Способ преобразования тепловой энергии колебаний температуры среды в механическую

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ(73) Патентообладатели Коваленко Владимир Эдуардович, Коваленко Эдуард Петрович(57) 1. Способ преобразования тепловой энергии колебаний температуры среды в механическую, включающий смещение подвижной стенки, общей для резервуара и емкости, изменением давления на нее путем изменения температуры во времени термочувствительного рабочего тела, отличающийся тем, что подвижную стенку смещают силой обусловленной разностью давлений рабочих тел, находящихся в резервуаре и емкости, разность температур рабочих тел во времени создают разностью тепловых потоков, подводимых к ним и отводимых от них через стенки соответственно резервуара и емкости, осуществляют поворот головки подзавода пружинного механизма смещением подвижной стенкой приводных реек преобразователя возвратнопоступательного движения во вращательное. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальное давление в резервуаре и емкости ограничивают величиной массы рабочего тела, находящегося в них, а величину рабочего хода подвижной стенки регулируют величиной теплоемкости емкости. 3. Способ по .1, отличающийся тем, что подвижную стенку возвращают в исходное положение при равенстве температур рабочих тел в резервуаре и емкости. Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано преимущественно для автоматической подзаводки пружинных двигателей преимущественно часовых механизмов за счет перепада давлений рабочих тел, обусловленного колебаниями температуры в естественной среде. Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую и устройство для его осуществления 1. По этому способу попеременным нагреванием и охлаждением камер, заполненных термочувствительным рабочим телом и расположенных по периферии полого ротора, при расширении камер примыкающую к ним жидкость выталкивают в нагревательную полость, а при сжатии камер в освобождающийся объем засасывают жидкость из всасывающей полости, чем перераспределяют массу жидкости в роторе и создают его весовой дебаланс. Недостатком этого технического решения является то, что для получения механической энергии вращения необходимо наличие двух сред, имеющих значительный перепад температур между собой. По способу, известному по техническому решению 2 при нагревании рабочего тела в сосуде газообразное рабочее тело по напорному трубопроводу подают в аккумулятор через двигатель и соответствующие клапаны до выравнивания давления в полостях устройства, чем приводят его во вращение. При уменьшении температуры рабочего тела в сосуде газообразное рабочее тело подают из аккумулятора по всасывающему трубопроводу через обратные клапаны в двигатель, чем приводят последний во вращение. Недостатком этого технического решения является низкая надежность работы, так как происходят бесполезные утечки газообразного рабочего тела через клапаны, минуя двигатель, через зазоры лопастей двигателя с его кожухом, а такие через уплотнения оси двигателя в окружающую среду, вызывая ее загрязнение. Кроме того, наличие клапанов и трубопроводов понижает эффективность работы из-за гидравлических потерь в них. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является техническое решение 3, по которому изменение давления рабочего тела в резервуаре аккумулятора вызывают изменением температуры рабочего тела в сосуде, а изменение давления в герметичной емкости аккумулятора создают изменением ее объема. Смещают подвижную стенку аккумулятора под действием изменения сил давления на нее со стороны резервуара. За счет разности давления газа в сосуде и резервуаре создают газообмен между ними через двигатель, чем приводят во вращение его ротор. Момент силы вращения ротора передают на головку подзавода пружинного механизма механического двигателя. Недостатками такого решения являются низкая надежность из-за возможности утечек газа через клапаны из напорного трубопровода во всасывающий, минуя двигатель, через уплотнения оси двигателя в окружающую среду, что может вызвать ее загрязнение, а также низкая эффективность работы в широком диапазоне изменения средней температуры естественной среды без изменения давления газа в резервуаре регулятора и наличие гидравлических потерь в клапанах и трубопроводах. Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности преобразования тепловой энергии изменений температуры в среде в механическую. Задача решается тем, что подвижную стенку смещают силой разности давления на нее рабочих тел, находящихся в резервуаре и емкости, а разность давления в последних поддерживают разностью температур рабочих тел, которую создают разностью тепловых потоков, подводимых к рабочим телам и отводимым от них соответственно через стенки резервуара и емкости от и к среде, температура которой изменяется во времени. Причем поворот головки подзавода пружинного механизма осуществляют смещением приводных реек преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное подвижной стенкой. Подвижную стенку возвращают в исходное положение при равенстве температур рабочих тел в резервуаре и емкости. Максимальное давление в резервуаре и емкости ограничивают величиной массы рабочего тела, находящегося в них, а величину рабочего хода подвижной стенки регулируют величиной внутренней теплоемкости резервуара. Эти признаки являются существенными для достижения поставленной задачи. Так, смещение подвижной стенки силой разности давления на нее рабочих тел, находящихся в резервуаре и емкости, является необходимым условием увеличения рабочего хода подвижной стенки при колебаниях температуры среды, в которой расположено устройство, возвращения подвижной стенки в заданное исходное положение при равенстве температур рабочих тел, находящихся в резервуаре и емкости, что дает также возможность увеличить диапазон изменения средних температур, в пределах которого возможно эффективное преобразование тепловой энергии. 2 2689 1 Созданием разности тепловых потоков, подводимых к рабочим телам и отводимым от них соответственно через стенки резервуара и емкости от и к среде, в которой расположено устройство, и температура которой изменяется во времени, обеспечивают поддержание разности температур, а следовательно, и давлений в резервуаре и емкости, под действием которых смещают подвижную стенку. Смещение приводных реек преобразователя возвратно - поступательного движения во вращательное подвижной стенкой позволяет осуществлять автоматический подзавод пружинного механизма поворотом головки подзавода в одном направлении независимо от направления смещения подвижной стенки. Эти признаки в результате позволяют достичь повышения надежности и эффективности за счет устранения гидравлических потерь, утечек рабочего тела и расширения диапазона средних температур, в котором возможно эффективное преобразование тепловой энергии. Ограничение величины массы рабочего тела, находящегося в резервуаре и емкости, дает возможность при заданной температуре в этих емкостях иметь все рабочее тело испарившимся, а следовательно, уменьшить рост его давления при дальнейшем возрастании температур, что позволяет конструктивно увеличить теплопроводность резервуара и уменьшить его теплоемкость. Увеличение теплоемкости емкости позволяет уменьшить изменение температуры при изменении величины давления приводной стенки в резервуаре, что в результате обеспечивает увеличение е рабочего хода. Приведенные признаки в совокупности позволяют решить поставленную задачу. Способ реализуют, например, с помощью следующего устройства. На фиг.1 показано такое устройство с резервуаром и емкостью, выполненными в виде сильфонов, на фиг.2 - вид его сверху, на фиг.3 устройство с резервуаром и емкостью, выполненными в виде общего цилиндра. Способ осуществляют с помощью устройства, которое содержит переменного объема герметичные резервуар 1 и емкость 2, установленные на общей жесткой раме 3, преобразователь 4 возвратно - поступательного движения во вращательное одного направления, головку 5 подзавода пружинного механизма (фиг.1 и 2). Резервуар 1 и емкость 2 имеют общую подвижную стенку 6 и соответственно неподвижные стенки 7 и 8,установленные на раме 3 и