Тепловой двигатель Советский патент 1990 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для преобразования тепловой энергии в) механическую за счет тепловых деформаций оболочек из материала с тер- Момеханической памятью формы, и может б|ыть использовано при создании дви- г ателей, насосов, компрессоров и дви- я ителей.

Целью изобретения является иовы- 4ение удельной мощности путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодиль- Пиком непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом без Промежуточного теплоносителя, обеспечение возможности использования двигателя в качестве источника давления, и также повышение экономичности путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла, отводимого от оболочек.

На фиг.1 представлена насосная камера описываемого двигателя в разрезе с конденсатоотводчиком и двух- позиционным клапаном; на фиг„2 - принципиальная схема описываемого двигателя с параллельным соединением двух насосных камер; на йяг.З - насосная камера, разрез, аксонометрия; на фиг.4 - подвижная стенка насосной камеры в виде оболочки из материала с

0 ,

с

0 5

0

5

памятью, поперечный разрез; на фиг.5- схема описываемого двигателя с последовательным соединением насосных камер с подвижными стенками в виде оболочек из материалов с различными температурами проявления памяти; на фиг.6 - аккумулятор давления с насосными камерами, поперечный разрез; на фиг.7 - вид на аккумулятор давления с насосными камерами вдоль его оси.

Тепловой двигатель (фиг.1) содержит оболочки 1 из материала с термомеханической памятью формы, охватывающие заполненные парами и/или конденсатом рабочего тела полости в виде каналов 2, выполненных в оболочках 1. Каналы 2 соединены с нагревателем (фиг.2) в виде испарителя 3 и с холодильником в виде рекуперативного теплообменника-конденсатора 4 через двухпозиционный клапан 5, золотник 6 которого механически связан с оболочкой 1, в которой выполнены каналы 2. Двигатель снабжен конденса- тоотводчиками 7 (фиг.1,5) по числу оболочек 1. Каждый конденсатоотвод- чик 7 выполнен в виде цилиндра 8 с поршнем 9, байпасом 10 и обратным клапаном 11. Цилиндр 8 каждого кон- денсатоотводичика 7 сообщен с каналами 2 одной из оболочек 1, а поршень 9 - механически связан с этой оболочкой. Двигатель снабжен также насосными камерами 12 переменного объема по числу оболочек 1, а последние выполнены в виде подвижных стенок камер 12. Насосные камеры 12 заполнены текучей средой - жидкостью или газом. Оболочки 1 посредством заполняющей камеры 12 текучей среды связаны с подвижным звеном нагрузки, например с турбиной (не показано).

Оболочки 1 двигателя (фиг.5) выполнены из материалов с различными температурами проявления памяти, а их каналы 2 последовательно соединены друг с другом через двухпо- зиционные клапаны 5 в порядке понижения температуры проявления памяти от оболочки 1 к оболочке 1 по ходу рабочего тела. Насосные камеры 12 собщены с аккумулятором 13 давления (фиг.6) посредством обратных клапанов 14. На выходе аккумулятора 13 установлен регулирующий орган 15. Каналы 2 оболочек 1 футерованы капиллярно-пористым материалом 16 (фиг.4). Неподвижная стенка 17 камеры 12 выполнена из стали, и на ней установлены соответственно впускной и выпускной клапаны 18 и 14 насосной камеры 12 (фиг.1). Конденсато- отводчики 7 сообщены посредством трубопроводов 19 с испарителем 3 (фиг.2). Последний в случае параллельного соединения насосных камер 12 соединен с двухпозиционными клапанами 5 последних через распределитель 20. Охлаждающий тракт рекуперативного теплообменника-конденсатора 4 заполнен жидким теплоносителем и соединен с потребителем тепла (не показан). Поршень 9 конденсатоотвод- чика 7 установлен между входной и выходной щелями 21 и 22 соответственно байпаса 10 (фиг.1,5). Каналы 2 оболочки 1, расположенной последней в цепочке последовательно соединенных камер 12, соединены с теплообменником-конденсатором 4 через клапан 23. Испаритель 3 соединен с теплообменником-конденсатором 4 трубопроводом 24, в котором установлен насос 25 (фиг.2).

Двигатель работает следующим образом.

