Тепловой двигатель
Патент 1539391
Авторы
Классы МПК
Тепловой двигатель
Иллюстрации
Реферат
Изобретение позволяет повысить удельную мощность и экономичность устройств, в которых механическую энергию получают за счет тепловых деформаций оболочек из материала с термомеханической памятью, и может быть использовано при создании двигателей, насосов, компрессоров и движителей. Повышение удельной мощности и экономичности достигается путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодильником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом (РТ) без промежуточного теплоносителя, а также путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла, отводимого от оболочек. Двигатель содержит оболочки 1 с выполненными в них каналами (К) 2. Оболочки 1 выполнены из материалов с различными температурами проявления памяти, а их К 2 последовательно соединены друг с другом через двухпозиционные клапаны 5 в порядке понижения температуры проявления от оболочки к оболочке по ходу РТ. Оболочки выполнены в виде подвижных стенок насосных камер 12. К 2 каждой оболочки сообщены с поршневыми конденсатоотводчиками 7. Поршни 9 конденсатоотводчиков 7 и золотники 6 К 5 механически связаны с оболочками 1. Поступающее из испарителя РТ конденсируется на ближайшей оболочке 1 и нагревает ее. В результате проявления памяти оболочка перемещается, вытесняя текучую среду из своей камеры 12 и переключая К 5. Золотник 6 К 5 разобщает К 2 своей оболочки с испарителем и сообщает их с К 2 последующей оболочки. В результате понижения давления РТ испаряется в К 2 горячей оболочки 1 и конденсируется в К 2 последующей холодной оболочки 1, нагревая ее до меньшей температуры, при которой проявляется ее память. Из К 2 последней оболочки 1
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
1 А1 (19) (11) (51)5 F 03 С 7/06
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н втоеском свидетельству
2 (54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ.юг. 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
t (213 4328663/25-06; 4363411/25-06 (22) 17. 11.87 (46) 30 ° 01.90. Бюл. Р 4 (75) Н.И.Кузин (53) 621.486 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР Р 1094985, кл. F 03 G 7/06, 1983.
Авторское свидетельство СССР
Р 1321907, кл. F 03 G 7/06, 1986. (57) Изобретение позволяет повысить удельную мощность и экономичность устройств, в которых механическую энергию получают sa счет тепловых деформаций оболочек из материала, с термомеханической памятью, и может быть использовано при создании двига-.
1539391 телей, насосов, компрессоров и движителей. Повышение удельной мощности .и экономичности достигается путем обеспечения транспортировки тепла
5 между оболочками, нагревателем и холодильником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом (PT) без промежуточного теплоносителя, а также путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла отводимого от оболо(У чек. Двигатель содержит оболочки 1 с н )лолнаннымн B ннх каналами (10 2.
Оболочки 1 выполнены из материалов с различными температурами проявлейия памяти, а их К 2 последовательно соединены друг с другом через двухцозиционные клапаны (К) 5 в порядке
1 онижения температуры проявления от оболочки к оболочке по ходу PT. Обоочки 1 выполнены в вице подвижных стенок насосных камер 12.К 2 каждой ободочки сообщены с поршневыми конденсато-
Изобретение относится к тепло-. энергетике, а именно к устройствам ф я преобразования тепловой энергии 30 механическую за счет тепловых деормаций оболочек из материала с теромеханической памятью формы, и может врыть использовано при создании двигателей, насосов, компрессоров и дви+ тел ей.
Целью изобретения является иовыщение удельной мощности путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодиль- 4g ником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом без промежуточного теплоносителя, обеспе- чение возможности использования двигателя в качестве источника давления, 45 а также повышение экономичности путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла, отводимого от оболочек.
