ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии нетрадиционных истоников энергии, например солнечных водонагревателей, или геотермальных вод в механическую энергию и может быть использовано в автономных солнечных энергетических установках, служащих для подъема воды в системах орошения и дренажа при обеспечении "безлюдной технологии".

Тепловой двигатель является преобразователем тепловой энергии в механическую путем саморегулируемого термоциклирования рабочих элементов, обладающих термомеханической памятью формы (ТПФ), например нитиноловых.

Извесна конструкция теплового двигателя, содержащая установленный в разделенном изнутри на резервуары нагрева, регенерации, охлаждения и расположенном на рельсах передвижном корпусе прямолинейный рабочий элемент с ТПФ, память которого выражается в уменьшении длины при нагреве и удлинении при охлаждении. Один конец рабочего элемента закреплен на станине, а друг посредством рычага отбора мощности и троса соединен с полезной нагрузкой, балластной нагрузкой в виде упругой камеры насоса и пневматическим аккумулятором, соединенным с пневматическим приводом корпуса.

Саморегулироемое термоциклирование осуществляется путем зарядки пневматического аккумулятора при нахождении рабочего элемента в резервуаре с холодным (горячим) теплоносителем, т. е, при холостом (рабочем) ходе, и разрядки аккумулятора при максимальной (минимальной) длине рабочего элемента с совершением работы по перемещению корпуса относительно рабочего элемента таким образом, что последний оказывается внутри резервуара с горячим (холодным) теплоносителем предварительно, взаимодействуя с регенератором. Балластная нагрузка используется для растягивания охлажденного рабочего элемента.

Недостатками известной конструкции являются низкая мощность и ненадежность пневматического аккумулятора при длительных, например сезонных, остановках двигателя.

Известен тепловой двигатель, выбранный в качестве прототипа, содержащий шарнирно установленную на станине и снабженную на конце консолью повороттную раму, на которой закреплен по крайней мере один прямолинейный рабочий элемент из материала с ТПФ, установленный в корпусе, разделенном на теплоизолированные друг от друга эластичными шлюзовыми перегородками и сообщающиеся резервуары нагрева, регенераци и охлаждения, заполненные жидким теплоносителем, механический аккумулятор в виде полого маховика с винтовой прорезью, внутри которого концентрично установлен передвижной элемент в виде щеколды, соединенной посредством рабочего элемента с консольным концом рамы, а посредством упорного подшипника, троса и шарнирно установленного на станине рычага отбора мощности с балластным грузом. На станине закреплены две упорные направляющие планки прямолинейной формы, которые периодически соединены с передвижным элементом. Рабочий элемент выполнен в виде пучка прямолинейных проволок с ТПФ, оба конца которого снабжены установленными снаружи корпуса соединяюищми отдельные проволоки с Т ПФ термозаклинивающимися цанговыми зажимами из материала с ТПФ. Память рабочего элемента выражена в уменьшении длины при нагреве.

Термоциклирование осуществляется путем перемещения рабочего элемента из резервуара с холодным теплоносителем через резервуарт регенерации с горячим теплоносителем и наоборот. Для автоматизации этого процесса используется средство перемещения рабочего элемента, принцип действия которого заключается в раскручивании маховика при деформации рабочего элемента и высвобождении накопленной маховикрм энергии при минимальной длине рабочего элемнета путем совершения работы перемещению рабочего элемента относительно соответствующих резервуаров корпуса.

Недостатками известного двигателя являются его низкие мощность и надежнотсть и сложность конструкции.

Низкая мощность обусловлена тем, что при деформации рабочего элемента, т. е. при поглощении или выделении им скрытой теплоты фазового превращения, из-за прямолинейной формы направляющих планок рабочей элемент (не считая линейной деформации и момента входа рабочего элемента в теплоноситель) фактически неподвижен относительно соответствующего теплоносителя, что ведет к увеличению продолжительности рабочего (холостого) хода, а следовательно, к уменьшению мощности.

Низкая надежность обусловлена тем, что после длительных остановок (в период ночи, непогоды, зимнего сезона) меховик не может обеспечить автоматического включения двигателя. Кроме того, места соединения отдельных проволок с ТПФ цанговыми зажимами с ТПФ расположены вне кортпуса, т. е. имеют температуру окружающей среды, а центральная часть рабочего элемента функционирует в режиме термоциклирования. Такое несоответствие температурных режимов по длине рабочего элемента ведет к снижению надежности из-за разрушения на "холодных" концах во время нагрева центральной части.

