Тепловой двигатель

 

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его переменной длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности, источники нагрева и охлаждения имеют трубопроводы соответственно горячего и холодного теплоносителей , подвижная опора выполнена в виде щтока с упорными фланцами по торцам , проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, возвратный элемент также выполнен из материала с термомеханической памятью его переменной длины, а оба элемента - в виде полых труб, полость каждой из них соединена с одной стороны с трубопроводом горячего, а с другой - с трубопроводом холодного теплоносителей, элементы расположены по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору. (Л е со .4 О) иг.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, SU 1134776

4(я) F 03 G 7/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3443482/25-06 (22) 24.05.82 (46) 15.01.85. Бюл. № 2 (72) P. А. Татевосян (53} 621.486 (088.8) (56) 1. Патент ФРГ № 1288363, кл. 88 d 7/06, опублик. 1969.

2. Авторское свидетельство СССР № 909275, кл. F 03 G 7/06, 1980. (54) (57) 1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий подвижную и неподвиж ную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его переменной длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности, источники нагрева и охлаждения имеют трубопроводы соответственно горячего и холодного теплоносителей, подвижная опора выполнена в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, возвратный элемент также выполнен из материала с термомеханической памятью его переменной длины, а оба элемента — в виде полых труб, полость каждой из них соединена с одной стороны с трубопроводом горячего, а с другой — с трубопроводом холодного теплоносителей, элементы расположены по разные стороны от неподвижной опоры, охват ыва я подвиж ную опору.

1134776

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде змеевиков.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде скоб или петель.

4. Двигатель по пп. 1 и 2, или 3, отличающийся тем, что источники нагрева и охлаждения, трубопроводы горячего и холодИзобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям, преобразующим тепловую энергию в механическую за счет скачкообразных тепловых деформаций термочувствительных элементов из мате- 5 риала с термомеханической памятью формы, и может быть использовано в качестве привода звеньев с возвратно-поступательным движением (например, насосов или ударных механизмов) как в составе стационар- 10 ных, так и мобильных установок. Такой двигатель работает за счет энергии низкотемпературных источников тепла, например, солнечной энергии или энергии термальных источников, а также на любом топливе, что обеспечивает возможность его применения 15 в условиях необжитых районов, отдаленных от баз снабжения, транспортных магистралей и линий электропередач, например в геологических и изыскательских партиях, на метеорологических станциях и т. п.

Известен тепловой двигатель, содержащий подвижную и неподвижную опоры и установленный между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его формы из сплава никеля и титана (нитинола), а так- 25 же источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента (1).

Недостатком этого двигателя является

его низкая удельная мощность, обуслов- ЗО ленная потерями на рассеяние тепловой энергии и недостаточно полным возвратом формы термочувствительного элемента при его охлаждении.

Наиболее близким из известных к пред35 лагаемому является тепловои двигатель, содержащий подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его переменной длины и упругий возвратный эле- 40 мент, а также источники попеременного ного теплоносителей и элементы объединен ы в за м кнуты и контур.

5. Двигатель по и. 4, отличающийся тем, что каждый элемент снабжен установленным с возможностью продольного перемещения в нем поршнем, например, в виде шарика и седлами для взаимодействия с поршнем, установленными на концах элемента в местах его соединения с трубопроводами горячего и холодного теплоносителей. нагрева и охлаждения термочувствительного элемента (2).

В данном двигателем за счет введения упругого возвратного элемента обеспечивается более полный возврат исходной формы термочувствительного элемента в охлажденном состоянии, однако удельная

MoEIHocTb его также недостаточно высока из-за потерь на рассеяние тепловой энергии и из-за неравномерного нагрева различных сторон термочувствительного элемента, из которых лишь одна сторона обращена к тепловому потоку, что приводит к перекосу термочувствительного элемента и к потере мощности.

Цель изобретения — повышение удельной мощности.

Указанная цель достигается тем, что в тепловом двигателе, содержащем подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью, его переменной длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента, источники нагрева и охлаждения имеют трубопроводы соответственно горячего и холодного теплоносителей, подвижная опора выполнена в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре возвратный элемент также выполнен из материала с термомеханической памятью его переменной длины, а оба элемента — в виде полых труб, полость каждой из них соединена с одной стороны с трубопроводом горячего, а с другой — с трубопроводом холодного теплоносителей, элементы расположены по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору.

