Способ преобразования тепловой энергии в механическую

 

Изобретение относится к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела и может быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементов датчиков. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока. В качестве рабочего тела 2 используют жидкость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем при температуре Т<SB POS="POST">кр</SB>, находящейся внутри диапазона рабочих температур, например воду. При нагревании в камере 1 до температуры Т<SB POS="POST">кр</SB> вода сжимается, а при дальнейшем нагреве расширяется. Аналогичное изменение объема воды происходит при ее последующем охлаждении до температуры Т<SB POS="POST">кр</SB> и ниже. Расширение воды используется для выталкивания поршня 3 из камеры 1, а обратное перемещение поршня 3 обеспечивается под действием внешнего усилия при сжатии воды. Полезная мощность отбирается от штока 4 поршня 3. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 11 4 F 03 б 7/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2I) 4079441/25-06 (22) 26.06.86 (46) 23.07.89. Бюл. № 27 (75) Ю. В. Сахно (53) 621.486 (088.8) (56) Заявка Японии № 55 — 38524, кл. F 03 G 7/06, опублик. 1980.

Авторское свидетельство СССР № 1087684, кл. F 03 G 7/06, 1982. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВО1 1 ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ (57) Изобретение относится к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела и может быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементов датчиков. Изобретение позволяет расширить функциональные воз„.Я0„„1495493 А1

2 можности путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока. В качестве рабочего тела 2 используют жидкость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем при температуре Т, находящейся внутри диапазона рабочих температур, например воду. При нагревании в камере 1 до температуры Т» вода сжимается; а при дальнейшем нагреве расширяется. Аналогичное изменение объема воды происходит при ее последующем охлаждении до температуры Т„и ниже. Расширение воды используется для выталкивания поршня 3 из камеры 1, а обратное перемещение поршня 3 обеспечивается под действием внешнего усилия при сжатии воды.

Полезная мощность отбирается от штока 4 поршня 3. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1495493

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела, и может быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементов тепловых датчиков.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем обеспечения знакопеременного перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации предлагаемого способа с одной рабочей камерой; на фиг. 2 — то же, с двумя рабочими камерами, штоки поршней которых связаны с одним общим ползуном, в исходном положении, когда левая камера охлаждена до минимальной рабочей температуры Т „„, а температура Т», правой камеры соответствует наименьшему объему жидкого рабочего тела; на фиг. 3 — то же, в положении после нагрева левой камеры до температуры Т», а правой — до максимальной рабочей температуры Т„; на фиг. 4 — то же, в положении после нагрева левой камеры до температуры Т ;,. и охлаждения правой камеры до температуры

Т»,; на фиг. 5 — то же, в положении после охлаждения левой камеры до температуры

Т,, а правой — до температуры Т «, на фиг. 6 — график зависимости объема рабочего тела, используемого при реализации предлагаемого способа, от температуры Т

Устройство (фиг. 1 — 5) содержит герметичную рабочую камеру 1, заполненную жидким рабочим телом 2, с поршнем 3, связанным со штоком 4. Внутри рабочей камеры 1 расположен нагревательный элемент 5, соединенный с источником 6 переменного тока, и охлаждающий элемент 7 в виде змеевика, сообщенного трубопроводом 8 с охладителем-распределителем 9 хладагента. При выполнении устройства с двумя рабочими камерами 1 (фиг. 2 — 5) штоки 4 их поршней 3 связаны с одним звеном отбора мощности в виде ползуна 10.

Способ осуществляют следующим образом.

Поочередно осуществляют нагрев и охлаждение в диапазоне рабочих температур жидкого рабочего тела 2, заполняющего герметичную камеру 1 переменного объема, преобразование теплового расширения рабочего тела 2 в перемещение звена отбора мощности — ползуна 10 — и возвратное перемещение ползуна 10 под действием внешней нагрузки в процессе теплового сжатия рабочего тела 2. В качестве рабочего тела 2 используют жидкость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем при температуре Т,, находящейся внутри диапазона рабочих температур, при этом охлаж5

1О

55 дение рабочего тела осуществляют до температуры Т, не ниже температуры его замерзания, а нагрев — до температуры, не превышающей значения Т„=2.Т»„— T „„.

