Устройство преобразования тепловой энергии в механическую

)5 Р 03 СУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКО ВИ ЕТЕЛЬСТВ О О(56) Авторское свидетельство СССРКв 1188368, кл. Е 03 6 7/06, 1985.(54) УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ(57) Использование; приборостроение, машиностроение для преобразования разности температур между двумя средами вмеханическую энергию. Сущность изобретения: рабочие камеры 1 выполнены в видедвух герметичных камер 2, 3 переменногообъема, Камера 2 заполнена рабочим телом,а камера 3 - неконденсирующимся газом. Камеры 2, 3 имеют общую подвижную диафрагму 4. При переходе рабочих камер 1 из теплой жидкости 16 в холодную жидкость 15 происходит резкое уменьшение давления в камерах 2, что вызывает смещение диафрагмы 4 и увеличение общего объема камеры 1, т. е. повышается плавучесть последней. В результате за счет разности плавучести камер 1 на правой и левой ветвях обеспечивается постоянное поступление камер 1 из теплой жидкости 16 в холодную. жидкость 15 в случае, когда теплая жидкость 16 расположена выше холодной жидкости 15, 1 ил.Изобретение относится к энергетическому машиностроению и приборостроению, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую с использованием разности температур между двумя средами или в среде,Известно устройство осуществления способа. Оно содержит бесконечную трансмиссию, установленную на двух колесах в вертикальном положении, и на которой последовательно расположены герметичные рабочие камеры переменного объема, образованные упруго-эластичной пленкой. Рабочие камеры имеют теплопроводные стенки, но теплоизолированы друг от друга, частично заполнены смесью газа и жидкого растворителя. Часть рабочих камер погружена в жидкость, а остальные находятся в контакте с окружающей средой, причем температура жидкости больше, чем температура окружающей среды, например, воздуха,Недостатком известного технического Решения является то, что оно позволяет преобразовывать. только тепловую энергию перепада температур между жидкостью, имеющей более высокую температуру, чем среда, расположенная над ней, а в случае, если температура жидкости ниже, чем среды, расположенной над жидкостью, оно неработоспособно. Недостатком устройства является также то, что известное техническое решение работоспособно только в относительно небольшом диапазоне значений абсолютных температур сред, перепад между которыми используют. Известное устройство для осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую содержит ряд герметичных эластичных камер 1 переменного объема, расположенных вдоль бесконечной трансмиссии цепи, установленной на двух блоках, оси вращения которых смеЩены друг относительно друга по вертикали. Между камерами установлены теплообменники пос 1 оянного объема с жесткими стенками. Каждая камера соединена через перекрываемый клапан с одним соседним теплообменником, расположенным ниже нее на нисходящей ветви цепи. Камеры и теплообменники частично заполнены термочувствительным рабочим телом - легко- испаряющейся жидкостью. Нижний участок цепи погружен в теплую жидкость, температура которой выше температуры кипения легкокипящей жидкости, а верхний участок цепи находится в окружающей среде, температура которой ниже температуры конденсации легкокипящей жидкости, 35 а 0а 5 50 55 101520ЗО Недостатком устройства является то, что оно неработоспособно, когда температура окружающей среды выше и/или температура жидкости ниже температуры кипения легкокипящей жидкости, т. е, диапазон функциональных возможностей узок,Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, содержащее средства подвода и отвода тепла, герметичный корпус, состоящий иэ двух емкостей, верхней и нижней с теплопроводными стенками, верхняя и нижняя емкости разделены теплоизоляционной проставкой, внутри корпуса размещена бесконечная трансмиссия из ряда герметичных рабочих камер переменного обьема, частично заполненных рабочим телом. Трансмиссия установлена на двух колесах, осивращения которых смещены друг относительно друга по вертикали с образованиемвосходящей и нисходящей ветвей трансмиссии, разделенных теплоизоляционной перегородкой. Верхняя и нижняя емкости заполнены теплопроводящими нерастворимыми друг в друге средамиНедостатком известного технического решения является узость функциональных возможностей, а именно его неработоспособность, когда температура жидкости ниже, чем температура газа, а также узкий диапазон изменений значений температур сред, перепад которых используют для получения механической энергии.