close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6492

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6492
(13) C1
(19)
7
(51) F 03G 6/00
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
(21) Номер заявки: a 19990835
(22) 1999.09.03
(46) 2004.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Автор: Комиссаров Феликс Давидович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси" (BY)
BY 6492 C1
(57)
1. Устройство для получения механической энергии, содержащее корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе в вертикальной плоскости ротор с термочувствительными элементами и отражатель излучения в зоне нагрева, причем корпус выполнен с вырезом со стороны источника излучения, отличающееся тем, что содержит
регенератор тепловой энергии, размещенный под отражателем в зоне нагрева, выполненный с возможностью обратной связи с зоной охлаждения, при этом корпус в зоне нагрева
и ротор выполнены из пластического материала белого цвета, слабо проводящего тепло и
обладающего высокой тепловой и коррозионной стойкостью, внутренние поверхности
корпуса в зоне охлаждения выполнены в виде абсолютно черного тела, термочувствительные элементы выполнены из непроводящих тепло герметичных трубок, герметично
скрепленных с противоположно направленными наконечниками Г-образной формы,
имеющими хорошую теплопроводность и малую теплоемкость и частично заполненными
Фиг. 1
BY 6492 C1
термочувствительным рабочим телом в виде легкоиспаряющейся жидкости или газожидкостной системы, содержащих соединенные между собой штоком поршни, изготовленные
из тяжелого материала, непроводящего тепло, и имеющие возможность свободного перемещения по длине герметичных трубок из зоны нагрева в зону охлаждения под действием
давления паров рабочего тела, и ограничители движения поршней, выполненные в виде
коротких трубчатых элементов, жестко укрепленных на концах герметичных трубок перед
местом крепления наконечников Г-образной формы, вырез в корпусе выполнен в виде узкого окна вдоль образующей ротора на ширину, обеспечивающую свободное пропускание
излучения к наконечникам, в угле 45°-135° по отношению к вертикали, проходящей через
центр оси вращения ротора.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус содержит ребра воздушного охлаждения в зоне охлаждения.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит охладитель, выполненный
проточным с водяной рубашкой для отвода тепла из зоны охлаждения.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что длина штока, соединяющего между собой поршни, достаточна для обеспечения размещения поршней в трубке
термочувствительного элемента таким образом, что при нахождении одного из поршней у
ограничителя движения поршня в зоне охлаждения или в зоне нагрева, второй поршень
находится строго на оси ротора.
5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что количество жидкости,
заполняющей наконечники, достаточно при ее превращении в пар в наконечнике Гобразной формы, находящемся в зоне нагрева, для создания в нем должного давления ее
паров, необходимого для поддержания поршней в герметичной трубке термочувствительного элемента у ограничителя движения поршня в зоне охлаждения.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочим телом является газожидкостная система Н2О4, вода, спирт или эфир.
(56)
SU 1758281 A1, 1992.
RU 2043520 C1, 1995.
DE 3603132 A1, 1986.
FR 2713283 A1, 1995.
JP 10246120 A, 1998.
WO 98/45587 А2.
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 тепловой 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 обеих концов в виде шаровых емкостей, одна из которых заполнена легкоиспаряющейся при комнатой температуре жидкостью - диэтиловым 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 смачивания кольца водой из стаканчика, установленного
прямо под меньшей по объему емкости при принудительном размещении трубки устрой2
BY 6492 C1
ства 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 давлением 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 стаканчике с водой: б) произойдет смешение насыщенного пара нижней и верхней емкости и, при этом, давление обеих
емкостей уравнивается (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 насыщенной, что обеспечивает нормальное испарение
воды из пористого кольца. При этом тепло окружающего воздуха непрерывно поступает к
устройству и служит источником энергии передаваемой 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 незамкнутым циклом, разработанные Р. Стирлингом еще 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 отводится охладителем, в котором циркулирует вода. В С.д. используются два поршня - рабочий и вытеснительный.
Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение осуществляется ромбическим механизмом, обычным кривошипно-ползунным 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 высоко текучих - гелия и водорода.
Так главным недостатком газовых циклов на инертных газах (Не, Со2) малый коэффициент полезной работы (0,2-0,35) и низкий КПД цикла при высоких температурах (500600 °С).
