Генератор механічних коливань на базі репульсивних клатратів

Реферат: Генератор механічних коливань на базі репульсивних клатратів містить нагрівач і холодильник, робоче тіло, зміна розміру якого при нагріванні/охолодженні через механічний негативний зворотний зв'язок, призводить до періодичних коливань. Для підвищення ефективності пристрою, між нагрівачем і холодильником поміщена двосекційна циліндрична камера, що містить поршень, два півштоки і торцеві рухливі заслінки з круглими отворами в центрі. Секції містять робоче тіло у вигляді суспензії. Пристрій містить нерухомі та рухомі теплообмінники, теплові шини нагрівача та холодильника. Зворотний зв'язок виконаний у вигляді рами, закріпленої на півштоках, яка містить прорізі, в яких ковзають пальці. Пальці зв'язують рухомі теплообмінники нагрівача і холодильника з рамою, та одночасно вертикально переміщуються в пазах опор. Частина прорізей - паралельна одна одній, а інші мають протилежні одна одній знаки нахилу. Важільний елемент для регулювання амплітуди коливань з'єднаний зі штоком через кулісний елемент, кінці якого пов′язані з рухомою поворотною опорою та, через кулісний елемент, з робочим штоком, з′єднаним з об'єктом корисної роботи. UA 110057 C2 (12) UA 110057 C2 UA 110057 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплової автоматики і точної механіки, а саме до способів і пристроїв перетворення теплової енергії в енергію тепломеханічних автоколивань стержня і може бути використаний при створенні підсилювачів, генераторів і виконавчих механізмів у схемах теплонік - галузі автоматики, що вирішує завдання контролю і управління при споживанні єдиного виду енергії - теплової енергії. Відомий пристрій [1] являє собою теплову машину, яка функціонує як згасаючий резонансний об'ємний механічний осцилятор. Машина включає в себе теплообмінний блок, який включає в себе теплове джерело і злив. Робоча рідина проходить через теплообмінний блок, включаючи теплове джерело і злив. Принаймні два резонансних осцилюючих елементи позитивного зсуву вставляються в робочу рідину і адаптовані для направлення робочої рідини в термодинамічний цикл. Принаймні одним з позитивних елементів зміщення забезпечує обмін тепловою енергією між робочою рідиною і засобами теплообміну. У відомому пристрої осциляція на затухаючій резонансній частоті забезпечується елементами позитивного зсуву під дією періодичної зміни тиску робочої рідини. Недоліками відомого пристрою є неможливість функціонувати на постійній частоті (в стаціонарному режимі); складне конструктивне виконання призводить до зниження надійності, підвищення вартості і ускладнює обслуговування пристрою. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є пристрій [2] - дилатометричний осцилятор. Відомий пристрій [2] містить закріплену на підставі свинцеву пластину з ножовим закінченням та притиснутий до останнього латунний стрижень, перший кінець якого розташований в зоні дії нагрівача, а другий - у зоні дії холодильника. Пристрій забезпечений встановленою на підставі і з'єднаною зі стержнем в його середній частині поворотною опорою і пружиною, один кінець останньої пов'язаний з основою, а другий закріплений на стержні між опорою і ножовим закінченням пластини, остання розташована біля другого кінця стержня, а перший кінець останнього віддалений від теплообмінної поверхні нагрівача в тангенціальному відносно опори напрямку на відстань, що перевищує амплітуду коливань цього кінця стержня. Аналог працює наступним чином. За допомогою напрямної і гвинта встановлюється необхідний зазор між нагрівачем і кінцем стержня. Опора знаходиться в положенні (визначається співвідношенням довжин плечей), що забезпечує режим автоколивань у пристрої. Температура нагрівача істотно вище температури навколишнього середовища (робочий діапазон 60 ºС - 300 °C). Нагрівання латунного стержня від нагрівача здійснюється через повітряний зазор. Відтік тепла від стержня здійснюється через свинцеву пластину. У результаті високої теплопровідності латуні стержень швидко нагрівається по всій довжині, що призводить до нагрівання ножового закінчення пластини (пружина забезпечує постійний тепломеханічних контакт між стержнем і свинцевою пластиною). Так як температурні коефіцієнти лінійного і об'ємного розширення свинцю набагато вище, ніж у латуні, то пластина, нагріваючись, подовжується (на ножовому закінченні пластини утворюється горбик через локальний прогрів свинцю) і правий кінець стрижня підіймається. При цьому лівий кінець