В качестве рабочего тела 2 может быть использована вода или смесь воды с жидкостями, имеющими больший, чем у воды, коэффициент объемного расширения и более низкую температуру замерзания, например смесь воды с эфировым этилом, водный раствор соли или тяжелая вода.

При использовании в качестве жидкого рабочего тела 2 воды, имеющей температуру замерзания 0 С, за минимальную температуру охлаждения воды Т принимается, например, температура 1 С. Тогда максимальная температура Т » нагревания воды 7 С (Тн хс =2 ° 4 С вЂ” C=7 Ñ). Вода охлаждается и нагревается относительно температуры 4 С на одинаковую величину для обеспечения равного увеличения ее объема.

Герметичная камера 1 (фиг. 1) с температурой 4 С наполняется водой, имеющей также температуру 4 С. Так как при этой температуре вода имеет наименьший объем, то поршень 3 находится в крайнем левом положении. При подключении источника 6 переменного тока к нагревательному элементу 5 происходит нагревание воды до

7 С, что, в свою очередь, вызывает увеличение объема герметичной камеры 1, и поршень 3 перемещается в крайнее правое положение (показан на фиг. 1 пунктирными линиями). В определенный момент, когда поршень 3 находится на расчетном расстоянии от крайнего правого положения, зависящем от инерционности перехода от нагревания к охлаждению воды, включается охладитель-распределитель 9, который начинает подавать охлажденный хладагент в охлаждающий элемент 7, что вызывает уменьшение об.ьема воды в герметичной камере 1 и перемещение поршня 3 в крайнее левое положение (показан на фиг. I сплошными линиями) под действием атмосферного давления при достижении температуры воды 4 С в камере l. При продолжении охлаждения ниже 4 С в камере 1 начинается увеличение объема воды, которая, расширяясь, перемещает поршень 3 в крайнее правое положение при достижении температуры воды 1 С.

При температуре 1 С переход от процесса охлаждения воды к процессу ее нагревания происходит в такой же последовательности, как и при переходе от процесса нагревания к процессу охлаждения при температуре 7 С. Для воды температура Т

=1 С выбирается потому, что при дальнейшем ее охлаждении образуется лед, и вода теряет свойство текучести, а Т =7 С— для достижения равенства изменений объе. ма.

Таким образом, как при уменьшении температуры воды в камере 1 от +7 до +1 С, 1495493 так и при увеличении от +1 до +7 С при одном направлении теплового потока происходит и увеличение, и уменьшение объема воды, что обеспечивает два цикла знакопеременного перемещения поршня 3 с возвра том в исходное положение.

Использование вместо воды в качестве рабочего тела 2 смеси воды с жидкостями, имеющими больший, чем у воды, коэффициент объемного расширения и более низкую температуру замерзания, позволяет увеличить ход поршня 2 и тем самым увеличить его выходную мощность. Пропорция смеси должна быть такой, при которой обязательно должно сохраняться основное свойство рабочего тела 2: иметь наибольшую плот- 15 ность и наименьший объем при температуре

Т ., находящейся внутри диапазона рабочих температур. При использовании в качестве рабочего тела 2 смеси воды с эфировым этилом температура смеси может быть равна — 10 С в точке замерзания. Если за минимальную температуру Т„„„охлаждения смеси принимается температуру — 6 С, а Т, =4 С, то максимальная температура

T — — 14 С.

Выбор температур Т„и Т зависит от желаемого хода поршня 3. При нагревании смеси воды и эфирового этила от — 6 до +4 С происходит уменьшение ее объема, а при дальнейшем нагревании смеси от +4 до +14 С происходит увеличение объема смеси. При охлаждении смеси от

+14 до +4 С объем ее уменьшается, а при дальнейшем ее охлаждении от +4 до — 6 С объем ее увеличивается. Здесь также при одном направлении теплового потока происходит два движения поршня 3, но ход поршня 3 имеет большую величину, чем при использовании воды в качестве рабочего тела 2.

