Устройство для преобразования тепла в механическую энергию Советский патент 1989 года по МПК F03G7/06 

1

: Изобретение относится к области I преобразования тепла низкопотенци- 1альных природных источников в механи ческую энергию и может быть использо- вано при создании тепловых двигателей для привода различных маьиин И механизмов з-а счет энергии разности тбм- ператур окружающего воздуха и водоемов, а также разности температур по- верхностных и глубинных слоев в последних.

Целью изобретения является повышение удельной мощности путем компактного размещения в ограниченном объеме большого числа термочувствительных секций.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство, вид сбоку, пример выполнения; :на фиг. 2 - то же, вид ев ер- ху5 на фиг.З - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.З - предлагаемое устройство, общий вид, пример вьшолнения; на фиг.6- сечение В-В на фиг.З; на фиг.7 - сечение Г-Г на фиг.З; на фиг.8 - предлагаемое устройство, общий вид, пример выполнения; на фиг.9 - корпус устройства, изображенного на фиг.З, с группами рабочих секций, с нагнетательным насосом и насосом norpy zceния.

Устройство содержит основание 1 с зонами 2 и 3 соответственно нагрева и охлаждения и установленньй на основании 1 посредством опор 4 с возможностью попеременного перемещения через зоны 2 и 3 корпус 3. На последнем установлены группы 6 термочувствительных рабочих секций 7. Все секции 7 каждой группы 6 последовательно связаны между собой и с корпусом 3 посредством шарниров, которые могут быть выполнены в виде осей 8, пропущенных через коромысло 9 (фиг. и 9) или в виде блоков 10 (фиг.З). Крайние секции 7 каждой группы 6 с одной стороны закреплены в корпусе 5 а с другой - связаны посредством передачи 1 со звеном 12 отбора мощности, например, в виде насоса, электрогенератора (фиг.1 и 3) или турбогенератора (фиг.8). Корпус 3 выолней я виде двух параллельных обойм 13, закрепленных на общем центральном стержне 14 перпендикулярно поседнему. Шарниры в виде осей 8 (фиг,1 9) или блоков 10 (фиг,5) размещены на обоймах 13, а секции 7 каждой группы 6 расположены параллельно стержню 14 в плоскостях, проходящих через ось последнего, при этом груп- Q пы 6 равно расположены по окружности вокруг стержня 14.

Рабочие секции 7 выполнены жесткими в осевом направлении, с большой теплообменной поверхностью и из ма- J5 териала с большим коэффициентом линейного расширения. Например, каждая секция 7 может быть выполнена в виде ряда параллельно расположенных алюминиевых уголков 15, закрепленных на 20 хвостовиках 16 (фиг.1 и 4). Стержень 14 также выполнен жестким в осевом направлении из материала с небольшим коэффициентом линейного расширения, например иэ стали.25

Передача 11 устройства, изображенного на фиг.1 и 3, вьшолнена в виде рычагов 15, кинематически связанных с грузами 16, равно расположенными по окружности обоймы 13 с возможностью 30 радиального перемещения, а кбрпус 5 установлен с возможностью вращения в опорах 4 вокруг горизонтальной оси его стержня 14. Последний связан с звеном 12 отбора мощности посредством редуктора 17. Опоры 4 и редуктор 17 закреплены на поплавке 18, помещенном на поверхности жидкого теплоносителя - воды в водоеме 19.

Устройство, представленное на Q фиг.1-4, работает следующим образом.

3 естественный водоем 19, температура воды которого ниже температуры окружающего воздуха на 10 С, устройство помещают так, что нижняя частьдс корпуса 5 с секциями 7 оказьшается в воде, а верхняя - над водой. Рабочие секции 7, находящиеся в воде, охлаждаясь, начинают укорачиваться, а верхние секции 7, находящиеся на воздухе, удлиняются. Так как секции 7 кинематически связаны в группы 6, то соответствующие изменения длины секций 7 в пределах группы 6 суммируются и передаются рычагам 15, позволяющим увеличить ход и соответственно поднимать и опускать грузы 16. Верхние грузы 16 перемещаются радиально от оси стержня 14, а нижние прибли35

50

55

0

Q

с

5

0

5

жаются к этой оси. Затем вручную поворачивают корпус 5 вокруг его оси на угол , и корпус 5 начинает вращение в ту же сторону самостоятельно за счет произведенного смещения грузов 16. Так как процесс нагревания-охлаждения достаточно инерционный, то секции 7 изменяют свою длину постепенно, и при установившемся процессе наиболее удаленный от центра груз 16 находится на участке входа в воду, а наиболее приблкжеиньв - на участке выхода из воды.

