RU2613337C2 - Thermal-mechanical converter with liquid working medium - Google Patents
Thermal-mechanical converter with liquid working medium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2613337C2 RU2613337C2 RU2015134076A RU2015134076A RU2613337C2 RU 2613337 C2 RU2613337 C2 RU 2613337C2 RU 2015134076 A RU2015134076 A RU 2015134076A RU 2015134076 A RU2015134076 A RU 2015134076A RU 2613337 C2 RU2613337 C2 RU 2613337C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- shaft
- heating
- flange
- thermal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
Abstract
Description
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, сельскохозяственного и иного назначения как на стационарных, так и на мобильных объектах с преимущественным использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.The invention relates to the field of power engineering, in particular to non-traditional converters of thermal energy into mechanical work. It can be used in drives of electrical units, tubing and other equipment of industrial, agricultural and other purposes both in stationary and mobile facilities with the predominant use of renewable natural energy resources, as well as energy of heat-containing emissions into the environment.
Известен целый ряд 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 С2, кл. F03G 7/06, 2001, которые из-за несовершенства конструкции не нашли практического применения.A number of designs of non-traditional converters of thermal energy into mechanical work are known, presented, for example, in the inventions SU 478123, class.
Известная конструкция тепломеханического преобразователя - по патенту RU №2442906, 2012 г. - наиболее сходная с заявляемым устройством, она будет здесь рассмотрена подробно, как принятый прототип.The known design of the thermomechanical converter - according to the patent RU No. 2442906, 2012 - the most similar to the claimed device, it will be examined here in detail as an accepted prototype.
Этот тепломеханический преобразователь, содержащий установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, а также зоны нагрева и охлаждения (температурные зоны), имеет связанный с теплочувствительными элементами опорный фланец, опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, жестко связанного с золотником, управляющим потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).This thermomechanical converter, comprising a shaft mounted in bearings, heat-sensitive elements, as well as heating and cooling zones (temperature zones), has a support flange connected to the heat-sensitive elements, resting through the bearing on an inclined shaft flange rigidly connected to the spool, which controls the heating and cooling flows heat carriers (thermal agents).
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.The support flange allows you to convert a successive change in the lengths of the heat-sensitive elements associated with it under the influence of a changing temperature into a cyclical change in the direction of its inclination, affecting the shaft flange, which receives torque.
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 их малом коэффициенте теплового расширения и высокой общей теплоемкости.This analogue is distinguished by its simplicity of design, versatility in terms of the sources of converted thermal energy used, and the ability to work in the mode of automatically maintaining a stable speed under changing load conditions. Its main drawback is its low efficiency due to the limited elastic limit of the working heat-sensitive elements (TEC) with their low coefficient of thermal expansion and high total heat capacity.
Указанный недостаток практически не имеет значения при использовании данного преобразователя в схемах комплексного энергоснабжения объектов, когда тепло, сбрасываемое им, используется для обогрева этих объектов. В чисто силовых же установках этот показатель эффективности может оказаться неприемлемым.The indicated drawback is practically irrelevant when using this converter in integrated power supply schemes of facilities, when the heat discharged by it is used to heat these facilities. In purely power plants, this performance indicator may be unacceptable.
Задачей при разработке заявляемого преобразователя является повышение его КПД не менее, чем на порядок, снижение массы и габаритных размеров.The task in the development of the inventive converter is to increase its efficiency by no less than an order of magnitude, reducing weight and overall dimensions.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепломеханический преобразователь, содержащий зоны нагрева и охлаждения, установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, связанный с ними опорный фланец, опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, а также связанный с валом золотник, управляющий потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей к теплочувствительным элементам, отличающийся - согласно изобретению - тем, что рабочим телом в нем является жидкость, заключенная в герметичную оболочку, обладающую способностью изменять свой линейный размер под действием внутреннего давления, причем жидкость внутри оболочки связана с каналом теплоносителя теплопроводящей стенкой с развитой поверхностью теплообмена (оребрением).The problem is solved in that the inventive thermomechanical converter containing heating and cooling zones, a shaft installed in the bearings, heat-sensitive elements, a supporting flange connected to them, supported through the bearing on an inclined shaft flange, and also a spool connected to the shaft, controlling the heating and cooling flows heat transfer agents to heat-sensitive elements, characterized - according to the invention - in that the working fluid in it is a liquid enclosed in an airtight shell, having w ability to change its linear dimension under internal pressure, the liquid inside the shell is connected with the coolant channel of the heat-conducting wall with heat-developed surface (fins).
