Тепловая силовая установка

 

Использование: в гидроэнергетике, в частности в устройствах для получения механической энергии вращения. Сущность изобретения: возможность получения энергии без дополнительного сжигания топлива, по окружности установленного на горизонтальном валу 2 ротора 3 установлены термобиметаллические элементы (ТЭ) 4, имеющие теплоизолирующее покрытие, замедляющее теплообмен. Ротор частично погружен в жидкость, температура нагрева T₁ которой отличается от температуры нагрева T₂ окружающего газа. ТЭ обеспечивают перемещение в противоположных радиальных направлениях связанных с ними грузов 5 и поплавков 6 за счет равной степени нагрева ТЭ в жидкости и газе, что приводит ротор в неравновесное положение в связи с действием на него веса F грузов и выталкивающих сил F, воздействующих на поплавки, при переменном плече R₁ или R₂ относительно оси 0 ротора по разную сторону от вертикали, проходящей через эту ось. Воздействующие на ротор разности вращающих моментов FR₂ - FR₁ приводят его во вращение. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения механической энергии, в частности, комплексного совместного использования тепловой, гравитационной и гидростатической энергии для получения механической энергии вращения.

Известен механизм для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащий биметаллические элементы, при помощи которых связана ступица ротора с массивным ободом с возможностью перемещения этого обода в радиальном направлении при чередующемся прохождении биметаллических элементов через зоны нагрева и охлаждения (см. патент США N 3430441, кл. F 03 G 7/06, 1969 г.).

Известен также термобиметаллический преобразователь, содержащий установленный на опорах неуравновешенный относительно своей горизонтальной оси ротор и тепловые элементы, взаимодействующие с ротором при помощи упругих элементов (см. авторское свидетельство СССР N 987162, кл. F 03 G 7/06, 1983 г.).

К недостаткам указанного термобиметаллического преобразователя относится то, что в нем для создания вращающего момента используются силы упругости соответствующих элементов, что не позволяет при преобразовании тепловой энергии в механическую получить большую мощность, он не обеспечивает непрерывного вращения ротора, а только осуществляет его поворот в зависимости от расположения источника тепловой энергии преимущественно с лучистым теплообменом.

Предлагаемая силовая установка обеспечивает достижение технологического результата, заключающегося в преобразовании тепловой энергии в механическую энергию вращения с возможностью получения при этом большой мощности и использовании разности температур в жидкой и газообразной средах.

Указанный технический результат достигается тем, что тепловая силовая установка содержит установленный на опорах неуравновешенный относительно своей горизонтальной оси ротор и тепловые приводы, при этом ротор частично погружен в жидкость с температурой, отличной от окружающей, тепловые приводы связаны с грузами и поплавками с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков в противоположные стороны при изменении температуры нагрева этих приводов.

Каждый из тепловых приводов выполнен в виде термобиметаллического устройства, содержащего биметаллические элементы, прикрепленные к концам радиальных стержней, установленных равномерно по окружности на внешней стороне ротора, причем одни концы элементов связаны с грузами, а другие с поплавками, при этом активные и пассивные слои биметаллических элементов размещены с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков в противоположные стороны.

Тепловая силовая установка снабжена открытым сверху и снизу корпусом, охватывающим ротор, выступающим над поверхностью жидкости и погруженным в нее на глубину, меньшую, чем ротор, при этом внутренняя полость корпуса частично заполнена слоем более легкой жидкости, причем данная жидкость не растворима в жидкости, в которую погружен ротор, и имеет более низкую температуру замерзания, ниже минимальной расчетной температуры окружающей среды.

Указанные выше биметаллические элементы снабжены теплоизолирующим эластичным покрытием.

Тепловая силовая установка снабжена установленным в корпусе дополнительным ротором, отделенным от первого вертикальной перегородкой, погруженной ниже слоя более легкой жидкости, при этом тепловые приводы размещены с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков на этих роторах соответственно в противоположных направлениях.

На поверхности роторов нанесено несмачиваемое жидкостью покрытие.

Указанные существенные признаки, характеризующие изобретение, позволяют использовать для получения механической энергии вращения разность температур нагрева жидкости газа, в том числе в природных условиях, например у термальных источников, у морской или проточной воды в условиях низких температур окружающего воздуха в зимнее время и в северных районах, а также дают возможность утилизировать тепловую энергию нагретых газов и конденсационной воды в газопаротурбинных и иных аналогичных энергетических установках.