Наиболее близким по своей технической сущности является устройство, предназначенное для получения механической энергии, содержащее корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе ротор с термочувствительными элементами и источником светового излучения, причем корпус выполнен с вырезом со стороны источника,
последний снабжен отражателем, прикрепленным к корпусу в зоне выреза с образованием
замкнутого объема, а термочувствительные элементы - в виде лопастей, при этом внутренняя поверхность в зоне нагрева снабжена отражающим покрытием, а в зоне охлаждения - поглощающим покрытием. А лопасти ротора выполнены винтовыми, а в корпусе
3
BY 6492 C1
предусмотрены отверстия для входа и выхода воздуха. При этом лопасти ротора изготовлены биметаллическими или из материала с памятью формы. Корпус устройства выполнен цилиндрической формы, а внутренняя его поверхность в зоне нагрева выполнена в
виде абсолютно блестящего тела, в виде зеркальной поверхности с высокой чистотой обработки, а в зоне охлаждения (теневая) - в виде абсолютного черного тела и, при этом, теневая сторона корпуса содержит снаружи охладительные ребра, а внутри водяную рубашку, сообщающуюся через отверстия с атмосферой и имеющую термосифонную или принудительную циркуляцию воды. В качестве электронагревательного элемента может
использоваться нихромовая спираль или лампочка накаливания [3].
Устройство работает следующим образом. При включении электронагревательного
элемента излучаемое тепло и свет под воздействием светового отражателя направляется в
вырез в корпусе в левую сторону ротора, и происходит нагрев этой зоны. При этом лопасти с левой стороны ротора подвергаются деформации, а с правой стороны, остаются неизменной формы. В результате этого у ротора возникает статический дисбаланс и он поворачивается по часовой стрелке. Нa теневой стороне ротора лопасти охлаждаются и
выпрямляются до исходного положения. Таким образом, односторонний нагрев ротора со
стороны электронагревательного элемента и одностороннее охлаждение его на противоположной теневой стороне являются причиной возникновения постоянного дисбаланса и
вращения ротора на валу.
К недостаткам устройства следует отнести: 1) изготовление лопастей из биметаллических материалов или из материала с памятью формы имеет такой недостаток, как малая
длина деформации и малый вес деформируемых материалов, из-за этого - малый КПД
устройства, т.е. его мощность; 2) возможность просачивания тепловой и лучистой энергии
по зазору между корпусом и ротором; 3) размещение источника излучения напротив оси
вращения ротора не препятствует переходу тепловой и лучистой энергии из зоны нагрева
в зону охлаждения.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое бы исключало все недостатки прототипа и позволило бы получить максимальный 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.
Устройство для получения механической энергии, содержащее корпус с зонами нагрева и охлаждения, установленный в корпусе в вертикальной плоскости ротор с термочувствительными элементами и отражатель излучения в зоне нагрева, причем корпус выполнен
с вырезом со стороны источника излучения.
Отличительной особенностью является то, что устройство содержит регенератор тепловой энергии, размещенный под отражателем в зоне нагрева, выполненный с возможностью обратной связи с зоной охлаждения, при этом корпус в зоне нагрева и ротор выполнены из пластическою материала белого цвета, слабо проводящего тепло и обладающего
высокой тепловой и коррозионной стойкостью; внутренние поверхности корпуса в зоне
охлаждения выполнены в виде абсолютно черного тела, термочувствительные элементы
выполнены из непроводящих тепло герметичных трубок, герметично скрепленных с противоположно направленными наконечниками Г-образной формы, имеющими хорошую
теплопроводность и малую теплоемкость и частично заполненными термочувствительным рабочим телом в виде легкоиспаряющейся жидкости или газожидкостной системы,
содержащих соединенные между собой штоком поршни, изготовленные из тяжелого материала, непроводящего тепло, и имеющие возможность свободного перемещения по
длине герметичных трубок из зоны нагрева в зону охлаждения под действием паров рабочего тела, и ограничители движения поршней, выполненные в виде коротких трубчатых
элементов, жестко укрепленных на концах герметичных трубок перед местом крепления
наконечников Г-образной формы, вырез в корпусе выполнен в виде узкого окна вдоль образующей ротора на ширину, обеспечивающую свободное пропускание к наконечникам, в
угле 45°-135° по отношению к вертикали, проходящей через центр вращения ротора, от4
BY 6492 C1
личающееся тем, что корпус содержит ребра воздушного охлаждения в зоне охлаждения,
отличающееся тем, что содержит охладитель, выполненный проточным с водяной рубашкой для отвода тепла из зоны охлаждения, отличающееся тем, что длина штока, соединяющего между собой поршни, достаточна для обеспечения размещения поршней в трубке термочувствительного элемента таким образом, что при нахождении одного из
поршней у ограничителя движения поршня в зоне охлаждения или зоне нагрева второй
поршень находится строго на оси ротора, отличающееся тем, что количество жидкости,
заполняющей наконечники, достаточно при ее превращении в пар в наконечнике Гобразной формы, находящемся в зоне нагрева, для создания в нем должного давления ее
паров для поддержания поршней, в трубке термочувствительного элемента, парами жидкости в крайнем верхнем положении, у ограничителя движения поршня в зоне охлаждения, при достаточной мощности источника тепловой энергии и, достигаемой при этом рабочей температуре зоны нагрева устройства, отличающееся тем, что рабочим телом
является газожидкостная система N2O4, или любая другая жидкость: вода, спирт или эфир.