Использование в качестве рабочего тела заключенной в герметичную прочную оболочку жидкости с небольшой удельной теплоемкостью и повышенным коэффициентом температурного объемного расширения позволит при уменьшенной массе рабочего тела и, следовательно, его общей теплоемкости повысить КПД устройства - по меньшей мере - на порядок, так как, если в преобразователе-прототипе давление на наклонный фланец ограничивалось относительно низким пределом упругости материала ТЧЭ (т.е. тонкостенной трубы под растяжением), то в заявляемом устройстве это давление ограничивается только степенью сжимаемости рабочей жидкости.The use of a fluid enclosed in an airtight strong shell with a small specific heat capacity and an increased coefficient of thermal volume expansion with a reduced mass of the working fluid and, therefore, its total heat capacity will increase the efficiency of the device - at least by an order of magnitude, since if the prototype transducer, the pressure on the inclined flange was limited by a relatively low elastic limit of the TCE material (i.e., a thin-walled pipe under tension), then in the inventive device this pressure is limited only by the degree of compressibility of the working fluid.
Оребрение канала теплоносителя обеспечивает хороший теплообмен его с рабочим телом, что позволит увеличить скорость изменения его температуры, повысить частоту вращения вала и, следовательно, получаемую мощность.The fins of the coolant channel provide a good heat exchange with the working fluid, which will increase the rate of change of its temperature, increase the frequency of rotation of the shaft and, therefore, the resulting power.
На фиг. 1 показан общий вид тепломеханического преобразователя с жидкостным рабочим телом, на фиг. 2 - разрез "А-А" на стыке трубной решетки с золотником.In FIG. 1 shows a general view of a thermomechanical transducer with a liquid working fluid; FIG. 2 - section "AA" at the junction of the tube sheet with a spool.
Заявляемый тепломеханический преобразователь содержит корпус 1, на одном торце которого расположен фланец с радиально-упорным подшипником 2 вала 3 с наклонным фланцем 4 (на фиг. 1 для большей наглядности он показан повернутым на 90°), сопряженным через упорный подшипник 5 с упругими - в осевом направлении - звеньями 6 оболочек 7, расположенных вокруг вала 3.The inventive thermomechanical converter comprises a
Находящиеся внутри оболочек 7 каналы 8 и 9 теплоносителя своими концами входят в трубную решетка 10 c центральным отверстием для вала 3. Внешний канал 8 имеет снаружи - кольцевые, а внутри - продольные ребра. Внутренний (отводящий) канал 9 покрыт, как и оболочки 7, теплоизоляционным слоем.The
Подвижная часть золотника 11 с системой каналов для подвода к группам ТЧЭ и отвода от них нагревающего и охлаждающего агентов связана с валом 3 в простейшем варианте шпонкой, а в более совершенных устройствах - соединением известной конструкции, позволяющей регулировать угол опережения в подаче теплоносителей. На торцевой поверхности золотника 11 выполнены дугообразные пазы 12 и 13. Его цилиндрическая поверхность с кольцевыми пазами 14 примыкает к стенке гильзы корпуса 1 с патрубками для соединения с внешними трубопроводами. Упругие звенья 6 на участке наибольшего наклона фланца 4 в их сторону максимально сжаты.The movable part of the
Работа заявляемого преобразователя принципиально не отличается от работы его прототипа. Только усилия, приложенные к наклонному фланцу 4, создаются не растянутыми ТЧЭ, а сжатыми звеньями 6 под действием избыточного давления в оболочках 7, расположенных вокруг вала 3. Так же, как и в преобразователе-прототипе, в заявляемом устройстве в любом его состоянии на фланец 4, действуют силы предварительно напряженных ТЧЭ, которые через подшипник 5 передаются на наклонный фланец 4 вала 3, установленного в подшипниковых узлах. При этом на валу 3 создается суммарный вращающий момент:The operation of the inventive converter is not fundamentally different from the work of its prototype. Only the efforts exerted on the
M∑=∑(Fk⋅tgϕk)⋅Rфл,M ∑ = ∑ (F k ⋅tgϕ k ) ⋅R fl ,
где: Fk - сила, приложенная к фланцу 4 от сжатого звена 6 ветвей k-того ТЧЭ;where: F k - the force applied to the
ϕk - угол (с учетом знака) уклона канавки упорного подшипника в точке приложения этой силы;ϕ k is the angle (taking into account the sign) of the slope of the thrust bearing groove at the point of application of this force;
Rфл - радиус окружности по дну указанной канавки.R fl - the radius of the circle along the bottom of the specified grooves.