Получение механической энергии вращения и осуществление заданного изобретением технического результата при указанных условиях не требует дополнительного сжигания топлива и не приводит к загрязнению окружающей среды.

На фиг.1 дан общий вид тепловой силовой установки, на фиг. 2 показан частный случай выполнения установки с применением местного фронтального разреза, показывающего в правой части схемы изображение за вертикальной стенкой корпуса, на фиг. 3 приведен пример изменения температуры нагрева биметаллических элементов при работе установки.

Тепловая силовая установка (фиг.1) содержит установленный на опорах 1 на горизонтальном валу 2 ротор 3, на котором равномерно по окружности на радиальных стержнях установлены тепловые приводы в виде термобиметаллических устройств, содержащих биметаллические элементы 4, выполненные в данном конкретном случае из биметаллических пластин, прикрепленных к радиальным стержням ротора своими концами, на других концах которых закреплены грузы 5 или поплавки 6. Биметаллические пластины состоят из прочно соединенных металлов или сплавов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения при изменении температуры. Слой биметалла с большим коэффициентом линейного расширения является активным, а слой биметалла с меньшим коэффициентом линейного расширения пассивным. Биметаллические пластины 4 тепловых приводов, связанные соответственно с грузами 5 или поплавками 6, обращены своими активными и пассивными слоями относительно оси 0 ротора 3 в противоположные стороны. Ротор 3 частично погружен в жидкость, температура Т₁ нагрева которой и температура T₂ нагрева расположенного над ней газа различны.

Биметаллические элементы, выполненные в виде биметаллических пластин 4, снабжены теплоизолирующими эластичными покрытиями, замедляющими теплообмен между этими элементами и внешней средой, т.е. жидкостью и окружающим газом, но не препятствующими этому теплообмену и не затрудняющими изгиб биметаллических пластин при изменении температуры их нагрева. Это покрытие может быть выполнено, например, из слоя резины или эластичного пластика.

Как частный случай выполнения (фиг.2), при использовании силовой установки в условиях низких температур окружающего воздуха, например в зимнее время или в северных районах, ротор размещен в открытом сверху и снизу корпусе, выполненном из охватывающих ротор вертикальных перегородок 7, выступающих над поверхностью жидкости и погруженных в эту жидкость на меньшую глубину по сравнению с ротором 3. Поверхность жидкости внутри корпуса покрыта слоем более легкой, нерастворимой в указанной жидкости и не застывающей (не замерзающей) при минимальной расчетной температуре Т₂ окружающего воздуха жидкости 8.

Как частный случай выполнения силовой установки, предназначенной для использования в условиях низких температур окружающего воздуха, она снабжена установленным в корпусе дополнительным ротором. Биметаллические элементы, несущие соответственно грузы 5 или поплавки 6, обращены своими активными и пассивными слоями на разных роторах в противоположные стороны относительно оси ротора. Роторы разделены дополнительной вертикальной перегородкой 9, верхняя часть которой находится ниже слоя более легкой жидкости 8.

При использовании силовой установки в условиях низких температур окружающего воздуха на поверхность ротора 3 и других составных частей силовой установки наносится несмачиваемое жидкостью покрытие.

Тепловая силовая установка работает следующим образом.