В испарителе 3 (фиг.1) жидкое рабочее тело, например жидкий натрий

0

5

0

5

0

5

0

5

испаряется, например, за счет тепла, полученного при сгорании топлива. Пар через распределитель 20 и клапан 5 поступает в каналы 2 оболочки 1. Там он конденсируется и оседает в капиллярах материала 16 стенок каналов 2, отдавая тепло оболочке 1 и нагревая ее до температуры конца обратного мартенситного превращения. Оболочка 1 вспоминает свою форму в горячем состоянии и движется в положение, обозначенное пунктиром. При этом текучая среда, например жидкость, заполняющая насосную камеру 12, вытесняется через выпускной клапан 14 под высоким давлением в сопло, турбины или другой привод (не показаны), производя работу. При завершении движения оболочки 1 в положение, обозначенное пунктиром, золотник 6 клапана 5, перемещаемый оболочкой 1, разобщает полость испарителя 3 и каналы 2 оболочки 1 и соединяет каналы 2 5 с теплообменником-конденсатором 4, давление и температура в котором меньше давления и температуры рабочего тела в каналах 2 оболочки 1. Вследствие падения давления в каналах 2 жидкое рабочее тело, находящееся в капиллярах оболочки 1, начинает испаряться и в виде пара направляется в теплообменник-конденсатор 4, где оно конденсируется, передавая тепло жидкому теплоносителю, заполняющему охлаждающий тракт теплообменника- конденсатора 4, и циркуляционным насосом 25 направляется в испаритель 3. Нагретый жидкий теплоноситель из охлаждающего тракта теплообменника- конденсатора 4 поступает к потребителю тепла (не показан). При испарении рабочего тела в каналах оболочки 1 последняя охлаждается до температуры конца прямого мартенситного превращения и перемещается в первоначальное положение. При этом впускной клапан 18 открывается, и в камеру 12 всасывается текучая среда (жидкость, воздух, пар). При движении оболочки 1 связанный с ней золотник 6 клапана 5 отсекает каналы 2 от теплообменника-конденсатора 4 и сообщает их с испарителем 3. Далее цикл повторяется. Движению оболочки 1 при ее охлаждении способствует оставшееся давление в пространстве между оболочкой 1 и стенкой насосной камеры 12 и внутренние микронапряжения оболочки 1.

0

Для ускорения движения оболочки 1 при охлаждении текучая среда, например жидкость, может подаваться в камеру 12 под давлением.

Тепло, отдаваемое оболочкой I теплообменнику-конденсатору 4, меньше тепла, получаемого от испарителя 3, (на величину, пропорциональную работе, произведенной оболочкой 1 за цикл . Шэтому часть рабочего тела, кон- дЬнсируемого за цикл в каналах 2 оЬолочки 1, не испаряется. Конденсат крторый не вмещают капилляры материа- л|а 16 стенок каналов 2, стекает в цилиндр 8 конденсатоотводчика 7 и через щели 21 и 22 байпаса 10 перетекает под поршень 9. При перемещении оболочки 1 в положение, обозначенное пунктиром, конденсат рабочего тела вытесняется поршнем 9 через оЗратный клапан 11 в испаритель 3. Распределитель 20 обеспечивает no- очередное или совместное снабжение паром рабочего тела двух оболочек

1.Этим достигается непрерывный расход пара из испарителя 3 и непрерывное его поступление в теплообменник- конденсатор 4.

Работа двигателя, изображенного на фиг,5-7, отличается от описан- нрго процесса тем, что каналы 2 обо- лЬчек 1 после нагрева последних конденсирующихся рабочим телом сообщают посредством клапанов 5 с каналами

2,следующей последовательно расположенной по ходу рабочего тела оболочки 1. Вследствие понижения давления рабочее тело испаряется за счет тепла нагретой ранее оболочки 1 и переносит тепло следующей оболочке 1, которая нагревается в процессе конденсации в ее каналах 2 рабочего тел Каждая последующая оболочка 1 нагревается до меньшей температуры, чем предыдущая, так как часть тепла рабочего тела преобразуется в работу при перемещении оболочек 1, а также вследствие тепловых потерь. Так как память материала каждой последующей оболочки 1 проявляется при меньшей температуре, чем память материала предыдущей оболочки 1, то вследствие нагрева последующей оболочки 1

до температуры ее обратного мартен- ситного превращения она перемещается, совершая работу нагнетания текучей среды в аккумулятор 13 давления. Одновременно оболочка 1 перемещает