Для работы устройства можно использовать также разность температур более нагретых верхних слоев воды и нижних более холодных, но для этого необходимо погрузить устройство полностью в воду.

в устройстве, представленном на фиг.5-7, секции 7 могут быть выполнены в виде ленты, а ширниры, связывающие их между собой и с обоймами 13 корпуса 5, в виде блоков 10. При этом передача 11 выполнена в виде рычажных 20 и храповых 21 механизмов соответственно и планетарного редуктора 22. Солнечное колесо 23 редуктора 22 закреплено на основании 1 соосно стержню 14 и содержит шарнирную опору 4 последнего, а сателлиты 24 редуктора 22 по числу групп 6 рабочих секций 7 установлены с возможностью вращения на одной из обойм 13. Каждый сателлит 24 связан с крайней подвижной секцией 7 своей группы 6 посредством одного храпового 20 и одного рычажного 21 механизмов соответственно. Каждый рычажный механизм 20 содержит шток 25, рычаг 26, толкатель 27 и шарнирный четырехзвенный параллелот грамм 28. Каждый шток 25 установлен в отдельной направляющей 29, выполненной в корпусе 5, и связан одним концом с крайней подвижной секцией 7 одной из групп 6, а другим концом посредством рычага 26 и толкателя 27 - с одним из углов параллелограмма 28. Противоположный угол параллелограмма, 28 шарнирно соединен с осью одного из сателлитов 24. Каждый храповой механизм 21 содер жит две подпружиненные собачки 30 и 31, щарнирно установленные на звеньях параллелограмма 28 и взаимодействующие с косозубой торцовой кольцевой нарезкой 32, выполненной на сателлите 24. Для создания натяжения лент секций 7 каж:Дый ШТОК 25 подпружинен относительно ;корпуса 1 пружиной 33 сжатия. Каждый :толкатель 27 установлен-в радиальной ;направляющей одной из опор 34, зак- :репленной на корпусе 5. Лента секций :7 выполнена с развитой теплообменной Поверхностью из материала с большим Iкоэффициентом линейного расширения, I например из цинка. Обоймы .13 скреп- |лены между собой стяжками 35 из ма- териала с небольшим коэффициентом линейного расширения - стали.

Устройство, представленное- на-, фиг.5-7, работает аналогично устройству, представленному на фиг.1-4. Отличие состоит в том, что лента охлаждаемой секции 7 при своем укорачивании сжимает пружину 33 и воздействует посредством штока 25 на рычаг 26, который, в свою очередь, перемещает толкатель 27 к оси стержня 4, шарнирный параллелограмм 28 при этом, сжимаясь, упирается собачкой 30 в прямой торец косозубой торцевой нарезки 32 сателлита 24, приводит его во вращение по часовой стрелке и, об- катьюаясь по неподвижному солнечному колесу 23, сателлит 24 приводит во вращение корпус 5. Собачка 31 прк |этом проскальзывает по косому зубу нарезки 32. При удлинении ленты секции 7 пружина 33 ее подтягивает и, взаимодействуя с рычагом 26, в конеч- ;ном итога, расширяет параллелограмм 128, который своей собачкой 31 приво- 1дит во вращение сателлит 24, собач- :ка 30 в это время проскаль зьюает по :косому зубу нарезки 32. : Передача 11 устройства, изображенного на фиг.8 и 9, выполнена гидрав- :ЛИческой и состоит из напорного блока 36 и блока 37 погружения корпуса 5. Напорный блок 36 содержит нагнетательный поршневой насос 38 и бак 39 с трубопроводом 40, посредством которого верхняя часть бака 39 сообщена с нагнетательным насосом 38, и со сливным патрубком 14, под которым в качестве звена 12 отбора мощности установлен турбогенератор. Блок 37 погружения содержит поршневой насос 42 погружения.и средство уравновешивания корпуса 5, состоящее из связанного со стержнем 14 плунжера 43 с прикрепленным к веркнему концу последнего тросом 44 и с грузом 455под- вешенньм на свободном конце троса 44

0

5

0

5

0

5

0

5

и емкости 46 с жидкостью, прикрепленной посредством стойки 47 к основанию над корпусом 5, При этом плунжер 43 установлен в герметичной направляющей 48, вьшолненной в днище емкости 46 с возможностью вертикального перемещения в последнем. Стойка 47 снабжена блоками 48, через которые перекинут трос 44, а насосы 38 и 42- питательными трубопроводами 49 и 50 соответственно, погруженными в жидкий теплоноситель 12, заполняющий откры-ч тый резервуар 51, которым образована, например, зона 3 охлаждения. Поршни 52 и 53 насосов 38 и 42 соответственно связаны штоками 54 и 55 посредством рычагов 56 с крайними подвижными рабочими секциями 7. Насосы 38 и 42 закреплены на верхней обойме 13 корпуса 5. Полости нагнетательного насоса 38 соединены двумя трубопроводами 57, в которых установлены обратные клапаны 58 - 61.

