Перетворювач енергії

1. Перетворювач енергії, що містить сильфон і клапани, який відрізняється тим, що в нього додатково введена камера нагрівання теплоносія, яка встановлена в нижній порожнині двопорожнинного картера та складається з корпусу з отворами, кришки, що виконані з матеріалу з низькою теплопровідністю, а корпус є розділений на рівні дна верхньої порожнини картера перегородкою з перепускними отворами, на якій закріплений герметичний сильфон, заповнений газом з низьким значенням питомої теплоємності, із зовнішнім кільцем для кріплення еластичних ніжок клапанних 3 використання як робочого тіла речовин з особливими властивостями; нагрівання в робочого тіла в замкнутому об'ємі; перетворення потенційної енергії робочого тіла в механічну. Відомий двигун зовнішнього згорання, що характеризується використанням зовнішньої камери згорання, з якої робочий газ, що нагрівається в ній, надходить для перетворення енергії його розширення в енергію обертального руху в поворотні мембрано-діафрагмові сильфони, які забезпечені каналами газового сполучення і керованими клапанами, а також відповідними поворотними ступінчастими (зовнішніми і внутрішніми) кондукторами для забезпечення конструктивно заданого розміру граничного розкриття кожного гофра таких сильфонів, при цьому у складі загального комплексу застосовуються, як мінімум, два взаємозв'язані енергоблоки сильфонів, які працюють в протифазі за двотактною схемою, тобто при здійсненні в одному з енергоблоків робочого такту розширення газу, в іншому відбувається зворотний процес вихлопу відпрацьованого робочого газу в атмосферу і навпаки в подальшому такті. При цьому в додатково використовуваних також двох допоміжних блоках сильфонів, в розглянутому першому робочому такті, здійснюється нагнітання атмосферного повітря в камеру згорання, тоді як в іншому допоміжному блоці відбувається протилежний робочий такт всмоктування атмосферного повітря. Рух енергоблоків сильфонів перетвориться в однонаправлений обертальний рух вихідного вала за рахунок вживання двох роликових обгінних муфт (муфт вільного ходу). [Заявка на винахід РФ № 2008107793/06, 21.02.2008, F02K1/00]. Проте таке рішення не враховує потреби енергозбереження, здійснюючи викид відпрацьованого робочого газу безпосередньо в атмосферу. Двигун є орієнтований на спалювання палива, що не відповідає сучасним екологічним вимогам. Конструкція двигуна обтяжена великим числом вузлів, що використовують тонкостінні пружні елементи, що не може забезпечити експлуатаційну надійність двигуна і разом з габаритами пристрою перешкоджає масовому виробництву такого роду двигунів. Ознаками, що збігаються з пропонованим рішенням, є: перетворення потенційної енергії робочого тіла в механічну; сильфони; нагрівання робочого газу. У основу корисної моделі поставлена задача в перетворювачі енергії шляхом використання особливих фізичних властивостей речовин, відокремлених в ізольований трансформований об'єм, і сили атмосферного тиску спростити конструкцію перетворювача, понизити трудомісткості виготовлення і обслуговування, забезпечити підвищення його ремонтопридатності і експлуатаційної надійності і понизити споживану ним питому теплову енергію. Цей технічний результат досягається тим, що в перетворювачі енергії, що містить сильфон і клапани, додатково введена камера нагрівання 67291 4 теплоносія, яка встановлена в нижній порожнині двопорожнинного картера і складається з корпусу з отворами і кришки, що виконані з матеріалу з низькою теплопровідністю, а корпус є розділений на рівні дна верхньої порожнини картера перегородкою з перепускними отворами, на якій закріплений герметичний сильфон, заповнений газом з низьким значенням питомої теплоємності, із зовнішнім кільцем для кріплення еластичних ніжок клапанних тарілок, що створюють з перепускними отворами в перегородці клапани, при цьому кришка камери нагрівання теплоносія кріпиться до верхньої частини герметичного сильфона, знизу в порожнину корпусу камери нагрівання теплоносія введені поверхня або тіло теплообмінника, наприклад теплова труба, сполучена, наприклад, з теплопоглинальною частиною геліоколектора, верхня порожнина картера сполучена з атмосферою і