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно на преобразование тепловой энергии перепада температур между нижерасположенной средой, имеющей более низкую температуру, и расположенной над ней средой, имеющей более высокую температуру, а также на расширение диапазона изменений значений температур сред, при которых работоспособно устройство,Цель достигается тем, что рабочие камеры содержат жесткую раму, на которой они установлены, и две герметичные сильфонные камерьк одна из которых больше второй, большая и меньшая сильфонные камеры состоят каждая из сильфона, соответственно имеющего больший или меньший диаметр, один конец которого закрыт жестким днищем, установленнь 1 м на раме, а второй - общей для сильфонных камер жесткой диафрагмой, которая установлена с возможностью продольного перемещения, При этом меньшая камера заполнена рабочим телом, а большая - неконденсирующимся газом, а большие сильфонные камеры всех рабочих камер гидравлически сообщены между собой.55 Выполнение сильфонных камер, имеющих общую диафрагму, с различной площадью поперечного сечения, является необходимым условием увеличения общего объема рабочих камер и их плавучести в нижерасположенной зоне охлаждения и уменьшения их обьема и плавучести в выше- расположенной зоне нагревания, что обеспечивает работоспособность устройства в этих условиях. Выполнение меньшей камеры приводной, а большей - приводимой позволяет увеличить обьем рабочей камеры в зоне охлаждения и наоборот - уменьшить его в зоне нагревания. Гидравлическое соединение больших сильфонных камер. заполненных неконденсирующимся газом, дает возможность автоматически поддерживать требуемое рабочее давление в них.В совокупности эти признаки позволяютдостичь поставленную цель, а каждый из них является необходимым для этого,На чертеже представлен общий вид устройства.Устройство содержит ряд рабочих камер 1 переменного обьема, выполненных в виде двух герметичных камер 2 и 3 переменного объема, например, сильфонного типа, имеющих общую жесткую подвижную диафрагму 4 и жесткие неподвижные торцевые, установленные на жесткой раме 5 днища, Герметичная камера 2 имеет теплопроводные стенки и заполнена рабочим телом 6, например, фреоном 114 или жидким аммиаком, а камера 3 - теплоизолирующие и заполнена неконденсирующимся газом 7.Камера 2 имеет поперечное сечение, меньшее, чем аналогичное сечение камеры 3, которые гидравлически последовательно соединены между собою гибкой связью 8.Бесконечная цепь, образованная рабочими камерами 1, соединенными гибкими связями 8, установлена на колесах 9 и 10, имеющих выступы 11, предназначенные для направления и удержания бесконечной цепи в требуемом положении. Между колесами 9 и 10 установлена перегородка 12, выполненная из теплоизолирующего материала. Колеса 9 и 10 с цепью рабочих камер 1 и перегородка 12 установлены в жестком сосуде 13, имеющем теплопроводящие " стенки. Нижняя часть сосуда 13 теплоизолирована от верхней его части теплоизолирующей стенкой 14, разделяющей также среды, перепад температур между которыми используют. Причем левая и правая стороны верхней и нижней части сосуда 13 относительно перегородки 12 теплоизолированы на различную высоту. Нижняя часть сосуда 13 заполнена теплопроводящей жидкостью 15, например, водой до середи 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ны части стенки сосуда 13, теплоизолирующей верхнюю и нижнюю его части, Верхняя часть сосуда 13 заполнена также теплопроводной жидкостью 16, но имеющей плотность, меньшую чем жидкость 15, например, керосином. Жидкости 15 и 16 практически не растворимы друг в друге, Оси колес 9 и 10 опираются на стенки сосуда 13 и соединены с потребителем механической энергии вращения (на фиг. не показано), Одна из гибких связей имеет вентиль 17, позволяющий изменять давление газа 7 или заменять газ жидкостью. Подвижная диафрагма 4 выполнена состоящей из двух жестких стенок 18 и 19 соответственно камер 2 и 3 и имеющей зазор 20 между ними, обеспечивающий свободное обтекание их внешних сторон (по отношению к камерам 2 и 3).Устройство работает следующим образом.При охлаждении нижней части сосуда 13, напимер, грунтом, в котором эта часть находится, и подогревании верхней части, находящейся, например. в воздухе, имеющем более высокую температуру, чем грунт, жидкость 15 охлаждается, а жидкость 16 нагревается. В результате камеры 2 и имеющееся в них рабочее тело 6, находящиеся в жидкости 15, охлаждаются, а находящиеся. в жидкости 16 нагреваются. В охлаждаемых камерах 2 давление понижается, их объем уменьшается, что вызывает сдвиг подвижнойдиафрагмы 4 и увеличение объема камер 3. В зоне нагревания камер 2 давление в них возрастает, объем увеличивается, повышение давления со стороны камеры 2 приводит к уменьшению объема камер 3, имеющих общую диафрагму 4,Давление на подвижную диафрагму 4 камеры 1 в неподвижном ее положении определяется зависимостьюР 2(щ = Рзш 3+ Рж(ЙЮ Ф 2) (1) где Р 2 - давление в камере 2;вг - площадь давления камеры 2 на подвижную диафрагму 4;Рз - давление в камере 3;сй - площадь давления камеры 3 на подвижную диафрагму 4;Р - давление жидкости 15 и 16 на подвижную диафрагму 4. При условии, что потери давления на перемещение газа 7 между емкостями до-. статочно малы, чтобы ими пренебречь, его давление