Тепломеханический преобразователь ("Русский двигатель")

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к нетрадиционным преобразователям тепловой энергии в механическую работу. Оно может быть применено в приводах электрических агрегатов, насосно-компрессорного и другого оборудования промышленного, сельскохозяйственного и иного назначения, преимущественно с использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.

Известно множество конструкций нетрадиционных преобразователей тепловой энергии в механическую работу, представленных, например, в изобретениях SU 478123 кл. F03G 7/06, 1973; SU 709830 кл. F03G 7/06, 1978; SU 987162 кл. F03G 7/06, 1981; SU 1307084 кл. F03G 7/06,1987; RU 2200252 C2 кл. F03G 7/06, 2001, которые из-за своего несовершенства не нашли практического применения.

Известна конструкция тепломеханического преобразователя по патенту RU №2442906, 2012 г., сходная с заявляемым устройством тем, что рабочим телом в нем являются твердые материалы с высоким коэффициентом теплового расширения.

К тому же, оба устройства могут работать в режиме когенерации.

Упомянутый тепломеханический преобразователь, содержащий установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, а также зоны нагрева и охлаждения (температурные зоны), имеет фланец, связанный с теплочувствительными элементами и опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, жестко связанного с золотником, управляющим потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).

Опорный фланец позволяет преобразовывать поочередное изменение длин связанных с ним теплочувствительных элементов под действием меняющейся температуры в циклическое изменение направления его наклона, воздействующее на фланец вала, получающего при этом вращающий момент.

Данный аналог отличается простотой конструкции, универсальностью по виду используемых источников преобразуемой тепловой энергии, возможностью работы в режиме автоматического поддержания стабильной частоты вращения в условиях изменяющейся нагрузки. Главным его недостатком является низкий КПД из-за ограниченного предела упругости рабочих теплочувствительных элементов (ТЧЭ). При этом он имеет большой продольный размер даже в расчете на значительную - около сотни градусов - разность температур используемых тепловых агентов. При разности в два-три десятка градусов этот размер окажется за пределами практических возможностей использования такого преобразователя.

Задачей при разработке заявляемого преобразователя наряду с упрощением конструкции являются сокращение габаритов и - главное - обеспечение возможности его работы при малых перепадах температур тепловых агентов, позволяющей использовать такие низкопотенциальные теплоисточники, как тепловые аккумуляторы, термальные воды или перепад температур в морских акваториях.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепломеханический преобразователь, содержащий зоны нагрева и охлаждения, установленный в подшипниках ротор с теплочувствительными элементами, а также золотниковое устройство, управляющее потоками подаваемых к ним нагревательного и охлаждающего теплоносителей, отличающийся тем, что согласно изобретению ротор выполнен в виде цилиндрического биметаллического барабана, посаженного на упругую втулку с теплообменными каналами, примыкающую к золотниковому устройству, при этом барабан оснащен контактирующими с его поверхностью роликами.

Такая конструкция барабана придает ему свойство изменять свою форму при разности температур отдельных участков (сегментов) его поверхности, при этом в местах ее контакта с роликами возникают тангенциальные силы взаимодействия F_t, создающие вращательный момент.

На фиг. 1 показано принципиальное решение тепломеханического преобразователя, на фиг. 2 - ротор в поперечном разрезе, на фиг. 3 - вариант распределительного канала золотника в зоне нагрева, на фиг. 4 - развертка поверхности упругой втулки с теплообменными каналами и диаграмма оптимального распределения температуры по контуру теплочувствительного слоя барабана, на фиг. 5 - общий вид шестизонного преобразователя.

Устройство преобразователя в принципе предельно простое. На фиг. 1 показано поперечное сечение биметаллического цилиндра: сплошной линией - при одинаковой температуре по всей его поверхности (это круговой цилиндр), а штрихпунктирной линией - при одинаково нагретых (слева и справа) и одинаково охлажденных (вверху и внизу) симметрично расположенных сегментах. Если температурное поле в металле распределено по кругу так, как показано на диаграмме (фиг. 3), то - при отсутствии роликов -барабан примет форму, близкую к эллиптическому цилиндру с указанной ориентацией осей (это при большем коэффициенте температурного расширения у внутреннего слоя цилиндра).

