Тепловой твердотельный двигатель
THERMAL SOLID-STATE MOTOR

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к нетрадиционным преобразователям тепловой энергии в механическую работу. Оно может быть применено в приводах электрических агрегатов, насосно-компрессорного и другого оборудования промышленного, сельскохозяйственного и иного назначения с преимущественным использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.
Известен целый ряд нетрадиционных преобразователей тепловой энергии в механическую работу, описанных, например, в изобретениях SU 478123 кл. F03G 7/06, 1973; SU 709830 кл. F03G 7/06, 1978; SU 987162 кл. F03G 7/06, 1981; SU 1307084 кл. F03G 7/06,1987: RU 2200252 С2 кл. F03G 7/06, 2001, которые из-за несовершенства конструкции не нашли практического применения.
Известна конструкция тепломеханического преобразователя - по патенту RU №2442906, 2012 г. - наиболее сходная с заявляемым устройством, она будет здесь рассмотрена подробно и принята за прототип.
Этот тепломеханический преобразователь, содержащий установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, а также зоны нагрева и охлаждения (температурные зоны), имеет связанный с теплочувствительными элементами опорный фланец, соединенный через подшипник с наклонным фланцем вала. На валу установлен золотник, управляющий потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).
Опорный фланец позволяет преобразовывать изменение соотношения продольных размеров связанных с ним теплочувствительных элементов под действием меняющейся температуры в циклическое изменение направления его наклона, передаваемого и на наклонный фланец вала, получающего при этом вращающий момент.
Данный аналог отличается простотой конструкции, универсальностью по виду используемых источников преобразуемой тепловой энергии, возможностью работы в режиме автоматического поддержания стабильной частоты вращения в условиях изменяющейся нагрузки. Главным его недостатком является низкий к.п.д. из-за ограниченного предела упругости рабочих теплочувствительных элементов (ТЧЭ) при их малом коэффициенте теплового расширения и высокой общей теплоемкости. В чисто силовых установках этот показатель эффективности может оказаться неприемлемым. Другим недостатком является увеличенный продольный габарит данного преобразователя, что ограничивает возможность его использования при малой разности температур нагревающего и охлаждающего теплоносителей.
Задачей при разработке заявляемого двигателя является повышение его к.п.д., снижение массы и габаритных размеров.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепловой твердотельный двигатель, содержащий зоны нагрева и охлаждения, установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, связанный с ними опорный фланец, опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, а также связанный с валом золотник, управляющий потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей к теплочувствительным элементам, - согласно изобретению - оснащен малогабаритными ТЧЭ, состоящими из биметаллических секций и расположенными в цилиндрических гнездах корпусного блока, связанных с каналами золотника. При этом контур горячего теплоносителя связан только с минимальным числом ТЧЭ для их предельного нагрева, а остальные ТЧЭ связаны каналами золотника с контуром рекуперации тепловой энергии, обеспечивающим теплообмен между охлаждаемыми и предварительно нагреваемыми ТЧЭ.
Конструкция ТЧЭ в виде биметаллических секций резко сокращает его продольный размер, улучшает теплообмен с потоками теплоносителя, что позволяет увеличить скорость изменения его температуры, повысить частоту вращения вала и, следовательно, получаемую мощность.
На фиг. 1 показан общий вид теплового твердотельного двигателя, на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг. 3 - выноска Б с разрезом фрагмента ТЧЭ.
Корпусной блок заявляемого двигателя состоит из основания 1 с неподвижно установленной вставкой 2 и подшипниковым фланцем 3. В периферийных гнездах вставки 2 размещены ТЧЭ 4 (для удобства монтажа его секции и верхний фланец могут быть скреплены, например, склеиванием), в кольцевом углублении с круговыми пазами установлен золотник 5, а в центральном гнезде вставлен вал 6 с наклонным фланцем 7. Для оптимизации режима работы двигателя соединение последних может быть оснащено известным регулятором 8 угла их взаимного поворота.
Золотник 5 имеет свободную посадку на валу 6. Они соединены пружиной, обеспечивающей вместе с фиксатором 9 дискретный режим вращения золотника, для чего на торце для фиксации имеется ряд углублений по числу ТЧЭ 4. Золотник 5 своими каналами сообщается с внешней стороны с гнездами для ТЧЭ 4, а с внутренней - через пазы вставки 2 - с входными и выходными трубопроводами теплоносителей.
