ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к оборудованию преобразования тепловой энергии в механическую за счет деформаций дугообразных термомеханических рабочих элементов при проявлении памяти формы их материала при заходе в зоны нагрева и охлаждения и предназначено для улучшения использования тепловой энергии естественных низкотемпературных источников - тепла грунта земли и окружающей среды, а также тепловых отходов.

Известен тепловой двигатель, который содержит корпус с зонами нагрева и охлаждения и установленный в нем на подшипниках ротор, на котором с возможностью радиального перемещения размещены дугообразные термомеханические рабочие элементы, обладающие свойством памяти формы, которые взаимодействуют посредством роликов с кулачками, закрепленными эксцентрично на корпусе, причем элементы шарнирно соединены обоими своими концами с равнорасположенными по окружности ротора его участками, а ролики установлены посреди элементов [1].

Недостатком известного двигателя является то, что он имеет небольшую мощность из-за невозможности размещения по окружности ротора большого количества термомеханических элементов, обладающих памятью формы. А ввиду того, что он предназначен для использования солнечной энергии, то его применение для усвоения тепловой энергии грунта земли и окружающей среды затруднительно, поэтому энергия последних источников в настоящее время почти не используется.

Цель изобретения - увеличение мощности двигателя и улучшение использования тепловой энергии грунта земли и окружающей среды, а также тепловых отходов.

Цель достигается тем, что тепловой двигатель содержит корпус, выполненный в виде резервуара, заполненного жидкой средой с уровнем не выше оси двигателя, при этом верхняя часть корпуса выполнена из теплоизоляционного материала, сообщена с атмосферой и образует зону нагрева, а нижняя часть, погруженная в грунт земли на уровне не выше оси двигателя, выполнена из теплопроводного материала с ребрами охлаждения, направленными внутрь грунта земли, образует зону охлаждения, в корпусе установлен на подшипниках ротор, выполненный из теплоизоляционного материала, состоящий из внутреннего и наружного колец, причем внутреннее кольцо установлено эксцентрично наружному, а между кольцами установлены равнорасположенные по их поверхности дугообразные термомеханические рабочие элементы, связанные с ними шарнирно и обладающие свойством памяти формы при заходе в зоны нагрева и охлаждения.

На фиг.1 показан тепловой двигатель, поперечный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Тепловой двигатель содержит ротор, имеющий наружное кольцо 1, закрепленное жестко на боковых крестовинах 2, опирающихся на подшипники 3 и 4, установленных на коленчатой оси 5, закрепленной жестко в боковых стенках корпуса, выполненного в виде резервуара для заполнения частично жидкой средой, имеющего нижнюю часть 6 из теплопроводного материала, образующей зону охлаждения. В наружном кольце 1 ротора размещается внутреннее кольцо 7, которое жестко крепится к средней крестовине 8, установленной на подшипниках 9 на коленчатой шейке 10 коленчатой оси 5, а центры О₁ и О₂ соответственно колец 1 и 7 ротора смещены на величину эксцентриситета Е, а между кольцами ротора равнорасположены по их поверхности дугообразные термомеханические рабочие элементы 11, обладающие свойством нагрева и охлаждения, которые соединены шарнирно одним концом с внутренней радиальной поверхностью наружного кольца 1, а другим - с наружной радиальной поверхностью внутреннего кольца 7, соответственно, с помощью петель 12 и 13. Выше нижней теплопроводной части 6 корпуса находится его верхняя часть 14, выполненная из теплоизоляционного материала, образующая зону нагрева, в которой выше уровня грунта земли 15 выполнены боковые отверстия 16 и верхнее отверстие 17. Нижняя часть 6 корпуса находится в грунте земли 15 на уровне не выше оси двигателя О₁-О₁ и заполнена жидкой средой 18 с уровнем не выше оси двигателя, которой может служить вода или незамерзающая жидкость, куда погружены не более чем на половину наружное 1 и внутреннее 7 кольца ротора вместе с термомеханическими рабочими элементами 11, обладающими свойством памяти формы. Для улучшения воздухообмена верхняя теплопроводная часть 14 корпуса размещается в окружающем воздухе 19, а для лучшего теплообмена нижняя теплопроводная часть 6 выполнена с ребрами 20, направленными внутрь грунта земли 15, а с целью уменьшения нецелесообразного отбора тепла наружным 1 и внутренним 7 кольцами последние выполнены из теплоизоляционного материала. К одной из боковых крестовин 2 наружного кольца 1 ротора прикреплена жестко ступица 21 ведущей шестерни 22, входящая в зацепление с ведомой шестерней 23, связанной жестко с выходным валом 24, установленным на подшипниках 25 и имеющим шлицевой конец 26 для съема мощности. Ступица 21 ведущей шестерни 22 установлена на подшипниках 27 на коленчатой оси 5, а оси последней и ее коленчатой шейки совпадают соответственно с центрами О₁ и О₂ наружного 1 и внутреннего 7 колец ротора, из которых ведущим является первый. Вход холодного воздуха 19 из окружающей среды в боковые отверстия 16 верхней теплопроводной части 14 корпуса показан стрелкой с крестиком 28, а выход подогретого воздуха из нее через верхнее отверстие 17 - стрелкой с ноликом 29. Работа теплового двигателя предусмотрена зимой за счет использования тепловой энергии грунта земли и при отводе тепла к окружающему воздуху, а летом при использовании тепла окружающего воздуха при отводе тепла в грунт земли.

