close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6007

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6007
(13) C1
(19)
7
(51) F 03G 7/06, 6/00
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
(21) Номер заявки: a 20000740
(22) 2000.08.02
(46) 2004.03.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии наук
Беларуси" (ГНУ ИРБ НАН Беларуси) (BY)
(72) Автор: Комиссаров Феликс Давидович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси" (ГНУ ИРБ НАН Беларуси) (BY)
BY 6007 C1
(57)
1. Тепловой двигатель, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе ротор с термочувствительными элементами, выполненными в виде герметичных трубок с противоположно направленными наконечниками Г-образной формы,
заполненными термочувствительной средой, поршни и тепловой экран, отличающийся
тем, что в корпусе двигателя в зоне нагрева фронтально тепловому потоку размещен отражатель, тепловой экран которого размещен параллельно оси ротора и выполнен, как и
сам ротор, из пластического материала, слабо проводящего тепло и обладающего высокой
тепловой и коррозионной стойкостью, а в зоне нагрева размещены трубки регенератора,
имеющего обратную связь с зоной охлаждения по жидкому теплоносителю, при этом в
корпусе двигателя имеются вырезы, один из которых выполнен в виде узкого окна вдоль
Фиг. 1
BY 6007 C1
образующей ротора со стороны потока излучения, а второй расположен сверху, а Г-образные наконечники, имеющие хорошую теплопроводность и малую теплоемкость, частично
заполнены пористым материалом и легко испаряющейся жидкостью, размещенными в их
концах, причем в герметичных трубках расположены поршни, соединенные между собой
штоком с двумя ограничителями, изготовленные из тяжелого, не проводящего тепло материала и установленные с возможностью перемещения по длине трубок под действием
давления паров жидкости, при этом в центре герметичных трубок размещен компенсатор
давления, а источник излучения размещен вне корпуса.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что вырез в корпусе выполнен в зоне нагрева по месту размещения наконечников на ширину, обеспечивающую свободное пропускание излучения к наконечникам, и ограничен углом 45-90° от вертикали по ходу вращения
ротора по часовой стрелке.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что длина штока, соединяющего между собой поршни, выполнена с возможностью обеспечения при нахождении одного из поршней
на минимальной рабочей высоте в зоне охлаждения или нагрева расположение второго
поршня, в этот момент, на оси ротора строго по центру его тяжести.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что отражатель выполнен из меди с различного цвета покрытием, от белого до черного, в зависимости от длины волны светового потока и от тепловой мощности источника излучения и имеет подпитку тепловой энергией
от регенератора.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что компенсатор давления выполнен из легкого материала и имеет в центре с обоих торцов расточку и отверстие несколько большее
диаметра штока, причем отверстие с обеих сторон компенсатора выполнено коническим.
6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ограничители на штоке выполнены коническими и размещены в штоковой полости поршня.
7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легкокипящей жидкости используются диссоциирующие системы N2O4, NOCI, NOBr или любая другая жидкость:
вода, спирт, эфир.
(56)
US 3659416 A, 1972.
SU 1444559 A1, 1988.
SU 1455040 A1, 1989.
SU 1250702 A1, 1986.
SU 877111 A, 1981.
Изобретение относится к устройствам, позволяющим преобразовывать тепловую
энергию в механическую, электрическую при использовании энергии солнечного тепла
или других источников тепловой энергии с малыми перепадами температур, и может использоваться как вентилятор, для привода различных машин и механизмов, и как дополнение к ветряному двигателю.
Известно устройство, которое представляет собой герметично выполненный сосуд в
виде стеклянной трубочки с наконечниками с обоих концов в виде шаровых емкостей, одна из которых заполнена легкоиспаряющейся при комнатной температуре жидкостью этиловым эфиром, а вторая - парами этой жидкости, причем первая имеет несколько
больший внутренний объем, что обеспечивает размещение устройства в вертикальном положении, а по центру оси от краев обоих сосудов на трубке закреплена ось вращения, которая обеспечивает колебание всей системы относительно опор, имеющих скользящие,
жестко закрепленные на опорах подшипники. На меньшей по объему емкости надето пористое кольцо, обеспечивающее смачивание кольца водой из стаканчика, установленного
2
BY 6007 C1
прямо под меньшей по объему емкостью при принудительном размещении трубки устройства параллельно горизонту. Колебательные движения устройства осуществляются за
счет того, что при погружении меньшей емкости с надетым на нее пористым кольцом в
воду понижается температура внутри объема меньшей емкости по отношению к температуре в объеме стеклянной трубки и нижней шаровой емкости, заполненной легкоиспаряющейся жидкостью, что приводит к уменьшению давления насыщенного пара в верхней емкости и жидкость вытесняется вверх по трубке превосходящим давление паров в
нижней емкости, при этом центр тяжести устройства перемещается и устройство занимает
горизонтальное положение. В этом положении в устройстве произойдут независимо друг
от друга два процесса а) из вертикального положения устройство займет горизонтальное
положение и верхняя емкость обмокнет свое пористое кольцо в стаканчик с водой, б) произойдет смещение насыщенного пара нижней и верхней емкости и при этом давление
обеих емкостей уравновешивается (за счет тепла окружающего воздуха произойдет небольшое повышение температуры паров), и жидкость из трубки под действием собственного веса вытечет в нижнюю емкость и при этом устройство снова расположится вертикально. Колебательные движения устройства будут осуществляться до тех пор, пока кольцо на верхней емкости будет смачиваться водой из стаканчика, и при условии, что влажность окружающего воздуха не близка к насыщению, что обеспечивает нормальное испарение воды из пористого кольца, при этом тепло окружающего воздуха непрерывно
поступает к устройству и служит источником энергии предаваемой жидкости в нижней
емкости [1].
