Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую
Изобретение позволяет повысить КПД двигателя с расположенными на его роторе рабочими элементами (РЭ), обладающими термомеханической памятью формы с каналами (К) для жидких теплоносителей, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии низкотемпературных источников в механическую. Устройство снабжено компрессором 22, соединенным по входу с газовыми объемами 13 и 19 расширительных емкостей 12 и 18, а по выходу - с полостями в подводящих коллекторах для подвода газа. Вращение ротора происходит за счет сокращения и удлинения РЭ при обратном и прямом мартенситных превращениях их материала при попеременном пропускании по их К греющего и охлаждающего теплоносителей. Повышение КПД обеспечивается за счет исключения перемешивания греющего и охлаждающего теплоносителей в К путем продувки К газом перед сменой теплоносителей. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 17 (Риг. (21) 4439859/25-06 (22) 13.06.88 (46) 07.07.90. Бюл. М 25 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) Н.А. Рыльцов и А,Ю. Теленков (53) 621.486(088.8) (56) Заявка ФРГ N 2354722, кл. 88 d 7/06, опублик. 1976. Заявка Великобритании N 1484503, кл. F 1 S, опублик. 1977. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ (57) Изобретение позволяет повысить КПД двигателя с расположенными на его роторе рабочими элементами (РЭ), обладающими термомеханической памятью формы с кана„„ АУ,, 1576713 А1 лами (К) для жидких теплоносителей, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии низкотемпературных источников в механическую, Устройство снабжено компрессором 22, соединенным по входу с газовыми объемами 13 и 19 расширительных емкостей 12 и 18, а по выходу — с полостями в подводящих коллекторах для подвода газа. Вращение ротора происходит за счет сокращения и удлинения РЭ при обратном и прямом мартенситных превращениях их материала при попеременном пропускании по их К греющего и охлаждающего теплоносителей. Повышение КПД обеспечивается за счет исключения перемешивания греющего и охлаждающего теплоносителей в К путем продувки К газом перед сменой теплоносителей. 1 з.п. ф-лы, 8 ил, 157671 3 30 40! Лзобретение относится к области ма- шиностроения, а именно K энергетическим установкам с тепловыми двигателями, работающими эа счет проявления термомехани. ческой памяти твердых рабочих элементов, охлаждаемых и нагреваемых жидкими теплоносителями, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии низкотемпературных источников в механическую энергию, Целью изобретения является повышение КПД, На фиг, 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 — блок-схема теплового двигателя устройства; на фиг. 3 — двигатель,. осевсй разрез; на фиг, 4 — схема расположения подводящих коллекторов двигателя с газовыми полостями и перегородками, вид вдоль оси; на фиг. 5 — схема расположения отводящих коллекторов двигателя, вид вдоль оси; на фиг. 6 — схема подвода и отвода тепла в известном двигателе; на фиг, 7— схема подвода и отвода в предлагаемом двигателе; на фиг. 8 — график зависимости диаметра О двигателя и тепловых по ерь ЛQ, от кратности Кц циркуляции. Устройство содержит тепловой двигатель 1 с расположенными на его рогоре 2 рабочими элементами 3, обладающими термомеханической памятью уменьшения их длины при нагреве. В элементах 3 выполнены каналы 4 для жидких теплоносителей, сообщенные с расположенными на статоре 5 подводящим 6 и отводящим 8 коллекторами греющего теплоносителя., а также подводящим 7 и отводящим 9 коллекторами охлаждающего теплоносителя. С коллекторами 6-9 сообщены замкнутые циркуляционные контуры соответственно греющего и охлаждающего теплоносителей, Контур греющего теплоносителя состоит из нагревателя 10, насоса 11, расширительной емкости 12 с газовым объемом 13 и соединительных трубопроводов 14 и 15, Контур охлаждающего теплоносителя состоит из холодильяика 16, насоса 17, расширительной емкости 18 с газовыми объемами 19 и соединительных трубопроводов 20 и 21. Устройство снабжено компрессором 22. Расширительные емкости 12 и 18 выполнены герметичными, а в подводящих коллекторах 6 и 7 выполнены полости 23 для подачи газа, причем компрессор 22 соединен трубопроводами 24 по входу с газовыми обьемами 13 и 19 расширительных емкостей 12 и 18, а по выходу — трубопроводами 25 с полостями подводящих коллекторов 6 и 7. Полости 23 образованы выполненными в