ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к тепловым двигателям и имеет преимущественное использование для преобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию. Наиболее целесообразно использовать предложение в труднодоступных местах, например в зонах Ледовитого океана и в высокогорье.

Известен силовой привод для электрического генератора, который выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания, выходной вал которого соединен с ротором электрического генератора (любые перевозные сварочные аппараты).

Недостатками являются необходимость доставки топлива для работы ДВС, что особенно затруднено в труднодоступных местах, токсичные выбросы в атмосферу, которые оказывают вредное воздействие на экологическую обстановку.

Известен тепловой двигатель, включающий холодильник, нагреватель и рабочие элементы, изменяющие свою геометрическую форму под воздействием изменения температуры и установленные с возможностью периодического перемещения от нагревателя к холодильнику и обратно, при этом рабочие элементы соединены с силовым приводом (а.с. N 859677, 1981, кл. F 01 C 7/06). В качестве элементов, которые изменяют свою форму, используются биметаллические пластины, а холодильник и нагреватель выполнены в виде поворотных и подпружиненных пластин, которые соединены с источником тепловой энергии разной температурой.

Недостатками описанного теплового двигателя являются:
низкая эффективность, т.к. теплопередача осуществляется между биметаллическими пластинами и источниками теплопередачи с помощью контактного теплообмена, причем по линейной поврехности, что не позволяет получить достаточный для промышленного использования эффект,
теплоотвод и теплообмен холодильника и нагревателя осуществлен через подвижные пластины и гибкий тепловоды, что также не позволяет получить промышленный эффект,
сложность конструктивная и технологическая (криволинейные поврехности промежуточных пластин, которые играют роль холодильника и нагревателя, подвижные пары вращения, пружины в зонах теплопередачи).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение эффективности для возможности использования в промышленности. Поставленная цель достигается тем, что рабочие элементы выполнены в виде двух расположенных одна в другой оболочек, одна из которых изготовлена гибкой, другая жесткой, образуя две полости, одна из которых заполнена газом, а другая сообщена с жидкой средой, где наружняя оболочка взаимодействует с направляющей и соединена замкнутым и опирающимся на шкивы тросом, а один из шкивов соединен через обгонную муфту с силовым приводным механизмом.

На фиг. 1 представлено изометрическое изображение теплового двигателя с механизмом силового привода генератора, на фиг. 2 варианты выполнения одного элемента, на фиг. 3 общее расположение устройства в водной среде.

Все изображения выполнены в виде конструктивных схем и упрощенно. Тепловой привод содержит элемент 1, который соединен с тросом 2 на двух шкивах 3, 4. Для повышения трения между шкивами и тросом, соответственно позиции 3, 4, 2, трос 2 соединен со шкивами 3, 4 с двумя или тремя оборотами. Шкивы 3, 4 соединены между собой и с платформой 5 рамой 6. Платформа 5 симметрично замкнута и выполнена полой для сообщения ей положительной плавучести. Возможна замена платформы 5 на стойку, которая закреплена в грунте берега или дна, а также крепление к ледовому покрытию, если устройство используется во льдах. Шкив 3 закреплен на валу 7, на этом же валу закреплены зубчатые колеса 8, 9, которые находятся в зацеплении с зубчатыми колесами 10, 11 обгонных муфт 12, 13 с захватывающим элементом в виде шарика 14. Зубчатые колеса 9, 11 соединены через паразитную шестерню 15. На валу 16 обгонных муфт 12, 13 закреплен маховик 17, ротор генератора 18. Все части, кроме элемента 1, образуют силовой механизм привода. Элемент 1 может быть выполнен различным образом: выполнение его показано на фиг. 2. На фиг. 2а показан вариант выполнения, когда гибкая оболочка 19 расположена внутри, а жесткая оболочка 20 размещена снаружи, причем полость между оболочками 19, 20 сообщается с водной средой штуцером 21. Полость внутри гибкой оболочки 19 заполнена газом. На фиг. 2б показан такой же вариант выполнения элемента 1, но с размещением гибкой оболочки 19 в виде диафрагмы. Вообще шар из гибкой оболочки может иметь место только условно, т.к. он всплывет вверх, поэтому гибкая оболочка в виде шара на фиг. 2а показана условно, чтобы выявить разницу выполнения элемента 1. Возможно выполнение гибкой оболочки 19 снаружи, как показано на фиг. 2б. В этом варианте может отсутствовать жесткая оболочка 20, которая показана внутри элемента 1: может быть сплошной металлический груз внутри оболочки 20. По сути все различные варианты выполнения элемента 1 являются эквивалентными техническими решениями. Следует отдать предпочтение вариантам 2а, 2б, в особенности при повышенной мощности теплового привода, т.к. крепление силового механизма привода к элементу 1, который обеспечивает работу устройства, осуществлен за прочную жесткую оболочку 20 и ее внешняя форма остается неизменной. Сам элемент 1 соединен с тросом 2 ушком 22 путем намотки троса 2 на ушко 22. Элемент 1 имеет второе ушко 23, которое подвижно соединено с направляющей 24 в виде струны. По концам струны направляющей 24 расположены постоянные магниты 25, 26, а ушко 23 выполнено стальным.