Сложность обусловлена трудностью технической реализации термозаклинивающих цанговых зажимов из материала с ТПФ.

Целью изобретения является повышение мощности, надежности и упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что тепловой двигатель, содержащий шарнирно установленную на станине и снабженную на конце консолью сбалансированную поворотную форму, на которой закреплен по крайней мерет один прямолинейный рабочий элемент из материала с ТПФ, установленный в корпусе, разделенном на резервуарты нагрева, регенерации и охлаждения, балластный груз, соединенный с рабочим элементом посредством троса, упорного подшипника и рычага отбора мощности, а также две закрепленные на станине упорные направляющие планки, передвижной элемент и механический аккумулятор, дополнительно содержит два закрепленных на станине упругих упора, упругий ролик и соединенный с рабочим элементом крюк, упорные направляющие планки выполнены криволинейными и снабжены соответствующими подпружиненными собачками, механический аккумуляторт выполнен в виде закрепленного на поворотной раме шкива, на котором, огибая его противоположные стороны, закреплены две упругие ленты, свободный конец одной из которых соединен с противесным грузом, а свободный конец друг посредством шарнирно установленного на станине рычага соединен с другим противовесным грузом. Последний посредством упругой ленты соединен с рычагом отбора мощности. На передвижном элементе шарнирно установлен упругий ролик. Рабочий элемент выполнен в виде многократно перегнутой в местах соединения с консолью и крюком проволоки с ТПФ, концы которой расположены в соответствующих отверстиях крюка и закреплены на нем путем наматывания.

Упругие упоры, ролик и криволинейные планки обеспечивают совершение элементом колебательных движений относительно гортячего (холодного) теплоносителя соответственно перед и на протяжении рабочего (холостого) хода, что ведет к ускорению теплообмена, а следовательно, к повышению мощности путем сокращения продолжительности цикла.

Аккумулятор в виде противовесов крайне мало подвержен негативному воздействию временных факторов, что обеспечивает возможность автоматического включения двигателя после продолжительных остановок, вызванных, например, неэффективной работой солнечных коллекторов в ненастье или зимой.

Описанная конструкция рабочего элемента в отличие от используемой в прототипе не требует специальных приспособлений и по всей длине подвергается одинаковому термоциклирующему воздействию.

Таким образом, заявляемый тепловой двигатель соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан пример конструктивного выполнения теплового двигателя; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 5 - то же, вид спереди; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 - кинематическая схема двигателя; на фиг. 7 - траектория движения ролика относительно соответствующих упоров и планок, а также пример конструктивного использования планок.

Двигатель содержит станину 1, на которой шарнирно посредством соосных подшипников 2, 3 установлена рама 4, снабженная балансировочным грузом 5 и шкивом 6, закрепленным соосно подшипникам 2, 3. На шкиве 6, обивая его в противоположные стороны, закреплены одними концами упругие ленты 7, 8. На свободном конце ленты 7 закреплен противовесный груз 9. Свободный конец ленты 8 посредством шарнирно установленного на станине 1 рычага 10 соединен с закрепленным на рычаге 10 противовесным грузом 11. Последний посредством рычага 10 и упругой ленты 12 соединен с шарнирно установленным на станине 1 рычагом 13 отбора мощности, малое плечо которого имеет круглую форму, а на большом плече закреплен балластный груз 14. Упругие ленты 7,8, 12 выполнены, например, из полипропилена в виде изогнутых полос. Противовесные грузы 9, 11 выполнены таким образом, что без учета воздействия со стороны ленты 12 усилие, передаваемое на шкив 6 через упругую ленту 8, превосходит противодействующее усилие со стороны противовесного груза 9. Рама 4 выполнена раздвижной с фиксацией по длине так, что на одном из ее концов, снабженном продольным направляющим пазом 15 и резьбойк, установлена снабженная шплинтом 16 консоль 17, а также фиксирующие положение консоли 17 две гайки 18.

