ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

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 как на стационарных, так и на мобильных объектах с преимущественным использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.
Известен целый ряд конструкций преобразователей тепловой энергии в механическую в виде двигателей - от поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания до самых современных турбин. Такие двигатели, особенно их последние поколения, отличаются надежностью, компактностью, высокой удельной мощностью и хорошими маневровыми возможностями.
Главными же недостатками этих двигателей является сложность их конструкции и обусловленная этим высокая стоимость их производства и эксплуатации, а также необходимость в сжигании дорогостоящего топлива, связанном к тому же с химическим, тепловым и шумовым загрязнением окружающей среды и экологически вредными процессами производства самого топлива.
Известны нетрадиционные тепловые двигатели (а.с.: 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), однако из-за несовершенства конструкции они не нашли практического применения.
Известен тепловой двигатель (прототип), содержащий барабан, установленный на горизонтальной оси с возможностью вращения, термобиметаллические элементы и источники тепла, размещенную внутри барабана систему диаметрально расположенных прямых закрытых трубок, частично заполненных жидкостью, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана втулках, в которых размещены термобиметаллические элементы, имеющие возможность теплообмена с источниками тепла и охлаждающим пространством (см. патент RU 2200252 С2, кл. F03G 7/06, 2001).
Недостатком данного двигателя является его громоздкость и массивность при низкой эффективности преобразования энергии, поскольку теплочувствительные элементы в данной конструкции не способны быстро нагреваться и охлаждаться в реальном режиме работы двигателя из-за чрезмерного экранирования их втулками и самим барабаном.
Целью изобретения является создание простой и универсальной конструкции тепловых двигателей, работающих от любых источников тепла и пригодных к практическому использованию в самых различных как стационарных, так и мобильных устройствах.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепломеханический преобразователь, содержащий установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, а также зоны нагрева и охлаждения (температурные зоны), согласно изобретению имеет связанный с теплочувствительными элементами опорный фланец, опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, жестко связанного с золотником, управляющим потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).
Опорный фланец позволяет преобразовывать поочередное изменение длин связанных с ним теплочувствительных элементов под действием меняющейся температуры в циклическое изменение направления его наклона, воздействующее на фланец вала, получающего при этом вращающий момент.
Золотник обеспечивает в строгом соответствии с меняющимся углом поворота вала подачу нагревающего и охлаждающего агентов в соответствующие группы теплочувствительных элементов в оптимальной опережающей фазе.
На фиг.1 показан общий вид тепломеханического преобразователя (ТМП) с трубчатыми теплочувствительными элементами, на фиг.2 - вид сверху ("A"), на фиг.3 - разрез "Б-Б" на стыке трубной решетки ТМП с золотником.
Тепломеханический преобразователь в наиболее универсальном по источнику тепловой энергии варианте содержит корпус 1, на одном конце которого расположен кольцевой анкер 2 для трубчатых теплочувствительных элементов (ТЧЭ) 3, например, U-образной формы, а на втором конце - трубная решетка 4 с отверстиями для открытых концов ТЧЭ и центральным отверстием для вала 5. На валу 5 имеются жестко связанные с ним наклонный фланец 6 и подвижная часть золотника 7 с системой каналов для подвода к группам ТЧЭ и отвода от них нагревающего и охлаждающего агентов. На торцевой поверхности золотника 7 выполнены дугообразные пазы 8 и 9. На его хвостовике с кольцевыми пазами имеется гильза 10 с патрубками. Вал 5 установлен в подшипниковых узлах 11 и 12, последний является элементом натяжного устройства. ТЧЭ 3 снабжены теплоизоляцией, внутренним оребрением, упорами 13, опертыми через коромысла 14 на фланец 15, который через упорный подшипник связан с фланцем 6.
В рабочем состоянии степень предварительного натяжения ТЧЭ 3 должна находиться в пределах от минимального значения - в позиции наименьшего напряжения (на фиг.1 справа) - до максимального значения (слева), соответствующего их расчетной тепловой деформации в границах рабочих температур.
Тепломеханический преобразователь работает так: в любом его состоянии на фланец 15 через коромысла 14 действуют силы натяжения ТЧЭ 3 на их участке от кольцевого анкера 2 до упора 13, которые через упорный подшипник передаются на наклонный фланец 6 вала 5, установленного в подшипниковых узлах 11 и 12. При этом на валу 5 создается суммарный вращающий момент:
,
k
где: F - сила, приложенная к фланцу 6 от натяжения ветвей k-того ТЧЭ;
k
φ - угол (с учетом знака) уклона канавки упорного подшипника в точке приложения этой силы;
фл
R - радиус окружности по дну указанной канавки.
∑
При равенстве температуры у всех ТЧЭ суммарный момент M=0, а вал 5 находится в покое. С подачей теплоносителей сила натяжения в группах ТЧЭ 3 изменяется, нарушая баланс противоположно направленных моментов, и вал 5 начинает вращаться. Связанный с ним золотник 7 через трубную решетку 4 подключает к нагревающему или охлаждающему потокам новые соседние ТЧЭ, отчего точка приложения их равнодействующей силы на опорный фланец 15 смещается, обходя вокруг ось вала 5 и сохраняя на последнем вращающий момент. При этом дуговые пазы 8 и 9 золотника 7 с учетом тепловой инерции ТЧЭ имеют угловое опережение относительно соответственно работающих групп элементов. Такое опережение может быть оптимизировано его автоматическим регулированием в зависимости от режима работы ТМП. Наиболее экономичный расход теплоносителя можно достичь оптимальным распределением его потоков внутри групп ТЧЭ при помощи грамотно выполненной формы каналов золотника 7.
Вращению самого опорного фланца 15 под действием сил реакции препятствуют трубы ТЧЭ 3, проходящие сквозь его периферийные отверстия.
При незамкнутой системе подачи теплоносителей ТЧЭ могут не иметь U-колена. В этом случае упрощается конструкция золотника 7 и его гильзы 10 с сокращением числа каналов и патрубков.
Корпус 1 ТМП является его несущей конструкцией и ограждением. Он позволяет расположить преобразователь в любой пространственной ориентации.
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 теплосодержащих технологических продуктов и тепловых сбросов в окружающую среду. При достаточно высокой температуре нагревающего агента возможно каскадное включение таких преобразователей, что повысит их общий к.п.д.