Тепловий привід

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к преобразованию тепловой энергии в механическую и может быть использовано для вращения различных механизмов и устройств. Известен ряд устройств, представляющих собой горизонтальный ротор, обогреваемый и охлаждаемый с различных сторон. Ротор в таких устройствах включает емкости, расположенные по его окружности либо отдельно, либо соединенные попарно диаметральными трубопроводами или патрубками с соседними. Эти емкости частично заполнены жидким наполнителем, в ряде случаев претерпевающим обратимые фазовые превращения. Благодаря перемещению под действием тепловой энергии массы наполнителя или утяжеленных свободных торцов отдельных емкостей в указанных устройствах происходит перераспределение массы и возникает вращающий момент, поворачивающий ротор по мере теплообмена. Основным недостатком этих технических решений является низкая энергетическая эффективность, обусловленная необходимостью создания в емкостях изменений давления газов или паров, что требует интенсивного или продолжительного теплообмена. Наиболее близким к заявляемому устройству техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является тепловой привод периодического действия, включающий установленный на горизонтальной оси качающийся паропровод в виде разомкнутого тора, концы которого по мере теплообмена под действием веса перемещающейся массы наполнителя попеременно входят то в зону нагрева, то в зону охлаждения, разделенные теплоизолированной перегородкой сложной конфигурации. Упомянутому устройству, несмотря на его работу при постоянном внутреннем давлении, также свойственна недостаточная энергетическая эффективность, обусловленная периодичностью действия с наличием пауз, возможностью эффективное преобразования энергии лишь в одном из направлений качания, а также невозможностью его использования для привода постоянно действующих механизмов. Кроме того, в прототипе зоны нагрева и охлаждения выполняются непосредственно в перегородке, что существенно усложняет ее форму и неблагоприятно сказывается на эксплуатационных показателях устройства за счет ухудшения условий теплообмена паропровода с греющей и охлаждающей средами. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования теплового привода, в котором благодаря изменению числа паропроводов, их взаимному расположению и ограничению угловых размеров, а также наличию между торцами каждого паропровода патрубков с обратными клапанами и низкотеплопроводных вставок обеспечивается непрерывное преобразование тепловой энергии в механическую, улучшаются условия теплообмена и разделения сред и за счет этого достигается повышение энергетической эффективности устройства при одновременном упрощении конструкции. Поставленная задача решается тем, что тепловой привод, содержащий паропровод, выполненный в виде разомкнутого тора, частично заполненного легкоиспаряющейся жидкостью, установленного на горизонтальной оси, зоны нагрева и охлаждения, согласно изобретению, включает не менее трех паропроводов, установленных на общей оси с равномерным угловым смещением по окружности, длина дуги каждого паропровода превышает 240 градусов, торцевые части трубопроводов сообщены между собой посредством соединительного патрубка, снабженного обратным клапаном, при этом между торцами каждого паропровода установлены идентичные ему по внешнему контуру поперечного сечения вставки из низкотеплопроводного материала. Технический результат, а именно непрерывность преобразования тепловой энергии в механическую обеспечивается заявленными ограничениями минимальных значений количества равномерно смещенных по окружности паропроводов и длины их дуги. При этом наличие между торцами каждого паропровода соединительных патрубков с обратным клапаном способствует перемещению наполнителя только со стороны зоны нагрева на сторону зоны охлаждения, чем увеличивается вращающий момент, а наличие вставок из низкотеплопроводного метериала, устанавливаемых между торцами паропровода и идентичных им по внешнему контуру поперечного сеченая обеспечивает постоянную изоляцию зон нагрева и охлаждения. На фиг.1 изображен тепловой привод, общий вид; на