На противоположном конце рамы 4 шарнирно установлен двуплечий рычаг 19, малое плечо которого посредством крюка 20 и рабочего элемента 21, обладающего ТПФ, шарнирно соединено с концом консоли 17. Рабочий элемент 21 выполнен в виде многократно перегнутой в местах соединения с консолью 17 и крюком 20 проволоки с ТПФ, концы которой расположены в отверстиях 22 крюка 20 и закреплены на нем путем наматывания. Память рабочего элемента 21, изготовленного, например, из нитиноловой проволоки, выражается в уменьшении длины при нагреве и удлинении при охлаждении. Один конец рычага 19 посредством подшипника 23 и троса 24 соединен с малым плечом рычага 13, а на другом конце рычага 19 шарнирно установлен упругий, например резиновый, ролик 25. На станине 1 закреплены периодически соединенные с роликом 25 упругие упоры 26, 27 и упругие криволинейные направляющие планки 28, 29. Упоры 26, 27 выполнены, например, в виде резиновых жгутов. Каждая из планок 28, 29 выполнена, например, в виде снабженной жестким каркасом 30 резиновой полосы 31, кромка которой, обращенная к ролику 25, имеет криволинейную волновдиную форму, а один из торцов снабжен вырезом 32 и имеет форму подпружинивающей себя собачки 33 (фиг. 7). На станине 1 установлен корпус 34 рабочего элемента 21, выполненный в виде трех закрепленных на станине 1 и сообщающихся друг с другом резервуаров соответственно нагрева 35, охлаждения 36 и регенерации 37. Ворс 38 изготовлен из невпитывающего воду теплоизоляционного эластичного материала, например пропилена.

Двигатель работает следующим образом.

Внутри резервуара 36 с холодной водой рабочий элемент 21 охлаждается и вследствие проявления ТПФ растягивается в этом легкодеформируемом состоянии под действием рычага 13, загруженного балластным грузом 14. При отпускании рычага 13 лента 12 искривляется, что ведет сначала к натягиванию ленты 8, а затем к подъему груза 9 под действием груза 11 и повороту рамы 4 посредством шкива 6 до упора ролика 25 в криволинейную кромку планки 28. По мере растягивания рабочего элемента 21 упругий ролик 25 катится по криволинейной кромке планки 28, что ведет к вибрации рабочего элемента 21 в холодной воде, т. е. к интенсификации теплообмена и к повышению мощностти двигателя путем сокращения продолжительности холостого хода. При максимальной длине элемента 21 ролик 25 выходит за пределы планки 28 и под действием противовесного груза 11 ратма 4 поворачивается до упора упругого ролика 25 в упругий упор 26. Рабочий элемент 21 перемещается из резервуара 36 через резервуар 37 в резервуар 35. Во время прохождения через резервуар 37 регенерации происходит предварительный нагрев рабочего элемента 21 содержищимся в резервуаре 37 теплым воздухом и теплыми каплями воды с ворса 38, накопившимися на нем при предыдущем взаимодействии со смоченным рабочим элементом 21. При ударе упругого ролика 25 о упругий упор 26 рама 4 вибрирует. Соответствующее колебание рабочего элемента 21 отностительно горячей воды резервуара 35 способствует интенсификации теплообмена, а следовательно, и повышению мощности двигателя путем сокращения времени нагрева рабочего элемента 21. При нагреве до определенной температуры внутри резервуарат 35 с горячей водой рабочий элемент 21 начинает укорачиваться вследствие реализации ТПФ, поднимая рычаг 13 с грузами 11, 14 и совершая полезную работу с отбором мощнотсти от рычага 13. При подъеме рычага лента 8 упруго искривляется и при отсутствии противодействия со стороны груза 11 посредством шкива 6 рама 4 поворачивается до упора ролика 25 в криволинейную кромку планки 29. По мере укорачивания рабочего элемента 21 ролик 25 катится по криволинейной кромке планки 29, вследствие чего ртама 4 вибрирует. Соответствующие колебания рабочего элемента 21 отностиельно горячей воды резервуара 35 способствует интенификации теплообмена, что однозначно повышению мощности двигателя путем сокращения времени рабочего хода. При минимальной длине рабочего элемента 21 под действием противовесного груза 9 рама 4 поворачивается до упора упругого ролика 25 в упругий упор 27. Рабочий элемент 21 перемещается из резервуар 35 через резервуар 37 в резервуар 36. Во время прохождения через резевуар 37 регенерации происходит предварительное охлаждение рабочего элемента 21 содержащимся в резервуаре 37 теплым воздухом и теплыми каплями воды с ворса 38, накопившимися на нем при предыдущем взаимодействии со смоченным рабочим элементом 21. При ударе упругого ролика 25 о упругий упор 27 рама 4 вибрирует. Соответствующее колебание рабочего элемента 21 относительно холодной воды резервуара 36 способствует интенсификации теплообмена, что равнозначно повышению мощности двигателя путем сокращения времени охлаждения рабочего элемента 21. Далее цикл повторяется.

