Пристрій для одержання механічної роботи від зовнішнього джерела нетеплової енергії

1. Пристрій для одержання механічної роботи від зовнішнього джерела нетеплової енергії, що містить корпус, герметичну робочу порожнину з робочим середовищем, яка виконана у вигляді циліндра із закритою торцевою поверхнею, системи відкачування і напуску робочого середовища з випускним і впускним клапанами, що сполучають підвідні магістралі цих систем з робочою порожниною, шатун і колінвал кривошипно-шатунного механізму, який відрізняється тим, що пристрій має поршень, розташований усередині циліндра і стаціонарно прикріплений до корпусу пристрою, при цьому робоча порожнина циліндра сполучена із системами напуску і відкачування робочого середовища через корпус поршня, а циліндр своєю внутрішньою поверхнею герметично щільно контактує з поршнем з можливістю вільного переміщен C2 2 UA 1 3 динамічний цикл, де в основному двигуні гомогенне робоче тіло з початкового стану адіабатично розширюють, переводять в гетерогенний стан, впливають на нього яким-небудь джерелом нетеплової енергії, наприклад, іонізаційним випромінюванням, хімічною енергією, енергією вихрового процесу, енергією вібрації, хвилевою енергією, акустичною енергією, що дозволяє відхилювати гетерогенний стан робочого тіла від термодинамічно рівноважного, при цьому, створюють умови теплообміну між фазами пари і рідини, перетворюючи різні теплофізичні стани фаз пари і рідини в механічну роботу по якому-небудь замкнутому термодинамічному циклу, наприклад, Стірлінга (заявка RU № 2002127172 A, F01K25/00, 2004 p.). Недоліком такого пристрою є складність конструкції, що складається з каскаду теплових машин, а також, необхідність значних витрат на здобуття іонізаційного випромінювання і постійну витрату електроенергії, необхідної для підтримки складних хімічних процесів. Відомий пристрій із зовнішнім підведенням теплоти, в якому реалізований термодинамічний цикл Стірлінга (заявка RU № 99110913 A, F02 G 1/04, 2001 p.), що містить корпус, усередині якого розташований механізм з розміщеними в ньому двома блоками циліндрів, у кожному з яких є рівне число циліндрів, паралельних осі симетрії механізму і рівномірно розташованих по колу з центральною симетрією відносно осі валу, причому один з блоків - блок стискування, знаходиться у нижній теплоізольованій камері, заповненій рідким воднем, а другий - блок розширення, знаходиться у верхній не теплоізольованій камері, заповненій газоподібним воднем при температурі довкілля. У кожному з циліндрів розташовані поршні і шатуни, розділені теплоізолюючою перегородкою. Пристрій також забезпечений регенератором і холодильником. Недоліком даної конструкції є необхідність значних витрат, спричинена використанням рідкого і газоподібного водню, що вимагає складних пристроїв захолоджування і зріджування водню, а також, наявність підвищеної вибухонебезпеки, що вимагає вживання спеціальних заходів захисту і техніки безпеки. Найбільш близьким до запропонованого, є пристрій, у якому, для одержання механічної роботи (зокрема, переміщення вантажу відносно опорної і підстилкової поверхонь), як зовнішнє джерело енергії, використовується атмосферний тиск (заявка UA № u 2008 04981, B65G 7/00 від 17.04.2008 р., по якій прийнято рішення про видачу патенту на корисну модель від 03.07.2008 p.). Такий пристрій складається з опори, встановленої на підстилковій поверхні, несучої платформи з опорною поверхнею, вантажної платформи, жорстко пов'язаної з переміщуваним вантажем, робочої камери з робочим середовищем, обмеженої еластичною бічною поверхнею, яка жорстко сполучена своєю верхньою основою з опорною поверхнею, а нижньою основою - з вантажною платформою. Робоча