выравнивания давления и реализации теплообмена между паровой и жидкой фазами рабочего тела через стенку паропровода (7).

9. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что в качестве запорного элемента содержит по крайней мере один паровой клапан (8) или конденсатный клапан (10) или клапан (1 1), выполняющий одновременно функции парового и конденсатного клапана.

10. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что в качестве запорного элемента используют распределитель (14) для переключения камер (1).

Description:
Способ работы установок с внешним подводом теплоты, основанный на принципе фрагментации рабочего тела и устройство для его осуществления.

Область техники

Устройство относится к области теплоэнергетики, а именно к способам работы установок с внешним подводом теплоты и может быть использовано для разработки высокоэкономичных, экологически-чистых двигателей.

Предшествующий уровень техники

Известен двигатель с внешним подводом теплоты (патент RU 2157459, МПК F02G1/043, F03G7/06, опубл. 10.10.2000), работающий по термодинамическому циклу Стирлинга, то есть в идеальном случае: изотерма-изохора-изотерма-изохо а. Двигатель с внешним подводом теплоты состоит из трех камер А, В и С, соединенных между собой, в целом образующих герметичную систему. Сосуды А и В теплоизолированы. Камера С со стенкой, обладающей высокой теплопроводностью, находится при температуре окружающей среды. Все три камеры заполнены водородом в различных фазовых состояниях. Камера В дополнительно заполнена порошком металлогидрида. Камера С находится выше камеры А. Камера А постоянно заполнена жидким водородом, камера В первоначально заполнена жидким водородом, затем в процессе работы установки он переходит в газообразную фазу. Механизм тепловой энергетической установки размещается в камерах А и С. Он образован валом, проходящим через камеры А и С, и блоками цилиндров расширения и сжатия с поршнями и шатунами. Каждая пара соосных цилиндров блоков соединена короткими трубопроводами со встроенными в них регенераторами.

Известен способ рекуперации энергии для термодинамического цикла

Ренкина на основе мембранных технологий (патент RU 2300637, МПК F01K27/00, опубл. 10.06.2007). В качестве нагревателя и холодильника в термодинамическом цикле Ренкина используется замкнутый контур, состоящий, по меньшей мере, из одного мембранного блока, в котором циркулирует растворитель и растворимое вещество, тепловые эффекты смешения и разделения которых обеспечивают работу цикла Ренкина. Для этого используют комплексы веществ - растворитель и растворимое, растворитель отделяют от раствора, например, методом обратного осмоса, увеличивая концентрацию раствора, либо при помощи выделения в осадок растворимого вещества, либо абсорбцией растворимого вещества, либо сочетанием всех вышеуказанных методов, причем тепловой эффект выделения растворенного вещества из раствора используют для поглощения тепла в термодинамическом цикле Ренкина, а тепловой эффект растворения - для нагревания. Предложенный термодинамический цикл позволяет рекуперировать тепло конденсации цикла Ренкина.

Недостатками раскрытых двигателей является неэффективный теплообмен, гидравлические потери, потери полезной мощности на привод питательного насоса паросиловых двигателей с системой замкнутой циркуляции рабочего тела.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого решения является разработка способа работы установок с внешним подводом теплоты с эффективным теплообменом, оптимизацией термодинамического цикла работы, снижением гидравлических потерь и применением без насосной циркуляции рабочего тела в установках с замкнутым циклом работы и устройство для его осуществления.

Поставленная задача решается с помощью способа работы установки с внешним подводом теплоты, включающего замкнутый цикл циркуляции рабочего тела. В установке осуществляют без насосную циркуляцию рабочего тела, для этого проводят периодическую фрагментацию рабочего тела в камерах 1 со стенками, оборудованных запорными элементами и нагревают фрагментированное рабочее тело в камерах 1 по крайней мере от одной греющей среды с повышением давления рабочего тела.

Предпочтительно термодинамический цикл работы установки состоит из процессов кипения и испарения рабочего тела, адиабатического или приближенного к нему расширения рабочего тела в преобразователе, конденсации рабочего тела, повышения давления рабочего тела при постоянном объеме за счет нагрева рабочего тела в камере 1.

Предпочтительно термодинамический цикл работы установки состоит из процессов кипения и испарения рабочего тела, изотермического или приближенного к нему расширения рабочего тела в преобразователе, по возможности рекуперативного охлаждения рабочего тела, конденсации рабочего тела, повышения давления рабочего тела при постоянном объеме за счет рекуперативного нагрева рабочего тела в камере 1.

