Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1983 года по МПК F03G7/06 

И;-1ио)етомие относите к преооразоваш-по TiiLiOBoii уноргии и механическую i-: обеспе-|;11 аот ()льзо8а: 1е, например, со;|}1ечиой jiicpjvin И.ЧН энергии геотермальных иеточMiiKOB ;viH привода различных cTaiuionapiiijix , 1 срелвижн1 1х ooijCKTOB. Известно устройство дли реобразозан11Я теиловой Э те|:1гнн в .1еханическу(), содержан1ее активные биметаллические элеменТ1Л, закрученные вокруг нродольмой оеи, сосди1 еиные |;)ди}.1 ко1-и1,();Л с ротором, а дрхгнм концом через храиоьв е муфты --- е 1неетернями, 1:аходин1имиеи во внен;ием занен:1е11ии с иеиодвнжиой иестермей, зак }еиле1 1()к на статоре, и иагрсва и охлаждения акт1- вных э;1емеитов, образованные нодвижным затеняющим экраном с тег1лс)от )ажающей iiOBepxiiocTbio, кинематически CISHЗ;;нн1 м : элементами |. Недсктаком нзвеетиогч устройства является eio низкий К 11170бмс:1ов;1ени1)1й недо(ат{)чной зе.пичиной iCiL,iuBi)ix деформан,нй (5;1л:етал.:1ичееких актип1И)Х улеменчие;,; холостого хода iipi-i обратиол; 1 их хоннов без снеилеиия ;; и)сса такжс недостаточной ингеиеивA.ia Ичдения, ;я1ре;имяемой чаак иг.нь;Х э.;ем(чгг1м. близ; м л Н;)ед,та1 aeiuDMv ио -Лч:1Г(.)Ст;; и досгигаемсму leпж/гся уетройегво д;;я иреобрало1и)й эюр:): в мехаИичсск чо, ;):;ала ;: те)л10Меха и:ческой ОТН(;С Г1еЛ 1)ИО НХ 11р(иОЛГ.1дннеч1н 1е оДМ-Uj концом с ро:;, 1-1агрева и о :лаждения активveTpOKCTFia но СТрОЙСТВОл ИСЛСД );ия aKTHi iibix элемсчггов из термомехан1 чеекой иамянчо чат(ч;нала l). .1 бесиечи11ает увеличение их теп 1о:5з;х де;Ьо . ,ал;,иейн1ее иовьпиепие , в ..гичол. тел н-еском решении огра1и-;чено Чледствне недостаточион HirieHCHBiicxTii тен ло;-;,.1х и)оцесеов из-за отсутствия раз1и- той :ДЧ1лообмеиь:ой новерхности акгнвнвгх эле .;е Г|-ов ii сложного подвода теилоиосителей ч этим элемен:ам, ввшолненмым в BH;IC за:-.;ручиваюи1,ихея полос. Кроме того, указан ное устройство не обеенечивает получение од,ионаиравлеиного вращении ротора е отоор)()м от активных элементов как нри их 1 а;-реве, так и при ох;:аждеиии Де.Н) изобретении - кнчьпнеиие КИД ЛКаз ишая не,;:ь дости:ается тем. что уст ройство для иреобразоваиия тенловой Э1;ер 1ЧЛ в механическую содержит активнв1е эле vieHTBi, ввшолненные из .материала с термомехаиичеекой иамятвю кручения относителВ 1о их иродолвиоЯ оси, еоединеиные одннм кон11.(;м с ротором, н 3OHii; а11}ева и охлакде11ия активнвкх элементов, иричем активные э.1ем(чггв выио.пнеиы и внде иолых n;i,1индров, снабжеиив х тенлообменными ребрами и установленных с зозможноствю понеремеииого еоединевия их полости с зернами fiarpeBa и охлажд.ения. Кроме того, другой конец актипць Х э.лемеитов соединен с донолнгггельно установ.: ei:HBiM мехаиизлюм одни1и1ирав;1еинс}1() вра1и,ения в виде двух н;естереи, расно,.1оже1;ных на каждом актив 1ом э;1ементе, снабженных м фтами свобод,но1о х(.)да нротивоноложио1о направления, и ДВУХ тестере, устаHOBJieiiiibix иа етаторе, иаход,я цихся одна во внутреине.м, другая во внег11нем зацеи.:ении с шестернями э.чемеитов. Яри этo г)х.:ажден;1я вьиюлиеиа в впде емкости, чаио.нснпой х. а етеики HH.iHiijinoB вынолнечв в а и 11 ы м и. При таком ввшолиенни устройс1ва новы;исиие КПД обесиечи ;аетея за ор аннзацин потоков TCH.ioiiocjr-e. 1ей, взаимодейетвуюицх е развитыли новерх1 оетями активных э.лемеитов, а также за счет (отбора моииости ири одтюна рав.ленном i)()Tu;)a Kaiv ири на;реве. та:-; и ii ..sMiHi- аклНйных э,1ем()в. На . нре;1,..1ено Д1.ИЙ вид, в разрезе; fia фи .А-Д на (jij-ir. 1; иа фшт 3 .о i; иа (Ьиг. 4 - vcTpt.iucTBi;, o6iu:-ui вид н , вариагг- вьию.лнеиия с нод }ижным затеняющим экра11ом: iia ( 5 сечеиие В-В на фн1 4 (ноло;Кеии(- при наг)еве активных элеме;г ов); иа фиг. 6 -то же, о;1ожеи11е при иых э.лемеитов; на ;Ьи1 обн1ИЙ ви.л. в |)езрезе з;м активног(:1 -).леменла сооб чл-и:; ми лсила и холода); ;а (;). Г-Г на фиг. 7. Услро{ ств(.) соде Ж1-;т акт; ты 1, вьи;о.чнеигн)е в видс ;io. i из мате)нала с тсрмомеханг;иеской 1 амять;0 к)учения относительно их иро.;;.ол.ной оси, паи)имер из нилино.ла, закгкчклегиихХ одним концом па роторе 2, KcrrcjfyHii, раснолагаясь о сталора эл.-менлъ i ciiaкации теплооомеиа рами 7 и УСЛабже;1В1 тедлог)бменив:ми rjC иеременно; соНОВЛеШ) с ВОЗМОЖНОеТВЮ Г1 :; Hepd);)pa;.u-ioHеди ления их ао.лоети К че-) iiBie от11ерел-ия 9 в щ-гин. ; ической слчшке .4ii;Oi фИ1 J } с нагрева, раси;.ч.н)): сверху, : с .оиой ох.лаж, чия., вьииллненной в виде усл-ан(; вле но;сниз емлослг; 10, за НОЛ нецной x;i ада er;i (,М. Противоположные закре глениым на ро1оре конпы аклд1вных э.ле ;ен1ов соеди 1ены

