Способ преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1989 года по МПК F03G7/06 

64

СО

ел

4

СО

со

Изобретение относится к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела и может быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементов датчиков. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока. В качестве рабочего тела 2 используют жидкость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем при температуре Т_кр, находящейся внутри диапазона рабочих температур, например воду. При нагревании в камере 1 до температуры Т_кр вода сжимается, а при дальнейшем нагреве расширяется. Аналогичное изменение объема воды происходит при ее последующем охлаждении до температуры Т_кр и ниже. Расширение воды используется для выталкивания поршня 3 из камеры 1, а обратное перемещение поршня 3 обеспечивается под действием внешнего усилия при сжатии воды. Полезная мощность отбирается от штока 4 поршня 3. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

ФигЛ

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела, и может быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементов тепловых датчиков.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации предлагаемого способа с одной

дение рабочего тела осуществляют до температуры Тмии не ниже температуры его замерзания, а нагрев - до температуры, не превыщающей значения Тмахь 2-Т-кр-THUH- г В качестве рабочего тела 2 может быть использована вода или смесь воды с жидкостями, имеющими больщий, чем у воды, коэффициент объемного расщирения и более низкую температуру замерзания, например смесь воды с эфировым этило.м, водный раствор соли или тяжелая вода.

При использовании в качестве жидкого рабочего тела 2 воды, имеющей температуру замерзания 0°С, за минимальную температуру охлаждения воды Тнив принимает10

рабочей камерой; на фиг. 2 - то же, с 5 ся, например, температура 1°С. Тогда мак- двумя рабочими камерами, щтоки порщней симальная температура Т нагревания вокоторых связаны с одним общим ползуном, в исходном положении, когда левая камера охлаждена до минимальной рабочей температуры Тмин , а температура Т. правой камеры соответствует наименьщему объему 20 жидкого рабочего тела; на фиг. 3 - то же , в положении после нагрева левой камеры до температуры Ткр, а правой - до максимальной рабочей температуры Т«р ; на

ды7°С (Тиахс 2-4°С- °С 7°С). Вода охлаждается и нагревается относительно температуры 4°С на одинаковую величину для обеспечения равного увеличения ее объема. Герметичная камера 1 (фиг. 1) с температурой 4°С наполняется водой, имеющей также температуру 4°С. Так как при этой температуре вода имеет наименьщий объем, то порщень 3 находится в крайнем левом

фиг. 4 - то же, в положении после нагре-25 положении. При подключении источника 6

ва левой камеры до температуры Тмакс ипеременного тока к нагревательному элеохлаждения правой камеры до температурыменту 5 происходит нагревание воды до

ТХР ; на фиг. 5 - то же, в положении после7°С, что, в свою очередь, вызывает увелиохлаждения левой камеры до температурычение объема герметичной камеры 1, и порTi4, а правой - до температуры Тнии; нащень 3 перемещается в крайнее правое пофиг. 6 - график зависимости объема VЗО ложение (показан на фиг. 1 пунктирными рабочего тела, используемого при реализации предлагаемого способа, от температуры Г.

Устройство (фиг. 1-5) содержит герметичную рабочую камеру 1, заполненную жидлиниями). В определенный момент, когда порщень 3 находится на расчетном расстоянии от крайнего правого положения, зависящем от инерционности перехода от нагревания к охлаждению воды, включаетс охладителем-распределителем 9 хладагента. При выполнении устройства с двумя рабочими камерами I (фиг. 2-5) щтоки 4 их поршней 3 связаны с одним звеном отбора мощности в виде ползуна 10.

КИМ рабочим телом 2, с поршнем 3, свя- 35ся охладитель-распределитель 9, который на- занным со щтоком 4. Внутри рабочей ка-чинает подавать охлажденный хладагент в меры 1 расположен нагревательный эле-охлаждающий элемент 7, что вызывает мент 5, соединенный с источником 6 пере-уменьщение объема воды в герметичной каменного тока, и охлаждающий элемент 7 вмере 1 и перемещение порщия 3 в край- виде змеевика, сообщенного трубопроводом 8 .-нее левое положение (показан на фиг. 1 ., „„„„,.,,.„„„„„„„„„„,,п„„„л,. п „„„„„„„,,сплошными линиями) под действием атмосферного давления при достижении температуры воды 4°С в камере 1. При продолжении охлаждения ниже 4°С в камере 1 начинается увеличение объема воды, кото- Способ осуществляют Cv eдyющим об- 45рая, расширяясь, перемещает поршень 3 в разом.крайнее правое положение при достижении

