Пристрій перетворення теплової енергії в механічну

Реферат: UA 87334 U UA 87334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетичного машинобудування, а саме до пристроїв для перетворення теплової енергії в механічну енергію обертання з використанням різниці температур двох середовищ. Відомо про пристрій перетворення теплової енергії в енергію зміни тиску, який має нагрівач і охолоджувач, які заповнені робочим тілом з суміші газу і рідини, (Авторське свідоцтво СРСР SU 1315647 А1 F03G 7/00). Недоліком цього пристрою є малий тиск, який розвиває робоче тіло, що обумовлено використанням газу, який дуже піддатливий при зміні об'єму. Це знижує потужність пристрою. Відомо про тепловий двигун, який має два колових двошарових робочих елементи з шарами з матеріалів, які мають різні коефіцієнти лінійного розширення і проходять через зони нагрівання та охолодження (Авторське свідоцтво СРСР 1000590 F03G 7/06). Недоліком цього двигуна є малий хід робочих елементів, що знижує потужність двигуна і збільшує його габарити. Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є пристрій перетворення теплової енергії в механічну, робочим тілом якого є набір прямолінійних робочих стержнів з однорідного твердого матеріалу, з'єднаних між собою проміжними штовхачами, виготовленими з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого менший, ніж у матеріалі для робочих стержнів (заявка на корисну модель України № u201209477). Недоліком цього пристрою є те, що для отримання механічної енергії з теплоносія використовується тільки повздовжня деформація робочих стержнів, що знижує потужність і коефіцієнт корисної дії пристрою. Крім того, наявність проміжних штовхачів зменшує робочий хід, що також знижує потужність і коефіцієнт корисної дії та збільшує габарити пристрою. Необхідність використання тільки прямолінійних робочих стержнів знижує конструктивні можливості при проектуванні пристрою. Задачею корисної моделі є збільшення потужності і коефіцієнта корисної дії, а також зменшення ваги і габаритів теплового двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що як робоче тіло використовується робоча рідина, яка знаходиться в твердій герметичній ємності, а робоче зусилля від зміни об'єму робочої рідини при контакті з теплоносієм передається через сильфон, зв'язаний гідравлічно з робочою рідиною, який змінює свою довжину при зміні об'єму робочої рідини. Коефіцієнт об'ємного розширення утроє більший, ніж коефіцієнт лінійного розширення, що забезпечує зменшення габаритів пристрою, крім того, практично вся енергія зміни об'єму робочої рідини при контакті її з теплоносієм використовується для перетворення в механічну енергію, чим досягається високий коефіцієнт корисної дії пристрою, висока потужність. Ємність з робочою рідиною може бути будь-якої конфігурації, що забезпечує компактність пристрою і розширює конструктивні можливості при його проектуванні. Пристрій може працювати з однаковим ефектом як при розширенні робочої рідини, так і при її стисненні при контакті з відповідним теплоносієм. При цьому для збереження напряму обертання приводного механізму, необхідно змінити напрям вільного руху обгінних муфт. На фіг. 1 показана схема робочого органу пристрою для перетворення теплової енергії в механічну, на фіг. 2 - схема пристрою (розріз по В-В), на фіг. 3 - вигляд А, на фіг. 4 - розріз по ББ. Такий пристрій складається з вала 19, жорстко закріпленого на ємності 16. На валу обертається барабан 18 на радіальних підшипниках 8. На барабані жорстко закріплений робочий орган пристрою, який складається з робочої рідини 1, що повністю заповнює об'єми робочої ємності 2 і сильфона 3; штуцерів 4 і 5, зубчастої рейки 6, стягальної шпильки 7. На барабані 18 жорстко закріплене ведуче зубчасте колесо 17, яке передає обертання від барабана 18 до веденого колеса 9, жорстко з'єднаного з вихідним валом 10. Зусилля від об'ємної температурної деформації робочої рідини 1 передається через сильфон 3 на зубчасті рейки 6, рейкові шестерні 11, обгінні муфти 12, циліндричні зубчасті колеса 14, на циліндричну шестірню 13, жорстко закріплену на валу 19. Зубчасті рейки 6, рейкові