RU2480621C2

RU2480621C2 - Method for converting thermal energy into mechanical one

Info

Publication number: RU2480621C2
Application number: RU2010115049/06A
Authority: RU
Inventors: Виталий Алексеевич Фролов
Original assignee: Виталий Алексеевич Фролов
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2013-04-27
Also published as: RU2010115049A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method for converting thermal energy into mechanical one by submersing chambers, containing thermo-sensitive working body, into fluid, increase of chamber volume with increase of their floatability in the result of heat-exchange with fluid, chambers floating up under the influence of floatability forces and reduction of volume and floatability of chambers in the result of heat-exchange with the environment. Substance capable of changing volume at transfer phase is used as thermo-sensitive working body. Note that changing of working body volume is converted into chamber volume changing with proportionality factor exceeding one. As working body there used is a substance from the following: paraffine with carbon atom number in molecule 8-12, acids with carbon atom number in molecule 1-18, n-alcidenaphthalenes with carbon atom number in chain 2-16, benzol derivatives, ceresin.

EFFECT: extension of working body substances range.

3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую с использованием разности температур жидкости и окружающей среды.The invention relates to the field of mechanical engineering, and in particular to methods of converting thermal energy into mechanical energy using the temperature difference of the liquid and the environment.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую [А.с. СССР №1404681, МПК F03G 7/06, дата подачи заявки: 15.12.1980, дата публикации: 23.06.1988] путем погружения в жидкость камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, нагрева камер для расширения рабочего тела и увеличения их плавучести, охлаждения камер при сжатии рабочего тела и уменьшения их плавучести и вертикального перемещения камер под действием переменных сил их плавучести, при этом для предотвращения преждевременного расширения камер при их погружении, перед погружением камер, фиксируют их объем при его минимальном значении и освобождают их от фиксации при максимальной глубине их погружения.A known method of converting thermal energy into mechanical [A.S. USSR No. 1404681, IPC F03G 7/06, application filing date: 12/15/1980, publication date: 06/23/1988] by immersing in chambers filled with a heat-sensitive working fluid, heating the chambers to expand the working fluid and increase their buoyancy, cooling the chambers when compression of the working fluid and reduction of their buoyancy and vertical movement of the chambers under the action of variable buoyancy forces, while to prevent premature expansion of the chambers when they are immersed, before immersing the chambers, their volume is fixed at its minimum value and released x by fixing with a maximum depth of immersion.

В качестве прототипа выбран способ преобразования тепловой энергии в механическую [А.с. СССР №931945, МПК F03G 7/06, дата подачи заявки: 17.10.80, дата публикации: 30.05.1982] путем погружения в жидкость камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, расширения камер с увеличением их плавучести в результате теплообмена с жидкостью, всплытия камер под действием сил плавучести и уменьшения объема и плавучести камер в результате теплообмена с окружающей средой, при этом в качестве рабочего тела используют смесь газа с жидким растворителем, а изменение объема камер осуществляют растворением газа и его выделением из растворителя соответственно при охлаждении и нагреве.As a prototype of the selected method of converting thermal energy into mechanical [A.S. USSR No. 931945, IPC F03G 7/06, application filing date: 10/17/80, publication date: 05/30/1982] by immersing chambers filled with a heat-sensitive working fluid in the liquid, expanding the chambers with increasing their buoyancy as a result of heat exchange with the liquid, ascent of the chambers under the action of buoyancy forces and a decrease in the volume and buoyancy of the chambers as a result of heat exchange with the environment, in this case, a mixture of gas with a liquid solvent is used as the working fluid, and the change in the volume of the chambers is carried out by dissolving the gas and releasing it from the solvent, respectively during cooling and heating.

Задачей настоящего изобретения является расширение ассортимента веществ, используемых в качестве рабочего тела.The objective of the present invention is to expand the range of substances used as a working fluid.

Для достижения этой цели использовано свойство ряда веществ при температуре фазового перехода от +120°С и ниже при переходе из твердого состояния в жидкое совершать скачок значительного увеличения в объеме и при этом совершать работу.To achieve this goal, the property of a number of substances was used at a phase transition temperature of + 120 ° С and below, when passing from a solid to a liquid state, make a jump of a significant increase in volume and at the same time perform work.