стрижня віддаляється від нагрівача (завдяки поворотній опорі), збільшуючи тим самим повітряний зазор. Збільшення зазору, в свою чергу, викликає зниження інтенсивності підведення тепла від нагрівача до стержня, що призводить до охолодження стержня і пластини. Свинцевий горбик на ножовому закінченні пластини зменшується і кінець стрижня опускається, а протилежний кінець наближається до нагрівача, підвищуючи інтенсивність підведення тепла від нагрівача до стержня і відповідно до ножового закінчення свинцевої пластини. Остання знову подовжується і піднімає кінець стержня, віддаляючи лівий кінець від нагрівача. Зазначений процес періодично повторюється, і амплітуда коливань латунного стержня змінюється з часом по гармонійному закону. Недоліками аналога є низька ефективність перетворення теплоти в механічні коливання, пов'язана з відносно невисоким значенням делатометрії свинцю тою особливістю, що передача теплоти від нагрівача до стержня відбувається через повітряне середовище. Задачею винаходу є підвищення ефективності пристрою шляхом усунення недоліків аналога. Для усунення першого недоліку в аналогу дилатометричний елемент- свинцева пластина з ножовим закінченням - був замінений репульсивним клатратом (РК). РК притаманне явище аномального негативного термічного розширення НТР, що істотно перевищує дилатометричний ефект свинцю. Репульсивний клатрат (РК) - система "капілярно-пориста матриці + рідина, що не змочує матрицю". Фізична природа негативного термічного розширення (НТР) репульсивних клатратів полягає в наступному: РК поміщають в еластичний контейнер, що знаходиться під початковим тиском P0 . Оскільки рідина не змочує капілярно-пористу матрицю при початковому 1 UA 110057 C2 тиску поровий простір матриці не заповнений. Для заповнення порового простору матриці в системі має встановитися тиск не менше капілярного тиску Лапласа: PL  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2 cos  . , (2) r де  - коефіцієнт поверхневого натягу рідини,  - контактний кут змочування, r - радіус пор. У початковий момент часу тиск у системі P  P0  PL . При підвищенні температури РК мають місце два наступних процеси: 1) підвищення тиску P в системі викликане об'ємним термічним розширенням рідини і матриці; 2) зниження поверхневого натягу  і як наслідок зниження значення PL . При деякій критичній температурі Tint (коли тиск у системі P стає рівним капілярному тиску PL ) має місце інтрузія термочутливої речовини в поровий простір матриці. Що призводить до зменшення об'єму РК на величину об'єму порового простору матриці. Охолодження РК призводить до зворотного ефекту - виходу термочутливої рідини з порового простору матриці, тобто процес є оборотним. Для усунення другого недоліку аналога, було запропоновано конструктивне рішення, суть якого пояснюється на фіг. 1 та фіг. 2. Пристрій складається з нагрівача 1 і холодильника 2. Нагрівач 1 представлений двома полюсами 3 і 4 з можливістю їх просторового переміщення щодо відповідних теплових шин 5 і 6, які з'єднані з полюсами нагрівачів 3 і 4 за допомогою ковзного контакту. Теплові шини 5 і 6, у свою чергу, з'єднані з рухомими теплообмінниками нагріву 7 та 8, за допомогою ковзних контактів. Останні з'єднані з нерухомими теплообмінниками нагріву 9 та 10 за допомогою ковзних контактів. Нерухомі теплообмінники нагріву 9 та 10 закріплені на бічній поверхні циліндра 11, торцеві поверхні, якого виконані у вигляді рухливих заслінок 12 та 13, які мають круглі отвори 14 і 15 в центрі. Циліндр 11 розділений на дві секції 16 та 17 поршнем 18, до якого кріпляться півштоки 19 і 20, що виходять за межі циліндра через отвори 14 і 15. Робочі камери 16 та 17 містять робочі тіла - репульсивні клатрати - 21 і 22. Кінець півштока 19, що виходить за межі циліндра 11, закріплений на рамі 23, яка має профільні прорізи 24, 25, 26 і 27, всередині яких розміщені пальці 28, 29, 30 і 31 жорстко пов'язані з рухомими теплообмінниками нагріву 7 та 8 з одного боку рами і рухливими теплообмінниками охолодження 32 і 33 з іншого боку рами. Профільні прорізи на рамі 23 виконані таким чином: прорізи 24 та 25 виконані з протилежним нахилом, що забезпечує опозитне переміщення рухомих теплообмінників 7 та 8 в напрямку, перпендикулярному до осі циліндра при зворотнопоступальному русі рами; прорізи 26 і 27 виконані з протилежним нахилом, що забезпечує опозитне переміщення рухомих теплообмінників 32 і 33 в напрямку, перпендикулярному до осі циліндра при зворотнопоступальному русі рами; прорізи 