Тепловой двигатель Советский патент 1984 года по МПК F03G7/06 

2.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в полости каждого ролика дополнительно установлены неподвижные втулки, полости роликов образованы внутренней поверхностью роликов и внешней поверхностью втулок, в которых выполнены впускные и выпускные отверстия.

3.Двигатель по и п. 1 и 2, отличающийся тем, что ролики и втулки объединены теплоизолирующими вставками соответственно во вращающиеся и неподвижные барабаны.

полости роликов каждого барабана соединены между собой последовательно с возможностью движения теплоносителя противоположно направлению вращения роликов. 4. Двигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что выход теплоносителя из барабана с зонами нагрева сообщен через источник охлаждения с входом в барабан с зонами охлаждения, а выход последнего через источник нагрева сообщен с входом в барабан с зонами нагрева.

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий гибкий обод из материала с термической памятью, обернутый вокруг роликов, установленных поочередно в зонах нагрева и охлаждения на статоре с возможностью вращения, вал отбора мощности, соединенный с роликами, и источники нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что, с целью повыщения экономичности и удельной мощности, зоны нагрева и охлаждения выполнены в виде расположенных внутри роликов заполненных теплоносителем полостей, сообщающихся с источниками нагрева и охлаждения через впускные и выпускные отверстия. (Л о 4 Ю

1

Изобретение относится к энергетике, а именно к тепловым двигателям с твердым рабочим телом из материала с термической памятью, и может быть использовано для преобразования солнечной энергии в механическую, тепловых отходов промыщленных предприятий, энергии низкопотенциальных природных источников тепла, например, разности температур воды на разных глубинах, геотермального тепла и т.п.

Известен тепловой двигатель, содержащий гибкий биметалический обод, обернутый вокруг роликов, установленных поочередно в зонах нагрева и охлаждения на статоре с возможностью вращения, вал отбора мощности, соединенный с роликами, неточники нагрева и охаждения 1.

Недостатками известного двигателя являются его низкая экономичность и удельная мощность, обусловленные использованием недостаточно эффективного твердого рабочего тела и больщими потерями тегша при его рассеянии в окружающ.ее пространство.

Наиболее близким к изобретению является тепловой двигатель, содержащий гибкий обод из материала с термической памятью, обернутый вокруг роликов, установленных поочередно в зонах нагрева и охлаждения на статоре с возможностью вращения, вал отбора мощности, соединенный с роликами, и источники нагрева и охлаждения 2.

Экономичность и удельная мощность данного двигателя повышены за счет использования рабочего тела с термической памятью, имеющего увеличенные тепловые деформации в узком диапазоне температур вблизи температуры фазового перехода. Однако для данного двигателя характерны больщие потери на рассеивание тепла, обусловленные использование.м для нагрева участков обода открытого пламени горелки, а также большие габариты из-за недостаточной компактности конструкции.

Цель изобретения - повышение экономичности и удельной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что тепловой двигатель, содержащий гибкий обод из материала с термической памятью, обернутый вокруг роликов, установенных поочередно в зонах нагрева и охлаждения на статоре с возможностью вращения, вал отбора моплности, соединенный с роликами, и источники нагрева и охлаждения, зоны нагрева и охлаждения выполнены в виде расположенных внутри роликов заполненных тепоносителем полостей, сообщающихся с источниками нагрева и охлаждения через впускные и выпускные отверстия.

В полости каждого ролика дополнительно установлены неподвижные втулки, полости роликов образованы внутренней поверхностью роликов и внещней поверхностью втулок, в которых выполнены впускные и выпускные отверстия.

Ролики и втулки объединены теплоизолирующими вставками соответственно во вращающиеся и неподвижные барабаны, полости роликов каждого барабана соединены между собой последовательно с воз.можностью движения теплоносителя противоположно направлению вращения роликов.

Выход теплоносителя из барабана с зонами нагрева сообщен через источник охлаждения с входом в барабан с зонами охлаждения, .а выход последнего через источник, нагрева сообщен с входом в барабан с зонами нагрева.

При данном выполнении двигателя повыщение экономичности обеспечивается путем .многоступенчатого нагрева и охлаждения с замкнутым циклом, за счет уменьшения потерь на бесполезное рассеивание тепла теплоносителя, проходящего через внутренние теплообменные полости роликов, и за счет уравновешивания сил, действующих на ролики. Повышение удельной мощности двигателя обеспечивается путем использования интенсивного контактного

теплообмена и рациональной компоновки множества роликов и барабанов в одном агрегате.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель, осевой разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант исполнения роликов с зубьями, входящими в перфорационные отверстия обода, (поперечный разрез).

