способ преобразования тепловой энергии в механическую и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, заключающийся в том, что термочувствительное рабочее тело помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего ее источника, преобразуют работу расширения рабочего тела в работу исполнительного механизма, отличающийся тем, что в качестве термочувствительного рабочего тела используют жидкость, постоянно пребывающую в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла, препятствуют расширению находящегося в замкнутом объеме рабочего тела в процессе подвода к нему тепловой энергии, расширение рабочего тела осуществляют импульсно, работу расширения рабочего тела преобразуют в кинетическую энергию инерционного элемента, после чего кинетическую энергию инерционного элемента преобразуют в механическую энергию исполнительного механизма.

2. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда, предназначенного для заполнения термочувствительным рабочим телом, гидравлически подсоединенного к системе преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую, а также исполнительный механизм, отличающееся тем, что система преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую содержит гидропривод импульсного действия и инерционный аккумулятор энергии, при этом инерционный аккумулятор энергии соединен с гидроприводом как источником энергии и с исполнительным механизмом как потребителем энергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и, в частности, к преобразованию тепловой энергии в иной вид энергии, например в механическую с возможностью последующего преобразования ее в электрическую энергию.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую путем попеременного нагрева и охлаждения камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, расположенных на периферии полого ротора, заполненного жидкостью. Перераспределение массы жидкости в роторе при изменении объема камер приводит к созданию весового дисбаланса с попеременным перемещением камер в зоны их нагрева и охлаждения за счет названного дисбаланса (см. а.с. СССР 1100422, кл. F 03 G 7/06, 30.06.84 г., бюл. 24). Недостатком известного способа является малая эффективность преобразования энергии, так как создаваемый весовой дисбаланс незначителен.

Указанный недостаток устранен в известном техническом решении, описанном в а. с. СССР 1333823, кл. F 03 G 7/06, 30.08.87 г., бюл. 32, которое может быть рассмотрено в качестве прототипа.

Известный способ заключается в том, что термочувствительное рабочее тело в виде жидкости с растворенной в ней легко испаряемой составляющей помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего ее источника. При повышении температуры рабочего тела растворенная в нем легко испаряемая составляющая переходит в газообразное состояние, при этом за счет образующегося в замкнутом объеме давления совершается механическая работа.

В соответствии с известным техническим решением работа, совершаемая испарившейся частью рабочего тела, ничтожна по сравнению с тепловой энергией, поглощенной рабочим телом, так как давление в упомянутой части рабочего тела незначительно превышает атмосферное давление при использовании малых температурных перепадов.

Таким образом, КПД известного способа не может превысить малых долей процента. Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в механическую по сравнению с известным решением.

В соответствии с предложенным способом преобразования тепловой энергии в механическую, заключающимся в том, что термочувствительное рабочее тело помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего ее источника, преобразуют работу расширения рабочего тела в работу исполнительного механизма, согласно изобретению в качестве термочувствительного рабочего тела используют жидкость, постоянно пребывающую в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла, препятствуют расширению находящегося в замкнутом объеме рабочего тела в процессе подвода к нему тепловой энергии, расширение рабочего тела осуществляют импульсно, работу расширения рабочего тела преобразуют в кинетическую энергию инерционного элемента, после чего кинетическую энергию инерционного элемента преобразуют в механическую энергию исполнительного механизма.

Для реализации данного способа предложено устройство для преобразования тепловой энергии в механическую.

Известно устройство преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее заполненный термочувствительным двухфазным рабочим телом сосуд, систему преобразования избыточного давления одной из фаз рабочего тела в механическую энергию.

Система преобразования включает в себя двигатель и аккумулятор давления (см. а. с. 1333823, кл. F 03 G 7/06, опуб. 30.08.87 г., бюл. 32). Известное устройство рассмотрено в качестве прототипа. Его недостатки вытекают из рассмотренных недостатков способа.

