Регенеративный тепловой двигатель

Самарин Александр Иванович
Тепловой двигатель
Введение
Предлагаю на суд жюри изобретенный мной регенеративный тепловой двигатель,
описание патента которого представлено в pdf-документе Wärmekraftmaschine. В
соответствии с указанным патентом на фирме Höhne (см. http://www.hoehne-gmbh.de/)
был изготовлен и испытан небольшой двигатель. Термодинамический цикл предлагаемого
мотора напоминает цикл двигателя Стирлинга. Однако из-за того, что регенераторы
специальной конструкции двигаются возвратно-поступательно в цилиндрах, имеются
значительные отличия от двигателя Стирлинга. Когда в цилиндры с двигающимися
регенераторами случайно попала охлаждающая вода и впиталась в регенераторы, как в
губки, произошло значительное увеличение скорости вращения вала (с 400 rpm до 1200
rpm).
Необычные особенности мотора низкого давления с мокрыми
двигающимися регенераторами
● Высокая скорость вращения при работе на обычном воздухе (не требуется применение
гелия) возникает из-за циклически меняющейся массы рабочего газа в процессе испарений
и конденсации воды. Наибольший эффект повышения скорости вращения достигается при
малой величине давления в рабочем объёме. Однако величина давления воздуха не
должна быть меньше 4 бар для избежания образования больших объёмов пара,
уменьшающих количество воздуха, охлаждающего регенераторы, что делает работу
мотора нестабильной. Таким образом, воздушный двигатель низкого давления может быть
сделан весьма компактным благодаря своей высокой скорости.
● Величина оптимальной температуры горячих трубок мотора низкого давления
составляет около 300 °C, что противоречит требованию обеспечения температуры горячих
трубок обычного двигателя Стирлинга не ниже 700 °C. Мотор способен работать даже при
температуре горячих трубок 160…200 °C. Таким образом, воздушный двигатель низкого
давления может удачно применяться для утилизации бросового низкотемпературного
тепла выхлопных газов в полезную мощность. Вы можете просто вмонтировать мотор в
дымоход печи или камина (обычный двигатель Стирлинга в этих условиях не
работоспособен). Если вместо воды применить фреон, а вместо воздуха — азот при
давлении 6 бар, то можно ожидать, что мотор будет способен работать от тепла
геотермальных источников. В этом случае в современных условиях неизбежно возникнет
интерес для развития индивидуальных когенерационных микро-электростанций нового
типа, не требующих сжигания топлива и не загрязняющих окружающую среду. Такие
электростанции не нуждаются в солнечном свете, в ветре и не создают вредного для
человека и животных инфразвукового излучения.
Ожидаемые характеристики мотора низкого давления по предлагаемому
проекту
Несмотря на сравнительно низкую эффективность, не превышающую 15 %, ценным
качеством мотора является способность работать от источника бросового
низкотемпературного тепла. В процессе испытания небольшого двигателя наблюдалось
незначительное и довольно медленное высыхание регенераторов, что в процессе
эксплуатации вызывало медленное ухудшение его рабочих характеристик. Чтобы
исключить высыхание регенераторов, я разработал экслюзивную систему увлажнения,
которая нуждается в испытаниях и отработке при реализации предлагаемого проекта.
Размеры мотора по предлагаемому проекту: Ø246 х 466 мм. Вес: 18,2 кг. Максимальная
ожидаемая эффективная мощность — 0,8 кВт.
ё
К проекту прилагается avi-документ «Animation», позволяющий смотреть мотор в
движении.
Особенности мотора высокого давления с мокрыми двигающимися
регенераторами
● Увеличение давления в рабочем объёме подавляет процессы кипения и конденсации
при работе мотора. В результате мотор становится похожим на двигатель Стирлинга
снижением скорости вращения в ответ на увеличение давления. Однако мотор с мокрыми
регенераторами всегда работает лучше по сравнению с сухим мотором не только по
описанным выше причинам, но и в результате снижения износа и трения металлических и
пластмассовых деталей при смазке водой.
● Минимальное снижение скорости вращения при увеличении давления, а,
следовательно, максимальное увеличение мощности и эффективности достигается
максимально возможным увеличением теплопередачи горячим трубкам. С этой целью
внутри пучка горячих трубок необходимо создать искусственный огненный торнадо или,
как его ещё иногда называют, «потенциальный вихрь».
Ожидаемые характеристики мотора высокого давления с эффектом
«потенциального вихря» по предлагаемому проекту
Вытяжной
вентилятор
Датчик
кислорода
Воздухонагреватель
Все конструктивные отличия, вернее сказать — усложнения мотора высокого давления,
преследуют одну цель – создание «потенциального вихря». Для этой цели впускная и
выпускная трубы камеры сгорания привариваются по касательной в направлении
естественного вращения природного торнадо в Северном полушарии нашей планеты.
Если в будущем двигатель будет поставляться в Австралию или Новую Зеландию, трубы
должны быть повернуты на 180°.
Воздухонагреватель имеет двойное назначение. С одной стороны, воздухонагреватель
является аэродинамическим сопротивлением, необходимым для создания в камере
сгорания вакуума, без которого не может возникнуть торнадо. С другой стороны, в
соответствии с законом Стефана — Больцмана о четвёртой степени зависимости
мощности передачи тепла от абсолютной температуры, даже небольшое повышение
температуры в камере сгорания за счёт подогрева воздуха приводит к значительному
увеличению скорости вращения двигателя.
Для достижения максимально возможной температуры внутри камеры сгорания,
необходимо строго регулировать оптимальное соотношение количества топлива и
воздуха. Принцип регулирования основан на использовании «тригерной» характеристики
датчика кислорода:
Зона управления
Богатая
смесь
Бедная
смесь
Если электрический сигнал датчика кислорода выйдет из указанных областей
регулирования, широтно-импульсный модулятор изменит импульс напряжения питания
двигателя вентилятора:
Если смесь воздуха и топлива богатая, отношение t1 к t2 увеличивается и увеличивается
скорость вращения вентилятора.
Если смесь воздуха и топлива бедная, отношение t1 к t2 уменьшается, а скорость
вращения вентилятора снижается.
Автор выражает надежду, что общий эффект описанных действий даёт возможность
повысить давление в рабочем объеме до величины не ниже 30 бар. В этом случае
ожидаемая величина эффективной мощности может достигать 3...5 кВт. Ожидаемая
величина эффективности может достигать 30 %, что значительно превышает
эффективность ныне существующих когенерационных установок компании Whispergen
(Новая Зеландия).