Устройство для штамповки рабочей средой Советский патент 1987 года по МПК B21D26/02 

134

теплопередаче через стенку ротора. С эксцентриковым валом 9 кинематически связан электрогенератор ЗА. В роторе

6 выполнен кольцевой паз 36. в котором установлена термоэлектрическая

батарея 35. соединенная с электрогенератором 34. Холодные и горячие спаи термоэлектрической батареи 35 посредством теплопереходов соединены соответственно с ротором 6 и парогенератором 14. Тепловой поток, подво1

Изобретение касается обработки металлов давлением и относится к устройствам для штамповки рабочей средой деталей из листового металла.

Цель изобретения - повьшение удельной мощности путем предотвращения необратимых потерь при теплопередаче через стенку ротора.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - фрагмент ротора, (более крупный масштаб); на фиг. 4 - фрагмент теплового насоса (более крупный масштаб)-, на фиг. 5 - термодинамический цикл (в координатах энтрония - температура).

Устройство содержит корпус 1 с каналом 2 для подачи в его полость 3 рабочей среды. Полость 3 корпуса 1 снабжена средствами (не показаны) для герметизации и боковыми крышками 4 и 5. В полость 3 корпуса 1 помещен ротор 6, выполне)1ный в виде правильной трехгранной призмы и снабженный механизмом поворота вокруг своей оси и оси корпуса 1 в виде большой шестерни 7 с внутренними зубьями и малой шестерни 8 с наружными зубьями. Большая шестерня 7 закреплена на роторе 6, а малая 8 - на корпусе 1.

Ротор 6 установлен на эксцентриковом валу 9 при помощи подшипника 10 с возможностью взаимодействия бо- новыми ребрами с внутренней криволи-. нейной поверхностью корпуса 1 через проходящий между ними материал, из которого штампуются детали. Эксцентриковый вал 9 смонтирован в подшипни-

1

димый к теплоносителю парогенератора 14, увеличивается вследствие возрастания температурного напора между стенкой ротора 6 и теплоносителем парогенератора. При этом теплоносителю в парогенераторе передается не только теплота, отводимая от рабочей среды в попости корпуса, но и теплота, эквивалентная работе, совершаемой электрическим током к термоэлектрической батарее 35. 5 ил.

5

5 0

5

ках 11 и 12 боковых крьш1ек 4 и 5. Внутренняя криволинейная поверхность корпуса 1 образована перемещением прямолинейной образующей вдоль направляющей в виде эпитрохоиды.

В роторе б выполнена герметичная тороидальная полость 13, частично заполненная легкоиспаряющимся жидким теплоносителем, в качестве которого могут быть использованы вода, этиловый спирт, гептан, флутек и др. При осуществлении более высокотемпературного цикла могут быть использованы высококипящие теплоносители, такие как термекс, цезий, литий и др.

В герметичной тороидальной полости 13 размещены последовательно соединенные между собой парогенератор 14, турбина 15, конденсатор 16 и конден- сатный насос 17, выполненные в виде тел вращения, коаксиальных эксцентриковому валу 9. Конденсатор 16 прикреплен к парогенератору 14 и смещен относительно него к оси вращения ротора 6. Для уменьшения паразитных теплоперетоков из парогенератора 14 ; к конденсатору 16 между парогенератором 14, трубиной 15, конденсатором

16и конденсатным насосом 17 установлен термоизолятор 18, имеющий большое термосопротивление.

Герметичная тороидальная полость 13, парогенератор 14, турбина 15, конденсатор 16 и конденсатный насос

17могут быть выполнены за одно целое с ротором 6. Эксцентриковый вал 9 может быть снабжен теплообменником (не показан), соединенным при помощи подводящего 19 и отводящего

20 трубопроводов через коллекторы 21 и 22 с циркуляционной системой охлаждения (не показана). Устройство снабжено также матрицами 23, расположенными на наружной боковой поверхности ротора 6, который имеет средства герметизации в виде уплотнений 24. В матрицах 23 и роторе 6 предус- мотрены дренажные отверстия и каналы (не показаны).