Одним из эффективных приемов ускорения теплообмена в жидкости и газе является турбулизация потока. Для заявляемого двигателя такое ускорение теплообмена между рабочим элементом 21 и теплоносителем равнозначно сокращению продолжительнотсти цикла, а следовательно, повышению мощности. Поэтому снабжение двигателя упругими упорами 26, 27 и планками 28, 29 криволинейной формы, обеспечивающими вибрацию рабочего элемента 21 относительно теплоносителя, ведет к повышению мощности. Подпружиненные собачки 33 планок 28, 29 предотвращают "выход" ролика 25 за их пределы после пружиняющегося удара о соответствующие упругие упоры 27, 26. Выполнение лент 7,8, 12 упругими обеспечивает их спутывание в ненатянутом состоянии. Применение противовесных грузов 9, 11 взамен маховиков невматических пружинных механических аккумуляторов делает двигатель крайне незначительно зависимым от временных характеристик, что обеспечивает повышение надежности включения двигателя, особенно после длительных, напримерт сезонных, остановок. Исходя из технологии получения высокоэффективных носителей ТПФ и достижения высокой мощности путем увеличения поверхности теплообмена, при изготовлении рабочих элементов в качестве полуфабриката обычно используется тонкая проволока с ТПФ, из которой в дальнейшем формируются мышцевидные пакеты. С точки зрения простоты и надежности рабочих элементов необходимо предусмотреть их равномерный прогерв по всей длине, избавиться от лишних связей, "травмирующих" места крепления рабочих элементов, компенсировать возникающую в процессе эксплуатации рабочего элемента неравномерность в работе отдельных проволок, причина которой кроется в сложности воссоздания идентичных проволок с ТПФ. В этом плане рабочий элемент приведенной конструкции отвечает условиям упрощения двигателя.

Использование: энергетика, в частности устройства для преобразования тепловой энергии низкопотенциальных энергоисточников в механическую в автономных солнечных энергетических установках, служащих для подъема воды в системах орошения и дренажа. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит два закрепленных на станине 1 упругих упора 26, 27, упорные направляющие планки 28, 29 выполнены криволинейными. Механический аккумулятор имеет вид закрепленного на поворотной раме 4 шкива 6, на котором установлены два разновесных противовесных груза 9, 11, один из которых соединен с рычагом 13 отбора мощности. Рабочий элемент 21 выполнен в виде многократно перегнутой в местах соединения с консолью рамы 4 и крюком 20 проволоки, обладающей термомеханической памятью формы, концы которой расположены в соответствующих отверстиях крюков 20 и закреплены на нем путем наматывания. 7 ил.

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий основание, сбалансированную поворотную раму с консолью на конце, по крайней мере один прямолинейный рабочий элемент из материала, обладающего термомеханической памятью формы, установленный в корпусе, разделенным на резервуары нагрева, регенерации, охлаждения, и соединенный одним концом с консолью рамы, а другим через передвижной элемент, упорный подшипник и трос - с рычагом узла отбора мощности, на котором закреплен груз-противовес, соединенный с механическим аккумулятором, выполненный с возможностью попеременного взаимодействия с двумя закрепленными на основании упорными направляющими планками, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности путем сокращения продолжительности рабочего и холостого хода, повышения надежности и упрощения конструкции, он снабжен вибратором рабочего элемента, выполненного в виде шарнирно установленного на передвижном элементе упругого ролика, соединенного с рабочим элементом посредством крюка-кронштейна с отверстиями и взаимодействующего с упорными направляющими планками, выполненными криволинейными с подпружиненными собачками, и двумя закрепленными на основании по разные стороны от оси поворотной рамы упругими упорами, механический аккумулятор выполнен в виде закрепленного на оси поворотной рамы шкива, на котором закреплены по обе стороны разновесные грузы-противовесы, один из которых соединен с рычагом узла отбора мощности, а рабочий элемент закреплен в отверстиях крюка-кронштейна и выполнен в виде многократно перегнутой в местах соединения с консолью поворотной рамы и крюка-кронштейна.