Предпочтительно термодинамический цикл работы установки состоит из одновременных процессов, приближенных к изотермическому расширению рабочего тела с частичным подводом тепла и изотермического сжатия рабочего тела с частичным отводом тепла и одновременных процессов рекуперативного охлаждения рабочего тела и процесса рекуперативного нагрева рабочего тела в камере 1.

Поставленная задача решается с помощью устройства для периодической фрагментации рабочего тела, включающего рабочую камеру 1. Устройство включает по крайней мере две камеры 1, камера 1 выполнена с возможностью периодической герметизации в ней рабочего тела, камера 1 имеет стенки и по крайней мере один запорный элемент.

Предпочтительно стенки камеры 1 имеют функцию теплообменника для передачи теплоты греющей среды к фрагментированному рабочему телу.

Предпочтительно стенки камеры 1 имеют функцию теплообменника для отвода теплоты охлаждающей средой от фрагментированного рабочего тела.

Предпочтительно камера 1 имеет по крайней мере один паропровод 7 для выравнивания давления и реализации теплообмена между паровой и жидкой фазами рабочего тела через стенку паропровода 7.

Предпочтительно камера 1 в качестве запорного элемента содержит по крайней мере один паровой клапан 8 или конденсатный клапан 10 или клапан 11 , выполняющий одновременно функции парового и конденсатного клапана.

Предпочтительно в качестве запорного элемента используют распределитель

14 для переключения камер 1.

В основе предлагаемого изобретения лежит принцип фрагментации (разделения) рабочего тела.

Под термином фрагментация понимается разделение рабочего тела. Ниже описаны принципы фрагментации для повышения эффективности теплообмена.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа работы установок с внешним подводом теплоты с эффективным теплообменом, оптимизацией термодинамического цикла работы, снижением гидравлических потерь и применением без насосной циркуляции рабочего тела в установках с замкнутым циклом работы и устройство для его осуществления. Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 показана принципиальная схема для демонстрации базового принципа фрагментации, где изображены камеры 1, предназначенные для фрагментации потока рабочего тела 3, движущегося навстречу потоку греющей среды 2. При этом поток рабочего тела в камере 1 периодически запирается (герметизируется) между этапами наполнения и освобождения камер 1. Так на фиг. 1 фрагмент рабочего тела 3 сначала герметизируется в камере 1, обозначенной римской цифрой (I), а затем этот же фрагмент герметизируется в камере 1 обозначенной римской цифрой (II). В целом эта схема реализует принцип противоточного теплообменника, в котором нагреваемое рабочее тело и охлаждаемая среда, например, отработанное рабочее тело в случае рекуперации или внешняя среда, например, продукты сгорания, движутся навстречу друг другу, а их средняя температура изменяется согласно температурному градиенту 4.

На фиг. 2 показан вариант устройства для фрагментации рабочего тела с реализацией без насосной циркуляции рабочего тела, реализуемой за счет поочередного наполнения и освобождения камер 1 и применимого для рабочих тел с фазовым переходом. На фиг. 2а показаны две герметичные, временно соединенные между собой камеры 1. Их соединение реализуется паровым клапаном 8 и конденсатным клапаном 10, открытию этих клапанов предшествует условие, когда камера 1 , обозначенная римской цифрой (II), заполнена паровой фазой рабочего тела 5, возможно с примесью других газов, а камера 1, обозначенная римской цифрой (I), заполнена жидкой фазой рабочего тела 6. При открытии клапанов 8 и 10 паровая фаза 5 через паропровод 7 переходит из камеры 1 (II) в камеру 1 (I), при этом через стенку паропровода 7 происходит теплообмен. Жидкая фаза рабочего тела 6 из-за разности плотностей перемещается из камеры 1 (I) в камеру 1 (II).

Возможна и иная реализация принципа без насосной циркуляции рабочего тела за счет применения фрагментации рабочего тела, например, как показано на фиг. 2b), его отличие от описанного выше в том, что клапан 1 1, соединяющий камеры 1 одновременно выполняет функции парового и конденсатного клапанов. Паровая фаза рабочего тела 5 в этом случае при переходе из камеры 1 (II) в камеру 1 (I) непосредственно взаимодействует с конденсатом рабочего тела 6.

Условием работоспособности таких схем является соблюдение разности плотностей жидкой и паровой фаз рабочего тела в соответствии с индивидуальной линией насыщения для какого либо рабочего тела. Ограничением по температуре и давлению является критическая точка, превышение которой характеризуется равномерностью фазового состояния рабочего тела.