На фиг.1 представлена насосная камера описываемого двигателя в разрезе с конденсатоотводчиком и двухпозиционным клапаном; на фиг.2 — принципиальная схема описываемого двигателя с параллельным соединением двух насосных камер; на йиг.3 — насосная камера, разрез, аксонометрия," на фиг.4 — подвижная стенка насосной камеры в виде оболочки из материала с отводчиками 7.Поршни 9 конденсатоотводчиков 7 и золотники Ь К 5 механически связаны с оболочками 1. Поступаюцее из испарителя РТ конденсируется на ближайшей оболочке 1 и нагревает ее. В результате проявления памяти оболочка перемещается, вытесняя текучую среду из своей ка- меры 12 и переключая К 5. Золотник
6 К 5 разобщает К 2 своей оболочки с испарителем и сообщает их с К 2 последуюцей оболочки. В результате понижения давления PT испаряется в
К 2 горячей оболочки 1 и конденсируется в К 2 последующей холодной оболочки 1, нагревая ее до меньшей температуры, при которой проявляется ее память. Из К 2 последней оболочки
1 РТ отводится в конденсатор и далее в испаритель, а из конденсатоотводчиков — непосредственно в испаритель.
3 з.п. ф-лы, 7 ил. памятью, поперечный разрез; на фиг.5— схема описываемого двигателя с последовательным соединением насосных камер с подвижными стенками в виде оболочек из материалов с различными температурами проявления памяти; на фиг.6 — аккумулятор давления с насосными камерами, поперечный разрез; на фиг.7 — вид на аккумулятор давления с насосными камерами вдоль его оси.
Тепловой двигатель (фиг.1) содержит оболочки 1 из материала с термомеханической памятью формы, охватываюцие заполненные парами и/или конденсатом рабочего тела полости в виде каналов 2, выполненных в оболочках 1. Каналы 2 соединены с нагревателем (фиг.2) в виде испарителя 3 и с холодильником в виде рекуперативного теплообменника-конденсатора 4 через двухпозиционный клапан 5, золотник 6 которого механически связан с оболочкой 1, в которой выполнены каналы 2. Двигатель снабжен конденсатоотводчиками 7 (фиг.1,5) по числу оболочек 1. Каждый конденсатоотводчик 7 выполнен в виде цилиндра 8 с поршнем 9, байпасом 10 и обратным клапаном 11. Цилиндр 8 каждого конденсатоотводичика 7 сообщен с каналами 2 одной из оболочек 1, а пор35
5 15393 шень 9 — механически связан с этой оболочкой. Двигатель снабжен также насосными камерами 12 переменного объема по числу оболочек 1, а последние выполнены в виде подвижных стенок камер 12. Насосные камеры 12 заполнены текучей средой — жидкостью или газом. Оболочки 1 посредством заполняющей камеры 12 текучей среды связаны с подвижным звеном нагрузки, например с турбиной (не показано).
Оболочки 1 двигателя (фиг ° 5) выполнены из материалов с различными !5 температурами проявления памяти, а их каналы 2 последовательно соединены друг с другом через двухпоэиционные клапаны 5 в порядке понижения температуры проявления памяти 20 от оболочки 1 к оболочке 1 по ходу рабочего тела. Насосные камеры !2 сообщены с аккумулятором 13 давления (фиг.6) посредством обратных клапанов 14. На выходе аккумулятора 13 25 установлен регулирующий орган 15.
Каналы 2 оболочек 1 футерованы капиллярно-пористым материалом 16 (фиг.4). Неподвижная стенка 17 камеры 12 выполнена из стали, и на ней 30 установлены соответственно впускной и выпускной клапаны 18 и 14 насосной камеры 12 (фиг.1) ° Конденсатоотводчики 7 сообщены посредством трубопроводов 19 с испарителем 3 (фиг.2). Последний в случае параллельного соединения насосных камер
12 соединен с двухпозиционными клапанами 5 последних через распределитель 20. Охлаждающий тракт рекупера- 40 тивного теплообменника-конденсатора
4 заполнен жидким теплоносителем и соединен с потребителем тепла (не показан). Поршень 9 конденсатоотводчика 7 установлен между входной и 45 выходной щелями 21 и 22 соответственно байпаса 10 (фиг.1,5). Каналы
2 оболочки 1, расположенной последней в цепочке последовательно соединенных камер 12, соединены с теплообменником-конденсатором 4 через клапан 23. Испаритель 3 соединен с теплообменником-конденсатором 4 трубопроводом 24, в котором установлен насос 25 (фиг ° 2).
