СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к способам преобразования энергии, в частности тепловой и гидростатической энергии в совокупности в механическую энергию вращения и к устройствам по осуществлению этого способа.

Известен способ прямого преобразования тепловой энергии в механическую, заключающийся в том, что тело нагревают или охлаждают и за счет этого изменяют его линейные размеры и/или форму, что позволяет производить механические перемещения других тел при непосредственном их контакте. Этот способ реализуется, в частности, в термобиметаллах, обладающих различным коэффициентом линейного расширения, имеющих свойство изгибаться при изменении температуры нагрева.

Недостатком этого способа является невозможность прямого преобразования используемой тепловой энергии во вращательное движение.

Указанный способ осуществляется, например, в термографе, содержащем термобиметаллическую пластину и систему передаточных рычагов для осуществления механических перемещений.

Такой термограф не может служить прямым преобразователем тепловой энергии в механическую энергию вращения тела.

Известен также способ преобразования тепловой энергии в механическую путем деформации термочувствительных силовых элементов в радиальном направлении при прохождении их по окружности через зоны нагрева и охлаждения, одна из которых является жидкой, а другая газовой средами, при соединении каждого силового элемента с валом и ободом колеса.

Недостатком этого способа является применение массивного обода, что не позволяет использовать выталкивающую силу Архимеда при преобразовании энергии. Отличительным признаком приведенного способа является использование горячей воды и охлаждающего воздуха, что ограничивает возможности его применения, поскольку не предусматривает использование нагретого воздуха и охлаждающей воды.

Указанный способ используется в устройстве, содержащем корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе, проходящий через зоны нагрева и охлаждения ротор в виде колеса, обод и ступица которого шарнирно соединены между собой термочувствительными элементами, на ступице закреплен выходной вал.

Данное устройство имеет недостатки, приведенные выше при характеристике способа преобразования энергии. Кроме этого устройство не предусматривает возможности реверсирования вращательного движения, имеет малую надежность при передаче вращающего момента.

Целью изобретения является прямое преобразование тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию, уменьшение массы, расширение возможностей преобразования энергии, реверсирование вращательного движения, надеж- ность в передаче вращающего момента при одновременной высокой нагрузочной способности, простота устройства в эксплуатации, малая стоимость.

Поставленная цель достигается путем деформации термочувствительных силовых элементов в радиальном направлении при прохождении их по окружности через зоны нагрева и охлаждения, одна из которых является жидкой средой, а другая газовой при соединении каждого силового элемента с валом и ободом колеса, при этом применяют выталкивающую силу Архимеда путем равномерного размещения на внешней поверхности обода колеса объемного элемента, удельный вес которого меньше удельного веса жидкости.

Поставленная цель при осуществлении указанного способа достигается путем применения устройства, содержащего корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе, проходящий через зоны нагрева и охлаждения ротор в виде колеса, обод и ступица которого шарнирно соединены между собой термочувствительными элементами, закрепленный на ступице выходной вал, обод со ступицей связаны тягой, выполненной в виде неподвижно установленного на ступице радиального стержня с вилкой на конце, в которой размещен с возможностью радиального перемещения шип, установленный на ободе, при этом термочувствительный силовой элемент выполнен из биметаллического материала, а обод колеса в виде пустотелого тора.

Термочувствительный элемент выполнен в виде плоской биметаллической пластины.

Термочувствительный элемент выполнен в виде пружины.

Термочувствительный элемент выполнен в виде биметаллической пластины, прикрепленной одним концом под углом к ступице с возможностью взаимодействия другим концом с внутренней поверхностью обода посредством ролика.

На фиг. 1 показано осуществление способа преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию; на фиг. 2 и 3 приведены варианты устройства для осуществления указанного способа; на фиг. 4 показано устройство термочувствительного элемента в форме пружины с применением термобиметаллического материала.