Поочередно осуществляют нагрев и охлаждение в диапазоне рабочих температур жидкого рабочего тела 2, заполняющего герметичную камеру 1 переменного объема, преобразование теплового расширения рабо- 50как и при переходе от процесса нагрева- чего тела 2 в перемещение звена отборания к процессу охлаждения при темпе- мощности - ползуна 10 - и возвратноературе 7°С. Для воды температура Ти„н перемещение ползуна 10 под действием внеш- 1°С выбирается потому, что при дальней- ней нагрузки в процессе теплово.го сжатияшем ее охлаждении образуется лед, и вода рабочего тела 2. В качестве рабочего тела 2теряет свойство текучести, а Тк«жс 7°С - используют жидкость, имеющую наиболь- 55для достижения равенства изменений объе- щую плотность и наименьший объем при температуре Ткр , находящейся внутри диапазона рабочих температур, при этом охлажтемпературы воды 1°С.

При температуре 1°С переход от процесса охлаждения воды к процессу ее нагревания происходит в такой же последовательности,

ма.

Таким образом, как при уменьшении температуры воды в камере 1 от до +l°Cj

дение рабочего тела осуществляют до температуры Тмии не ниже температуры его замерзания, а нагрев - до температуры, не превыщающей значения Тмахь 2-Т-кр-THUH- В качестве рабочего тела 2 может быть использована вода или смесь воды с жидкостями, имеющими больщий, чем у воды, коэффициент объемного расщирения и более низкую температуру замерзания, например смесь воды с эфировым этило.м, водный раствор соли или тяжелая вода.

При использовании в качестве жидкого рабочего тела 2 воды, имеющей температуру замерзания 0°С, за минимальную температуру охлаждения воды Тнив принимает

ся, например, температура 1°С. Тогда мак- симальная температура Т нагревания вося, например, температура 1°С. Тогда мак- симальная температура Т нагревания воды7°С (Тиахс 2-4°С- °С 7°С). Вода охлаждается и нагревается относительно температуры 4°С на одинаковую величину для обеспечения равного увеличения ее объема. Герметичная камера 1 (фиг. 1) с температурой 4°С наполняется водой, имеющей также температуру 4°С. Так как при этой температуре вода имеет наименьщий объем, то порщень 3 находится в крайнем левом

ложение (показан на фиг. 1 пунктирными

линиями). В определенный момент, когда порщень 3 находится на расчетном расстоянии от крайнего правого положения, зависящем от инерционности перехода от нагревания к охлаждению воды, включается охладитель-распределитель 9, который на- чинает подавать охлажденный хладагент в охлаждающий элемент 7, что вызывает уменьщение объема воды в герметичной камере 1 и перемещение порщия 3 в край- нее левое положение (показан на фиг. 1 сплошными линиями) под действием атмосферного давления при достижении температуры воды 4°С в камере 1. При продолжении охлаждения ниже 4°С в камере 1 начинается увеличение объема воды, кото- рая, расширяясь, перемещает поршень 3 в крайнее правое положение при достижении

как и при переходе от процесса нагрева- ния к процессу охлаждения при темпе- ратуре 7°С. Для воды температура Ти„н 1°С выбирается потому, что при дальней- шем ее охлаждении образуется лед, и вода теряет свойство текучести, а Тк«жс 7°С - для достижения равенства изменений объе-

температуры воды 1°С.

При температуре 1°С переход от процесса охлаждения воды к процессу ее нагревания происходит в такой же последовательности,

как ния рату 1° шем теря для

ма.

как и при переходе от процесса нагрева- ния к процессу охлаждения при темпе- ратуре 7°С. Для воды температура Ти„н 1°С выбирается потому, что при дальней- шем ее охлаждении образуется лед, и вода теряет свойство текучести, а Тк«жс 7°С - для достижения равенства изменений объе-

Таким образом, как при уменьшении температуры воды в камере 1 от до +l°Cj

так и при увеличении от +1 до +7°С при одном направлении теплового потока происходит и увеличение, и уменьшение объема воды, что обеспечивает два цикла знакопеременного перемещения поршня 3 с возвратом в исходное положение.