Устройство, представленное на фиг.8 и 9, работает следующим образом

Сначала заполняют корпус насосов 38 и 42 жидким теплоносителем (водой для этого поднимают питательные трубопроводы 49 и 50 и наливают в них воду, обеспечив при этом-выход воздуха (констру1сция для выхода воздуха не показана),, затем верхнюю часть насоса- 38 также заполняют водой. После этого уравновешивают с помощью груза 45 корпус 5 со всеми закрепленными на нем элементами, затем, учитывая, что на корпус 5, погруженный в жидкий теплоноситель (воду),. действует выталкивающая сила, емкость 46 заполняют водой. В этом случае выталкивающая сила, воздействзпощая на погруженный в воду корпус 5, компенсируется весом столба воды, воздействующим на плунжер 43. Затем на короткое время погружают корпус 5 в теплоноситель (воду) и увеличивают груз 45 так, что корпус 5 самостоятельно поднимается (с учетом сил трения).

Рабочие секции 7 в этом случае работают аналогично секциям 7 устройства, изображенного на фиг.1-4, с той лишь разницей, что в конечном итоге они взаимодействуют со штоками 54 и 55 поршней 52 и 53. Корпус 5 с секциями 7 погружают в теплоноситель - воду с более холодной температурой относительно воз/пуха. Секции 7, ежи10

15

маясь, воздействутот на поршни 52 и 53 и опускают их. При этом открывается клапан 38, и вода течет в бак 39, открывается также клапан 60, и вода из резервуара 51 дополняет верхний объем насоса 38. Шток 55 поршня 53 вытесняет воду в резервуаре 51. Корпус 5 становится легче и поднимается. Секции 7, постепенно нагреваясь, поднимают поршни 52 и 53, в результате чего отключается клапан 59 и пропускает воду в бак 39, открьта- ется также клапан 61, и вода из резервуара 51 дополняет нижний объем насоса 38.

Вода из резервуара 51 заполняет также нижний объем насоса 42. Корпус 5 становится и под собственным весом опускается. Процесс подъема и опуска-20 ния корпуса 5 протекает автоматически, с преодолением трения. Насос 38 при этом перекачивает воду из резервуара 51 в бак 39, откуда она, сливаясь по патрубку 41, попадает на ро- 25 тор звена 12 отбора мощности - турбогенератора и приводит его во вращение.

За счет компактного размещения в органиченном объеме большого числа зо термочувствительных работ секций 7 с развитой теплообменной поверхностью, растянутых вдоль стержня 14 и объединенных в группы 6 с возможностью

мощности, отличающееся тем, что, с целью повьш ения удельно мощности путем компактного размещения в ограниченном объеме большего числа термочувствительных секций, корпус выполнен в виде двух параллельных обойм, закрепленных на обще центральном стержне перпендикулярно последнему, щарниры размещены на обоймах, а секции каждой группы рас положены параллельно стержню в плос костях, проходящих через ось стерж ня.

2.Устройство по П.1, ю щ е е с я тем, что ны в виде ленты.

3.Устройство по п.

ю щ е е с я тем, что передача вьшо нена в виде рычагов, кинематически связанных с грузами, равно расположенными по окружности обоймы с возможностью радиального перемещения, корпус установлен с возможностью вр щения вокруг горизонтальной оси его стержня.

о т л и ч секции выполн

1, о т л и ч

4. Устройство по П.1, отлич ющееся тем, что передача выпо нена в виде рычажных и храповых мех низмов и планетарного редуктора, со нечное колесо которого закреплено н основании соосно стержню и содержит шарнирную опору последнего, а сател

суммирования тепловых деформаций сёк- литы по числу групп рабочих секций

ций 7 в .пределах группы 6, а также за счет равномерного размещения групп 6 вокруг стержня 14 при использовании предлагаемого устройства обеспечивается повьшение удельной мощности по сравнению с известным.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования тепла в механическую энергию, содержащее основание с зонами нагрева и охлаждения и установленный на основании посредством опор с возмояно- стью переменного перемещения через зоны нагрева и охлаждения корпус, на котором посредством шарниров установлены группы термочувствительных рабочих секций, причем все секции каждой группы последовательно связаны между собой, а крайние секции каждой группы с одной стороны закреплены на корпусе, а с другой связаны посредством передачи со звеном отбора