Для устранения влияния атмосферного давления на перемещение поршня 3 при уменьшении объема рабочего тела 2 в одном устройстве используют два спаренные рабочие камеры 1, установленные соосно одна напротив другой (фиг. 2 — 5) . Температурные процессы в спаренных камерах 1 организуют так, что увеличению объема рабочего тела 2 в одной камере 1 соответствует уменьшение объема рабочего тела 2 в другой камере 1, т. е. перемещение поршня 3 при уменьшении объема рабочего тела 2 в одной камере 1 происходит под действием штока 4 поршня 3 спаренной камеры 1 при увеличении объема ее рабочего тела 2.

В исходном положении при использовании воды в качестве рабочего тела 2 в левой камере 1 (фиг. 2) устанавливается температура 1 С, а в правой камере 1 — температура 4 С. После достижения указанных температур нагревательные элементы 5 подключаются к источнику переменного тока, что вызывает увеличение температуры в камерах l. При возрастании температуры воды в левой камере 1 до 4 С ее объем умень20

55 шается при одновременном уве.lll Idyll»II обьема воды в правой камере 1 на одинаковую величину и с одинаковой скоростью. так как в ней происходит одновременный нагрев воды до 7 С. Ползун 10 перемещается в крайнее левое положение (фиг. 3). При достижении температуры воды в правой камере

7 С вступает в работу охладитель-распределитель 9, который начинает подавать хладагент в правую камеру 1, вызывая охлаждение воды в ней. В это же время в левой камере 1 продолжается нагрев воды от +4 до

+7 С и, согласно графику, изображенному на фиг. 6, ее объем увеличивается при одновременном уменьшении объема воды в правой камере 1, так как ее температура понижается от +7 до +4 С. Ползун 10 перемещается в крайнее правое положение (фиг. 4). При достижении температуры в левой камере 7 С, а в правой камере 4 С в левой камере 1 начинается процесс охлаждения воды от +7 до +4 С, что вызывает уменьшение ее объема, а в правой камере продолжается процесс охлаждения воды от

+4 до +1 С, что вызывает увеличение ее объема. Ползун 10 перемещается в крайнее левое положение (фиг. 5). После достижения в левой камере 1 температуры 4 С и в правой камере — температуры 1 С в левой камере продолжается процесс охлаждения воды до температуры 1 С, что вызывает увеличение ее объема, а в правой камере 1 начинается процесс нагревания воды до 4 С, что вызывает уменьшение ее объема.. Ползун 10 перемещается в I pa)

Испол ьзова н ие п редл а гаемого способа преобразования тепловой энергии в механическую по сравнению с известными способами обеспечива г расп ир I":lL фуIII IIII()нальных возможностей )» гчс1 удноеIIIIH количества циклов уве,lllчc ии» и уменьшения объема рабочего тела 2 по сравнению с количеством циклов его нагрева и охлаждения.

Форлула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую путем поочередного нагрева и охлаждения в диапазоне рабочих температур жидкого рабочего тела, заполняющего герметичную камеру переменного объема, преобразования теплового расширения рабочего тела в перемещение звена отбора мощности и возвратного перемещении звена отбора мощности под действием Bllclllней нагрузки в процессе теплового сжати» рабочего тела, от.гичающийся тем, ч T(), с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения знакоперс менного перемещения звена отбора мощности б< з изменения направления теплового потока, и качестве рабочего тела используют AH!I,1495493

7 кость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем при температуре Т„, находящейся внутри диапазона рабочих температур, при этом охлаждение рабочего тела осуществляют до температуры Т не ниже температуры его замерзания, а нагрев — до температуры, не превышающей значения

Т.„=2 T — T« .

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют воду.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют смесь воды с жидкостями, имеющими больший, чем у воды, коэффициент объемного расширения и более низкую температуру замерзания.

i<95493 0 4ь2. 6

7 С

7иин

Составитель Л. Тугарев

Редактор Н. Тупица Техред И. Верес Корректор 1Г. Малец

Заказ 4230 31 Тираж 415 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГKH 1 (.(.(.Р

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 45

Производственно-издательский комбинат «Пате<<т», г. Ужгор<>д, ул. Гагарина, 101