НАСОС С ТЕПЛОВЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 1995 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения механических перемещений используется тепловая деформация приводного элемента, обладающего эффектом тепловой памяти формы, и может быть использовано как привод механизмов и машин или, например, в качестве теплового насоса.

Известен тепловой насос, содержащий две заполненные теплоносителем камеры - охладительную и нагревательную с расположенным в ней нагревательным элементом, приводной элемент, выполненный из сплава, обладающего эффектом термомеханической памяти формы, и соединенный своим подвижным концом со звеном отбора мощности, выполненным в виде поршня с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра, и другим неподвижно закрепленным концом (1).

Недостаток известного устройства заключен в его низкой эффективности, ограниченной большой продолжительностью цикла "нагревание-охлаждение" приводного элемента, располагаемого в зоне смешивания горячего и холодного теплоносителя.

Цель изобретения - повышение эффективности теплового насоса за счет сокращения продолжительности цикла "нагревание-охлаждение" приводного элемента.

Указанная цель достигается тем, что выпускные отверстия охладительной и нагревательной камер сообщены с приемным резервуаром через последовательно соединенные распределительный двухпозиционный клапан и эластичную трубку, охватывающую приводной элемент, подвижная часть которого кинематически связана с управляющим рычагом распределительного двухпозиционного клапана и жестко скреплена со штоком, концы которого снабжены поршнями, размещенными внутри цилиндров, сообщенных с хранилищем теплоносителя через впускные клапаны, а с охладительной и нагревательной камерами - через выпускные клапаны, нагревательный элемент подключен к электросети через последовательно соединенные включатель, нормально замкнутые контакты термореле, установленного внутри нагревательной камеры, и контакты датчика уровня, выполненного в виде геркона, установленного под крышкой нагревательной камеры, и постоянного кольцевого магнита, закрепленного на поплавке, размещенном на направляющей внутри нагревательной камеры, выпускное отверстие которой снабжено термоуправляемым клапаном с пружинным приводом, выполненным из сплава, обладающего эффектом термомеханической памяти формы.

На фиг. 1 схематически представлена конструкция теплового насоса; на фиг. 2 - нагревательная камера со схемой ее подогрева и расположенными внутри нее элементами.

Тепловой насос содержит две заполненные теплоносителем 1 камеры - охладительную 2 и нагревательную 3 с расположенным в ней нагревательным элементом 4, приводной элемент 5, выполненный из сплава, обладающего эффектом термомеханической памяти формы, выпускные отверстия охладительной 2 и нагревательной 3 камер сообщены с приемным резервуаром 6 через последовательно соединенные распределительный двухпозиционный клапан 7 и эластичную трубку 8, охватывающую приводной элемент 5, подвижная часть которого кинематически связана с управляющим рычагом 9 распределительного двухпозиционного клапана 7 и жестко скреплена со штоком 10, концы которого снабжены поршнями 11, размещенными внутри цилиндров 12, сообщенных с хранилищем 13 теплоносителя через впускные клапаны 14, а с охладительной 2 и нагревательной 3 камерами, а также с приемным резервуаром 6 - через выпускные клапаны 15, нагревательный элемент 4 подключен к электросети через последовательно соединенные включатель 16, нормально замкнутые контакты 17 термореле 18 и контакты датчика уровня, выполненного в виде геркона 19 и постоянного кольцевого магнита 20, закрепленного на поплавке 21, установленном на вертикальной направляющей 22 внутри нагревательной камеры 3, выпускное отверстие которой снабжено термоуправляемым клапаном 23 с пружинным приводом 24, выполненным из сплава, обладающего эффектом термомеханической памяти формы.

Тепловой насос работает следующим образом.

В исходном положении устройства при температуре приводного элемента 5, равной температуре окружающей среды (Т ≅ 50^оС), элемент 5 находится в растянутом (холодном) состоянии и поршни 11, закрепленные на концах штока 10, находятся в крайних левых положениях внутри цилиндров 12. Нагревательная камера 3, охладительная камера 2 и правый цилиндр 12 для пуска теплового насоса предварительно заполняются теплоносителем, например водой.

