Пристрій перетворення теплової енергії в механічну

Реферат: UA 80537 U UA 80537 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме до способів перетворення теплової енергії в механічну енергію зворотно-поворотного руху з використанням різниці температур двох середовищ. Відомо про термобіметалічний привод Б.Ф. Кочеткова, який має термобіметалічний силовий елемент у вигляді пружини, з'єднаний з вузлом відбору потужності, нагрівальне та охолоджуюче середовища (Патент на винахід Російської Федерації RU 2032923 С1 F03G 7/06). Недоліком цього приводу є те, що при використанні біметалічних силових елементів збільшення робочого ходу досягається за рахунок зменшення потужності привода. Недоліками є також великі габарити та складність конструкції приводу. Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є спосіб перетворення теплової енергії в механічну шляхом навперемінного нагрівання та охолодження робочої рідини в камерах на протилежних плечах коромисла (Авторське свідоцтво СРСР SU 1216420 А F03G 7/06). Недоліком цього способу є низька потужність пристрою, що зумовлено поганим контактом робочої рідини з теплоносієм, а також великі габарити пристрою й ненадійність його роботи, яка зумовлена складністю конструкції та проблемами з ваговим балансом при коливанні поверхні рідкого теплоносія. Крім того, наявність двох рідких теплоносіїв не дозволяє застосовувати пристрій в енергетиці для використання природних запасів енергії, де робочим середовищем є вода і повітря. Задачею корисної моделі є збільшення потужності і спрощення конструкції теплового двигуна. Зазначена задача вирішується тим, що робочим тілом є два незалежних набори прямолінійних робочих стержнів з однорідного матеріалу, з'єднаних між собою прямолінійними штовхачами, виготовленими з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого менший, ніж у матеріалу для робочих стержнів. Набори робочих стержнів установлено на плечах коромисла, при цьому кожний початковий робочий стержень одним кінцем з'єднаний з плечем коромисла, а початки наступних робочих стержнів з'єднані з кінцями попередніх робочих стержнів. Таке з'єднання дозволяє підсумувати температурні деформації окремих робочих стержнів. Для кращого контакту з теплоносієм робочі стержні виготовлено з перфорованих труб. Штовхачі можуть бути виготовлені зі звичайних труб або зі штабового матеріалу, в залежності від конструкції двигуна. Двигун може працювати з однаковим ефектом, як при подовженні робочих стержнів, так і при їх скороченні при контакті з відповідними теплоносіями. На фіг. 1 зображено прямолінійний робочий стержень у вигляді перфорованої труби, на фіг. 2 - штовхач у вигляді труби. На фіг. 3, 5 зображено схеми наборів робочих стержнів 1 і штовхачів 2 (вихідні позиції). Тут, і надалі на схемах, робочі стержні 1 позначені прямолінійними круглими стержнями, а штовхачі 2 - гнутими штабами. На фіг. 4 зображена схема набору робочих стержнів 1 і штовхачів 2 при нагріванні їх від теплоносія. На фіг. 6 зображена схема набору робочих стержнів 1 і штовхачів 2, раніше позначених на фіг. 5, при їх охолодженні. У вихідній позиції довжина робочого стержня дорівнює L, при нагріванні кожен стержень довшає на ∆L, підсумкове подовження (робочий хід) дорівнює 3∆L. При охолодженні кожен стержень скорочується на ∆L, підсумкове скорочення (робочий хід) також дорівнює 3∆L. В обох випадках деформація штовхачів 2 не врахована. На фіг. 7 зображено конструктивний варіант з'єднання робочого стержня із штовхачем. В стержнях 1 і штовхачах 2 за допомогою різьбового з'єднання закріплені хвостовики 3, які з'єднані планкою 4 і закріплені гайками 5. Робочі стержні 1 і штовхачі 2 під час температурної деформації мають змогу переміщуватися по напрямних плитах 6 з отворами під робочі стержні і штовхачі. Напрямні плити 6 також стоять на перешкоді поздовжньому згину стержнів і штовхачів (за потреби). На фіг. 8, 9 зображено схеми теплового двигуна при робочому ході від подовження робочих стержнів при контакті їх з теплоносієм. Тепловий двигун складається з двох незалежних пакетів робочих стержнів 1, закріплених на протилежних плечах коромисла 10 і створюючих баланс коромисла 10, натискного ролика 11, з'єднаного з шатуном 12 і повзуном 13, на який впливає пружина 9. Коромисло 10 закріплене на ємності 7 з нагрівальною рідиною 8. Як охолоджувальне середовище використовується