На фиг. 1 изображено устройство, вид спереди.
На фиг. 2 изображено то же устройство, что и на фиг. 1 в разрезе.
На фиг. 3 изображен ротор устройства, вид сбоку.
Устройство включает: корпус 1, зоны нагрева 2 и охлаждения 3, ротор 4 с термочувствительными элементами 5, отражатель 6, вырез в корпусе 7, регенератор 8, непроводящие
тепло трубки 9 с Г-образными наконечниками 10, легкоиспаряющаяся жидкость 11,
поршни 12, шток 13, ограничитель движения поршней 14, ребра воздушного охлаждения
15, охладитель 16, ось 17.
На фиг. 1 изображено устройство в положении вид спереди. С левой стороны корпуса
1 устройства показана зона нагрева 2. Показан вырез 7 в корпусе 1, выполненный в угле
45°-135° по отношению к вертикали, проходящей через центр вращения ротора 4. В вырезе 7 показаны: наконечники 10 термочувствительных элементов 5, за которыми установлен отражатель 6 потоков солнечного или другого искусственного излучения, под которым размещен регенератор тепловой энергии 8 (показан на фиг. 2). С правой стороны от
вертикальной оси в вырезе передней крышки корпуса 1 изображены: зона охлаждения 3,
ротор 4, термочувствительные элементы 5, состоящие из непроводящих тепло трубок 9 с
наконечниками 10, поршни 12, ограничители 14 движения поршней 4, соединенные штоком 13. В наконечниках показана легко испаряющаяся жидкость 11, объем которой увеличивается по мере охлаждения паров легко испаряющейся жидкости 11. В трубках 9 перед
наконечниками 10 показаны ограничители 14 движения поршней, роль которых состоит в
том, чтобы создать разность давлений в наконечниках 10, находящихся в зоне нагрева 2 и
охлаждения 3, с целью выделения тепловой энергии, образующейся при рекомбинации
охлаждающегося газа и передачи ее в регенератор 8 (см. фиг. 2). В наконечнике 10, размещенном на горизонтали виден поршень 12 и шток 13, которые размещены вблизи ограничителя 14, не дойдя до него вплотную, так как в этой позиции размещения термочувствительного элемента 5, в Г-образном наконечнике еще полностью не сконденсировались
пары легкокипящей жидкости. На переднем плане виден вал ротора и ребра воздушного
охлаждения устройства.
На фиг. 2 изображено все устройство для получения механической энергии в разрезе.