порожнина сполучена із засобами відкачування через випускний клапан, а з системою напуску робочого середовища - через впуск 89894 4 ний клапан. У пристрої також забезпечений замкнутий цикл руху робочого середовища. При цьому, до нижньої основи робочої камери може бути жорстко приєднаний або переміщуваний вантаж, або кривошипно-шатуновий механізм із валом, що обертається. Даний пристрій, хоча і споживає додаткову зовнішню енергію для систем відкачування і напуску, проте має значні переваги, у порівнянні з двигуном Стірлінга, в якому, як правило, як зовнішнє джерело використовується, сонячна енергія, що обмежує його вживання часом доби і погодними умовами, а атмосферний тиск не залежить від цих параметрів і дозволяє використовувати даний пристрій постійно. Крім того, він технологічно і конструктивно простіше за аналогічні пристрої, що вигідно відрізняє його по можливості практичного застосування. Проте, недоліком його є те, що даний пристрій містить еластичну бічну поверхню, як правило, у вигляді тонкостінного сільфону, що різко обмежує ресурс роботи пристрою в режимі двигуна, який повинен мати моторесурс у сотні мільйонів зворотно-поступальних циклів до профілактичного ремонту, що скорочує можливість практичного застосування даного пристрою при створенні двигунів. Метою винаходу є удосконалення пристрою, в якому, шляхом модифікації конструкції робочої камери із змінним об'ємом, за умови забезпечення можливості використання атмосферного тиску, як зовнішнього джерела енергії пристрою, забезпечується надійність і збільшення ресурсу роботи пристрою в цілому. За рахунок чого, збільшується ККД пристрою, його продуктивність та економічність. Поставлена мета досягається тим, що у пристрої для одержання механічної роботи, що містить корпус, герметичну робочу порожнину з робочим середовищем, яка виконана у вигляді циліндра із закритою торцевою поверхнею, системи відкачування і напуску робочого середовища з випускним і впускним клапанами, що сполучають підвідні магістралі цих систем з робочою порожниною, шатун і колінвал кривошипно-шатунового механізму (далі - КШМ), відповідно до винаходу, усередині циліндра додатково розташований поршень, який стаціонарно прикріплений до корпусу пристрою. Циліндр своєю внутрішньою поверхнею герметично щільно стикається з поршнем, з можливістю вільного переміщення відносно поршня. Своєю зовнішньою поверхнею циліндр стикається із зовнішнім середовищем, в якому знаходиться пристрій. При цьому, робоча порожнина циліндра сполучена із системами напуску і відкачування робочого середовища через впускний і випускний клапани, виконані в корпусі поршня. В окремих випадках, клапани можуть бути розташовані в підвідних магістралях, що сполучають робочу порожнину з системами напуску і відкачування робочого середовища через корпус поршня. Зовнішня закрита торцева частина циліндра жорстко шарнірно сполучена з шатуном КШМ, і може бути виконана пласкою або криволінійною, а шатун КШМ прикріплений шарнірно по її твірній лінії, у будь-якій зручній її точці. 5 Пристрій може бути забезпечений додатковим циліндром, який приєднаний своєю зовнішньою закритою торцевою поверхнею до колінвала КШМ через додатковий шатун, опозитно першому циліндру, утворюючи єдину силову пару, при цьому обидва шатуни приєднані до однієї ексцентричної осі колінвала. Можливе під'єднування додаткового циліндра до наявної або додатково введеної системи відкачування і напуску робочого середовища з випускним і впускним клапанами, що сполучають підвідні магістралі системи з його робочою порожниною. При цьому, пристрій може містити декілька силових пар циліндрів, закріплених послідовно уздовж колінвала КШМ. Таким чином, у пристрої, що