Приспособление, предназначенное для преобразования тепловой энергии в механическую

1525 Класс 46-с 1 АТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИ О ПИ АН ения, предна тепловой эне приспо ни Белогуста 1926 год от 15 сентябр О выдаче патента опубликораспространяетс Действие па 924 г. но 31а 15 л кпособления пециального основано рмодинанени на и Предлагаемое изобретение имеет целью преобразовать возможно большее количество тепловой энергии газа высокой температуры, взятого при атмосферном давлении, в механическую энергию в виде кинетической энергии струи газа того же давления, но низшей температуры, или же в виде потенциальной энергии газа, сжатого до давления более высокого, чем начальное, но с температурою пониженною против начальной, причем в том и другом случае полученная механическая энергия предназначается для производства внешней полезной работы. Таким образом имеется ввиду получить возможность удобного и экономического использования энергии всевозможных родов топлива для производства самых разнообразных видов работы.На фиг. 1 - 16 схематического чертежа изображен пример выполнения предлагаемого приспособления. На фиг. 1 изображен термодинамический цикл преобразователя, работающего без подогревания свежего воздуха; на фиг. 2 - продольный разрез трубчатого преобразователя простейшего вида; на фиг. 3, 4 и 5 - схемы устройств для использования кинетической энергии выходящего аченного для преобразогии в механическую.Я 2 июня 1921 год из преобразователя газа; на фиг. 6 - продольный разрез трубчатого преобразователя, дающего механическую энергию в потенциальном виде; на фиг. 7 - схема устройства для понижения давления и температуры подаваемого в аккумулятор газа с одновременным увеличением количества его; на фиг. 8 - термодинамический цикл преобразователя, работающего с подогреванием свежего воздуха теплотою отработанных газов; на фиг. 9 и 10 - схемы установок с трубчатым преобразователем, работающих с подогреванием свежего воздуха теплотою отработанных газов; на фиг. 11 - схема устройства для регулирования температуры поступающего в преобразователь газа; на фиг. 12 - схема устройства для регулирования подачи охлаждающей воды; на фиг. 13 и 14 схемы устройств для пуска в ход трубчатаго преобразователя энергии; на фиг. 15 - схема установки с независимым подогреванием воздуха; на фиг. 16 в схе установки с использованием полученной энергии для производства внешней работы ранее сжатия газа.Действие прчале и конце расширения. 1(роме того, количество охлаждающей воды расчитывается так, что она вся испаряется ранее достижения сжимающимся газом атмо-, сферного давления и далее сжатие идетуже адиабатически с более быстрым повышением температуры.Схема установки, работающей с подогреванием свежего воздуха, изобракена на фиг. 9,Здесь продукты горения из печи 20 поступают в трубчатый преобразователь 27 и выходят из него с весьма больпой скоростью и с температуроИ более высокой, чем температура внешнего воз. духа, В приборе 22, схематически изображенном в виде турбинного колеса, они теряют почти всю свою скорость, производя потребную работу, но сохра-няют, по выходе из него, ту же температуру, как и по выходе из преобразователя. Далее, оставаясь все время отделенными от внешнего воздуха дурно проводящей теплоту оболочкой 23, от-работанные газы поступают в подогре-ватель 24 Подогреватель действует по, принципу встречных токов, Он состоитиз двух систем ходов 25 - 25 и 2 б - 2 б, отделенных одна от другой тонкими металлическими стенками; по ходам системы 25 - 25 проходят отработанные газы, отдавая постепенно свою теплоту металлическим стенкам, и, достигнув возможно низкой температуры, выходятв атмосферу; навстречу им, по ходам системы 2 б - 2 б, проходит свежий воздух и постепенно нагревается от соприкосновения с металлическими стенками, нагретыми отработанными газами; достигнув наивысшей возможной темпера. туры, воздух по каналу 27 направляется в печь, Для уменьшения потери теплоты, стенки, отделяющие ходы подогревателя 1 от внешнего воздуха, а также разделяющие ходы одной и той же системы между собою, должны делаться из дурных проводников тепла и поверхность их должна быть возможно малой. Напротив, стенки, отделяющие ходы одной системы от другой, для лучшей - передачи тепла, должны делаться из хороших проводников тепла и иметь возможно малую толщину и большую поверхность; их можно, например, изготовлять из тонких металлических листов,гладких или даже гофрированных, так как давление в ходах той и другой системы почти одно и то же,При применении к установкам с подогревателем устройства для понижения давления и температуры в аккумуляторе, изображенного на фиг. 7, можно пользоваться в качестве добавочного воздуха, смешиваемого со струей активного газа, - отбработанными газами. Такого рода установка изображена на фиг. 70.