С левой стороны устройства в зоне нагрева 2 видны, размещенные в теле ротора 4 термочувствительные трубки 9 с Г-образными наконечниками 10, которые размещены таким
образом, что каждая последующая термочувствительная трубка наложена на предыдущую
с разворотом на угол 45°, и всего термочувствительных трубок 9 четыре штуки. В трубках
9 видны поршни 12, соединенные между собой штоком 13. На левой стороне устройства 1
показаны термочувствительные элементы 5 в разрезе в начале перед вхождением наконечников 10 из зоны охлаждения 3 в зону нагрева 2. Количество легкоиспаряющейся жидкости 11 в нижнем наконечнике максимально. Это количество легкокипящей жидкости
определено и оговорено в условии при заполнении наконечников 10 жидкостью 11. По
5
BY 6492 C1
мере перемещения Г-образного наконечника по зоне нагрева 2, происходит его нагревание
и уменьшение количества жидкости 11 в нем в результате ее испарения. При нагревании
наконечников 10 происходит передача тепловой энергии от металла наконечников жидкости 11, которая испаряется и переходит в парообразное состояние, а объем жидкости в наконечниках 10 по мере их перемещения по зоне нагрева 2 уменьшается до минимального
объема на выходе из зоны нагрева 2. На фиг. 2 видно, что поршни 12 под действием возрастающего давления паров жидкости 11 поднимаются по трубке 9 и перемещаются в зону охлаждения 3. В начале зоны нагревания 2 размещен регенератор 8 тепловой энергии,
обеспечивающий предварительный прогрев наконечников 10, входящих в зону нагрева,
что обеспечивает экономию тепловой энергии. Отражатель 6 размещен в зоне нагрева 2
для обеспечения передачи лучистой энергии, прошедшей мимо наконечников 10 обратно
на их теневую сторону. Таким образом, этим обеспечивается равномерный прогрев наконечников 10 со всех сторон. В зоне охлаждения 3 показано накопление в наконечниках 10
сконденсировавшейся жидкости 11 по мере охлаждения паров жидкости 11 по мере продвижения наконечников по зоне охлаждения 3. Максимальный объем жидкости образуется в наконечнике 10 термочувствительного элемента 5 при его полном охлаждении уже на
выходе из зоны охлаждения 3. Максимальное смещение поршней по трубке 9 достигается
при ее расположении близком к горизонтальному при вращении ротора 4 по часовой
стрелке. В правой части фиг. 2 видно, что в зоне охлаждения 3 поршни 12 находятся
большую часть своего времени, что и вызывает дисбаланс грузов на плечах ротора 4, размещенных на левой и правой его частях, разделенных вертикально расположенным его
диаметром и поворот ротора 4 по часовой стрелке.
На фиг. 3 показан ротор 4 устройства в положении сбоку. Видно, что термочувствительные элементы 5 размещены в теле ротора 4 последовательно, начиная от передней
стороны в глубину ротора 4. По причине того, что в термочувствительных элементах
поршни 12 перемещаются из одного края трубки 9 до противоположного ее края, проходя
через центр вращения ротора 4, поэтому ротор 4 установлен на полуосях.
Устройство работает следующим образом.
Для обеспечения работы устройства необходимо подать тепловую и лучистую энергию в вырез 7 корпуса 1 устройства на отражатель 6, который посылает ее на наконечники
термочувствительных элементов 5, расположенные в левой стороне устройства. При этом
происходит передача тепловой энергии от металла наконечников 10 жидкости 11, находящейся в наконечниках 10, в результате чего происходит испарение жидкости 11, давление в наконечниках 10 повышается и, под действием возросшего давления, которое передается поршню 12, происходит его смещение в трубке 9 термочувствительного элемента 5
в правую сторону от зоны нагрева 2 в сторону зоны охлаждения. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ротора 4 устройства
осуществляется за счет перемещения поршней 12 из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3
по прямой линии через центр оси вращения и образование статического дисбаланса. Поршень 12 в трубке 9 находится в ее нижнем положении только при выходе ее из зоны охлаждения 2 и при входе наконечника 12 в зону нагрева 2, т.е. при расположении трубки 9
строго вертикально. Сразу же после вхождения наконечника 12 в зону нагрева 2 происходит увеличение давления в трубке 9 и поршень 12 поднимается вверх. И при переходе из
зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 он еще не достигает своего крайнего верхнего положения в трубке 9, и только при полном вхождении в зону нагрева 2 и при расположении
трубки 9 на горизонтали, поршень 12 занимает крайнее правое положение от оси 17 вращения в трубке 9 в зоне охлаждения 3. Таким образом, поршни 12 в зоне охлаждения 3
находится в положении справа от оси 17 вращения ротора в трубке 9 большее время, чем в
зоне нагрева 2 в трубке 9 слева, а это обстоятельство постоянно поддерживает статический дисбаланс и приводит во вращение ротор 4 на его оси 17 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,
6
BY 6492 C1
являются причиной возникновения постоянного дисбаланса и вращения ротора 4 на валу
по часовой стрелке.