з каналом подачі охолоджувача, а нижня порожнина картера має отвір для виведення відпрацьованого охолоджувача в накопичувальний бак Істотними ознаками пристрою, що заявляється, є: камера нагрівання теплоносія з перегородкою з перепускними отворами; виконання камери з матеріалу з низькою теплопровідністю; герметичний сильфон, що заповнений газом з низьким значенням питомої теплоємності та має зовнішнє кільце для кріплення; еластичні ніжки клапанних тарілок. Причинно-наслідковий зв'язок між істотними ознаками корисної моделі і технічним результатом полягає в наступному. У згаданих вище аналогах і в більшості подібних пристроїв застосовується камера нагріву робочого тіла, а теплоносій надходить звідкись ззовні. Як теплоносій в пропонованому пристрої використовується пароповітряна суміш, яка утворюється в камері нагрівання теплоносія. Теплоносій омиває герметичний сильфон, що містить робоче тіло у вигляді газу з особливими властивостями - низькою питомою теплоємністю. Сильфон з робочим тілом є вузлом заводського виготовлення, герметичність якого гарантується якістю заводського технологічного процесу, і, на відміну від поршневих або діафрагмових систем, не вимагає забезпечення своїх параметрів складальними і експлуатаційними технологіями. Герметичність сильфона також гарантує незмінність фізичних властивостей робочого тіла за початкових умов. Герметичність сильфона усуває необхідність маніпуляції з робочим тілом шляхом клапанно-розподільної системи тієї або іншої міри складності. Всі ці функції переймає на себе кришка камери нагрівання теплоносія, що складає з корпусом камери нагрівання теплоносія, по суті, один великий клапан, всередину якого вбудований сильфон з робочим тілом. Саме цим рішенням і досягається спрощення конструкції перетворювача. Допоміжну функцію в цьому рішенні виконують закріплені по колу герметичного сильфона клапани з еластичними ніжками, тобто здатні змінювати свою довжину після прилягання тарілок клапанів до отворів в перегородці камери нагрівання теп 5 лоносія в циклі розширення робочого тіла в герметичному сильфоні. Цим забезпечується термічний люфт (термоінерційний зазор) в роботі пристрою, що дозволяє реалізувати плавність ходу механічної частини перетворювача. Традиційні рішення цієї задачі виконуються великою кількістю деталей. У перетворювачі застосовується газ з низькою питомою теплоємністю, тобто здатний нагрітися до необхідної температури від меншої кількості підведеного тепла. Тепло, що залишилося, може бути використане для інших технологічних або побутових потреб. До таких газів належать ксенон, криптон, аргон. Проте перетворювач працездатний при заповненні герметичного сильфона також і азотом і іншими негігроскопічними газами з питомою теплоємністю, не більшою, ніж у повітря. Найбільший ефект матиме місце у ксенону. Зниження величини споживаної питомої теплової енергії дозволяє понизити об'єм теплообміну і вимоги до ефективності теплообміну між теплоносієм і герметичним сильфоном, що також спрощує конструкцію перетворювача до форми двопорожнинного картера. Слід сказати, що пропоноване рішення містить пружно-еластичні елементи, які здатні нагромаджувати потенційну енергію і в сукупності з іншими масивними деталями пристрою утворюють коливальну систему. Комбінація герметичного сильфона (газ і стінки сильфона як пружні елементи) із закріпленими на ньому еластичними елементами додатково має властивість широкосмугового резонансу, що при певному підборі мас деталей, які з ним взаємодіють, дозволяє звести вжиток теплової енергії лише на підтримку незгасаючих коливань, що, як відомо, мінімізує зовнішній приплив енергії. Конструкція перетворювача енергії показана на фіг.1. На фіг.2 показано цикл роботи перетворювача в координатах тиск-об'єм герметичного сильфона. Пристрій складається з двопорожнинного картера 1, в нижньому отворі нижньої порожнини (II) якого встановлений корпус камери 2 нагрівання теплоносія з отворами 3 і кришкою 4. Корпус камери 2 і кришка 4 виконані з матеріалу з низькою теплопровідністю. На рівні дна верхньої (І) порожнини картера 1 корпус камери 2 розділений перегородкою 5 з перепускними отворами 6. На перегородці 5 встановлений