Использование вместо воды в качестве рабочего тела 2 смеси воды с жидкостями, имеющими больший, чем у воды, коэффициент объемного расширения и более низкую температуру замерзания, позволяет увеличить ход порщня 2 и тем самым увеличить его выходную мощность. Пропорция смеси должна быть такой, при которой обязательно должно сохраняться основное свойство рабочего тела 2: иметь наибольшую плот- ность и наименьший объем при температуре T«p , находящейся внутри диапазона рабочих температур. При использовании в качестве рабочего тела 2 смеси воды с эфиро- вым этилом температура смеси может быть равна -10°С в точке замерзания. Если за минимальную температуру Т„ин охлаждения смеси принимается температуру -6°С, а Т«р 4°С, то максимальная температура Ттмс 14°С.

Выбор температур „„, и Тн«.жс зависит от желаемого хода поршня 3. При нагревании смеси воды и эфирового этила от -6 до +4°С происходит уменьшение ее объема, а при дальнейшем нагревании смеси от +4 до -|-14°С происходит увеличение объема смеси. При охлаждении смеси от -J-14 до +4°С объем ее уменьшается, а при дальнейшем ее охлаждении от +4 до -б°С объем ее увеличивается. Здесь также при одном направлении теплового потока происходит два движения поршня 3, но ход поршня 3 имеет большую величину, чем при использо- вании воды в качестве рабочего тела 2.

Для устранения влияния атмосферногр давления на перемешение поршня 3 при уменьшении объема рабочего тела 2 в одном устройстве используют два спаренные рабочие камеры I, установленные соосно одна напротив другой (фиг. 2-5). Температурные процессы в спаренных камерах 1 организуют так, что увеличению объема рабочего тела 2 в одной камере 1 соответствует уменьшение объема рабочего тела 2 в другой камере 1, т. е. перемещение поршня 3 при уменьшении объема рабочего тела 2 в одной камере 1 происходит под действием штока 4 порщня 3 спаренной камеры 1 при увеличении объема ее рабочего тела 2.

В исходном положении при использовании воды в качестве рабочего тела 2 в левой камере 1 (фиг. 2) устанавливается температура 1°С, а в правой камере 1 - температура 4°С. После достижения указанных температур нагревательные элементы 5 подключаются к источнику переменного тока, что вызывает увеличение температуры в камерах 1. При возрастании температуры воды в левой камере 1 до 4°С ее объем умень

0

5

с 0

5

0

0

шается при одновременном уве.1пч1.м1ии объема воды в правой камере 1 на одинаковую величину и с одинаковой скоростью, так как в ней происходит одновременный нагрев воды до 7°С. Ползун 10 перемешается в крайнее левое положение (фиг. 3). При достижении температуры воды в правой камере 7°С вступает в работу охладитель-распределитель 9, который начинает подавать .хладагент в правую камеру 1, вызывая охлаждение воды в ней. В это же время в левой камере 1 продолжается нагрев воды от +4 до -(-7°С и, согласно графику, изображенному на фиг. 6, ее объем увеличивается при одновременном уменьшении объема воды в правой камере 1, так как ее температура понижается от +7 до -|-4°С. Ползун 10 перемещается в крайнее правое положение (фиг. 4). При достижении температуры в левой камере 7°С, а в правой камере 4°С в левой камере 1 начинается процесс охлаждения воды от 4-7 до -+-4°С, что вызывает уменьшение ее объема, а в правой камере 1 продолжается процесс охлаждения воды от -(-4 до -|--1°С, что вызывает увеличение ее объема. Ползун 10 перемещается в крайнее левое положение (фиг. 5). После достижения в левой камере 1 температуры 4°С и в правой камере 1 - температуры 1°С в левой камере I продолжается процесс охлаждения воды до температуры 1°С, что вызывает увеличение ее объема, а в правой камере 1 начинается процесс нагревания воды до 4°С, что вызывает уменьшение ее объема.. Ползун 10 перемещается в крайнее правое положение (фиг. 2), после чего рабочий цикл повторяется.

Использование предлагаемого способа преобразования тепловой энергии в механическую по сравнению с из1ич тны 1и способами обеснечивает расширонис (п икцио- нальных возможностоИ (а очо удвоения количества циклов увс.ишоння и уменьшения объема рабочего тела 2 по (.равпеник) с количеством циклов его нагрева и охлаждения.

Формула изобретения

Тн«же 2 Тт - ним .

Фиг.З б

Фиг Л

фие.5

ТМАКСТ С