Тепловой двигатель

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Снежко Эдуард Константинович(72) Автор Снежко Эдуард Константинович(73) Патентообладатель Снежко Эдуард Константинович(57) 1. Тепловой двигатель, содержащий корпус и установленные в нем с возможностью одновременного вращения на своих осях наружную и внутреннюю кольцевые обечайки, при этом внутренняя кольцевая обечайка содержит внутренний кольцевой паропровод, механически и гидравлически сообщенный с торцевыми капиллярно-пористыми стенками соединяющих внутреннюю и наружную кольцевые обечайки емкостей переменного объема,равномерно установленных по окружностям кольцевых обечаек и заполненных в качестве рабочего тела легкокипящей жидкостью, отличающийся тем, что содержит дополнительные наружную и внутреннюю кольцевые обечайки и соединяющие их емкости переменного объема, при этом оси вращения внутренних кольцевых обечаек выполнены с плавающей 13669 1 2010.10.30 опорой, смонтированной в корпусе на установленных по его окружности термочувствительных спицах с возможностью изменения величины и направления эксцентриситета относительно оси вращения наружных обечаек или величины и направления плоскости расположения угла между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек емкости переменного объема выполнены с боковыми стенками в виде гофр, изменяющих величину шага при изменении температуры, и сообщены друг с другом посредством шлангов с обратными клапанами. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит термосифонные тепловые трубы, которые соосно наполовину вмонтированы в емкости переменного объема. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительные спицы плавающей опоры внутренних кольцевых обечаек выполнены в виде заполненных легкокипящей жидкостью камер переменного объема с боковыми стенками в виде сильфона из сплава с тепловым эффектом запоминания формы. Применение как преобразователь возобновляемой энергии солнечной радиации в тепловую и механическую энергию для привода вала отбора мощности. Использование в гелиотехнике и в аграрной энергетике, в частности в автономных водонагревательных и насосных системах, например для капельного полива сельскохозяйственных культур, и в системах водоснабжения для производственных и бытовых нужд агропромышленного комплекса. Известны тепловые двигатели по патентам 1, 2, содержащие смонтированный в корпусе ротор, состоящий из внутреннего и наружного колец, установленных эксцентрично относительно друг друга, и связывающих их между собой рабочих элементов, расположенных равномерно по окружностям внутреннего и наружного колец. В патенте 2 для повышения эффективности отвода тепла от термомеханических рабочих элементов, расположенных в зоне охлаждения теплового двигателя, используется оребрение нижней части корпуса, изготовленной из теплопроводного материала. Известны более эффективные теплопередающие устройства, как, например, тепловая труба по патенту 3, предназначенная для охлаждения вращающегося вала. Однако для переноса массы рабочего тела, т.е. жидкой фазы теплоносителя, из зоны охлаждения в зону нагрева такой тепловой трубе необходим привод для создания вращения. Известны также преобразователи тепловой энергии по патентам 4, 5, предназначенные для превращения низко потенциального тепла в механическую работу. Такие устройства содержат корпус и ротор между зонами нагрева и охлаждения, цилиндры с рабочим телом и поршнями, расположенные попарно противоположно вдоль диаметра ротора с возможностью одновременного попадания при вращении ротора одного из них в зону нагрева, а другого - в зону охлаждения, и попарно связанные между собой соединительными трубками. Недостатками этих аналогов являются небольшая развиваемая мощность и эффективность работы при высокой материалоемкости, связанной с увеличением длины ротора из-за попарного соединения между собой цилиндрических рабочих камер. Прототипом является устройство, реализующее способ работы тепловой трубы по патенту 6. Такая тепловая труба в виде теплового двигателя расположена между зонами нагрева и охлаждения и содержит корпус и установленные в нем с возможностью одновременного вращения на своих осях наружную и внутреннюю кольцевые обечайки, при этом внутренняя кольцевая обечайка содержит внутренний кольцевой паропровод, механически и гидравлически сообщенный с торцевыми капиллярно-пористыми стенками соединяющих внутреннюю и наружную кольцевые обечайки емкостей переменного объема,равномерно установленных по окружностям кольцевых обечаек и заполненных в качестве рабочего тела легкокипящей жидкостью. 