К недостаткам конструкции этого устройства следует отнести его способность совершать только колебательные движения вокруг центра тяжести и неспособность совершать
вращение относительно опор.
Известен двигатель под названием "Стирлинга двигатель". Это двигатель внешнего
сгорания - первый двигатель с внешним подводом тепла и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу с незамкнутым циклом, разработанный Р. Стирлингом еще в 1816 году. Он работает на подогреваемом воздухе. Современный С.д. работает по замкнутому регенеративному циклу, состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. Рабочее тело С.д. - гелий и водород под давлением 10-20 МПа - находится в замкнутом пространстве
и во время работы не заменяется, а лишь изменяет объем при нагревании и охлаждении,
регенератор как бы разделяет это пространство на горячую и холодную полости. К горячей полости теплота подводится от нагревателя, от холодной полости отводится охладителем, в котором циркулирует вода. В С.д. используются два поршня - рабочий и вытеснитель. Преобразователь возвратно-поступательного движения поршней во вращательное
движение осуществляется ромбическим механизмом, обычным кривошипно-шатунным
механизмом или косой шайбой. Рабочий цикл осуществляется за 4 такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение. Созданы опытные конструкции для работы на автомобилях, судах, в стационарных условиях [2].
К недостаткам этого двигателя следует отнести трудность его массового изготовления
ввиду высоких требований к технологии его изготовления для современного машиностроения из-за применения в качестве рабочего тела высокотекучих гелия и водорода.
Так, главный недостаток газовых циклов на инертных газах (Не, СO2) - малый коэффициент полезной работы (0,2-0,35) и низкий КПД цикла при высоких температурах (500600 °С).
Известен тепловой двигатель, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения и
ротор, проходящий через зоны нагрева и установленный на неподвижном основании с
возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и снабженный термочувствительными рабочими элементами с прикрепленными к ним дисбалансными грузами, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вращения, а ротор снабжен жесткими упорами и
3
BY 6007 C1
его рабочие элементы закреплены между ними и установлены с прогибом в сторону от
оси вращения. Подвод тепла к зоне нагрева осуществляется при помощи горелки. А зона
охлаждения ограничена экраном [3].
Устройство работает следующим образом. При включении горелки ближайшие к ней
термочувствительные рабочие элементы нагреваются и удлиняются, выгибаясь и перемещая грузы в сторону от оси вращения. При деформации одного или нескольких элементов
возникает момент дисбаланса, под действием которого ротор поворачивается на некоторый угол, в результате чего в зону нагрева перемещаются другие рабочие элементы, а нагретые элементы попадают в зону охлаждения, где при остывании они возвращаются в
исходное состояние и приближают дисбалансные грузы к оси вращения. Таким образом,
рабочий процесс двигателя повторяется, и ротор приводится в непрерывное вращение.
К недостаткам устройства следует отнести: 1) выполнение термочувствительных рабочих элементов в виде опорных балок из монометалла, имеющего большой коэффициент
линейного расширения, с прогибом от оси вращения, что не обеспечивает отхождение
груза на большое расстояние от оси ротора и, следовательно, плечо, на котором размещен
груз, не на много увеличивается по сравнению с плечом, на котором размещен противоположный груз, и крутящий момент получается небольшим для получения двигателя
большой мощности; 2) разделение зоны нагрева и зоны охлаждения только экраном не
обеспечивает достаточную разность температур между этими зонами при воздушном охлаждении, и, следовательно, получаем двигатель малой мощности.
Наиболее близким по своей технической сущности является двигатель, описанный в
американском патенте, который включает в себе корпус, с зонами нагрева и охлаждения,
установленный в корпусе ротор, выполненный в виде диска, через ось вращения которого
в определенной последовательности начиная от вертикали со смещением угла расположения на 45° проходят трубки термочувствительных элементов, расположенных по диаметру
ротора, оба конца термочувствительных элементов имеют расположенные под прямым
углом к термочувствительным элементам противоположно направленные наконечники,
размещенные по образующей ротора, заполненные некоторым количеством воды, в которых с передней стороны наконечников вставлены омические нагреватели, имеющие контакт с электрической сетью посредством клемм, размещенных вокруг оси вращения ротора. Нагрев жидкости в наконечниках осуществляется с левой стороны ротора, а в правой
стороне ротора наконечники отключены от сети. Уже на входе в левую часть ротора, условно названную зоной нагрева, рабочая жидкость под действием электрического нагревателя начинает испаряться в нижнем наконечнике, и ее пары по трубке термочувствительного элемента через слой воды поступают в верхний наконечник, в котором они
конденсируются. По мере вращения ротора по часовой стрелке происходит подключение
к электрической сети последовательно следующих наконечников, отключение от сети наконечников происходит при вхождении каждого из них в зону охлаждения. Максимальное
количество воды накапливается в нижних наконечниках, расположенных в условно холодной зоне с правой стороны ротора, расположенных на выходе из холодной зоны. Таким образом, вращение ротора осуществляется за счет дисбаланса груза на левой и правой
частях ротора, который осуществляется автоматически [4].