повітря. На коромислі 10 жорстко закріплені напрямні плити 6, по яких переміщуються робочі стержні 1 і штовхачі 2 (див. фіг. 7) при температурній деформації стержнів 1 при контакті з теплоносієм. На схемах 8, 9, 12, 13 пакет робочих стержнів 1 зображено, як окремий робочий стержень. На фіг. 10 зображена схема пакета робочих стержнів при розташуванні їх уздовж коромисла 10. Тут показані три горизонтальні секції робочих стержнів 1, з'єднаних штовхачами 2, які переміщуються по напрямних плитах 6, закріплених на коромислі 10 (див. фіг. 8, 9). На розрізі А-А (фіг. 10) стрілками вказано напрямок передачі подовження робочих стержнів. Підсумкове подовження усіх стержнів позначено пунктирними лініями на головному вигляді (фіг. 10), де зображено штовхачі 2, тільки для з'єднання 1 UA 80537 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 горизонтальних секцій між собою. На вигляді зверху (фіг. 10) зображено тільки штовхачі 2 для з'єднання робочих стержнів 1 в межах однієї горизонтальної секції робочих стержнів. Тепловий двигун, що реалізує пропонований спосіб, працює наступним чином. При попаданні однієї половини коромисла 10 з пакетом робочих стержнів 1 в нагрівальне середовище 8 (фіг. 8) робочі стержні розширюються і діють на натискний ролик 11, який притискається шатуном 12 за допомогою пружини 9 до пакету робочих стержнів 1. Натискний ролик 11 перекочується на інше плече коромисла 10 і під впливом пружини 9 повертає коромисло 10 по годинниковій стрілці, внаслідок чого праве плече коромисла з пакетом робочих стержнів 1, яке раніше знаходилось в охолоджувальне середовищі (повітрі), переміщується в нагрівальне середовище 8 (фіг. 9), і робочі стержні, розширюючись, діють на натискний ролик 11, який перекочується на ліве плече коромисла 10 з охолодженими робочими стержнями. Ліве плече коромисла 10 обертається проти годинникової стрілки, робочі стержні опиняються в нагрівальному середовищі 8 і цикл повторюється. Повзун 13 здійснює зворотно-поступальний рух під впливом натискного ролика 11 і шатуна 12, переборюючи тиск пружини 9, який менше ніж зусилля, створене пакетом робочих стержнів 1. Підсумкове зусилля через шатун 12 впливає на повзун 13. Відбір потужності від теплового двигуна може здійснюватися від повзуна 13 або від плечей коромисла 10. На фіг. 11 зображена схема роботи пакета робочих стержнів при розташуванні робочих стержнів поперек коромисла 10. Тут зусилля від деформації робочих стержнів 1 передається за допомогою штовхачів 2 на клин 14, який впливає на інший клин 15, а через клин 15 на натискний ролик 11 (див. фіг. 8, 9). На фіг. 12 зображена схема роботи теплового двигуна при робочому ході від скорочення робочих стержнів при їх контакті з теплоносієм. Тепловий двигун складається з двох незалежних пакетів робочих стержнів 1, закріплених на протилежних плечах коромисла 10 і створюючих баланс коромисла 10, натискного ролика 11, з'єднаного з шатуном 12 і повзуном 13, на який впливає пружина 9. Робочий стержень пакету 1 з'єднаний за допомогою стержня 16 з важелем 17, який впливає на натискний ролик 11. Коромисло 10 закріплено на ємності 7 з охолоджувальним середовищем 18. Нагрівальним середовищем є повітря, температура якого вища за температуру рідини 18. На коромислі 10 жорстко закріплені напрямні плити 6, по яким переміщуються робочі стержні 1 і штовхачі 2 (див. фіг. 7) при температурній деформації стержнів 1 при контакті з теплоносієм. Будова пакета робочих стержнів 1 аналогічна будові пакетів на фіг. 10, 11. Тепловий двигун працює таким чином. При попаданні однієї половини коромисла 10 з пакетом робочих стержнів 1 в охолоджувальне середовище 18 (фіг. 12) робочі стержні скорочуються і діють через стержень 16 і важіль 17 на натискний ролик 11, який притискається шатуном 12 за допомогою пружини 9 до пакету робочих стержнів 1. Натискний ролик 11 перекочується на праве плече коромисла 10, і під впливом пружини 9 повертає коромисло 10 по годинниковій стрілці, внаслідок чого праве плече коромисла з пакетом робочих стержнів 1, яке раніше знаходилося в нагрівальному середовищі (повітрі), переміщується в охолоджувальне середовище 18 і робочі стержні, скорочуючись, діють на натискний ролик 11, який перекочується на ліве плече коромисла 10 з нагрітими робочими стержнями. Ліве плече коромисла 10 обертається проти годинникової стрілки, робочі стержні опиняються