Двигатель содержит гибкие ободы 1 и 2 из материала с термической памятью, например, из никелида титана (нитинола), обернутые вокруг роликов 3 и 4 и установленные на последних с натягом волнообразно со знакопеременной кривизной. Ролики 3 и 4 установлены поочередно в зонах нагрева и охлаждения на статоре 5 при помощи подщипников 6 таким образом, что их оси вращения расположены по углам квадрата. Зоны нагрева выполнены в виде расположенных внутри роликов 3 заполненных жидким теплоносителем 7, например, маслом или легкоплавким металлом, полостей 8, сообщающихся посредством впускных и выпускных отверстий 9 и 10, и источниками 11 нагрева. Зоны охлаждения выполнены в виде расположенных внутри роликов 4 заполненных теплоносителем 7 полостей 12, сообщающихся посредством впускных и выпускных отверстий 13 и 14 с источниками 15 охлаждения. Полости 8 и 12 уплотняются резиновыми кольцами или манжетами 16.

Внутри каждого ролика 3 и 4 соответственно установлены с минимальным зазором неподвижные втулки 17 и 18, и теплообменные полости 8 и 12 образованы внутренней поверхностью роликов 3 и 4 и внещней поверхностью втулок 17 и 18, в которых выполнены впускные отверстия 9 и 13 и выпускные отверстия 10 и 14.

Ролики 3 и 4 выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминиевого сплава, и соединены между собой посредством кольцевых вставок 19 в подвижные барабаны 20. На концах которых установлены зубчатые венцы 21, зацепляющиеся с щестерней 22, жестко укрепленной на валу 23 отбора мощности. Кольцевые вставки 19 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, из тонкостенных металлических колец, соединенных с роликами 3 и 4 пайкой, или из склеенного с роликами 3 и 4 стеклотекстолита.

Втулки 17и 18 посредством теплоизолирующих вставок 24 соединены в неподвижные барабаны 25, которые могут быть выполнены и без вставок 24 за одно целое из материала с низкой теплопроводностью, например, из вспененной пластмассы.

Нагревательные полости 8 посредством трубопроводов 26-28, впускных и выпускных отверстий 9 и 10, а охлаждающие полости

12- трубопроводами 29-31 и отверстиями

13и 14 последовательно соединены с источниками 11 нагрева и с источниками 15 охлаждения в замкнутый контур с возможностью движения теплоносителя 7 противоположно направлению вращения роликов 3 и 4. Для обеспечения циркуляции теплоносителя 7 по этому контуру может быть предусмотрен насос (не показан). Для обеспечения циркуляции теплоносителя 7 без насоса за счет разницы удельного веса нагретого и охлажденного теплоносителя ис0 точник 15 охлаждения устанавливается вверху, а источник 11 нагрева - внизу устройства. Для обеспечения максимальной компактности двигателя источники II и 15 нагрева и охлаждения соответственно могут быть расположены непосредственно во внутренних полостях неподвижных барабанов 25. Гибкие ободы 1 и 2 вдоль оси подвижных барабанов 20 могут быть расположены поочередно, как это изображено на фиг. 1, или два одинаковых обода 1 могут быть

0 идентично установлены на крайних роликах 3 и 4 барабанов 20, а два обода 2 - на роликах 3 и 4 в средней части барабанов 20. Относительно друг друга ободы 1 и 2 установлены в противофазе, т.е. их изогнутые участки расположены оппозитно, на диаметрально противоположных поверхностях барабанов 20, причем пассивной формой памяти материала ободов 1 и 2, т.е. той формой, которую они помнят и к которой стремятся в нагретом состоянии, является изогнутая форма, которую ободы 1 и 2 принимают на охлаждаемых роликах 4.

Для исключения проскальзывания ободов 1 и 2 на роликах 3 и 4 ободы могут быть выполнены с отверстиями, сопряженными с зубьями 32, выполненными на роликах 3 и 4, в этом варианте ободы 1 и 2 могут устанавливаться на роликах 3 и 4 без существенного натяга.