К недостаткам двигателя следует отнести следующие: 1) размещение нагревателей на
концах противоположно направленных наконечников, так как они имеют определенный
вес, который на левом и правом плече термочувствительного элемента, расположенного
горизонтально, не влияет на увеличение дисбаланса правой части ротора; 2) использование электрической энергии для подогрева рабочей жидкости в наконечниках влечет за собой, во-первых, необходимость принятия определенных мер для соблюдения электробезопасности, во-вторых, использование электроэнергии для обеспечения подогрева
теплоносителя является расточительством, так как для обеспечения высокого КПД двигателя при прогреве наконечников выгоднее использовать бросовую тепловую энергию; 3)
предложенный двигатель является слабо мощным по причине малого веса воды, накапли4
BY 6007 C1
ваемой в наконечниках на правой стороне ротора для статического дисбаланса ротора на
его правой стороне; 4) применение воды как теплоносителя является энергетически невыгодным, так как ее температура кипения на много выше, чем температура кипения легкоиспаряющейся жидкости, и, следовательно, ее применение является невыгодным, теплота
испарения воды составляет 540 ккал/кг, а, например, теплота испарения легкоиспаряющейся жидкости N2O4 составляет всего 99 ккал/кг, а ее температура кипения составляет
21,5 °С, следовательно, ее применение обеспечивает меньшие энергетические затраты и
является экономически более выгодным.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое исключило бы все недостатки, отмеченные в аналогах и прототипе и позволило бы повысить
КПД устройства при минимальных затратах тепловой энергии и которое могло бы работать как при малом, так и при большом перепаде температур между зоной нагрева и зоной
охлаждения. Поставленная задача решается тем, что двигатель содержит корпус с зонами
нагрева и охлаждения, установленный в корпусе ротор с термочувствительными элементами, выполненными в виде герметичных трубок с противоположно направленными наконечниками Г-образной формы, заполненными термочувствительной средой, поршни и
тепловой экран.
Отличительной особенностью устройства двигателя является то, что в корпусе двигателя в зоне нагрева фронтально тепловому потоку размещен отражатель, тепловой экран
которого размещен параллельно оси ротора и выполнен, как и сам ротор, из пластического
материала, слабо проводящего тепло и обладающего высокой тепловой и коррозионной
стойкостью, а в зоне нагрева размещены трубки регенератора, имеющего обратную связь
с зоной охлаждения по жидкому теплоносителю, при этом в корпусе двигателя имеются
вырезы, один из которых выполнен в виде узкого окна вдоль образующей ротора со стороны потока излучения, а второй расположен сверху, а Г-образные наконечники, имеющие хорошую теплопроводность и малую теплоемкость, частично заполнены пористым
материалом и легкоиспаряющейся жидкостью, размещенными в их концах, причем в герметичных трубках расположены поршни, соединенные между собой штоком с двумя ограничителями, изготовленные из тяжелого, не проводящего тепло материала и установленные с возможностью перемещения по длине трубок под действием давления паров
жидкости, при этом в центре герметичных трубок размещен компенсатор давления, а источник излучения размещен вне корпуса; вырез в корпусе выполнен в зоне нагрева по
месту размещения наконечников на ширину, обеспечивающую свободное пропускание
излучения к наконечникам, и ограничен углом 45-90° от вертикали по ходу вращения ротора по часовой стрелке; длина штока, соединяющего между собой поршни, выполнена с
возможностью обеспечения при нахождении одного из поршней на минимальной рабочей
высоте в зоне охлаждения или нагрева расположение второго поршня, в этот момент, на
оси ротора строго по центру его тяжести, причем отражатель выполнен из меди с различного цвета покрытием, от белого до черного, в зависимости от длины волны светового потока и от тепловой мощности источника излучения и имеет подпитку тепловой энергией
от регенератора, а компенсатор давления выполнен из легкого материала и имеет в центре
с обоих торцов расточку и отверстие несколько большее диаметра штока, причем отверстие с обеих сторон компенсатора выполнено коническим, ограничители на штоке выполнены коническими и размещены в штоковой полости поршня, а в качестве легкокипящей
жидкости используются диссоциирующие системы N2O4, NOCl, NOBr или любая другая
жидкость: вода, спирт, эфир.
На фиг. 1 изображен двигатель, вид спереди.
На фиг. 2 изображен тот же двигатель в разрезе без передней крышки.
На фиг. 3 изображен ротор двигателя, вид сбоку.
На фиг. 4 изображены не проводящая тепло трубка с наконечниками и с компенсатором давления в разрезе.
5
BY 6007 C1
Двигатель включает в себя: корпус 1, зоны нагрева 2 и охлаждения 3, ротор 4 с термочувствительными элементами 5, тепловой экран 6, отражатель 7, вырезы 8 в корпусе, регенератор 9, не проводящие тепло трубки 10 с Г-образными наконечниками 11, легкоиспаряющаяся жидкость 12, поршни 13, шток 14, компенсатор давления 15, ограничитель 16
движения штока, горячая 17 и холодная 18 полости, заслонка 19, пористый материал 20,
упоры 21, вал 22, ребра воздушного охлаждения 23.
На фиг. 1 изображен двигатель, вид спереди. Слева расположена зона нагрева 2, а
справа - зона охлаждения 3. В вырезе 8 показаны: наконечники 11 термочувствительных
элементов 5, отражатель 7, под которым размещены трубки регенератора 9 тепловой энергии с принудительно циркулирующей водой (показаны на фиг. 2). В зоне охлаждения 3 в
вырезе показаны: ротор 4, термочувствительные элементы 5, состоящие из не проводящих
тепло трубок 10 с Г-образными наконечниками 11. В трубках размещены поршни 13, соединенные штоком 14. В наконечниках 11 показана легкоиспаряющаяся жидкость 12,
объем которой увеличивается по мере охлаждения паров легкоиспаряющейся жидкости
12. На штоках 14 показаны ограничители 16 движения поршней 13, роль которых состоит
в том, чтобы смягчить удары поршней 13 при их соприкосновении с наконечниками 11, а
роль компенсатора давления 15 состоит в том, чтобы принять на себя давление ограничителей 16, предупредить поступление паров жидкости в холодную полость 18 не проводящей тепло трубки 10, находящейся в зоне охлаждения 3, и создать разность давлений в
наконечниках 11, находящихся в зоне нагрева 2 и зоне охлаждения 3, с целью выделения
тепловой энергии, образующейся при рекомбинации охлаждающегося газа, и передачи ее
в регенератор 9 (фиг. 2). На переднем плане виден вал 22 ротора 4 и ребра воздушного охлаждения 23 корпуса устройства 1.