Двигатель работает следующим образом.
В испарителе 3 (фиг.1) жидкое рабочее тело, например жидкий натрий, 91 испаряется, например, за счет тепла, полученного при сгорании топлива.
Пар через распределитель 20 и клапан
5 поступает в каналы 2 оболочки 1.
Там он конденсируется и оседает в капиллярах материала 16 стенок каналов 2, отдавая тепло оболочке 1 и нагревая ее до температуры конца обратного мартенситного превращения.
Оболочка 1 "вспоминает" свою форму в горячем состоянии и движется в положение, обозначенное пунктиром. При этом текучая среда, например жидкость, заполняющая насосную камеру 12, вытесняется через выпускной клапан 14 под высоким давлением в сопло. турбины или другой привод (не показаны), производя работу. При завершении движения оболочки 1 в положение, обозначенное пунктиром, золотник 6 клапана 5, перемещаемьпЪ оболочкой 1, разобщает полость испарителя 3 и каналы 2 оболочки 1 и соединяет каналы 2 с теплообменником-конденсатором 4, давление и температура в котором меньше давления и температуры рабочего тела в каналах 2 оболочки 1.
Вследствие падения давления в каналах
2 жидкое рабочее тело, находящееся в капиллярах оболочки 1, начинает испаряться и в-виде пара направляется в теплообменник-конденсатор 4, где оно конденсируется, передавая тепло жидкому теплоносителю, заполняющему охлаждающий тракт теплообменникаконденсатора 4, и циркуляционным насосом 25 направляется в испаритель
3. Нагретый жидкий теплоноситель из охлаждающего тракта теплообменникаконденсатора 4 поступает к потребителю тепла (не показан). При испарении рабочего тела в каналах оболочки
1 последняя охлаждается до температуры конца прямого мартенситного превращения и перемещается в первоначальное положение. При этом впускной клапан 18 открывается, и в камеру 12 всасывается текучая среда (жидкость, воздух, пар). При движении оболочки
1 свяэанньпr с ней золотник 6 клапана
5 отсекает каналы 2 от теплообменника-конденсатора 4 и сообщает их с испарителем 3. Далее цикл повторяется. Движению оболочки 1 при ее охлаждении способствует оставшееся давление в пространстве между оболочкой 1 и стенкой насосной камеры 12 и внутренние микронапряжения оболочки 1.
1539391
Для ускорения движения оболочки 1 при охлаждении текучая среда, например жидкость, может подаваться в камеру
12 под давлением.
Тепло, отдаваемое оболочкой 1 теп5 лообменнику-конденсатору 4, меньше тепла, получаемого от испарителя 3, на величину, пропорциональную работе произведенной оболочкой 1 за цикл . 1р
Пбэтому часть рабочего тела, конденсируемого за цикл в каналах 2 оболочки 1, не испаряется. Конденсат, крторьп не вмещают капилляры материал 16 стенок каналов 2, стекает в цилиндр 8 конденсатоотводчика 7 и через щели 21 и 22 байпаса 10 перетекает под поршень 9. При перемещенИи оболочки 1 в положение, обозначенное пунктиром, конденсат рабочего 20 тела вытесняется поршнем 9 через ооратньп клапан 11 в испаритель 3.
Распределитель 20 обеспечивает поочередное или совместное снабжение паром рабочего тела двух оболочек 25
1. Этим достигается непрерывный расход пара из испарителя 3 и непрерывное его поступление в теплообменникконденсатор 4.
Работа двигателя, изображенного нв фиг.5-7, отличается от описаннЬго процесса тем, что каналы 2 оболочек 1 после нагрева последних кондйнсируюцихся рабочим телом сообщаются посредством клапанов 5 с каналами
2, следующей последовательно расположенной по ходу рабочего тела оболочки 1. Вследствие понижения давления рабочее тело испаряется за счет тепла нагретой ранее оболочки 1 и пере- 4 носит тепло следуюцей оболочке которая нагревается в процессе конденсации в ее каналах 2 рабочего тела.
