Устройство преобразования тепловой энергии в механическую Советский патент 1992 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и приборостроению, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую с использованием разности температур между двумя средами или в среде.

Известно устройство осуществления способа. Оно содержит бесконечную трансмиссию, установленную на двух колесах в вертикальном положении, и на которой последовательно расположены герметичные рабочие камеры переменного объема, образованные упруго-эластичной пленкой. Рабочие камеры имеют теплопроводные стенки, но теплоизолированы друг от друга, частично заполнены смесью газа и жидкого растворителя. Часть рабочих камер погружена в жидкость, а остальные находятся в контакте с окружающей средой, причем температура жидкости больше, чем температура окружающей среды, например, воздуха.

Недостатком известного технического решения является то, что оно позволяет преобразовывать только тепловую энергию перепада температур между жидкостью, имеющей более высокую температуру, чем среда, расположенная над ней, а в случае, если температура жидкости ниже, чем среды, расположенной над жидкостью, оно неработоспособно. Недостатком устройства является также то, что известное техническое решение работоспособно только в относительно небольшом диапазоне значений абсолютных температур сред, перепад между которыми используют.

Известное устройство для осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую содержит ряд герметичных эластичных камер 1 переменного объема, расположенных вдоль бесконечной трансмиссии цепи, установленной на двух блоках, оси вращения которых смещены друг относительно друга по вертикали. Между камерами установлены теплообменники постоянного объема с жесткими стенками. Каждая камера соединена через перекрываемый клапан с одним соседним теплообменником, расположенным ниже нее на нисходящей ветви цепи. Камеры и теплообменники частично заполнены термочувствительным рабочим телом - легкоиспаряющейся жидкостью. Нижний участок цепи погружен в теплую жидкость, температура которой выше температуры кипения легкокипящей жидкости, а верхний участок цепи находится в окружающей среде, температура которой ниже температуры конденсации легкокипящей жидкости.

Недостатком устройства является то, что оно неработоспособно, когда температура окружающей среды выше и/или температура жидкости ниже температуры

кипения легкокипящей жидкости, т. е. диапазон функциональных возможностей узок. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, содержащее средства подвода и отвода

0 тепла, герметичный корпус, состоящий из двух емкостей, верхней и нижней с теплопроводными стенками, верхняя и нижняя емкости разделены теплоизоляционной проставкой. внутри корпуса размещена бес5 конечная трансмиссия из ряда герметичных рабочих камер переменного объема, частично заполненных рабочим телом. Трансмиссия установлена на двух колесах, оси вращения которых смещены друг относи0 тельно друга по вертикали с образованием восходящей и нисходящей ветвей трансмиссии, разделенных теплоизоляционной перегородкой. Верхняя и нижняя емкости заполнены теплопроводящими нераствори5 мыми друг в друге средами.

Недостатком известного технического решения является узость функциональных возможностей, а именно его неработоспособность, когда температура жидкости ни0 же, чем температура газа, а также узкий диапазон изменений значений температур сред, перепад которых используют для получения механической энергии.

Цель изобретения - расширение функ5 циональных возможностей, а именно на преобразование тепловой энергии перепада температур между нижерасположенной средой, имеющей более низкую температуру, и расположенной над ней средой, имею0 щей более высокую температуру, а также на расширение диапазона изменений значений температур сред, при которых работоспособно устройство,

Цель достигается тем, что рабочие ка5 меры содержат жесткую раму, на которой они установлены, и две герметичные силь- фонные камеры, одна из которых больше второй, большая и меньшая сильфонные камеры состоят каждая из сильфона, соответ0 ственно имеющего больший или меньший диаметр, один конец которого закрыт жестким днищем, установленным на раме, а второй - общей для сильфонных камер жесткой диафрагмой, которая установлена с возмож5 ностью продольного перемещения. При этом меньшая камера заполнена рабочим телом, а большая - неконденсирующимся газом, а большие сильфонные камеры всех рабочих камер гидравлически сообщены между собой.

Выполнение сильфонных камер, имеющих общую диафрагму, с различной площадью поперечного сечения, является необходимым условием увеличения общего объема рабочих камер и их плавучести в нижерасположенной зоне охлаждения и уменьшения их объема и плавучести в вышерасположенной зоне нагревания, что обеспечивает работоспособность устройства в этих условиях. Выполнение меньшей камеры приводной, а большей - приводимой позволяет увеличить объем рабочей камеры в зоне охлаждения и наоборот - уменьшить его в зоне нагревания. Гидравлическое соединение больших сильфонных камер, заполненных неконденсирующимся газом, дает возможность автоматически поддерживать требуемое рабочее давление в них. В совокупности эти признаки позволяют достичь поставленную цель, а каждый из них является необходимым для этого.

На чертеже представлен общий вид устройства.