2 13669 1 2010.10.30 В зонах подвода и отвода тепла в открытых капиллярах торцевых капиллярнопористых стенок емкостей переменного объема данного устройства происходит испарение и конденсация соответственно рабочего тела, т.е. расходование и пополнение соответственно емкостей переменного объема легкокипящей жидкостью в этих зонах, и за счет мощных капиллярных сил, возникающих в менисках смачивающей открытые капилляры легкокипящей жидкости, идет процесс сжатия и расширения соответственно боковых стенок емкостей переменного объема и, как следствие, вращение соединяющих их кольцевых обечаек со значительным крутящим моментом. Однако прототип имеет ряд существенных недостатков, связанных с постоянством величин эксцентриситета и его угла наклона относительно горизонтальной плоскости, что создает неудобство в эксплуатации, ограничивает величину крутящего момента и требует подключения к системе слежения за источником тепла - солнцем. Технической задачей изобретения является повышение эффективности и автономности работы устройства, увеличение его крутящего момента и коэффициента полезного действия при увеличении плотности потока солнечной радиации и изменении его направленности. Сущность изобретения состоит в том, что тепловой двигатель содержит дополнительные наружную и внутреннюю кольцевые обечайки и соединяющие их емкости переменного объема, при этом оси вращения внутренних кольцевых обечаек выполнены с плавающей опорой, смонтированной в корпусе на установленных по его окружности термочувствительных спицах с возможностью изменения величины и направления эксцентриситета относительно оси вращения наружных обечаек или величины и направления плоскости расположения угла между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек. Емкости переменного объема выполнены с боковыми стенками в виде гофр, изменяющих величину шага при изменении температуры, и сообщены друг с другом посредством шлангов с обратными клапанами. Причем тепловой двигатель содержит термосифонные тепловые трубы, которые соосно наполовину вмонтированы в емкости переменного объема. При этом в тепловом двигателе термочувствительные спицы плавающей опоры внутренних кольцевых обечаек выполнены в виде заполненных легкокипящей жидкостью камер переменного объема с боковыми стенками в виде сильфона из сплава с тепловым эффектом запоминания формы. Технический результат в том, что нагрев и охлаждение термочувствительных спиц приводит к смещению положения плавающей опоры относительно корпуса и соответственно к изменению величины и направления эксцентриситета ее оси относительно оси вращения наружных обечаек или величины и направления плоскости расположения угла между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек. Такое техническое решение позволяет учитывать изменение направленности падающего на устройство потока тепла и поддерживать пропорциональность разности степени сжатия и расширения емкостей переменного объема величине этого теплового потока. Кроме того, крутящий момент тепловой двигатель создает в результате сложения капиллярных сил, возникающих в торцевых капиллярно-пористых стенках емкостей переменного объема, и сил, создаваемых боковыми стенками тех же емкостей, выполненных в виде гофр, изменяющих величину шага при изменении температуры. Автоматическая установка устройства на максимальный крутящий момент при изменениях направления теплового потока и его плотности повышает эффективность и автономность работы теплового двигателя и увеличивает его коэффициент полезного действия. На фиг. 1 изображен продольный разрез теплового двигателя с изменяемым по величине и направлению эксцентриситетом между осью плавающей опоры внутренних кольцевых обечаек и осью вращения наружных кольцевых обечаек. 