Тепловий двигун

Реферат: UA 92767 U UA 92767 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме до пристроїв для перетворення теплової енергії в механічну, і може бути використана для привода в дію різних механізмів з використанням температурної деформації термочутливого робочого тіла. Відомо про термобіметалічний перетворювач, який містить установлені на паралельних осях барабани, де термобіметалічний перетворювач виконаний у вигляді порожнистого циліндра [А.С. СРСР № 987162 F03G 7/06]. Недоліком цього перетворювача є малий хід робочих елементів, що знижує потужність пристрою. Недоліками є також великі габарити і складність конструкції перетворювача. Крім того, використання перетворювача для отримання енергії від природних джерел (повітря з різною температурою) викликає технічні проблеми. Відомо про двигун зовнішнього згоряння Стірлінга [див. "Велика Радянська Енциклопедія", видання трете, 1976 р., том 24 І, стор. 520], у якому робочим тілом є гелій або водень (під 2 тиском 100-140 кгс/см ·), яке знаходиться в замкнутому просторі та під час роботи не замінюється, а тільки міняє об'єм при нагріванні і охолодженні. Недоліком цього двигуна є складність його конструкції, ненадійність ущільнень, а також висока вартість двигуна. Крім того, такий двигун не можна використати без ґрунтовної переробки його конструкції для отримання механічної енергії з теплових джерел з низькою температурою, наприклад з природних джерел. Найбільш близьким аналогом є двигун, де робочим тілом є рідина, яка знаходиться в твердій герметичній ємності з сильфоном, а робоче зусилля від зміни об'єму робочої рідини при контакті з теплоносієм передається через сильфон, який змінює при цьому свою довжину [див. заявку на Корисну модель України № u201305614]. Недоліком цього теплового двигуна є те, що при використанні такого двигуна для отримання механічної енергії від різниці температур атмосферного повітря на різних висотах від Землі при значних переміщеннях двигуна по висоті буде відбуватися помітний теплообмін теплоносіїв в нагрівальній та охолоджувальній ємностях з атмосферним повітрям, що знижує потужність і коефіцієнт корисної дії двигуна, тобто виключається нагромадження на тривалий час теплоносіїв з необхідною температурою. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення потужності і коефіцієнта корисної дії при роботі теплового двигуна на різних висотах від Землі для отримання механічної енергії. Поставлена задача вирішується тим, що як робоче тіло використовують робочу рідину, яка знаходиться в твердій герметичній ємності з сильфоном, а робоче зусилля від зміни об'єму робочої рідини при контакті з теплоносієм передається через сильфон, який змінює при цьому свою довжину. Нагрівальна і охолоджувальна ємності виконані у вигляді термосів із змійовиками, через які за допомогою незалежної гідравлічної системи з радіатором і насосом здійснюється теплообмін теплоносіїв в нагрівальній та охолоджувальній ємностях з повітрям, яке обдуває радіатор на різних висотах. Двигун може працювати з однаковим ефектом як при розширенні робочої рідини, так і при її стисненні (при контакті з відповідним теплоносієм). На кресленні представлена схема теплового двигуна для перетворення теплової енергії в механічну. Двигун містить робоче тіло 1 (рідина), робочу ємність 2, сильфон 3, штуцери 4 і 5, ємність для нагрівальної рідини 6, ємності для охолоджувальної рідини 7, впускні клапани управління 8; 9;15;16, випускні клапани управління 10, 11,18, 19, насоси 12, 13, 20. Робоча ємність 2 з робочою рідиною 1 знаходиться у теплообміннику 14. Температура нагрівальної та охолоджувальної рідин у ємностях 6 і 7, відповідно, підтримується шляхом пропускання рідини через радіатор 17, який обдувається теплим або холодним повітрям. Теплообмін між радіатором 17 і ємностями 6 і 7 відбувається за допомогою змійовиків 21 і 22, які мають з радіатором 17, насосом 20, клапанами 15, 16, 18, 19, свою незалежну гідросистему, заповнену рідким теплоносієм. Робоча ємність 2 з робочою рідиною 1 знаходиться у теплообміннику 14. Пристрій працює наступним чином. Нагрітий за допомогою радіатора 17 і змійовика 21 теплоносій (рідина) через відкритий клапан управління 8 з ємності 6 потрапляє у теплообмінник 14, витісняючи з нього охолоджувальну рідину (клапани 9 і 11 - закриті, а клапани 8 і 10 - відкриті). Робоча рідина 1, нагріваючись від теплоносія, збільшує свій об'єм, Внаслідок чого сильфон 3 подовжується і виконує