На фиг. 2 показан двигатель в разрезе, слева - зона нагрева 2, справа - зона охлаждения
3. На левой стороне устройства показаны термочувствительные элементы 5 в разрезе в начале перед вхождением наконечников 11 из зоны охлаждения 3 в зону нагрева 2. Количество легкоиспаряющейся жидкости 12 в нижнем наконечнике 11 максимально, так как это
условие определено и оговорено при заполнении наконечников 11 жидкостью 12.
По мере нагревания наконечников 11 происходит передача тепловой энергии от металла наконечников 11 жидкости 12, которая испаряется и переходит в парообразное состояние, а объем жидкости в наконечниках 11 по мере их перемещения по зоне нагрева 2
уменьшается до минимального объема на выходе из зоны нагрева 2. На фиг. 2 видно, что
поршни 13 под действием возрастающего давления паров жидкости 12 поднимаются по не
проводящей тепло трубке 10 и перемещаются в зону охлаждения 3. В начале зоны нагревания 2 размещен регенератор 9 тепловой энергии, обеспечивающий предварительный
прогрев наконечников 11, входящих в зону нагрева 2, что обеспечивает экономию тепловой энергии за счет остаточной энергии, выделившейся в результате рекомбинации конденсирующихся молекул. Отражатель 7 размещен в зоне нагрева 2 для обеспечения передачи лучистой энергии, прошедшей мимо наконечников 11 обратно на их теневую
сторону, как в виде лучистой энергии, так и в виде тепловой энергии, накопленной металлом отражателя 7 и передающейся наконечникам 11 в форме конвективного переноса. Таким образом, этим обеспечивается равномерный прогрев наконечников 11 со всех сторон.
В зоне охлаждения 3 показано накопление в наконечниках 11 сконденсировавшейся легкокипящей жидкости 12 по мере продвижения наконечников по зоне охлаждения 3. Максимальный объем легкокипящей жидкости 12 образуется в наконечниках 11 термочувствительного элемента 5 при его полном охлаждении уже на выходе из зоны охлаждения 3.
Максимальное смещение поршней по не проводящей тепло трубке 10 достигается при ее
расположении, близком к горизонтальному при вращении ротора 4 по часовой стрелке.
Тепловой экран 6, изображенный на фиг. 2, размещен параллельно оси ротора и представляет собой преграду, препятствующую попаданию излишка тепловой энергии в пространство между ротором и стенками корпуса в холодную полость зоны охлаждения 3, выполненную в виде пластины с выступами, проходящими между Г-образными наконечниками
6
BY 6007 C1
при вращении ротора. Излишки тепла из зоны нагрева 2 выводятся из корпуса 1 двигателя
через вырез 8 в верхней части корпуса, оборудованной вращающейся на оси заслонкой 19,
которая позволяет изменять геометрию выходного отверстия для обеспечения большего
КПД устройства, а ширина выходного отверстия регулируется в зависимости от мощности
теплового потока, попадающего во фронтальное окно выреза 8 в передней крышке двигателя.
На фиг. 3 показан ротор 4 двигателя в положении сбоку. Видно, термочувствительные
элементы 5 размещены в теле ротора 4 последовательно, начиная от передней стороны в
глубину ротора 4, по причине того, что в термочувствительных элементах 5 поршни 13
перемещаются от одного края термочувствительной трубки 10 до противоположного ее
края, проходя через центр вращения ротора 4, что вызывает при размещении одного из
поршней 13 строго на оси ротора 4, а второго у противоположного края термочувствительной трубки в зоне охлаждения 3 дисбаланс веса ротора 4 и что приводит к возникновению вращательного момента ротора 4, а сам ротор 4 вращается на полуосях.
На фиг. 4 показано устройство термочувствительного элемента 5, который состоит из
не проводящей тепло трубки 10 с Г-образным наконечниками 11 на ее обоих концах, отходящих от нее под углом 90° и направленных в противоположные стороны, частично заполненных пористым веществом 20. Внутри не проводящей тепло трубки 10, в ее центре
помещен компенсатор давления 15 с отверстием для прохождения штока 14, соединяющего между собой два поршня 13, способный перемещаться по не проводящей тепло трубке
10 от одного ограничителя до другого, установленных на одинаковом расстоянии от обоих
концов трубки 10 на расстояние, обеспечивающее выравнивание давления в горячей и холодной части трубки 10. Сзади обоих поршней 13 выполнены конические ограничители 16
движения штока 14, входящие в конические отверстия с обеих сторон компенсатора давления 15, движение которого в термочуствительном элементе ограничено упорами 21.
Двигатель работает следующим образом.