На фиг. 3 показан упрощенный пример реализации без насосной циркуляции рабочего тела в паросиловой установке с замкнутым циклом работы, состоящей из камер 1, клапанов 8, 10, паропровода 7. В замкнутый контур паросиловой установки включен преобразователь (паровая турбина) 12 и конденсатор 13, также реализован подвод тепла в виде потока греющей среды 2. Организация без насосной циркуляции в этом случае полностью аналогична способу, описанному на фиг. 2а).

На фиг. 4 показана принципиальная схема для демонстрации базового принципа, в которой способ фрагментации рабочего тела применим не только для рабочих тел с фазовым переходом, но и для газообразных рабочих тел без фазового перехода. В этой схеме нет ограничений по давлению и температуре, связанных с критической точкой вещества, так нет необходимости соблюдать разность плотностей жидкой и паровой фаз рабочего тела. Особенностью этой схемы является нахождение рабочего тела в одной камере 1 весь период нагрева от наполнения до использования, а принцип противоточного теплообменника в этой схеме реализуется за счет управляемого изменения направления движения потока греющей среды 2. Например, на фиг. 4а) греющий поток 2 сначала взаимодействует с рабочим телом в камере 1 , обозначенной римской цифрой (II), а затем с рабочим телом в камере 1 , обозначенной римской цифрой (I). В зависимости от режима работы происходит управляемое переключение потока греющей среды 2, как на фиг. 4Ь), где поток греющей среды 2 сначала взаимодействует с рабочим телом в камере 1 (I), а затем с рабочим телом в камере 1 (II). Стрелками 3 на схемах показаны возможные направления движения потоков рабочего тела, а когда камера 1 наполнена, потоки рабочего тела 3 перекрыты. В случае реализации данной схемы видно, что при изменении потока греющей среды 2 происходит изменение направления температурного градиента 4, эта особенность отражается на наполнении отработавшей «горячей» камеры 1 «холодным» потоком рабочего тела 3 и будет подробно раскрыта далее.

На фиг. 5а) показана принципиальная схема устройства, реализующего один из возможных способов работы установок с внешним подводом теплоты, основанный на принципе фрагментации рабочего тела 3 в камерах 1 с управляемым изменением потока греющей среды 2, важной особенностью в этом случае является использование в потоке греющей среды 2 теплоты выработавшей рабочее тело 3, но оставшейся «горячей» камеры 1 , обозначенной римской цифрой (II). На фиг. 5 Ь) показан возможный термодинамический цикл работы подобной установки.

На фиг.5а) показано шесть камер 1 с циклическим режимом работы. Последовательность камер при работе сохраняется, а переключение камер 1 реализуют с помощью распределителя 14, который в зависимости от режима работы периодически, с остановками проворачивается на 60°, при этом смена режимов работы камер 1 происходит по часовой стрелке. В моменте, римскими цифрами показан следующий порядок; (I) - камера «работает», в нее через теплообменник 15 поступает греющая среда 2 с максимальной температурой, рабочее тело 3 выходит из этой камеры для использования в преобразователе 12; (II) - эта камера 1, заперта и через теплообменник 15 в ней охлаждаются остатки рабочего тела 3, стенки камеры 1 , и сам теплообменник 15, так как после выработки камера (II) осталась нагрета, и в данном положении отдает тепло греющей среде 2 которая предварительно отдала тепло в камерах (I), (VI) и (V); (III) - эта камера «наполняется» охлажденным/сконденсированным рабочим телом 3 предварительно прошедшим холодильник/конденсатор 13; (IV) - эта камера 1 наполнена и заперта, участвует в первой ступени нагрева за счет теплоты, отведенной от отработавшей камеры (II); (V) - эта камера, наполнена и заперта, участвует во второй ступени нагрева за счет теплоты внешнего источника тепла ; (VI) - эта камера, также наполнена и заперта, участвует в третьей ступени нагрева за счет теплоты внешнего источника тепла. Важно, что в более простом варианте тепло от отработавшей камеры (II) может не отводится описанным образом, камера (II) после выработки без предварительного охлаждения может сразу наполняться отработанным рабочим телом.