заполненные рабочим телом 9 заданной массы, изменяющим свой объем и/или давление с изменением температуры (например, бутаном, водным раствором аммиака, фреоном, или смесью бутана и пропана). Резервуар 1 выполнен имеющим возможно более теплопроводные с возможно меньшей теплоемкостью стенки, а емкость 2 имеет теплоизолированные стенки и повышенную теплоемкость. Подвижная стенка 6 связана с рамкой 10 преобразователя 4. Рамка 10 выполнена с возможностью продольного смещения в направляющих 11, жестко установленных на раме 3. На стойке 12 рамки 10 установлены пружины 13 и 14, опирающиеся одним концом на соответствующие направляющие, а вторым концом на поперечные направляющие 15 и 16 храповых реек 17 и 18, выполненных с возможностью смешения по этим направляющим и расположенных по разные стороны головки 5. На поперечных направляющих 15 и 16 установлены пружины 19, одним концом опирающиеся на стойки 12 рамки 10, а вторым концом на соответствующие храповые рейки 17 и 18 и прижимающие последние к головке 5. Головка 5 на внешнем ободе имеет косые зубья 20, выполненные имеющими одну сторону 21, близкую к касательной к ободу, а вторую сторону 22, расположенную близко к радиусу головки 5. На рейках 17 и 18 на сторонах 23 и 24, расположенных к головке 5, расположены аналогичные по форме и размерам косые зубья. Причем зубья, находящиеся на стороне 23 рейки 17, имеют противоположное по направлению расположение зубьев на стороне 24 рейки 18. Подвижная стенка 6 может быть связана со стойкой 12 магнитным соединением 25. Головки 5 двух или более устройств могут быть расположены на одной оси 26 завода пружинного механизма, причем выполненными поворачивающими ось 26 в одном направлении каждой головкой, например, по часовой стрелке. Внутри емкости 2 расположены дополнительные теплоемкости 27, например, в виде жидкости, химически инертной в рабочему телу, или твердого тела. Резервуар 1 и емкость 2 могут быть выполнены в виде герметичного цилиндра с общим поршнем 29, разделяющим цилиндр 28 на две части резервуар 1 и емкость 2 (фиг. 3). Теплоизоляция емкости 2 выполнена в виде цилиндра 30 с возможностью смещения по цилиндру 28. Входной торец 31 цилиндра 30 и поршень 29 выполнены в виде магнитной муфты, кинематически соединяющей торец 31 и поршень 29, а стенки цилиндра 28 в пределах возможного смещения торца 31 и поршня 29 выполнены магнитопроницаемыми (см. фиг. 3). Внутри резервуар 1 и емкость 2 могут иметь фитильное покрытие стенок (на фиг. не показано). Цилиндр 28 может быть выполнен состоящим из двух частей одной 32, имеющей теплоизолированные стенки, примыкающие к емкости 2, и второй части 33, теплопроводные стенки которой примыкают к резервуару 1. Внешняя сторона части 32 может быть дополнительно связана с внутренней частью торца цилиндра 30 пружиной 34. Подвижная стенка 6 или цилиндр 30 могут быть жестко связаны со штоком 35, к которому шарнирно подсоединены одни концы храповых реек 17 и 18 с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оси 26, а вторые их концы соединены пружиной 36, прижимающей их к головке 5 (фиг. 3). 3 2689 1 Ось 26 является осью завода пружинного механизма 37, корпус которого жестко связан стойкой 38 с неподвижными жесткой рамой 3 или стенкой 7. Подвижная стенка 6 теплоизолирует друг от друга резервуар 1 и емкость 2, но является теплопроводной со стороны резервуара 1. Для этого подвижная стенка 6 может быть выполнена из двух, жестко соединенных между собой, отдельных стенок, одна из которых ограничивает резервуар 1 и выполнена возможно более теплопроводной и с наименьшей теплоемкостью, а вторая стенка ограничивает емкость 2 и выполнена теплоизолированной (на фиг. не показано). Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом. Когда температура среды, например, воздуха, в которой расположено устройство, возрастает, например,утром, то через теплопроводные стенки резервуара 1 нагревают рабочее тело, находящееся в нем, и соответственно увеличивают давление. В емкости 2, имеющей теплоизолированные стенки, существенного изменения температуры рабочего тела не происходит. В результате создают разность давления на подвижную стенку 6 и ее смещают вниз (см. фиг. 1) или вверх (фиг. 3). При смещении стенки 6 объем резервуара 1 увеличивают, а емкости 2 уменьшают. В результате в резервуаре 1 жидкое рабочее тело начинают испарять,а происходящее поглощение тепла компенсируют подводом его из внешней среды. При сжатии емкости 2 часть газообразного рабочего тела сжижают, при этом выделяется тепло, но температура рабочего тела из за повышенной внутренней теплоемкости емкости 2 изменяется тем меньше, чем больше такая теплоемкость. В результате сдвиг стенки 6 увеличивают с замедлением роста температуры, а, следовательно, и давления по мере увеличения количества тепла, аккумулируемого теплоемкостью. При сдвиге стенки 6 вниз(фиг. 1) пружину 14 сжимают, а пружину 13 растягивают, чем ограничивают диапазон сдвига от исходного положения. После достижения равновесия сил, действующих на стенку 6, при стабилизации температуры, например днем, внешней среды, происходит медленное подогревание рабочего тела, находящегося в емкости 2,и давление в ней повышают, в результате стенку 6 смещают по направлению к своему исходному положению. При уменьшении температуры воздуха, например, к ночи, происходит относительно быстрое уменьшение температуры рабочего тела в резервуаре 1 по сравнению с рабочим телом в емкости 2. В результате давление в емкости 2 повышают больше, чем в резервуаре 1. Подвижную стенку смещают вверх (фиг. 1), резервуар 1 сжимают, а емкость 2 расширяют. Выделяемое при этом в резервуаре 1 тепло отводят через теплопроводные стенки в воздушную среду, а в емкости 2 аккумулированным теплоемкостью теплом компенсируют поглощение тепла при испарении рабочего тела. Этим достигают увеличение диапазона смешения стенки 6. Сжатием пружины 13 и растяжением пружины 14 ограничивают пределы смещения стенки 6. При стабилизации температуры воздуха, например, в ночное время, под действием пружин 13 и 14, а также медленным охлаждением рабочего тела в емкости 2 стенку 6 начинают смещать к своему исходному положению. При увеличении температуры воздуха к утру процесс смещения стенки 6 повторяют. При сезонном колебании температур температура рабочего тела в емкости 2 будет колебаться вокруг температуры, близкой к средней температуре воздуха за длительный период времени, что обеспечивают теплоизоляцией стенок емкости 2. Чем ниже теплопроводность емкости 2, тем больше времени необходимо, чтобы изменить температуру рабочего тела в ней. Этим обеспечивают поддержание температуры рабочего тела, близкой к средней за длительный промежуток времени в емкости 2, а следовательно, автоматическое поддержание стенки 6 в требуемом исходном положении при изменении средних сезонных температур и работоспособности устройства при колебаниях температуры относительно этих средних. Смещением стенки 6 сдвигают рамку 10 или шток 35. При смещении стенки 6 вверх (фиг. 1) зубья рейки 18, прижатые пружинами 19, контактируют с зубьями головки 5, и поворачивают ее по часовой стрелке, при этом зубья рейки 17 скользят по зубьям головки 5, отжимая пружины 19. При движении вниз рамки 10 стенкой 6 зубья рейки 17 захватывают зубья головки 5, поворачивая ее также по часовой стрелке, в то время как зубья рейки 18 скользят по зубьям головки 5. Когда пружина механизма 37 заведена полностью при заданной силе момента вращения головки 5 магнитное соединение 25 разрывают и происходит смещение стенки 6 без поворота головки 5. В случае, если в качестве рабочего тела использовать, например, пропан (С 3 Н 8) /6/, то в пределах, например, абсолютной температуры Т 300 К коэффициент объемного расширения - сжатия емкости 2 можно обеспечить равным не менее 0,03 на один градус изменения температуры среды, в которой расположено устройство. Изобретение целесообразно использовать прежде всего для подзавода пружинных механизмов часовых устройств гидрометрических приборов, а также общественных и бытовых часов, расположенных в средах,температура которых периодически изменяется во времени, например, в разрезе суток. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5