Способ преобразования тепловой энергии в механическую

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСК УБЛИК 1(19) 4 Гоза ННЫЙ КОМИТЕТИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ОСУДАРС ЗОБРЕТЕГКНТ С САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕП. ЛОВОЙ 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 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 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 Ти 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.Изобретение относится к теплотехнике,а именно к способам получения механической энергии в процессе теплового расширения и сжатия жидкого рабочего тела, иможет быть использовано при создании маломощных приводов, например агрегатов автоматики и термочувствительных элементовтепловых датчиков.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения знакопеременного перемещения звенаотбора мощности без изменения направления теплового потока,На фиг. 1 изображено устройство дляреализации предлагаемого способа с однойрабочей камерой; на фиг, 2 - то же, сдвумя рабочими камерами, штоки поршнейкоторых связаны с одним общим ползуном,в исходном положении, когда левая камераохлаждена до минимальной рабочей температуры Т а температура Т правой камеры соответствует наименьшему объемужидкого рабочего тела; на фиг, 3 - то же,в положении после нагрева левой камерыдо температуры Т а правой - до максимальной рабочей температуры Т; нафиг. 4 - то же, в положении после нагрева левой камеры до температуры Т;,. иохлаждения правой камеры до температурыТ; на фиг. 5 - то же, в положении послеохлаждения левой камеры до температурыТ,р, а правой - до температуры Тцм, нафиг. 6 - график зависимости объемарабочего 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 ввиде змеевика, сообщенного трубопроводом 8с охладителем-распределителем 9 хладагента. При выполнении устройства с двумярабочими камерами 1 (фиг. 2 - 5) штоки 4их поршней 3 связаны с одним звеном отбора мощности в виде ползуна 10,Способ осуществляют следующим образом.Поочередно осуществляют нагрев и охлаждение в диапазоне рабочих температуржидкого рабочего тела 2, заполняющегогерметичную камеру 1 переменного объема,преобразование теплового расширения рабочего тела 2 в перемещение звена отборамощности - ползуна 1 О - и возвратноеперемещение ползуна 10 под действием внешней нагрузки в процессе теплового сжатиярабочего тела 2. В качестве рабочего тела 2используют жидкость, имеющую наибольшую плотность и наименьший объем притемпературе Т находящейся внутри диапазона рабочих температур, при этом охлаж 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дение рабочего тела осуществляют до температуры Т не ниже температуры его замерзания, а нагрев - до температуры, не превышающей значения Т, =2 Тч - Тэ . 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 ОС, за минимальную температуру охлаждения воды Тн принимается, например, температура 1 С. Тогда максимальная температура Тнагревания воды 7 С (Тнахс =24 С -С=7 С). 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 расстоя. нии 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 обьема воды в герметичной камере 1 и перемещение поршня 3 в крайнее левое положение (показан на фиг.сплошными линиями) под действием атмо. сферного давления при достижении температуры воды 4 С в камере 1. 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, 1495493так и при увеличении от +1 до +7 С приодном 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 качестверабочего 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 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 Тохлаждения смеси принимается температуру - 6 С, а Т =4 С, то максимальная температура Т =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 1. При возрастании температуры воды в левой камере 1 до 4 С ее объем умень 20 25 30 35 40 45 50 55 шается при одновременном уцелцч.ццц обьема воды в правой камере 1 ца 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 хлад- агент 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 охлаж. дения воды от +7 до +4 С, что вызывает уменьшение ее объема, а в правой камерепродолжается процесс охлаждения воды от +4 до +1 С, что вызывает увеличение ее объема. ПолзунО перемешается в крайнее левое положение (фиг. 5). После достижения в левой камере 1 температуры 4 С и в правой камере- температуры 1 С в левой камерепродолжается 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 ПолзунО перемещается в крайнее правое положение (фиг. 2), после чего рабочий цикл повторяется.Испол ьзова н ие п редда гаемого способа преобразования тепловой энергии в механцческую по сравнению с цзвестцымц сособами обесцениви г рцсцгцрцц фуцкццо. нальных возможцгстсй гцч", удц)цц к)- личества циклов увелцчсцц и умецьгцецц объема рабочего тела 2 цо сраццецию с количеством циклов его нагрева ц охлаждения.Фо)г,у,га изо 5 г. тени.гСпособ преобразования тепловой энергии в механическую путем поочередного нагрева и охлаждения в диапазоне рабочих температур жидкого рабочего тела, защглняющего герметичную камеру переменигг объема, преобразования теплового раенирония рабочего тела в перемещение звена отбора мощности и возвратного перемещения звена отбора мощности под действием вцец- ней нагрузки в процессе теплового сжати рабочего тела, от.гичающий:.и тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения знакоперемсццогг перемещения звена отбора мощности без изменения направления теплового потока, ц качестве рабочего тела используют жид.7кость, 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 Тмк; =2 Тмф - Тннм. 8 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,195493 Ин Прои СоставТехред Тираж 4 ого комитета по из Москва, Ж - 35 ельский комбинат Редактор Н. Тупица Заказ 4230/31 ИИПИ Государствен 113035 зводственно-издаитель Л. ТугарсвИ. Верес Кор 15 Полобретениям и открыти Раушская наб., д.Патент, г. Ужгород сктор Т. Малецсносм при ГКНТ ССС 14 готд. Гагарина, 101