УСТРОЙСТВО ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛА ДЛЯ МАРТЕНСИТНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК F03G7/06 

Устройство подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя относится к области тепловых двигателей и может быть использовано для преобразования низкопотенциальной энергии в механическую работу, в частности для генерирования электрической энергии.

Известны тепловые двигатели (материалы сети Интернет), принцип действия которых основан на способности некоторых металлических сплавов восстанавливать свою форму при умеренном нагреве, полученную при термообработке (например, сплав никеля и титана - нитинол), называемые мартенситными тепловыми двигателями. Данные двигатели работают, используя разность температур горячего и холодного жидкого теплоносителя или горячего жидкого теплоносителя и более холодного окружающего воздуха. В частности, к мартенситным тепловым двигателям, конструкция которых основывается на использовании разности температур горячего и холодного жидких теплоносителей относится (известный, в частности, из книги "Энергия океана" Н.В. Вершинина, Наука. 1986) двигатель Бэнкса.

Достоинством таких двигателей является то, что для их работы достаточен несущественный перепад температур между горячим и холодным теплоносителями порядка 20°С, и, собственно, относительно небольшая температура горячего теплоносителя, как правило, порядка 40-70°С. Кроме этого, то, что в качестве рабочего тела используется металлический сплав, должно обеспечить высокую удельную мощность подобных двигателей за счет того, что теплоемкость металла, например никель-титанового сплава, значительно выше теплоемкости газов и пара, используемых в качестве рабочего тела, например, в двигателях работающих по циклу Ренкина или по циклу Карно.

Однако всем известным в данное время мартенситным тепловым двигателям присущ существенный недостаток, ограничивающий сферу их применения и отрицательно сказывающийся на их технических характеристиках, а именно значительные тепловые потери в окружающую среду и неудовлетворительные массово-габаритные показатели.

Наиболее близким по своей технической сути предлагаемому устройству подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя является тепловой двигатель, известный из патентного документа RU 2027901 и выбранный в качестве прототипа.

Тепловой двигатель, выбранный в качестве прототипа, может быть собран внутри закрытого корпуса, а подвод тепла к рабочему телу мартенситного теплового двигателя может осуществляться посредством теплопередачи между рабочим телом и жидким теплоносителем (в нижней части корпуса), а отвод тепла от рабочего тела осуществляется путем теплопередачи между рабочим телом и газообразным теплоносителем (в верхней части корпуса мартенситного теплового двигателя), в другом варианте корпус двигателя выполнен в виде резервуара, заполненного жидкой средой с уровнем не выше оси двигателя, а верхняя часть корпуса выполнена из теплоизоляционного материала, сообщенного с атмосферой, и образует зону нагрева, а нижняя часть выполнена из теплопроводного материала с внутренними ребрами охлаждения, погружена в грунт на уровне не выше оси двигателя и образует зону охлаждения.

Однако и этот известный мартенситный тепловой двигатель не лишен известных недостатков, а именно довольно значительные тепловые потери в окружающую среду и не удовлетворительные массово-габаритные показатели.

Цель изобретения - повышение технических характеристик мартенситных тепловых двигателей за счет улучшения характеристик подвода и отвода теплоты от рабочего тела мартенситных тепловых двигателей в целом, повышение их КПД и улучшение массово-габаритных характеристик в целом, а также расширение сферы их применения.

Указанный результат достигается применением предлагаемого устройства подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя.

Устройство подвода и отвода для мартенситного теплового двигателя реализуется тем, что мартенситный двигатель любой конструкции собран внутри закрытого объема, представляющего собой устройство в виде корпуса, состоящего из двух частей, нижней - горячей, в которой находится, в том числе и постоянно подогреваемый жидкий теплоноситель (в этом случае нижняя часть корпуса преимущественно должна изготавливаться из металла), в другом случае горячий теплоноситель подогревается вне корпуса мартенситного двигателя (в этом случае нижняя часть корпуса мартенситного двигателя может быть изготовлена из материала, обладающего низкой теплопроводностью, например, пластмассы). Нижняя часть корпуса мартенситного двигателя предназначена для подвода тепла к рабочему телу мартенситного двигателя и соединяется через теплоизоляционную прокладку с верхней частью корпуса - условно холодной частью корпуса мартенситного двигателя. Верхняя часть корпуса мартенситного двигателя служит для отвода тепла от рабочего тела и изготавливается из материла с высокой теплопроводностью, преимущественно металла. Внутри верхней части корпуса принудительно, в закрытом объеме, циркулирует постоянно охлаждаемый газообразный теплоноситель, который может представлять из себя смесь из воздуха и паров горячего теплоносителя. Постоянное охлаждение газообразного теплоносителя (смеси воздуха и паров горячего теплоносителя) осуществляется во внешнем теплообменнике любого типа. Кроме этого, может осуществляться разделение охлаждающей смеси жидкого и газообразного теплоносителя в конденсатоотводчике любого типа, с последующей подачей сконденсированного жидкого теплоносителя в горячую часть корпуса мартенситного двигателя. Возможен вариант изготовления корпуса мартенситного двигателя и без теплоизоляционной прокладки в том случае, если подогрев жидкого горячего теплоносителя происходит вне корпуса теплового мартенситного двигателя, и охлаждение газообразного холодного теплоносителя также происходит вне корпуса теплового мартенситного двигателя, весь корпус целиком мартенситного теплового двигателя может быть изготовлен из материала с низкой теплопроводностью.