с механизмом однонаправленного вращения в виде двух HjecrepeH 11 и 12, расположенных на каждом активном элементе, снабженных муфтами 13 и 14 свободного хода (фиг. 2 и 3), которые позволяют указанным шестерням свободно проворачиваться в противоположных направлениях, и двух шестерен 15 и 16, закрепленных на статоре 4, причем шестерня 15 находится во внутреннем, а шестерня 16 - во внешнем зацеплении с шестернями 11 и 12 соответственно активных элементов 1. В средней части цилиндрические элементы 1 охвачены подшипниками 17 скольжения, установленными в объединяюшей их шайбе 18, которая прикреплена к кронштейну 19 ротора 2.

В вариантах устройства (фиг. 4-6) цилиндр 1 закреплен одним концом на статоре 4, а противоположным концом через муфту 5 соединен с редуктором 6. Выходной вал 20 редуктора 6 с помощью кривошипношатунного механизма 21 соединен с поршнем насоса 22. Всасывающий патрубок 23 опушен в скважину 24 с водой и оборудован обратным клапаном. 25. Напорный патрубок 26 насоса 22 также оборудован обратным клапаном 27, вентилем 28 и отводом 29. На статоре 4 расположены стойки 30, на осях 31 которых установлен подвижный затеняющий экран 32, причем внутренняя и наружная криволинейные поверхности последнего выполнены отражаюшими тепловые лучи. К экрану 32 прикреплены гибкие тяги 33 и 34 с пружинными компенсаторами 35 и 36. Противоположные концы гибких тяг 33 и 34 прикреплены зажимом 37 к наружной поверхности цилиндра 1.

В вариантах устройства (фиг. 7 и 8) полость 8 цилиндра с помощью муфты 38 через отверстия 39 трубопроводами 40-42, оборудованными вентилями 43 и 44, соединена с источником 45 тепла или источником 46 холода для подачи в полость 8 соответственно жидких или газообразных теплоносителя и хладагента. В полости 8 расположены теплообменные ребра 47, и она с помощью канала 48 и трубопровода 49 сообщена с атмосферой.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую (фиг. 1-3) работает следуюц им образом.

