СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HEAT ENERGY-TO-MECHANICAL POWER CONVERSION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к теплообменной технике, в частности к теплообменным аппаратам и может быть использовано в теплоэнергетике и в смежных отраслях.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую, при котором термочувствительное рабочее тело помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего источника и преобразуют работу расширения рабочего тела в работу исполнительного механизма. В качестве термочувствительного рабочего тела используют жидкость, постоянно пребывающую в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла. Расширение рабочего тела осуществляют импульсно, то есть попеременно происходит его нагрев и охлаждение, тем самым работу расширения рабочего тела преобразуют в механическую энергию исполнительного механизма. (RU, 2189496, МПК F03G 7/06, опубл. 20.09.2002).
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда, предназначенного для заполнения термочувствительным рабочим телом, гидравлически подсоединенного к системе преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую, а также исполнительный механизм. Система преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую содержит гидропривод импульсного действия и инерционный аккумулятор энергии, при этом инерционный аккумулятор энергии соединен с гидроприводом как источником энергии и с исполнительным механизмом как потребителем энергии. (RU, 2189496, МПК F03G 7/06, опубл. 20.09.2002).
Недостатком известного способа и устройства является значительная тепловая инерционность системы и падение части температурного напора, так как подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через стенку, и вследствие этого подведенная теплота сначала посредством теплоотдачи передается стенке замкнутого объема, далее через теплопроводность распределяется по материалу стенки, и только потом передается через теплоотдачу рабочему телу (жидкости). В период отвода тепла от рабочего тела процесс повторяется в обратном направлении. Поэтому, чтобы избежать влияния инерционности необходимо увеличивать периоды нагрева и охлаждения рабочего тела, вследствие чего мощность системы падает.
Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в механическую за счет уменьшения тепловой инерционности.
Технический результат достигается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую, заключающимся в том, что термочувствительное рабочее тело помещают в замкнутый объем, подводят периодически к рабочему телу тепловую энергию от внешнего источника, преобразуют работу расширения рабочего тела в работу исполнительного механизма, при этом на термочувствительное рабочее тело, выполненное в виде теплоаккумулирующих материалов, помещенных в отдельные теплоизолированные цилиндрические корпуса двух регенеративных теплообменников, периодически попеременно подают горячий и холодный теплоноситель. В первом регенеративном теплообменнике вначале происходит контакт горячего теплоносителя с теплоаккумулирующим материалом, который аккумулируя тепло расширяется и накапливает механические деформации до установленной величины, при достижении которой он воздействует на свой теплоизолированный цилиндрический корпус и поворачивает его, одновременно с поворотом которого, автоматически осуществляют переключение двух шиберов и вращение насоса посредством механической передачи, а теплоаккумулирующий материал вступает в контакт с холодным теплоносителем, при взаимодействии с которым он, отдавая тепло, сжимается и накапливает механические деформации до установленной величины, при достижении которой он воздействует на теплоизолированный цилиндрический корпус и поворачивает его в обратном направлении, переводя шиберы в первоначальное положение и вращая насос. Одновременно во втором регенеративном теплообменнике процессы протекают в обратной последовательности.
Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит термочувствительное рабочее тело, выполненное в виде теплоаккумулирующих материалов, помещенных в отдельные теплоизолированные цилиндрические корпуса двух регенеративных теплообменников, теплоаккумулирующие материалы выполнены из набора биметаллических спиралей, имеющих в одном регенеративном теплообменнике правостороннюю навивку, в другом левостороннюю. Теплоизолированные цилиндрические корпуса двух регенеративных теплообменников соединены с обеих сторон посредством трубопроводов подвода и отвода теплоносителей с шиберами, жестко закрепленными между собой, кроме того, теплоизолированные цилиндрические корпуса, шиберы и насос соединены между собой механической передачей. Регенеративный теплообменник содержит теплоизолированный цилиндрический корпус, заполненный теплоаккумулирующим материалом, являющимся термочувствительным и выполненным в виде набора биметаллических спиралей, изготовленных из металлов с различными коэффициентами теплового линейного расширения. Один конец биметаллических спиралей жестко закреплен на валу центральной оси, а второй - жестко связан с теплоизолированным цилиндрическим корпусом, закрытым с обеих сторон крышками с прикрепленными на них буксами. Одна букса закреплена при помощи поджатого пружиной металлического шарика, расположенного в цилиндрическом углублении удерживающего устройства, закрепленного жестко на полуоси центральной оси и в сферическом углублении буксы с установленным на ней зубчатым колесом. Подшипники наружным кольцом запрессованы в каждую буксу, а внутренним кольцом на полуосях центральной оси, являющихся полыми и имеющих боковые отверстия, кроме того.
На фиг.1 изображено устройство преобразования тепловой энергии в механическую; на фиг.2 - регенеративный теплообменник; на фиг.3 - разрез регенеративного теплообменника по сечению А-А; на фиг.4 - букса; на фиг.5 - удерживающее устройство; на фиг.6 - разрез удерживающего устройства по сечению В-В; на фиг.7 - центральная ось регенеративного теплообменника;
Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую (фиг.1) включает два регенеративных теплообменника 1 и 2, каждый из которых содержит соответственно теплоизолированный цилиндрический корпус 3 и 4, в которое помещено термочувствительное рабочее тело, выполненное в виде теплоаккумулирующего материала 5. Теплоизолированные цилиндрические корпуса 3 и 4 связаны соответственно с двумя шиберами 6 и 7, насосом 8 и между собой механической передачей 9. Теплоизолированные цилиндрические корпуса 3 и 4 соединены с обеих сторон посредством трубопроводов подвода и отвода 10 теплоносителей с шиберами 6 и 7, жестко закрепленными между собой. Теплоаккумулирующий материал 5 выполнен из набора биметаллических спиралей, имеющих в одном регенеративном теплообменнике правостороннюю навивку, а в другом левостороннюю.