Устройство содержит также средство 25 для подачи штампуемого материала и средство 26 для удаления заготовок. Канал 2 связывает полость 3 корпуса 1 с карбюратором 27. В стенке корпуса 1 смонтирована свеча 28 зажигания. На эксцентриковом валу 9 размещен прерыватель 29 для подачи высокого напряжения на свечу 28 зажигания. Эксцентриковый вал 9 при помощи хвостовика 30 через выключаемую муфту (не показана) связан с пусковым приводом (не показан). Предусмотрен канал 31 для выпуска рабочей среды, выполненный в стенке корпуса 1 . На выходе из канала 31 установлены фильтр-дожигатель 32 и глушитель 33.

Для повышения удельной мощности и увеличения надежности работы устройство снабжено электрогенератором 34, кинематически связанным с эксцентриковым валом 9. и тепловым насосом в виде термоэлектрической батареи 35, установленной в кольцевом пазу 36, выполненным в роторе 6, и соединенной с электрогенератором 34, при этом холодные 37 и горячие 38 спаи термоэлектрической батареи 35 соединены при помощи теплопереходов 39 и 40 соответственно с ротором 6 и парогенератором 14.

Соединение термоэлектрической батареи 35 с электрогенератором 34 осуществляется кабелем 41, приложенным в эксцентриковом валу 9, и вращающимся токосъемником 42. Электрогенератор 34 может быть или постоянного, или переменного тока. В последнем случае для питания термоэлектрической батареи 35 постоянньм током предусмотрен полупроводниковый выпрямитель (не показан). В качестве термоэлектрической батареи 35 могут быть использованы существующие термоэлектрические модули.

Теплопереходы 39 и 40 одновременн служат для предотвращения электрического замыкания полупроводниковых

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

элементов термоэлектрической батареи 35 между собой и для снижения термосопротивления, и могут быть изготовлены из керамики, окисей металлов, эмали. Позициями 43 и 44 на чертежах обозначены штампуемый листовой материал и отштампованная заготовка соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Листовой рулонный материал 43 пропускается средством 25 для подачи в полость 3 корпуса 1 между боковыми ребрами ротора 6 и внутренней криволинейной поверхностью корпуса 1 и далее поступает в средство 26 для удаления отштампованных заготовок 44. При этом создается требуемое натяжение обрабатываемого материала 43 так, что он плотно прилегает к боковой поверхности ротора 6. При вращении ротора 6 в устройстве осуществляется сложный термодинамический цикл, состоящий из четырехтактного цикла a-b-c-d-a с изохорным подводом теплоты, теплонасосного цикла e-f-g- -h-e и паросилового цикла o-i-k-1-m- -п-о с изобарным подводом теплоты, являющейся отбросной теплотой четырехтактного цикла a-b-c-d-a (фиг.5).

При этом четырехтактный цикл а-Ь- -c-d-a осуществляется в полости 3 корпуса 1, теплонасосньш цикл 1-f-g- -h-e - в термоэлектрической батарее 35, а паросиловой цикл o-i-k-1-m-n- -о - в герметичной тороидальной полости 13.

Четырехтактный цикл a-b-c-d-a состоит из следующих четырех процессов. Первый процесс а-Ь, сжатия рабочей среды, поступающей из карбюратора 27 через канал 2, является изоэнтропным и протекает в камере переменного объема, образованной ротором 6 в полости 3 корпуса 1, при ее верхнем правом положении. Температура повышается от Тд до Т, . Степень сжатия составляет 8-10.

Второй процесс Ь-с, сгорания рабочей среды, является изохорным и протекает в камере переменного объема . при ее правом положении. Температура повьш ается от Т до Т . Подвод теплоты в этом процессе происходит в результате сгорания рабочей среды. Инициирование процесса обеспечивается от свечи 28 зажигания, упранляемой прерывателем 29. Продукты сгорания

рабочей среды осущаствляют штамповку заготовки А4 в матрице 23.

Третий процесс c-d, расширения продуктов сгорания рабочей среды, является изоэнтропным и протекает в камере переменного объема при ее правом нижнем положении. Температура снижается от Т до Tj. Происходит трансформация теплоты в механическую работу, оебспечивающую окончательное формообразование заготовки 44 в матрице 23 и самовращение ротора 6.

Четвертый процесс d-a, отвода продуктов сгорания рабочей среды, является изохорным и протекает в камере переменного объема при ее нижнем лейом положении. Температура снижается от Tj до Тд. Параметры приобретают исходное значение, и цикл замыкается.

Отбросная теплота четырехтактного цикла a-b-c-d-a частично передается через стенку ротора 6 в парогенератор 14 герметичной тороидальной полости 13 для утилизации. При этом обеспечивается интенсификация теплопередачи путем осуществляемого термоэлектрической батареей 35 теплона- сосного цикла, коэффициент преобразования которого пропорционален плотности передаваемого из полости 3 корпуса 1 теплового потока.

Эксцетриковый вал 9 приводит во вращение электрогенератор 34, и по кабелю 1 через вращающийся токосъемник 42 в термоэлектрическую батарею 35 подается электрический ток. Полярность подключения термоэлектрической батареи 35 такова, что по холодному спаю 37 электрический ток течет от полупроводникового элемента с п-про- водимостью к полупроводниковому элег менту с р-проводимостью, а по горячему спаю 38 электрический ток течет от полупроводникового элемента с р-проводимостью к полупроводникому элементу с п-проводимостью. Вследствие эффекта Пельтье дополнительно поглощается теплота в гоярчих спаях 38 и дополнительно выделяется теплота в холодных спаях 37.

Температура Т холодных спаев 37 ниже температуры рабочей среды в полости 3 корпуса 1 и тепловой поток, отводимый от рабочей среды, увеличивается вследствие возрастания температурного напора между рабочей средой и стенкой ротора 6.

Температура Т горячих, спаев 38 вьше температуры теплоносителя в герметичной тороидальной полости 13 парогенератора 14, и тепловой поток, подводимый к теплоносителю, увеличивается вследствие возрастания температурного напора между стенкой ротора 6 и теплоносителем. При этом

теплоносителю в парогенераторе 14 передается не только теплота,отводимая от рабочей среды в полости 3 корпуса 1, но и теплота, эквивалентная работе, совершаемой электричесКИМ током в термоэлектрической батарее 35.

Теплопереход в самой термоэлектрической батарее 35 обеспечивается как обычным путем теплопроводности,

так и переносом теплоты носителями электрического тока полупроводниковых элементов.

Передаваемая термоэлектрической батареей 35 теплота утилизируется в

герметичной тороидальной полости 13 в паросиловой цикле o-i-k-1-m-n-o, который состоит из следующих процессов. Процесс i-k-1-m, изображенный ломанной линией, является изобарньм процессом подвода теплоты термоэлектрической б атареей 35 от четырехтактного цикла a-b-c-d-a и протекает в парогенераторе 14. Температура повьш1ается от Т до Т. Начальный участок i-k соответствует доведению теплоносителя герметичной тороидальной полости 13 до кипения, горизонтальный участок k-1 - изотермическому парообразованию в области насьш1ения, а конечный 1-т - перегреву пара теплоносителя. Результатом процесса ir-k-l-m является генерация пара теплоносителя высокого давления и температуры.

Процесс т-п является изоэнтропным процессом расширения перегретого пара теплоносителя в турбине 15. Температура снижается от Т до Т. Проис- зодит трансформация теплоты в механическую работу - на лопатках турбины 15 возникает вращающий момент, суммирующийся на эксцентриковом валу 9 - с вращающимся моментом ротора 6. Таким образом, большая часть теплоты

превращается в механическую работу, затрачиваемую на самовращение ротора 6 и на приведение в действие средства 25 для подачи и средства 26 для удаления отштампованных-заготовок 44.