Термоуправляемый клапан 23, управляемый пружинным приводом 24, выполненным из сплава с термомеханической памятью формы, перекрывает выпускное отверстие нагревательной камеры 3, а распределительный двухпозиционный клапан 7, связанный кинематически своим управляющим рычагом 9 с подвижной частью элемента 5, обеспечивает перекрытие выходного отверстия охладительной камеры 2.

По заполнении водой нагревательной камеры 3 поплавок 21, переместившись вверх вдоль направляющей 22, приближается к геркону 19. Постоянный магнит 20, закрепленный на поплавке 21, приводит геркон 19 в замкнутое состояние.

Контакты 17 термореле 18 при температуре холодной воды, поступающей в камеру 3, также замкнуты, поэтому при замыкании включателя 16 напряжение электросети подается на нагревательный элемент 4, начинается нагрев воды в камере 3.

При достижении водой температуры 85^оС срабатывает (сжимается) пружинный привод 24, выполненный из сплава с термомеханической памятью формы, и термоуправляемый клапан 23 открывает выпускное отверстие нагревательной камеры 3. Горячая вода через распределительный клапан 7 и эластичную трубку 8, в которой располагается приводной элемент 5, поступает в приемный резервуар 6 через выходное калиброванное отверстие. Величина этого отверстия выбрана таким образом, что достигается скорейшее срабатывание приводного элемента 5 с минимальным расходом горячей воды.

При срабатывании приводного элемента 5 происходит его сжатие и шток 10 с поршнями 11 перемещается вправо, производя одновременно следующие действия:
а) перекачивает воду из правого цилиндра 12 через правый выпускной клапан 15 и трубопровод в приемный резервуар 6, попутно пополняя нагревательную 3 и охладительную 2 камеры;
б) закачивает воду из источника 13 в левый цилиндр 12 через левый впускной клапан 14;
в) перемещает управляющий рычаг 9 распределительного клапана 7 право, перекрывая выпускное отверстие нагревательной камеры 3 и открывая выпускное отверстие охладительной камеры 2.

Термореле 18 срабатывает при той же температуре (85^oC), что и пружинный привод 24 клапана 23. При этом происходит размыкание контактов 17 и отключение от электросети нагревательного элемента 4, чем исключается возможность выхода его из строя от перегрева и одновременно экономится электроэнергия. При незаполненной водой камере 3 отключение электроэнергии происходит из-за размыкания контактов геркона 19.

Термореле 18 представляет собой соединение обычного реле, имеющего пару нормально замкнутых контактов, с ртутным контактным термометром на температуру 85^оС, воспринимающего температуру теплоносителя (воды) непосредственно и обеспечивающего включение и отключение реле от электропитания.

После пополнения нагревательной камеры 3 холодной водой из правого цилиндра 12 вновь срабатывает геркон 19, а температура воды снижается. Это приводит к срабатыванию термореле 18, контакты 17 которого вновь замыкаются и нагревательный элемент 4 опять подключается к напряжению электросети. Вода в камере 3 вновь начинает нагреваться.

Сразу же после срабатывания (сжатия) приводного элемента 5 и открытия распределительным двухпозиционным клапаном 7 выпускного отверстия охладительной камеры 2 холодная вода (Т 20-30^оС) поступает в эластичную трубку 8. Приводной элемент 5 охлаждается протекающей через него водой и принимает свою начальную, распрямленную форму, шток 10 с поршнями 11 перемещается влево. При этом одновременно производятся следующие действия:
а) перекачивается вода из левого цилиндра 12 через левый выпускной клапан 15 в приемный резервуар 6, попутно пополняются водой охладительная 2 и нагревательная 3 камеры.

б) закачивается вода из хранилища (источника) 13 в правый цилиндр 12 через правый впускной клапан 14;
в) управляющий рычаг 9 распределительного двухпозиционного клапана 7 перемещается влево, чем перекрывается выпускное отверстие охладительной камеры 2 и освобождается путь для поступления горячей воды из нагревательной камеры 3, выход которой, тем не менее, все еще остается перекрытым клапаном 23 до тех пор, пока вода не будет нагрета до 85^оС, после чего срабатывает пружинный привод 24 с термомеханической памятью формы. Только после этого горячая вода вновь поступает к приводному элементу 5 и начинается новый цикл работы теплового насоса.

