СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ
METHOD FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ONE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую с использованием разности температур жидкости и окружающей среды.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую [А.с. СССР №1404681, МПК F03G 7/06, дата подачи заявки: 15.12.1980, дата публикации: 23.06.1988] путем погружения в жидкость камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, нагрева камер для расширения рабочего тела и увеличения их плавучести, охлаждения камер при сжатии рабочего тела и уменьшения их плавучести и вертикального перемещения камер под действием переменных сил их плавучести, при этом для предотвращения преждевременного расширения камер при их погружении, перед погружением камер, фиксируют их объем при его минимальном значении и освобождают их от фиксации при максимальной глубине их погружения.
В качестве прототипа выбран способ преобразования тепловой энергии в механическую [А.с. СССР №931945, МПК F03G 7/06, дата подачи заявки: 17.10.80, дата публикации: 30.05.1982] путем погружения в жидкость камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, расширения камер с увеличением их плавучести в результате теплообмена с жидкостью, всплытия камер под действием сил плавучести и уменьшения объема и плавучести камер в результате теплообмена с окружающей средой, при этом в качестве рабочего тела используют смесь газа с жидким растворителем, а изменение объема камер осуществляют растворением газа и его выделением из растворителя соответственно при охлаждении и нагреве.
Задачей настоящего изобретения является расширение ассортимента веществ, используемых в качестве рабочего тела.
Для достижения этой цели использовано свойство ряда веществ при температуре фазового перехода от +120°С и ниже при переходе из твердого состояния в жидкое совершать скачок значительного увеличения в объеме и при этом совершать работу.
к
pт
к
pт
Таким образом, поставленная задача решается способом преобразования тепловой энергии в механическую путем погружения в жидкость камер, содержащих термочувствительное рабочее тело, увеличения объема камер с увеличением их плавучести в результате теплообмена с жидкостью, всплытия камер под действием сил плавучести и уменьшения объема и плавучести камер в результате теплообмена с окружающей средой, при котором, согласно предложению, в качестве термочувствительного рабочего тела используют вещество со свойством изменения объема при фазовом переходе, при этом преобразуют изменение объема рабочего тела в изменение объема камеры с коэффициентом пропорциональности k, большим единицы, т.е. преобразование проводят в соответствии с формулой ΔV=k·ΔV, где ΔV - изменение объема камеры; ΔV - изменение объема рабочего тела, когда изменение объема рабочего тела (уменьшение или увеличение) приводит к большему изменению (уменьшению или увеличению) объема камеры.
В качестве рабочего тела целесообразно использовать вещество из следующего ряда: парафин с числом атомов углерода в молекуле 8-12, кислоты с числом атомов углерода в молекуле 1-18, n-алкидонафталины с числом углеродных атомов в цепи 2-16, производные бензола, церезин [См. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. Пер. с англ., «Металлургия», 1982, стр.18-19].
Наиболее простым вариантом регулировки мощности преобразования является изменение глубины погружения камер в жидкость.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано, например, устройством, раскрытым на чертежах.
На фиг.1, 2, 3, 4 представлен пример устройства камеры с изменяемым объемом, на фиг.5, 6, 7 представлены стадии работы одной камеры, на фиг.8 представлена схема собственно двигателя, реализующего способ.
8
9
пл
6
5
2
4
6
7
Камера с изменяемым объемом 1, 2 (в дальнейшем камера), состоит из нескольких единичных элементов 3 для создания напорного движения рабочей жидкости, каждый из которых имеет высокопрочный цилиндрический корпус 4, с днищем 5 и крышкой 6. Внутри корпуса 4, по центру устанавливается перфорированная трубка 10 с горловиной, на которую с зазором одевается эластичная и термостойкая трубка 7. Весь объем внутри трубок 7, 10 заполнен рабочей гидравлической жидкостью 9. Притом объем рабочей жидкости между внутренней стенкой трубки 7 и наружной частью трубки 10 должен быть не менее увеличенного объема жидкой фазы рабочего тела 8 при плавлении. Объем элемента 3 между наружной гранью трубки 7 и внутренней высокопрочного корпуса 4, заполняется рабочим телом 8, которое подбирается для разных температурных условий. Для северных широт, где температура воды 0-5°С, а температура воздуха -10°С и ниже, рабочее тело представляет из себя спирты с С и С, имеющие температуру плавления Т -14 и -5°С, и увеличение объема 11,3 и 9.0 процента; производную бензола - СHNH, имеющую температуру плавления -6,2°С и увеличение объема при плавлении 10,8%; кислоты с С, С, С, жидкие парафины и другие вещества со сходными характеристиками. Там, где температура воды +40 - +100°С возможно применение твердых парафинов, церезинов, циклогексанов и др. [Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. Пер. с англ., «Металлургия», 1982, стр.18-19]. Элементы 3 с помощью винтовых или других разъемов крепятся к кольцевому трубопроводу 11, заполненному рабочей гидравлической жидкостью 9 и соединенному радиальными трубками 12 с поршневой камерой 13. Для преобразования изменения объема рабочего тела в изменение объема камеры применена т.н. плунжерно-поршневая схема. Силовым органом камеры 1 является цилиндр 14 малого диаметра с плунжером 15. Исполнительным органом является цилиндр большого диаметра 16 с поршнем 17, жестко соединенным с плунжером 15. Для возврата поршня в исходное состояние служит пружина 18 с защитной мембраной 19. Пространство между стенками 16 поршня 17 и мембраной 19 заполняется защитной смазкой. В исходном первоначальном состоянии объем 20 камеры (фиг.5) минимален, при максимальном выдвижении поршня 17 (фиг.6) объем камеры увеличивается до максимального значения. При работе воздух поступает в камеру и выходит из нее по шлангам 22 в кольцевой гибкий коллектор 23. Для обеспечения необходимой плавучести в конкретных температурных условиях предусмотрены герметичные карманы 21, заполненные воздухом. Камеры 1, 2 являются рабочим органом двигателя 26 и в необходимом количестве смонтированы на бесконечной ленте 23, которая огибает барабаны 29 и 30. Данный двигатель может быть смонтирован на плавучей или закрепленной платформе 27 с помощью опоры 28 и соединительного элемента 33. Двигатель имеет привод 32, соединенный с силовым органом 31, в виде электрогенератора с соответствующим редуктором, гидронасоса, гидромотора и т.п.