Предварительное подогревание свежего воздуха дает возможность повышать температуру продуктов горения в печи, и, следовательно, увеличивает степень расширения их в трубе преобразователя, а вместе с тем и коэффициент полезного действия последнего. Однако, применение его возможно лишь до известного предела, так как при этом происходит повышение температуры во всех частях" установки, и слишком большая степень предварительного подогревания может оказаться вредной для них.В некоторых случаях может оказаться выгодным применение подогревания свежего воздуха не теплотой отработанных газов а за счет сжигания добавочного количества топлива или, вообще, от какого либо иного источника теплоты. При таком независимом нагревании тоже повышается коэффициент полезного действия установки, вследствие повышения температуры продуктов горения, поступающих в преобразо- ватель, и увеличения степени расширения газа в трубе преобразователя, но в этом случае повьцнение коэффициента не так велико, так как преобразователь работает по циклу, изображенному на фиг. 1, более отступаюшему от идеального цикла Карно, чем цикл фиг, 8. С другой стороны, при независимом нагревании получается повышение температуры только в печи и в трубе преобразователя, в других же частях установки - аккумуляторе, трубопроводе, машинах - температура остается такой же, как и без применения подогревания. Схема установки с независимым подо. греванием изображена на фиг, 15.Действие трубчатого преобразователя можно регулировать помощью специальных устройств и приспособлениИ.непостредственно (в активных турбннах,струйнных вентиляторах и насосах -фиг. 3, 4 и 5) или путем предвари-тельного превращения ее в потенциаль-ную энергию сжатого газа. В этом по-следнем случае, газ, по достижении им атмосферного давления, не выпускается во внешнюю атмосферу, а, двигаясьдалее по трубе, имеющей добавочную часть 8 - 8 - 77 - 77 (фиг. б), продолжает сжиматься за счет собственной кинетической энергии. Процесс сжатия идет в этой части трубы уже идиабатически (охлаждающая вода уже вся обращена в пар), давление и температура газа при этом быстро возрастают, а скорость движения убывает. Достигнув сечении 71 - 77 наибольшего возможного давления, газ поступает в резервуар 72, служащий аккумулятором энергии. Аккумулятор должен быть достаточно прочен и непроницаем для применяемых давлений, а также безопасно выдерживать температуру сжатого газа. Из аккумулятора сжатый газ по трубопроводу 73 передается к месту потребления энергии. Часть трубы преобразователя, в которой производится адиабатическое сжатие газа, аккумулятор и отводящий сжатый газ трубопровод могут быть изолированы дурными проводниками тепла, для уменьшения потеритеплоты в окружающее пространство. Таким способом утилизации энергии струи газа имеется ввиду накапливать энергию, передавать ее на расстояние и использовать, в зависимости от характера требуемой работы, в самых разнообразных машинах, как то: турбины всех родов, поршневые машины большой и малой скорости, коловратные машины, пульсометры, струйные насосы и венти-ляторы, насосы системы гейзер", пнев-, матические инструменты прямого дей-ствия (копры, молоты, прессы и т. д пневматические под ьем ники и проч,), Если температура и давление газа, сжатого в аккумуляторе окажутся при таком устройстве чрезмерно высокими, их можно понизить помощью устройства, изображенного на фиг, 7, причем количество подаваемого в аккумулятор газа соответственно увеличится. При этом устройстве струя газа, выходящая из отверстия 8 - 8 трубы, изображенной на фиг, 2, смешивается со струей внешнего воздуха, поступающей через кольцевую щель 74 - 74 подобно тому, как это происходит в воздухоструйных вентиляторах, Таким образом, количество сжимаемого газа увеличивается количество энергии, сжимающей газ выше атмосферного давления, остается прежнее, вследствие чего степень сжатия газа, а вместе с нею конечное давление и температура его - уменьшаются. Выбирая определенное соотношение между количеством выходящего из трубы преобразователя активного газа и смешиваемого с ним добавочного воздуха имеется ввиду получить в аккумуляторе желаемые давление и температуру.