шестерні 11, обгінні муфти 12, циліндричні зубчасті колеса 14 закріплені на барабані 18. Для роботи пристрій повинен мати нагрівальне та охолодне середовища. На схемах фіг. 2 і 3 нагрівальне середовище у вигляді рідини 15 перебуває в ємності 16. Як охолодне середовище використовується повітря. Пристрій для перетворення теплової енергії в механічну працює таким чином. При попаданні робочої рідини 1 з робочою ємністю 2 в ємність 16 з нагрівальною рідиною 15 робоча рідина 1 збільшує свій об'єм, внаслідок чого сильфон 3 збільшує свою довжину і переміщує рейку 6 (нижня на фіг. 3) праворуч. Рейка 6 обертає рейкову шестерню 11 (права на фіг. 4). Обертання рейкової шестірні 11 передається через обгінну муфту 12 (права на фіг. 4) на циліндричне зубчасте колесо 14 (праве на фіг. 4), яке, взаємодіючи з шестірнею 13, жорстко закріпленою на валу 19, обертає установлений на підшипниках 8 барабан 18 навколо вала 19 проти годинникової стрілки (на фіг. 3). В той час колесо 14 (ліве на фіг. 4) вільно перекочується 1 UA 87334 U 5 10 15 20 25 30 35 по шестірні 13, тому що обгінна муфта 12 (ліва на фіг. 4) в цьому напрямку виконує холостий хід і не перешкоджає також скороченню сильфона 3 при переході робочої рідини в охолодне середовище (повітря). Механізм вільно переходить у вихідну позицію. Внаслідок обертання барабана 18 робоча рідина 1 з робочою ємністю 2 і сильфоном 3, які до початку робочого ходу були в охолодному середовищі (фіг. 3), потрапляють в нагрівальне середовище і цикл повторюється. Для прикладу: при нагріванні 200 літрів робочої рідини 1 на 10 градусів її об'єм збільшиться 3 -4 -1 на 200 см (при коефіцієнті об'ємного розширення 10 град. ), а тиск робочої рідини буде 10 2 2 кгс/см . При площі поперечного перерізу сильфона 3, рівній 10 см , максимальне робоче зусилля на рейці 6 буде 100 кгс, а робочий хід рейки - 200 мм. На фіг. 1 показаний варіант з'єднання робочої ємності 2 і зубчастої рейки 6 з штуцерами 4 і 5 за допомогою різьби, а з'єднання сильфона 3 з штуцерами 4 і 5 - за допомогою паяння. Сильфон 3 має напрямний пристрій для запобігання поздовжньому згину і прогинанню (при потребі). Для кращого теплообміну робочої рідини 1 з теплоносієм робоча ємність 2 виготовлена з металевих труб (з високою теплопровідністю), як радіатор, для розширення температурного діапазону роботи пристрою передбачене регулювання вихідного положення сильфона 3 за допомогою стягальної шпильки 7, або за допомогою додаткового компенсаційного сильфона з аналогічним регулюванням (не показано). Використання сильфона для отримання робочого ходу від об'ємного розширення робочої рідини виключає витік її, що має місце при використанні для цієї мети, наприклад, поршня з циліндром, які повинні мати ущільнення, через які може витікати робоча рідина, що виводить пристрій з ладу. Таким чином, пропонований пристрій має високу надійність роботи. Як робоча рідина може бути використана будь-яка неагресивна до конструкції рідина, наприклад, рідина для охолодження автомобільного двигуна. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій перетворення теплової енергії в механічну, при якому тепловий двигун має нагрівальне та охолодне середовища, розділені віссю нерухомого вала, підшипники якого з'єднані з ведучим колесом, яке знаходиться в зачепленні з веденою шестірнею, на осі якої перебуває вихідний вал, який відрізняється тим, що для збільшення потужності, коефіцієнта корисної дії, зменшення ваги і габаритів двигуна, робочим тілом є рідина, яка заповнює весь спільний об'єм робочої ємності з твердими стінками і сильфона, а робоче зусилля від зміни об'єму робочої рідини при контакті з теплоносієм передається через сильфон, який, змінюючи свою довжину, через рейкову зубчасту передачу, обгінну муфту і зубчасте колесо взаємодіє з шестірнею, нерухомо закріпленою на нерухомому валу двигуна. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що для розширення температурного діапазону роботи теплового двигуна і можливості регулювання пристрою, на ньому розміщена стягальна шпилька, що впливає на сильфон. 2 UA 87334 U 3 UA 87334 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 4