На фиг.5Ь) показан идеализированный термодинамический цикл работы подобной установки в координатах, Р - давление и V - объем. При внешней схожести с известным циклом Ренкина, благодаря примененному принципу фрагментации, показанный цикл принципиально иной, авторами предлагается следующее его название: термодинамический цикл Надточея - Зайцева для двигателей на рабочих телах с фазовым переходом и преимущественно адиабатическим преобразователем энергии рабочего тела в механическую работу. В этом цикле с циклом Ренкина схожи процессы 1-2, испарение рабочего тела в камере 1 ; процесс 2-3, адиабатическое (без подвода тепла) расширение рабочего тела в преобразователе 12; процесс 3-4, конденсация рабочего тела; процесс 4-1 принципиально отличается от цикла Ренкина, в нем повышение давления, фрагментированного в камерах 1 рабочего тела 3 до максимального значения давления происходит за счет нагрева замкнутого в объеме камеры 1 рабочего тела 3.

Преимущества предлагаемого способа работы установки и устройства для его осуществления:

- в цикле Ренкина задача внутрицикловой циркуляции рабочего тела с повышением давления до максимального значения решается питательным насосами с соответствующими затратами мощности на их привод. Например, для установок с водой в качестве рабочего тела эти затраты доходят до 10% от полезной мощности, а для установок с низкокипящими жидкостями в качестве рабочего тела, например фреонами и до 20%.

- в показанной схеме при фрагментации рабочего тела может происходить практически полное использование теплоты сгорания топлива, так как количество камер, 1 фрагментирующих рабочее тело ничем не ограничено, а следовательно не ограничена длина и количество «ступеней» теплообменников.

Далее на фиг. 6 будет рассмотрена созданная авторами установка с внешним подводом теплоты с реализованным принципом фрагментации рабочего тела. Работа устройства основана на аналогичном принципе фрагментации рабочего тела с фазовым переходом, показанном на фиг. 5. Отличие от описанной на фиг. 5 принципиальной схемы работы установки в том, что применен поршневой преобразователь с функцией подвода теплоты, целью которого является реализация изотермического, или «сверх» изотермического или приближенного к ним процесса расширения рабочего тела в преобразователе. Эта особенность позволяет снимать больше работы с аналогичной массы расширяющегося рабочего тела в сравнении с адиабатическим вариантом расширения и предполагает применение схемы с рекуперацией.

На фиг. 6а) схематически показан поршневой преобразователь с подводом теплоты, состоящий из поршня 16, цилиндра 17, уплотнительных колец 18, штока 19, под поршневого пространства 20, над поршневого пространства 21 , нагревателя 22, впускного клапана 25, выпускного клапана 24, и обратных клапанов 23. Преобразователь имеет развитую структуру теплообменника. Через обратный клапан 23 и впускной клапан 25 рабочее тело 3 поступает в преобразователь и при расширении получает тепло от нагревателя 22, совершая при этом работу над поршнем 16, далее на обратном ходе поршня 16 через выпускной клапан 24 и обратный клапан 23 рабочее тело вытесняется из над поршневого пространства 21 и по каналам и теплообменникам согласно схемы прогоняется до наполняемой конденсатом камеры 1. Последовательность камер 1 при работе сохраняется, а переключение камер 1 проводят с помощью распределителя 14, который в зависимости от режима работы периодически, с остановками проворачивается на 60 градусов, при этом смена режимов работы камер 1 происходит по часовой стрелке. В моменте, римскими цифрами показан следующий порядок; (I) - камера «работает», в нее через теплообменник 15 поступает отработанное рабочее тело 3 с максимальной температурой, нагреваемое рабочее тело 3 выходит из этой камеры для использования в преобразователе; (II) - эта камера заперта и через теплообменник 15 «охлаждается» после работы, в ней остатки рабочего тела 3, стенки камеры 1 , и теплообменник 15, после выработки камеры остались нагреты, а в данном положении отдают тепло отработанному рабочему телу 3, которое предварительно отдало тепло в камерах (I), (VI) и (V); (III) - эта камера «наполняется» охлажденным/сконденсированным рабочим телом 3, предварительно прошедшим холодильник/конденсатор 13; (IV) - эта камера наполнена и заперта, участвует в первой ступени нагрева за счет теплоты, отведенной от отработавшей камеры (II); (V) - эта камера наполнена и заперта, участвует во второй ступени нагрева за счет теплоты отработанного рабочего тела 3; (VI) - эта камера также наполнена и заперта, участвует в третьей ступени нагрева за счет теплоты отработанного рабочего тела 3. Важно, что в более простом варианте тепло от отработавшей камеры (II) может не отводиться описанным образом, камера (II), после выработки без предварительного охлаждения может сразу наполняться отработанным рабочим телом. В описанной схеме возможно «сверх» изотермическое расширение рабочего тела, когда температура рабочего тела во время расширения не только сохраняется, но и возрастает, этот режим может применяться не только для увеличения производимой работы, но и для соблюдения равенства теплоемкостей нагреваемого фрагментированного рабочего тела и отработанного рабочего тела.