В начальном положении давление и температура рабочего тела в объеме всей трубки
одинаковы. Для обеспечения работы двигателя необходимо подать тепловую энергию в
вырез 8 в передней крышке корпуса 1 двигателя на отражатель 7, который посылает ее на
наконечники термочувствительных элементов 5, расположенные в левой стороне двигателя. При этом происходит передача тепловой энергии от металла наконечников 11 жидкости 12 и пористому материалу, находящимся в наконечниках 11. По мере передачи тепловой энергии рабочему телу происходит возрастание температуры рабочего тела и
испарение жидкости 12, и давление в наконечниках 11 повышается, под действием возросшего давления в горячей полости 17, происходит смещение поршня 13 в трубке 10
термочувствительного элемента 5 в сторону холодной полости 18, при этом давление в
холодной полости 18 первой половины трубки 10 возрастает, и холодное рабочее тело из
нее перетекает через зазор между штоком 14 и компенсатором давления 15 в холодную
полость 18 второй половины трубки 10. При этом происходит перемещение компенсатора
давления 15 в трубке 10 до упора. При максимальном прогреве рабочего тела, под давлением паров рабочего тела, поршень 13 перемещается вправо до упора ограничителя движения 16 штока 14 во вторую стенку компенсатора давления 15, при этом коническая поверхность ограничителя движения 16 плотно прилегает к конической поверхности
компенсатора давления 15, и проток паров рабочего тела в холодную полость 18 второй
половины трубки 10 прекращается. Из-за происходящих процессов рекомбинации паров
рабочего тела при их охлаждении, во второй половине трубки 10 позади ее поршня 13,
происходит выделение тепловой энергии и расширение рабочего тела в правой половине
трубки 10 между поршнем и Г-образным наконечником и некоторое прослабление давления поршня 13 посредством его ограничителя движения 16 штока 14 на компенсатор давления 15, находящегося в первой половине трубки 10 в зоне нагрева, и при обратном перетоке теплоносителя из правой половины трубки через отверстие в компенсаторе дав7
BY 6007 C1
ление паров рабочего тела в холодных полостях 18 обеих половин трубки 10 выравнивается. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное
движение ротора 4 двигателя осуществляется за счет перемещения поршней 13 из зоны
нагрева 2 в зону охлаждения 3 по прямой линии через центр оси вращения за счет образования статического дисбаланса веса правой стороны ротора 4 над левой. Поршень 13 в
трубке 10 находится в ее нижнем положении только при выходе ее из зоны охлаждения 2
и при входе наконечника 11 в зону нагрева 2, т.е. при расположении трубки 10 строго вертикально. Сразу же после вхождения наконечника 11 в зону нагрева 2 происходит увеличение давления в трубке 10 и поршень 13 поднимается вверх. При переходе из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 он еще не достигает своего крайнего верхнего положения в
трубке 10, и только при полном вхождении наконечника 11 в зону нагрева 2 он занимает
крайнее правое положение от оси вращения в трубке 10 в зоне охлаждения 3. Таким образом, поршни 13 в зоне охлаждения 3 находятся в положении справа от оси вращения ротора 4 в трубке 10 большее время, чем в зоне нагрева в трубке 10 слева. А это обстоятельство постоянно поддерживает статический дисбаланс веса ротора на левой и правой его
половинах и приводит во вращение ротор 4 на его оси по часовой стрелке. Таким образом,
односторонний нагрев термочувствительных элементов 5 в зоне нагрева 2 и одностороннее их охлаждение на противоположной стороне ротора 4 в зоне охлаждения 3 являются
причиной возникновения постоянного статического дисбаланса и вызывают вращение ротора 4 на валу двигателя по часовой стрелке.
Охлаждению ротора 4 на правой стороне двигателя способствуют несколько факторов
одновременно: 1) исключение прямого воздействия тепловой и лучистой энергии со стороны источника на правую сторону корпуса 1; 2) охлаждение правой стороны корпуса 1
охлаждающими ребрами снаружи устройства; 3) охлаждение корпуса охладителем с принудительной циркуляцией водой в полостях правой стороны корпуса 1; 4) отбор тепловой
энергии трубками регенератора тепла 9, трубки которого находятся в начале зоны охлаждения 3, и передача отобранной энергии трубкам, размещенным в начале зоны нагрева 2, с
целью предварительного нагрева Г-образных наконечников 11, входящих в зону нагрева;
5) установка на входе в зону охлаждения 3 после верхнего выреза 8 в корпусе 1 теплового
экрана 6, препятствующего перетеканию тепловой энергии из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3; 6) размещение выреза 8 в верхней части корпуса двигателя, через который происходит выброс излишков тепловой энергии.
Стабильность, т.е. высокая устойчивость частоты вращения ротора 4 обеспечивается
постоянной разницей температур в зоне нагрева 2 и в зоне охлаждения 3 двигателя.
Частоту вращения ротора 4 регулируют посредством изменения мощности нагревательного элемента, при увеличении теплосъема в зоне охлаждения 3.
Величина максимально возможного крутящего момента на валу ротора 4, в основном
зависит от диаметра и массы ротора 4 и массы поршней 13.
Съем мощности производят с одного или двух концов вала 22 двигателя.
Эффективная работа двигателя может быть только при расположении ротора 4 в вертикальной плоскости. На горизонтально расположенном валу 22.
Таким образом, высокий КПД теплового двигателя достигается за счет:
одновременного использования тепловой и лучистой энергии источника теплового излучения;
использования не только прямо направленной, но и отраженной лучистой энергии;
исполнения левой стороны корпуса 1 из пластического материала белого цвета, плохо
проводящего тепло, для избежания передачи тепловой энергии из зоны нагрева 2 в зону
охлаждения 3;
исполнения на левой стороне корпуса 1 отражателя 7 с разного цвета покрытием от
черного до белого блестящего в зависимости от условий эксплуатации двигателя и от увеличения мощности источника излучения;
8
BY 6007 C1
внесения в зону нагрева 2 трубок регенератора 9 для предварительного нагрева наконечников 11 и для обеспечения экономии тепловой энергии, что особенно важно при маломощном источнике тепловой энергии, таком как солнечная энергия;
исполнения на правой стороне двигателя внутренних поверхностей в виде абсолютно
черного тела для максимально возможного поглощения тепла водяной рубашкой корпуса
1 этой зоны;
достаточно эффективной передачи тепловой энергии корпусом 1 двигателя посредством охладительных ребер воздушного охлаждения 23.
По сравнению с прототипом двигатель имеет следующие преимущества.