Кажцая последуюцая оболочка 1 нагревается до меньшей температуры, чем 45 предыдущая, так как часть тепла рабочего тела. преобразуется в работу при перемещении оболочек 1, а также вследствие тепловых потерь. Так как память материала каждой последующей оболочки 1 проявляется нри меньшей
50 температуре, чем память материала предыдущей оболочки 1, то вследствие нагрева последующей оболочки 1 до температуры ее обратного мартенситного преврацения она перемещает55 ся, совершая работу нагнетания текучей среды в аккумулятор 13 давления.
Одновременно оболочка 1 перемещает связанньп1 с ней золотник 6 клапана
5„ который отделяет каналы 2 этой оболочки t от каналов 2 предыдущей оболочки 1 и сообщает с каналами 2 последующей оболочки. При охлаждении оболочек 1 за счет испарения рабочегс тела в их каналах 2 оболочки 1 перемещаются в исходное положение вследствие проявления эффекта обратимой памяти формы их материала, при этом текучая среда через каналы всасывается в камеры 12. При нагреве последней оболочки 1 и при ее перемещении в положение, показанное пунктиром, ее каналы 2 клапаном 23 сообщаются с теплообменником-конденсатором
4, и испарившееся в каналах 2 этой оболочки 1 рабочее тело конденсируется в теплообменнике-конденсаторе 4 °
Бидкая текучая среда постоянно вытесняется из аккумулятора 13 давления через регулирующий орган 15 и воздействует на подвижное звено нагрузки (не показано). При этом заполняющий верхнюю часть аккумулятора 13 воздух способствует компенсации колебаний давления в аккумуляторе 13 и расхода вытесняемой из него текучей среды.
Таким образом, тепло рабочего тела, отводимое от оболочек 1, дополнительно преобразуется в полезную работу при нагреве последующих оболочек 1 и проявлении памяти их материала, что обеспечивает повышение экономичности двигателя.
Формула изобретения
Тепловой двигатель, содержащий связанные с подвижным звеном нагрузки оболочки из материала с термомеханической памятью формы, охватывающие заполненные парами и/или конденсатом рабочего тела полости, причем каждая полость соединена с нагревателем и с холодильником через свой двухпозиционный клапан, золотник которого механически связан с охватывающей эту полость оболочкой„ а холодильник выполнен в виде рекуперативного теплообменника, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности путем обеспечения транспортировки тепла между оболочками, нагревателем и холодильником непосредственно испаряющимся и конденсирующимся рабочим телом без промежуточного
9 1 1539391 теплоносителя, он дополнительно снабжен конденсатоотводчиками по числу оболочек, каждый конденсатоотводчик выполнен в виде цилиндра с поршнем, байпасом и обратным клапаном, цилиндр каждого конденсатоотводчика сообщен с одной из полостей, а поршень механически связан с охватывающей эту полость оболочкой, причем нагреватель 1О и холодильник выполнены соответственно в виде испарителя и конденсатора, сообщенных через двухпозиционные клапаны с полостями, охваченными оболочками. t5
2. Двигатель по п.1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью обеспечения возможности его использования в качестве источника давления, он дополнительно снабжен насосными камера- 2О ми переменного объема по числу оболочек, а последние выполнены в виде подвижных стенок камер.
3. Двигатель по пп.1 и 2, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения экономичности путем дополнительного преобразования в механическую энергию тепла рабочего тела, отводимого от оболочек, последние выполнены из материалов с различными температурами проявления памяти, а охваченные ими полости последовательно соединены одна с другой через двухпозиционные клапаны в порядке понижения температуры проявления памяти от оболочки к оболочке по ходу рабочего тела.
4. Двигатель по пп.1-3, о т л и— ч а ю шийся тем, что он дополнительно снабжен аккумулятором давления, сообщенным с насосными камерами посредством дополнительно установленных обратных клапанов, и дополнительно установленным на выходе аккумулятора регулирующим органом.
1539391
1539391
Составитель Л.Тугарев
Техред М.Ходанич Корректор Э.Лончакова
Редактор M.Áàíäóðà
Заказ 201 . Тираж 352 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101