Сконцентрированные тепловые (солнечные) лучи попадают на верхний активный элемент устройства - полый цилиндр 1. При нагревании материала цилиндра 1 до температуры структурного превращения, которая зависит от процентного содержания никеля в сплаве, происходит перестройка кристаллической решетки сплава, в результате проявляется эффект термомеханической па.мяти, цилиндр 1 закручивается относительно своей продольной оси, и его свободный торец поворачивается на определенный угол (например на 120°). При этом

шестерня 12 муфтой 13 свободного хода заклинивается на корпусе цилиндра 1 и передает свой крутящий момент на шестерню 16, неподвижно укрепленную на стойке статора 4, а шестерня 11 благодаря расцепленной муфте 14 свободного хода не участвует в передаче крутящего момента на шестерню 15.

В результате взаимодействия с шестерней 16 шестерня 12 об(атывается по ней

0 и увлекает во вращение ротор 2, расположенный в стойке 3. С помощью муфты 5 крутящий момент передается редуктору 6 (или иному какому-либо потребителю механической энергии). При этом щестерня 11 свободно проворачивается на цилиндре 1 и обкатывается по зубчатому венцу шестерни 15. В результате поворота ротора 2 в зону теплового облучения попадает цилиндр 1 следующего ряда, который, нагреваясь, также деформируется, что приводит

0 к повторению описанных процессов.

При попадании нагретых цилиндров 1 в жидкий хладагент, залитый в емкость 10 системы охлаждения, они охлаждаются, и в них происходит обратная перестройка кристаллической решетки. Охлаждению также

5 способствуют ребра 7, отдающие тепло от цилиндра 1 хладагенту, и отверстия 9, по которым хладагент поступает в полость 8 и охлаждает его внутренние стенки. В результате цилиндр 1 возвращается в исходное положение путем раскручивания, и в этот момент муфта 13 свободного хода разъединяет шестерню 12 от цилиндра 1, а шестерня 11 заклинивается на нем. Теперь в передаче крутящего момента участвует шестерня 15, а щестерня 12 свободно обкаты5 вается по шетстерне 16.

В итоге крутящие моменты верхнего и нижнего цилиндров 1 складываются и воздействуют на ротор 2, обеспечивая его непрерывное однонаправленное вращение.

0При выходе цилиндров 1 из емкости 10

через отверстия 9 из полостей 8 вытекает хладагент, цилиндры вновь подвергаются нагреву, при этом описанный цикл повторяется. Тепло от хладагента сбрасывается в окружающую среду одним из известных спо собов.

в результате реакций шестерен 15 и 16 цилиндры 1 при работе испытывают изгиб, при этом возникающие в подшипниках 17 и щайбе 18 реакции передаются кронштейQ ну 19, обусловливая вследствие противоположного направления реакций в подщипниках 17 соответственно для верхнего и нижнего цилиндров 1 вращение кронщтейна 19 и соответственно ротора 2.

Устройство (фиг. 4-6) работает следу5 ющим образом.