24 та 26 виконані паралельно, із забезпеченням поперемінного нагріванняохолодження робочої камери 16 при зворотно-поступальному русі рами; прорізи 25 і 27 виконані паралельно, із забезпеченням поперемінного нагріванняохолодження робочої камери 17 при зворотно-поступальному русі рами. Пристрій містить важільний елемент 34, середня частина, якого з'єднана з кінцем півштока 20 через кулісний елемент 35. Один кінець важільного пристрою 34 з'єднаний з рухомою поворотною опорою 36, а другий пов'язаний через кулісний елемент 37 з робочим штоком 38. Холодильник 2 представлений двома полюсами 39 і 40 з можливістю їх просторового переміщення щодо відповідних теплових шин 41 і 42, які з'єднані з полюсами холодильника 39 і 40 за допомогою ковзних контактів. Теплові шини 41 і 42, у свою чергу, з'єднані з рухомими теплообмінниками охолодження 32 і 33, за допомогою ковзних контактів. Останні з'єднані з нерухомими теплообмінниками охолодження 43 і 44 за допомогою ковзних контактів. Нерухомі теплообмінники нагріву 43 і 44 закріплені на бічній поверхні циліндра 11. Пристрій містить дві зубчасті рейки 45 і 46, опозитно включені через загальну привідну шестірню 47. Рейка 45 пов'язана з рухомою частиною нагрівача 1, а рейка 46 з рухомою частиною холодильника 2. Пристрій працює таким чином. У початковий момент часу поршень 18 займає крайнє ліве положення (верхнє зображення фіг.і), тобто пристрій знаходиться в конфігурації № 1: максимальна площа контакту між рухомим теплообмінником охолодження 32 і рухомим теплообмінником охолодження 43 робочої камери 16; максимальна площа контакту між рухомим теплообмінником нагріву 8 і нерухомим теплообмінником нагріву 10 робочої камери 17; 2 UA 110057 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мінімальна площа контакту між рухомим теплообмінником нагріву 7 і нерухомим теплообмінником нагріву 9 робочої камери 16; мінімальна площа контакту між рухомим теплообмінником охолодження 33 і нерухомим теплообмінником нагріву 44 робочої камери 17; робочий шток 38 знаходиться в крайньому лівому положенні. Перебування пристрою у конфігурації № 1 приводить до охолодження репульсивних клатратів (РК) 21 і нагріванню РК 22, що в свою чергу приводить до зростання об'єму РК 21 і зниження обсягу РК 22 згідно з явищами аномального негативного термічного розширення РК. Зазначені зміни об'ємів РК 21 і 22 призводять до зміщення поршня 18 вправо, що за допомогою півштоків 19 і 20 призводить до зміщення рами 23 в крайнє праве положення (нижнє зображення на фіг. 1). Просторове розміщення профільних прорізів 24, 25, 26 і 27 призводить до переходу пристрою в конфігурацію № 2: мінімальна площа контакту між рухомим теплообмінником охолодження 32 і нерухомим теплообмінником охолодження 43 робочої камери 16; мінімальна площа контакту між рухомим теплообмінником нагріву 8 і нерухомим теплообмінником нагріву 10 робочої камери 17; максимальна площа контакту між рухомим теплообмінником нагріву 7 і нерухомим теплообмінником нагріву 9 робочої камери 16; максимальна площа контакту між рухомим теплообмінником охолодження 33 і нерухомим теплообмінником нагріву 44 робочої камери 17; робочий шток 38 знаходиться в крайньому правому положенні Перебування пристрою в конфігурації № 2 приводить до нагрівання репульсивних клатратів (РК) 21 і охолодженню РК 22, що в свою чергу приводить до зниження об'єму РК 21 і зростанню об'єму РК 22 згідно з явищами аномального негативного термічного розширення РК. Зазначені зміни об'ємів РК 21 і 22 приводять до зміщення поршня 18 вліво, що за допомогою півштоків 19 і 20 приводить до зміщення рами 23 в крайнє ліве положення (верхнє зображення фіг. 1). Просторове розміщення профільних прорізів 24, 25, 26 і 27 приводить до переходу пристрою в конфігурацію № 1 - початковий стан пристрою. Зазначений процес періодично повторюється і амплітуда коливань X робочого штока 38 змінюється з часом t за гармонійним законом відповідно до формули: X  X0 sin( wt ) . (1) У пристрої передбачене ручне регулювання значень амплітуди X0 і частоти w . Регулювання амплітуди здійснюється шляхом зміщення рухомої опори 36 (фіг. 1): крайнє нижнє положення відповідає максимальній амплітуді, крайнє верхнє - мінімальній. Регулювання частоти проводиться через привідну шестірню 47 (фіг. 2): обертання за годинниковою стрілкою приводить до зміщення полюсів нагрівача 3 і 4 вліво щодо нерухомих теплових шин 5 і 6, а також до зміщення полюсів холодильника 39 і 40 вправо щодо нерухомих теплових шин 41 і 