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

Изобретение относится к способам прямого преобразования энергии, в частности тепловой энергии в механическую энергию вращения с использованием гравитационного взаимодействия, и к устройствам по осуществлению этого способа. Изобретение может быть использовано в качестве стационарного источника механической энергии.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, при котором применяют ротор с равномерно установленными по окружности теплочувствительными элементами с закрепленными на них грузами, который приводят в неравновесное положение относительно оси путем нагревания лучистой энергией теплочувствительных элементов, расположенных с одной из боковых сторон ротора, и перемещают при этом грузы в радиальных направлениях (Патент СССР N 19407, кл. F 03 G 7/00, 1931).

Этот способ преобразования энергии осуществлен в тепловом двигателе, содержащем ротор, на котором равномерно по окружности установлены теплочувствительные элементы и прикрепленные к ним грузы с возможностью перемещения в радиальных направлениях, при этом ротор размещен в потоке лучистой тепловой энергии, а одна из боковых сторон ротора закрыта от излучения экраном.

Известен также способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, заключающийся в том, что применяют ротор, который размещают с возможностью свободного вращения на горизонтальном валу, устанавливают на нем при помощи заполненных жидкой двуокисью углерода термочувствительных связей равномерно по окружности грузы с возможностью их обратно поступательного перемещения в радиальных направлениях и обеспечивают за счет использования тепловой лучистой энергии противоположное по знаку изменение температуры нагрева указанных связей, размещенных диаметрально противоположно относительно оси ротора (авт. св. N 30516, кл. F 03 G 6/00, 1933).

Указанный способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения реализован в двигателе с вращающимися цилиндрами, содержащем ротор, вал которого установлен горизонтально на опорах с возможностью свободного вращения, на котором при помощи заполненных жидкой двуокисью углерода одинаковых связей, обладающих свойством изменения линейных размеров в радиальных направлениях при изменении температуры, установлены равномерно по окружности в радиальных цилиндрах одинаковые по массе грузы в виде поршней с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе со связями в радиальных направлениях, при этом на траектории движения последних установлены средства нагрева в виде гелиоустановки и охлаждения в виде заполненных двуокисью углерода камер, в которых размещены цилиндры.

Недостатком указанного способа и реализующего его устройства является ненадежность и непостоянство работы, а также сложность эксплуатации в связи с применением в качестве источника тепловой энергии гелиоустановки, малая нагрузочная способность по той же причине, неэкономичность, связанная с большим расходом жидкой двуокиси углерода, используемой в качестве рабочего тела.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата (цели изобретения), заключающегося в повышении надежности, обеспечении постоянства и упрощении прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения при одновременном увеличении нагрузочной способности и повышении экономичности получения механической энергии.

Указанный технический результат по способу прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения с использованием гравитационного взаимодействия достигается тем, что применяют ротор, который размещают с возможностью свободного вращения на горизонтальном валу, устанавливают на нем с применением термочувствительных связей равномерно по окружности грузы с возможностью их обратно поступательного перемещения в радиальных направлениях и обеспечивают противоположное по знаку изменение температуры нагрева указанных связей, размещенных диаметрально противоположно относительно оси ротора, при этом используют две обособленных пространственных области, которые заполняют газом или жидкостью с разной температурой нагрева, у линии разграничения этих областей размещают вал ротора, а термочувствительные связи выполняют в виде термобиметаллических элементов и обеспечивают им возможность перемещения из одной пространственной области в другую смежную область при вращении ротора.

Поставленная цель при реализации указанного способа достигается в устройстве для прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащем гравитационно-тепловой преобразователь энергии, выполненный в виде ротора, вал которого установлен горизонтально на опорах с возможностью свободного вращения, на котором через одинаковые связи, обладающие свойством изменения линейных размеров в радиальных направлениях при изменении температуры, установлены равномерно по окружности одинаковые по массе грузы с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе со связями в радиальных направлениях, а на траектории движения последних размещены средства нагрева и охлаждения, при этом связи грузов выполнены в виде термобиметаллических элементов, на концах которых закреплены грузы, средства нагрева и охлаждения выполнены в виде смежных емкостей, заполненных газом или жидкостью с разной температурой, а ось ротора размещена у линии разграничения смежных емкостей.