Способ преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию заключается в том, что используют две смежные зоны нагрева и охлаждения, нижнюю из которых заполняют жидкостью 1, например водой, а верхнюю газом, например воздухом, и производят нагрев жидкости или газа. В данном примере воздух имеет исходную температуру Т₁, а жидкость нагрета до более высокой температуры Т₂. На уровне, близком к поверхности А-А жидкости, устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси О ротор, содержащий объемный обод 2, ступицу 3 и соединяющие их связи в виде термочувствительных элементов (термобиметаллических пластин) 4. Удельный вес объема обода 2 делают меньшим по сравнению с удельным весом жидкости 1. Термочувствительные элементы 4 располагают равномерно по окружности и выполняют из материала, имеющего свойство обратимого теплового расширения. Нижнюю часть обода 2 и относящиеся к этой части термочувствительные элементы 4 погружают в жидкость 1 и производят нагрев этих элементов до температуры Т₂, в то время как элементы, находящиеся выше уровня А-А жидкости в среде газа, имеют меньшую температуру Т₁. Благодаря тепловому расширению термочувствительные элементы, погруженные в жидкость, приобретают большую длину по сравнению с длиной таких же элементов, расположенных выше уровня А-А жидкости. Этим обеспечивают эксцентрическое положение центра или осевой линии О₁ обода относительно оси О вращения ступицы 3 ротора. Для преобразования энергии ротор в составе обода 2 и термочувствительных элементов 4 из указанного исходного положения поворачивают примерно на четверть оборота в сторону, в которую он должен вращаться при преобразовании энергии. В данном случае, как это показано на фиг. 1, ротор повернут на своей оси О по часовой стрелке и положение всех термочувствительных элементов относительно вертикальной плоскости В-В, проходящей через ось О вращения ротора, изменилось. Нагретые до более высокой температуры Т₂, а следовательно, удлинившиеся в результате теплового расширения элементы, расположатся в данном случае слева от вертикальной плоскости В-В и оси вращения О. Элементы, находившиеся в среде газа при меньшей температуре нагрева Т₁, а следовательно, не подвергшиеся тепловому расширению и имеющие меньшую длину, расположатся справа от вертикальной плоскости В-В и оси О вращения. Обод 2 ротора и ротор в целом при этом будет приведен в неравновесное положение относительно оси О, поскольку большая часть обода будет располагаться в данном случае слева от вертикальной плоскости В-В, проходящей через ось О вращения. Соответственно и гидростатическое давление (выталкивающая сила Архимеда) F₂ на левую половину обода будет больше гидростатического давления (выталкивающей силы Архимеда) F₁, воздействующего на сторону обода, расположенную справа от вертикальной плоскости В-В. При этом благодаря эксцентрическому положению обода относительно оси О его вращения соответствующая длина плеч указанных гидроста- тических сил F₁ и F₂ относительно этой же оси О будет также различна. Меньшее по длине плечо R₁ будет относиться к меньшей по величине силе F₁, а большее по длине плечо R₂ к большей силе F₂. Соответственно момент силы F₂, направленный по часовой стрелке, составит F₂R₂ и момент силы F₁, направленный против часовой стрелки, будет равен F₁R₁. Вращающий момент F₂R₂ имеет большую величину по сравнению с вращающим моментом F₁R₂, поскольку обе составляющие первого из данных выражений будет превышать соответствующие составляющие из второго выражения. Следовательно, на обод и ротор в целом будет действовать разность этих моментов F₂R₂ F₁R₁ и под воздействием этой разности моментов ротор будет приведен во вращение вокруг оси О, в данном случае по часовой стрелке. Поскольку нагревание термочувствительных элементов 4 при погружении в жидкость 1 во время вращения ротора происходит постепенно, как и остывание их при прохождении газовой среды над поверхностью А-А жидкости, плечо R₁ при вхождении элементов в жидкость будет всегда меньше плеча R₂ при выходе этих элементов из жидкости при вращении ротора. Следовательно, вращающий момент F₂R₂, направленный по часовой стрелке, будет всегда больше вращающего момента F₁R₁, направленного против часовой стрелки. Этим обеспечивается постоянное вращение ротора в направлении, в котором был совершен его первоначальный поворот при запуске (в данном случае по часовой стрелке). Из сказанного следует, что при прямом преобразовании тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию вращения происходит расходование тепловой энергии жидкости на нагрев термочувствительных элементов 4 и их удлинение с последующим их охлаждением в среде газа вне пределов жидкости. Таким путем происходит расходование тепловой энергии и использование гидростатической энергии с прямым преобразованием их в механическую энергию без осуществления каких-либо промежуточных, дополнительных или сопутствующих действий. При этом тепловая энергия только обеспечивает условия для проявления гидростатических сил, создающих вращающий момент. В связи с этим при малой теплоемкости термочувствительных элементов 4, являющихся в конечном счете потребителями тепловой энергии, значительной их длине и большом температурном коэффициенте линейного расширения, что обеспечивает повышение эксцентрического положения обода 2 относительно оси О вращения, а также при большом объеме и диаметре обода, преобразование тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию вращения может происходить при высоких показателях КПД, поскольку использование гидростатического давления, создающего вращающий момент, не связано с какими-либо потерями или дополнительными затратами энергии.