На фиг. 1 отражена работа теплового двигателя зимой, а как известно температура грунта земли 15 возрастает с увеличением глубины, в этом случае на небольшом удалении от поверхности температура грунта земли 15 будет положительной, поэтому от грунта земли отбирается тепло в количестве Q₁ и через теплопроводные стенки нижней части 6 корпуса передается тем термомеханическим рабочим элементам 11, которые находятся ниже оси двигателя О₁-О₁ и распрямляются при движении их справа налево в результате вращения колец 1 и 7 ротора в направлениях, указанных стрелками С₁ и С₂, а при движении слева направо выше этой оси рабочие элементы сгибаются и отдают тепло в количестве Q₂ холодному воздуху 28, поступающему через боковые отверстия 16 в корпус, а подогретый в результате этого воздух 29 выходит из последнего через верхнее отверстие 17 естественным путем, так как его удельная масса уменьшается.

Для пояснения работы теплового двигателя на фиг.1 выбраны два рабочих элемента 11, равноудаленные от его горизонтальной оси О₁-О₁: один элемент 11а - ниже, а другой 11в - выше этой оси, так как первый будет иметь более высокую температуру из-за его нагрева в жидкости 18, а второй - более низкую температуру вследствие его охлаждения холодным воздухом 28, поэтому создаваемые нижним элементом 11а равные силы F₁ и F₂ соответственно на наружном 1 и внутреннем 7 кольцах ротора будут больше сил F₃ = F₄, образуемых на последних верхним элементом 11в. Так как плечи действия сил F₁ и F₃ равны, т. е. О₁М₁ = О₁Л₁ и плечи действия сил F₂ и F₄ равны, т.е. О₂М₂ = О₂Л₂, и так как первые плечи больше, то из-за того, что сила F₁ больше силы F₃, то вследствие этого в направлении действия силы F₁ образуется результирующий крутящий момент, обеспечивающий статус ведущего наружному кольцу 1 ротора и его вращение в направлении, показанном на фиг.1 стрелкой, с отражением угловой скорости С₁, а из-за связи с помощью элементов 11 ведущего кольца 1 с ведомым кольцом 7 последний будет вращаться в том же направлении и с равной с ним угловой скоростью С₂, т.е. С₂ = С₁. Так как в результате этого при движении ниже оси двигателя О₁-О₁ справа налево элементы 11 будут распрямляться и совершать большую работу, чем будет затрачена работа при сгибании этих элементов при движении их выше этой оси слева направо, вследствие этого тепловым двигателем будет совершена полезная работа.