Устройство содержит ряд рабочих камер 1 переменного объема, выполненных в виде двух герметичных камер 2 и 3 переменного объема, например, сильфонного типа, имеющих общую жесткую подвижную диафрагму 4 и жесткие неподвижные торцевые, установленные на жесткой раме 5 днища. Герметичная камера 2 имеет теплопроводные стенки и заполнена рабочим телом б, например, фреоном 114 или жидким аммиаком, а камера 3 - теплоизолирующие и заполнена неконденсирующимся газом 7. Камера 2 имеет поперечное сечение, меньшее, чем аналогичное сечение камеры 3, которые гидравлически последовательно соединены между собою гибкой связью 8. Бесконечная цепь, образованная рабочими камерами 1, соединенными гибкими связями 8, установлена на колесах 9 и 10, имеющих выступы 11, предназначенные для направления и удержания бесконечной цепи в требуемом положении. Между колесами 9 и 10 установлена перегородка 12, выполненная из теплоизолирующего материала. Колеса 9 и 10 с цепью рабочих камер 1 и перегородка 12 установлены в жестком сосуде 13, имеющем теплопроводящие стенки. Нижняя часть сосуда 13 теплоизолирована от верхней его части теплоизолирующей стенкой 14, разделяющей также среды, перепад температур между которыми используют. Причем левая и правая стороны верхней и нижней части сосуда 13 относительно перегородки 12 теплоизолированы на различную высоту. Нижняя часть сосуда 13 заполнена теплопроводящей жидкостью 15, например, водой до середины части стенки сосуда 13, теплоизолирующей верхнюю и нижнюю его части. Верхняя часть сосуда 13 заполнена также теплопроводной жидкостью 16, но имеющей плотность, меньшую чем жидкость 15, например, керосином. Жидкости 15 и 16 практически не растворимы друг в друге. Оси колес 9 и 10 опираются на стенки сосуда 13 и соединены с потребителем механической энергии вращения (на фиг. не показано). Одна из гибких связей имеет вентиль 17, позволяющий изменять давление газа 7 или заменять газ жидкостью. Подвижная диафрагма 4 выполнена состоящей из двух жестких стенок 18 и 19 соответственно камер 2 и 3 и имеющей зазор 20 между ними, обеспечивающий свободное обтекание их внешних сторон (по отношению к камерам 2 и 3). Устройство работает следующим образом.

При охлаждении нижней части сосуда 13. напимер, грунтом, в котором эта часть находится, и подогревании верхней части, находящейся, например, в воздухе, имеющем более высокую температуру, чем грунт, жидкость 15 охлаждается, а жидкость 16 нагревается. В результате камеры 2 и имеющееся в них рабочее тело 6, находящиеся в жидкости 15, охлаждаются, а находящиеся

в жидкости 16 нагреваются. В охлаждаемых камерах 2 давление понижается, их объем уменьшается, что вызывает сдвиг подвижной диафрагмы 4 и увеличение объема камер 3. В зоне нагревания камер 2 давление

в них возрастает, объем увеличивается, повышение давления со стороны камеры 2 приводит к уменьшению объема камер 3, имеющих общую диафрагму 4,

Давление на подвижную диафрагму 4

камеры 1 в неподвижном ее положении определяется зависимостью

Р2ОД2 РЗОД + Рж(ОД -О) 2).(1)

где Ра - давление в камере 2;

Д1 - площадь давления камеры 2 на по- движную диафрагму 4;

Рз - давление в камере 3; Шз - площадь давления камеры 3 на подвижную диафрагму 4;

Рж - давление жидкости 15 и 16 на по- движную диафрагму 4.

При условии, что потери давления на перемещение газа 7 между емкостями до-, статочно малы, чтобы ими пренебречь, его давление можно считать постоянным. Тогда из равенства (1) находим

- Ржп (ЫЗ -О) 2) Р2т(02 + Ржт (ftU -ад).(2)

где индекс п 1 означает принадлежность к камере п, а индекс т - то же к камере |:т.

При расположении камер 2 п и т симметрична перегородке 12 in одной гори- зонгали с достаточной точностью можно считать,что

Ржп Ржт.Ь)

Отсюда из зависимости (2) имеем

P2n P2m(4)

При выполнении условии (4) диафрагма 4 неподвижна. Однако, если

Р2п Р2т,(5)

го диафрагма 4 камеры п смещается, сжимая камеру 3 и расширяя камеру 2. При выполнении условия

P2n Р2т(6)

диафрагма 4 смещается в обратном направлении для случая, описанного неравенством

(5).

При расположении камер п и т на различных отметках по высоте из зависимости (2)

DP2m (02 + (Ржп - Ржт) (СОЗ ftfc) ,-,,

s 2n „ шгV

При выполнении равенства (7) диаф- оагма 4.неподвижна. Однако, если

- - Р2т Ц2 + (Ржп - Ржт) (ШЗ (02)

ЙЛ2

,(8)

1C диафрагма 4 камеры п смещается в направлении, при котором емкость 2 расширяется, а емкость 3 сжимается, при этом общий объем камеры п уменьшается. При

ID Р2т ОУ1 + (Ржп - Ржт) ( - ( ,Q4 1 2n Gfcl

диафрагма 4 камеры п смещается в направлении, обратном, чем п случае выполнения неравенства (8).