Возможен также вариант применения предложенного способа преобразования энергии при относительно более высокой температуре нагрева газа по сравнению с жидкостью. Для достижения этого обеспечивается уменьшение радиальной составляющей размеров термочувствительных элементов при увеличении их нагрева и увеличение радиальной составляющей размеров этих элементов при уменьшении их нагрева. Это достигается тем, что применяют в качестве термочувствительных элементов термобиметаллические пластины, которые прикрепляют одним концом под углом к ступице 3 ротора и обеспечивают их опору другим свободным концом на внутреннюю круглую поверхность обода 2 с расположением при этом активного слоя термобиметаллических пластин в противоположную сторону от оси О вращения, т.е. с обращением этого слоя в сторону обода. Активным слоем термобиметаллической пластины является один из двух слоев биметалла, имеющий больший температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с другим слоем. Соответствующее конкретное конструктивное решение при осуществлении такого варианта способа преобразования энергии показано в описании ниже на одном из примеров устройства.

Указанный способ преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию может быть осуществлен в соответствующем устройстве, варианты которого приведены на фиг. 2, 3 и 4.

Устройство для преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую (см. фиг. 2) имеет ротор, содержащий объемный обод 2, ступицу 3 и соединяющие их термочуствительные элементы 4. Обод 2 выполнен в виде замкнутой вокруг оси О ротора трубы, в частности тонкостенного тора. Ступица 3 установлена на горизонтальном валу 5 с возможностью свободного вращения вокруг оси О, вал 5 расположен на опорах 6. Термочувствительные элементы 4, соединяющие ступицу 3 с ободом 2, выполнены в данном конкретном случае в виде равномерно расположенных по окружности термобиметаллических пластин, каждая из которых прикреплена одним своим концом под углом к ступице, а вторым концом опирается через ролик 7 на круглую внутреннюю часть обода 2 с возможностью ограниченных по амплитуде переменных по направлению перемещений относительно внутренней поверхности обода. Ротор частично погружен в жидкость 1, которая содержится в емкости 8. Удельный вес совокупного объема обода меньше удельного веса жидкости. Температура нагрева жидкости и окружающего газа (воздуха) различна. В связи с тем, что ступица 3 соосна оси О, а обод 2 при работе устройства находится в эксцентрическом положении относительно этой оси О вращения, ступица и обод при совместных вращениях совершают относительно друг друга переменные по направлению повороты с ограниченной амплитудой. Для передачи в этих условиях вращающего момента от обода 2 на ступицу 3 применяется по меньшей мере одна связывающая их тяга, состоящая из прикрепленного к ступице радиального стержня 9 с пазом или вилкой 10 на конце, в которой располагается с возможностью перемещения в радиальном направлении шип 11, прикрепленный к боковой поверхности обода. В том случае, когда устройство работает при температуре нагрева жидкости более высокой Т₂, чем температура окружающего газа Т₁, активный слой термобиметаллических пластин, т.е. один из двух слоев биметалла, имеющий больший температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с другим слоем, обращают в сторону оси О вращения, как показано на фиг. 2. Если устройство работает в условиях, когда находящийся над уровнем А-А жидкости газ имеет более высокую температуру нагрева Т₂ по сравнению с температурой нагрева Т₁ жидкости, то термобиметаллические пластины 4 устанавливают таким образом, чтобы их активный слой был обращен в сторону обода 2. При этом графическое изображение обоих указанных вариантов устройства, приведенное на фиг. 2, с учетом данного выше пояснения, ничем отличаться не будет.

Устройство работает следующим образом.

