Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую

)5 ОСУДАРСТВЕННЫО ИЗОБРЕТЕНИЯМРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТ ОТКРЫТ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ ВТО строител М 1.4845 РАЗОВА- ХАНИЧЕовысить КПДна его роторе бладающими формы с кана 7(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ВСКУЮ(57) Изобретение позволяет идвигателя с расположеннымирабочими элементами (РЭ), отермомеханической памятьюе 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, 157671320 30 40 Лзобретение относится к области ма-шиностроения, а именно к энергетическимустановкам с тепловыми двигателями, работающими эа счет проявления термомехани. ческой памяти твердых рабочих элементов,охлаждаемых и нагреваемых жидкими теплоносителями, и может быть использованодля преобразования тепловой энергии низкотемпературных источников в механическую энергию,Целью изобретения является повышение КПД,На фиг, 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; нафиг, 2 - блок-схема теплового двигателя устройства; на фиг. 3 - двигатель, осевой разрез; на фиг, 4 - схема расположенияподводящих коллекторов двигателя с газовыми полостями и перегородками, видвдоль оси; на фиг. 5 - схема расположенияотводящих коллекторов двигателя, видвдоль оси; на фиг. 6 - схема подвода и отвода тепла в известном двигателе; на фиг, 7 -схема подвода и отвода в предлагаемомдвигателе; на фиг. 8 - график зависимостидиаметра О двигателя и тепловых поерьАСЬ от кратности Кц циркуляции. Устройство содержит тепловой двигатель 1 с расположенными на его оогоре 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 оттеплоносителя,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 (холо 1576713дильнике 16), отдает принимает) теплоту рабочим (-их) элементам -ов) 3, нагревая (охлаждая) ихдо 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 расширительных емкостей 12 и 18 поступает газ, исключающий перемешивание греющего 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 обьемы 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:л 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, б и 7.Определяют тепловую мощность Ойодв, подводимую к рабочим элементам известного двигателя:Ойодв = Ог(вх - вых) - Жэ вх - вх),где- энтальпия греющего теплоносителя на вхоце в двигатель, кДж/кг;вых - энтальпия греющего теплоносителя на выходе из двигателя, кДж/кг;вх - энтальпия охлаждающего теплоносителя на входе в двигатель, кДж/кг;Сг - расход греющего теплоносителя,кг/с; 10 Л 0 - расход перетечки теплоносителя, кг/с.Тепловая мощность Оойодв, подводимая к рабочим элементам 3 предлагаемого двигателя; 15и г г Оподв = Ог(вх вых). Тепловая мощность Оотв, отводимая от рабочих элементов известного двигателя; 20Оотв = Ох(вых - вх) - Л 6 (вх - вх), где ,"ы - энтальпия охлаждающего теплоносителя на выходе из двигателя, кДж/кг;Сх - расход охлаждающего теплоносителя, кг/с. 25 Тег)ловэя мощность О отводимая от рабочих элементов 3 предлагаемого двигателя:Оотв = Сх(вых вх)Отношение КПД предлагаемого устройства к КПД известного устройства пропорционально отношению подводимых к ним тепловых мощностей и составляетД Ойодв 35 7 у Ойодв 6 (lвх ввх) ХЙ (вх 1 вх)в в где ЛСЬ - доля тепловойОг(вх - вых) мощности, теряемой при подводе. Расход перетечки теплоносителя Л 6= - ,Кц где Кц - кратность циркуляции теплоносителя, которая определяется частотой вращения ротора двигателя, средней скоростью теплоносителя и геометрией рабочих эле ментов двигателя.Доля тепловой мощности ЛОл, теряемая при подводе:г хвх вх 55 Кцвх вых)Для теплового двигателя с рабочими элементами, выполненными из сплава ТН(мононикелида титана), и при использова1576713 Я 16 нии воды в качестве теплоносителя рабочие параметры процесса, определяемые температурами прямою и обратного мертенсит. ного превращения рабочих элементов,гСоставляет ,х =504 кДж/кг 1 ых = 377 кДж/кг, 1 к= 210 кДж/кг, 1,х=- 335 кДж/кг при давлении гре,ощего и охлаждаощего теплоносителя около 0,3 МПа. Зависимость отерь Л Оп от кратности Кц циркуляции для тих параметров представлена на фиг. 8. Из графика видно, что при Кц 2,3 доля тепловой мощности 1 Оп, теряемой при подводе, становится больше или равна единице, т.е. КПДдвигателя становится равным нул о, что физически означает неработоспоссбнссть устройства (диапазон А, фиг, 8), Вер нее ограничениедиапазона кратности Кц ць,ркуляции вытекает из следуюших соображений. Для относительного удлинения е рабочего элемента из сплава ТНя.4 О/ взятого на основе известных экспериментальных данных, средней скорости Юср теплоносителя в рабочем элементе Яср=5 м/с, обеспечивающей эрозионную стойкость элемента, угла наклона а =10 (фиг, 3) и фиксированоом числе и оборотов двигателя в секунду, в данном слу ае 1 об/с, иеет место зависимость диаметра 0 двигателя от кратности Кц циркуляции; 0=1(Кц) (фиг, 8), Как видно из этого графика, диаметр 0 двигателя, а следовательно, и мощность двигателя, зависящая от него, падает с ростом Кц и попадает в диапазон маломощных низко- оборотных миниатсрньа устрой тв (диапазон В, фиг, 8), который с некоторым приближением ограничен значением Кц - 5. При увеличении или уменьшении числа и оборотов двигателя в секунду кривая зависимости О=Я(Кц) сдвигается вниз или вверх по отношению к кривой с и=-1 об/с соответственно, но рассмотренное ограничение по- прежнему имеет место. Рабочий диапазон кратности Кц циркугяции (диапазон Б,фиг. 8) лежит в пределах значений Кц=2,35, При этом доля тепловой мощности, теряемой при подводе теплаЛОп=-100-50;6. Если исключить эти потери, КПД устройства воз 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 теп лавой энергии в механическую, содержащеетепловой двигатель с расположенными на его роторе рабочими элементами, обладающими термомеханической памятью формы, с каналами для жидких теплоносителей, со общенными с подводящими и отводящимиколлекторами 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 т л и ч а ю щее 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 т л и ч а ю ще е с я тем, что полости для подачи газа образованы дополнительно ьыпслненными в подводящих коллекторах перз, сродками, отделяющими Газ ст теплоносителя, 15767131576713 1 Риг прцДдеЯ ДоапамнА Коопоонб ДцапозонбСЬгдСоставитель Л.ТугаревТехред М.Моргентал Корректор А,0 бручар едактор Н.Бобкова аказ 183 ВНИИ Тираж 361 Подписное Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5