Итак, заявляемый тепломеханический преобразователь в представленном на фиг. 2 четырехзонном варианте содержит ротор 1, состоящий из биметаллического барабана 2, посаженного на упругую втулку 3 с теплообменными каналами, шарнирных звеньев 4, связывающих ее со ступицей вала 5. С торцов к ротору примыкают диски 6 (см. фиг. 4) золотникового устройства, подключенного к внешним контурам: к источникам горячего и охлаждающего теплоносителя, а также к утилизаторам "сбросного" тепла. Золотниковое устройство неподвижно связано с корпусом преобразователя. Своей наружной поверхностью барабан 2 касается свободно сидящих на своих осях роликов 7 (см. фиг. 2).

При этом следует сказать, что более перспективными могут оказаться преобразователи с большим числом температурных зон. Вариант шестизонного тепломеханического преобразователя показан на фиг. 5.

Поскольку изготовление барабана из обычного биметаллического листового проката может оказаться проблематичным, можно воспользоваться его упрощенной конструкцией. Она представляет собой пару вставленных один в другой цилиндров, склеенных известным теплоизоляционным составом, применяемым для наружных покрытий.

Внутренний цилиндр должен быть изготовлен из металла с большим коэффициентом температурного расширения, например листового проката из наиболее прочных алюминиевых сплавов. При такой конструкции барабана к материалу наружного цилиндра не предъявляется никаких требований по его термическим свойствам: он изолирован от нагрева и потому его размеры неизменны, следовательно, он может быть изготовлен из обычной безшовной стальной тонкостенной трубы соответствующего диаметра.

Упругая втулка 3 может быть из теплостойкого полимера.

В таком варианте конструкции ротора 1 будут сокращены и теплопотери барабана.

Работа тепломеханического преобразователя основана на свойстве его барабана 2 менять свою форму при изменении температурного поля в его сегментах: при их одинаковой температуре он является круговым цилиндром, расположенным между плотно примыкающими к нему роликами 7. С изменением температуры металла, как показано на диаграмме (фиг. 4), внутренний слой в нагретых зонах расширяется, увеличивая там радиус кривизны стенки цилиндра, а в зонах охлаждения наоборот: радиус кривизны уменьшается. При отсутствии роликов 7 форма цилиндра в его поперечном сечении приняла бы вид, близкий к эллипсу. Однако ролики нарушают эту форму, создавая местные механические напряжения (сила F), под действием тангенциальной составляющей этой силы он поворачивается вокруг своей оси. А поскольку зоны нагрева и охлаждения сохраняют свое положение, они восстанавливают прежнюю ориентацию осей эллипса и, таким образом, поворот цилиндра продолжается.

Изображенное на диаграмме оптимальное "синусоидальное" распределение температурного поля можно создать разными способами: простейший из них показан на фиг. 3. Это вариант с распределением потока теплоносителя каналами в золотниковых дисках 6, обозначенными штрихпунктирным контуром с входным отверстием посредине. Однако такой вариант требует большого притока тепла, основная часть которого сбрасывается с выходящим из преобразователя потоком.

Более экономичным вариантом является способ с рекуперацией тепла, показанный на развертке втулки 3 (см. фиг. 4), при котором тепло сегментов, перемещающихся в зоны охлаждения, отбирается встречным потоком и передается на предварительный нагрев следующих за ними сегментов. А поток горячего теплоносителя от его источника подается только на экстремальный нагрев (средней части нагреваемых сегментов), после чего он возвращается в источник, если им является теплоаккумулятор либо другой источник с замкнутым контуром нагрева теплоносителя.

При этом сбрасываемый из системы рекуперации поток содержит небольшой тепловой потенциал, но и он может быть утилизирован в других целях. А собственный КПД преобразователя с такой системой теплообмена повышается в несколько раз.

Вращение барабана 2 (вместе с втулкой 3) передается ступице вала 5 шарнирными звеньями 4, обеспечивающими возможность упругой деформации ротора 1.

Регулирование крутящего момента на валу ротора 1 и его частоты вращения возможно в автоматическом режиме небольшим перемещением осей роликов 7 вокруг барабана, а также изменением параметров (температуры, интенсивности потока) теплоносителей.

Представленный преобразователь работает на малых скоростях, не создает шума и вибраций. Не требует высококвалифицированного сервиса, удобный для использования в когенераторных установках (микроТЭЦ).

Освоение массового производства заявленного преобразователя позволит решить проблему комплексного энергоснабжения самых разноплановых объектов преимущественно от возобновляемых источников энергии, упростить конструкцию энергетических установок, работающих на таких источниках и - при использовании новых конструкционных материалов - повысить их эффективность, а также поможет в решении важных социальных вопросов, включая проблему занятости населения.