Патент на изобретение №2251004
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА ИЗ ВОДЫ В ПАРОВОЙ МАШИНЕ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области машиностроения. Изобретение предусматривает получение пара из воды в камере парообразования, где температура выше критической температуры для воды и давление ниже критического давления для воды путем впрыска форсункой нагретой воды. При этом поэтапно увеличивают внутреннюю энергию воды и пара в поплавковой камере, в водопроводе высокого давления и в аккумуляторе пара с помощью электронагревателей. Изобретение позволяет улучшить технические характеристики паровой машины. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Название изобретения “Способ получения пара из воды в паровой машине 2. Область техники, к которой относится изобретение Изобретение преимущественно относится к области машиностроения. 3. Уровень техники Из уровня техники известны следующие оборудования для получения пара и подогрева воды: 1) Паровой котел 2) Котел-утилизатор 3) Пароперегреватель 4) Экономайзер 5) Котел-бойлер 6) Водогрейный котел Парообразование происходит в среде, где температура ниже критической температуры для воды. Источник информации: Паровые котлы, сосуды и паротрубопроводы.: Сборник официальных материалов. – Киев: Издательство “Техника”, 1972. -С.5. Из уровня техники известны основные части паровой машины: 1) Паровой котел 2) Топочное пространство 3) Цилиндр, в котором ходит поршень 4) Парораспределительный механизм 5) Конденсатор 6) Дымовая труба Источник информации: Энциклопедический словарь юного техника.- М.: Педагогика, 1987. -С.245. Из уровня техники Из курса физики известно, что каждая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело, которое в результате нагревания совершает работу: приводит во вращение вал турбины, движет поршень и холодильник. В качестве рабочего тела используется пар-газ. Источник информации: Гончаренко С.У., Воловик П.Н. Физика: Учебное пособие для 9 класса, 1982. -С.104. М.: Просвещение. Из уровня техники При вращательном движении жидкости, пара под давлением происходит увеличение температуры жидкости, пара. Источники информации: 1) Храмов Ю.А. Физики: Библиографический справочник.- М.: Наука, 1983. -С.168 2) Энциклопедический словарь юного техника.- М.: Педагогика, 1987. -С.250-251 Из уровня техники известны тепловые машины следующими характеристиками: Смотрите графический материал фиг.1: где КПД машины – коэффициент полезного действия реальных тепловых машин. Из уровня техники: 1) Критическая температура для воды – 374,2°С 2) Критическое давление для воды – 225,6 атм 3) Температура кипения или парообразования воды при нормальном давлении – 100°С 4) Нормальное атмосферное давление или нормальное давление – 760 мм рт.ст. или 1 атм 5) При критической температуре удельная теплота парообразования равна нулю. При температуре выше критической газ-пар нельзя обратить в жидкость ни при каких давлениях. 6) При атмосферном давлении удельный объем сухого насыщенного водяного пара примерно в 1600 раз больше, чем удельный объем воды. Источники информации: 1) Гончаренко С.У., Воловик П.Н. Физика: Учебное пособие для 9 класса.- 1982.- С.108. 124 М.: Просвещение. 2) Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988.- С.36, 86 3) Буховцев Б.Б. Физика: Учебное пособие для 9 класса средней школы. – М.: Просвещение, 1976. – С.69,72,73. 4) Большой Энциклопедический словарь. Политехнический.- М.: Большой Энциклопедический словарь, 2000. – С.358, 359. Из уровня техники В дизельных двигателях поршень поднимается из н.м.т. в в.м.т.; при закрытых клапанах и воздух сжимается, а температура его повышается. В конце такта сжатия в цилиндры двигателя впрыскивается форсункой топливо, которое растекается тонкой пленкой по стенке камеры сгорания поршня. Соприкасаясь с нагретой стенкой, оно испаряется, перемешивается и самовоспламеняется при температуре воздуха в камере 600-700°С. Источник информации Трактор Т-130М /под ред. М.И.Золотника.- М.: Агропромиздат, 1985. -С.16. Из уровня техники известны четырехтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания следующими характеристиками рабочего цикла: Первый такт – впуск давление в цилиндре от 0,7 до 0,9 атм, температура в цилиндре – от 75° до 125°С Второй такт – сжатие: давление в цилиндре от 9 до 15 атм, температура в цилиндре от 350° до 500°С Третий такт – расширение или рабочий ход: давление в цилиндре от 35 до 50 атм, температура в цилиндре от 2200° до 2500°С Четвертый такт – выпуск: давление в цилиндре от 1,1 до 1,2 атм, температура в цилиндре от 700° до 800°С. Рабочим является только один такт – расширение, рабочий ход. Подготовительными тактами являются впуск и сжатие, а заключительным – выпуск. Чередование тактов в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания автомобилей “Волга” и УАЗ смотрите на графическом материале фиг.2. Диаграмму фаз газораспределения двигателей автомобилей “Волга” и УАЗ-469 смотрите на графическом материале фиг.3: где в.м.