В целях регулирования мощности, в результате изменения температурного режима, предусмотрено подъемно-опускное устройство 34, с помощью которого регулируется глубина погружения в воду. На гибком воздушном коллекторе 23 могут монтироваться пневмоаккумуляторы низкого давления 35, для равномерного распределения воздуха. Для выброса излишнего воздуха из коллектора 23 предусматривается клапан 36.
Двигатель работает следующим образом: камеры 1, смонтированные на кольцевой ленте 23 ее нижней частью опущены в природный нагреватель (например, вода природного водоема с температурой 0°С и выше). Охладителем служит атмосферный воздух северных и южных широт температурой -10°С и ниже. Под воздействием нагревателя рабочее тело 8 элементов 3 плавится, и его увеличенный объем выжимает рабочую жидкость 9 из эластичной трубки 7 в перфорированную трубку 10 и оттуда в кольцевой коллектор 11. Далее по трубке 12 поступает в поршневую камеру 13 и его напор перемещает плунжеры 8 в разные стороны до максимального значения, при котором объем 20 камеры (камера 1 на фиг.5) увеличивается до максимального объема (камера 2 на фиг.6). Пружина 18 и защитная мембрана 19 сжимаются. Объем 20 заполняется атмосферным воздухом через шланги 22 из кольцевого гибкого трубопровода 23 (поскольку все камеры подключены к трубопроводу 23, и они примерно поровну срабатывают на вход и выход воздуха из них, для регулирования воздушного потока могут быть на противоположных участках непрерывной ленты 24 смонтированы два пневматических аккумулятора низкого давления 35). В этом положении камера 2 имеет максимальный объем, а его объемная масса должна быть ниже объемной массы воды, чем значительнее, тем лучше. Увеличенные в объеме камеры 2 выталкивающей силой воды перемещают ленту 18 вверх, давая шкивам 20 и 21 непрерывное движение. При выходе камеры 2 она попадает в охладитель - атмосферный воздух, где рабочее тело 8 кристаллизуется. Атмосферным давлением и возвратной пружиной 18 камера возвращается в свое первоначальное состояние с минимальным объемом (камера 1 на фиг.5), с объемной массой больше объемной массы воды. Общий объем камер 2 должен превышать общий объем камер 1. Таким образом, движение происходит за счет разности сил выталкивания, действующих на противоположные ветви двигающихся камер 1 и 2. Ветвь с камерами 1 с объемной массой, большей чем у воды, движется вниз, а ветвь с камерами 2 с объемной массой, меньшей чем у воды, двигается вверх. Через шкив 29, привод 32, соответствующий редуктор движение передается гидронасосу 31, а затем через систему управляющей и регулирующей арматуры в гидромотор и генератор электрического тока. Возможна передача движения через привод 32 через соответствующий редуктор, непосредственно генератору электрического тока.
Реализация заявленного способа позволяет создать работоспособный, экологически чистый двигатель, использующий выталкивающую силу воды (закон Архимеда), на всей территории земного шара, где имеется разница температур на границе водной и воздушной сред не менее 10°С. Это арктические широты, в которых разница температур воды океанов, морей и других водоемов с температурой воздуха достигает десятков градусов Цельсия. Способ особенно эффективен при использовании природных геотермальных источников воды. Возможна его реализация при использовании вторичных источников тепла, как, например, нагретая оборотная вода от охлаждения оборудования различных производств, вода от конденсационных установок парогенераторных электростанций. Особенно приемлем для выработки электроэнергии для платформ, с помощью которых добываются газ и нефть в открытых морях.