Охлаждению ротора 4 на правой стороне устройства способствуют несколько факторов одновременно: 1) исключение прямого воздействия тепла лучистой энергии со стороны источника, 2) охлаждение правой стороны корпуса 1 охладительными ребрами снаружи устройства, 3) охлаждение корпуса 1 охладителем с принудительно циркулирующей
водой, 4) отбор тепловой энергии для регенератора 8 тепла, размещенного в зоне нагрева
2, с целью ее предварительного нагрева.
Стабильность, т.е. высокая устойчивость частоты вращения ротора обеспечивается
постоянной разницей температур в зоне нагрева и в зоне охлаждения 3.
Частоту вращения ротора 4 регулируют посредством изменения мощности нагревательного элемента.
Величина максимально возможного крутящего момента на валу ротора 4, в основном
зависит от размеров и массы ротора 4 и массы поршней 12.
Съем мощности производят с одного или двух концов вала.
Эффективная работа устройства 1 может быть только при расположении ротора 4 в
вертикальной плоскости.
Таким образом, высокий КПД теплового двигателя достигается за счет:
одновременного использования тепловой и лучистой энергии источника на вращение
ротора;
использование 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 в зону охлаждения;
исполнения на левой стороне корпуса 1 отражателя с разного цвета покрытием от черного до белого блестящего в зависимости от условий эксплуатации устройства и от возрастания мощности источника излучения;
внесения в зону нагревания регенератора 8 для предварительного нагрева наконечников 10 и для обеспечения экономии тепловой энергии установки, что особенно важно при
маломощном источнике теплового излучения;
исполнения на правой стороне устройства внутренних поверхностей в виде абсолютно
черного тела, максимально возможного поглощения тепла водяной рубашкой этой зоны;
достаточно эффективного охлаждения корпуса 1 посредством охладительных ребер
снаружи.
По сравнению с прототипом устройство имеет следующие преимущества.
Устройство 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 достаточных для кипения жидкости, и несколько выше комнатной при использовании в
качестве рабочего тела N2O4.
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 нагревания, и такого же быстрого охлаждения в зоне охлаждения.
Изобретение позволит повысить эффективность преобразования тепловой энергии в
механическую за счет отсутствия передаточных механизмов и размещения ротора устройства непосредственно на валу.
Предлагаемый двигатель обеспечивает получение на валу значительного крутящего
момента, регулируемого изменением интенсивности нагревания и охлаждения.
Мощность устройства зависит от уровня перепада температур в зоне нагрева и зоне
охлаждения.
7
BY 6492 C1
Скорость вращения ротора устройства зависит только от теплоемкости и теплопроводности рабочего тела и от теплопередачи энергии материалом наконечников окружающей среде на пути перемещения термочувствительных элементов из зоны нагрева в зону
охлаждения.
Нахождение рабочего тела в замкнутом объеме позволяет использовать теплоноситель
с заданными параметрами - температурой испарения, кипения, теплоемкостью, для создания оптимального теплового цикла.
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.
Конструкция двигателя не имеет шарнирных соединений поршня с шатуном, трущихся сочленений, за исключением подшипников оси вращения, что позволяет иметь практически неограниченный ресурс эксплуатации.
Изобретение относится к устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой
энергии в механическую работу в процессе осуществления пароконденсационного 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.
Предлагаемое устройство является двигателем внешнего сгорания с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу.
Рабочее тело находится в замкнутом объеме и во время работы не заменяется его масса, а лишь изменяет свой объем при нагревании и охлаждении. К горячей зоне теплота
подводится от нагревателя, а от холодной зоны отводится охладителем, в котором циркулирует вода. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ротора устройства осуществляется за счет перемещения поршней из
зоны нагрева в зону охлаждения по прямой линии через центр оси вращения и образование статического дисбаланса, 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.
В качестве рабочего тела могут использоваться эфиры, спирты, фреоны, диссоциирующие газожидкостные системы, например N2O4, СO2 и т.п.
Выполнение корпуса 1 устройства в зоне нагрева 2 из пластического материала белого
цвета - тефлон - торговое называние (политетрафторэтилена), слабо проводящего тепло и
обладающего высокой коррозионной и тепловой стойкостью, изолирует их друг от друга,
и обеспечивает практически малую передачу тепла из зоны нагрева 2 зоне охлаждения 3.