Работа теплового двигателя летом осуществляется следующим образом. От солнечной энергии нагревается окружающий воздух 19, температура которого становится выше температуры грунта земли 15, вследствие чего направление теплообмена летом изменится: от заходящего через верхнее отверстие 17 корпуса нагретого воздуха будет подводиться тепло к рабочим элементам 11, обладающим памятью формы, которые расположены выше оси О₁-О₁, ниже которой элементы 11 будут отдавать часть тепла жидкости 18, поэтому летом изменится направление вращения наружного 1 и внутреннего 7 колец ротора, т.е. они будут вращаться против часовой стрелки. Положительным качеством работы теплового двигателя летом является то, что отводимое от него в процессе работы тепло передается грунту земли 15 и аккумулируется в нем, а зимой это тепло возвращается тепловому двигателю вместе с передачей тепловой энергии грунта земли.

Тепловой двигатель имеет хорошие технико-экономические показатели из-за того, что в нем элементы с памятью формы устанавливаются между радиальными поверхностями наружного и внутреннего колец ротора, их количество может быть очень большим, поэтому мощность значительно увеличится. Тепловой двигатель в летнее время позволяет использовать тепло окружающего воздуха, нагреваемого за счет солнечной энергии, зимой тепловую энергию грунта земли и аккумулируемую летом часть тепла окружающего воздуха, что позволяет широко применять его в районах как резкого изменения температуры окружающего воздуха по временам года, так и при его высокой температуре круглый год. Тепловой двигатель с большой выгодой можно применять для использования тепловых отходов, отбирая их у технологической воды или горячих газов, например, его можно применить для охлаждения технической воды вместо градирен или для использования тепла отработанных газов. Так как тепловой двигатель зимой отбирает тепло от грунта земли и непревращенную в работу часть тепла отдает окружающему воздуху, а летом принимает тепло от окружающего воздуха и неусвоенную часть тепла передает грунту земли, в результате этого при массовом применении таких тепловых двигателей может произойти смягчение местного климата: зимой меньше будут морозы, а лето будет менее жарким, причем среднегодовая температура может остаться неизменной, что благоприятно отразится на растительном и животном мире и улучшит условия жизни человека.

Использование: энергетические установки. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит корпус, выполненный в виде резервуара, заполненного жидкой средой с уровнем не выше оси двигателя, при этом верхняя часть корпуса, выполненная из теплоизоляционного материала, сообщена с атмосферой и образует зону нагрева, а нижняя часть, погружена в грунт земли на уровне не выше оси двигателя, выполнена из теплопроводного материала с ребрами охлаждения, направленными внутрь грунта земли, образует зону охлаждения, в корпусе установлен на подшипниках ротор, выполненный из теплоизоляционного материала, состоящий из внутреннего и наружного колец, причем внутреннее кольцо установлено эксцентрично наружному, а между кольцами установлены равнорасположенные по их поверхности дугообразные термомеханические рабочие элементы, связанные с ними шарнирно и обладающие свойством памяти формы при заходе в зоны нагрева и охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, установленный в нем на подшипниках ротор с закрепленными на нем равнорасположенными по поверхности дугообразными термомеханическими рабочими элементами, обладающими свойством памяти формы, зоны нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что ротор выполнен из теплоизоляционного материала и состоит из двух внутреннего и наружного колец, причем внутреннее кольцо установлено эксцентрично наружному, а термомеханические рабочие элементы установлены между кольцами и шарнирно с ними связаны. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде резервуара, заполненного жидкой средой с уровнем не выше оси двигателя, верхняя часть корпуса выполнена из теплоизоляционного материала, сообщена с атмосферой и образует зону нагрева, а нижняя часть выполнена из теплопроводного материала с внутренними ребрами охлаждения, погружена в грунт земли на уровне не выше оси двигателя и образует зону охлаждения.