т. – верхняя мертвая точка, н.м.т. – нижняя мертвая точка. Источник информации: Кленников В.М., Ильин Н.М. Автомобиль категории “В”: Учебник водителя.- М.: Транспорт, 1987.- C.11, 12, 29, 30. Диаграмму изменения давления и объема цилиндра двигателя внутреннего сгорания смотрите на графическом материале фиг.4: где Р – давление в цилиндре V – объем цилиндра отрезок АВ – сжатие отрезок ВС – сгорание паров бензина отрезок СД – рабочий ход отрезок ДА – выпуск Источник информации: Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988. -С.110-111. Из уровня техники: Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы изобретателем Иваном Ползуновым и Джемсом Уаттом. В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферные, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех медиплавильных печей. Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Машина Ползунова создавала непрерывные усилия и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов. Источник информации: Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы.- М.: Просвещение, 1988. -С.107-108. Леон Серполле внес паровой двигатель поистине революционные изменения. Он изобрел экономичный и самое главное безопасный змеевиковый котел, который обходился небольшим запасом воды и быстро разогревался. Вместо угольной топки Серполле применил горелки на жидком топливе. Аналогом данного Изобретения является паровой двигатель паромобиля “Добл-Е” 1923 года выпуска, изготовленный в Пасадене, штат Калифорния. “Добл-Е” проходили свыше 100000 км без капитального ремонта. Замкнутый цикл парообразования в паровом котле и эффективный пароконденсатор позволяли проезжать на 91 литре воды 2414 км. При этом средний расход топлива паромобиля с колесной базой 4 м составлял 20 литров на 100 км пути. Для приведения машины в рабочее состояние при помощи автономной системы электроразогрева воды требовалось всего 50 секунд. Температура пара в паровом котле доходила до 300°С. Максимальная скорость машины достигала 200 км/ч. Необыкновенные хорошие ходовые качества обеспечивались за счет характеристик паровой машины, имевшей 4 цилиндра. Основные сходства данного изобретения с паровым двигателем паромобиля “Добл-Е” 1) Замкнутый цикл парообразования 2) Вырабатываемые давления парогенераторами паромобиля “Добл-Е” и паровой машины пара доходит до 25 атм. 3) Применение электрической энергии для разогрева воды в процессе получения пара. Недостатками автомобилей с паровыми двигателями являются сложность автоматики управления – подачи воды и топлива, регулирование работы котла, а главное – низкий КПД парового двигателя, следствием чего является значительный большой расход жидкого топлива, чем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в 2-3 раза. Из-за этих недостатков паровые двигатели не могли конкурировать с двигателем внутреннего сгорания. Источник информации: Гордиенко М., Смирнов Л. От повозки до автомобиля.- Алма-Ата: Казахстан, 1990.- С.62-63. Гагарин И. Развитие конструкций автомобильных двигателей.- М.: Изд-во “Академия наук СССР”, 1962.- С.10. 4. Сущность изобретения Изобретение направлено на создание паровой машины: 1) с коэффициентом полезного действия значительно выше существующих аналогов паровых машин; 2) не уступающей по техническим характеристикам существующих аналогов соответствующих по мощности тепловых машин с карбюраторными и дизельными двигателями; 3) превосходящей по экологическим параметрам известные тепловые машины. Существенными признаками, характеризующими изобретение, являются: 1) способ, температурный режим получения пара при определенном давлении; 2) закручивание под давлением воду и пар спиралью для увеличения температуры и внутренней энергии воды и пара; 3) превращение внутренней энергии пара в механическую энергию в паровой машине с двумя и более цилиндрами. Схему получения пара и превращения внутренней энергии пара механическую энергию в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.5: где 1 – поплавковая камера 2 – водопровод низкого давления 3 – насос высокого давления 4 – клапаны 5 – водопровод высокого давления 6 – форсунка со спиралью 7 – камера парообразования округлой, шарообразной формы со спиральными отверстиями, выходящими в аккумулятор пара 8 – аккумулятор пара – баллон для пара высокого давления 9 – паропровод высокого давления 10 – кран регулировки подачи пара в цилиндры 11 – цилиндр 12 – коленчатый вал 13 – паропровод низкого давления 14 – конденсатор 15 – бак воды 16 – генератор 17 – аккумуляторная батарея 18 – электронагреватели с терморегуляторами 19 – предохранительный клапан 20 – клапан для выпуска конденсата 21 – клапаны впускные 22 – кожух с теплоизоляционным слоем и с вентиляционными отверстиями 23 – клапаны выпускные 24 – поршень с шатуном Способ получения пара Изобретение открывает получение пара из воды, нагретой ближе к критической температуре для воды, давлением ниже критического давления для воды, с подачей под давлением через форсунку со спиралью в камеру парообразования, где температура значительно выше критической температуры для воды и в результате ударов об нагретую стенку камеры парообразования, температура которой значительно выше критической температуры для воды, мельчайшие частицы воды моментально и полностью превращаются в пар, который по спиральным отверстиям под давлением переходит из камеры парообразования в аккумулятор пара дополнительно, увеличивая свою температуру и внутреннюю энергию. Частный случай получения и использования пара в паровой машине “Пул-ат” с проектной мощностью 50 кВт со следующими техническими характеристиками: 1) Таблицу технических характеристик четырехцилиндровой двухтактной паровой машины смотрите на графическом материале фиг.6. 