40

45

50

55

установлены с возможностью вращения на одной из обойм, причем каждый са теллит связан с крайней подвижной секцией своей группы посредством од ного храпового и одного рычажного ханизмов, каждый рычажный.механизм содержит шток, рычаг, толкатель и шарнирный четырехзвенный параллело грамм, каждьш шток установлен в от дельной направляющей, выполненной корпусе, и связан одним концом с крайней подвижной секцией одной из групп, а другим концом посредством рычага и толкателя - с одним из уг лов параллелограмма, противоположн угол параллелограмма шарнирно соед нен с осью одного из сателлитов, а каждьй храповой механизм содержит две подпружиненные собачки, шарнир но установленные на звеньях паралл лограмма и взаимодействующие с кос зубой торцовой кольцевой нарезкой, дополнительно выполненной на сател лите.

10

15

20 2597028

мощности, отличающееся тем, что, с целью повьш ения удельной мощности путем компактного размещения в ограниченном объеме большего числа термочувствительных секций, корпус выполнен в виде двух параллельных обойм, закрепленных на общем центральном стержне перпендикулярно последнему, щарниры размещены на обоймах, а секции каждой группы расположены параллельно стержню в плоскостях, проходящих через ось стержня.

2.Устройство по П.1, ю щ е е с я тем, что ны в виде ленты.

3.Устройство по п.

ю щ е е с я тем, что передача вьшол- нена в виде рычагов, кинематически связанных с грузами, равно расположенными по окружности обоймы с возможностью радиального перемещения, а корпус установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси его стержня.

о т л и ч а- секции выполне1, о т л и ч а4. Устройство по П.1, отличающееся тем, что передача выполнена в виде рычажных и храповых механизмов и планетарного редуктора, солнечное колесо которого закреплено на основании соосно стержню и содержит шарнирную опору последнего, а сателлиты по числу групп рабочих секций

0

5

0

5

установлены с возможностью вращения на одной из обойм, причем каждый сателлит связан с крайней подвижной секцией своей группы посредством одного храпового и одного рычажного механизмов, каждый рычажный.механизм содержит шток, рычаг, толкатель и шарнирный четырехзвенный параллелограмм, каждьш шток установлен в отдельной направляющей, выполненной в корпусе, и связан одним концом с крайней подвижной секцией одной из групп, а другим концом посредством рычага и толкателя - с одним из углов параллелограмма, противоположный угол параллелограмма шарнирно соединен с осью одного из сателлитов, а каждьй храповой механизм содержит две подпружиненные собачки, шарнир- но установленные на звеньях параллелограмма и взаимодействующие с косо- зубой торцовой кольцевой нарезкой, дополнительно выполненной на сателлите.

5. Устройство по п.1, о т л и ч а- 1|э щ е е с я тем, что одна из зон - йагрева или охлаждения - образована (Открытым резервуаром с жидким тепло- йосителем, передача выполнена гидравлической и состоит из напорного бпо- $а и блока погружения корпуса, на- ijiopHbift блок содержит нагнетательный 1{1оршневой насос и бак с трубопроводом, посредством которого верхняя часть бака сообщена с нагнетательным насосом, и со сливным патрубком, под которым в качестве звена отбора мощности установлен турбогенератор, а (1лок погружения содержит поршневой насос погружения и средство уравно1449702К)

вешнвания корпуса, состоящее из связанного со стержнем плунжера с прикрепленным к верхнему концу последнего тросом и с грузом, подвешенным на свободном конце троса, и емкости с жидкостью, прикрепленной посредством стойки к основанию над корпусом, причем плунжер установлен в герметичной направляющей, выполненной в емкости, с возможностью вертикального перемещения в последней, стойка снабжена блоками, через которые перекинут трос, а насосы - погруженными в теплоноситель питательными трубопроводами и поршни насосов связаны с крайними подвижными рабочими секциями.

10

15

Изобретение м.б. использовано при создании тепловых двигателей для привода машин и механизмов за счет энергии разности т-р окружающего воздуха и водоемов, а также разности т-р поверхностных и глубинных слоев в последних. Цель изобретения - повьппе- ние удельной мощности устр-ва путем компактного размещения в ограниченном объеме большого числа термочувствительных секций (с). Корпус 5 установлен на основании 1 посредством опор 4 с возможностью перемещения через зоны нагрева и охлаждения. Корпус.вы- полнен в виде двух параллельных обойм 13, закрепленных на общем центральном

Фи,г.2

16

%2.5

Фаъ.

13

Фи.г.б

4 // -

фие.8