1. Вращение ротора двигателя основано на образовании статического дисбаланса левой и правой половин ротора при перемещении тяжелых поршней в трубках термочувствительных элементов под действием паров теплоносителя, образующихся в наконечниках
термочувствительных элементов, с левой половины ротора из зоны нагрева в правую половину ротора в зону охлаждения за счет тепловой и лучистой энергии источника излучения, расположенного вне корпуса двигателя, в то время как в прототипе источники теплового излучения расположены неподвижно в самих наконечниках, и поэтому сами
источники служат грузом, который не играет положительной роли для увеличения статического дисбаланса ротора, т.е. является бесполезным балластом и только приносит дополнительную нагрузку на ось рота двигателя, увеличивая вредное действие трения в
подшипниках, и в связи с тем, что источниками тепловой энергии прототипа являются
электронагреватели, то это требует дополнительного обслуживания двигателя по электрической части из-за возможного нарушения исправности вращающихся контактов в электрической цепи двигателя.
2. Двигатель в принципе может работать при использовании любого вида тепловой
энергии - солнечной, сгорания топлива, тепла нагревательных приборов, нагретых поверхностей оборудования, тепла выхлопных газов и т.п., при температуре в окне устройства, достаточной для кипения жидкости и несколько выше комнатной при использовании
в качестве рабочего тела N2O4 или других диссоциирующихся газов.
3. Устройство представляет собой надежный и простой двигатель непрерывного вращения, не требующий постоянного обслуживания, скорость вращения которого зависит
только от быстрого прогрева наконечников термочувствительных элементов в зоне нагрева и такого же быстрого охлаждения в зоне охлаждения.
4. Изобретение позволит повысить эффективность преобразования тепловой энергии в
механическую за счет отсутствия передаточных механизмов и размещения ротора двигателя непосредственно на валу двигателя.
5. Обеспечивает получение на валу значительного крутящего момента, регулируемого
изменением интенсивности нагревания и охлаждения.
6. Мощность устройства зависит от уровня перепада температур в зоне нагрева и зоне
охлаждения, а также за счет диаметра ротора и диаметра поршней и увеличения веса
поршней.
7. Скорость вращения ротора двигателя зависит только от теплоемкости и теплопроводности рабочего тела и материала наконечников и от скорости теплопередачи энергии
материалом наконечников окружающей среде на пути перемещения термочувствительных
элементов из зоны нагрева в зону охлаждения.
8. Нахождение рабочего тела в замкнутом объеме позволяет использовать теплоноситель с заданными параметрами - температурой испарения, теплоемкостью, для создания
оптимального теплового цикла.
9. Использование промежуточной регенерации тепла, образующегося при рекомбинации продуктов химической реакции на стороне низкого давления и выделения тепла реакции в газожидкостных циклах, позволяет повысить КПД устройства за счет отбора тепла
из зоны охлаждения и передачу его в зону нагревания.
9
BY 6007 C1
10. Конструкция двигателя не имеет шарнирных соединений поршня с шатуном, трущихся сочленений, за исключением подшипников оси вращения, что позволяет иметь
практически неограниченный ресурс эксплуатации.
11. Изобретение относится к устройствам преобразования низко потенциальной тепловой энергии в механическую работу в процессе осуществления паро-конденсационного
термодинамического цикла в камере переменного объема и может быть использовано для
привода различных машин и механизмов и как дополнение к ветряному двигателю во
время безветрия, может быть установлено на движитель различного рода тележек.
12. Предлагаемое устройство является двигателем внешнего сгорания с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу.
13. Рабочее тело находится в замкнутом объеме и во время работы не заменяется его
масса, а лишь изменяется его объем при нагревании и охлаждении. К горячей зоне теплота
подводится от нагревателя, а от холодной зоны отводится охладителем, в котором циркулирует вода.
14. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное
движение ротора двигателя осуществляется за счет перемещения поршней из зоны нагрева в зону охлаждения по прямой линии через центр оси вращения и образования статического дисбаланса веса левой и правой половин ротора, при котором он поворачивается по
часовой стрелке. Таким образом, односторонний нагрев ротора с термочувствительными
элементами в зоне нагрева и одностороннее охлаждение его на противоположной его стороне в зоне охлаждения являются причиной возникновения постоянного дисбаланса и
вращения ротора на валу по часовой стрелке.
15. В качестве рабочего тела могут использоваться эфиры, спирты, фреон, диссоциирующие газожидкостные системы, например N2O4, СO2, и т.п.
Выполнение отражателя 7 из тонкого полированного быстро проводящего тепло металла, например из меди, имеющего разного цвета покрытие от белого до черного, обеспечивает возвращение прошедшей мимо наконечников лучистой энергии источника излучения обратно на наконечники, например солнечной энергии малой тепловой мощности, и
тепловой энергии, накопленной металлом отражателя, возврат которой происходит в результате конвективного переноса, и тем самым повышает суммарный коэффициент использования тепловой энергии.
Размещение теплового экрана 6 в двигателе параллельно оси вращения ротора 4 в виде
препятствия для перемещения в полостях между ротором 4 и корпусом 1 двигателя теплового потока из зоны нагрева в зону охлаждения, с выступами, выполненными в виде гибких полос, размещенных между проходящими мимо Г-образными наконечниками 11 из
пластического материала белого цвета, например тефлона, уменьшает попадание тепловой
энергии в пространство зоны охлаждения.
Выполнение корпуса 1 двигателя в зоне нагрева 2 из пластического материала белого
цвета - тефлона, слабо проводящего тепло и обладающего высокой коррозионной и тепловой стойкостью, а в зоне охлаждения из материала черного цвета, хорошо проводящего
тепло, например из чугуна или алюминия, полированного с внутренней стороны и анодированного черного цвета покрытием, имеющего на внешней стороне ребра воздушного
охлаждения, обеспечивает хороший теплосъем и отток тепловой энергии от правой стороны двигателя в окружающее пространство и слабый теплообмен между зоной охлаждения
3 и зоной нагрева 2.