На Фиг. 1 представлено устройство в виде корпуса мартенситного двигателя с основным - навесным оборудованием, служащее для реализации способа отвода тепла от рабочего тела мартенситных тепловых двигателей.

Устройство содержит горячую часть корпуса 1 с находящимся внутри горячим теплоносителем 2, которое подводит тепло к рабочему телу 3 мартенситного теплового двигателя 4, в данном случае рабочее тело представляет собой набор колец из нитиноловой проволоки, теплообменник 5, посредством которого осуществляется подогрев жидкого горячего теплоносителя, выходной вал 6 мартенситного теплового двигателя, горячий шкив 7 мартенситного двигателя, внутреннюю перегородку 8; теплоизолирующую прокладку 9, холодную часть корпуса 10, вал холодного шкива 11, мартенситного двигателя, холодный шкив 12 мартенситного теплового двигателя, напорный трубопровод холодного газообразного теплоносителя 13, выходной трубопровод холодного газообразного теплоносителя 14, циркуляционный компрессор 15 холодного газообразного теплоносителя, внешний теплообменник 16, конденсатоотводчики 17, эвакуационные трубопроводы конденсата 18, внешний вентилятор 19.

Согласно графической иллюстрации Фиг. 2, в качестве мартенситного двигателя выбран двигатель, состоящий из двух несоосных валов 6 и 11, с полумуфтами 7, 12 разных диаметров, между которыми закреплены пружинные элементы 3 рабочего тела (витые пружины из нитиноловой проволоки).

Работа устройства подвода и отвода тепла в тепловых мартенситных двигателях происходит следующем образом: в основе устройства подвода и отвода тепла» мартенситных тепловых двигателях собственно мартенситный двигатель любой конструкции, работа которого происходит за счет подвода тепла к рабочему телу мартенситного теплового двигателя посредством жидкого теплоносителя, а отвод тепла осуществляется газообразным теплоносителем. В данном описании в качестве мартенситного теплового двигателя выбран мартенситный тепловой двигатель, представляющей из себя два шкива, закрепленных на разных валах, причем на каждом из которых установлен набор колец из нитиноловых проволок 20, которые являются рабочим телом мартенситного двигателя. Горячий теплоноситель 2, находящийся внутри горячей части корпуса 1, постоянно подогревается посредством горячего теплообменника 5, горячий теплообменник в свою очередь передает тепло рабочему телу 3 мартенситного теплового двигателя, выполненного в виде набора колец из нитиноловой проволоки, надетого на горячий шкив 7, с выходным валом 6, и холодный шкив 12 с валом 11.