Коэффициент полезного трубчатого преобразователя энергии в некоторых случаях предполагается повысить применением пведварнтельного подогревания воздуха, поступающего в печь за счет теплоты отработанных газов. В этом случае применяется более сложный термодинамический цикл, изображенный на фиг, 8. Он слагается из следующих последовательных процессов, которым подвергается проходящий через преобразователя воздух: 1) нагревание отработанными газами, изображенное на фиг. 8 отрезком прямой 75 - 76; 2) нагревание сжиганием топлива (или заимствованием теплоты от иного основного источника энергии), изображенное прямой 1 б - 17;3) адиобатическое расширение газа по линии 17 - 18; 4) изотермическое сжатие до некоторого давления, меньшего чем атмосферное, по линии 78 - 79; 5) адиабатическое сжатие до атмосферного газа с отдачей теплоты на подогревание свежего воздуха по линии 79 в 7 б; 6) охлаждение отработанного газа с отдачей теплоты на подогревание свежего воздуха по линии 7 б - 75 Утилизация энергии струи газа для производства потребной работы производится между 5 и б из указанных процессов каким либо из способов, описанных выше, При осуществлении на практике цикла, изображенного на фиг. 8, нагревательный прибор и труба преобразователя сохраняют прежнее устройство, но сечения трубы расчитываются на большую степень расширения, соответственно большей разности температуры при настет сильнее, чем при чисто адиабати-ческом сжатии по линии 4 - 48, темпе-ратура же - значительно меньше. Изме-нением количества впрыскиваемой дляохлаждения воды и комбинацией этого способа с устройством, изображеннымна фиг. 7, можно получить самые разно образные величины для температуры н давления в аккумуляторах, При расцирении газа в машинах, использующих энергию его, происходит конденсация содержащегося в газе пара, что составляет некоторый недостаток этого способа. Другим неудобством его является невозможность применения его к установкам, работающим с подогреванием свежего воздуха теплотой отработанных газов.При употреблении некоторых сортов топлива может явиться потребность в усиленной тяге воздуха, поступающего в печь. Усиление тяги, т. е, увеличение скорости воздуха, подводимого к топливу, может быть достигнуто уменьшением площади отверстий поддувала 49 - 49 посредством передвижения решетчатой заслонки 50 - 50 (фиг. 11), прикрывающей эти отверстия. При этом, если печь, для понижения температуры продуктов горения снабжена подвижной заслонкой 28, впускающей добавочный воздух, то эта последняя заслонка . также должна быть соответственным образом передвинута.При установках с подогреванием свежего воздуха теплотой отработанных газов, а также и в иных случаях, можно применять конструкцию с использованием кинетической энергии газа на производство полезной внешней работы ранее использования ее на сжатие самого газа. Такого рода конструкция изображена на фиг. 16. В этом случае, нагретый газ, вступив через отверстие 5 - 5 в трубу 5 - 5 - 7 - 7 и проходя по ней, постепенно расширяется и, получив наибольшую скорость, выходит через отверстие 7 - 7 в пространство 57 - 57, отделенное со всех сторон от внешней атмосферы непроницаемыми для воздуха стенками 52 - 52. В этом пространстве помещается турбина 53 производящая внешнюю полезную работу. Газ, по выходе из сопла 54, вступает в турбину и, пройдя через нее теряет часть своей кинетической энергии на производство работы, вследствие чего, по выходе из турбины, имеет уже меньшую абсолютную скорость, чем при вступлении в нее. Скорость эта должна быть лишь такова, чтобы оставшейся кинетической энергии газа оказалось достаточно для сжатия его в присутствии распыленной воды до атмосферного давления и для выталкивания в атмосферу. Выйдя из турбины, газ поступает в трубу 55 - 5 б, где смешивается с распыленной водой, впрыскиваемой через отверстие 9 - 9, сжимается при прохождении по трубе за счет собственной кинетической энергии и, достигнув атмосферного давления, выходит через отверстие 5 б - 5 б во внешнюю атмосферу, или же в прибор для подогревания свежего воздуха. При такой конструкции турбина не подвергается соприкосновению с газами высокой температуры даже и в том случае, когда сжатие газа ведется с значительным повышением температуры в конце процесса, как при установках с подогреванием свежего воздуха, теплотой отработанных газов. В пространстве 57 - 571 где помещается турбина, должно поддерживаться разрежение, соответствующее наибольшей степени расширения газа, а потому подшипники турбины должны быть по возможности защищены ог проникновения через них внеш. него воздуха. Этого можно достигнуть, применяя соответствующую набивку, или же помещая их в масляную ванну, причем масло, прогонясмое внутрь внешним давлением атмосферы, выкачивается обратно специальным насосом.