Термочувствительный и возвратный эле менты в варианте устройства выполнены в виде змеевиков.!

134776

50

В другом варианте термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде скоб или петель.

Источники нагрева и охлаждения, трубопроводы горячего и холодного теплоносителей и элементы объединены в замкнутый контур.

Каждый элемент снабжен установленным с возможностью продольного перемещения в нем поршнем, например, в виде шарика и седлами для взаимодействия с поршнем, установленными на концах элемента в местах его соединения с трубопроводами горячего и холодного теплоносителей.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого двигателя с крайним левым положением его подвижной опоры при нагреве левого и охлаждении правого элемента; на фиг. 2 — схема взаимодействия элементов с неподвижной опорой и с подвижной опорой в крайнем правом положении последней при нагреве правого и охлаждении левого элемента; на фиг. 3— вариант выполнения термочувствительных элементов в виде одинарных скоб; на фиг. 4вариант выполнения термочувствительных элементов в виде двойных скоб; на фиг. 5— вариант выполнения термочувствительных элементов в виде петель; на фиг. 6 — вариант выполнения термочувствительного элемента в виде змеевика с шариковым поршнем и с седлами на концах элемента; на фиг. 7 вЂ, схема преобразования возвратнопоступательного перемещения термочувствительных элементов во вращательное при помощи кривошипно-шатунного механизма; на фиг. 8 — принципиальная схема сваебойного агрегата или бурового станка для ударного бурения с приводом от описываемого двигателя; на фиг. 9 — схема водоподъемной установки с приводом от описываемого двигателя; на фиг. 10 — схема насоса с приводом от описываемого двигателя.

Двигатель содержит подвижную опору

1, выполненную в виде штока с упорными фланцами 2 и 3 по торцам, а также неподвижную опору 4, являющуюся каркасом всего устройства. Подвижная опора 1 про ходит через отверстие 5, выполненное в неподвижной опоре 4. Между подвижной 1 и неподвижной 4 опорами установлены упругие термочувствительные и они же возвратные элементы 6 и 7, выполненные (фиг. 1

2, 6 и 7), например, в виде полых трубчатых змеевиков, расположенных по разные стороны от неподвижной опоры 4, охватывающих подвижную опору 1 и упирающихся одними своими концами в ее фланцы 2 и

3, а другими концами — в неподвижную опору 4. Элементы 6 и 7 выполнены из материала с термомеханической памятью их переменной длины, например из нитино,ла. Двигатель имеет источник 8 нагрева и

35 источник 9 охлаждения с трубопроводами соответственно 10 горячего и 11 холодного теплоносителей. Источники 8 и 9 нагрева и охлаждения, трубопроводы 10 и

11 и элементы 6 и 7 объединены в замкнутый контур, причем концы элементов 6 и

7 у неподвижной опоры соединены с трубопроводом 10 горячего теплоносителя, а противоположные концы элементов 6 н 7 у фланцев 2 и 3 соединены с трубопроводом

11 холодного теплоносителя посредством гибких шлангов 12 и 13.

Насос 14 для перекачивания теплоносителей для наглядности показан на фиг. 1 установленным на трубопроводе 10 горячего теплоносителя, однако предпочтительнее для улучшения условий его работы устанавливать насос 14 на трубопроводе 11 холодного теплоносителя.

Каждый элемент 6 и 7 (фиг. 6) снабжен установленным с возможностью продольного перемещения в нем поршнем 15, наприемер, в виде шарика, для разделения горячего и холодного теплоносителей, а также седлами 16 и 17 для взаимодействия с поршнем 15, выполненными на концах элементов 6 и 7 в местах их соединения с трубопроводами 10 горячего и 11 холодного теплоносителей. Для уменьшения трения между фланцами 2 и 3 и элементами

6 и 7 могут быть установлены кольца 18 и 19, выполняющие роль подшипникдв. Термочувствительные элементы 6 и 7 могут быть выполнены в виде труб любой изогнутой формы, которая обеспечивала бы возможность значительного перемещения одного их конца относительно другого без существенного изменения их внутреннего объема. С каждой стороны от неподвижной опоры 4 может быть установлено любое количество элементов 6 и 7, при этом число их с обеих сторон не обязательно должно быть равным. Оно определяется назначением двигателя и функциями приводимого им в движение механизма

Двигатель работает следующим образом.