Сконцентрированные лучи солнца, направленные на цилиндр 1, нагревают его материал. Нагреву цилиндра 1 способствуiOT и лучи, отраженные от внутренней поверхности недвижного затеняющего экрана 32, и тепло, запасенное в статоре 4 и стойке 3. При нагреве цилиндра 1 в его материале (нитиноле) происходит структурное превращение, известное под названием термомеханическая память, вызываюн1ее поворот его конца, прикрепленного с помощью муфты о к входному валу редуктора 6, на определенный угол, величина которого тем , чем больи1е длина цилиндра 1. При этом через муфту 5 врап1,ение конца цилиндра 1 передается входному валу - едуктора 6. Возможные изменения липейньгх размеров цилн} дра компенсируются муфтой 5. Bpanienne трансформируется редуктором 6 таким образом, что вЕ 1ходной вал 20 совершает несколько оборотов нри одном цикле де(}ормации цилиндра 1. С вяза:Н1ый с валом 20 кривон1ИП11о-п1атуипый механизм 21 переме1пает норшепь насоса 22, и через клапан 25 из всасываюпдего патрубка 23 и скважины 24 зода нагнетается в напорный патрубок 26. Обратному ходу воды в ци/.ч-пгдр насоса 22 препятствует к;1апаи 27. В MOMeirr врап1е 1ия цилиндра па cio noiiefjxHocTb наматывается i-ибкая тяга /54 п одповремепно сматьнзастся гпбкая тя1а 33. В конечной фазе закручивания цилиндра 1 по;ц1оетью выбирается с.лабина гибкой тяги 34, и она чере.з K(.)inencnpvionuio ;|ружи1 у 36 передает THiiyiiiee усилие на экран 32, который резк(; позорачнвается па осях 31 CToei-; 30 и закрывает н,11.линл.р 1 от тепловых . (фиг . 6). Лип еп1:ый пг)итока тепла пили1Г1р 1 остывает, из;| 11аемые им тепловые лу-,; гтассеиваются эк 1апом 32 Is (.жружаюплую среду. Кроме того, осплва1Ч е 111г.)п ускоряется, если к этот момепг па liero подат)) через Beirrn,: 28 по отводу 29 1;аеть Bo;U)i пз nanopHoiO г;атрубка 26. В MOMeirr осты1,аиия цилиндра 1 происходящие в пе.м структурные изменения крисга/ыической решетки возвраи1ают его Biioiib t ncxexi.Hot С)стояние. При раскручи;) цилин.дра 1 его .механическая энергия также передается на редуктор б, и нроцесс перекачки воды продолжается. Но в этом случае гибкая тяга 34 сматывается с образуюнлей цилиндра 1, а гибкая тяга 33 наматывается. При заверп енип процесса раскрутки слабина гибкой тяги 33 убирается полностью, пружинный компенсатор 35 растягивается и при определенном усилии резко 1 15 разворачивает экран 32 в исходное положение, т.е. открывает доступ тепловым лучам на поверхность цилиндра 1. После этого описанный цикл повторяется. В случае подсоединения полости 8 цилиндра i к источнику тепла 45 или/и холода 46 (фиг. 7 и 8) устройство работает следующим образом. При открывании вентиля 43 горячая вода по трубопроводам 41 и 40, муфте 38, отверстиям 39 поступает в полость 8 цилиндра 1, омывает его внутренние стенки и ребра 47, отдает им свое тепло и по каналу 48 и трубопроводу 49 ебрасывается в канализацию или вновь направляется в источник 45 тепла для подогрева. Пагретый ци.пипдр 1 «вспоминает pafiee приданное ему при этой температуре состояние и закручивается. Вращение кон па цилиндра 1 муф той 5 не)едается на входной вал редуктора (5, который направляет нолученную механическую энергию но назначению. При завершении цикла закручивания вентиль 43 закрывается, и цплиндр 1 отдает свое тенло в окружающее пространство. При оетывап;-1и до опреде,пенной температуры в матерна,1е цилиндра 1 происходят обратные структурные превращения, которые возвращают цилиндр I в первоначальное состояние, т.е. он раскручивается. Х.алее пмк.л повторяется. Для ускорения остывания ци,:1индра I открывают ве1ггиль 44, и холол,ная зода от источника 46 холода поступает но трубам 42, 40 н занолняет i:;).;iocTb 8. F3 случае раеноложения цилиндра 1 з зоне 11.Б1)ипенных те.мне;)атур, например з геотермальных водах, и полость 8 периодически впускают холодную воду или |аз от источника 46 хо;1ода. В этом случае происходят также возвратно-вра1цате,:1ьные перемещения конца цилиндра, которые описаны . Г1редла1-ае.мос устройство позволяет кониГ1Пировать и изготавливать нростые установкн для получения механической энергии, иснользуя для этого дешевую естественную тепловую энергию и обеспечивает высокий КПД преобразования эне)гии, может быть применено для привода стационарных объектов (например буровьгх установок, насосов и т.н.), а также для транспортных средств.

/J.

фиг. 2

15

11

/4

фие.д

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ, содержащее активные элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью кручения относительно их продольной оси, соединенные одним концом с ротором, и зоны нагрева и охлаждения активных элементов, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД активные элементы выполнены в виде полых цилиндров, снабженных теплообменными ребрами и установленных с возможностью попеременного соединения н. полости с зонами нагрева и охлаждения. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что другой конец активных элементов соединен с дополнител но установленным механизмом однонаправленного вращения в виде двух шестерен, расположенных на каждом активном элементе, снабженных муфтами свободного хода противоположного нанравления, и двух шестерен, установленных на статоре, находящихся одна во внутреннем, другая во внешнем зацеплении с niecтернями элементов. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что зона охлаждения выполнена в виде емкости, заполненной хладагенто.м, а стеи( ки цилиндров выполнены перфорированны(Л ми. о 4 4 00 ел

, s г в

5

/ V Л

/

фиеМ

5-6

J/

У

фие. 5

фиг. 6