пРелмет пАтентА.1) Приспособление, предназначенное для преобразования тепловой энергии в механическую, характеризующееся применением трубы, состоящей из сходящейся - расходящейся конической 5, 5 - 7, 7 (фиг. 2) н присоединенной непосредственно с ней сходящейся конической части 7, 7 - 8, 8, в месте соединения которых помещается отверстие 9 для ввода воды, через каковую трубу протекают газы из камеры, где сожигается топливо при атмосферном давлении, направляются на колеса турбиныНа фиг. 11 изображено устройстводля регулирования температуры газов,поступающих из печи в преобразователь;оно состоит из передвижной заслонки28, через которую в печь впускаетсяв большем или меньшем количестве добавочный воздух, понижающий темпе-ратуру продуктов горения до требуемойстепени,Для изменения количества газа, проходящего через трубу преобразователя,может быть применено соответствующееустройство.Для значительно больших установокможно применять преобразователь, состоящий из нескольких труб, включенных параллельно, и регулировать действие его включением или выключениемотдельных труб, по мере надобности;более же точную регулировку мощностиможно производить, применяя к какойлибо из труб соответствующееустройство.На фиг, 12 изображены приспособления для изменения количества охлаждающей воды, впускаемой в преобразователь;для этой цели можно пользоваться илииглой 32, изменяющей площадь отверстия, через которое вода впрыскиваетсяв трубу; или краном 34, изменяющим напор воды перед впуском; первое из указанных устройств более удобно для применения к отдельным трубам, последнееже - для целей системы одновременнодействующих труб,Все регулирующие приспособлениямогут быть приводимы в действие какв ручную, так и автоматически в последнем случае их можно соединятьили с регулятором скорости вращенияиспользующей энергию машины, или жес регулятором давления в аккумуляторе,представляющем собою цилиндр 47(фиг, 6) с поршнем, передвигающимсяпри изменении давления в аккумулятореи уравновешенным пружиною 42. Приустановившемся движении преобразователь работает непрерывно и устойчиво,но для пуска его в ход необходимы (специальные приспособления, которые )могли бы создать достато:но быстроедвижение продуктов горения в трубепреобразователя. Такими приспособлениями могут служить как всасывающие,так и нагнетательные воздушные насосы (или вентиляторы, - различных систем, -помощью когорых воздух или высасывается из конца трубы преобразователя; или же нагнетается в печь (или, вообще, в нагревательный прибор); в последнем случае, необходимо, чтобы печь или та часть ее, где сжигается топливо при пуске в ход преобразователя, могла быть герметически закрыта.Воздушные насосы могут приводиться в действие в ручную, сжатым воздухом, электрическим мотором, часовым механизмом или иным известным способом, в зависимости от мощности установки и имеющегося в распоряжении источника энергии,При установках с несколькими, параллельно включенными, трубами устройство для пуска в ход можно делать лишь при одной трубе, все же прочие трубы приводить в действие, высасывая из них воздух через трубки, соединяющие их концы со средней частью действующей трубы,Схемы приспособлений для пуска в ход преобразователя энергии изображены на фиг. 13 и 14.В некоторых случаях может возникнуть потребность в получении сжатого газа весьма высокого давления при возможно низкой температуре (например, для пневматической передачи на значительные расстояния). Между тем при способах сжатия газа сверх атмосферного давления, описанных выше, температура и давление газа, поступающего в аккумулятор, связаны между собою определенной зависимостью, выражаемой формулой адиабатического процесса сжатия, Для того, чтобы изменить эту зависимость в сторону меньшего повышения давления температуры и большего повышения давления, достаточно изменить характер процесса сжатия газа сверх атмосферного давления, приблизив его к изотермическому, что может быть достигнуто путем увеличения количества воды, впрыскиваемой в трубу преобразователя для охлаждения сжимаемого газа. В таком случае, процесс сжатия газа сверх атмосферного давления сначала будет идти почи изотермически, соответственно кривой 4 - 4 б (фиг. 1) и лишь после испарения всей воды перейдет в адиабатический - по линии 4 б - 47. В результате, давление возра(фиг, 2, 3) или в эжектор или в инжектор фиг. 6, 7).2) Видоизменение охарактеризованного в п. 1 приспособления, отличаю щееся тем, что в расходящуюся часть трубы включена камера 57, 57, в которой помещается колесо турбины 53 (фиг,. 18).