3 13669 1 2010.10.30 На фиг. 2, 3 и 4 изображены схемы наземного и морского вариантов установки кольцевых обечаек теплового двигателя при направлении теплового потока снизу вверх и поперечный разрез емкостей переменного объема теплового двигателя с термосифонными тепловыми трубами, наполовину вмонтированными в емкости переменного объема, соответственно. На фиг. 5 - продольный разрез теплового двигателя с изменяемым по величине и направлению плоскости расположения углом между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек с радиальным расположением осей симметрии камер переменного объема термочувствительных спиц плавающей опоры. На фиг. - 6 продольный разрез теплового двигателя, изображенного на фиг. 5, с осевым расположением осей симметрии камер переменного объема термочувствительных спиц плавающей опоры. На фиг. 7 и 8 - поперечный и продольный разрезы соответственно теплового двигателя, концы осей вращения кольцевых обечаек которого соединены шарнирно между собой с установкой этих осей в горизонтальной плоскости в виде правильного многоугольника,для перекачивания жидкостей в перистальтическом насосе. На фиг. 9 - вид в плане на тепловой двигатель, изображенный на фиг. 7 и 8, оси вращения кольцевых обечаек которого образуют между собой плоскую двойную спираль. На фиг. 10 - вид в плане на конструктивный вариант установки внутреннего кольцевого паропровода кольцевых обечаек теплового двигателя, изображенного на фиг. 7 и 8, в виде замкнутой цилиндрической спирали, ось которой совпадает с осью вращения кольцевых обечаек и образует в плане окружность. На фиг. 11 - поперечный разрез емкости переменного объема кольцевых обечаек теплового двигателя. На фиг. 12 и 13 приведены варианты вертикального и горизонтального соответственно расположения осей симметрии противоположных камер переменного объема, изменяющих положение плавающих опор кольцевых обечаек теплового двигателя. Тепловой двигатель (фиг. 1) имеет разъемный цилиндрический корпус 1 с концентратором солнечной энергии 2 и прозрачным покрытием 3, наружные кольцевые обечайки 4 с окнами 5 и осями вращения 6, внутренние кольцевые обечайки 7 с внутренними кольцевыми паропроводами 8 и осями вращения 9 и соединяющие эти обечайки емкости переменного объема 10. Емкости переменного объема 10 заполнены в качестве рабочего тела быстроиспаряющейся жидкостью и имеют торцевые капиллярно-пористые стенки 11 и боковые гофрированные стенки 12, гофры которых могут изменять свой шаг при изменении температуры. Оси вращения 9 имеют плавающую опору 13 с термочувствительными спицами, выполненными в виде камер переменного объема 14, закрепленных равномерно по окружности корпуса 1. Оси 6 и 9 устанавливаются перпендикулярно азимутальной плоскости движения Солнца по небосводу с помощью регулируемых опор корпуса 1 (на фиг. 1 не показаны). Емкости переменного объема 10 гидравлически сообщены между собой при помощи шланга 15 с обратными клапанами 16. Принцип работы заключается в следующем. Сконцентрированная лучистая энергия Солнца проникает через прозрачные покрытия 3 разъемного цилиндрического корпуса 1 и окна 5, разогревая быстроиспаряющуюся жидкость (рабочее тело), заключенную в емкостях переменного объема 10, обращенных к Солнцу. При этом рабочее тело, заключенное в емкостях переменного объема 10, находящихся в теневой зоне, естественно либо вынужденно охлаждается холодной водой или воздухом. За счет капиллярного эффекта в порах торцевых капиллярно-пористых стенок 11, обращенных в сторону паропровода 8,при испарении происходит уменьшение объема легкоиспаряющейся жидкости, содержащейся в емкостях переменного объема 10, находящихся в зоне нагрева. В результате чего,а также за счет изменения шага гофр боковых стенок 12 при изменении температуры,происходит автоматическая ориентация эксцентриситета осей 6 и 9 в направлении пада 4 13669 1 2010.10.30 ющего теплового потока и установка величины этого эксцентриситета пропорционально