Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1984 года по МПК F03G7/06 

(риг.1

(Л

о

со 4

СО

00

ел

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в механическую за счет тепловых деформаций твердого тела и обеспечивает использование, например, солнечной энергии или энергии геотермальных источников для привода различных стационарных или, передвижных объектов.

По основному авт. св. № 1044815 известно 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. Активные элементы выполнены в виде полых цилиндров, снабженных теплообменными ребрами и установленных с возможностью попеременного соединения их полости с зонами нагрева и охлаждения 1.

Недостатком известного устройства является его низкий КПД, обусловленный взаимодействием теплоносителя, проходящего по полости цилиндра, только с внутренними стенками последнего, что уменьшает эффективную поверхность теплообмена, а также тем, что на деформацию теплообменных ребер цилиндров, не имеющих термомеханической памяти, необходимо затрачивать дополнительную энергию. Увеличение поверхности теплообмена в этом известном устройстве может быть получено лишь за счет увеличения его габаритов. Кроме того, проявление термомеханической памяти цилиндров при одной и той же температуре не позволяет использовать тепловую энергию теплоносителя, температура которого отличается от этой температуры, что также снижает КПД устройства.

Целью изобретения является повышение КПД и уменьшение габаритов.

Указанная цель достигается тем, что устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит 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, которые выполнены в виде полых цилиндров, снабженных теплообменными ребрами и установленных с возможностью попеременного соединения их полости с зонами нагревй и охлаждения, цилиндры расположены коаксиально, причем их полости сообщены между собой, а конец каждого цилиндра жестко соединен с началом другого цилиндра с возможностью сложения тепловых деформаций кручения цилиндров, и теплообменные ребра также выполнены из материала с термомеханической памятью.

Цилиндры с теплообменными ребрами выполнены из материалов, имеющих термомеханическую память при различных температурах.

При таком выполнении устройства теплоноситель отдает тепло расположе-иным коаксиально (друг в друге) нескольким цилиндрам последовательно, причем цилиндры принимают тепло внутренней и внешней поверхностями. При этом слой теплоносителя имеет небольшую толщину, равную зазору между цилиндрами, что способствует активной и полной отдаче тепла не только внешним, но и внутренним слоям. Также

устраняются нерациональные затраты энергии на деформацию теплообменных ребер. Ребра сами активно участвуют в преобразовании тепловой энергии в механическую и способствуют кручению цилиндров вокруг продольной оси. Коаксиальное расположение цилиндров приводит к значительному сокращению габаритов устройства при тех же мощкостных характеристиках, что и у известных устройств. Проявление термомеханической памяти цилиндров с ребрами не при одинаQ ковых температурах позволяет полнее преобразовывать тепловую энергию, содержащуюся в теплоносителе, в механическую.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А 5 ,на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. I.

Устройство содержит активные элементы в виде полых цилиндров 1-3, расположенных коаксиально один в другом. Внутренние и внешние поверхности цилиндров 1-3 снабжены теплообменными ребрами 4. Цилиндры I-3 и ребра 4 изготовлены из материала с термомеханической памятью кручения относительно продольной оси. При этом цилиндры 1-3 со своими ребрами 4 имеют термомеханическую память при различных температурах, например цилиндр I и его ребра 4 проявляют свою термомеханическую память при 100°С, цилиндр 2 - при 90°С, а цилиндр 3 - при 80°С.

Начальный участок цилиндра 1 с по0 мощью муфты 5 соединен с ротором 6 потребителя 7 механической энергии, например насоса. Противоположный конец цилиндра 1 с по.мощью фланца 8 жестко соединен с -начальным участком цилиндра 2. В свою очередь, противоположный конец цилиндра 2 жестко соединен при помощи фланца 9 с начальным участком цилиндра 3, конец которого прикреплен к стойке 10 статора 11. При этом полости С, D и Е цилиндров 1 -3 с помощью отверстий 12 и 13 последовательQ но сообщены между собой, а полость С цилиндра 1 дополнительно через отверстие 14 с помощью обоймы 15, трубы 16, вентилей 17 и 18 сообщена с зоной нагрева - источником 19 тепла, например, горячей воды, и с зоной охлаждения - источником 5 20 холода, например, холодной воды. Кроме того, полость Е цилиндра 3 через отверстие 21 сообщена с патрубком 22 для сброса отработанного тепло- и хладоносителя.

