Тепломеханический преобразователь
THERMOMECHANICAL CONVERTER

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.
Известны тепломеханические преобразователи, описанные в патентах RU №№2613337, 2017., 2623728, 2017. и 2694568, 2019. Все они компактны, имеют достаточно высокий КПД, рассчитаны на использование самых различных источников тепла с его рекуперацией, хорошо вписываются в системы с когенерацией тепловой энергии. Они принципиально сходны с заявляемых устройством, но рабочим телом в них служат биметаллические либо жидкостные теплочувствительные материалы, при этом они имеют довольно сложную конструкцию.
Главной задачей в разработке заявляемого устройства было предельное упрощение его конструкции и снижение массы даже при увеличенном продольном размере, И такая задача решена созданием конструкции тепломеханического преобразователя, содержащего зоны нагрева и охлаждения с каналами подачи в них горячего и холодного потоков, оснащенного - согласно изобретению - единым теплочувствительным элементом (ТЧЭ), являющимся заодно приводным валом и выполненным в виде тонкостенной трубы из непластичного материала с высоким коэффициентом теплового расширения, установленной в подшипниках и контактирующей при своем изгибе с упорным роликом.
Описание заявляемого преобразователя поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан его общий вид (в продольном разрезе), на фиг. 2 - поперечный разрез по А-А, на фиг. 3 - пример использования устройства в бытовой технике.
В основе конструкции преобразователя используется тонкостенная труба 1 круглого сечения из непластичного сплава с высоким коэффициентом теплового расширения и малой теплоемкостью. Являясь одновременно и приводным валом, она имеет в торцах вставки 2 (см. фиг. 1) с подшипниковыми узлами 3, а также элементами соединения с внешней нагрузкой. Для компенсации незначительных отклонений оси трубы 1 при ее рабочих изгибах (от разности температур по обеим сторонам стенки) обе вставки 2 выполнены упругими, например, тонкостенными. В средней части трубы 1 она усилена рабочей втулкой 4, контактирующей при температурном изгибе трубы с упорным роликом 5. К поверхности трубы 1 (см. фиг. 2) примыкает желоб 6 с антифрикционными накладками на кромках и направляющей диафрагмой 7, который соединен с каналами горячего теплоносителя. Вся эта конструкция заключена в оболочку 8, образующую канал для охлаждающего потока. При использовании преобразователя в простейших устройствах, например, в бытовой технике (см. фиг. 3) эта оболочка, как и желоб 6 отсутствуют. Здесь в рекуперации тепла нет необходимости, поэтому труба 1 (как ТЧЭ) одной стороной находится в горячем, другой - в холодном потоке воздуха, восходящего под действием естественной конвекции в приводном отсеке 9 шашлычницы 10 с шампурами 11.
Работает тепломеханический преобразователь с использованием теплового потока от любого источника: от солнечного коллектора либо от теплового аккумулятора, или от термального источника, газового потока теплового сброса производственного объекта. При этом горячий теплоноситель нагревает сегмент трубы 1 до максимальной температуры. Этот сегмент и нагретые примыкающие к нему другие, расширяясь, изгибают трубу (а стрела свободного прогиба на длине 1 м трубы из цинка или дюраля даже при разности температур противоположных сегментов поверхности всего в 50°С составляет около 15 мм), но она в начале изгиба своей втулкой 4 упирается в ролик 5.
n
t
Сила F, направленная в сторону изгиба, имеет составляющие: F и F. Последняя - тангенциальная - вызовет поворот трубы в направлении, показанном на фиг. 2 утолщенной стрелкой. Если бы желоб 6 повернулся вместе с трубой 1, то процесс был бы закончен. Но поскольку вместе с желобом находящаяся в нем зона максимального нагрева сохраняет свое положение, то в ней окажется соседний сегмент, который, расширяясь, восстанавливает направление изгиба и тем самым продолжает вращение трубы в подшипниковых узлах 3.
Охлаждающий поток поддерживает пониженную температуру другой стороны стенки, обтекая ее поверхность, и отбирает тепло у сегментов, вышедших из зоны максимального нагрева, направляя это тепло в зону предварительного нагрева, расположенную по другую сторону желоба 6. В этом и заключается рекуперация тепловой энергии, при наличии которой резко сокращается расход тепла от его источника.
А все недоиспользованное тепло сбрасывается на утилизацию в систему с когенерацией.
Вращение трубы 1 передается через вставки 2 на внешнюю нагрузку.
Простота конструкции заявляемого устройства позволяет освоить его массовое производство на предприятиях, а также мелкосерийное - в обычных мехмастерских, и использовать в самых разных целях вместо традиционных двигателей.