Таким образом, поставленная задача решается способом преобразования тепловой энергии в механическую путем погружения в жидкость камер, содержащих термочувствительное рабочее тело, увеличения объема камер с увеличением их плавучести в результате теплообмена с жидкостью, всплытия камер под действием сил плавучести и уменьшения объема и плавучести камер в результате теплообмена с окружающей средой, при котором, согласно предложению, в качестве термочувствительного рабочего тела используют вещество со свойством изменения объема при фазовом переходе, при этом преобразуют изменение объема рабочего тела в изменение объема камеры с коэффициентом пропорциональности k, большим единицы, т.е. преобразование проводят в соответствии с формулой ΔV_к=k·ΔV_pт, где ΔV_к - изменение объема камеры; ΔV_pт - изменение объема рабочего тела, когда изменение объема рабочего тела (уменьшение или увеличение) приводит к большему изменению (уменьшению или увеличению) объема камеры.Thus, the problem is solved by converting thermal energy into mechanical energy by immersing chambers containing a heat-sensitive working fluid in a liquid, increasing the volume of the chambers with increasing buoyancy as a result of heat exchange with the liquid, floating the chambers under the action of buoyancy forces and reducing the volume and buoyancy of the chambers as a result heat exchange with the environment, in which, according to the proposal, a substance with the property of volume change at ph ovom transition, wherein the change in the working fluid is converted to the change in volume of the chamber volume with a proportionality coefficient k greater than one, i.e. the conversion is carried out in accordance with the formula ΔV _k = k · ΔV _pt , where ΔV _k is the change in the volume of the chamber; ΔV _pt is a change in the volume of the working fluid, when a change in the volume of the working fluid (decrease or increase) leads to a larger change (decrease or increase) in the volume of the chamber.

В качестве рабочего тела целесообразно использовать вещество из следующего ряда: парафин с числом атомов углерода в молекуле 8-12, кислоты с числом атомов углерода в молекуле 1-18, n-алкидонафталины с числом углеродных атомов в цепи 2-16, производные бензола, церезин [См. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. Пер. с англ., «Металлургия», 1982, стр.18-19].It is advisable to use a substance from the following series as a working fluid: paraffin with the number of carbon atoms in the molecule 8-12, acids with the number of carbon atoms in the molecule 1-18, n-alkidonaphthalenes with the number of carbon atoms in the chain 2-16, benzene derivatives, ceresin [Cm. Ubbelode A.R. The molten state of the substance. Per. with the English., "Metallurgy", 1982, pp. 18-19].

Наиболее простым вариантом регулировки мощности преобразования является изменение глубины погружения камер в жидкость.The easiest way to adjust the conversion power is to change the immersion depth of the chambers in the liquid.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано, например, устройством, раскрытым на чертежах.The present invention can be implemented, for example, by the device disclosed in the drawings.

На фиг.1, 2, 3, 4 представлен пример устройства камеры с изменяемым объемом, на фиг.5, 6, 7 представлены стадии работы одной камеры, на фиг.8 представлена схема собственно двигателя, реализующего способ.Figures 1, 2, 3, 4 show an example of a variable volume camera device, Figures 5, 6, 7 show the stages of operation of one camera, Fig. 8 shows a diagram of the actual engine that implements the method.

