ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
THERMODYNAMIC ENGINE

Изобретение относится к сфере энергетики.
Известно изобретение - «Камера переменного объема» (см. Рудякевич В.Е., Самуськов А.Е., Камера переменного объема, Авт. св. СССР №958658, МПК F01B 19/02, F04B 43/02, F15B 15/10, 1982 г., Бюл. №34), которое содержит корпус, подвижный шток, закрепленную по перифирии в корпусе и взаимодействующую в центре со штоком мембрану, отделяющую рабочую полость от штоковой, пружинные пластины, имеющие радиальные лепестки, причем с целью повышения надежности примыкающая к незакрепленным концам лепестков стенка штоковой выполнена конфузорной с уменьшающимся в направлении от мембраны периметром поперечного сечения, а периметр пружинных пластин в пакете выполнен уменьшающимся в направлении от мембраны и концы лепестков оперты на конфузрорную поверхность стенки штоковой полости.
Недостатком данного изобретения является то, что изобретение имеет узкую сферу применения и не может рассматриваться как двигатель или энергетическая установка многоразового применения.
Известно техническое решение - «Мембранный двигатель» (Воробьев А.Д., Воробьева Н.В, Козел Л.Г., Гришина М.С., Стасевич В.В., Самохвалова Л.А., Мембранный двигатель, Авт.свидетельство СССР №1620702. МПК F15B 15/10, 43/02. 15.01.91. Бюл. №2.), содержащее корпус, мембрану, связанную с подвижным штоком, рабочие полости, каналы подвода-отвода рабочей среды, опорные пластины, демпфер, втулки, пружины, осевые и радиальные каналы, регулируемый дроссель.
Недостатком данного изобретения является невозможность получения бесплатной энергии и работы.
Наиболее близкой технической разработкой является - «Оппозитный двигатель внутреннего сгорания» (см. Максимов В.П., Долматов Н.П., Кметь Е. А., Литвинцев С.А., Давиденко А.А., Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, Патент РФ на ИЗ №2644318, МПК F01B 19/02, F02B 75/36, 2018 г., Бюл. №4), который содержит корпус, выполненный в виде противоположно расположенных камер сгорания с поперечным сечением прямоугольной формы, причем в каждой камере сгорания расположены система впрыска, система выпуска и свечи зажигания, в центре корпуса имеется также гибкая пластина, которая связана со штоком, концы которого взаимодействуют с маховиками.
Недостками данного изобретения являются: 1) загрязнение окружающей среды из-за выхлопных газов, выделяющихся при сгорании топлива; 2) невозможность получения работы и производства электрической энергии только за счет повышения температуры некоторых частей двигателя без процесса сгорания топлива.
Решаемая техническая проблема - существующие двигатели, в основном, работают со значительным влиянием на окружающую среду, включая выбросы выхлопных газов (двигатели внутреннего сгорания, воздушно-реактивные двигатели и т.д.), снижение мощности ветра и, как следствие, изменение климата (ветровые электростанции) и др.
Задача заявляемого изобретения - производство механической работы за счет перепада температур в некоторых частях ТД и в условиях гравитации за счет тепловой мощности окружающей среды и/или тепловых потоков от дополнительных источников тепла.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является создание энергоэффективного двигателя, который может производить работу только за счет перепада температур в некоторых его частях и в условиях гравитации.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении коэффициента полезного действия двигателя с возможностью производства работы и энергии без загрязнения окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что в термодинамическом двигателе (ТД), содержащем корпус, шток, гибкую пластину, связанную со штоком, установлены опора, вал, подшипник, корпус, образованный трубками, расположенными радиально в теплоизолированной ступице, которая посажена на вал при помощи подшипника, кожух, способный поворачиваться на некоторый угол вокруг оси вращения корпуса и скрывающий несколько трубок в тени, предотвращая преждевременный нагрев трубок от тепла, поступающего извне, причем внутри каждой трубки находится рабочее вещество, способное расширяться в объеме при повышении температуры в определенных пределах от тепловых потоков, внутри каждой трубки установлено по одной пружине, жестко закрепленной на трубке и взаимодействующей с гибкой пластиной, на которой установлен груз, также внутри каждой трубки установлено по одному штоку, соединенному с гибкой пластиной и грузом. ТД может содержать редуктор, соединенный с корпусом и электрическим генератором для производства электрической энергии. ТД также может содержать резервуар с жидкостью для охлаждения нагретых трубок.
Для пояснения технической сущности предлагаемого изобретения рассмотрим фиг. 1, 2, 3, 4, где: 1 - корпус, 2 - теплоизоляционная ступица, 3 -трубка, 4 - шток, 5 - пружина, 6 - гибкая пластина, 7 - рабочее вещество, 8 -подшипник, 9 - вал, 10 - груз, 11 - опора, 12 - кожух, 13 - тепловой поток, 14 - тепловой поток, 15 - резервуар с жидкостью, 16 - жидкость.
На фигурах (рисунках) представлено следующее:
Фиг. 1 - Общий вид ТД;
Фиг. 2 - Разрез трубки ТД;
Фиг. 3 - Работа ТД, содержащего кожух;
Фиг. 4 - Работа ТД, содержащего кожух, с охлаждением трубок в резервуаре с жидкостью.
Таким образом, ТД содержит корпус 1, выполненный в виде колеса, содержащего теплоизолированную ступицу 2 с посаженными на нее трубками 3 одинаковой массы и длины L (фиг. 1).
Трубки 3 могут быть изготовлены из высокопроводящего металла или металлического сплава, например, из меди, бронзы и т.п.(медь имеет коэффициент теплопроводности λ=389,6 Вт/(м⋅К)).
Внутри каждой трубки 3 герметично находится одно и то же рабочее вещество 7 с большим коэффициентом теплового расширения β.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
- физическая величина, характеризующая относительное изменение объема или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объемного и линейного расширения (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Коэффициент_теплового_расширения). Например, для воды (в интервале температур от 20°С до 40°С) β=302⋅10 °С; для керосина β=960⋅10 °С; для спирта β=1080⋅10 °С; для эфира β=1600⋅10°С.
На конце каждой трубки 3 герметично и жестко установлена гибкая пластина 6, на которой, в свою очередь, зафиксирован груз 10. Все грузы 10 в ТД абсолютно одинаковы по массе. Гибкая пластина 6 и груз 10 жестко соединены со штоком 4, который удерживается внутри трубки 3 и может двигаться в одном направлении. Также гибкая пластина 6 соединена с пружиной 5, которая установлена внутри трубки 3. Длина всех трубок L одинакова. Однако плечо L' может быть увеличено или уменьшено за счет перемещения груза 10 (фиг. 2).
Корпус 1 посажен на вал 9 при помощи теплоизолированной ступицы 2 и подшипника 8. Конструкция ТД удерживается над поверхностью земли благодаря опоре 11, которая неподвижна. Опора 11 может быть выполнена в виде стержней, пластин, соединенных вместе, также содержит часть, сидящую на валу 9, и горизонтальную плоскость, контактирующую с землей (на фиг. не обозначены).
ТД также содержит кожух 12 с возможностью поворота вокруг оси вращения корпуса 1 на некоторый угол (фиг. 3). Кожух 12 может быть выполнен полым и не задевает трубок 3 и грузов 10 при работе ТД. Основная функция кожуха 12 - предотвращение попадания значительной части теплового потока 13 или 14 на трубки 3, расположенные на противоположной стороне корпуса 1, с целью поддержания постоянной разницы температур между соосно расположенными трубками 3 (фиг. 3).
ТД может содержать резервуар 15 с жидкостью 16 с целью охлаждения трубок 3 при повороте корпуса 1 вокруг оси вращения корпуса 1 (фиг. 4).
Трубки не соединены с друг другом напрямую (фиг. 1, 3), так как соединены с теплоизолированной ступицей 2, изготовленной из материала с небольшим коэффициентом теплопроводности Я (например, λ≤0,25 Вт/(м⋅К)). Таким образом, исключается значительный теплоперенос от наиболее нагретых трубок к менее нагретым путем теплопроводности.
Работа данного ТД:
При поступлении солнечной радиации (излучения) в виде теплового потока 13 трубки 3, расположенные вне кожуха, воспринимают этот тепловой поток Q [Вт] и нагреваются (фиг. 3, 4). Рабочее вещество 7 внутри этих трубок быстро разогревается и расширяется, возникает сила, давящая на гибкие пластины 6 изнутри, пружины 5 растягиваются, а грузы 10 удаляются от центра вращения корпуса 1 в противоположную сторону на некоторое расстояние, при этом расстояние L' увеличивается. Чем больше температура рабочего вещества 7, тем на большее расстояние сдвигаются грузы 10, пружины растягиваются сильнее, а гибкие пластины 6 больше выгибаются (до определенного предела). Таким образом, плечи L' с одной стороны корпуса 1 больше, чем с другой (на фиг. 3 - плечи L' слева меньше, чем плечи L' справа). В связи с этим по законам механики моменты сил с одной стороны корпуса 1 становятся больше, чем моменты сил с другой стороны корпуса 1 относительно единого центра вращения, корпус 1 начинает поворачиваться на валу 9, далее происходит самопроизвольное вращение корпуса 1 (по часовой стрелке на фиг. 3). При попадании трубок 3 под кожух 12 солнечная радиация напрямую не действует на трубки 3, температура которых в связи с этим меньше, а значит, рабочее вещество 7 в этих трубках также менее нагрето. При снижении температуры внутри рабочего вещества 7 силы, действующие на гибкие пластины 6, уменьшаются, пружины 5 сжимаются, грузы 10 сдвигаются к центру вращения, тем самым, уменьшается расстояние L'.
Таким образом, самопроизвольное движение корпуса 1 вокруг оси вращения корпуса 1 происходит благодаря тому, что с одной стороны при расширении рабочего вещества под влиянием нагрева грузы сдвигаются на большее расстояние от центра вращения, создавая большие моменты сил, чем с другой стороны корпуса.
2
С целью лучшего охлаждения трубок 3 и повышения эффективности ТД предлагается также охлаждать части трубок 3 при помощи жидкости 16 в резервуаре 15. То есть, при последующем повороте корпуса 1 вокруг оси вращения часть трубки 3 непосредственно контактирует с жидкостью 16 и отдает какое-то тепло Q (фиг. 4). Жидкость 16 может быть прохладной пресной водой с температурой менее, чем температура трубок 3. Резервуар 15 может быть как искусственно созданным, так и естественным (например, озеро, река, море и т.п.). Жидкость 16 в резервуаре 15 может оставаться неподвижной или двигаться с определенной массовой скоростью ρw [кг/(м⋅с)] (при вынужденной конвекции охлаждение трубок происходит быстрее, чем при естественной).
Необходимо отметить, что с целью расширения диапазона применения ТД возможно использовать тепловой поток 14, не связанный с солнечным излучением. Например, тепловой поток 14 может быть от продуктов сгорания на тепловых станциях, от паров воды, поднимающихся с поверхности охлаждаемой жидкости, и т.п. При этом возможен случай, когда ТД работает одновременно от нескольких тепловых потоков Q [Вт], например, 13 и 14.
К корпусу 1 может быть подсоединен редуктор, генератор электрического тока или другие устройства (в описании и на фиг. - не показаны).
Из всего вышесказанного можно сделать однозначный вывод: разработанный термодинамический двигатель позволяет получать работу и энергию без загрязнения окружающей среды и создания шума.
Устройство является достаточно простым и может успешно применяться с целью выполнения работы, а также для производства электроэнергии в промышленности и в быту.