Процесс n-o является изотермическим процессом конденсации отработанного пара в турбине 15 и протекает в конденсаторе 16 при постоянной температуре Тд. При малой массе ротора 6 теплота конденсации отводится теплообменником циркуляционной системы охлаждения устройства.

Процесс o-i является изоэнтропным процессом сжатия конденсата теплоносителя конденсатным насосом 17. Температура повышается от Т до Т;. Вследствие малой сжимаемости жидкой фазы теплоносителя Т Т . Конден- сат теплоносителя попадает в парогенератор 14, и цикл замыкается.

При увеличении подвода теплоты из полости 3 корпуса 1, например вслед- ствие увеличения подачи карбюратором 27 рабочей среды, увеличиваются обороты эксцентрикового вала 9, соответственно возрастает электрический ток электрогенератора 34. Повышаются температурные напоры, обеспечиваемые термоэлектрической батареей 35, уве- личивается плотность теплового потока, передаваемого через стенку ротора 6 в герметичную тороидальную полость 13., и нормальное функциониро- ванне устройства не нарушается.

Возможны различные соотношения теператур рабочей среды в полости 3 корпуса 1 и теплоносителя в парогенераторе 14. Температура горячих спаев 38 может быть, к ак ниже, так и вьш1е температуры рабочей среды в полости 3 корпуса 1. Одновременно температура холодных спаев 37 может быть как ниже, так и вьш1е температуры теплоно сителя в парогенераторе 14. Эффективность работы оценивается отношением теплоты, подводимой к теплоносителю в парогенераторе 14, к затраченной работе электрического тока (отопи- тельным коэффициентом) и при высокой добротности термоэлектрической батареи 35 и не слишком большой разности температур холодных 37 и горячих 38 спаев может достигать 10-12. Это значит, что затрачиваемая для интенсификации теплопередачи через стенку ротора 6 электроэнергия составляет всего 8-10% от передаваемой теплоты, причем значительная часть электро-

энергии возобновляется за счет преобразования теплоты в механическую работу турбиной 15.

Возможна также эффективная теплопередача через стенку ротора 6, когда температура рабочей среды в полости 3 корпуса 1 (средняя) ниже температуры теплоносителя в парогенераторе 14. Коэффициент преобразования теплового насоса в виде термоэлектрической батареи 35 и в этом случае также достаточно высок.

Повьш1ение температурных напоров в ряде случаев одновременно увеличивает коэффициенты теплопередачи, что еще больше увеличивает плотность теплового потока через стенку ротора 6 в герметичную тороидальную полость 13.

По сравнению с прототипом интенсивность теплопередачи может быть увеличена в 5-6 раз. Однако пропорциональное ей повьш1ение удельной мощности устройства не следует осуществлять более 2-3 раз вследствие увеличения невозобновляемых затрат электрической энергии электрогенератора 34.

Предлагаемое устройство по сравнению с известным обеспечивает повышение удельной мощности путем предотвращения необратимых потерь при теплопередаче через стенку ротора.

Формула изобретения

Устройство для штамповки рабочей средой по авт. св. N- 1282941, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения удельной мощности путем предотвращения необратимых потерь при теплопередаче через стенку ротора, ротор выполнен с кольцевым пазом прилежащим к торообразной полости, а устройство снабжено электрогенерато- ром, кинематически связанным с эксцентриковым валом, и тепловым насосом в виде термоэлектрической батареи, установленной в кольцевом пазу ротора и соединенной с электрогенератором, при этом холодные и горячие спаи термоэлектрической батареи соединены посредством теплопереходов соответственно с ротором и парогенератором.

фи&. 1

Фи9.3

Редактор С.Лисина

Составитель В.Муслимов

Техред А.Кравчук Корректор И.Муска

Заказ 5142/8Тираж 730 J

ВНШПИ Государственного комитета LLor

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно

-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

(Pue.

Фиг. 5

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей из листового материала. Цель изобретения - повышение удельной мощности путем предотвращения необратимых потерь при (Л S-5 /5 1Ч