Камера с изменяемым объемом 1, 2 (в дальнейшем камера), состоит из нескольких единичных элементов 3 для создания напорного движения рабочей жидкости, каждый из которых имеет высокопрочный цилиндрический корпус 4, с днищем 5 и крышкой 6. Внутри корпуса 4, по центру устанавливается перфорированная трубка 10 с горловиной, на которую с зазором одевается эластичная и термостойкая трубка 7. Весь объем внутри трубок 7, 10 заполнен рабочей гидравлической жидкостью 9. Притом объем рабочей жидкости между внутренней стенкой трубки 7 и наружной частью трубки 10 должен быть не менее увеличенного объема жидкой фазы рабочего тела 8 при плавлении. Объем элемента 3 между наружной гранью трубки 7 и внутренней высокопрочного корпуса 4, заполняется рабочим телом 8, которое подбирается для разных температурных условий. Для северных широт, где температура воды 0-5°С, а температура воздуха -10°С и ниже, рабочее тело представляет из себя спирты с С₈ и С₉, имеющие температуру плавления Т_пл -14 и -5°С, и увеличение объема 11,3 и 9.0 процента; производную бензола - С₆H₅NH₂, имеющую температуру плавления -6,2°С и увеличение объема при плавлении 10,8%; кислоты с С₄, С₆, С₇, жидкие парафины и другие вещества со сходными характеристиками. Там, где температура воды +40 - +100°С возможно применение твердых парафинов, церезинов, циклогексанов и др. [Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. Пер. с англ., «Металлургия», 1982, стр.18-19]. Элементы 3 с помощью винтовых или других разъемов крепятся к кольцевому трубопроводу 11, заполненному рабочей гидравлической жидкостью 9 и соединенному радиальными трубками 12 с поршневой камерой 13. Для преобразования изменения объема рабочего тела в изменение объема камеры применена т.н. плунжерно-поршневая схема. Силовым органом камеры 1 является цилиндр 14 малого диаметра с плунжером 15. Исполнительным органом является цилиндр большого диаметра 16 с поршнем 17, жестко соединенным с плунжером 15. Для возврата поршня в исходное состояние служит пружина 18 с защитной мембраной 19. Пространство между стенками 16 поршня 17 и мембраной 19 заполняется защитной смазкой. В исходном первоначальном состоянии объем 20 камеры (фиг.5) минимален, при максимальном выдвижении поршня 17 (фиг.6) объем камеры увеличивается до максимального значения. При работе воздух поступает в камеру и выходит из нее по шлангам 22 в кольцевой гибкий коллектор 23. Для обеспечения необходимой плавучести в конкретных температурных условиях предусмотрены герметичные карманы 21, заполненные воздухом. Камеры 1, 2 являются рабочим органом двигателя 26 и в необходимом количестве смонтированы на бесконечной ленте 23, которая огибает барабаны 29 и 30. Данный двигатель может быть смонтирован на плавучей или закрепленной платформе 27 с помощью опоры 28 и соединительного элемента 33. Двигатель имеет привод 32, соединенный с силовым органом 31, в виде электрогенератора с соответствующим редуктором, гидронасоса, гидромотора и т.п.A chamber with a variable volume of 1, 2 (hereinafter referred to as a chamber), consists of several unit elements 3 for creating pressure movement of the working fluid, each of which has a high-strength cylindrical body 4, with a bottom 5 and a cover 6. Inside the body 4, a perforated center is installed a tube 10 with a neck, onto which an elastic and heat-resistant tube 7 is put on with a gap 7. The entire volume inside the tubes 7, 10 is filled with hydraulic fluid 9. Moreover, the volume of the working fluid between the inner wall of the tube 7 and the outer part of the tube 1 0 must be at least an increased volume of the liquid phase of the working fluid 8 during melting. The volume of the element 3 between the outer face of the tube 7 and the inner high-strength housing 4 is filled with a working fluid 8, which is selected for different temperature conditions. For northern latitudes, where the water temperature is 0-5 ° C, and the air temperature is -10 ° C and lower, the working fluid is alcohols with C ₈ and C ₉ having a melting point T _{m of} -14 and -5 ° C, and an increase in volume of 11.3 and 9.0 percent; a benzene derivative — C ₆ H ₅ NH ₂ having a melting point of -6.2 ° C. and an increase in volume upon melting of 10.8%; acids with C ₄ , C ₆ , C ₇ , liquid paraffins and other substances with similar characteristics. Where the water temperature is +40 - + 100 ° С, it is possible to use solid paraffins, ceresins, cyclohexanes, etc. [Ubbelode A.R. The molten state of the substance. Per. with the English., "Metallurgy", 1982, pp. 18-19]. Elements 3 are attached by screw or other connectors to an annular pipe 11 filled with hydraulic fluid 9 and connected by radial tubes 12 to the piston chamber 13. To convert the change in the volume of the working fluid into the change in the volume of the chamber, the so-called piston-piston scheme. The force of the chamber 1 is a cylinder 14 of small diameter with a plunger 15. The actuator is a cylinder of large diameter 16 with a piston 17 rigidly connected to the plunger 15. To return the piston to its original state, spring 18 with a protective membrane 19 is used. The space between the walls 16 of the piston 17 and the membrane 19 is filled with protective grease. In the initial initial state, the volume 20 of the chamber (Fig. 5) is minimal, with the maximum extension of the piston 17 (Fig. 6), the volume of the chamber increases to a maximum value. During operation, air enters and exits the chamber through hoses 22 into an annular flexible manifold 23. To ensure the necessary buoyancy in specific temperature conditions, airtight pockets 21 filled with air are provided. Chambers 1, 2 are the working body of the engine 26 and are mounted in the required quantity on an endless tape 23, which goes around the drums 29 and 30. This engine can be mounted on a floating or fixed platform 27 using the support 28 and the connecting element 33. The engine has a drive 32 connected to the power body 31, in the form of an electric generator with an appropriate gearbox, a hydraulic pump, a hydraulic motor, etc.

В целях регулирования мощности, в результате изменения температурного режима, предусмотрено подъемно-опускное устройство 34, с помощью которого регулируется глубина погружения в воду. На гибком воздушном коллекторе 23 могут монтироваться пневмоаккумуляторы низкого давления 35, для равномерного распределения воздуха. Для выброса излишнего воздуха из коллектора 23 предусматривается клапан 36.In order to regulate power, as a result of changes in the temperature regime, a lifting and lowering device 34 is provided with which the depth of immersion in the water is regulated. On the flexible air manifold 23 can be mounted pneumatic accumulators low pressure 35, for uniform distribution of air. A valve 36 is provided for exhausting excess air from the manifold 23.

Двигатель работает следующим образом: камеры 1, смонтированные на кольцевой ленте 23 ее нижней частью опущены в природный нагреватель (например, вода природного водоема с температурой 0°С и выше). Охладителем служит атмосферный воздух северных и южных широт температурой -10°С и ниже. Под воздействием нагревателя рабочее тело 8 элементов 3 плавится, и его увеличенный объем выжимает рабочую жидкость 9 из эластичной трубки 7 в перфорированную трубку 10 и оттуда в кольцевой коллектор 11. Далее по трубке 12 поступает в поршневую камеру 13 и его напор перемещает плунжеры 8 в разные стороны до максимального значения, при котором объем 20 камеры (камера 1 на фиг.5) увеличивается до максимального объема (камера 2 на фиг.6). Пружина 18 и защитная мембрана 19 сжимаются. Объем 20 заполняется атмосферным воздухом через шланги 22 из кольцевого гибкого трубопровода 23 (поскольку все камеры подключены к трубопроводу 23, и они примерно поровну срабатывают на вход и выход воздуха из них, для регулирования воздушного потока могут быть на противоположных участках непрерывной ленты 24 смонтированы два пневматических аккумулятора низкого давления 35). В этом положении камера 2 имеет максимальный объем, а его объемная масса должна быть ниже объемной массы воды, чем значительнее, тем лучше. Увеличенные в объеме камеры 2 выталкивающей силой воды перемещают ленту 18 вверх, давая шкивам 20 и 21 непрерывное движение. При выходе камеры 2 она попадает в охладитель - атмосферный воздух, где рабочее тело 8 кристаллизуется. Атмосферным давлением и возвратной пружиной 18 камера возвращается в свое первоначальное состояние с минимальным объемом (камера 1 на фиг.5), с объемной массой больше объемной массы воды. Общий объем камер 2 должен превышать общий объем камер 1. Таким образом, движение происходит за счет разности сил выталкивания, действующих на противоположные ветви двигающихся камер 1 и 2. Ветвь с камерами 1 с объемной массой, большей чем у воды, движется вниз, а ветвь с камерами 2 с объемной массой, меньшей чем у воды, двигается вверх. Через шкив 29, привод 32, соответствующий редуктор движение передается гидронасосу 31, а затем через систему управляющей и регулирующей арматуры в гидромотор и генератор электрического тока. Возможна передача движения через привод 32 через соответствующий редуктор, непосредственно генератору электрического тока.The engine operates as follows: chambers 1 mounted on an annular tape 23 with its lower part are lowered into a natural heater (for example, water from a natural reservoir with a temperature of 0 ° C and above). The cooler is the atmospheric air of the northern and southern latitudes with a temperature of -10 ° C and below. Under the influence of the heater, the working fluid 8 of the elements 3 melts, and its increased volume squeezes the working fluid 9 from the elastic tube 7 into the perforated tube 10 and from there into the annular manifold 11. Then it passes through the tube 12 to the piston chamber 13 and its pressure moves the plungers 8 to different side to the maximum value at which the volume 20 of the camera (camera 1 in figure 5) increases to the maximum volume (camera 2 in figure 6). The spring 18 and the protective membrane 19 are compressed. The volume 20 is filled with atmospheric air through hoses 22 from the annular flexible conduit 23 (since all the chambers are connected to the conduit 23, and they approximately equally act on the air inlet and outlet from them, two pneumatic can be mounted on opposite sections of the continuous tape 24 to regulate the air flow low pressure accumulator 35). In this position, chamber 2 has a maximum volume, and its bulk mass should be lower than the bulk mass of water, the larger, the better. Increased in the volume of the chamber 2 by the buoyant force of water move the belt 18 upward, giving the pulleys 20 and 21 a continuous movement. When the chamber 2 exits, it enters the cooler - atmospheric air, where the working fluid 8 crystallizes. At atmospheric pressure and return spring 18, the chamber returns to its original state with a minimum volume (chamber 1 in FIG. 5), with a bulk mass greater than the bulk mass of water. The total volume of the chambers 2 should exceed the total volume of the chambers 1. Thus, the movement occurs due to the difference of the buoyancy forces acting on the opposite branches of the moving chambers 1 and 2. The branch with the chambers 1 with a bulk mass greater than that of water moves down, and the branch with cameras 2 with a bulk density less than that of water, moves up. Through the pulley 29, drive 32, the corresponding gear, the movement is transmitted to the hydraulic pump 31, and then through the control and control valve system to the hydraulic motor and electric current generator. It is possible to transmit movement through the drive 32 through the corresponding gearbox directly to the electric current generator.