плотности теплового потока, падающего на устройство в данный момент времени. В емкостях переменного объема 10, находящихся в зоне охлаждения происходят обратные процессы конденсация в открытых порах торцевых стенок 11, увеличение объема рабочего тела и расширение емкостей 10. Эти процессы создают дополнительное увеличение крутящего момента на валу теплового двигателя за счет тех же, но противоположно направленных сил, возникающих в результате реализации капиллярного эффекта и теплового эффекта запоминания формы. Преобразователями энергии в нем служат емкости переменного объема 10, на торцевые стенки которых (после перераспределения в емкостях рабочего тела во время автоматической их ориентации по направлению теплового потока с помощью камер 14 и закрытия обратных клапанов 16 шланга 15) начинают действовать капиллярные силы быстроиспаряющейся жидкости, смачивающей открытые в сторону паропровода 8 капилляры торцевых стенок 11. Они понижают внутреннее давление и сжимают емкости переменного объема 10 при уменьшении в них жидкости в результате ее интенсивного испарения в зоне нагрева. Им помогают силы, создаваемые в гофрах боковых стенок емкостей переменного объема 10, изменяющих величину шага при изменении температуры. Испарившееся в зоне нагрева рабочее тело перемещается в виде пара по паропроводу 8 в зону охлаждения, где конденсируется на расположенных в этой зоне более холодных менисках находящейся в капиллярах торцевых стенок 11 жидкости. Это увеличивает краевой угол смачивания и повышает тем самым давление внутри жидкости, заключенной в охлажденных емкостях переменного объема 10. И если в зоне нагрева суммарные силы стремятся сжать находящиеся там емкости 10,то в зоне охлаждения противоположно им направленные силы стремятся расширить эти емкости. В результате за счет равнодействующей этих сил, направленной на эксцентрично установленные кольцевые обечайки 4 и 7, происходит их одновременное вращение на осях 6 и 9 соответственно. Сжимающиеся емкости 10 попадают в зону охлаждения, а расширяющиеся - в зону нагрева. Емкости переменного объема 10, непрерывно меняясь местами, заставляют обе обечайки вращаться. Таким образом, цикл непрерывно повторяется до тех пор, пока существует однонаправленный тепловой поток от солнечной радиации или иного источника тепловой энергии. Технический результат состоит в том, что оси 9 обечаек 7 снабжены плавающими подвижными опорами 13, изменяющими с помощью термочувствительных спиц, выполненных в виде камер 14, пространственное положение осей вращения 9 кольцевых обечаек 7. Камеры переменного объема 14 заполнены легкокипящей жидкостью, изменяющей свой объем при изменении температуры. Боковые стенки камер 14 выполнены в виде сильфона из сплава с тепловым эффектом запоминания формы. Таким путем достигается возможность изменения величины и направления эксцентриситета осей 6 и 9 кольцевых обечаек 4 и 7 соответственно или величины и направления плоскости расположения угла между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек. В результате происходит автоматическое совмещение зоны нагрева (падения солнечной радиации) с зоной испарения (сжатия емкостей переменного объема 10), и обеспечивается увеличение крутящего момента и автономность работы теплового двигателя. На фиг. 2 показано положение внутренней и наружной кольцевых обечаек теплового двигателя при поступлении теплового потока Е снизу и использовании отражателя 18,экрана 19 и вентилятора 21. На фиг. 3 приведен морской вариант положения обечаек, изображенных на фиг. 2 и установленных на поплавках 20. На фиг. 4 показано расположение термосифонных тепловых труб 17, соосно наполовину вмонтированных в емкости переменного объема 10, соединяющие кольцевые обе 5 13669 1 2010.10.30 чайки 4 и 11. Такое техническое решение позволяет увеличить рабочую поверхность теплообмена. Технический результат - более интенсивный процесс нагрева и охлаждения находящейся в емкостях 10 рабочего тела, что повышает к.п.