Размещение в зоне нагрева 2 трубчатого регенератора 8, размещенного на входе в зону
нагрева еще на ее начальном участке, имеющего обратную связь с зоной охлаждения 3 в
ее начальной части, обеспечивает отбор тепловой энергии, возникающей в ней из-за химических реакций в теплоносителе при его охлаждении, что особенно важно при эксплуатации установки в условиях маломощного источника излучения.
Размещение термочувствительных элементов 5, с противоположно направленными
наконечниками 10 Г-образной формы на его концах, в теле ротора 4, таким образом, что
наконечники выступают за пределы периметра ротора 4, а их герметичные концы направлены по ходу вращения ротора 4, обеспечивает их полное прохождение по всей их длине в
узком окне выреза 7, выполненного по периметру ротора 4 и максимальный их прогрев за
счет потока тепловой и лучистой энергии, поступающей в окно выреза 7, и исключает
утечку тепла по причине установки отражателя 6 в зоне нагрева 2, а также исключает передачу тепловой энергии потока излучения из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 за счет
8
BY 6492 C1
препятствия этому со стороны тела ротора, выполненного из материала непроводящего
тепло.
Выполнение наконечников 10 термочувствительного элемента 5 Г-образной формы, и
введение в непроводящие тепло трубки 9 ограничителей движения поршней 12, обеспечивает разность давлений газа в трубках, находящихся в зонах нагрева 2 и охлаждения 3, за
счет понижения давления в трубке 9 и наконечнике 10, находящемся в зоне охлаждения 3,
при повышении давления в противоположном конце этой же трубки и в ее наконечнике
10, находящемся в зоне нагрева 2, так как при отсутствии ограничителей давление в обеих
концах этой трубки будет одинаковым за счет смещения поршней 12 в сторону меньшего
давления. Введение же ограничителей 14 движения поршней 12 способствует остановке
поршней 12 в трубке 9 перед ограничителем 14, при нахождении ее наконечника 10 в зоне
охлаждения 3, тогда как охлаждение газа в этом наконечнике будет еще продолжаться,
что и способствует понижению давления.
Заполнение наконечников 10 легкоиспаряющейся жидкостью 11, обеспечивает быстрое испарение паров жидкости при ее прогреве и ее кипение, что увеличивает съем тепла с наконечников 10 за счет расхода энергии на испарение жидкости.
Выполнение термочувствительных элементов 5 в виде, непроводящих тепло трубок 8,
с противоположно направленными наконечниками 10, Г-образной формы, отходящими от
трубок 9 под углом 90°, обеспечивает вхождение наконечников 10 в зону нагрева 2 герметичным концом, заполненным парами легкоиспаряющейся жидкости 11, и направленным
вверх, обеспечивает постепенный прогрев паров, а затем самой жидкости 11, и исключает
ее мгновенное вскипание и, за счет этого, отдачу в противоположную строну вращения
ротора 4. А вхождение наконечника 10 в зону охлаждения 3 герметичным концом, направленным вниз, и заполненным легкоиспаряющейся жидкостью 11, обеспечивает быстрое охлаждение этой жидкости и конденсацию ее паров.
Помещение в не проводящие тепло трубки 9 поршней 12 из материала, плохо проводящего тепло, например фторопласт-4, обеспечивает практически малую передачу тепла
жидкостью 11, нагретой в наконечнике 10 через материал поршня 11 жидкости 11, находящейся на противоположной стороне трубки 9 в наконечнике 10 в зоне охлаждения 3.
Выполнение поршней 12 со штоком 13 из тяжелого материала, например, из фторопласта-4 или металлов покрытых фторопластом-4 и длиной меньшей, чем половина длины
трубки 9, обеспечивает при нагревании жидкости 11 и повышении давления ее паров,
смещение поршней 12 в сторону меньшего давления и расположение их в трубке 9 таким
образом, что один поршень 12 со стороны большего давления займет положение строго на
оси вращения ротора 4, в то время как второй поршень 12 займет крайнее положение в
трубке 9 со стороны меньшего давления, что и создает статический дисбаланс, обеспечивающий поворот ротора 4 в сторону наконечника 10, находящегося в зоне охлаждения 3.