Реализация заявленного способа позволяет создать работоспособный, экологически чистый двигатель, использующий выталкивающую силу воды (закон Архимеда), на всей территории земного шара, где имеется разница температур на границе водной и воздушной сред не менее 10°С. Это арктические широты, в которых разница температур воды океанов, морей и других водоемов с температурой воздуха достигает десятков градусов Цельсия. Способ особенно эффективен при использовании природных геотермальных источников воды. Возможна его реализация при использовании вторичных источников тепла, как, например, нагретая оборотная вода от охлаждения оборудования различных производств, вода от конденсационных установок парогенераторных электростанций. Особенно приемлем для выработки электроэнергии для платформ, с помощью которых добываются газ и нефть в открытых морях.Implementation of the claimed method allows you to create a workable, environmentally friendly engine that uses the buoyancy force of water (Archimedes law), throughout the globe, where there is a temperature difference at the interface between water and air of at least 10 ° C. These are arctic latitudes, in which the temperature difference of the oceans, seas and other bodies of water with air temperature reaches tens of degrees Celsius. The method is especially effective when using natural geothermal water sources. It can be implemented using secondary heat sources, such as heated circulating water from cooling equipment of various industries, water from condensing units of steam generating power plants. Particularly suitable for generating electricity for platforms that produce gas and oil in open seas.

Claims

1. A method of converting thermal energy into mechanical energy by immersing chambers containing a heat-sensitive working fluid in a liquid, increasing the volume of chambers with increasing buoyancy as a result of heat exchange with the liquid, floating the chambers under the action of buoyancy forces and reducing the volume and buoyancy of chambers as a result of heat exchange with the environment , characterized in that as a heat-sensitive working fluid use a substance with the property of a change in volume during the phase transition from solid to liquid and back, pr and this changes the change in the volume of the working fluid into a change in the volume of the chamber with a proportionality coefficient k greater than unity, and as a working fluid use a substance from the following series: paraffin with the number of carbon atoms in the molecule 8-12, acid with the number of carbon atoms in the molecule 1- 18, n-alkidonaphthalenes with the number of carbon atoms in the chain 2-16, benzene derivatives, ceresin.

2. The method according to claim 1, characterized in that the adjustment of the conversion power is carried out by changing the immersion depth of the cameras.