Термобиметаллические элементы выполнены в виде пластин, каждая из которых прикреплена к ротору под углом к его радиальному выступу, а другим свободным концом связана с грузом, при этом активные и пассивные слои всех термобиметаллических пластин обращены соответственно в одну сторону или в сторону оси ротора, или в противоположную сторону.

Термобиметаллические элементы выполнены в виде витых или винтовых пружин, каждая из которых одним концом прикреплена к ротору, а другим концом связана с грузом, при этом активные и пассивные слои всех термобиметаллических пружин обращены соответственно в одну сторону относительно оси ротора.

На приведенных графических материалах фиг. 1 показана принципиальная схема осуществления способа прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения с использованием гравитационного взаимодействия, на фиг. 2 и 3 приведены общие виды двух вариантов устройства по реализации этого способа.

Способ прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения (фиг. 1) заключается в том, что используют разность энергетического содержания двух обособленных пространственных областей, заполненных газом или жидкостью с разными температурами нагрева Т₁ и Т₂. Линия разграничения А-А этих областей относительно горизонтали при заполнении их однородными средами (например, газом) может быть произвольной. В данном случае пространственная область, расположенная выше и левее линии А-А, имеет температуру Т₂ заполняющей ее среды (газа или жидкости) более высокую, чем температура Т₁ среды в пространственной области, расположенной относительно этой линии правее и ниже. У линии разграничения А-А пространственных областей устанавливают ротор 1, имеющий возможность свободного вращения вокруг горизонтальной оси О. К ротору равномерно по окружности прикрепляют одинаковые радиальные связи 2, выполненные из материала с большими показателями температурного коэффициента линейного расширения, на концах которых устанавливают грузы 3, имеющие одинаковую массу. Термочувствительные связи 2 в пространственной области с более высокой температурой Т₂ за счет теплового расширения имеют большую длину по сравнению со связями, находящимися в пространственной области с меньшей температурой Т₁ среды. Соответственно и удаление R₂ грузов 3 от оси О ротора в пространственной области с высокой температурой Т₂ более значительно, чем удаление R₁ грузов от той же оси О в пространственной области с меньшей температурой Т₁.

Следовательно, первый из указанных грузов создаст вращающий момент FR₂, а второй FR₁ (где F вес груза). Поскольку R₂ больше чем R₁, то и вращающий момент FR₂ первого груза будет больше вращающего момента FR₁, создаваемого вторым грузом. При этом, в данном случае суммарная величина вращающих моментов всех грузов, расположенных в пространственной области с более высокой температурой по левую сторону от вертикальной плоскости В-В, проходящей через ось О ротора 1, будет больше суммарной величины вращающих моментов всех грузов, расположенных в пространственной области с меньшим уровнем температуры справа от вертикальной плоскости В-В. Поскольку вращающие моменты создаются силами тяготения F, воздействующими на грузы, эти суммарные моменты по разную сторону от вертикальной плоскости В-В будут направлены в противоположные стороны. Ротор 1, установленный с возможностью свободного вращения вокруг оси О, будет совершать вращение в сторону действия большего по величине суммарного вращающего момента, в данном случае, приведенном на фиг. 1 против направления движения часовой стрелки.

Указанный способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения может быть осуществлен в устройстве, содержащем гравитационно-тепловой преобразователь энергии, два варианта которых приведены на фиг. 2 и 3.

Устройство для прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, приведенное на фиг. 2, имеет установленный на горизонтальном валу 4 ротор 1, к радиальным выступам которого под прямым углом к ним равномерно по окружности прикреплены связи в виде термобиметаллических пластин 2, на концах которых закреплены грузы 3. Ротор 1 при помощи вала 4 установлен на опоре 5, которая расположена внутри емкости 6, заполненной жидкостью до уровня А-А, температура которой Т₁ в данном случае ниже температуры Т₂ окружающего газа (воздуха). Ротор 1 частично погружен в жидкость 7 и часть его связей 2 расположена в жидкости, а другие связи находятся в среде окружающего газа. У всех термобиметаллических пластин 2 активные и пассивные слои обращены соответственно в одну сторону или в сторону оси ротора, или в противоположную сторону.