Соединение поршней 12 между собой штоком 13 и подбор его длины выполнен таким
образом, что когда один из поршней 12 находится в зоне нагрева 2 или в зоне охлаждения
3 на минимальной рабочей высоте, то в этот момент второй поршень 12 находится на оси
вращения ротора 4 строго по центру его тяжести. Поршень 12 в трубке 9 находится в ее
крайнем положении у ограничителя 13 в зоне охлаждения 3 только тогда, когда трубка 9
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 12 в зону нагрева 2 происходит увеличение давления в трубке 9 за
счет увеличения объема испарившейся жидкости, и поршень 12 поднимется вверх. И при
переходе из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3 он еще не достигает своего крайнего
верхнего положения в трубке 9, и, только при полном вхождении ее в зону нагрева 2, он
занимает крайнее правое положение в трубке 9 в зоне охлаждения 3 у ограничителя 14.
Таким образом, поршни 12 в зоне охлаждения 3 находятся в положении справа от оси
9
BY 6492 C1
вращения ротора 4 в трубке 9 большее время, чем в зоне нагрева 2 в трубке 9 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.
Размещение начала выреза 7 в корпусе 1 устройства на линии проходящей под углом
45° к вертикали через центр оси вращения ротора 4, обеспечивает начало нагревания Гобразного наконечника 10 теплом потока излучения, и только в момент его появления в
окне выреза 7. И только в этот момент начинается прогрев жидкости 11 в наконечнике 10
за счет передачи телом наконечника тепла парам жидкости 11, и подъем поршня 12 за
счет повышения давления паров жидкости 11 в трубке 9. В это время второй конец трубки
9 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 10 в вырезе 7, правый поршень 12 занимает свое
верхнее положение в трубке 9 в зоне охлаждения 3. И уже при горизонтальном положении
трубки 9 термочувствительного элемента 5, поршень 12 упирается в трубке 9 в ограничитель 14. Вырез 7 в корпусе 1 выполнен в угле 45-135° снизу.
Частичное заполнение Г-образного наконечника 10 легкоиспаряющейся жидкостью 11
должно происходить до такого уровня, который обеспечивает испарение только необходимого количества жидкости 11 для создания давления паров в трубке 9 в зоне нагрева 2,
достаточного для подъема поршней 12 со штоком 13 на высоту, при которой центр тяжести левого поршня 12 займет положение в центре трубки 9, а второй поршень 12 достигнет максимальной высоты во втором конце этой трубки 9, 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 вида теплового источника, энергия которого обеспечивает
создание давления паров легкоиспаряющейся жидкости 11 достаточного для подъема
поршня 12 внутри трубки 9 до ограничителей 14 высоты, при нахождении одного наконечника 10 в зоне нагрева 2, а второго - в зоне охлаждения 3.
Размещение отражателя 6 в зоне нагрева 2 обеспечивает экономию тепловой энергии
источника излучения за счет возврата энергии, прошедшей мимо наконечника 9 термочувствительного элемента обратно на наконечник и не допускает перегрева стенок корпуса 1 устройства.
С целью повышения КПД устройства и исключения выноса тепловой энергии, попадающей в вырез 7 корпуса 1 устройства, и недопущения перегрева корпуса 1, особенно в
зоне охлаждения, отражатель 6 может быть изготовлен из металла с разного цвета покрытиями, в зависимости от энергетической мощности нагревателя, от белого блестящего до
черного матового, хорошо поглощающего низкоэнергетическое излучение.
Разделение зон нагрева 2 и охлаждения 3 телом ротора 4 позволяет исключить попадание лучистой энергии из зоны нагрева 2 в зону охлаждения 3, тем уменьшить расход
тепловой энергии на единицу мощности устройства.
Размещение выреза 7 в корпусе 1 устройства на его передней крышке, позволяет исключить попадание лучистой энергии в зону охлаждения 3 устройства по зазорам между
ротором 4 и крышками устройства и, следовательно, увеличивает коэффициент полезного
действия устройства.
Выполнение отражателя 6 из металла хорошо поглощающего тепло, делает возможным использование источников теплового излучения слабой мощности даже при низкой
окружающей температуре, а подпитка дополнительной энергией от регенератора обеспечивает высокую экономию энергии.
Отвод тепла из зоны охлаждения 3, кроме как регенератором, осуществляется еще и
охладителем, в котором циркулирует вода, что особенно важно при использовании мощ10
BY 6492 C1
ных 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 устройстве 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 устройства.
Источники информации:
1. Перельман Я.И. Занимательная физика. Кн.2. - С. 180.
2. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 505.
3. А.с. SU 1758281, МПК F 03G 6 06, 1992.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
240 Кб
Теги
by6492, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа