Тепловой двигатель и способ преобразования тепловой энергии в механическую посредством теплового двигателя

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9 59 4 ПИ САНИ ЕТЕНИ ПАТЕН(АР Об ОЪ СР ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ВМЕХАНИЧЕСКУЮ ПОСРЕДСТВОМ ТЕПЛОВОГОДВИГАТЕЛЯ(57) Изобретение позволяет повыситьэффективность нагрева и охлажденияи уменьшить сопротивление перемещениюэлементов из металлического сплава,Средства нагрева и охлаждения элементов 1 выполнены в виде твердых тел 6и 7 соответственно с нагревающими иохлаждающими поверхностями 8 и 9.Твердые тела м,б, выполнены в видеооо ооо о Тираж 431Государственногоелам изобретенийМосква, Ж, Рауш коми от ска,1386039 двух частей, установленных с возможностью контакта с элементами с двухсторон. Роторы 2 и 3 м,б. выполненыв виде коленчатых валов 20, расположенных рядом симметрично друг другу, а элементы соединены с ними закрепленными на их концах шарнирно сочлененными тягами, Нагрев элементаосуществляют посредством передаваемой с помощью одного или несколькихтепловых насосов 26 теплоты окружающей среды, при этом тепловой насосприводят в действие частью механической энергии, создаваемой двигателем. Вместо вспомогательного двигателя пуск м.б. осуществлен посредством вспомогательного нагревателя, работающего на электричестве илитопливе; полученная энергия м.б. использована для перемещения судна,КонИзобретение относится к преобразованию низкопотенциальной тепловой энергии в механическую при тепловых деформациях элементов из металличес 5 кого сплава с термомеханической памятью их укороченной длины при нагреве и может быть использовано для получения работы за счет тепловой энергии окружающей среды. ОЦелью изобретения является повышение эффективности нагрева и охлаждения и уменьшение сопротивления перемещению элементов из металлического сплава. 15На фиг. 1 представлена диаграмма рабочего цикла двигателя при реализации предлагаемого способа; на Фиг.2 принципиальная схема теплового двигателя для реализации способа с ис пользованием известного кольцевого элемента из металлического сплава;на фиг, 3 - конструктивная схема устройства для реализации способа с использованием предлагаемого двигателя 25 в качестве двигателя для судна; на фиг, 4 - тепловой двигатель для реализации предлагаемого способа с элементами иэ металлического сплава в виде дугообразных пружинных нитино ловых полос, попеременно нагреваемых струкции в устр-вах по изобретению получаются легкими, и в них м.б, использованы такие материалы как нейлон, стекловолокно и т,д, Рабочаяо т-ра устр-ва может составлять 40 С, Двигатель м,б. построен так, чтобы он был более всего пригоден для определенных т-рных условий, Изобретение обеспечивает возможность использования минимальной разницы т-р поверхностей 8 и 9, В этом случае потери тепла будут минимальными по абсолютной величине, Можно также использовать несколько двигателей, соединенных последовательно так, чтобы каждый двигатель работал при более низкой т-ре фазового перехода материала его элементов по отношению к предыдущему двигателю. 2 с, и 4 з,п, ф-лы, 11 ил. в резервуаре с теплоносителем, в аксонометрии; на фиг. 5 - двигатель, поперечный разрез; на фиг. 6 - вариант предлагаемого двигателя, в аксонометрии; на фиг, 7 - нитиноловая проволока, используемая в двигателе, сечение; на фиг. 8 - двигатель, поперечный разрез; на фиг. 9 - сечение А-А на фиг. 8; на фиг, 10 - детали соединения элементов из металлического сплава с роторами; на фиг. 11 поперечный разрез твердых тел средств нагрева и охлаждения элемента из металлического сплава в виде ленты, изображенной на фиг, 10, в варианте выполнения каждого из этих тел из двух подвижных частей.Тепловой двигатель (см. фиг.4-9) содержит один, два или более удлиненных элементов 1 из металлического сплава, например из нитинола, способных изменять свою длину при определенной температуре на определенную величину по отношению к первоначальной длине и относительно легко растягиваться при более низких температурах, Элементы 1 расположены параллельно друг другу и шарнирно эксцентрич- но соединены одним концом с первым ротором 2, а другим концом - с вторымФротором 3. Оба ротора 2 и 3 установлены с возможностью вращения вокруг валов 4 и 5, перпендикулярных элементам 1, при сжатии и растяжении эле 5 ментов 1 из металлического сплава. Двигатель содержит также средства нагрева и охлаждения элементов 1 в виде твердых тел 6 и 7 соответственно с нагревающими и охлаждающими поверх ностями 8 и 9. Тела 6 и 7 установлены с возможностью их поочередного контакта поверхностями 8 и 9 с элементами 1 при перемещении последних и роторов 2 и 3. 15Твердые тела б и 7 средств нагрева и охлаждения могут быть выполнены каждое в виде двух частей 10, 11 и 12, 13 соответственно (см, фиг.11) установленных с возможностью контак та с элементами 1 с двух сторон,причем части 10, 11 и 12, 13 этих тел выполнены с возможностью управляемого перемещения до плотного контакта их поверхностей 8, 9 с элементами 1 25 и в обратном направлении, Части 10, 11 и 12, 13 тел .б и 7 средств нагрева и охлаждения соединены с рамой (не показана) посредством шарниров 14, При максимальном сближении частей 10, 11 и 12, 13 тел 6 или 7 между их противоположными теплообменными поверхностями 8 или 9 остается щель, ширина которой соответствует толщине нитинолового элемента 1, выполненного в виде полосы (см.фиг, 10). Тела 6 и 7 расположены по всей длине элемента 1, Внутри частей 10, 11 и 12, 13 тел 6 и 7 проходят каналы для подачи теплоносителей, а части 10, 11 и 12, 13 подпружинены для удержания их в удаленном друг от друга положении во всех фазах, кроме фазы их контакта с элементом 1 (не показано). По варианту, представленному на фиг. 10, элементы 1 соединены с роторами 2 и 3 посредством закрепленных на концах элементов 1 тяг 15 и шатунов 16, сочлененных между собой посредством шарниров 17 а с ротора 150 ми 2 и 3 - посредством шарниров 18. С обеих сторон тяг 17 установлены упоры 19, расстояние между которыми меньше диаметра траектории движения роторов 2 и 3, для управления перемещением частей 10, 1 и 12, 13 твердых тел 6 и 7 средств нагрева и охлаждения, Элемент 1 выполнен в виде нитиноловой полосы, длинная сторона поперечного сечения которой расположена вертикально (на фиг. 1 О показанодин конец полосы элемента 1).Согласно варианту, представленному на фиг, 6-8, роторы 2 и 3 выполнены в виде коленчатых валов 20,расположенных рядом симметрично по отношению друг к другу, а каждый элемент 1 - в виде нитиноловой проволоки плоского сечения, шарнирно соединенной с расположенными друг противдруга кривошипами 2 1 валов 20, Твердые тела б и 7 средств нагрева и охлаждения расположены между коленчатыми валами 20 одно под другим и обращены друг к другу металлическимитеплообменными поверхностями 8 и 9,расстояние между которыми равно илименьше диаметра траектории движенияшеек кривошипов 21 валов 20. Внутрител 6 и 7 выполнены параллельные каналы 22 для подачи теплоносителей(см. фиг, 9), а на их поверхностях8 и 9 выполнены канавки 23 для нитиноловых проволок элементов 1. Поверхности 8 и 9 предпочтительно выполнены выпуклыми в направлении друг кдругу, и расстояние между ними в средней части меньше диаметра коленчатоговала 20. Межцу поверхностями 8 и 9имеется слой 24 изоляции, в которомвыполнены вертикальные прорези (непоказаны), параллельные канавкам 23,Предпочтительно, чтобы слой 24 изоляции покрывал все стороны тела 7Устройство заключено в стальной вакуумированный кожух 25. Каналы 22 тел 6 и7 соединены с тепловым насосом 26для передачи тепла от тела 7 средства охлаждения элементов 1 либо окружающей среде, либо телу 6 средстванагрева, Тело б средства нагрева может быть связано также непосредственно с внешним источником 27 тепла,например бросового тепла охлаждающейводы, отводимой от атомной электростанции (с температурой приблизительно 50 С).Согласно варианту, показанному нафиг. 10 и 11, также может быть использовано несколько параллельных элементов 1 в виде полос. В этом случае каждая полоса имеет свои собственные тела б и 7 средств нагрева и охлаждения,Упоры 19 могут быть выполнены, например, вилкообразными, благодаря чему тяга 15, конец которой может бытьрасположен между двумя вертикальнымистержнями вилки (не показано), надежно сохраняет свое положение.В соответствии с другим вариантом5упоры 19 и шарниры 17 можно не применять. В этом случае вместо упоров 19используют конечные выключатели, приводящие в действие реле, смыкающиечасти 10, 11 или 12, 13 тела 6 или(не показано). При этом целесообразно предусмотреть упругое крепление тел 6 и. 7, например, посредствомнажимных пружин, установленных настороне шарниров 14, благодаря чемутела 6 и 7 могут перемещаться вместес элементами 1, находясь в закрытомположении.Части 10, 11 и 12, 13 тел 6 и 7могут быть установлены с возможностью 20перемещения в направлении друг к другу и обратно таким образом, чтобы ихтеплообменные поверхности 8, 9 всегдаоставались параллельными, Одна из частей или обе части 10, 11 и 12, 13тел 6 и 7 могут быть выполнены подвижными. Величина хода частей 10, 11и 12, 13 может быть очень малой, достаточной лишь для освобождения элемента 1 от зажима между частями 10,11 и 12, 13 тел 6 и 7,Элементы 1 могут быть изготовлены также иэ проволоки круглого сечения, при этом на теплообменных поверхностях 8 и 9 частей 10, 11 и 12,13 тел 6 и 7 должны быть выполненыуглубления, соответствующие сечениюпроволоки элементов 1, Для эффективной работы устройства важно также,чтобы контактные теплообменные по.верхности 8 и 9 тел 6 и 7 были насколько возможно гладкими и равномерно нагретыми,Рабочий цикл теплового двигателяпри осуществлении предлагаемого способа показан на фиг. 1 в координатахудлинение элемента 1 - напряжение внем соответственно по осям Х и У. Впроцессе до элемент 1 деформируют(растягивают) при температуре нижетемпературы фазового перехода егоматериала. В процессе Бб элемент 1нагревают до определенной температуры фазового перехода его материала,при которой проявляется свойство термомеханической памяти и изменяются 55его физические свойства, в частносТирезко возрастает его модуль упругости, В процессе г используют это изменение в качестве движущей силы теплового двигателя, и деформированномуэлементу 1. возвращают первоначальнуюпродольно сжатую форму. В процессеа температуру элемента 1 снижаютдо уровня ниже температуры фазовогоперехода, после чего описанный циклповторяется,Нагрев элемента 1 в процессе Восуществляют посредством передаваемой с помощью одного или несколькихтепловых насосов 26 теплоты окружающей среды, при этом тепловой насос26 приводят в действие частью механической энергии, создаваемой двигателем.Предлагаемый способ может быть реализован, например, в тепловом двигателе, представленном на фиг, 2,который содержит два ротора 2 и 3 ввиде колес, оси которых расположеныпараллельно и на которых установленыохватывающие их один или несколькокольцевых нитиноловых элементов 1,Колесо ротора 3 меньшего диаметрапомещено в резервуар 28 с нагретойсредой, покрытый слоем теплоизоляции,причем воду в резервуаре 28 нагревают с помощью теплового насоса 26.Тепловой насос 26 соединен посредствомподходящей. передачи (не показана) свалом 4 колеса большего ротора 2теплового двигателя, Кроме того, степловым насосом 26 может быть соединен вспомогательный двигатель, которым может быть либо двигатель внутреннего сгорания, либо электродвигатель (не показан).При пуске в действие теплового насоса 26 посредством вспомогательногодвигателя насос 26 переносит теплоиз окружающей среды в среду, находящуюся в резервуаре 28. В последнемпроисходит передача тепла от средык колесу ротора 3 теплового двигателя и к той части кольцевого нитинолового элемента 1, которая охватывает колесо ротора 3. Когда температура нитинолового элемента 1 достигаеттемпературы фазового перехода егооматериала, например 50 С, кольцевойэлемент 1, стремясь выпрямиться, начинает вращать колесо ротора 3. Движение нередается колесу ротора 2, свала 4 которого производят отбор мощности Часть полученной на валу 4мощности используют для привода теплового насоса 26 (вся выходная мощ 7 13860ность для этой цели йе требуется),Остальную мощность можно использоватьдля других целей,Вместо вспомогательного двигателяпуск может быть осуществлен посредст 5вом вспомогательного нагревателя,работающего, например, на электричестве или топливе (не показаны), В этомслучае среду в резервуаре 28 сначаланагревают до температуры фазовогоперехода посредством вспомогательногонагревателя, который после этого может быть выключен,На фиг. 3 показан вариант применения полученной посредством предлагаемого двигателя 29 механическойэнергии для перемещения судна ЗО.Тепловой двигатель 29 и тепловой насос26 установлены на судне 30. Тепловой 20насос 26 переносит теплоту из окружающей среды 31 - воды - через систему32 трубопроводов в резервуар 28 с водой, присоединенный к тепловому двигателю 29; поддерживая температурунаходящейся в нем воды например около 50 С, Некоторую часть энергии,созодаваемой тепловым двигателем 29,расходуют на привод теплового насоса 26,а другую часть - на привод винта 33судна 30, Таким образом, посредствомчасти создаваемой тепловым двигателем29 механической энергии перемещаютсудно 30, а в качестве окружающейсреды 31, тепло которой передают эле"менту 1 из металлического сплава, используют воду, окружающую судно 30.На фиг, 4 и 5 показан вариант теплового двигателя 29, содержащего резервуар 28 с нагретой средой - теплоносителем, между боковыми стенкамикоторого закреплено посредством пружин 34 несколько элементов 1 в видедугообразных нитиноловых полос, Полосы элементов 1 изогнуты вниз ивверх поочередно, К средней частикаждой полосы элемента 1 присоединен шатун 35, противоположный конецкоторого прикреплен с возможностьювращения к коленчатому валу 20 с чередующимися противоположно направленными коленами-кривошипами 21,Когда температура в резервуаре 28достигает температуры фазового перехода материала нитиноловых полосэлементов 1, изогнутые вниз полосы 55элементов 1 начинают выпрямляться,стремясь принять форму, приданнуюим при термообработкеВ результате 39 8шатуны 35 начинают вращать коленчатый вал 20. Полосы элементов 1, выпрямляясь, отходят от среды в резервуаре 28. При этом тепловая энергиягорячего источника - среды 3 1 - имбольше не передается. Остыв, ониопять становятся гибкими, при этомшатун 35 заставляет их выгибатьсявверх. В то.же время полосы элементов 1, первоначально изогнутые вверх,вынуждены изгибаться вниз, в результате чего они входят в контакт сосредой в резервуаре 28. После этогоони опять преобразуют некоторую частьтепловой энергии среды в кинетическую энергию.Передача теплоты нитиноловым полосам элементов 1 в устройстве, показанном на фиг, 4-5, может быть произведена либо от среды 31 в виде жидкости с низким поверхностным натяжением, либо от греющих контактных поверхностей 8, 9, либо в виде импульса любой другой тепловой энергии,например, генерируемой посредствомэлектричества, теплового излученияили лазера. Жесткость пружин 34 может быть выбрана из условия обеспечения резонанса их колебаний при вра:щении вала 20,Конструкции в устройствах получаются легкими, в них могут быть ис,пользованы такие, например, матерна;лы, как нейлон, стекловолокно и т,д.Рабочая температура устройства можетосоставлять, например, 40 С. Двига тель может быть построен так, чтобыон был более всего пригоден для определенных температурных условий. Средой 3 1, из которой энергию переносятпосредством теплового насоса 26, может быть, например, земля, вода иливоздух.Двигатель, изображенный на фиг,69, работает при осуществлении предлагаемого способа следующим образом,Когда теплообменная поверхность 8нагрета, находящиеся с ней в контакте нитиноловые проволоки элементов 1нагреваются до температуры фазовогоперехода их материала. Достигая температуры фазового перехода, нитиноловые проволоки элементов 1 сокращаются и тянут находящиеся в крайнемнижнем положении кривошипы 21 коленчатых валов 20 с прикрепленными кним проволоками элементов 1 друг кдругу, при этом проволоки элементов1 поднимаются и начинают остывать.Одновременно нитиноловые проволокиэлементов 1, прикрепленные к тем кривошипам 21 коленчатых валов 20, которые находятся в верхнем положении,охлаждаются в контакте с поверхностью9 тела 7 средства охлаждения и в результате вращения коленчатых валов20 в противоположных направленияхрастягиваются, Движение продолжается,и проволоки элементов 1, которые висходном положении находились в контакте с нагревающей поверхностью 8,входят в контакт с охлаждающеи поверхностью 9 и эффективно охлаждаются,После пуска устройства коленчатыевалы 20 совершают непрерывпое симметричное вращение в противоположныхнаправлениях, при этом нитиноловыепроволоки элементов 1 попеременно тосокращаются, приходя в контакт с поверхностью 8, то после охлаждения вконтакте с поверхностью 9 удлиняютсявследствие растягиванчя коленчатымивалами 20.Выходные мощности на валах 20 могут быть объединены посредством общего нагрузочного вала (не показан),Часть объединенной выходной мощностиможет быть использована для приводатеплового насоса 26, а остальная полезная мощность может быть использована для других целей,При необходимости положение коленчатых валов 20 можно регулировать путем смещения их в направлениях Ы иЕ (фиг,8). Устройство может работатьи таким образом, что его нижняя по 40верхность 8 является охлаждающей, аверхняя поверхность 9 - нагревающей.В этом случае коленчатые валы 20 вращаются в противоположных направлениях. Устройство может быть установлено так, чтобы проволоки элементов 145проходили не в горизонтальном направлении,На фиг. 8 схематически показано,что жидкость, охлажденную в испарителе теплового насоса 2 б, сначала 50пропускают через каналы 22 (фиг. 9)тела 7 средства охлаждения, .снабженного охлаждающей поверхностью 9,которая при этом эффективно охлаждается.Лишь после после этого жидкость пропускают через используемую в качестве источника тепла среду 31, в которой температура жидкости повышается до уровня температуры среды 31. После этого жидкость направляют обратно в испаритель теплового насоса 26, где она отдает тепло.Жидкость, пропускаемая через тело б средства нагрева, снабженного нагревающей поверхностью 8, циркулирует через конденсатор теплового насоса, где она нагревается, благодаря чему температура нагревающей поверхности 8 поддерживается достаточно высокой.Устройство, изображенное на фиг.10 и 11, при осуществлении.предлагаемого способа работает следующим обра- . зом.При перемещении нитиноловой полосы элемента 1 сверху вниз вместе с коленчатым валом 20 тяги 15 на ееконцах входят в контакт с нижнимиупорами 19, В результате реле (непоказано), соединенное с упором 19,заставляет части 10, 11 тела 6 сред- .ства нагрева перемещаться, преодолевая действие пружин (не показаны),в направлении друг к другу и входитьв плотный контакт с нитиноловой полосой элемента 1 с обеих сторон,Приэтом полоса элемента 1 быстро нагревается до температуры фазовогоперехода ее материала и стремитсясжаться. Кривошипы коленчатых валов20 поворачиваются в противоположныхнаправлениях до тех пор, пока тяга15 не начнет отходить от нижнего упора 19. При этом благодаря шарниру17 соединения шатуна 16 и тяги 15положение нитиноловой полосы элемента 1 в вертикальном направлениине изменяется. В то же время приотходе тяги 15 от нижнего упора 19реле отпускает части 10, 11 тела 6и позволяет им раздвинуться,в результате чего полоса элемента 1 получает возможность подниматься,При дальнейшем движении тяги 15она входит в контакт с верхним упором 19, что вызывает сближение частей 12, 13 тела 7 средства охлаждения в направлении к полосе элемента1, При этом охлаждающие поверхности 9 входят в контакт с полосой элемента 1 и эффективно и быстро охлаждают ее, Затем полоса элемента 1,растягиваемая коленчатым валом 20,опятьудлиняется, после чего описанная последовательность движений повторяется,12 11 13860Изобретение обеспечивает возможность использования минимальной разницы температур поверхностей Я и 9.