робочий хід. При цьому, в кінці робочого ходу через кінематичний зв'язок (не показано) відкриваються клапани 9 і 11, а клапани 8 і 10 - закриваються. З ємності 7 у теплообмінник 14 потрапляє охолоджувальна рідина, витісняючи з теплообмінника 14 нагрівальну рідину. Робоча рідина 1 зменшує свій об'єм, внаслідок чого сильфон 3 зменшує свою довжину і виконує зворотний робочий хід, і цикл повторюється. Нагрівальна та охолодна рідини перекачуються насосами 12, 13, 20, які можуть мати привод від робочого ходу сильфона, або через електромережу двигуна, чи від гідроакумулятора (не показані). Нагрів та охолодження теплоносія в ємностях 6 і 7 відбувається таким чином. Нагрівальна рідина перепускається насосом 20 через змійовик 21 і радіатор 17, який обдувається теплим повітрям (клапани 16 і 19 - відкриті, а клапани 15 і 18 - закриті). Після цього 1 UA 92767 U 5 10 15 20 25 охолоджувальна рідина перепускається насосом 20 через змійовик 22 і радіатор 17, який обдувається холодним повітрям (клапани 15 і 18 - відкриті, а клапани 16 і 19 - закриті. Теплообмін між радіатором 17 і ємностями 6 і 7 відбувається через змійовики 21 і 22. Відбір потужності від теплового двигуна здійснюється від сильфона 3 через штуцер 5. Зусилля від робочого ходу може передаватися безпосередньо на ведений механізм, або через насос - на гідроакумулятор (не показаний), з гідроакумулятора - на ведений механізм, що дає змогу досягти плавності роботи механізму і можливості регулювання швидкості його роботи і зусилля. Для більш тривалого збереження температури теплоносія в ємностях 6 і 7 останні можуть бути виконані як термоси. Як відомо, температура атмосфери знижується приблизно, на 6 °C при підйомі на кожні 1000 м. При різниці висот є 3000 м. різниця температур буде 18 °C. При 3 нагріванні чи охолодженні 100 л робочої рідини 1 на 18 °C її об'єм зміниться на 180 см (при -4 -1 2 коефіцієнті об'ємного розширення 10 x град. ), а тиск робочої рідини буде 18 кгс/см . При площі 2 поперечного перерізу сильфона 3, рівного 10 см , максимальне робоче зусилля на штуцері 5 буде 180 кгс, а робочий хід - 180 мм. На кресленні представлений варіант з'єднання робочої ємності 2 з штуцером 4 за допомогою різьби, а з'єднання сильфона 3 з штуцерами 4 і 5 - за допомогою паяння. Сильфон 3 має напрямний пристрій для запобігання поздовжнього згину і прогинання (при потребі). Для кращого теплообміну робочою рідини 1 з теплоносієм робоча ємність 2 виготовлена з металевих труб (з високою теплопровідністю) у вигляді радіатора. Для розширення температурного діапазону роботи двигуна передбачене регулювання вихідного положення сильфона 3 за допомогою різьби на штуцері 5, або за допомогою компенсаційного сильфона з аналогічним регулюванням (не показано). При оснащенні пропонованого двигуна розподільною автоматикою (не показана) можна після робочого ходу перепускати теплоносій з теплообмінника 14 в ємність для нагрівальної рідини 6, а після зворотного ходу - в ємність для охолоджувальної рідини 7. Це значно збільшить коефіцієнт корисної дії двигуна за рахунок використання енергії теплоносія, яка залишилася в ньому після взаємодії з робочою рідиною. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Тепловий двигун для перетворення теплової енергії в механічну шляхом навперемінного нагріву та охолодження робочої рідини, яка заповнює весь спільний об'єм робочої ємності з твердими стінками і сильфона, теплообмін з теплоносіями відбувається в теплообміннику за допомогою насосів, які подають теплоносії з ємностей для нагрівальної та охолоджувальної рідин в робочу ємність, а робоче зусилля від зміни об'єму робочої рідини при контакті її з теплоносієм передається через сильфон, який, змінюючи свою довжину, впливає на привідний механізм, який відрізняється тим, що з метою збільшення потужності і коефіцієнта корисної дії теплового двигуна при використанні різниці температур атмосферного повітря на різних висотах від поверхні Землі, ємності для нагрівальної та охолоджувальної рідин оснащені незалежною гідросистемою із змійовиками, через яку відбувається теплообмін між атмосферним повітрям і теплоносіями в ємностях - термосах для нагрівальної та охолоджувальної рідин за допомогою радіатора і насоса, який перепускає рідкий теплоносій через радіатор і змійовики, а радіатор обдувається по черзі атмосферним повітрям з різною температурою на різних висотах від поверхні Землі. 2 UA 92767 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 3