Тепловой двигатель Советский патент 1991 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым двигателям с внешним подводом тепла с твердыми термочувствительными элементами из материала с термомеханической памятью, и может быть использовано в качестве привода различных потребителей механической энергии, работающего за счет тепловой энергии низкотемпературных источников тепла

Цель изобретения - повышение удельной мощности,

На фиг 1 представлен предлагаемый тепловой двигатель, осевой разрез; на фиг,2 - узел I на фиг. 1 (узел кинематической связи

одной из термочувствительных спиралей е диском), на фиг 3 - узел I на фиг 1 (узел кинематической связи другой термочувствительной спирали со своим диском).

Тепловой двигатель содержит размещенные в корпусе 1 в зазорах 2 и 3,образованных коаксиальными цилинидрическими контактными нагревателем 4 и холодильником 5, термочувствительные элементы в виде геликоидальных спиралей 6 и 7 из материала с термомеханической памятью изменения их кривизны. Одни концы спиралей 6 и 7 соединены с корпусом 1, а другие - с расположенным коаксизльно нагревателю

4 и чолодилыи, ку 5 валом 8 отбора M.V.VIG- сти посредством жестко закреплен,ых на последнем дисков 9 и 10. Нагреватель 4 и холодильник 5 выполнены в виде двухступенчатых полых цилиндров, теплоизолированных друг от друга и от окружающей среды теплоизоляционным материалом 11 и теплоизоляционными втулками 12. Ступень 13 меньшего диаметра нагревателя 4 размещена внутри ступени 14 большего диаметра холодильника 5, а ступень 15 меньшего диаметра холодильника 5 - внутри ступени 16 большего диаметра нагревателя 4, В дисках 9 и 10, закрепленных на противоположных концах вала 8, выполнены радиальные прорези 17 и 18. Спирали 6 и 7 связаны с дисками 9 и 10 посредством пальцев 19 и 20 и установленных в прорезях 17 и 18 роликое 21 и 22. Зазоры 2 и 3 между нагревателем 4 и холодильником 5 вакуумированы. Ступени 13 и 16 соответственно меньшего и большего дигметров нагревателя А связаны между собой при помощи теплопроводящих винтов 23. Неподвижные концы 24 и 25 спиралей 6 и 7 соединены с корпусом 1 в зонах стыковки ступеней 14 и 15 большего и меньшего дисметро холодильника 5. Вал 8 раз мршен ви внутренних полостях секций 13 и 1Ь, закреплен одним концом в полшипникс 26, а другим связан с объектом 27 работы Нагреватель 4 и холодильник 5 имеют теплопроводные крышки 28 и 29 соо сетотвен- но, удзожиеазмыс винтами 30. В крышке 29 холодильника 5 расположен сальник 31 для держания вакуума в зазорах 2 п 3

Тепловой двигатель работает слезую- щим образом.

С учетом симметричности его конструкции (фиг.1) рассмотрим вначале процесс преобразования тепловой энергии в механическую на примере работы его нижней части, где расположены ступень 16 нагревателя и ступень 15 холодильника. Расположенная в зазора 3 между ними спираль 6 еще на стадии изготовления намотана на стержень с диаметром, в точности равным наружному диаметру ступени S5 холодильника 6, и заневолена при температуре нагревателя 4, т.е. при этой температуре и геомефии спираль 6 запоминала свою форму. При охлаждении в результате структурного превращения спираль 6 теряет свои упругие свойства и под действием небольших внешних усилий может легко принижать любую Форму, в том числе в точности повторяющую форму внутренней поверхности ступени 1(5 нагревателя 4, т.е. может плотно прижаться к этой поверхности. Спираль б при температуре холодильника 5 при изготовлении перемещают из положения,

изображенного на фиг.1 сплошной w..we в положение, изображенное штриховой линией, т.е. прижимают спираль 5 к внутренней поверхности ступени 16 нагревателя 4.

После прогрева спираль б вспоминает

заданную ей при изготовлении форму и самопроизвольно переходит в положение, при котором она плотно охватывает ступень 15 холодильника 5. Этот переход осуществляется скачком. При указанном переходе большие термоупругие силы спирали б через палец 19 и ролик 21 (фиг.З) поворачивают на строго фиксированный угол диск 9 и вал 8 двигателя (фиг. 1), тзк.как другой конец

24 спирали 6 закреплен в корпусе 1. Таким образом совершаете рабочий такт двигателя. После этого, будучи прижатой к ступени 15 холодильника 5, спираль б охлаждается и становится податливой вследствие резкого

уменьшения модуля упругости ее материала Чтобы замкнуть цикл, необходимо теперь приложить небольшое внешнее усилия и осуществить холостой ход спирали 5 з сторону внутренней поверхности ступени

15 нагревателя 4, например воздействовать на вал 8 и через кинематическую связь диск 9 - прорезь 17 - ролик 21 - палец 19 - с «ираль 6 прижать последнюю при температуре холодильника 5 к ачсокотемпературной поверхности ступени 15 нагревателя 4.

В процесса указанного перехода спираль 6 не успевает существенно повысить свою температуру из-за практического отсутствия теплообмена (конвекиией и теплопроводностью) в вакуумированном зазоре 3. В области температур, при которых работают подобные нитииоловые двигатели, радиационная составляющая теплообмена

между ступенью 16 нагревателя 4 и спиралью 6 ничтожно мала Будучи прижатой в холодном состоянии к нагревателю 4, спираль 6 прогревается и, достигнув температуры нагревателя 4, вспоминает заданную

ей форму, перемещаясь под действием большого усилия через зазор 3 в сторону секции 15 холодильника 5. При этом она совершает рабочий такт - угловой поворот диска 9. Далее описанный цикл работы повторяется.