В этом случае потери тепла минималь- .ны по абсолютной величине,Можно также использовать несколько тепловых двигателей 29, соединенных последовательно так, чтобы каждый двигатель 29 работал при немного более низкой температуре фазовогоперехода материала его элементов 1по отношению к предыдущему двигателю29, В этом случае разница температур между соседними температурнымидиапазонами может быть очень малой,Можно также использовать лишь частьтакой группы последовательно соединенных двигателей 29. 20Формула изобретения 1. Тепловой двигатель, содержащий один, два или более удлиненных элементов из металлического сплава,расположенных параллельно друг другу, способных изменять свою длину при определенной температуре на определенную величину по отношению к первоначальной длине и относительно легко растягиваться при более низких температурах, причем элементы из металлического сплава шарнирно и эксцентрично соединены . одним концом с первым ротором, а другим концом - с другим ротором, оба ротора установлены с возможностью вращения вокруг валов, перпендикулярных элементам из металлического сплава, для получения вращения при сжатии элементов из металлического сплава и растяжения послед 40 них при последующем вращении роторов, а также средства нагрева и охлаждения, установленные с возможностью их поочередного контакта с элементами из металлического сплава при перемещении последних и роторов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности нагрева и охлаждения и уменьшения сопротивления перемещению элементов из металлического сплава, средства нагрева и охлаждения выполнены в виде твердых тел соответственно с нагревающими и охлаждающими поверхностями.2, Двигатель по п. 1, о т л и - 55 ч а ю щ и й с я тем, что твердые тела средств нагрева и охлаждения выполнены в виде двух частей, установленных с возмджностью контактас элементами из металлического сплава с двух сторон, причем части этихтел выполнены с возможностью управляемого перемещения одна к другои доплотного контакта их поверхностей сэлементами из металлического сплаваи в обратном направлении.3. Двигатель по пп, 1 или 2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что роторы выполнены в виде коленчатых валов,расположенных рядом взаимно симметрично, а каждый элемент из металлическего сплава соединен с расположенными напротив друг друга кривошипамиколенчатых валов.4, Двигатель по пп, 1-3, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что элементыиз металлического сплава соединены сроторами посредством закрепленных наконцах элементов шарнирно сочлененныхтяг, с обеих сторон последних установлены упоры, расстояние между которыми меньше диаметра траектории движения роторов, для управления перемещением частей твердых тел средств нагрева и охлаждения,5, Способ преобразования тепловойэнергии в механическую посредствомтеплового двигателя путем нагревавыполненного из металлического сплава элемента до определенной температуры, при которой изменяются егофизические свойства, в частности модуль упругости, и использования этого изменения в качестве движущей силы теплового двигателя, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что нагревэлемента из металлического сплаваосуществляют посредством передаваемого с помощью одного или несколькихтепловых насосов тепла окружающейсреды, и тепловой насос приводят вдействие посредством части механической энергии, создаваемой двигателем.6. Способ по п. 5, о т л и ч а -ю щ и й с я тем, что посредствомчасти создаваемой двигателем механической энергии перемещают судно,на котором установлен двигатель,ив качестве окружающей среды, теплокоторой передают элементу из металлического сплава, используют воду,окружающую судно,Приоритет по пунктам: 03.06.83 по пп. 5 и 6, 02. 12,83 по пп. 1-4.