Устройство для преобразования энергии, изображенное на фиг. 3, аналогично приведенному выше с отличием в исполнении связей 2, которые выполнены в виде термобиметаллических пружин, при этом у всех у них активные и пассивные слои обращены соответственно в одну сторону относительно оси ротора. Каждая из термобиметаллических пружин 2 одним концом прикреплена к ротору 1, а другим концом жестко связана с грузом 3. Термобиметаллические пружины свиты из прутка или полосы большой длины, а поэтому они обеспечивают наибольшее линейное расширение или сжатие при изменении температуры и имеют жесткость, достаточную для удержания грузов 3 при вращении ротора. С этой целью могут дополнительно применяться прикрепленные к ротору радиальные стержни 8, которые являются направляющими при радиальных перемещениях грузов и передают на ротор вращающий момент. Ротор 1 со связями 2 частично помещен в емкость 6 с жидкостью 7, температура которой отличается от температуры окружающего газа (воздуха).

Устройство для преобразования энергии работает следующим образом.

В устройстве, приведенном на фиг. 2, принимается, что активный слой каждой термобиметаллической пластины 2 с более высоким температурным коэффициентом линейного расширения обращен в сторону оси О ротора, а пассивный слой в противоположную сторону. При неподвижном роторе 1 находящиеся внутри емкости 6 термобиметаллические пластины 2 под влиянием низкой температуры содержащейся в емкости жидкости 7 изогнуты в сторону оси О ротора и грузы 3 находятся на минимальном расстоянии R₁ от оси О. Термобиметаллические пластины, расположенные над уровнем А-А жидкости в окружающей газовой среде с более высокой температурой, под воздействием теплового расширения изогнуты в сторону от оси ротора и соответственно увеличивают расстояние от оси О связанных с ними грузов. Для начала работы устройства ротор 1 поворачивают примерно на четверть оборота в сторону, в которую он должен вращаться во время работы. При этом ротор приводится в неравновесное положение, поскольку грузы 3, находящиеся по разную сторону от вертикальной плоскости В-В, проходящей через ось О ротора, будут находиться на разном расстоянии от оси О, а следовательно, создавать относительно этой оси разные по величине и направлению вращающие моменты под влиянием сил тяготения F.

В положении, показанном на фиг. 2, грузы, находящиеся слева от вертикальной плоскости В-В в связи с поворотом ротора на четверть оборота против часовой стрелки, располагаются на большем расстоянии R₂ от оси О и создают под воздействием сил тяготения больший по величине вращающий момент по сравнению с грузами, находящимися на меньшем расстоянии R1 от оси О. Под воздействием разности суммарных величин вращающих моментов, создаваемых всеми грузами, ротор 1 в данном случае будет вращаться против часовой стрелки. Нагрев термобиметаллических пластин 2 в газовой среде и охлаждение их при нахождении в жидкости происходит постепенно с соответствующим их изгибом и перемещении грузов в радиальных направлениях. Грузы ближе всего будут находиться к оси О вращения ротора при выходе из жидкости (справа от вертикальной плоскости В-В) и дальше всего при входе в жидкость (слева от плоскости В-В). В связи с более интенсивным изменением температуры нагрева термобиметаллических пластин в жидкости по сравнению с газовой средой, уровень А-А жидкости располагают ниже оси О ротора, что повышает надежность работы устройства. Этим обеспечивается устойчивое вращение ротора и работы устройства под воздействием суммарного вращающего момента, возникающего за счет действия сил тяготения на грузы, находящиеся по разную сторону от вертикали В-В на разном расстоянии от оси вращения.

В том случае, когда у описываемого устройства (фиг. 2) жидкость 7 в емкости 6 имеет более высокую температуру по сравнению с окружающей газовой средой, работоспособность устройства обеспечивается за счет установки термобиметаллических пластин с расположением их активного слоя с более высоким температурным коэффициентом линейного расширения в сторону от оси О ротора и обращением пассивного слоя с меньшим температурным коэффициентом линейного расширения в сторону оси О ротора. При этом условия работы устройства не будут отличаться от описанных выше, поскольку нагревание термобиметаллических пластин 2 в жидкости 7 приведет к приближению грузов 3 к оси О ротора, а охлаждение пластин при прохождении газовой среды над поверхностью жидкости переместит грузы на большее расстояние от оси вращения.