герметичний сильфон 7, що заповнений газом з низьким значенням питомої теплоємності, який несе на собі кільце 8 для кріплення еластичних ніжок 9 клапанних тарілок 10, що створюють з отворами 6 клапани. Кришка 4 кріпиться до верхньої частини герметичного сильфона 7. Лінія верхнього краю корпусу камери 2 частково показана на фіг.1 пунктиром. Кришка 4, переміщення якої вже мають механічну енергію, може взаємодіяти з індуктором 11 електричного струму (показаний умовно), наприклад, за допомогою одного з відомих механізмів перетворення зворотно-поступального руху в обертальний. Знизу в корпус камери 2 у варіанті, змальованому на фіг.1, вставляється циліндрова труба геліоколектора 12, що містить теплову трубку 13. Фіксація геліоколектора 12 здійснюється муфтою 14 за до 67291 6 помогою хомута 15. Для сполучення порожнини корпусу камери 2 з нижньою (II) порожниною картера 1 в стінках корпусу камери 2 на рівні дна картера 1 виконані отвори 3. У верхню порожнину картера 1 через трубку 16 подається рідина, що охолоджує, наприклад, вода, рівень якої контролюється відомими способами (не показано). Відпрацьована рідина, що охолоджує, видаляється з нижньої порожнини картера 1 через трубку 17, наприклад, в накопичувач (не показано). Через трубку 18 порожнини картера 1 сполучаються з атмосферою. Порожнина картера 1 закрита кришкою 19. Диск 20 встановлений над кришкою 4 для запобігання резонансним явищам, що є небажаними, в коливальній системі герметичний сильфон 7 - кришка 4 камери 2 нагрівання теплоносія, а також в цілях необхідного регулювання резонансних явищ шляхом зміни маси цього диска 20. Перетворювач працює таким чином. У вихідному положенні картер 1 перетворювача розташований горизонтально. Температура в корпусі камери 2 дорівнює температурі довкілля (20 °C). Герметичний сильфон 7 з газом з низькою питомою теплоємністю має внутрішній тиск, рівний атмосферному, а кришка 4 закрита (точка а на фіг.2). Клапанні тарілки 10 не прилягають до перепускних отворів 6. У верхній порожнині картера 1 знаходиться рідина, що охолоджує, по рівню, показаному на фіг.1 пунктиром. Після подачі тепла на теплову трубку 13, наприклад, від геліоколектора 12 в камері 2 нагрівання теплоносія починає прогріватися повітря, яке там є. Відомо, що сучасні геліоколектори в змозі забезпечити підведення тепла через теплову трубку з температурою до 180° С [Теплові розрахунки геліосистем. Сіворакша В.Ю., Марков В.Л. і ін. - Вид-во Дніпропетровського університету, 2003, www.techno-as, com, ua/index.php?level path=0-5-58]. Нагріте повітря через перепускні отвори 6 починає надходити у верхню частину камери 2. Газ з низькою питомою теплоємністю, що знаходиться в сильфоні 7, нагрівається через стінку сильфона 7, яка є теплопровідною. Теплова інерція стінки сильфона 7 має бути підібрана так, щоб герметичний сильфон 7 з газом з низькою питомою теплоємністю мав деякий тепловий гістерезис (затримку початку теплового розширення газу відносно моменту досягнення ефективної температури нагріву в камері 2). Це досягається як підбором газу або їх суміші, так і підбором матеріалу, наприклад, використанням матеріалу з великою теплоємністю, та конструкції сильфона 7 (профіль гофра, форма гофра, товщина гофра і ін.). Після закінчення часу теплового гістерезису відбувається розширення газу усередині сильфона 7. Сильфон 7 збільшується в об'ємі і зрушує кришку 4 відносно корпусу камери 2 (точка б фіг.2). Кільце 8, закріплене на сильфоні 7, тягне за собою еластичні ніжки 9 до моменту закриття клапанними тарілками 10 перепускних отворів 6. Приплив теплоносія з нижньої частини камери 2 нагрівання теплоносія припиняється, але теплова енергія теплоносія в ізольованій верхній частині камери 2 і теплова інерція герметичного сильфона 7 продовжують підтримувати його розширення. 