заявляється, закладена інакша схема функціонування пари поршень-циліндр, коли циліндр має можливість вільно рухатися відносно поршня, стаціонарно прикріпленого до корпусу пристрою. За умови, що сам циліндр при цьому знаходиться в атмосфері, або іншому зовнішньому середовищу (наприклад, у воді), в якому функціонує пристрій, це забезпечило можливість використання тиску зовнішнього середовища, як зовнішнього джерела енергії для пристрою. Під'єднування робочої порожнини циліндра до систем циклічного напуску і відкачування робочого середовища, забезпечило можливість циклічного у часі переміщення циліндра відносно поршня і корпусу пристрою. Що, у свою чергу, завдяки наявності в конструкції шатуна і колінвала КШМ, дозволило здійснювати механічну роботу з мінімальними енергетичними витратами. Наявність у пристрої силових пар циліндрів, дозволяє виробляти підвищену роботу, наприклад, подвійну, впродовж одного однотактного циклу. Це забезпечить створення на базі таких пристроїв економічних вакуумно-атмосферних енергомодулей з підвищеним ККД. Виконання зовнішніх закритих торцевих поверхонь циліндрів криволінійними, забезпечить мінімальний опір зовнішнього середовища при русі циліндрів. Що також сприяє зниженню енерговитрат. Т.ч., сукупність ознак винаходу, що заявляються, є необхідною і достатньою для досягнення поставленій меті. Схема пристрою, що заявляється, (з однією силовою парою циліндрів, для випадку, коли робочі порожнини циліндрів приєднані до різних систем відкачування і напуску робочого середовища), представлена на кресленні. Пристрій містить рухливі лівий 1 і правий 2 циліндри; лівий 3 і правий 4 поршні, жорстко закріплені на основі корпусу (не показано); швидкодіючі випускний 5 і впускний 6 клапани лівого і відповідні клапани 5а і 6а правого циліндрів; кривошипношатуновий механізм 7 (стрілками показаний рух шатунів); ресівер 8 і вакуумний насос 9 систем відкачування лівого циліндра; ресівер 8а і вакуумний насос 9а системи відкачування правого циліндра; компресор з ресівером 10 систем напуску лівого циліндра; компресор з ресівером 10а системи напуску правого циліндра. 89894 6 Пристрій працює таким чином. У початковому положенні ресівери 8 і 8а відкачані до 10-3 атм. і постійно відкачуються вакуумними насосами 9 і 9а. На початку циклу відкриті клапан 5 і клапан 6а, а клапани 6 і 5а закриті, і циліндри синхронно рухаються у бік лівого поршня 3 під дією сили атмосферного тиску на лівий циліндр 1, який знаходиться у відкачаному стані. При проходженні верхньої мертвої точки лівим циліндром, клапани 5 і 6а закриваються, а клапани 5а і 6 відкриваються, і циліндри синхронно рухаються у бік правого поршня 4 під дією сили атмосферного тиску на правий циліндр 2, який знаходиться у відкачаному стані, а лівий циліндр наповнений робочим середовищем до атмосферного тиску з системи напуску 10. При цьому, через шатуни (показані стрілками) зусилля передається на вал 7 КШМ. У нижній мертвій точці лівого циліндра клапани 5 і 6а відкриваються, а клапани 6 і 5а закриваються, і цикл повторюється. Для забезпечення можливості циклічного, такого, що періодично повертається у вихідне положення, руху циліндра відносно поршня під дією атмосферного тиску Рат, або тиску іншого зовнішнього середовища, у якому знаходиться циліндр, необхідно забезпечити послідовне швидке відкачування до тиску Р0 10-2 – 10-4 Рат і напуск робочого середовища до тиску Ρ1 Рат в робочу порожнину. Це досягається, завдяки наявності у корпусі поршня (або у підводжувальних магістралях, між робочою порожниною і системами відкачування і напуску робочого середовища) швидкодіючих клапанів. У свою чергу, забезпечення можливості швидкої зміни тиску в робочій порожнині