Число подвижных барабанов 20 в двигателе, выполненном по конструктивной схеме, изображенной на фиг. 1 и 2, может быть

более четырех, но должно оставаться четным; например, в двигателе может быть шесть или восемь барабанов 200, оси которых равномерно расположены по окружности.

В конструкции двигателя предусмотрено устройство для смачивания взаимодействующих поверхностей гибких ободов и роликов; оно выполнено в виде капиллярно-пористого материала 33 (фиг. 2), пропитанного жидким теплоносителем и соприкасающегося с ободами 1 и 2 или роликами 3 и 4. Для смачивания поверхностей ободов 1 и 2 и роликов 3 и 4 могут быть использованы и другие известные устройства, например, жидкостная ванна, капельная смазка и т.п. Тепловой двигатель работает следую5 щим образом.

К источникам 11 нагрева подводится тепло, например, солнечная энергия, и нагретый теплоноситель 7 последовательно проходит через нагревающие полости 8 до источников 15 охлаждения, где охлаждается (например, холодной водой или излучением в области, затененной экраном) и последовательно проходит охлаждающие полости 12 до источников 11 нагрева. В результате циркуляции теплоносителя 7 по замкнутому контуру между источниками 11 и 15 нагрева и охлаждения соответственно нагревающие ролики 3, образующие один подвижный барабан 20, нагреваются вследствие передачи тепла ободам 1 и 2 до разной температуры, дискретно (ступенчато) уменьщающейся от ролика к ролику в направлении от источника 11 нагрева к источнику 15 охлаждения. В тракте охлаждения наоборот, охлаждающие ролики 4 имеют температуру, дискретно повыщающую вследствие нагрева от ободов 1 и 2 в направлении от источника 15 охлаждения к источнику 11 нагрева. Между нагревающими роликами 3 и охлаждающими роликами 4, охватываемыми одним ободом 1 или 2, образуется разность температур, например 10°С, которая соответствует температурному диапазону работы материала с памятью, из которого изготовлен данный обод. Таким образом, каждый обод 1 и 2 должен иметь свой температурный диапазон, уменьшающийся по абсолютной величине температур по мере удаления от источника. 11 нагрева. Например, при нагреве теплоносителя 7 в источнике 11 до 70°С у первого обода 1 температурный диапазон может быть равным 60-50°С, у второго обода 2 50-40°С, у третьего 40-30°С, у четвертого 30-20°С; на выходе из источника 15 охлаждения теплоноситель 7 имеет температуру порядка 10°С. Гибкие ободы 1 и 2, нагретьге до активного состояния на роликах 3, стремятся реализовать потенциальную энергию деформации и перейти в пассивное состояние с минимальной энергией, соответствующее их положению на охлаждающих роликах 4. Этот переход непрерывно осуществляется при вращении роликов 3 и 4, т.е. при работе двигателя. При установке ободов 1 и 2 на роликах 3 и 4 с натягом -передача крутящего момента роликам 3 и 4 осуществляется силами трения; при выполнении роликов 3 и 4-с зубьями 32 (фиг. 3) момент передается через зубья. Таким образом, многоступенчатый замкнутый цикл с регенерацией тепла обеспечивает повыщение экономичности двигателя, например, общий перепад температур составляет 70-10 60°С, при этом подвод тепла в источнике 11 и отвод его в источнике 15 обеспечивает изменение температуры теплоносителя лищь на 10°С, остальной теплообмен обеспечивается ре1енерацией. Благодаря оппозитному расположению ободов 1 и 2 на роликах 3 и 4 силы натяжения и давления ободбв 1 и 2 на ратики 3 и 4 взаимно уравновещены, что способствует повыщению экономичности и нагрузочной способности двигателя; контактный теплообмен между роликами 3 и 4 и ободами 1 и 2 обеспечивает его интенсивность, при этом ободы 1 и 2 непрерывно участвуют в рабочем процессе (нагреве и охлаждении) и не содержат пассивных, неработающих участков. Смачивание теплоносителем контактируюпхих поверхностей теплообмена позволяет исключить из зоны контакта воздушные зазоры, уменьшить тепловое сопротивление и увеличить тепловые потоки; знакопеременная кривизна ободов (их двойной изгиб) позволяет увеличить их упругую деформацию, примерно вдвое уменьшить их толщину, ускорить нагрев; расположение системы теплообмена внутри роликов обеспечивает снижение габаритов, веса двигателя и потерь тепла. Это обеспечивает повьиление экономичности и удельной мощности двигателя.