В соответствии с предложенным устройством для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащим поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда, предназначенного для заполнения термочувствительным рабочим телом, гидравлически подсоединенного к системе преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую, а также исполнительный механизм, согласно изобретению система преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую содержит гидропривод импульсного действия и инерционный аккумулятор энергии, при этом инерционный аккумулятор энергии соединен с гидроприводом как источником энергии и с исполнительным механизмом как потребителем энергии.

Предложенный способ преобразования тепловой энергии в механическую реализуется с помощью устройства, варианты которого представлены на фиг.1 и фиг.2.

На фиг. 1 представлено устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда 1, предназначенного для заполнения однофазным жидким термочувствительным рабочим телом 2, и источник 3 внешней тепловой энергии, трубопровод 4 подвода рабочей жидкости в сосуд 1 через клапан 5, поршень 6, положение которого через шток 7 зафиксировано с помощью ограничителя 8 движения. Поршень 6 в совокупности со штоком 7 и ограничителем 8 движения поршня 6 образуют гидропривод импульсного действия. Устройство содержит также инерционный аккумулятор энергии, выполненный в виде маховика 9, который кинематически через шток 7 связан с поршнем 6 с одной стороны и исполнительным механизмом 10 с другой стороны, например с приводом электрогенератора.

На фиг. 2 представлен второй вариант устройства для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащего упомянутый сосуд 1 для заполнения однофазным жидким термочувствительным рабочим телом 2, источник 3 внешней тепловой энергии, трубопровод 4 подвода рабочей жидкости в сосуд 1 через клапан 5. Устройство содержит также гидропривод импульсного действия, выполненный в виде последовательно включенных вентиля 11 импульсного действия и объемного роторного гидродвигателя 12, который кинематически связан как источник энергии с маховиком 9, в свою очередь кинематически связанным с исполнительным механизмом 10 как потребителем энергии.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Жидкое однофазное рабочее тело 2 через трубопровод 4 и клапан 5 подают в сосуд до полного его заполнения. С одной из сторон сосуд 1 ограничен поршнем 6. При этом поршень 6 зафиксирован в заданном положении через шток 7 с помощью ограничителя 8 движения. Далее от источника 3 внешней тепловой энергии подводят, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, тепловую энергию к однофазному жидкому рабочему телу 2. В результате нагрева жидкого рабочего тела 2 и малой его сжимаемости по сравнению с газом давление внутри сосуда 1 возрастает до сотен атмосфер при нагреве рабочего тела 2 в пределах 100^oС по отношению к его первоначальной температуре. По достижении некоторого допустимого для данной системы давления извлекают ограничитель 8 движения из штока 7, как показано на фиг. 1. Поршень 6 начинает равноускоренное движение и с помощью штока 7 раскручивает маховик 9, при этом некоторая часть внутренней энергии рабочего тела 2 переходит в кинетическую энергию маховика 9. Маховик 9 при свободном вращении кинематически не фиксируется штоком 7. Кинетическая энергия маховика 9 передается исполнительному механизму 10, который может быть, например, ротором электрической машины.

В соответствии со вторым возможным вариантом выполнения способа импульсное преобразование части внутренней энергии рабочего тела 2 в кинетическую энергию маховика 9 происходит следующим образом.

Между сосудом 1 и роторным гидродвигателем 12 включен вентиль 11, находящийся в закрытом состоянии в процессе нагрева рабочего тела 2. По достижении некоторого допустимого для данной системы давления вентиль 11 импульсно открывается, при этом давление жидкости 2 практически мгновенно передается роторному гидродвигателю 12, предварительно заполненному той же жидкостью. Расширение жидкости 2 раскручивает двигатель 12, который в свою очередь раскручивает маховик 9. Дальнейшее преобразование кинетической энергии маховика 9 в энергию исполнительного механизма происходит так же, как в описанном выше варианте.

Расчетный КПД составляет несколько процентов.

Предлагаемое изобретение может найти применение для использования в качестве источника энергии, например, отходящих нагретых газов и других нагретых объектов, тепло которых обычно не находит применения.