Действует тепловой двигатель следующим образом.

Его располагают в воде, как показано на фиг. 3, причем при температуре воздушной среды ниже, чем температура водной среды. Известно, что водная среда при любой температуре воздушной среды будет постоянной и будет колебаться от 0 до 4^oC в зависимости от солености водной среды.

При расположении элемента 1 в воде его гибкая оболочка начнет расширяться, вытесняя водную среду через штуцер 21. Это приведет к изменению средней плотности элемента 1, и он приобретет положительную плавучесть. На фиг. 2а, 2б показаны положения гибкой оболочки при контакте элемента 1 с холодильником, роль которого выполняет воздушная среда, и с нагревателем, роль которого выполняет водная среда.

В начальном положении элемент 1 располагается в верхней точке и удерживается в верхнем положении магнитом 26. Под воздействием низкой температуры воздушной среды, с которой контактирует верхняя выступающая часть оболочки 20 (рассматриваются варианты выполнения элемента 1, которые представлены на фиг. 2а, 2б,) примерно половиной своей поверхности (зависит от емкостей газовой полости и ее скорости при движении вверх), газ снижает свой объем, вода всасывается через штуцер 21, средняя плотность элемента 1 увеличивается, наконец становится больше плотности воды, но элемент 1 продолжает удерживаться в верхнем положении за счет магнита 26.

Только при достижении почти предельного уменьшения объема газа в оболочке 19 равновесие нарушается, происходит преодоление магнитной силы и элемент 1 начинает перемещаться вниз по направляющей 24, поворачивая шкивы 3, 4 на трос 2. При этом происходит вращение правой обгонной муфты 12 с валом 16, т. к. шарики 14 захватили вал 16, а левая обгонная муфта 13 проскальзывает, т. к. вращение обгонной муфты 13 обратное за счет паразитной шестерни 15. Направления вращения обгонных муфт показаны стрелками на чертеже. Вал 16 разгоняет маховик 17 и осуществляет рабочее вращение ротора генератора 18. При достижении элементом 1 нижней точки ушко 23 упирается в магнит 25 и останавливает элемент 1 в фиксированном положении. В нижнем положении элемент 1 начинает нагреваться от воды, газ расширяется, средняя плотность элемента 1 снижается. Происходит выравнивание плотности элемента 1 с водой, а затем и уменьшение по отношению к воде. Однако элемент 1 продолжает удерживаться магнитом 25 до предельного расширения газа и снижения средней плотности элемента 1. После этого происходит преодоление магнитной силы от взаимодействия магнита и ушка 23, элемент 1 начинает всплывать. При всплытии произойдет передача вращения на вал 16 через зубчатые колеса 9, 15, 11 и вращение будет снова передаваться в этом же направлении обгонной муфтой 13, а обгонная муфта 12 будет проскальзывать, снова будет сообщена энергия маховику 17 и осуществлено рабочее вращение ротора генератора 18. Таким образом будет осуществляться постоянное вращение вала 16 со снижением числа оборотов во время неподвижного положения элемента 1 в нижнем или верхнем положении.

