Устройство регенерации отходящего тепла охлаждающихся отливок

Полезная модель относится к области металлургии, литейного производства, частично теплоэнергетики и смежных отраслей, и позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в механическую.
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, которое содержит термочувствительное рабочее тело, выполненное в виде двух теплоаккумулирующих материалов, расположенных в отдельных теплоизолированных цилиндрических корпусах регенеративных теплообменников. Теплоаккумулирующие материалы выполнены из набора биметаллических спиралей, имеющих в одном регенеративном теплообменнике правостороннюю навивку, в другом - левостороннюю. При этом 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 (патент РФ № 2503846, МПК F03G7/06 Способ преобразования тепловой энергии в механическую и устройство для его осуществления, опубл. 27.01.13. в БИ № 3).
Осуществление способа преобразования тепловой энергии в механическую разделяется на два этапа: процесс теплообмена и получение механической энергии за счет тепловой деформации теплоаккумулирующего материала.
Недостатком известного устройства является конструктивная сложность, включающая множество составных элементов, сборочных узлов, что усложняет его техническое обслуживание.
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу, которое содержит источник тепловой энергии, рабочую камеру, образованную неподвижными стенками ее корпуса и обращенной внутрь этой камеры рабочей поверхностью поршня и снабженную впускными и выпускными клапанами. Система циркуляции теплоносителя включает теплообменное устройство, накопитель теплоносителя, насос для его подачи и трубопроводы. Система циркуляции отличается тем, что в устройство введены хранилище жидкого теплопоглотителя, тракт подачи его в рабочую камеру, дозатор теплопоглотителя и рабочая камера. В качестве источника тепловой энергии использована система переноса тепловой энергии от окружающей среды к теплообменному устройству (патент РФ № 2166103, МПК F01K25/04 Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и устройство для его осуществления, опубл. 27.04.01 в БИ № 12).
Сущность способа преобразования тепловой энергии в механическую работу заключается том, что в качестве рабочего тела используют смесь из нескольких компонентов. При этом одна группа компонентов смеси представляет собой теплопоглотитель, а другая - жидкий теплоноситель. который предварительно нагревают. Затем в рабочей камере производят передачу тепловой энергии от теплоносителя к теплопоглотителю путем смешивания их с последующим расширением рабочего тела. Полученную при этом энергию расширения рабочего тела преобразуют в механическую работу. После преобразования отработанное рабочее тело отводят для подготовки повторного цикла. Нагрев жидкого теплоносителя осуществляют за счет тепловой энергии окружающей среды, а в качестве теплопоглотителя используют субстанцию, обладающую свойством переходить из жидкого состояния в сжатый газ в процессе смешивания с теплоносителем. Отработанный теплоноситель отводят для повторного нагрева за счет тепловой энергии окружающей среды.
Недостатком этого аналога является применение системы трубопроводов и насоса. Для подвода жидкости к рабочим органам устройства по трубопроводам необходимо создать давление этой жидкости, которое реализуется при помощи насоса. Таким образом, для подачи жидкости затрачивается дополнительная работа. Вторым недостатком является выброс отработанного теплопоглотителя в газообразном состоянии, что не позволяет сделать вывод о том, что установка удовлетворяет требованиям безотходности технологий.
В качестве прототипа предлагаемого технического решения по большинству сходных признаков выбрано техническое решение (патент РФ N 2189496, F03G7/06). Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда, предназначенного для заполнения термочувствительным рабочим телом. Сосуд гидравлически подсоединен к системе преобразования поглощенной тепловой в механическую энергию, а также исполнительному механизму. Система преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую содержит гидропривод импульсного действия и инерционный аккумулятор энергии, который соединен с гидроприводом как источником энергии и с исполнительным механизмом как потребителем энергии. Способ преобразования тепловой энергии в механическую заключается в том, что термочувствительное рабочее тело помещается в замкнутый объем. К рабочему телу подводят тепловую энергию от внешнего ее 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, работу расширения рабочего тела преобразуют в кинетическую энергию инерционного элемента, после чего кинетическую энергию инерционного элемента преобразуют в механическую энергию исполнительного механизма
Недостатком прототипа является импульсность получения механической энергии, которая снижает эффективность преобразования тепла, и, как следствие, устройство имеет низкий коэффициент полезного действия.
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу и интегрирование устройства на технологический участок выбивки отливок.
Техническим результатом от применения заявляемого технического решения является использование тепловой энергии охлаждающихся отливок для совершения постоянной полезной механической работы без сжигания какого-либо вида топлива, что увеличивает КПД предлагаемого устройства и повышает эффективность преобразования тепловой энергии в механическую по сравнению с известным решением.