42. Зазначене зміщення нагрівача і холодильника приводить до зменшення площі контакту між відповідними полюсами і їх тепловими шинами, що збільшує термічний опір каналу "полюсшина" і як наслідок приводить до зниження інтенсивності процесу "нагріву-охолодження" репульсивних клатратів, що приводитьдо зниження частоти коливань w робочого штока 38. Обертання привідної шестірні проти годинникової стрілки призводить до зміщення полюсів нагрівача 3 і 4 вправо щодо нерухомих теплових шин 5 і 6, а також до зміщення полюсів холодильника 39 і 40 вліво щодо нерухомих теплових шин 41 і 42. Зазначене зміщення нагрівача і холодильника приводить до збільшення площі контакту між відповідними полюсами і їх тепловими шинами, що зменшує термічний опір каналу "полюс-шина" і як наслідок приводить до зростання інтенсивності процесу "нагріву-охолодження" репульсивних клатратів, що призводить до зростання частоти коливань w робочого штока 38. Приклад застосування пристрою. Запропонований пристрій може бути використано для перекачування води з підземних джерел, з використанням єдиного джерела енергії - сонячного випромінювання. У цьому випадку нагрівачем 1 виступає колектор сонячного випромінювання 48, а холодильником 2 - канал для перекачування води 49 (фіг. 3). Коливальні рухи робочого штока безпосередньо використовуються як виконавчий механізм класичного гідравлічного насоса 50. Джерела інформації: [1] Benson G. М. "Thermal oscillator." U.S. Patent No. 4,044,558. 30 Aug. 1977. [2] Єрошенко В.А., Юревич-Паранчук А.В. Дилатометричний осцилятор. Патент СРСР No. 1328579. 07 Aug. 1987. 3 UA 110057 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 1. Генератор механічних коливань на базі репульсивних клатратів, що містить нагрівач і холодильник, між якими вміщено термочутливе робоче тіло, зміна розміру якого при нагріванні/охолодженні через механічний жорсткий негативний зворотний зв'язок, що забезпечує збільшення/зменшення термічного опору на ділянці "холодильник/нагрівач-робоче тіло", призводить до періодичних термомеханічних коливань певної частоти і амплітуди, який відрізняється тим, що між нагрівачем і холодильником поміщена двосекційна робоча камера циліндричної форми з поршнем і двома півштоками і торцевими поверхнями, виконаними у вигляді рухливих заслінок, які мають круглі отвори в центрі; кожна із секцій містить робоче тіло у вигляді суспензії і пари нерухомих теплообмінників, закріплених діаметрально із зовнішнього боку циліндра, таким чином, що два теплообмінники, що знаходяться на одній твірній циліндра, пов'язані, через ковзний контакт із змінною площею, з рухомими теплообмінниками стаціонарної теплової шини нагрівача, а два теплообмінники, що знаходяться на діаметрально розташованій твірній циліндра, пов'язані, через ковзний контакт із змінною площею, з рухомими теплообмінниками стаціонарної теплової шини холодильника; жорсткий негативний зворотний зв'язок позиції поршня з позицією рухливих теплообмінників нагрівача і холодильника виконаний у вигляді рами, жорстко закріпленої на півштоках і містить 4 профільні прорізі, всередині яких ковзають пальці, що зв'язують рухомі теплообмінники нагрівача і холодильника з рамою; пальці виконані з можливістю одночасного вертикального переміщення в пазах чотирьох опор, які перебувають у місцях розташування нерухомих теплообмінників і запобігають кутовому повороту навколо осі нерухомого циліндра; профільні прорізі, що належать до однієї секції робочої камери, виконані паралельно один одному, а профільні прорізі, що належать до різних секцій камер, мають протилежні одна одній знаки нахилу для забезпечення протифази процесів нагріву/охолодження, що відбуваються в різних секціях робочої камери; пристрій містить важільний елемент для регулювання амплітуди вихідних коливань, середня частина якого з'єднана зі штоком через кулісний елемент, один кінець з'єднаний з рухомою поворотною опорою, а другий зв'язаний через кулісний елемент з робочим штоком, пов'язаним з об'єктом корисної роботи, наприклад зі штоком поршневого гідравлічного насоса з чотирма клапанами зворотної дії. 2. Термомеханічний генератор гармонійних коливань за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій містить дві зубчасті рейки, опозитно включені через загальну привідну шестірню, одна з яких пов'язана з рухомою частиною нагрівача, а друга з рухомою частиною холодильника, для регулювання частоти коливань. 4 UA 110057 C2 5 UA 110057 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6