коллекторах 6 и 7 перегородками 26, отделяющими газ от теплоносителя. Подводящие и отводящие коллекторы 6, 7 и 8, 9 соответственно выполнены в виде выборок в неподвижных пластинах 27 и 28 на входе и выходе двигателя 1. Газовые полости 23 выполнены в неподвижной пластине 27 в задних по ходу вращения ротора 2 частях подводящих коллекторов 6 и 7 при помощи перегородок 26, Рабочие элементы 3 установлены одними концами с воэможностью ограниченного перемещения в подвижной пластине 29 ротора 2 двигателя 1 на входе в него, имеющей отверстия 30 для подвода теплоносителя к каждому каналу 4, а другими концами шарнирно соединены с подвижной пластиной 31 ротора 2 двигателя 1 на выходе из него, имеющей отверстия 32 для отвода теплоносителя от каждого канала 4. Пластины 27 и 28 прикреплены к статору 5. Устройство работает следующим образом. Греющий теплоноситель (например, вода) от расширительной емкости 12 подается в нагреватель 10 циркуляционным насосом 11 по трубопроводу 14. После нагрева в нагревателе 10 теплоноситель поступает в двигатель 1, где теплоноситель циркулирует по цепочке подводящий коллектор 6 — каналы 4 — отводящий коллектор. Отдав теплоту рабочим элементам 3 двигателя 1, греющий теплоноситель отводится в расширительную емкость 12 по трубопроводу 15, Охлаждающий теплоноситель (например, вода) от расширительной емкости 18 подается в холодильник 16 циркуляционным насосом 17 по трубопроводу 20, После охлаждения в холодильнике 16 теплоноситель поступает в двигатель 1, где теплоноситель циркулирует по цепочке подводящий коллектор 7 — каналы 4 — отводящий коллектор 9. После нагрева от рабочих элементов 3 двигателя 1 охлаждающий теплоноситель отводится в расширительную емкость 18 по трубопроводам 21. Газ (например, азот) от газовых объемов 13 и 19 расширительных емкостей 12 и 18 подается компрессором 22 в двигатель 1 по трубопроводам 24 и 25. В двигателе 1 газ циркулирует по цепочке газовые полости 23 — каналы 4 — отводящий коллектор 8 или 9 при смене фазы нагрева рабочего элемента 3 на фазу охлаждения или наоборот соответственно, Выйдя из двигателя 1, газ поступает в трубопроводы 15 и 21 и отводится в расширительные емкости 12 и 18. Все процессы происходят одновременно. Греющий (охлаждающий) теплоноситель циркулирует по своему контуру, нагревается (охлаждается) в нагревателе 10 (холо1576713 дильнике 16), отдает (принимает) теплоту рабочим (-их) элементам (-ов) 3, нагревая (охлаждая) их до температур обратного (прямого) мартенситного превращения. При этом рабочие элементы 3 проявляют эффект термомехэнической памяти формы и приводят ротор 2 двигателя 1 во вращение, преобразуя тепловую энергию в механическую. В процессе смены фазы нагрева рабочих элементов 3 нэ фазу охлаждения и наоборот в каналы 4 из газовых объемов 13 и 19 ðàñширительных емкостей 12 и 18 поступает газ, исключающий перемешивание греющеr0 и охлаждающего теплоносителей, заменяя его перемешиванием газа с теплоносителем, Затем газ вытесняется из каналов 4 греющим (охлаждающим) теплоносителем при смене фазы охлаждения (нагрева) рабочих элементов 3 на фазу нагрева (охлаждения) и отводится вместе с греющим (охлаждающим) теплоносителем в его расширительную емкость 12 или 18, где отделяется от теплоносителя гравитационным способом и поступает в газовые объемы 13 и 19. Далее цикл повторяется. Технический эффект, получаемый от замены перемешивания теплоносителей при смене фазы нагрева рабочих элементов на фазу охлаждения и наоборот на перемешивание газа с теплоносителем в устройстве для преобразования тепловой энергии в механическую, можно пояснить следующим образом. Поскольку количество теплоты, теряемое при нагреве и охлаждении замещаемого обьемэ газа: ) время перемешивания жидкого теплоносителя и газа при смене фазы нагрева рабочего элемента на фазу охлаждения и наоборот существенно меньше, чем количество теплоты, теряемое при нагреве и охлаждении численно равного замещаемого объема теплоносителя при тех же процессах, вследствие существенной разницы обьемной теплоемкости жидкого теплоносителя и газа (для воды и азота в 100-1000 раз), то этим теряемым количеством теплоты в предлагаемом устройстве можно пренебречь. Анализ двух схем подвода и отвода тепловой энергии для известного и предлагаемого устройств иллюстрируется фиг, 6 и 7. On редел я ют тепловую мощность Qllops, подводимую к рабочим элементам известного двигателя: Оподв Gr((ex iBblx) Л6 (iBx iBx)1 где !