Использованная для нагрева и охлаждения приводного элемента 5 вода сливается в приемный резервуар 6, куда поступает также и перекачиваемая вода, т.е. вся вода без потерь передается потребителю.

Распределительный клапан 7 представляет собой двуплечий рычаг, закрепленный на оси в дне жесткого корпуса. Наружное плечо клапана служит управляющим рычагом (поз.9, фиг.1), а внутреннее - основным элементом перекрытия выпускных отверстий нагревательной и охладительной камер. Оно представляет собой плоский постоянный магнит, заключенный в эластичную, например резиновую, оболочку.

Торцы перекрываемых труб снабжены кольцами из магнитной резины, что и гарантирует их надежное перекрытие: постоянный магнит надежно прилипает к кольцам из магнитной резины и не допускает просачивания воды из охладительной или нагревательной камер. Сам двуплечий рычаг в месте его качания изолирован от воды гибкой гофрированной оболочкой.

Управляющий рычаг 9 обеспечивает требуемую величину зоны нечувствительности для распределительного двухпозиционного клапана 7. В качестве впускных 14 и выпускных 15 клапанов могут быть использованы клапаны магнитного или ниппельного типов.

Описанный тепловой насос способен функционировать в любой климатической зоне. Необходимым условием для этого является наличие электроэнергии для обеспечения подогрева воды в нагревательной камере. Но в условиях Средней Азии в летнее время нагрев воды может осуществляться за счет солнечного излучения.

Благодаря сокращению продолжительности цикла "нагревание - охлаждение" приводного элемента 5, обеспечения несмешиваемости горячей и холодной воды в области ее воздействия на приводной элемент 5, а также использования для закачки воды как прямого, так и обратного хода поршней эффективность насоса по сравнению с прототипом повышается примерно в 2,5 раза.

Ожидаемый срок окупаемости предложенного насоса - один год.

Использование: в машиностроении, а именно в тепловых двигателях, и может быть использовано как привод механизма и машин или, например, в качестве теплового насоса. Сущность изобретения: сокращение продолжительности цикла "нагревание - охлаждение" приводного элемента, осуществляемого путем исключения смешиваемости горячего и холодного теплоносителя его поочередным воздействием на приводной элемент, выполненный из сплава с термомеханической памятью формы, а также использование для перекачивания теплоносителя как прямого, так и обратного хода звена отбора мощности. 2 ил.

НАСОС С ТЕПЛОВЫМ ПРИВОДОМ, содержащий две заполненные теплоносителем камеры - охладительную и нагревательную с расположенным в ней нагревательным элементом, приводной элемент, выполненный из сплава, обладающего эффектом термомеханической памяти формы, и соединенный своим подвижным концом со звеном отбора мощности, выполненным в виде поршня с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра, и вторым, неподвижно закрепленным концом, отличающийся тем, что выпускные отверстия охладительной и нагревательной камер сообщены с приемным резервуаром через последовательно соединенные распределительный двухпозиционный клапан и эластичную трубу, охватывающую приводной элемент, подвижная часть которого кинематически связана с управляющим рычагом распределительного двухпозиционного клапана и жестко скреплена со штоком, на втором конце которого установлен поршень, размещенный в своем цилиндре, причем оба цилиндра сообщены через впускные клапаны с хранилищем теплоносителя, а через выпускные клапаны - с охладительной и нагревательной камерами и с приемным резервуаром, при этом нагревательный элемент подключен к электросети через последовательно соединенные включатель, нормально замкнутые контакты термореле, установленного внутри нагревательной камеры, и контакты датчика уровня, выполненного в виде геркона, установленного под крышкой нагревательной камеры, и постоянного кольцевого магнита, закрепленного на поплавке, размещенном на направляющей внутри нагревательной камеры, выпускное отверстие которой снабжено термоуправляемым клапаном с приводным элементом пружинного типа.