Заполняют всю систему трубопроводов

10 и 11 теплоносителем — водой, маслом или т. п. жидкостью, температура испарения которой выше критической температуры материала, из которого изготовлены термочувствительные элементы 6 и 7. Затем начинают подводить тепло в источнике 8 нагрева и нагревать находящуюся в трубопроводе 10 жидкость. Когда температура жидкости превысит критическую температуру материала элементов 6 и 7, включают привод насоса 14 (это может быть электропривод или механический привод, работающий от самого двигателя, в последнем случае запуск насоса можно производить вручную) .

Горячий теплоноситель поступает в полость термочувствительного элемента 6, заполняет ее, отодвигая поршень 15 в сторону

1134776 трубопровода 11 холодного теплоносителя до упора поршня 15 в седло 17, и нагревает элемент 6. При нагреве элемента 6 выше критической температуры его материала проявляется эффект его термомеханической памяти формы, в результате чего элемент 6 распрямляется, перемещая подвижную опору 1 в крайнее левое положение.

После того как шток опоры 1 достигнет крайнего положения, насос 14 реверсируют, нагнетая горячий теплоноситель по трубопроводу 10 в противоположный элемент 7.

Поток горячего теплоносителя, заполняя полость элемента 7, отодвигает поршень 15 в сторону трубопровода 11 холодного теплоносителя, выдавливая из этой полости холодный теплоноситель через источник 9 охлаждения в противоположный элемент 6.

В полости элемента 6 шаровой поршень 15 отодвигается в сторону трубопровода 10 горячего теплоносителя, выдавливая из нее теплую жидкость в трубопровод 10 и в 20 источник 8 нагрева. При нагреве элемента

7 выше критической температуры его материала он претерпевает термоупругое превращение, распрямляется и перемещает опору

1 в крайнее правое положение, в то же время противоположный элемент 6, охладившись, теряет упругость и не препятствует перемещению опоры 1 вправо. Дой-, дя до крайнего правого положения, шток опоры 1 взаимодействует с переключателем направления потока теплоносителей (не показан) и переключает его. Горячий теплоноситель вновь поступает в левый элемент 6, который при нагреве увеличивает свою упругость, в то время как правый элемент 7, охладившись, упругость теряет, и шток опоры 1 из крайнего правого 35 перемещается в крайнее левое положение.

Далее процесс работы периодически повторяется.

В процессе каждого цикла поршень 15, достигнув конца элемента 6 или 7, упи.рается в его седло 16 или 17, выполняя роль клапана и отделяя горячий теплоноситель от холодного, что обеспечивает нагрев и отбор тепла непосредственно от термочувствительных элементов 6 и 7 и уменьшает расход энергии на поддержание необходимого теплового режима.

Предла гаемый тепловой двигатель может использоваться в качестве привода различных устройств. Двигатель прост по конструкции, имеет повышенную мощность за счет рационального использования тепловой энергии при размещении тракта теплоносителей внутри термочувствительных элементов и разделении горячего и холодного теплоносителей подвижным поршнем. В таком двигателе достаточно просто осуществляется регулирование амплитуды перемещения рабочего органа и развиваемого им усилия. Это достигается изменением расхода подаваемых насосом теплоносителей, В случае необходимости может быть осуществлен переход на ручное управление, например, при помощи золотника изменяя направление потока теплоносителей; В качестве источника энергии для данного двигателя можно использовать любой тепловой источник — энергию сгорания газа, угля, нефти и нефтепродуктов, растительных и животных горючих веществ, элетроэнергию, химические источники тепла, тепло солнца, геотермальных вод и т. д. Двигатель характеризуется также экологической безопасностью, уменьшением или полным отсутствием вредного воздействия на окружающую среду..

1134776

Фиг.8

Фиг. 7

Составитель Л. Тугарев

Редактор К. Волощук Техред И. Верес Корректор А. Зимокосов

За каз 10057/33 Тираж 446 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, гК вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4