Необходимо сделать следующие замечания:
1. Необходимо использовать газ с максимальной теплопроводностью водород или гелий. Наружную оболочку (варианты на фиг. 2а, 2б) изготовить из материала с максимальной теплопроводностью (медь, алюминий) по крайней мере в ее верхней части.

2. Магниты 25, 26 должны удерживать элемент 1 до протекания процесса не менее, чем на 90% по изменению геометрической формы за счет расширения или уменьшения объема газовой среды. Это позволит осуществить быстрый спуск и подъем элемента 1, т.к. только при этих условиях будет максимальная разность по плоскости относительно воды. Для этого магнитное взаимодействие должно быть регулируемым за счет расстояния между торцами ушка 23 и магнитом. Такая регулировка может быть осуществлена прокладками между указанными элементами.

3. Чтобы снизить влияние гидростатического давления на гибкую оболочку 19, можно расположить раму 6 под углом, что снизит глубину погружения, или использовать конструктивно малую глубину погружения.

4. Увеличивая полость с газом элемента 1, можно получить за счет разности плотности элемента 1 и воды усилия по закону Архимеда в сотни кгс. Возможно использование на одном тросе 2 нескольких элементов 1 с различными направляющими 21. Возможно использование нижней ветви троса для установки элемента 1. Во всех описанных вариантах желательно иметь удерживающий элемент в виде магнита 25, 26 на одном элементе 1, чтобы избежать сбоев и неопределенности. Возможен вариант вращения вала 16 от еще одного подобного комплекса, которые будут работать в режиме противофазном, т.е. когда элемент 1 находится в верхнем или нижнем положении неподвижным, другой элемент 1 с другой системой шкивов, обгонных муфт осуществляет движение. Такая конструктивная схема позволит более равномерно вращать вал 16. Увеличивая число таких комплексов, можно добиться высокой степени равномерности выходного напряжения генератора 18. Возможно осуществление вращения ротора генератора 18 без обгонных муфт и передач (одна будет, чтобы вывести генератор за поверхность воды). Тогда на выходе генератора 18 получится напряжение разной полярности. В описанном случае маховик 17 можно устранить.

5. Во всех случаях желательно на выходе генератора иметь демпферный аккумулятор, а от него питать потребителя.

6. Контакт элемента 1 осуществляется путем "погружения" в холодильник или нагреватель, что позволяет получить благоприятные условия протекания теплообмена и повышение мощности теплового двигателя.

Таким образом, тепловой двигатель по данному предложению позволяет получить значительные мощности при простоте конструкции и использовании серийно выпускаемых элементов как для труднодоступных мест, так и для народного хозяйства в промышленных районах.

Использование: теплоэнергетика. Сущность изобретения: в двигателе взаимодействующий с холодильником и нагревателем элемент выполнен из двух заключенных одна в другую оболочек, причем одна из образованных полостей заполнена газом, другая - водной средой, служащей нагревателем. Указанный элемент соединен с тросом на шкивах, один из которых через передачу сообщается с генератором. 2 з.п. ф-лы., 3 ил.

1. Тепловой двигатель, включающий в себя нагреватель, холодильник и элементы, изменяющие свою геометрическую форму под воздействием изменения температуры и установленные с возможностью периодического перемещения от нагревателя к холодильнику и обратно, при этом указанные элементы соединены с силовым приводным механизмом, отличающийся тем, что элементы выполнены в виде расположенных одна в другой двух оболочек, одна их которых изготовлена гибкой, другая жесткой, при этом образованные полости заполнены газом и жидкой средой, а силовой приводной механизм выполнен в виде непрерывного троса на двух шкивах и направляющей для указанных элементов, причем направляющая снабжена удерживающими элементы в их крайних положениях приспособлениями, а один из шкивов соединен через передачу с генератором. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полость с водой соединена штуцером в оболочке с внешней водной средой. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что удерживающее приспособление выполнено в виде магнита, который взаимодействует с креплением элемента на направляющей.