В качестве примера рассматривается случай работы устройства, когда находящийся над поверхностью А-А жидкости газ имеет меньшую температуру нагрева по сравнению с более высокой температурой нагрева Т₂ жидкости. Пpи неподвижном роторе с учетом приведенных выше пояснений, находящиеся в жидкости 1 термобиметаллические пластины 4 изогнуты в сторону от оси О ротора, а пластины, расположенные в газовой среде над поверхностью А-А жидкости, имеют изгиб в сторону оси О. Это приводит к эксцентрическому положению обода 2 относительно указанной оси О, с которой соосно совмещены вал 5 ступицы и ротор в целом. Для начала работы устройства обод 2 поворачивают примерно на четверть оборота в сторону, в которую он должен вращаться во время работы устройства, в данном случае, приведенном на фиг. 2 по часовой стрелке. При этом обод и ротор в целом приводятся в неравновесное положение относительно оси О, поскольку большая часть объема обода будет располагаться в данном случае (см. фиг. 2) слева от вертикальной плоскости В-В, проходящей через ось О вращения. Соответственно и гидростатическое давление (выталкивающая сила Архимеда) F₂ на левую сторону обода будет больше гидростатического давления (выталкивающей силы Архимеда) F₂, воздействующего на сторону обода, расположенную справа от вертикальной плоскости В-В. Указанные силы создают моменты относительно оси О вращения, которые зависят как от величины этих сил, так и от длины плеч соответственно R₂ и F₁, их приложения относительно оси О. В данном случае, в связи с тем, что большая часть объема обода 2 находится левее вертикальной плоскости В-В и оси О, сила гидростатического давления F₂ на левую часть обода будет больше гидростатической силы (выталкивающей силы Архимеда) F₁, воздействующей на правую часть обода. По тем же причинам плечо R₂ силы F₂ будет больше плеча R₁ силы F₁ относительно оси О. Соответственно момент F₂R₂ будет больше момента F₁R₁. Направления этих моментов сил будут противоположны, поэтому под совместным воздействием этих вращающих моментов обод и ротор в целом будут вращаться в направлении действия большего по величине вращающего момента F₂R₂, т.е. в данном случае по часовой стрелке. В связи с постепенным изменением температуры нагрева термобиметаллических пластин 4 при вращении ротора и соответствующим постепенным изменением направления их изгиба указанное выше в описании и приведенное на фиг. 2 эксцентрическое положение обода 2 относительно оси О вращения будет сохраняться, что обеспечит постоянную работу устройства при наличии указанной выше разности в температурах нагрева газовой среды и жидкости.

В связи с эксцентрическим положением обода 2 относительно оси О вращения и ступицы 3 во время работы устройства угловые скорости обода 2 и ступицы 3 с валом 5 будут в пределах каждого полного оборота вокруг оси О иметь переменные по направлению колебания относительно друг друга, амплитуда которых незначительна и зависит от степени эксцентрического положения обода относительно оси О. В целях постоянной и надежной кинематической связи в этих условиях обода со ступицей, обеспечения их непрерывного совместного вращения и передачи вращающего момента от обода 2 на ступицу 3 и вал 5 применяется описанная выше тяга (9, 10, 11). Возможность радиального перемещения установленного на ободе шипа 11 в вилке (пазу) 10, прикрепленного к ступице стержня 9, позволяет ободу и ступице совершать в определенных пределах переменные по направлению относительные друг другу повороты во время совместного вращения с передачей при этом постоянного по направлению вращающего момента от обода к ступице и далее на вал 5 двигателя. Преимуществом данной тяги является передача сил только в тангенциальном (касательном) направлении без каких-либо силовых воздействий на термочувствительные элементы 4, в том числе в радиальном направлении. Установленные на концах термобиметаллических пластин 4 ролики 7 позволяют уменьшить потери на трение при указанных выше переменных по направлению относительных поворотах обода и ступицы.

При работе устройства в условиях, когда температура нагрева жидкости Т₁ ниже, чем окружающего газа Т₂, термобиметаллические пластины 4 устанавливаются с расположением активного слоя биметалла в сторону обода 2. Работа устройства при этом не отличается от описанной выше.

Устройство для преобразования энергии, показанное на фиг. 3, аналогично устройству на фиг. 2, в исполнении термочувствительных элементов 4, которые выполнены в виде радиальных элементов, имеющих форму пружин. Каждый из этих элементов в форме пружины своими концами с применением шарниров 12 прикреплен соответственно к ободу 2 и ступице 3. Термочувствительные элементы в форме пружин, обеспечивающих при компактном исполнении наибольшее расширение или сжатие в радиальном направлении при изменении температуры, в то же время обладают жесткостью, достаточной для обеспечения эксцентрического положения обода относительно оси О в горизонтальном направлении А-А в связи с изменением степени их нагрева при вращении ротора. Термочувствительные элементы 4, имеющие форму пружины, с целью большей амплитуды тепловых линейных расширений и сжатий с радиальной составляющей могут быть выполнены из термобиметалла с расположением активного и пассивного слоев в радиальном направлении относительно оси О, например, с обращением активного слоя 13 в сторону обода и пассивного слоя 14 в сторону оси О вращения, как это показано на фиг. 4. При этом возможность теплового расширения и сжатия такого элемента в радиальном направлении будет определяться общей длиной биметаллического прута (полосы), свернутого в форму пружины, поскольку активный и пассивный слои каждого витка пружины будут действовать в одном направлении, относительно оси О ротора.

