Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1986 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для преобразования в механическую энергию тепловой энергии источников с небольшой разницей температур, например солнечной энергии, тепловой энергии океана, геотермальной энергии, а также для регенерации тепловой энергии, выделяемой в промышленных технологических процессах.

Цель изобретения - повышение КПД путем увеличения угла взаимодействия теплового элемента с роликом и регулирования натяжения теплового элемента.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1 с зоной 2 нагрева и зоной 3 охлаждения. На корпусе 1 с возможностью враш.ения на осях 4 установлены роликовые блоки 5 в виде двух соосных неподвижно соединенных роликов 6 и 7. Ролик 6 каждого блока 5 охвачен кольцевым тепловым элементом 8 из сплава с термомеханической памятью укороченной формы элемента 8 в нагретом состоянии. Диаметр каждого последующего охваченного тепловым элементом 8 ролика б в зоне 2 нагрева меньше диаметра предыдущего ролика 6. Другой ролик 7 каждого блока 5 охвачен гибкой нерастяжимой кольцевой лентой 9, причем охваченные последней ролики имеют одинаковый диаметр. Роликовые блоки 5 расположены попарно с углом охвата роликов 6 и 7 соответственно тепловым элементом 8 и нерастяжимой лентой 9 больше 180°. Отдельно взятые два соседних ролика 7 с огибающей их нерастяжимой лентой 9 образуют ленточно-роликовый механизм типа роле- майт, которому свойственны исключительно низкий коэффициент трения (около 0,005) и высокий КПД. Устройство снабжено средством регулирования расстояния между роликовыми блоками 5 в виде двух связанных между собой винтами 10 обойм 11 и 12, в каждой из которых при помощи регулируемого фиксатора 13 установлена ось 4 одного из роликовых блоков 5 каждой пары. Обоймы 11 и 12 установлены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль спаренных линейных направляющих 14 и 15, выполненных в корпусе 1. Роликовые блоки 5 расположены в зоне 2 нагрева, при этом обернутый вокруг них тепловой элемент 8 находится в контакте со средой 16, имеющей температуру Т: выше температуры Тстр.прев. структурного превращения материала теплового элемента 8. Остальная часть теплового элемента 8 находится в зоне 3 охлаждения в среде 17, имеющей температуру Tz ниже температуры Тстр. прев.. Для направления теплового элемента 8 по кольцевой траектории в корпусе 1 в зоне 3 охлаждения установлены направляющие ролики 18, а для направле0

ния нерастяжимой ленты 9 - направляющие ролики 19, которые расположены в непосредственной близости от роликовых блоков 5.

Устройство работает следующим образом.

При нагреве участков теплового элемента 8 выше температуры структурного превращения они проявляют эффект термомеханической памяти и, будучи деформированы (растянуты), стремятся принять исходное недеформированное состояние - сжатое. В результате структурного превращения в участках элемента 8, огибающих нагреваеJ мые ролики 6, возникают значительные восстанавливающие напряжения. Усилие, создаваемое этими участками, передается звеньям, с которыми взаимодействует тепловой элемент 8, т. е. роликам 6. В результате взаимодействия теплового элемента 8 с роли0 ками 6 на каждый из последних действует вращаюп1ий момент, стремящийся привести его во вращение. Так как с каждым из роликов 6 жестко соединены ролики 7, взаимодействующие с нерастяжимой лентой 9, то усилие, создаваемое нагретыми

5 участками теплового элемента 8, вызывает повышение натяжения ленты 9. В результате взаимодействия усилия, создаваемого тепловым элементом 8, и усилия, создаваемого им в нерастяжимой ленте 9, на каждый из роликовых блоков 5 действуют два противоположно направленных момента, стремящихся привести указанные блоки 5 во вращение в противоположных направлениях. Так как диаметры роликов 6 различны, эти два момента имеют разную величину, что

является причиной возникновения вращающегося момента устройства. Роликовые блоки 5 под действием этого момента вращаются в направлении, соответствующем перемещению участков теплового элемента 8 от ролика 6, имеющего больший диаметр, к

0 ролику 6, имеющему меньший диаметр. Перемещаясь между роликами б, участки теплового элемента 8 постепенно сжимаются (восстанавливают свою форму). Далее восстановившие свою форму участки теплового элемента 8 посредством направляющих

5 роликов 18 направляются в зону 3 охлаждения и в результате теплообмена со средой 17 из высокотемпературного структурного состояния переходят в низкотемпературное. Участки теплового элемента 8, бу дучи в низкотемпературном состоянии, теряют упругость и становятся легко деформируемыми. При перемещении вдоль зоны 3 охлаждения под действием усилия, создаваемого нагретыми участками того же теплового элемента 8, охлажденные участки

5 постепенно растягиваются. Далее рассматриваемые участки теплового элемента 8 выходят из зоны 3 охлаждения и переносятся в зону 2 нагрева, где температура ереды 16 выше температуры Тстр.пр«. , и при набеге на ролик 6 наибольшего диаметра достигают температуры Т„р.„,е. При переме- ш.ении в интервале между роликами б участки теплового элемента 8 взаимодействуют с роликами 6 и постепенно восстанавливают свою форму (сжимаются), далее процесс повторяется описанным выше образом.

Так как тепловой элемент 8 выполнен в виде кольца, то часть участков теплового элемента 8 непрерывно находится в высокотемпературном структурном состоянии и таким образом поддерживает непрерывное вращательное движение звеньев устройства.

С помощью винтов 10 подбирается расстояние между обоймами 11 и 12, в результате чего изменяется угол охвата роликов 6 тепловым элементом 8 и роликов 7 нерастяжимой лентой 9, а следовательно, и длина части теплового элемента 8 (а также ленты 9), простирающейся между роликовыми блоками 5. Таким образом, изменяется предельная относительная деформация теплового элемента 8, величина которой при перемещении во всем интервале между роликами 6 прямо пропорциональна разнице диаметров роликов 6 и обратно пропорциональна длине части теплового элемента 8, простирающейся между роликами 6. Фиксаторами 13 устанавливается взаимное распо

0

0

5

ложение каждой пары роликовых блоков 5. Если роликовые блоки 5 зафиксированы в таком положении, что ролики 6 разделяют простирающуюся между ними ветвь теплового элемента 8 на отрезки, соотношения длин которых будут равными соотношениям диаметров соответствующих им роликов 6, то на всех отрезках участки теплового элемента 8 будут сокращаться равномерно. Однако такая расстановка роликовых блоков 5 целесообразна лишь в том случае, когда начало восстановления формы нагретыми участками теплового элемента 8 совпадает с перемещением этих участков в контакте с роликом 6 наибольшего диаметра. При колебаниях температур сред 16 и 17 возможны отклонения положения участка элемента 8 с температурой Тстр.прев. от указанного. В таком случае роликовые блоки 5 следует расставлять таким образом, чтобы начало структурного превращения (начало восстановления формы) участка теплового элемента 8 совпало с перемещением этого участка между роликом б наибольшего диаметра и первым последующим роликом б. Это позволяет эффективно использовать деформации теплового элемента 8. Наличие множества роликовых блоков 5 уменьшает перераспределение деформаций между участками теплового элемента 8, что значительно сокращает потери механической энергии.

ъ.п

Составитель Л. Тугарев

Редактор В. КовтумТехред И. ВорсеКорректор А. Обручар

Заказ 3796/37Тираж 447Подписное

ВНИИЛИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4