На сферические выступы фланцев ТЧЭ 4 опирается кольцо 10 упорного подшипника. А сами фланцы опираются на биметаллические секции, их наружный слой 11 (см. фиг. 3) по сравнению с внутренним имеет повышенный температурный коэффициент расширения.
Оптимальным же вариантом изготовления таких секций представляется склеивание известными теплоизолирующими органосиликатными составами «Силтэк», «Броня», «Корунд» и т.п. вставленных одна в другую цилиндрических заготовок из разных сплавов с последующей прокаткой секции до получения требуемого профиля. Такое исполнение с теплоизоляцией внутреннего слоя уменьшает в рабочем режиме теплопотери и увеличивает скорость изменения температуры внешнего - рабочего - слоя 11.
Работа заявляемого двигателя принципиально не отличается от работы его прототипа.
На кольцо 10 в любой момент воздействуют силы предварительно напряженных ТЧЭ 4, которые через упорный подшипник передаются на наклонный фланец 7. При этом на валу 6 создается суммарный вращающий момент:
Σ
k
k
фл
M=Σ(F⋅tgϕ)⋅R,
k
где: F - сила, приложенная к кольцу 10 от сжатых секций k-того ТЧЭ;
k
ϕ - угол (с учетом знака) уклона канавки наклонного фланца 7 в точке приложения этой силы;
фл
R - радиус окружности по дну указанной канавки.
Σ
При равенстве температуры у всех ТЧЭ суммарный момент М=0, а вал 6 находится в покое. С подачей из внешней сети через круговые пазы и внутренние каналы золотника 5 нагревающего и охлаждающего теплоносителей равенство температур у ТЧЭ (а следовательно, и баланс противоположно направленных вращающих моментов) нарушается и вал 6 начинает вращаться. При этом осевое усилие на нем воспринимается упорным подшипником фланца 3 корпусного блока. Связанный с валом золотник 5 скачками переключает нагревающий и охлаждающий потоки на очередные ТЧЭ, отчего точка приложения их равнодействующей силы на наклонный фланец 7 смещается, сохраняя на валу 6 вращающий момент. При этом в сравнении с прототипом у заявляемого двигателя имеется очень важное отличие: если в первом на группу ТЧЭ в зоне нагрева вся необходимая тепловая энергия отбиралась от источника тепла, то во втором это тепло расходуется только на окончательный донагрев одного - двух ТЧЭ, а предварительный их нагрев обеспечивается за счет рекуперации тепла, отдаваемого предыдущими ТЧЭ при их охлаждении. В результате к.п.д. двигателя резко возрастает.
Итак, с подключением внешних теплоносителей горячий поток, поступающий по штуцеру в основании 1 в круговой паз вставки 2 и далее по каналу золотника 5 к одной-двум секциям ТЧЭ 4, нагревает их, в результате чего их воздействие на кольцо 10 возрастает, а поскольку на этом участке канавка фланца 7 имеет максимальный уклон (см. примечание к фиг. 1), этот фланец начинает поворот. С каждым углом поворота α=2 π/n, (где n - число ТЧЭ), золотник 5 скачком переключает горячий поток на очередные ТЧЭ, при этом необходимое "опережение" нагрева устанавливается регулятором 8. А ранее нагретые ТЧЭ попадают в зону охлаждения. Их тепло переносится встречным охлаждающим потоком по особому каналу в золотнике 5 в зону предварительного нагрева ТЧЭ и в основном передается последним, а остаток по обратному контуру покидает двигатель и может быть утилизирован на другие цели.
Горячий поток может циркулировать по замкнутому контуру, например, в варианте с теплоаккумулятором.
Заявляемый преобразователь способен работать от самых различных источников тепловой энергии (с использованием теплообменников или без них) и ориентирован главным образом на ее возобновляемые виды, а также на утилизацию энергии тепло-содержащих технологических продуктов и тепловых сбросов в окружающую среду. Его компактная конструкция позволяет освоить его производство в самом широком интервале номиналов мощностей и рабочих температур с возможностью использования в системах, работающих в режиме когенерации тепловой энергии.