0

5

0

5

0

5

0

5

связанный с ней золотник 6 клапана 5, который отделяет каналы 2 этой оболочки 1 от каналов 2 предыдущей оболочки 1 и сообщает с каналами 2 последующей оболочки. При охлаждении оболочек 1 за счет испарения рабочего тела в их каналах 2 оболочки 1 перемещаются в исходное положение вследствие проявления эффекта обратимой памяти формы их материала, при этом текучая среда через каналы всасывается в камеры 12. При нагреве последней оболочки 1 и при ее перемещении в положение, показанное пунктиром, ее каналы 2 клапаном 23 сообщаются с теплообменником-конденсатором 4, и испарившееся в каналах 2 этой оболочки 1 рабочее тело конденсируется в теплообменнике-конденсаторе 4. Жидкая текучая среда постоянно вытесняется из аккумулятора 13 давления через регулирующий орган 15 и воздействует на подвижное звено нагрузки (не показано). При этом заполняющий верхнюю часть аккумулятора 13 воздух способствует компенсации колебаний давления в аккумуляторе 13 и расхода вытесняемой из него текучей среды.

Таким образом, тепло рабочего тела, отводимое от оболочек 1, дополнительно преобразуется в полезную работу при нагреве последующих оболочек 1 и проявлении памяти их материала, что обеспечивает повышение экономичности двигателя.

Формула изобретения

1. Тепловой двигатель, содержащий связанные с подвижным звеном нагрузки оболочки из материала с термомеханической памятью формы, схватывающие заполненные парами и/или конденсатом рабочего тела полости, причем каждая полость соединена с нагревателем и с холодильником через свой двухпози- ционный клапан, золотник которого механически связан с охватывающей эту полость оболочкой, а холодильник выполнен в виде рекуперативного теплообменника, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодильником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом без промежуточного

1

теплоносителя, он дополнительно снабжен конденсатоотводчнками по числу оболочек, каждый конденсатоотводчик выполнен в виде цилиндра с поршнем, байпасом и обратным клапаном, цилиндр каждого конденсатоотводчика сообщен с одной из полостей, а поршень механически связан с охватывающей эту полость оболочкой, причем нагреватель и холодильник выполнены соответственно в виде испарителя и конденсатора, сообщенных через двухпозиционные клапаны с полостями, охваченными оболочками.

2. Двигатель по п.1, отличающий с я тем, что, с целью обеспечения возможности его использования в качестве источника давления, он до,. Q 5

939110

3.Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла рабочего тела, отводимого от оболочек, последние выполнены из материалов с различными температурами проявления памяти, а охваченные ими полости последовательно соединены одна с другой через двухпозиционные клапаны в порядке понижения температуры проявления памяти

от оболочки к оболочке по ходу рабочего тела.

4.Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен аккумулятором давления, сообщенным с насосными камерами пос

Изобретение позволяет повысить удельную мощность и экономичность устройств, в которых механическую энергию получают за счет тепловых деформаций оболочек из материала с термомеханической памятью, и может быть использовано при создании двигателей, насосов, компрессоров и движителей. Повышение удельной мощности и экономичности достигается путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодильником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом (РТ) без промежуточного теплоносителя, а также путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла, отводимого от оболочек. Двигатель содержит оболочки 1 с выполненными в них каналами (К) 2. Оболочки 1 выполнены из материалов с различными температурами проявления памяти, а их К 2 последовательно соединены друг с другом через двухпозиционные клапаны 5 в порядке понижения температуры проявления от оболочки к оболочке по ходу РТ. Оболочки выполнены в виде подвижных стенок насосных камер 12. К 2 каждой оболочки сообщены с поршневыми конденсатоотводчиками 7. Поршни 9 конденсатоотводчиков 7 и золотники 6 К 5 механически связаны с оболочками 1. Поступающее из испарителя РТ конденсируется на ближайшей оболочке 1 и нагревает ее. В результате проявления памяти оболочка перемещается, вытесняя текучую среду из своей камеры 12 и переключая К 5. Золотник 6 К 5 разобщает К 2 своей оболочки с испарителем и сообщает их с К 2 последующей оболочки. В результате понижения давления РТ испаряется в К 2 горячей оболочки 1 и конденсируется в К 2 последующей холодной оболочки 1, нагревая ее до меньшей температуры, при которой проявляется ее память. Из К 2 последней оболочки 1

полнительно снабжен насосными камера-2Q редством дополнительно установленных

ми переменного объема по числу оболочек, а последние выполнены в виде подвижных стенок камер.

обратных клапанов, и дополнительно установленным на выходе аккумулятора регулирующим органом.

редством дополнительно установленных

обратных клапанов, и дополнительно установленным на выходе аккумулятора регулирующим органом.

Фи.г.2

фие. 3

16

ФюМ

Фиг. 5

16

Фиг. 6

ii

17

11

IS

п