На фиг. 6Ь) показан идеализированный термодинамический цикл работы этой установки, авторами предлагается следующее его название: Термодинамический цикл Зайцева - Надточея для двигателя на рабочих телах с фазовым переходом и системой внутри цикловой рекуперации, и с преимущественно изотермическим преобразователем энергии рабочего тела в механическую работу. Описание процессов цикла: процесс 1-2, испарение рабочего тела в камере 1 ; процесс 2-3, изотермическое или приближенное к нему расширение рабочего тела в преобразователе; процесс 3-4, охлаждение отработанного рабочего тела за счет рекуперативного нагрева фрагментированного рабочего тела в камерах 1 ; процесс 4-5, конденсация отработанного рабочего тела; процесс 5-1 повышение давления фрагментированного в камерах 1 рабочего тела 3 до максимального значения давления за счет нагрева замкнутого в объеме камеры 1 рабочего тела.

Преимущества предлагаемого способа работы установки и устройства для его осуществления:

- в цикле Ренкина задача внутри цикловой циркуляции рабочего тела с повышением давления до максимального значения решается питательным насосами с соответствующими затратами мощности на их привод. Например для установок с водой в качестве рабочего тела эти затраты доходят до 10% от полезной мощности, а для установок с низкокипящими жидкостями в качестве рабочего тела, например, фреонами и до 20%. - при фрагментации рабочего тела возможно практически полное использование теплоты сгорания топлива, так как количество камер 1 , фрагментирующих рабочее тело ничем не ограничено, а следовательно не ограничена длина и количество «ступеней» теплообменников.

- изотермическое, сверх изотермическое или приближенное к ним расширение рабочего тела в преобразователе позволяет снимать больше работы с одинаковой массы рабочего тела по сравнению с адиабатическим вариантом, что повышает КПД цикла.

Принцип фрагментации рабочего тела в камерах 1 применим и для газообразных рабочих тел без фазового перехода.

На фиг. 7 показана принципиальная схема установки со схожими принципами распределения и фрагментации. Установка состоит из поршневого преобразователя с нагревателем 22, преобразователь в свою очередь включает поршень 16, цилиндр 17, уплотнительные кольца 18, шток 19, подпоршневое пространство 20, надпоршневое пространство 21, Преобразователь может иметь развитую структуру теплообменника. Последовательность камер 1 при работе сохраняется, а переключение камер, как и впуск в преобразователь и выпуск из него реализуется распределителем 14, который в зависимости от режима работы периодически, с остановками проворачивается на 30 градусов, при этом смена режимов работы камер в соответствии с работой преобразователя происходит следующим образом:

На фиг. 7а) показан обратный ход поршня 16 преобразователя и одновременная внутри цикловая рекуперация теплоты рабочего тела, когда рабочее тело вытесняется из надпоршневого пространства 21 в подпоршневое пространство 20, через соединительные каналы и теплообменники 15 камер 1. В моменте, римскими цифрами показан следующий порядок; (VII) - камера участвует в последней ступени нагрева за счет тепла отработанного рабочего тела имеющего максимальную температуру; (VI) - камера участвует в третьей ступени нагрева за счет тепла отработанного рабочего тела; (V) - камера участвует во второй ступени нагрева за счет тепла отработанного рабочего тела, поступающего в нее через теплообменник 15; (II) - эта камера через теплообменник 15 «охлаждается» после ее выработки, в ней остатки рабочего тела 3, стенки камеры 1 , и теплообменник 15, после выработки камера осталась нагрета, и в данном положении отдает тепло отработанному рабочему телу 3, которое предварительно отдало тепло в камерах (VII), (VI), (V); (IV) - эта камера наполнена, заперта и участвует в первой ступени нагрева за счет теплоты, отведенной от отработавшей камеры (II). Возможное сверх изотермическое расширение рабочего тела, когда температура во время расширения не только сохраняется, но и возрастает, может быть полезна не только для увеличения производимой работы, но и подбираться исходя из соответствия теплоемкостей нагреваемого фрагментированного рабочего тела и отработанного рабочего тела.