дозволяє отримати безперервний циклічний процес руху циліндра, який здійснює роботу по двухтактному вакуумно - атмосферному циклу, сила, що при цьому діє на відкачаний циліндр, постійна по величині по всій довжині робочого ходу, і визначається лише діаметром поршня і різницею зовнішнього і внутрішнього тиску в циліндрі. Робота, вироблена циліндром під дією постійної зовнішньої сили атмосферного тиску, не змінної по величині у часі і по ходу руху циліндра при обертанні колінвала, завжди визначатиметься об'ємом робочої порожни. А баланс споживаної системами відкачування і напуску і тієї, що віддається на колінвал, потужностей, визначатиметься швидкостями систем відкачування і систем напуску робочого середовища у робочу порожнину, і кількістю циклів в одиницю часу. Для зменшення енергетичних втрат і втрат робочого середовища, система відкачування сполучена з системою напуску, забезпечуючи тим самим замкнутий цикл руху робочого середовища без втрат у пристрої, при цьому, у якості робочого середовища вибирається газ з оптимальними параметрами для ефективного відкачування з мінімальними витратами енергії (наприклад, водень, гелій, аргон і ін.). Наявність силової пари з двох опозитно розташованих циліндрів, які жорстко скріплені штангою або через шатуни приєднані до однієї ексцен 7 89894 тричної осі колінвала КШМ, дозволяє забезпечити постійне у часі зусилля на колінвал. Циліндри утворюють цілісну конструкцію і синхронно рухаються в один бік під час такту, забезпечуючи одним циліндром безперервний у часі робочий хід з постійним зусиллям на колінвал в один бік, і продовжуючи робочий хід іншим циліндром в інший бік, по однотактному циклу. Силова пара вироблятиме підвищену роботу, наприклад, подвійну, впродовж одного однотактного циклу. Це відбувається за умови, коли тиск робочого середовища Р1, при напуску в опозитний циліндр, у два рази перевищуватиме тиск зовнішнього середовища Рзс, при цьому тиск відкачування у протилежному циліндрі Р0, повинно забезпе-2 чуватися засобами відкачування на рівні: Р0 10 -4 – 10 Рзс. В цьому випадку кожен циліндр має безперервний робочий хід впродовж одного циклу. Тоді робота Асп, яку може виробляти силова пара у разі Рзс = Рат = Ρ1, буде рівна: Acn = 2kPaтD2L (1), де: к = /4=0,785 У разі, коли Р1 =2Рзс при Р0 = 10-2 – 10-4 Рзс, силова пара виробляє роботу, рівну: Асп - 4к Рзс D2 L (2). Для здобуття заданої потужності пристрою, підбирається необхідна кількість силових пар, які можуть бути розташовані рядно або під оптимальними кутами відносно один одного уздовж колінвала КШМ. Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 Приклад. Робоча порожнина має циліндрову форму, тому її максимальний об'єм V[м3], буде рівний: 2 V = D /4L, (3), де: D - діаметр поперечного перетину зовнішньої поверхні поршня [м]; L - довжина робочої порожнини, яка дорівнює відстані між верхньою і нижньою точками ходу циліндра відносно поршня [м]. Якщо циліндр знаходиться у атмосфері, то сила F атмосферного тиску Рат [Па] на торцеву ефективну площу поверхні циліндра S [м2] буде рівна: F = PaтS або: F = kPaтD2 (4). Якщо робоча порожнина відкачана до тиску Р0, то робота А, вироблена циліндром під дією сили атмосферного тиску буде рівна: 2 А = k Рат D L ( 5). Якщо об'єм робочої порожнини рівний 1-му літру, то при нормальному атмосферному тиску Рат = 101325 Па, циліндр може за один цикл, без урахування можливих втрат, в ідеальному випадку виробити роботу А = 101 Дж. Застосування даного пристрою для одержання механічної роботи від зовнішнього джерела енергії дозволить створити економічні вакуумноатмосферні енергомодулі з величиною ККД до 25% і потужні двигуни. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601