в„— энтальпия греющего теплоносителя на вхоце в двигатель, кДж/кг; Ie» — энтальпия греющего теплоносителя на выходе из двигателя, кДж/кг; >sx — энтальпия охлаждающего теплоносителя на входе в двигатель, кДж/кг; G — расход греющего теплоносителя, кг/с; 10 Л G — расход перетечки теплоносителя, кг/с. Тепловая мощность Оподв, подводимая к рабочим элементам 3 предлагаемого двигателя: 15 и г г Оподв = Gr(iex вых) Тепловая мощность Qo7e, отводимая от рабочих элементов известного двигателя: Оотв = 6х(1вых — 1вх) — Л6 (iâõ — ieх), где ",ых — энтальпия охлаждающего теплоносителя на выходе из двигателя, кДж/кг; Gx — расход охлаждающего теплоносителя, кг/с. 25 ТенловэЯ мощность О о в отводимаЯ от рабочих элементов 3 предлагаемого двигателя: Qors = Gx(iBvx вх) Отношение КПД предлагаемого устройства к КПД известного устройства пропорционально отношению подводимых к ним тепловых мощностей и составляет lg Ойодв 35 7у Ойодв 6 (х — х) — хЖ (м — Iâ.) ю где ЛС4 —,, доля тепловой Ог(1вх — ievx) мощности, теряемой при подводе. Расход перетечки теплоносителя Л6= —, Кц где Кц — кратность циркуляции теплоносителя, которая определяется частотой вращения ротора двигателя, средней скоростью теплоносителя и геометрией рабочих эле50 ментов двигателя. Доля тепловой мощности ЛОл, теряемая при подводе: r x iex iBx 55 Кц()вх )вых) Для теплового двигателя с рабочими элементами, выполненными из сплава ТН-1 (мононикелида титана), и при использова1576713 012 нии воды в качестве теплоносителя рабочие параметры процесса, определяемые температурами прямого и обратного мертенситного превращения рабочих элементов, г составляет,, =504 кДж/кг 1 = 377 кДж/кг, i><= 210 кДж/кг, 4, х=-335 кДж/кг при давлении гре,ощего и охлажда|ощего теплоносителя около 0,3 МПа. Зависимость отерь Л Qn от кратности Кц циркуляции для тих параметров представлена на фиг. 8. Из графика видно, что при Кц 2,3 доля тепловой мо цности Л Оп, TepReMQA при подводе, становится больше или равна единице, т.е. КПДдвигателя становится равным -.vn о, что физически означает неработоспоссбность устройства (диапазон А, фиг, 8). Вер:нее ограничениедиапазона кратности Кц ць,ркуляции вытекает из следуюших соображений. Для относительного удлинения е рабочего элемента из сплава ТН-1 я==4%, взятого на основе известных экспериментальных данных, средней скорости W
При увеличении или уменьшении числа и оборотов двигателя в секунду кривая зависимости 0=1(Кц\ сдвигается вниз или вверх по отношению к кривой с п==1 об/с соответственно, но рассмотренное ограничение попрежнему имеет место. Рабочий диапазон кратности Кц циркуг яции (диапазон Б, фиг. 8) лежит в пределах значений Кц=2,3...5, При этом доля тепловой мощности, теряемой при подводе тепла,ЛОг =-100 — 50%. Если исключить эти потери, КПД устройства воз5 растет в со ...2 раза. Таким образом, технический эффект, достигаемый при использовании предлагаемого устройства для преобразования тепловой энергии в механическую по 10 сравнению с известным, заключается в повышении КПД. Формула изобретения 1, Устройство для преобразования теп15 вовой энергии в механическую, содержащее тепловой двигатель с расположенными на его роторе рабочими элементами, обладающими термомеханической памятью формы, с каналами для жидких теплоносителей, со20 общенными с подводящими и отводящими коллекторами греющего и охлаждающего теплоносителей, расположенными на статоре двигателя, а также сообщенные с коллекторами замкнутые циркуляционные 25 контуры греющего и охлаждающего теплоносителей, включающие соответственно нагреватель, холодильник, насосы, расширительные емкости с газовыми объемами и соединительные трубопроводы, о т30 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД оно дополнительно снабжено компрессором, расширительные емкости выполнены герметичными, а в подводящих коллекторах выполнены полости для подачи 35 газа, причем компрессор соединен трубопроводами по входу с газовыми объемами расширительных емкостей, а по выходу — с полостями подводящих коллекторов. 2. Устройство по п. 1, с тл и ч а ю ще е40 с я тем, что полости для подачи газа образованы дополнительно ьыполненными в подводящих коллекторах перз, сродками, отделяющими Газ От теплоносителя. 1576713 1576713 Юыг.8 Р Ь д @gag(Quz.7 Диапазон оапазон Составитель Л.Тугарев Техред M.Mîðãåíòàë Корректор А,0бручар Редактор Н.Бобкова Заказ 1837 Тираж 361 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