Устройство для преобразования энергии, содержащее термобиметаллические элементы в виде пружин (фиг. 3) работает точно также, как и приведенное выше на фиг. 2, с тем лишь различием, что длина термобиметаллических элементов 2 за счет выполнения их в виде пружин существенно увеличивается, что соответственно увеличивают амплитуду изменений их линейных размеров при разной температуре нагрева и повышает за счет этого нагрузочную способность устройства.

Для осуществления способа преобразования энергии и обеспечения работы соответствующих устройств могут, в частности, использоваться термальные воды, поступающие из кондиционеров турбин циркуляционные воды, отходящий от любых видов топок горячий газ. Не исключено также использование разности температур воды в водоемах и холодного наружного воздуха в зимних условиях, горячего воздуха или прямого солнечного нагрева вместе с охлаждающей водой в жарких районах и др. Устройство имеет единственный подвижный элемент-ротор, что снимает необходимость постоянного надзора за ним во время работы и предельно упрощает эксплуатацию. Все это обеспечивает в полной мере достижение цели изобретения.

Использование: энергетика. Сущность: ротор 1 устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси О на границе А А между смежными обособленными областями пространства, которые заполняют газом или жидкостью с разными температурами нагрева T₁ и T₂. На роторе устанавливают связи 2, способные изменять расстояние от оси О ротора при имзменении температуры нагрева, которые соединяют ротор 1 с имеющими одинаковую массу грузами 3, расположенными равномерно по окружности. В связи с разной температурой нагрева связей в смежных областях пространства и их тепловым расширением грузы, располагающиеся по разную сторону от вертикальной плоскости В В, проходящей через ось вращения, находятся на разном расстоянии от оси О ротора, что приводит к возникновению вращающего момента под действием сил тяготения F, воздействующих на грузы 3, приводящего ротор во вращение. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, заключающийся в том, что применяют ротор, который размещают с возможностью свободного вращения на горизонтальном валу, устанавливают по его окружности посредством термочувствительных связей грузы с возможностью возвратно-поступательного перемещения в радиальных направлениях и обеспечивают противоположное по знаку изменение температуры нагрева связей, размещенных диаметрально противоположно относительно оси ротора, отличающийся тем, что используют две смежных пространственных области, которые заполняют газом или жидкостью с разной температурой нагрева, у линии разграничения этих областей размещают вал ротора, а термочувствительные связи выполняют в виде термобиметаллических элементов и обеспечивают их возможность перемещения из одной пространственной области в другую смежную область при вращении ротора. 2. Устройство для прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее гравитационно-тепловой преобразователь энергии, выполненный в виде ротора, вал которого установлен горизонтально на опорах с возможностью свободного вращения и на котором через одинаковые связи, обладающие свойством изменения линейных размеров в радиальных направлениях при изменении температуры, установлены равномерно по окружности одинаковые по массе грузы с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе со связями в радиальном направлении, при этом на траектории движения последних размещены средства нагрева и охлаждения, отличающееся тем, что связи грузов выполнены в виде термобиметаллических элементов, на концах которых закреплены грузы, при этом средства нагрева и охлаждения выполнены в виде смежных емкостей, заполненных газом или жидкостью с разной температурой, а ось ротора размещена у линии разграничения смежных емкостей. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термобиметаллические элементы выполнены в виде пластин, каждая из которых прикреплена к ротору под углом к его радиальному выступу, а другим свободным концом связана с грузом, при этом активные и пассивные слои всех термобиметаллических пластин обращены соответственно в одну сторону или в сторону оси ротора, или в противоположную сторону. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термобиметаллические элементы выполнены в виде витых или винтовых пружин, каждая из которых одним концом прикреплена к ротору, а другим концом связана с грузом, при этом активные и пассивные слои всех термобиметаллических пружин обращены соответственно в одну сторону относительно оси ротора.