2) Коэффициент полезного действия паровой машины смотрите на графическом материале фиг.7. 3) Рабочие циклы паровой машины: Первый такт – впуск, рабочий ход. давление в цилиндре от 10 до 13 атм, температура в цилиндре от 450° до 580°С. Второй такт – выпуск давление в цилиндре от 1,1 до 1,2 атм, температура в цилиндре от 110 до 120°С. 4) Чередование тактов в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.8. 5) Диаграмму фаз газораспределения в паровой машине смотрите на графическом материале фиг.9. 6) Диаграмму изменения давления и объема цилиндра паровой машины смотрите на графическом материале фиг.10: где линия АВС – впуск, рабочий ход; линия СД – рабочий ход линия ДД1А1 – выпуск 7) Процесс получения и превращения внутренней энергии пара в механическую энергию в паровой машине происходит следующим образом. Смотрите графический материал фиг.5. Вода, нагретая от 90° до 95°С, в поплавковой камере 1 насосом высокого давления 3 до 200 атм по водопроводам высокого давления 5 с клапанами 4, дополнительно нагревая до температуры от 250° до 300°С, через форсунки со спиралью 6 подается в камеры парообразования 7 и в результате ударов мельчайшие частицы воды об нагретую от 550° до 600°С шарообразную стенку камер парообразования моментально превращается в пар и через спиральные отверстия проходят в аккумулятор пара 8. Температура в аккумуляторе пара от 450° до 580°С. Из аккумулятора пара пар через кран регулировки подачи пара 10, через впускные клапаны 21 подают в цилиндры. После такта впуск – рабочий ход пар через выпускные клапаны 23 проходит в конденсатор 14, где пар превращается в воду. Далее вода по водопроводу низкого давления 2 возвращается в поплавковую камеру 1. Совершая рабочий ход поршни через шатуны 24, передают усилия на коленчатый вал 12 с маховиком. Коленчатый вал приводит в действие генератор 16 и совершает полезную работу. Температурные режимы регулируются электронагревателями с терморегуляторами 18. Для дополнительного нагрева воды и пара при запуске и холодное время можно использовать газовые нагреватели или сухой спирт.
Формула изобретения
1. Способ получения пара в паровой машине путем нагрева до кипения под давлением в среде, где температура ниже критической температуры для воды, а давление ниже критического давления для воды, впрыскивания нагретой воды форсункой под давлением в камеру парообразования в среду, где температура выше критической температуры для воды, а давление ниже критического давления для воды и получения пара путем ударения частиц воды об нагретую выше критической температуры для воды стенку камеры парообразования, отличающийся тем, что поэтапно увеличивают внутреннюю энергию воды и пара в поплавковой камере, в водопроводе высокого давления и в аккумуляторе пара с помощью электронагревателей, причем воду в камеры парообразования подают через форсунки со спиралью, а пар из камер парообразования в аккумулятор пара подают через спиральные отверстия. 2. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что в камеру парообразования, где температура от 550 до 600°С, впрыскивают воду форсункой под давлением 200 атм с температурой от 250 до 300°С. 3. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что увеличивают внутреннюю энергию воды путем закручивания спиралью под давлением 200 атм при температуре от 250 до 300°С в момент подачи воды в камеру парообразования через форсунку, а внутреннюю энергию пара увеличивают путем закручивания спиралью под давлением от 11 до 25 атм при температуре от 550 до 600°С в момент выхода пара из камеры парообразования. 4. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что применяют электрическую энергию путем использования электронагревателей с терморегуляторами. 5. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что воду для получения пара нагревают в поплавковой камере от 90 до 95°С и в водопроводе высокого давления от 250 до 300°С. 6. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что путем давления пара на поршень с шатуном приводят во вращательное движение коленчатый вал и генератор, соединенный с коленчатым валом. 7. Способ получения пара по п.1, отличающийся тем, что коэффициент полезного действия паровой машины составляет 63%.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
– коэффициент полезного действия идеальных тепловых машин.