7 Еластичні ніжки 9 цьому не перешкоджають, і кришка 4 продовжує рухатися вгору. Відкриваються вікна в корпусі камери 2 (точка в на фіг.2). У порожнину корпусу камери 2 з верхньої порожнини картера 1 починає надходити рідина, що охолоджує, її рівень в порожнині картера 1 встановлюється таким, аби при проходженні через вікна, що утворилися в корпусі камери 2, вона б формувала невеликі цівки для обмивання стінки сильфона 7. Сильфон 7 починає охолоджуватися, але його розширення продовжується ще деякий час за рахунок його теплової інерції. Рідина, що охолоджує, продовжує надходити в камеру 2, але утримається в ній закритими перепускними отворами 6 (вмт). Теплоносій, що знаходиться у верхній частині камери 2, виходить через вікна, що утворилися в стінці камери 2, у верхню порожнину картера 1, яка сполучається з атмосферою через трубку 19. Після того, як газ в сильфоні 7 в достатній мірі охолодиться, сили атмосферного тиску, пружності еластичних ніжок 9, власній пружності сильфона 7 і вага деталей, що приєднані до нього, почнуть повернення кришки 4 корпусу камери 2 у вихідне положення (точка г фіг.2). Вікна в стінці камери 2 перекриваються кришкою 4, клапанні тарілки 10 відкривають перепускні отвори 6 (точка д фіг.2). Сильфон 7, стискуючись, тягне за собою кришку 4 і форсовано звільняє верхню частину камери 2 від рідини, що охолоджує. За інерцією сильфон 7 рушить нижчеза значення свого об'єму в початковому положенні (точка а фіг.2), що веде до стискування газу, що знаходиться в ньому, і активації сил пружності оболонки самого сильфона 7 (нмт). Потенційна енергія, що утворилася в сильфоні 7, витрачається на початок зворотного руху прикріпленої до нього кришки 4, яка при цьому створює в камері 2 невелике розрядження, викликаючи рух нової порції нагрітого теплоносія через перепускні отвори 6 у верхню частину камери 2 до оболонки сильфона 7, що по аналогії з двигунами відповідає такту всмоктування (точка б, фіг.2). Далі знову йде вже описаний вище такт робочого ходу. [Арнольд Л.В., Міхайловський Г.А., Селіверстов В.М. Технічна термодинаміка і теплопередача. - М.: Вища школа, 1979 p.]. Рідина, що охолоджує, зливається в нижню частину камери 2 і звідти, через отвори 3 - в нижню порожнину картера 1, яка трубкою 18 сполуче 67291 8 на з накопичувальним баком (не показано), де для подальшого використання скупчується нагріта рідина, що охолоджує. Якщо отвори 3 виконані так, як показано на фіг.1, то частина рідини, що охолоджує, постійно знаходиться в камері 2 нагрівання теплоносія і бере участь в утворенні складу теплоносія (пароповітряної суміші), що підвищує стабільність параметрів теплоносія, а отже, і ефективність перетворювача. Механізм перетворювача повернувся в первинне положення, і цикл повторюється. Результатом перетворення є здобуття механічної енергії з низькопотенційної теплової. Відведена з перетворювача теплова енергія накопичується в тій же формі, тобто як внутрішня теплова рідині, використаній для охолоджування в циклі перетворення, і може бути спрямована на гаряче водопостачання. Кришка 4 і корпус камери 2 нагрівання теплоносія можуть бути виконані з спіненого полістиролу. Кришка 4 корпусу камери 2 нагрівання теплоносія під час свого руху може взаємодіяти, наприклад, з індуктором 11 електричного струму через один з відомих механізмів перетворення зворотнопоступального руху в обертальний (не показаний), наприклад, через кривошипно-шатунний механізм. В тому випадку, якщо з міркувань економіки використання подібних механізмів буде зайвим, то можливе використання відомих вібраційних механізмів. Для широко використовуваного трубчастого геліоколектора з тепловою трубкою типу Pipe superconductor (діаметр 58 мм, довжина 1800 мм) і заповнення сильфона сухим повітрям згідно з показаним на фіг.2 термодинамічним циклом виробляється 3,4 дж механічної енергії, що відповідає середній потужності 22-26 Вт. З метою попередження можливих негативних явищ, що виникають при зворотно-поступальному русі і можуть привести до руйнування герметичного сильфона 7, кришку 4 доповнюють набірними дисками 20 так, щоб в системі герметичний сильфон 7 - кришка 4 частота резонансу була істотно (у 3-4 рази) нижча за власну частоту резонансу герметичного сильфона 7. Виникнення резонансу можливе на холостому ходу перетворювача або при взаємодії з механізмами перетворення вигляду руху для підключення індуктора 11 електричного струму, або при необхідності використання резонансу. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 67291 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601