можно считать постоянным. Тогда из равенства (1) находим(12) 10 где индекс "и" означает принадлежность ккамере "и", а индекс "1 п" - то же к камере"ги",При расположении камер 2 "и" и "ги"симметрично перегородке 12 н:; од,1 ай горизангали с достаточнОй точность)0 мОжнОсчитать, чтоРжп = 1 жп 1. РОтсюда из зависимости (2) имеемР 2 п = Р 2 в (4)При выполнении условия (4) диафрагма 4 неподвижна. Однако, еслиР 2 пР 2 п), (51то диафрагма 4 камеры "и" сме(дается, сжимая камеру 3 и расширяя камеру 2,При выполнении условияР 2 п с Р 2 п 1 (6)диафрагма 4 смещается в обратном направлении для случая, описанного неравенством(5При расположении камер "и" и "и)" наразличных отметках по высоте из зависимости (2)Р 1 пп ПФ +(Ржп - Рппп) (Ж -В)Р 2 -И 2,а диафрагма 4 камеры "и смещается в направлении, при катаром емкость 2 расширяется, а емкость 3 сжимается, при этомОбщий обьем камер)ы "и" уменьшается.ПриР, г)г+(Рж, - Рж )(са - са (9)Р 2,сЩ 2диафрагма 4 камеры "и" смещается в направлении, обратном. чем в случае выполнения неравенства (8).При увеличении обьема камеры 2 навеличину ЖВ 2, принимая ва внимание постоянство площади поперечного сеченияимеем, что диафрагма 4 сдвигается на величину Ь= - ,МИгГ 2где Г 2 - средняя площадь поперечного сечения камеры 2.В этом случае объем камеры 3 уменьшится на величину ЬИ/з, равнуюЬЯз = -Рз,Ьй(1 О)Р 2где Рз - средняя площадь поперечного сечения камеры 3.Тогда изменение объема камеры 1 равЬКк = ЛЮЗ -ЬК 2 (11)или, принимая во внимание (10), имеет 115 20 25 30 35 40 45 50 55 Так как Гз Е 2, (13)то абсолютное значение величины обьема камеры 1 всегда положительное, но имеет обратный знак изменени)о объема камеры 2, Это означает, что когда обьем камеры 2 увеличивается, общий объем камеры 1 уменьшается и наоборот, когда объем камеры 2 уменьшается, то объем камеры 3 увеличивается,Так как обьем камеры 2 при нагревании в жидкости 16 увеличивается, чта общийобъем камеры 1 у леньшается в зоне нагревания жидкость)О 16, и, наоборот, в зонежидкости 15 камера 2 охлажда)атся, их объем уменьшается, на увеличивается общийобъем камер 1, Б результаге плавучесть камер 1 слева ат перегородки 12 (см. фиг,)вьш)еп чем справа, слева камеры 1 всплывают, а справа - опускаютсяп вращая при этомколеса 9 и 10.Таким образом обесг)ечивается преобразование тепловой энергии перепада температур 1 ежду нижерасположеннойс 13 еда(1, 11 ле)още(1 более 11 изкую темиературу, чем среда, расположенная над ней, причем при этом искл)очается загрязнениеокружающей среды парами теплообмениваю(цихся жидкостей,Если камеры 3 вместо газа 7 заполнены через вентиль 17 жидкостью, имеющейплотность выше, чем плотность жидкостей15 и 16, то предлагаемое техническое решение позволяет преобразовывать тепло перепада температур междунижерасположеннай средой, имеющей более высокую температуру и вышерасположеннай средой. имеющей более низкуютемпературу.В этом случае при увеличении объемкамер 1 вес их увеличивается на большуювеличину, чем плавучесть, а при уменьшении их объема, вес их уменьшается на большую величину, чем плавучесть, за счетсоответственно поступления в емкости 3 рабочих камер 1 и выталкивания из них жидкости, имеющей большую плотность, чемжидкости 15 и 16,Предлагаемоетехническое решение может быть использовано для подзарядки самопишущих гидрометрических иметеорологических приборов, расположенных в труднодоступных.и удаленных местах,Формула изобретения Устройство преобразования тепловойэнергии в механическую, содержащее сред10 1768800 Составитель Э,КоваленкоТехред М.Моргентал Корректор Т,Палий Редактор Заказ 3630 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ства подвода и отвода тепла, герметичный корпус, состоящий из двух емкостей; верхней и нижней с теплопроводными стенками, верхняя и нижняя емкости разделены теплоизоляционной проставкой, внутри корпу са размещен ряд герметичных рабочих камер переменного обьема, частично заполненных рабочим телом, последовательно расположенных на бесконечной трансмиссии, установленной на двух колесах, оси 10 вращения которых смещены одна относительно другой по вертикали с образованием восходящей и нисходящей ветвей трансмиссии, разделенных теплоизоляционной перегородкой, причем верхняя и нижняя ем кости заполнены теплопроводящими нерастворимыми одна в другой жидкостями, о тл ич а ю щеес я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, рабочие камеры содержат жесткую раму и две герметичные сильфонные камеры: большую и меньшую, которые состоят каждая из силь- фона соответственно, большего или меньшего диаметра, один конец которого закрыт днищем, второй - общей для сильфонных камер диафрагмой, днища сильфонов жестко закреплены на раме, а диафрагма установлена с возможностью продольного перемещения, причем меньшая камера заполнена рабочим телом. а большая - неконденсирующимся газом, кроме того, большие сильфонные камеры всех рабочих камер гидравлически сообщены между собой.