Регенеративный теплообменник (фиг.2) содержит теплоизолированный цилиндрический корпус 3, заполненный теплоаккумулирующим материалом 5, выполненным в виде набора биметаллических спиралей, изготовленных из металлов с различными коэффициентами теплового линейного расширения. Один конец биметаллических спиралей (фиг.3) жестко закреплен на валу 11 центральной оси 12, а второй - жестко связан с теплоизолированным цилиндрическим корпусом 3, закрытым с обеих сторон крышками 13 с прикрепленными на них буксами 14 и 15. Букса 16 (фиг.4) закреплена при помощи поджатого пружиной 17 металлического шарика 18 (фиг.5), расположенного в цилиндрическом углублении 19 удерживающего устройства 20 (фиг.6), закрепленного жестко на полуоси 21 (фиг.7) центральной оси 12 и в сферическом углублении 22 буксы 16 (фиг.4) с установленным на ней зубчатым колесом 23 (фиг.2). Подшипники 24 наружным кольцом запрессованы в каждую буксу 14 и 15, а внутренним кольцом на полуосях 21 и 25 центральной оси 12, являющихся полыми и имеющих боковые отверстия 26. К полуосям 21 и 25 жестко прикреплен вал 11 центральной оси 12 и опорная стойка 27.
Осуществление способа преобразования тепловой энергии в механическую можно разделить на две части: процесс теплообмена и получение механической энергии за счет тепловой деформации теплоаккумулирующего материала. Процесс теплообмена осуществляется следующим образом (фиг.2): горячий теплоноситель, например газ или воздух, подается слева через полуось 25 центральной оси 12 и через отверстия 26 вступает в контакт с теплоаккумулирующим материалом 5. При этом происходит аккумулирование тепла в теплоаккумулирующем материале 5 и охлаждение теплоносителя. Отводится теплоноситель через отверстия 26 полуоси 21 с правой стороны регенеративного теплообменника, где и удаляется из него. Периоды нагрева чередуются с периодами охлаждения. В периоде охлаждения теплоаккумулирующего материала 5 идет подогрев теплоносителя и соответственно ее охлаждение. В данном регенеративном теплообменнике имеется возможность, как прямоточного движения теплоносителя, так и противоточного. Для обеспечения непрерывной работы системы подогрева и охлаждения теплоносителей используют два одинаковых регенеративных теплообменника 1 и 2 (фиг.1). Причем их работа осуществляется параллельно, когда в одном происходит подогрев холодного теплоносителя и соответственно охлаждение теплоаккумулирующего материала 5, в другом идет охлаждение горячего теплоносителя и подогрев теплоаккумулирующего материала 5. Теплоаккумулирующий материал 5 в виде биметаллических спиралей в одном регенеративном теплообменнике выполнен с правосторонней навивкой, а во втором с левосторонней.
Получение механической энергии происходит следующим образом (фиг.1): при нагреве теплоаккумулирующего материала 5 в первом регенеративном теплообменнике 1 он изменяет свою кривизну, раскручивается и начинает вращать корпус 3 с буксой 15. Движению буксы 15 препятствует соединение углубления сферической формы 22 и металлического шарика 18, вследствие чего, движение корпуса не происходит, при дальнейшем нагреве происходит накопление силы температурной деформации теплоаккумулирующего материала 5 и при достижении определенного значения он уравнивает силу упругости пружины 17 удерживающего устройства 20, а металлический шарик 18 начинает постепенно вдавливаться внутрь удерживающего устройства 20 в цилиндрическое углубление 19. При полном вдавливании металлического шарика 18 внутрь удерживающего устройства 20 происходит резкое перемещение корпуса 3 на угол 360°, где он опять посредством буксы 15 защелкивается на удерживающем устройстве 20. Вследствие движения корпуса 3 и, следовательно, движения жестко закрепленных на нем крышки 13 с буксой 15 посредством зубчатого колеса 23 и механической передачи 9 происходит переключение шиберов 6 и 7 и вращательное движение насоса 8. После переключения шиберов 6 и 7 на теплоаккумулирующий материал 5 второго регенеративного теплообменника подают холодный теплоноситель и теплоаккумулирующий материал 5 начинает охлаждаться и соответственно скручиваться, процесс повторяется. Из описанного способа видно, что получение механической энергии происходит импульсно. Это условие дает возможность увеличения мощности системы вследствие полезного использования наряду с силой температурной деформации теплоаккумулирующего материала 5 силу механической инерции системы. В то время, когда в первом регенеративном теплообменнике 1 происходит процесс нагрева теплоаккумулирующего материала 5 во втором регенеративном теплообменнике 2 происходит процесс охлаждения и наоборот после переключения шиберов 6 и 7, в первом начинается процесс охлаждения, а во втором процесс нагрева теплоаккумулирующего материала 5. Так как теплоаккумулирующие материалы 5 в регенеративных теплообменниках 1 и 2 имеют разностороннюю навивку, то направления вращения теплоизолированных цилиндрических корпусов 3 и 4 будут совпадать.
По сравнению с известными решениями предлагаемое позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в механическую за счет уменьшения тепловой инерционности.