Размещение в зоне нагрева 2 трубок регенератора 9, имеющего обратную связь с зоной охлаждения 3 в ее начальной части и принудительное перемещение жидкого теплоносителя, обеспечивает отбор тепловой энергии при вхождении Г-образных наконечников
уже в начале зоны охлаждения 3, возникающей в Г-образных наконечниках 11 при падении давления в холодной полости 18 термочувствительного элемента 5 при конденсации
10
BY 6007 C1
охлажденных паров легкокипящей жидкости, возникающей в ней из-за химических реакций при конденсации пара за счет регенерации молекул легкокипящей жидкости 12, что
особенно важно при эксплуатации двигателя в условиях маломощного источника излучения, как, например, при использовании солнечной энергии.
Размещение термочувствительных элементов 5 с противоположно направленными наконечниками 11 Г-образной формы на его концах в теле ротора 4 таким образом, что наконечники 11 выступают за пределы периметра ротора 4, обеспечивает их полное прохождение по всей своей длине в узком окне выреза 8, выполненного по периметру ротора 4,
и максимальный их прогрев за счет потока тепловой и лучистой энергии, поступающей в
окно выреза 8, и исключает утечку тепла по причине установки отражателя 7 в зоне нагрева 2, а также исключает передачу тепловой энергии потока излучения за счет препятствия этому со стороны тела ротора 4, выполненного из материала не проводящего тепло.
Частичное заполнение наконечников 11 пористым материалом, расположенным в их
концах, и легкоиспаряющейся жидкостью 12 обеспечивает сорбцию паров жидкости при
их охлаждении, быстрое испарение жидкости при ее прогреве, из-за хорошего контакта
между пористым веществом и металлическими стенками наконечников 11, и ее быстрое
испарение при вхождении наконечников в зону нагрева 2, что увеличивает съем тепла с
наконечников 11 за счет расхода энергии на испарение жидкости.
Выполнение термочувствительных элементов 5 в виде не проводящих тепло трубок 10
с противоположно направленными наконечниками 11 Г-образной формы, отходящими от
трубок 10 под углом 90°, обеспечивает вхождение наконечников 11 в зону нагрева 2 герметичным концом, заполненным парами легкокипящей жидкости 12 и направленным
вверх, обеспечивает постепенный прогрев паров, а затем самой жидкости 12 и исключает
ее мгновенное закипание, а за счет этого, отдачу в противоположную сторону вращения
ротора 4. А вхождение наконечника 11 в зону охлаждения 3 герметичным концом, направленным вниз и заполненным легкоиспаряющейся жидкостью 12, обеспечивает быстрое охлаждение этой жидкости 12 и конденсацию ее паров.
Выполнение поршней 13 со штоком 14 из тяжелого материала и длиной меньшей, чем
половина длины не проводящей тепло трубки 10, обеспечивает при нагревании легкоиспаряющейся жидкости 12 и повышении давления ее паров смещение поршней 13 в сторону меньшего давления и расположение их в не проводящей тепло трубке 10 таким образом, что один поршень 13 со стороны большего давления займет положение строго на оси
вращения ротора 4, в то время как второй поршень 13 займет крайнее положение в не
проводящей тепло трубке 10 со стороны меньшего давления, что и создает статический
дисбаланс, обеспечивающий поворот ротора 4 в сторону наконечника 11, находящегося в
зоне охлаждения 3.
Соединение поршней 13 между собой штоком 14 и подбор его длины выполнен таким
образом, что когда один из поршней 13 находится в зоне нагрева 2 или в зоне охлаждения
3 на минимальной рабочей высоте, то второй в этот момент находится на оси вращения
ротора 4 строго по центру его тяжести. Поршень 13 в трубке 10 находится в ее крайнем
положении перед наконечником в зоне охлаждения 3 только тогда, когда трубка 10 вошла
в эту зону и расположилась под углом 45° от вертикали, и далее до выхода ее из зоны охлаждения, т.е. до ее расположения в зоне нагрева 2 до угла примерно 45°от вертикали, и
только до приближения ее наконечника 12 к зоне нагрева 2. Сразу же после вхождения
наконечника 13 в зону нагрева 2 происходит увеличение давления в трубке 10 за счет увеличения объема испарившейся жидкости 12, и поршень 13 поднимается вверх. И при переходе из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 он еще не достигает своего крайнего верхнего положения в трубке 10 в зоне охлаждения 3. Таким образом, поршни 13 в зоне
охлаждения 3 находятся в положении справа от оси вращения ротора 4 в трубке 10 большее время, чем в зоне нагрева 2 в трубке 10 слева от оси, а это обстоятельство постоянно
поддерживает статический дисбаланс тяжести ротора 4 по обе стороны от оси его вращения, приводит его во вращение по часовой стрелке.
11
BY 6007 C1
Размещение в герметичной трубке 10 компенсатора разности давления 15 с возможностью свободного его перемещения в центре трубки 10 обеспечивает плавный ход поршней
13 в конце их движения и их остановку при выравнивании давлений паров жидкости 12 в
горячей части трубки 10 и в ее холодной части. А установка на штоке 14, соединяющем
поршни 13, ограничителей 16 конической формы позволяет плотно перекрывать отверстие
в компенсаторе давлений 15, через которое проходит шток 14, что обеспечивает некоторое
возрастание давления в холодной части трубки 10 после остановки поршней 13 и улучшает теплосъем при рекомбинации теплоносителя и выделение тепла за счет этого процесса.