в охолоджувальному середовищі 18 і цикл повторюється. При використанні схем теплових двигунів на фіг. 8 і 12 одночасно в одному двигуні досягається можливість розташувати пакети робочих стержнів на верхній та нижній поверхні плечей коромисла 10. Це дає можливість розширити температурний діапазон роботи теплового двигуна, що важливо при використанні двигуна для отримання механічної енергії від природних теплоносіїв (вода-повітря), де мають місце значні коливання температури. При використанні однотипних пакетів робочих стержнів з розташуванням їх на верхній і нижній сторонах плечей коромисла 10 з'являється можливість підвищити потужність теплового двигуна шляхом збільшення кількості робочих стержнів. На фіг. 13 зображена схема теплового двигуна при робочому ході від подовшення робочих стержнів. Схема відрізняється від схеми на фіг. 8 тим, що передача зусилля від пакета робочих стержнів 1 до натискного ролика 11 здійснюється через стержень 19, важіль 20, стержень 21 і важіль 17. Це дозволяє шляхом підбору довжини плечей важелів 20 і 17 забезпечити необхідне зусилля і хід при проектуванні теплового двигуна. Для ілюстрації можливостей теплового двигуна з використанням запропонованого способу можна привести параметри двигуна з пакетом робочих стержнів довжиною 2000 мм, завширшки 2000 мм і висотою 500 мм. При використанні робочих стержнів і штовхачів у вигляді труб діаметром 20 мм та відстанню між ними 25 мм (див. фіг. 7) можна розташувати в пакеті 800 м робочих стержнів. Стержні, виготовлені з дюралюмінію (коефіцієнт лінійного розташування 2 UA 80537 U 6 5 -1 22,6×10- К ) при нагріванні на 10 °C подовжаться на 180,8 мм. Штовхачі із сталі (коефіцієнт 6 -1 лінійного розширення 12,6×10- К ) подовжаться на 100,8 мм. Робочий хід становитиме 180,8100,8=80 мм. Зусилля, яке розвиває дюралюмінієва труба діаметром 20 мм з товщиною стінки 2 2 мм при допущеній напрузі 40 кгс/мм становитиме 4522 кгс (тертя не враховане). При виготовленні робочих стержнів з пластмаси (наприклад, з капрону) робочий хід збільшиться приблизно в десять разів, але робоче зусилля зменшиться. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 1. Пристрій перетворення теплової енергії в механічну шляхом навперемінного нагріву та охолодження термочутливих стержнів, розміщених на протилежних плечах збалансованого коромисла, під віссю і над віссю обертання якого знаходиться нагрівальне та охолоджувальне середовища, який відрізняється тим, що, для збільшення потужності і поліпшення компактності теплового двигуна, робочим тілом є набір прямолінійних робочих стержнів з однорідного матеріалу, з'єднаних між собою проміжними штовхачами, виготовленими з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого менший, ніж у матеріалу для робочих стержнів, при цьому початковий робочий стержень одним кінцем з'єднаний нерухомо з коромислом, а початки наступних робочих стержнів з'єднані з кінцями попередніх робочих стержнів, кінець останнього робочого стержня впливає на натискний ролик з пружиною, що створюють дисбаланс коромисла, і ланками відбору потужності є повзун, зв'язаний через шатун з натискним роликом, або плечі коромисла, а робочі стержні і штовхачі мають змогу переміщуватися при температурній деформації по напрямних плитах, які з'єднані з коромислом. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для підвищення потужності теплового двигуна, робочим тілом є набір порожнистих прямолінійних перфорованих робочих стержнів. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для збільшення робочого ходу при температурній деформації робочих стержнів, вони виготовлені з пластмаси. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для підвищення потужності теплового двигуна, робочі стержні розміщені одночасно уздовж і поперек коромисла. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для розширення діапазону робочих температур теплового двигуна, на ньому розміщені одночасно різні групи робочих стержнів, які здійснюють робочий хід від подовження робочих стержнів і від скорочення їх одночасно. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для забезпечення можливості зміни зусилля і довжини робочого ходу теплового двигуна, зусилля від робочого тіла на натискний ролик передається через важелі. 3 UA 80537 U 4 UA 80537 U 5 UA 80537 U 6 UA 80537 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 7