Спосіб безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну

Реферат: Спосіб безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну, в якому використовують термопривід з силовими елементами із матеріалу з ефектом пам'яті форми. Силові елементи виготовляють у формі порожнистих циліндричних пружин, спільні кінці пружин закріплюють в корпусі, а внутрішні об'єми їх з'єднують герметично з розподільником теплоносія, протилежні кінці пружин тиснуть на штоки і внутрішні об'єми їх мають отвір, що виходить в резервуар для використаного теплоносія, секції силового елемента розміщують на одній осі і ця вісь співпадає з віссю рухомого штока, який з'єднують з елементами для передачі механічної енергії, фіксацію рухомої частини здійснюють за допомогою циліндрів та поршнів, а шток розподільника теплоносія виводять за межі корпусу розподільника, щоб він взаємодіяв з поршнями. UA 93186 U (54) СПОСІБ БЕЗПОСЕРЕДНЬОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ В МЕХАНІЧНУ UA 93186 U UA 93186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв, що застосовують новітні технології при використанні відновлювальних джерел енергії (сонячне випромінювання, геотермальні води), а також може утилізувати тепло газів, що викидаються в атмосферу, тепло води, що скидається на електростанціях в басейни. Відомий спосіб [Ав. св. СРСР № 850914, опубл. 30.07.81. Бюл. № 28]. Недоліками зазначеного пристрою є обмежений термін роботи, оскільки він сконструйований на основі сильфонів. За найближчий аналог вибрано спосіб для перетворення теплової енергії в механічну з використанням пристрою, що містить силові елементи із сплаву з ефектом "пам'яті форми" [Патент США № 4086769 від 2.08.1978, 60-527.] Недоліком найближчого аналогу є складність конструкції. В основу корисної моделі поставлена задача створення простого, надійного і довговічного способу, який дозволяв би використовувати відновлювальні джерела енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну, для чого використовують термопривод з силовими елементами із матеріалу з ефектом "пам'яті форми", відповідно до корисної моделі, силові елементи виготовляють у формі порожнистих циліндричних пружин, спільні кінці пружин закріплюють в корпусі, а внутрішні об'єми їх з'єднують герметично з розподільником теплоносія, протилежні кінці пружин тиснуть на штоки і внутрішні об'єми їх мають отвір, що виходить в резервуар для використаного теплоносія, секції силового елемента розміщують на одній осі і ця вісь співпадає з віссю рухомого штока, який з'єднують з елементами для передачі механічної енергії, фіксацію рухомої частини здійснюють за допомогою циліндрів та поршнів, а шток розподільника теплоносія виводять за межі корпусу розподільника, щоб він взаємодіяв з поршнями. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками і технічним результатом. На багатьох підприємствах виникає потреба утилізувати теплову енергію при порівняно невеликому перепаді температур. Для цього можна використати спосіб безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну з використанням термоприводу з силовими елементами із матеріалу з ефектом "пам'яті форми". Стійка робота такого приводу буде при перепаді температур в діапазоні 20…30 °C, що практично не реалізується при інших відомих термодинамічних циклах. Для сплавів з ефектом "пам'яті форми" характерна наделастичність (гумоподібна поведінка). Цей ефект проявляється, якщо мартенситне перетворення відбувається під дією зовнішнього навантаження. В результаті спостерігається значна деформація сплаву. При цьому величина зворотної деформації на порядок вище, ніж у кращих пружинних матеріалів. Сплави з ЕПФ мають надвисоку циклічну міцність. Вони витримують значні знакозмінні навантаження. "Довговічність" виробів із сплавів з ЕПФ може бути в тисячі разів вищою, ніж у традиційних матеріалів. Циклічна стійкість забезпечується особливим механізмом мартенситного перетворення, що не супроводжується порушенням міжатомних зв'язків. Не відбувається накопичення дефектів структури, які призводять до виникнення тріщин та руйнувань. Ефект пам'яті форми характерний для всіх сплавів, в яких перетворення у висхідну фазу після деформації протікає по мартенситному механізму. Але надпружність виявляється тільки у деяких сплавів. Найяскравіша ця якість у сплаві нікелю з титаном - нітинолі. Вироби зі сплаву нагрівають для переходу у високотемпературну модифікацію і в цьому стані їм надають визначену форму. Потім сплав охолоджується нижче критичної температури і переходить в іншу, низькотемпературну фазу. Таке перетворення нагадує термопружне мартенситне перетворення. Якщо виріб із сплаву в мартенситному стані піддати повторній пластичній деформації (допускається ступінь деформації до 6 % і більше), а потім його нагріти, переводячи знову у високотемпературну модифікацію, то завдяки зворотному мартенситному перетворенню він прийме свою первинну форму, що була надана йому при першій деформації у стані високотемпературної модифікації. Для порівняння подібних матеріалів наведемо основні характеристики нітинола-55 (55 % Ni): нітинол-55 має температуру плавлення 1292 °C, магнітну 2 7 проникність менше 1,002, межа міцності 870 Н/мм , межа витривалості на базі 10 циклів 490 2 Н/мм . При нагріванні в процесі зворотного мартенситного перетворення сплав різко 4 2 зміцнюється. Це проявляється в збільшенні модуля пружності в 3-4 рази до 8,410 Н/мм та межі текучості в 6-7 разів до 630 Н/мм. Нітинол-55 після деформації у мартенситному стані на 68 % завжди дає 100 % вертання. Деформація матеріалу вище 8 % дає до 80 % вертання, що в більшості випадків задовольняє вимогам при застосуванні. Вертання до вихідної форми відбувається у дві стадії: пружне вертання, Вертання до вихідної форми відбувається у дві стадії: пружне вертання, що складає біля 20 % заданої деформації, та термопластичне 1 UA 93186 U 5 10 15 20 25 30 35 вертання, коли знищуються залишки 80 % вертання деформації. У проволоці діаметром 0,4-0,5 2 мм, попередньо деформованій на 8 %, у процесі вертання генерується напруга до 600 Н/мм . При цьому може виконуватися значна механічна робота на одиницю маси сплаву. Змінюючи в сплаві вміст титану та нікелю і додаючи легуючі присадки, можна впливати на температуру фазового перетворення в межах від 110 до 600 K [2]. Ефект пам'яті форми виявлено також у сплавах Cu-Al-Ni з 12-16 % Аl, 0-10 % Ni; Al-Fe-Cu з 12-16,5 % ΑΙ, 0,5-3,9 % Fe, інше Cu; Cu-Al-Mn. Ці матеріали також характеризуються здатністю у вузькому температурному інтервалі ± 10 K переходити з одного фазного стану (пластичного) в інший фазний стан (над пружний) і навпаки. Температура фазового перетворення визначається складом сплавів та їх термообробкою. Завдяки тому, що нітинол має значну ударну в'язкість, високу межу витривалості, легко кується, добре демпфує вібрацію, не кородує навіть у морській воді, не окислюється при нагріванні до температури 880 K, не розтріскується під напругою та немагнітний, із цього матеріалу можна виконувати силові елементи для безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну. Технічна суть запропонованого способу пояснюється кресленням, на якому зображено: конструкція привода для реалізації способу, розріз. Термопривод містить розподільник теплоносія 1, циліндри з поршнями 2, елемент для передачі механічної енергії 3, силові термоелементи із сплаву з ефектом "пам'яті форми" 4, камеру для відпрацьованого теплоносія 5, фіксатор силових елементів 6, рухомий шток 7. Спосіб реалізується таким чином. В термоелементи 4, виконані у вигляді трубчатих спіралей, подається тепла та холодна вода (газ). Термоелементи 4 діють на жорстко з'єднані штоком 7 поршні 2. Змінювання напряму подачі нагрітої та холодної води здійснюється з допомогою розподільника 1, що переключається автоматично при підході поршнів 2 до одного з крайніх положень. При подачі гарячої води (газу) в праву пружину вона нагрівається до точки мартенситного перетворення, довжина пружини збільшується, поршень в правому циліндрі, завдяки фіксатору силових елементів 6 та рухомого штока 7 переміщується, тягнучи за собою поршень лівого циліндра. В цей момент в лівий силовий елемент подається рідина (газ) нижчої температури, пружина стає наделастичною і стискується. В крайньому положенні лівий поршень тисне на шток розподільника теплоносія 1 і переключає його. В праву пружину починає надходити холодна рідина, а в ліву – гаряча. Цикл повторюється, а елементи для передачі механічної енергії 3 взаємодіють з іншими пристроями. Це може бути і генератор електричної енергії. Відпрацьований теплоносій надходить в камеру 5. В крайньому лівому положенні правий поршень тисне на шток розподільника теплоносія 1 і переключає його. Елементи з ЕПФ відзначаються підвищеною чутливістю, можуть розвивати зусилля значно більші, ніж силові елементи відомих приводів, виконуючи при цьому суттєву роботу на одиницю маси сплаву. Спосіб можна використати в південних регіонах для накачування води, спільно з геліоколекторами для виробництва електроенергії, може утилізувати тепло газів, які викидаються в атмосферу на котельних, тепло води, що скидається в басейни. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Спосіб безпосереднього перетворення низькотемпературної теплової енергії в механічну, для чого використовують термопривід з силовими елементами із матеріалу з ефектом пам'яті форми, який відрізняється тим, що силові елементи виготовляють у формі порожнистих циліндричних пружин, спільні кінці пружин закріплюють в корпусі, а внутрішні об'єми їх з'єднують герметично з розподільником теплоносія, протилежні кінці пружин тиснуть на штоки і внутрішні об'єми їх мають отвір, що виходить в резервуар для використаного теплоносія, секції силового елемента розміщують на одній осі і ця вісь співпадає з віссю рухомого штока, який з'єднують з елементами для передачі механічної енергії, фіксацію рухомої частини здійснюють за допомогою циліндрів та поршнів, а шток розподільника теплоносія виводять за межі корпусу розподільника, щоб він взаємодіяв з поршнями. 2 UA 93186 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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