При увеличении объемя камеры 2 на величину AW2, принимая во внимание постоянство площади поперечного сечения имеем, что диафрагма 4 сдвигается на величину

AJ-AW2

AI- F2

где F2 - средняя площадь поперечного сечения камеры 2.

8 этом случае объем камеры 3 уменьшится на величину Д Л/з, равную

.Рз.(10)

где Рз средняя площадь поперечного сечений камеры 3.

Тогда изменение объема камеры 1 равно

AW3-AW2(11)

лп л, принимая во внимание (10), имеет

-Fb

(12)

AWK AW2(|r ОТак как

.(13)

то абсолютное значение величины объема камеры 1 всегда положительное, но имеет обратный знак изменению объема камеры 2. Это означает, что когда объем камеры 2 увеличивается, общий объем камеры 1

0 уменьшается и наоборот, когда объем камеры 2 уменьшается, то объем камеры 3 увеличивается.

Так как объем камеры 2 при нагревании в жидкости 16 увеличивается, что общий

5 объем камеры 1 уменьшается в зоне нагревания жидкостью 16, и, наоборот, в зоне жидкости 15 камера 2 охлаждаются, их объем уменьшается, по увеличивается общий объем камер 1, В результате плавучесть ка0 мер 1 слева от перегородки 12 (см. фиг,) выше, чем справа, слева камеры 1 всплывают, а справа -опускаются, вращая при этом колеса 9 и 10.

Таким образом обеспечивается преобразование ТСПЛОРОЙ энергии перепада,температур между нижерасположенной средой, имеющей более низкую 1емперату- ру, чем среда, расположенная над ней, причем при этом исключается загрязнение окружающей среды парами теплообмеиива- ющихсл жидкостей.

Если камеры 3 вместо газа 7 заполнены через вентиль 17 жидкостью, имеющей плотность выше, чем плотность жидкостей 15 и 16, то предлагаемое техническое решение позволяет преобразовывать тепло перепадатемпературмеждунижерасположенной средой, имеющей более высокую температуру и вышерасположенной средой, имеющей более низкую температуру.

В этом случае при увеличении объем камер 1 вес их увеличивается на большую величину, чем плавучесть, а при уменьше5 нии их объема, вес их уменьшается на большую величину, чем плавучесть, за счет соответственно поступления в емкости 3 рабочих камер 1 и выталкивания из них жидкости, имеющей большую плотность, чем

0 жидкости 15 и 16.

Предлагаемоетехническое решение может быть использовано для подзарядки самопишущих гидрометрических и метеорологических приборов, расположен5 ных в труднодоступных и удаленных местах,

Формула изобретения Устройство преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее сред5

0

5

0

ства подвода и отвода тепла, герметичный корпус, состоящий из двух емкостей: верхней и нижней с теплопроводными стенками, верхняя и нижняя емкости разделены теплоизоляционной проставкой, внутри корпуса размещен ряд герметичных рабочих камер переменного объема, частично заполнен ных рабочим телом, последовательно расположенных на бесконечной трансмиссии, установленной на двух колесах, оси вращения которых смещены одна относительно другой по вертикали с образованием восходящей и нисходящей ветвей трансмиссии, разделенных теплоизоляционной перегородкой, причем верхняя и нижняя емкости заполнены теплопроводящими нерастворимыми одна в другой жидкостями, о тличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, рабочие камеры содержат жесткую раму и две герметичные сильфонные камеры: большую

и меньшую, которые состоят каждая из силь- фона соответственно, большего или меньшего диаметра, один конец которого закрыт днищем, второй - общей для сильфонных камер диафрагмой, днища сильфонов жестко закреплены на раме, а диафрагма установлена с возможностью продольного перемещения, причем меньшая камера заполнена рабочим телом, а большая - неконденсирующимся газом, кроме того, большие

сильфонные камеры всех рабочих камер гидравлически сообщены между собой.

Использование: приборостроение, машиностроение для преобразования разности температур между двумя средами в механическую энергию. Сущность изобретения: рабочие камеры 1 выполнены в виде двух герметичных камер 2, 3 переменного обьема. Камера 2 заполнена рабочим телом, 13 а камера 3 - неконденсирующимся газом. Камеры 2,3 имеют общую подвижную диафрагму 4. При переходе рабочих камер 1 из теплой жидкости 16 в холодную жидкость 15происходит резкое уменьшение давления в камерах 2, что вызывает смещение диафрагмы 4 и увеличение общего обьема камеры 1. т. е. повышается плавучесть последней. В результате за счет разности плавучести камер 1 на правой и левой ветвях обеспечивается постоянное поступление камер 1 из теплой жидкости 16 в холодную. жидкость 15 в случае, когда теплая жидкость 16расположена выше холодной жидкости 15. 1 ил. 75 Ј го V| О 00 00 о о 75 п