Верхняя часть двигателя (фиг.1) выполнена симметричной с нижней, но рабочий такт спирали 7 совпадает с холостым ходом спирали 6, поэтому двигатель сам одновременно с раскручиванием спирали 6 через вал 8, диск 10,прорезь 18, ролик 22 и палец 20 скручивает спираль 7, когда последняя совершает холостой ход

Перекрестное совпадение рабочего такта спирали 7 с холостым тактом спирали 6

достигается тем, что в процессе изготовления спирали 7 и ее термической обработки указанная спираль 7 заневоливается при температуре нагревателя 4 на стержне, внешняя поверхность которого в точности повторяет внутреннюю цилиндрическую поверхность ступени 14 холодильника 5, При такой технологии изготовления спираль 7 при высокой температуре нагревателя 4 запоминает форму внутренней поверхности цилиндрической ступени 14 холодильника 5. Поэтому, будучи прижатой к наружной поверхности ступени 13 нагревателя 4, после прогрева спираль 7 самопроизвольно и с большим усилием перемещается в сторону ступени 14 холодильника 5, совершая рабочий такт. После охлаждения спираль 7 теряет упругие свойства, и ее скручивает рабочее усилие спирали 6, прижимая спираль 7 к ступени 13 нагревателя 4. После прогрева на цилиндрической поверхности ступени 13 спираль 7 совершает рабочий такт, поворачивая вал 8 и раскручивая в холостом такте спираль 6

Указанным образом совершается непрерывное угловое знакопеременное вращение вала 8 в условиях непрерывного подвода теплоты Qi и отвода теплоты Q2 (фиг.1). Полезная работа, выполняемая двигателем, равна разности Qi - Q2, а термический КПД rj определяется выражением (Qi Q2)/Qi. Вал 8 двигателя может быть связан с обьектом 27 работы посредством какого-либо известного преобразователя (не показан), на выходе которого можно получить непрерывное вращательное или поступательное движение.

Опытный макет предлагаемоготеплового двигателя изготовлен в лаборатории кафедры автоматических теплоэнергетических процессов. В качестве материала термочувствительных спиралей б и 7 использован нити- нол, двухступенчатые нагреватель 4 и холодильник 5 выполнены из меди. Обьектом 27 работы двигателя служил гидронасос мемб- ранного типа. Испытания двигателя показали его высокую удельную мощность и надежность.

10

Формула изобретения

Тепловой двигатель, содержащий размещенный в корпусе в зазоре, образованном цилиндрическими контактными коаксиальными нагревателем и холодильником, термочувствительный элемент в виде геликоидальной спирали из материала с термомеханической памятью изменения ее кривизны, причем один конец спирали соединен с корлусом, а другой - с расположенным коаксиально нагревателю и холодильнику валом отбора мощности посредством жестко закрепленного на последнем диска, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности, он дополнительно снабжен спиралью с диском, размещенной в зазоре, образованном нагревателем и холодильником, последние выполнены в виде двухступенчатых полых цилиндров, теплоизолированных

друг от друга, ступень меньшего диаметра нагревателя размещена внутри ступени большего диаметра холодильника, а ступень меньшего диаметра холодильника - внутри ступени большего диамегоанагревателя, в дисках, закрепленных на противопо- ложных концах вала, выполнены радиальные прорези, спирали связаны с дисками посредством дополнительно установленных в прорезях роликов, а зазоры между

нагревателем и холодильником вакуумиро- ваны.

Я f I

1tJ 77. й й#

г

30

Изобретение относится к теплоэнерге тике, позволяет повысить удельную мощ ность двигателей с внешним подводом тепла с твердыми термочувствительными элементами из материала с термомеханиче ской памятью и может быть использовано в качестве привода различных потребителей механической энергии, работающего за счет тепловой энергии низкотемпера гурных источников Дви.атель содержит размещенные в корпусе 1 в зазорах 2 и 3. образованных двухступенчатыми коаксиальными цилиндрическими контактными нагревателем 4 и холодильником 5, термочувствительные геликоидальные спирали 6 и 7 из материала с термомеханической памятью. Одни концы спиралей 6 и 7 соединены с корпусом 1, а другие - с валом 8 посредством закрепленных на последнем дисков 9 и 10 Ступень 13 меньшего диаметра нагревятеля 4 размещена внутри ступени 14 большего диаметра нагревателя 4 Списали 6 и 7 соединены с ва/юм 8 в противофззе При нагреве одной из спиралей 6 или 7 она вспоминает форму, приданную ей при изготовлении поворачивает вал 8, совершая рабочим ход, и перемещается до контакта с холодильником 5, одновременно перемещая другую охлажденную податливую спираль 7 или 6, СООТВОТСТНРННО холостой ход до контакта ее с нагревателем 4 При охлаждении модуль упругости материала спиралей 6 и 7 резко уменьшается Далее рабочий ход со вершается другой нагретой спиралью 7 или 6. 3 ил. ш

Редактор М.Петрова

Составитель Л.Тугарев Техред М.Моргентал

фугЗ

Корректор Н.Король