Подогретая часть нитиноловой проволоки стремится восстановить заданную при температурном преобразовании форму, в данном случае форму прямой вытянутой проволоки, и заставляет оба шкива поворачивается на некоторый угол, что в процессе вызывает постоянное вращение обоих шкивов, закрепленных, соответственно, на своих валах. Конструкция данного мартенситного теплового двигателя широко известна (материалы сети Интернет) и работоспособность данного двигателя сомнений не вызывает. При восстановлении формы нитиноловой проволоки и связанным с этим вращением шкивов мартенситного теплового двигателя и совершения тем самым полезной работы та часть набора колец из нитиноловой проволоки, которая совершает выпрямление и, соответственно, полезную работу, перемещается из горячей части корпуса в холодную часть корпуса 10, отделенную от горячей части корпуса посредством внутренней перегородки 8 и теплоизоляционной прокладки 9, где охлаждается холодным теплоносителем - охлажденным воздухом, поступающим из напорного трубопровода холодного теплоносителя 9, который в свою очередь нагнетается посредством циркуляционного компрессора 15 из внешнего теплообменника 16 типа газ-газ или газ-жидкость. Согласно представленному рисунку, это теплообменник типа газ-газ. В свою очередь, нагретый и насыщенный парами горячего теплоносителя в результате теплообмена с нагретой частью рабочего тела мартенситного теплового двигателя, холодный теплоноситель поступает во внешний теплообменник через выходной трубопровод 14 холодного газообразного теплоносителя. Во внешнем теплообменнике происходит охлаждение холодного газообразного теплоносителя (циркулирующего внутри корпуса воздуха) и конденсация паров жидкого горячего теплоносителя, который собирается в конденсатоотводчиках 17, и вновь поступает в горячую часть корпуса через эвакуационные трубопроводы отвода конденсата 18. Отвод тепла от внешнего теплообменника может осуществляться, в частности, с помощью внешнего вентилятора 19. Таким образом, благодаря использованию данного устройства подвода и отвода тепла в мартенситных тепловых двигателях работа данного двигателя осуществляется внутри компактного, полностью или частично герметичного корпуса, что уменьшает тепловые потери мартенситных тепловых двигателей и, как следствие, повышает их КПД и улучшает их массово-габаритные показатели. Частным случаем применения устройства подвода и отвода тепла в тепловых мартенситных двигателях может быть использование дополнительного навесного оборудования, а именно отдельного нагревательного устройства для подогрева промежуточного теплоносителя (жидкого теплоносителя), служащего для постоянного подогрева горячего жидкого теплоносителя, находящегося внутри корпуса теплового мартенситного двигателя. В другом варианте в дополнительном навесном оборудовании - нагревательном устройстве происходит непосредственный постоянный нагрев горячего (основного) жидкого теплоносителя, а циркуляция данного теплоносителя может, в частности, осуществляться посредством циркуляционного гидронасоса(ов).

Изобретение относится к области тепловых двигателей. Изобретение направлено на расширение области применения мартенситных тепловых двигателей, выведение данного типа тепловых двигателей из разряда лабораторных образцов и приведение их в разряд изделий с высокой степенью промышленной применимости, а также на улучшение их массово-габаритных характеристик и на общее техническое совершенствование их конструкции. Предложено устройство подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя, выполненное с возможностью подвода тепла к рабочему телу (3) мартенситного теплового двигателя жидким теплоносителем и отвода тепла от рабочего тела (3) мартенситного теплового двигателя газообразным теплоносителем. Устройство выполнено в виде закрытого корпуса (1), состоящего из двух частей – горячей (2) и холодной (10). Внутри холодной части (10) закрытого корпуса (1) происходит циркуляция холодного газообразного теплоносителя, а внутри горячей части (2) закрытого корпуса происходит циркуляция горячего жидкого теплоносителя. Устройство содержит внешний теплообменный аппарат (16), соединенный с холодной частью закрытого корпуса (1), выполненный с возможностью охлаждения газообразного теплоносителя, и навесное нагревательное оборудование, выполненное с возможностью подогрева горячего жидкого теплоносителя внутри или вне указанного закрытого корпуса посредством теплообменника (5). 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя, выполненное с возможностью подвода тепла к рабочему телу мартенситного теплового двигателя жидким теплоносителем и отвода тепла от рабочего тела мартенситного теплового двигателя газообразным теплоносителем, включающее дополнительное навесное оборудование систем теплообмена, отличающееся тем, что оно выполнено в виде закрытого корпуса, состоящего из двух частей - горячей и холодной, при этом внутри холодной части закрытого корпуса происходит циркуляция холодного газообразного теплоносителя, а внутри горячей части закрытого корпуса происходит циркуляция горячего жидкого теплоносителя, устройство содержит внешний теплообменный аппарат, соединенный с холодной частью закрытого корпуса, выполненный с возможностью охлаждения газообразного теплоносителя, и навесное нагревательное оборудование, выполненное с возможностью подогрева горячего жидкого теплоносителя внутри или вне указанного закрытого корпуса.

2. Устройство подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя по п. 1, отличающееся тем, что между горячей и холодной частями корпуса имеется теплоизолирующая перегородка, разделяющая эти части корпуса в местах, не занятых конструктивными элементами мартенситного теплового двигателя.

3. Устройство подвода и отвода тепла для мартенситного теплового двигателя по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено устройством для конденсации паров жидкого теплоносителя с последующей эвакуацией сконденсированного жидкого теплоносителя в горячую часть корпуса.