При частичном погружении ротора 3 в жидкость, имеющей температуру нагрева Т₁, отличную от температуры нагрева Т₂ окружающего газа, биметаллические элементы 4 тепловых приводов, несущие грузы 5 и поплавки 6, изогнуты в противоположные стороны и грузы и поплавки находятся на разных расстояниях от оси 0 ротора. Для приведения в действие силовой установки ее ротор поворачивается в сторону последующего вращения. При погружении тепловых приводов в жидкость биметаллические элементы 4 за счет соответствующего изгиба приближают грузы к оси 0 ротора на расстояние R₁ и удаляют поплавки от этой оси на расстояние R₂. Для упрощения дальнейшего анализа принимается, что минимальное расстояние R₁ и максимальное расстояние R₂ от оси 0 ротора грузов и поплавков при изгибе в том или ином направлении биметаллического элемента 4 и для грузов, и для поплавков соответственно одинаковы и вес груза и выталкивающая сила, воздействующая на поплавок при погружении его в жидкость, равны и выражаются векторами F. При этих или аналогичных условиях указанный выше поворот ротора (в данном случае приведенном на фиг.1 против часовой стрелки) приведет его в неравновесное положение, поскольку вращающий момент силы F при плече R₂ будет больше вращающего момента равной силы F при меньшем плече R₁ относительно оси ротора. Разность этих вращающих моментов FR₂ FR₁ будет автоматически поддерживаться при дальнейшем вращении ротора за счет переменных по направлению изгибов биметаллических элементов 4 при нахождении их в жидкости или газе, имеющих соответственно разную температуру нагрева Т₁ или T₂. При этом теплоизолирующее покрытие биметаллических элементов, с учетом расчетной частоты вращения ротора и температур нагрева Т₁ и T₂ жидкости и окружающего газа, обеспечивает максимальную разность в средних показателях нагрева биметаллических элементов при нахождении их при вращении ротора по разную сторону от вертикали А А, проходящей через ось 0 ротора. Это показано на фиг. 2, где в качестве конкретного примера принимается, что температура Т₁ нагрева жидкости равна одной условной единице, а температура Т₂ нагрева газа трем условным единицам. Температура нагрева биметаллического элемента с учетом его теплоизолирующего покрытия выравнивается с температурой нагрева окружающей среды (жидкости или газа) при повороте ротора на угол от 90^o до 180^o. При условии показанного на фиг. 3 вращения ротора против часовой стрелки это приведет к тому, что средняя температура нагрева биметаллических элементов, располагающихся слева от вертикали А А, составит 2,5 условных единиц, а справа от этой вертикали 1,5 условных единиц, что обеспечивает постоянную неуравновешенность ротора относительно оси и его вращение в конечном итоге за счет теплообмена между жидкостью и газом.

При использовании тепловой силовой установки в условиях низких температур воздуха и наличия водоема (реки, моря), например в зимних условиях Крайнего Севера, ротор 3 размещают в открытом снизу и сверху корпусе, выполненном из замкнутой по периметру вертикальной перегородки 7, выступающей над поверхностью жидкости. Поверхность жидкости внутри корпуса покрыта слоем нерастворимой в указанной жидкости и не застывающей (не замерзающей) при минимальной расчетной температуре окружающего воздуха термоизолирующей жидкости 8, например, в виде жидких масел. Это препятствует замерзанию жидкости (воды), а несмачиваемое жидкостью покрытие ротора предотвращает незамерзание жидкости на его поверхности. Применение при этом двух соосных роторов, вращающихся в разные стороны, обеспечивает равномерное перемешивание жидкости (воды) под слоем термоизолирующей жидкости 8 и постоянный подвод к поверхности более нагретой жидкости из нижележащих слоев. Этим обеспечивается возможность использования для работы силовой установки разности в температурах нагрева жидкости (в данном случае около нуля градусов применительно к воде) и более холодного окружающего воздуха, что характерно для зимнего периода в местностях с суровыми климатическими условиями.

Формула изобретения

1. Тепловая силовая установка, содержащая установленный на опорах неуравновешенный относительно своей горизонтальной оси ротор и тепловые приводы, отличающаяся тем, что ротор частично погружен в жидкость с температурой, отличной от окружающей, тепловые приводы связаны с грузами и поплавками с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков в противоположные стороны при изменении температуры нагрева этих приводов.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из тепловых приводов выполнен в виде термобиметаллического устройства, содержащего биметаллические элементы, прикрепленные к концам радиальных стержней, установленных равномерно по окружности на внешней стороне ротора, причем одни концы элементов связаны с грузами, а другие с поплавками, при этом активные и пассивные слои биметаллических элементов размещены с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков в противоположных направлениях.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена открытым сверху и снизу корпусом, охватывающим ротор, выступающим над поверхностью жидкости и погруженным в нее на глубину, меньшую, чем ротор, при этом внутренняя полость корпуса частично заполнена слоем более легкой жидкости, причем данная жидкость нерастворима в жидкости, в которую погружен ротор, и имеет более низкую температуру замерзания, ниже минимальной расчетной температуры окружающей среды.

4. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что биметаллические элементы снабжены теплоизолирующим эластичным покрытием.

5. Установка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в корпусе дополнительным ротором, отделенным от первого вертикальной перегородкой, погруженной ниже слоя более легкой жидкости, при этом тепловые приводы роторов размещены с возможностью радиального перемещения грузов и поплавков на роторах соответственно в противоположных направлениях.

6. Установка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что на поверхность роторов нанесено несмачиваемое покрытие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3