д. всего устройства. На фиг. 5 и 6 даны продольные разрезы тепловых двигателей, выполненных с возможностью изменения по величине и направлению плоскости расположения угла между осями вращения каждой из наружной и внутренней кольцевых обечаек, с радиальным и осевым соответственно положением осей симметрии камер переменного объема плавающей опоры. В этих тепловых двигателях оси 6 и 9 кольцевых обечаек установлены под углом друг к другу с помощью шлицевых 22 и гибких карданных 23 сочленений, а каждая из кольцевых обечаек снабжена внутренним кольцевым паропроводом 8, сообщенным с емкостями 10 переменного объема через торцевые капиллярно-пористые стенки 11 этих емкостей. Этих тепловых двигателях величина и направление плоскости расположения угла между осями вращения каждой из кольцевых обечаек устанавливаются под действием(через сферические опоры 24, шлицевые 22 и гибкие карданные 23 сочленения) результирующей силы, действующей на ось 9 со стороны спиц камер переменного объема 14. Технический результат - двойное увеличение площади поверхности торцевых капиллярно-пористых стенок 11 емкостей переменного объема и совмещение направления теплового потока и направления расположения угла между осями вращения каждой из кольцевых обечаек, что позволяет увеличить мощность устройства при тех же его габаритах. На фиг. 7 и 8 - поперечный и продольный разрезы соответственно теплового двигателя, концы осей вращения 6 и 9 кольцевых обечаек которого соединены шарнирно между собой с установкой этих осей в горизонтальной плоскости в виде правильного многоугольника, для перекачивания жидкостей в перистальтическом насосе 25. Емкости переменного объема 10 гидравлически сообщаются через торцевые стенки 11. На фиг. 9 - вид в плане на тепловой двигатель, изображенный на фиг. 7 и 8, оси вращения 6 и 9 кольцевых обечаек которого образуют между собой плоскую двойную спираль. Сущность изображенных на фиг. 7, 8 и 9 технических решений - создание безопорного безкорпускного плавающего теплового двигателя, способного одновременно и автономно нагревать и перекачивать воду, например, с помощью центрального перистальтического насоса 25 (фиг. 7). Технический результат - быстрый автономный нагрев и дозированная подача поливной воды с расходом, пропорциональным плотности падающей на тепловой двигатель солнечной радиации. На фиг. 10 - вид в плане на конструктивный вариант установки внутреннего кольцевого паропровода 8 кольцевых обечаек теплового двигателя, изображенного на фиг. 7, 8 и 9,в виде замкнутой цилиндрической спирали, ось которой совпадает с осью вращения кольцевых обечаек и образует в плане окружность. На фиг. 11 - поперечный разрез емкости 10 переменного объема, используемой в тепловом двигателе (фиг. 5, 6 и 7) в качестве движителя. Емкость переменного объема 10 выполнена в виде сильфона с боковыми гофрированными стенками 12 из сплава с тепловым эффектом запоминания формы и торцевыми капиллярно-пористыми стенками 11. Она заполнена в качестве рабочего тела 26 легкоиспаряющейся жидкостью, обладающей низким значением скрытой теплоты испарения (конденсации) и малым краевым углом смачивания в отношении материала торцевых капиллярно-пористых стенок 11 емкостей переменного объема 10. В зоне нагрева (испарения) давление внутри рабочего тела 26 падает, в зоне охлаждения (конденсации) - растет за счет капиллярных сил в открытых порах торцевых капиллярно-пористых стенок 11. 6 13669 1 2010.10.30 Одновременно шаг гофр боковых стенок 12 емкостей переменного объема 10 в зоне нагрева уменьшается, а в зоне охлаждения - растет. В результате сложения этих сил в зоне нагрева емкость 10 сжимается, и наоборот, в зоне охлаждения она разжимается с периодическим повторением этих циклов в процессе совместного вращения с кольцевыми обечайками вокруг их осей 6 и 9. На фиг. 12 и 13 приведены варианты вертикального и горизонтального соответственно расположения осей симметрии противоположных камер переменного объема 14, изменяющих положения плавающих опор 13 кольцевых обечаек теплового двигателя. Источники информации 1.2027898 С 1, 1995. 2.6007 С 1, 2004. 3.684801, 2005. 4.306321, 1971. 5.2027901 01, 1995. 6.4236032 , 1994. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9