Цилиндр 2 снабжен установленными на нем подшипниками 23и 24 скольжения, а также- сальником 25. При этом подшипник 23 имеет пазовые отверстия 26 и своей поверхностью скольжения взаимодействует с внутренней поверхностью цилиндра 3, а подшипник 24 также имеет пазовые отверстия 27, но взаимодействует с наружной поверхностью цилиндра 1. Благодаря подшипникам 23 и 24 цилиндры 1-3 имеют фиксацию в радиальном направлении с допускаемым люфтом.

Устройство работает следующим образом.

При открывании вентиля 17 горячая вода например, с температурой 100-110°С, от источника 19 по трубе 16, обойме 15 и отверстию 14 поступает в полость С цилиндра 1 омывает его внутреннюю поверхность и расположенные на нем теплообменные ребра 4. При нагревании материала цилиндра 1 и расположенных на нем теплообменных ребер 4 до температуры 100°С происходит перестройка его кристаллической решетки, в результате чего проявляется эффект термомеханической памяти, цилиндр I закручивается относительно своей продольной оси, и его начальный участок, прикрепленный к муфте 5, поворачивается в подшипнике 24 на определенный угол (например, на 120°), ребра 4, деформируясь, также способствуют его закручиванию.

Остывшая, например, до 95°С, вода по отверстиям 12 попадает в полость D и нагревает цилиндр 2 и его ребра до 90°С. При этом утечка воды наружу предотвращается сальником 25. Нагретый цилиндр 2 и его ребра 4 «вспоминают ранее приданное им при этой температуре состояние, закручиваются, и цилиндр 2, вращаясь в подшипнике 23, передает свою механическую энергию через фланец 8 цилиндру 1, который поворачивает муфту 5 потребителя 7 механической энергии на еш.е больший угол. Затем, еше больше остывая, например,, до 85°С, вода по пазовым отверстиям 27 подшипника 24 и отверстиям 13 поступает в полость Е и нагревает до 80°С цилиндр 3 с ребрами 4, который также ггроявляет свой термомеханический эффект и закручивается. Полученная механическая энергия через свободный конец цилиндра 3 фланцем 9 передается через корпус цилиндра 2 на цилиндр 1, который поворачивает вал потребителя 7 механической энергии на еще больший, чем ранее, угол.

Отработанная остывн1ая вода по пазовым отверстиям 26 11од1пипника 23 попадает в отверстне 21 в стойке 10 статора 11 и далее в патрубок 22 и сбрасывается к канализацию или вновь направляетсяв источник 19 тепла для подогрева.

Срабатывание цилиндров 1-3 может происходить и при одинаковой величине их подогрева, например, до 90°С. Эта характеристика устройства определяется исходя из конкретных источников тепла и конструктивных требований.

При завершении цикла закручивания цилиндров вентиль 17 закрывается, а цитиндры 1-3 отдают свое тепло в окружаюшее пространство. При их остывании до определенной те.мпературы, нагфимер, до 70°С. в материале цилиндров I-3 и ребер 4 происходят обратные структурные превращения, которые возвращают цилиндры I-3 в первоначальное состояние, т. е. они раскручиваются. При этом выделившаяся механическая энергия также может приниматься потребителем 7.

Далее цикл повторяется. Для ускорения остывания цилиндров I-3 и ребер 4 открывают вентиль 18, и холодная вода из источника 20 холода по трубе 16 попадает известным путем в полости С, D и Е, остужает цилиндры 1-3 и их ребра 4 и сбрасывается по патрубку 22 за пределы устройства. Блок цилиндров может быть установлен на вращающийся статор и снабжен н|естернямм свободного хода.

Предлагае.мое техническое решение позволяет конструировать и изготавливггП) простые малогабаритные устройства, преобразующие тепловую энергию в механическую с высоким КПД. При этом может быть использована искусственная тепловая энергия, например тепловые сбросы от 11ром1 инлеиных предприятий, а также депювая естественная тепловая энергия, например, тепловых лучей солнца, горячих источников, гейзеров и т. п.

Устройство может быть применено д.тя привода стационарных объектов, например, насосов, буровых установок и т. п., а также для транспортных средств.

2S

сриг.2

(риг.З

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ по авт. св. № 1044815, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения габаритов, цилинл|м,1 расноложены коаксиально, причем их полости сообщены между собой, а конец каждого цилиндра жестко соединен с началом другого цилиндра с возможностью с.чожения тепловых деформаций кр.учения пп., и тенлообменные ребра также выполнены из материала с термомеханической памятью.. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ци.1индры с теплообменными ребрами вынолнен1 1 из материалов, имеющих термомеханическую намять при раз.чпчных температурах.