Технический результат достигается тем, что в устройстве используется жидкое термочувствительное рабочее тело, которое помещается в замкнутый объем герметичного сосуда. На сосуд воздействует источник внешней тепловой энергии в виде отходящей теплоты охлаждающихся отливок и источник охлаждения, например вентилятор. Также сосуд соединен с элементами преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую, которые содержат гидроприводы постоянного действия и два инерционных аккумулятора энергии, выполненных в виде маховиков. При этом инерционные аккумуляторы энергии соединены с гидроприводами как источниками энергии и с исполнительными механизмами как потребителями энергии. Нагрев рабочего тела с одной стороны и охлаждение его с противоположной обеспечивает постоянство и бесперебойность работы исполнительных механизмов. Механическая энергия от исполнительных механизмов может использоваться в дальнейшем для приведения в действие цеховых машин и механизмов (насосы, вентиляторы и пр.).
Устройство регенерации отходящего тепла охлаждающихся отливок изображено на фиг. 1 и представляет собой: 1 – сосуд; 2 – жидкое термочувствительное рабочее тело; 3 – внешний источник тепловой энергии; 4 – источник охлаждения; 5 – крышка заливной горловины; 6 – цилиндр нагрева; 7 – цилиндр охлаждения; 8 – горячий поршень; 9 – холодный поршень; 10, 11 – штоки; 12, 13 – кривошипы; 14 , 15 – валы; 16, 17 – маховики.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Сосуд 1 через крышку 5 заполняется жидким термочувствительным рабочим телом 2 (в качестве такого тела могут выступать жидкости с высоким температурным коэффициентом объемного расширения). При помощи внешнего источника тепловой энергии 3 (теплота оливок после выбивки) происходит нагрев цилиндра 6. Соответственно нагревается и рабочее тело 2. Создаваемое давление толкает поршень 8 с штоком 10 влево. Шток 10 приводит во вращение кривошип 12. Кривошип 12 соединен с валом 14, на котором посажен маховик 16. Поскольку кривошип 12 находится в зацеплении с валом 14, то его вращение через вал 14 передается маховику 16. Поршень 8 совершает прямой ход.
Давление жидкости распространяется и на поршень цилиндра охлаждения 9. По мере совершения поршнем 8 рабочего хода, термочувствительное рабочее тело 2 нагревается по всему объему сосуда 1, и создаваемое давление толкает цилиндр 7 с штоком 11 вправо. Шток 11 приводит во вращение кривошип 13. Кривошип 13 соединен с валом 15, на котором посажен маховик 17. Поскольку кривошип 13 находится в зацеплении с валом 15, то его вращение через вал 15 передается маховику 17. Поршень 9 совершает прямой ход.
Одновременно с прямым ходом поршня 9 происходит обратный ход поршня 8. Жидкость, находящаяся в цилиндре 7, при помощи источника охлаждения 4 начинает охлаждаться. В это время происходит обратный ход поршня 9, который толкает охлажденную жидкость влево. По мере приближения жидкости к цилиндру нагрева 6 происходит ее нагрев от внешнего источника тепловой энергии 3. Нагретая жидкость, находящаяся в цилиндре 6, создает давление и толкает поршень 8 влево. Цикл повторяется.
Применение устройства регенерации отходящей теплоты отливок реализуется по следующей схеме, представленной на фиг. 2. Выбивка отливок происходит на выбивной инерционно-ударной решетке.
Форма устанавливается на опору 19 корпуса выбивной решетки 18. Корпус решетки 18 приводится в колебательное движение инерционным валом 20, и ударяет по форме подобно молоту, и разрушает ее. Происходит выбивка отливок. Далее отливки 24 с выбивной решетки снимают и помещают в короба 23, которые закрывают защитным кожухом 22. При помощи устройства регенерации отходящего тепла 25 улавливают отходящую теплоту от отливок 24. Отливки 24 имеют температуру 200 – 800 ºC в зависимости от конфигурации, габаритных размеров, вида сплава, толщины стенки и пр. Устройство регенерации отходящего тепла 25 преобразует тепловую энергию в механическую работу, приводя во вращение маховики 26. Так как маховики вращаются в противоположные стороны, то на первый маховик устанавливается одно паразитное зубчатое колесо (на схеме не показано). На паразитное колесо и второй маховик надевается клиновый ремень 27, который соединен с зубчатым колесом 21, посаженным на инерционный вал 20. Таким образом, вращательное движение с маховиков 26 и одного паразитного колеса передается на инерционный вал 20 через зубчатое колесо 21. Вращаясь, инерционный вал 20 приводит в колебательное движение корпус решетки 18. Как было описано выше, корпус решетки 18 в результате колебаний ударяет по форме и разрушает ее, то есть происходит процесс выбивки. Остывшие отливки затем удаляют с коробов 23 и помещают на пластинчатый транспортер 28, по которому они перемещаются на участок очистки и обрубки. Далее, вышедшие из выбивной решетки отливки также укладываются в короба 23, накрываются защитным кожухом 22, и цикл повторяется.
При работе инерционно-выбивной решетки может быть применен привод меньшей мощности, чем у эксцентриковой и инерционной решетки, что позволяет в качества привода использовать устройство регенерации отходящей теплоты отливок.
Таким образом, предлагаемое устройство может найти применение для использования в качестве источника энергии не только теплоту охлаждающихся отливок, но и, например, теплоту отходящих нагретых газов и других высокотемпературных объектов, тепло которых обычно не находит применения.