Размещение начала выреза 8 в корпусе 1 устройства на линии, проходящей под углом
45° к вертикали через центр оси вращения ротора 4, обеспечивает начало нагревания
Г-образного наконечника 11 за счет источника внешнего излучения только в момент его
появления в окне выреза 8. И только в этот момент начинается интенсивный прогрев жидкости 12 в наконечнике 11 за счет передачи тепла телом наконечника парам жидкости 12 и
подъем поршня 13 за счет повышения давления паров жидкости 12 в трубке 10. В это время второй конец трубки 10 термочувствительного элемента 5 находится в зоне охлаждения в наклонном положении под углом от вертикали примерно 45° в начале своего пути в
зону охлаждения. А при полном появлении Г-образного наконечника 11 в вырезе 8 правый поршень 13 занимает свое верхнее положение в трубке 10 в зоне охлаждения 3. И
уже при горизонтальном положении трубки 10 термочувствительного элемента 5 поршень 13 упирается в трубке 10 в наконечник 11. Вырез 8 в корпусе 1 выполнен в угле 4590° снизу.
Частичное заполнение Г-образного наконечника 11 легкоиспаряющейся жидкостью 12
должно происходить до такого уровня, который обеспечивает испарение только необходимого количества жидкости 12 для создания давления паров в трубке 10 в зоне нагрева 2,
достаточного для подъема поршней 13 со штоком 14 на высоту, при которой центр тяжести левого поршня 13 займет положение в центре трубки 10, а второй поршень 13 достигнет максимальной высоты во втором конце этой трубки 10, когда он находится в зоне охлаждения 3.
Размещение источника излучения вне корпуса 1 устройства позволяет использовать
любые виды источников излучения, как, например, солнечное излучение, тепло окружающей среды, пламя горелки, электрическую лампочку накаливания, излучение нихромовой спирали, излучение любого теплового источника, энергия которого обеспечивает
создание давления паров легкоиспаряющейся жидкости 12, достаточного для подъема
правого поршня 13 внутри трубки 10 до начала размещения наконечника, находящегося в
зоне охлаждения 3, в то время как левый поршень 13 находился бы в трубке 10 строго на
оси вращения ротора 4.
Размещение отражателя 7 в зоне нагрева 2 обеспечивает экономию тепловой энергии
источника излучения за счет возврата энергии, прошедшей мимо наконечника 11 термочувствительного элемента обратно, на наконечник 11 и не допускает перегрева стенок
корпуса 1 двигателя.
С целью повышения КПД двигателя за счет исключения выноса тепловой энергии,
попадающей в вырез 8 корпуса 1 двигателя, и недопущения перегрева корпуса 1, особенно
в зоне охлаждения, отражатель 7 может быть изготовлен из металла с высокой отражающей способностью и цвет его покрытия зависит от тепловой мощности источника и длины
волны светового излучения.
Экономия тепловой энергии в двигателе осуществляется за счет регенерации тепловой
энергии, выделившейся в наконечниках 11 при их вхождении в зону охлаждения 3 и поглощение ее трубками регенератора 9, находящимися в начале зоны охлаждения 3, и передача ее по трубопроводу в нижнюю часть регенератора 9, размещенного в начале зоны
нагревания 2.
12
BY 6007 C1
Разделение зон нагрева 2 и охлаждения 3 телом ротора 4 и тепловым экраном 6 позволяет исключить попадание лучистой и тепловой энергии из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 по промежуткам между стенками корпуса 1 и ротором 4 и исключить засос теплого воздуха из зоны нагрева в зону охлаждения телом вращающегося ротора 4, и тем
повысить КПД двигателя за счет увеличения разности температур между зоной нагрева 2
и зоной охлаждения 3.
Размещение выреза 8 в корпусе 1 двигателя на его передней крышке позволяет исключить прямое попадание лучистой и тепловой энергии в зону охлаждения 3 по зазорам между ротором 4 и крышками двигателя и, следовательно, увеличить коэффициент полезного действия двигателя.
Размещение выреза 8 вверху корпуса двигателя перед тепловым экраном обеспечивает
сброс лишнего тепла, при использовании мощных источников излучения для предотвращения разноса ротора 4 при поступлении неравномерного потока излучения, а размещение в вырезе заслонки 19 обеспечивает регулировку выброса тепла в зависимости от заданных параметров вращения ротора 4.
Подпитка дополнительной энергией отражателя 7 от регенератора 9, обеспечивает высокую экономию энергии при использовании маломощного источника излучения.
Отвод тепла из зоны охлаждения 3, кроме как регенератором 9 осуществляется еще и
охладителем, циркулирующим в трубках охлаждения, размещенных в теле корпуса 1 зоны
охлаждения 3, в котором циркулирует вода, что особенно важно при использовании мощных источников тепла и повышает КПД устройства за счет разницы температур теплоносителя в зоне нагрева 2 и зоне охлаждения 3.
В качестве теплоносителя и рабочего тела в двигателе предпочтительно использовать
N2O4 как наиболее подходящий по техническим параметрам, но можно использовать и воду, спирты, эфиры и т.п.
Использование в качестве теплоносителя химически реагирующего газа N2O4 обеспечивает в зоне нагрева 3 передачу тепловой энергии как путем теплопроводности, так и путем конденсационной диффузии, что увеличивает теплосъем с единицы площади отражателя. Теплота испарения легкоиспаряющейся жидкости N2O4 составляет всего 99 ккал/кг, а
ее температура кипения 21,5 °С, в то время как теплота испарения воды составляет 540
ккал/кг, а температура ее кипения составляет на уровне океана 100 °С.
Источники информации:
1. Перельман Я.И. Занимательная физика. 2-е изд. - С. 180.
2. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 505.
3. А.с. SU 861717, МПК F 03 G7/06, 1981.
4. US 3659416 A, МПК F03G 7/06, 1972.
13
BY 6007 C1
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
253 Кб
Теги
by6007, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа