ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
HEAT ENGINE FOR GENERATING ELECTRICITY

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям для производства электрической энергии.
Известен мартенситный двигатель, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий знакопеременное нагружение рабочих элементов и включающий расположенные в параллельных плоскостях цилиндрические зубчатые пары с передаточным отношением 1, связанные между собой планками для закрепления концов рабочих элементов, узел отбора мощности, вал синхронизации работы секций, связанный секциями посредством механических передач, и механические распределители с ограничителями оборотов (А.с. СССР №1492831, МПК F03G 7/06, опубл. 1989 г.).
Недостатком этого двигателя является сложность конструкции.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является тепловой двигатель, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий знакопеременное нагружение рабочих элементов из материала, обладающего свойством термомеханической памяти формы, и включающий расположенные в параллельных плоскостях цилиндрические зубчатые пары, связанные с рабочими элементами, вал синхронизации работы секций, узел отбора мощности, причем температурные зоны выполнены в виде резервуаров, наполненных жидким теплоносителем и расположенных поочередно по периметру корпуса, при этом в центре корпуса вертикально установлен с возможностью вращения выходной вал, при этом двигатель снабжен валами синхронизации работы секций (Патент РФ №2053411, МПК F03G 7/06, опубл.27.01.1996).
Недостатком этого двигателя также является высокая сложность конструкции.
Технической задачей является упрощение конструкции теплового двигателя для производства электрической энергии.
Техническая задача достигается тем, что в тепловом двигателе для производства электрической энергии, содержащем резервуар с зонами, заполненными горячим и холодным жидким теплоносителем, расположенными по периметру корпуса, и размещенную на внешнем краю резервуара направляющую, при этом в центре резервуара в разделяющей зоны с теплоносителями полости установлен с возможностью вращения вал, которым снабжен шаговый электродвигатель, на валу закреплен шарнир со стержнями с держателями, на осях которых установлены капсулы, имеющие возможность поворота вокруг своей оси, причем каждая из капсул содержит дисковую пластину, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти формы, и эластичную диафрагму, между которыми расположен цилиндр, выполненный из немагнитного материала, вокруг которого установлены обмотки электрического генератора, концентрично которым размещены кольцевые постоянные магниты, капсулы заполнены ферромагнитной жидкостью, на концах стержней закреплены ролики, находящиеся в контакте с направляющей, а вал установлен с возможностью периодического поворота от шагового электродвигателя.
Технический результат заключается в сокращении количества механически движущихся элементов генератора, вследствие чего двигатель имеет простое устройство, малые износы и высокий срок службы.
Сущность устройства поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 представлен вид сбоку на тепловой двигатель, на фиг. 2 - вид сверху, а на фиг. 3 - сечение А-А двигателя.
Тепловой двигатель (фиг. 1) содержит резервуар 1 с зонами 2 и 3 горячего и холодного жидкого теплоносителя соответственно, направляющую 4 на внешнем краю резервуара 1 с подъемами 5 у полости 6, разделяющей зоны 2 и 3 горячего и холодного теплоносителей соответственно, в центре которой расположен шаговый электродвигатель 7, имеющий вал 8, выполненный с возможностью периодического поворота от шагового электродвигателя 7. На валу 8 установлен шарнир 9 с закрепленными на нем стержнями 10, на которых размещены держатели 11. На осях 12 держателей 11 стержней 10 установлены капсулы 13 с возможностью поворота вокруг своей оси, заполненные ферромагнитной жидкостью. Нижние раструбы капсул 13 погружены в теплоносители, находящиеся в зонах 2 и 3 горячего и холодного теплоносителей соответственно. На противоположных по отношению к валу 8 концах стержней 10 закреплены ролики 14, находящиеся в постоянном контакте с направляющей 4.
Каждая капсула 13 (фиг. 3) содержит дисковую пластину 15, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти формы, например, никелида титана, имеющего широкий диапазон температур мартенситного превращения, в зависимости от процентного соотношения составляющих сплава.
С противоположной стороны по отношению к дисковой пластине 15 в капсуле 13 установлена эластичная диафрагма 16. Между дисковой пластиной 15 и эластичной диафрагмой 16 расположен цилиндр 17, выполненный из немагнитного материала, например, сплава меди, алюминия, титана. Вокруг цилиндра 17 установлены обмотки 18 электрического генератора (на рисунке не показан), концентрично которым размещены кольцевые постоянные магниты 19. Рабочей жидкостью капсул 13 является ферромагнитная жидкость, полностью заполняющая их внутреннюю полость.
Работает тепловой двигатель следующим образом.
В резервуаре 1 в качестве горячего жидкого теплоносителя 2 находится горячая вода (например, из геотермальных источников, систем охлаждения различных устройств или технологических процессов).
Капсулы 13 в начале работы теплового двигателя не нагреты и повернуты таким образом, что дисковые пластины 15 находятся внизу, так как центр тяжести капсул 13 при таком положении дисковых пластин 15 расположен ниже осей 12 (ниже оси В-В). Это объясняется тем, что дисковые пластины 15 выполнены из материала, обладающего эффектом памяти формы, и при низкой температуре выгнуты вниз (наружу) по отношению к заполняющей капсулы 13 ферромагнитной жидкости.
При погружении капсулы 13 в горячий жидкий теплоноситель 2 резервуара 1 дисковая пластина 16 нагревается, в ней происходит мартенситное превращение, она изменяет свою форму и выгибается выпуклостью вверх (на фиг. 3 показано пунктиром). При этом ферромагнитная жидкость капсулы 13 перемещается внутри цилиндра 18. Перемещение ферромагнитной жидкости внутри цилиндра 17 в магнитном поле кольцевого постоянного магнита 19 генерирует ЭДС в обмотке 18 электрического генератора (на фиг. 3 магнитные силовые линии показаны пунктиром). Создаваемая в обмотке 18 ЭДС снимается с электрического разъема (на рисунке не показан) и подается в электрическую сеть и на привод шагового электродвигателя 7.
При перемещении ферромагнитной жидкости в капсуле 13 вверх эластичная диафрагма 16 также прогибается вверх (на фиг. 3 показано пунктиром), что приводит к смещению центра тяжести капсулы 13 выше оси 12 (выше оси В-В) и к повороту капсулы на 180°, что замыкает контакты блока управления (на рисунке не показан), который включает шаговый электродвигатель 7, поворачивающий вал 8 на угол 360°/n, где n - число стержней 10 в тепловом двигателе. При таком повороте в жидкий горячий теплоноситель 2 погружается следующая капсула 13.
При повороте вала 8 с шарниром 9 стержень 10 с роликом 14 перемещает капсулу 13 по направляющей 4. У полости 6, разделяющей зоны 2 и 3 зон горячего и холодного теплоносителей направляющая 4 имеет подъем 5, вследствие чего капсула 13 приподнимается и полностью выходит из горячего жидкого теплоносителя, а затем опускается в холодный теплоноситель 3. Вследствие этого капсула 13 охлаждается, и дисковая пластина 15, в материале которой происходит мартенситное превращение, занимает первоначальное положение с выпуклостью наружу. При таком перемещении ферромагнитной жидкости внутри цилиндра 17 в магнитном поле кольцевого постоянного магнита 19 вновь создается ЭДС в обмотке 18 электрического генератора, снимаемая с электрического разъема.
Вследствие того, что дисковая пластина 15 при погружении капсулы 13 в холодный теплоноситель 3 выгибается наружу по отношению к заполняющей капсулу 13 ферромагнитной жидкости, центр тяжести капсулы 13 оказывается выше оси 12 (выше оси В-В), что приводит к повороту капсулы на 180°, что приводит механизм теплового двигателя в первоначальное состояние.
Далее описанный цикл может быть многократно повторен.
Изменение формы деталей, изготовленных из материала, обладающего эффектом памяти формы, происходит с большой силой, достаточной для совершения работы по перемещению ферромагнитной жидкости и генерации электрической энергии (см. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении/ А.С. Тихонов, А.П. Герасимов, И.И. Прохорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.)
Полный цикл предлагаемого теплового двигателя может происходить за полный оборот вала 8 при наличии двух резервуаров с жидкими теплоносителями, каждый из которых охватывает сектор 180°, т.е. при переносе капсул 13 через полость 6, разделяющую зоны 2 и 3 горячего и холодного теплоносителей. Цикл предлагаемого теплового двигателя может происходить также за половину оборота вала 8 при наличии четырех резервуаров, каждый из которых охватывает сектор 90°, т.е. при переносе капсул 13 через четыре границы температурных зон.
Техническим преимуществом предложенного двигателя является генерация электрической энергии, осуществляемая без использования механически движущихся элементов генератора, вследствие чего двигатель имеет простое устройство, малые износы и высокий срок службы.
Предлагаемая конструкция теплового двигателя для преобразования тепловой энергии в электрическую значительно упрощается вследствие сокращения числа механически движущихся элементов.