фи г.2 - то же, один из паропроводов в различных положениях. Тепловой привод включает вертикальную перегородку 1, разделяющую зоны нагрева 2 и охлаждения 3. В плоскости перегородки 1 находится горизонтальная ось 4 вращения ротора (на чертеже условно не показан), содержащего не менее трех паропроводов 5, имеющих форму разомкнутого тора и частично заполненных легкоиспаряющейся жидкостью 6. Торцевые части каждого паропровода соединены между собой патрубками 7 с обратными клапанами 8. Между торцами каждого паропровода 5 установлены вставки 9 из низкотеплопроводного материала, идентичные паропроводу по внешнему контуру поперечного сечения. Контуры примыкания перегородки 1 к ротору повторяют очертания его продольного сечения. Устройство работает следующим образом. Под действием разности значений температуры сред в зонах нагрева 2 и охлаждения 3 наполнитель 6 в каждом паропроводе 5 на стороне зоны нагрева испаряется, а на стороне зоны охлаждения - конденсируется. При этом масса наполнителя в виде паров постоянно переносится по внутреннему сечению каждого паропровода 5 со стороны зоны нагрева 2 на сторону зоны охлаждения 3. Благодаря заявленным ограничениям минимальных значений числа паропроводов и угла дуги паропровода масса жидкого наполнителя 6 на стороне зоны 3 охлаждения устройства всегда больше таковой на стороне зоны 2 нагрева, что обусловливает вращающий момент, равномерно поворачивающий ротор по мере теплообмена. На фиг.2 в качестве подтверждающего примера показаны варианты расположения жидкого наполнителя 6 в паропроводе 5 с длиной дуги 270 градусов в различных последовательных фазах его вращения по часовой стрелке. При повороте паропровода из фаз безразличного равновесия VIII - I - II в фаз у III в правой части паропровода могло бы возникнуть противодавление паров, однако благодаря наличию патрубка 7 с обратным клапаном 8 пары беспрепятственно проходят в левую часть, не нарушая положения уровня жидкости. В фазе III на стороне зоны охлаждения 3 в верхней части паропровода 5 начинает скапливаться конденсат, который благодаря наличию обратного клапана 8, препятствующего перемещению наполнителя в направлении вращения, удерживается на стороне зоны охлаждения, В последующих фазах IV - VII практически все количество жидкого наполнителя находится на стороне зоны охлаждения, благодаря чему в эти х фазах к паропроводу приложен максимальный вращающий момент, вызывающий его поворот по часовой стрелке. Как видно из фиг.1 и 2, ротор, включающий восемь подобных паропроводов, смещенных друг относительно друга на 45 градусов, будет иметь постоянный дебаланс за счет перемещения наполнителя в виде паров со стороны зоны 1 на сторону зоны 3. При этом как вращающий момент, так и равномерность будут тем больше, чем больше паропроводов включает ротор. Выполненный анализ возможных вариантов исполнения устройства свидетельствует, что в качестве непрерывно действующего теплового привода оно может быть использовано лишь при заявленных ограничениях минимальных значений числа паропроводов и длины их дуги. При числе паропроводов менее трех или при длине дуги каждого из трех паропроводов менее 210 градусов устройство вообще неработоспособно, а при трех и более паропроводах с длиной дуги от 210 до 240 градусов оно нуждается в пусковом толчке. Кроме того, площадь поперечного сечения соединительных патрубков должна быть пренебрежимо мала по сравнению с площадью поперечного сечения паропроводов. Низкотеплопроводные вставки, идентичные паропроводам по внешнему контур у поперечного сечения, размещены по окружности ротора равномерно и на его дебаланс не влияют, однако их наличие позволяет надежно разделять зоны нагрева и охлаждения при помощи плоской вертикальной перегородки, что существенно упрощает конструкцию и улучшает условия теплообмена. Кроме того, при работе заявляемого теплового привода помимо преобразования тепловой энергии в механическую попутно благодаря происходящим обратным фазовым превращениям наполнителя интенсифицируется теплообмен между греющей и охлаждающей средами. Это позволяет использовать заявляемую конструкцию и в качестве эффективного утилизатора низкопотенциальной тепловой энергии.