Работает это устройство (см. фиг. 3) точно так же, как и приведенное выше на фиг. 2 с тем лишь различием, что в данном случае может быть достигнуто более значительное эксцентрическое положение обода относительно оси О вращения в связи с применением указанных выше биметаллических пружин. Все это обеспечивает повышение компактности, КПД и нагрузочной способности устройства.

Для осуществления способа преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую энергию вращения и обеспечения работы предназначенных для этого устройств могут, в частности, использоваться термальные воды, поступающие из кондиционеров турбин циркуляционные воды, отходящий из любых видов действующих топок горячий газ. Не исключено также использование разности температур воды в водоемах и холодного воздуха в зимних условиях, горячего воздуха или прямого солнечного нагрева вместе с охлаждающей водой в жарких районах и др. Все это повышает экологическую чистоту преобразования энергии.

Возможность термобиметаллических элементов совершать механические перемещения даже при малых перепадах температур, составляющих градусы или доли градуса, подтверждается работоспособностью термографа, приведенного выше в качестве аналога. Большая величина действующих в устройстве сил и возможность в связи с этим получения значительной мощности может быть подтверждена известными явлениями, например тепловыми деформациями, способными вызвать повреждения и разрушения мостов, трубопроводов, железнодорожных путей, линий электропередач и др. Отсутствие у предложенного устройства каких-либо вспомогательных или сопутствующих устройств и сооружений упрощает его изготовление и снижает стоимость. Устройство имеет единственный подвижный и простой по исполнению элемент ротор, что снимает необходимость постоянного надзора за ним во время работы и предельно упрощает эксплуатацию. Применение в качестве силового элемента сплошного обода повышает компактность и делает передачу вращающего момента плавной и непрерывной. Малый удельный вес обода при незначительном количестве других деталей уменьшает массу устройства. Все это обеспечивает в полной мере достижение цели изобретения.

Использование: энергетика. Сущность изобретения: способ заключается в том, что используют две смежных области пространства, нижнюю из которых заполняют жидкостью, а верхнюю - газом, которым обеспечивают разные температуры нагрева. На уровне А - А поверхности жидкости устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси ротор, содержащий объемный обод, удельный вес которого меньше удельного веса жидкости, обод соединяют со ступицей ротора одинаковыми, расположенными равномерно по окружности связями, способными совершать обратимые расширения и сжатия с радиальной составляющей в зависимости от температуры нагрева. Ротор частично погружают в жидкость. В связи с разной температурой нагрева связей в среде жидкости и газа они имеют за счет теплового расширения разную длину, что приводит обод в эксцентрическое положение относительно горизонтальной оси и разным по величине выталкивающим силам, воздействующим соответственно на меньший и больший объемы обода, находящиеся по сторонам от вертикальной плоскости, совмещенной с горизонтальной осью вращения. Устройство для осуществления указанного способа выполнено в виде двух вариантов гидростатического теплового роторного двигателя, содержащего емкость с жидкостью, ротор, который состоит из объемного обода, ступицы и соединяющих их связей. Ступица установлена на горизонтальном валу на опорах с возможностью свободного вращения, обод выполнен в виде тора и имеет удельный вес меньше, чем у жидкости. Связи выполнены из материала, имеющего свойство обратимого теплового расширения. например из термобиметалла. Ротор частично погружен в жидкость, температура нагрева которой и температура нагрева окружающего газа различны. Связи выполнены или в виде термобиметаллических пластин или имеют форму пружин. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую путем деформации термочувствительных силовых элементов в радиальном направлении при прохождении их по окружности через зоны нагрева и охлаждения, одна из которых является жидкой, а другая газовой средами, при соединении каждого силового элемента к валу и ободу колеса, отличающийся тем, что применяют выталкивающую силу Архимеда путем равномерного размещения на внешней поверхности обода колеса объемного элемента, удельный вес которого меньше удельного веса жидкости. 2. Устройство преобразования тепловой и гидростатической энергии в механическую, содержащее корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе, проходящий через зоны нагрева и охлаждения ротор в виде колеса, обод и ступица которого шарнирно соединены между собой термочувствительными элементами, закрепленный на ступице выходной вал, отличающееся тем, что оно снабжено тягой, связывающей обод со ступицей, выполненной в виде неподвижно установленного на ступице радиального стержня с вилкой на конце, в котором размещен с возможностью радиального перемещения шип, установленный на ободе, при этом термочувствительный силовой элемент выполнен из биметаллического материала, а обод колеса в виде пустотелого тора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде плоской биметаллической пластины. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде пружины. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде биметаллической пластины, прикрепленной одним концом под углом к ступице с возможностью взаимодействия другим концом с внутренней поверхностью обода посредством ролика.