На фиг. 7 Ь) показан рабочий ход преобразователя и одновременное сжатие рабочего тела, за счет вытеснения рабочего тела из запоршневого пространства 20 в наполняемую камеру (III). В моменте, римскими цифрами показан следующий порядок; (I) - эта камера «работает», рабочее тело из нее поступает в преобразователь. (III) - эта камера «наполняется» рабочим телом 3. При этом в схеме охлаждения наполняемой камеры (III) предусмотрен контур охлаждения, в которой присутствует циркуляционный насос 26, и холодильник 13, стрелками 27 показано движение рабочего тела/теплоносителя в контуре. При этом понятно, что охлаждение сжимаемого рабочего тела может реализовываться иным способом.

На фиг. 8 показан идеализированный термодинамический цикл, описывающий работу двигателя с фрагментацией газообразного рабочего тела. Цикл в своем роде уникальный, как и циклы, описанные выше, он построен на принципе фрагментации рабочего тела. Авторами предлагается следующее его название: термодинамический цикл Зайцева - Надточея для устройств, реализующих принцип фрагментации газообразного рабочего тела с системой внутри цикловой рекуперации и преимущественно изотермическим преобразователем. Цикл показан в координатах Р - давление, и V - объем, разложен по одновременным процессам и обозначен латинскими буквами а) и Ь), дополнительно справа от каждого графика показано минимальное количество камер 1 и схемы распределения потоков рабочего тела 3, в которой эти процессы цикла реализуются. Схематически показан распределитель 14, преобразователь в двух положениях. Дополнительно во всех камерах 1 показан охлаждающий теплообменник 28. На фиг. 8а) показано описание одновременных процессов между точками на графике 1-2-3 и 4-5. Точка 1 , открытие распределителем 14 камеры 1 , обозначенной римской цифрой (III) в над поршневую полость 21 преобразователя, происходит расширения РТ в камере 1 (III) и надпоршневом пространстве преобразователя до точки 2, далее распределитель 14 закрывает камеру 1 (III), расширение рабочего тела продолжается в надпоршневой полости 21 преобразователя. В точке 3 объем надпоршневой полости 21 максимален. Одновременно с процессом расширения 1- 2-3 происходит процесс сжатия 4-5, находящееся в подпоршневом пространстве 20 преобразователя рабочее тело вытесняется из него в камеру 1 (I), камера наполняется сжатым рабочим телом, избыток тепла, образуемый при этом процессе отводится через теплообменник 28 в холодильник 13. Процессы сжатия и расширения преимущественно приближены к изотермическим. Возможно и в некоторых случаях оптимально отсутствие точки 2 в цикле в случае оставления камеры (III) открытой во время расширения рабочего тела.

На фиг. 8Ь) показано описание одновременных процессов 3-4 и 5-1. В точке

3 начинается вытеснение рабочего тела из надпоршневой пространства 21 в подпоршневое пространство 20 через соединительные каналы и теплообменник 15 камеры 1 (И). Объем, занимаемый рабочим телом, при этом процессе сохраняется, рабочее тело отдает тепло рабочему телу в наполненной камере 1 (II), давление и температура снижаются. Одновременно с процессом 3-4 происходит процесс 5-1 , в нем рабочее тело, находящееся в объеме камеры 1 (II) нагревается за счет тепла, переходящего из надпоршневого пространства 21 в подпоршневое пространство рабочего тела, т.е. реализуется процесс рекуперации.

В совокупности описанные процессы 1-2-3-4-5 близки к широко известному циклу Стирлинга, который благодаря внутри цикловой регенерации рабочего тела близок по эффективности к циклу Карно.

Преимущества предлагаемого способа и устройства для фрагментирования рабочего тела:

- благодаря принципу фрагментации возможно многократное снижение скорости рабочего тела в зоне нагрева и рекуперации, время полного оборота рабочего тела в цикле можно увеличивать до оптимального значения, эта особенность позволяет снизить гидравлические потери и увеличить эффективность теплообмена;

- применение «тяжелых» плохо текучих газообразных рабочих тел.

Лучший вариант осуществления изобретения

Все описанные варианты выполнения устройства для периодической фрагментации рабочего тела и способы работы установки с внешним подводом теплоты, описанные выше, являются лучшими вариантами осуществления изобретения.

Промышленная применимость

Предложенное изобретение может быть использовано в тепловых электростанциях, автомобилях, холодильных машинах, тепловых насосах, оборудованных системами рекуперации или регенерации тепла.