При равенстве температуры у всех ТЧЭ суммарный момент M∑=0, а вал 3 находится в покое. С подачей из внешней сети через кольцевые пазы 14 и внутренние каналы золотника 11 нагревающего и охлаждающего теплоносителей температура, а следовательно, и давление жидкости внутри оболочек 7 в каждой из двух групп ТЧЭ, торцы каналов 8 и 9 которых примыкают через трубную решетку 10 к соответствующим дугообразным пазам 12 и 13, меняется не одинаково, баланс противоположно направленных вращающих моментов нарушается, а вал 3 начинает вращаться. Связанный с ним золотник 11 подключает к нагревающему и охлаждающему потокам соседние ТЧЭ, отчего точка приложения их равнодействующей силы на опорный фланец 4 смещается, обходя вокруг оси вала 3 и сохраняя на последнем его вращающий момент.If the temperature is equal for all HSEs, the total moment M ∑ = 0, and
Поскольку канал 8 выполнен из легкого и высокопрочного материала с большим коэффициентом температурного расширения, его оребренная конструкция способна не только противостоять внешнему давлению рабочей жидкости, но и обеспечивать дополнительный положительный эффект в работе преобразователя, так как давление внутри оболочек 7 будет зависеть от сочетания совпадающих по знаку изменений объемных параметров и рабочей жидкости, и самого теплообменного канала 8. При этом размер их внешней оболочки 7 (не считая упругого звена 6), теплоизолированной от жидкости (например, известными покрытиями серии "Броня"), остается практически неизменным.Since the
Заявляемый преобразователь способен работать от самых различных источников тепловой энергии (с использованием теплообменников или без них) и ориентирован главным образом на ее возобновляемые виды, а также на утилизацию энергии теплосодержащих технологических продуктов и тепловых сбросов в окружающую среду.The inventive converter is capable of operating from a wide variety of sources of thermal energy (with or without heat exchangers) and is mainly focused on its renewable types, as well as on the utilization of energy from heat-containing technological products and thermal discharges into the environment.
При достаточно высокой температуре нагревающего агента возможно каскадное включение таких преобразователей, что повысит их общий КПД.At a sufficiently high temperature of the heating agent, cascade switching of such converters is possible, which will increase their overall efficiency.
Последнее замечание заимствовано из описания тепломеханического преобразователя по патенту RU 2442906 С1. Содержащееся в нем же предложение: "Наиболее экономичный расход теплоносителя можно достичь оптимальным распределением его потоков внутри групп ТЧЭ при помощи грамотно выполненной формы каналов золотника" имеет прямое отношение и к заявляемому устройству, так как и в нем это позволит в несколько раз повысить КПД преобразователя.The last remark is borrowed from the description of the thermomechanical converter according to patent RU 2442906 C1. The proposal contained in it: “The most economical flow rate of the coolant can be achieved by the optimal distribution of its flows within the HSE groups using a well-executed shape of the spool channels” is also directly related to the claimed device, since in it this will also increase the converter efficiency several times.
Поэтому следует более подробно изложить суть данного технического решения.Therefore, the essence of this technical solution should be described in more detail.
Представленная в описании упрощенная схема подвода нагревающего и охлаждающего теплоносителей показывает их подачу в одинаковые по числу ТЧЭ группы. Это сделано для простоты объяснения. При такой схеме все тепло, необходимое для нагрева группы ТЧЭ, отбирается от его источника. Затем в контуре охлаждения почти все это тепло отбирается от этих ТЧЭ и удаляется, в лучшем случае - частично утилизируется. И только небольшая часть его преобразуется в механическую работу.The simplified scheme for supplying heating and cooling fluids presented in the description shows their supply to the same groups in terms of the number of TFEs. This is done for ease of explanation. With this scheme, all the heat needed to heat the HSE group is taken from its source. Then, in the cooling circuit, almost all of this heat is taken from these solid fuel cells and removed, at best, partially utilized. And only a small part of it is converted into mechanical work.
В наиболее совершенной схеме основная часть не преобразованной тепловой энергии используется на предварительный нагрев выше упомянутой группы ТЧЭ, а тепло из источника нагрева расходуется только на окончательный донагрев одного ТЧЭ, оказавшегося на последней позиции нагрева. А оказавшись на следующей позиции он сам, но уже в составе другой группы, донагревает поток охлаждающего теплоносителя, поступающего далее в предварительно нагреваемую группу.In the most advanced scheme, the bulk of the non-converted heat energy is used to pre-heat the above mentioned group of heat-generating elements, and the heat from the heating source is spent only on the final pre-heating of one heat-generating element, which is at the last heating position. And being in the next position, he himself, but already in the composition of another group, heats up the flow of cooling coolant that goes further into the preheated group.
Это становится реальным, если все ТЧЭ соединить последовательно каналами, оснастив последние управляемыми шиберами и оставив для каждого ТЧЭ возможность контактирования с пазами золотника. При этом пазы имеют иное исполнение, позволяющее передачу тепла от теплоисточника только одному ТЧЭ, предварительно нагретому теплоносителем, прошедшим через охлаждаемые ТЧЭ и далее, минуя упомянутый "донагреваемый", через все остальные ТЧЭ. И только затем, отдавший им основную часть своего тепла и уже охлажденный поток через соответствующий паз золотника покидает преобразователь. Переключение шиберов при повороте золотника осуществляется специальными известной конструкции кулачками, жестко связанными с золотником.This becomes real if all TECs are connected in series by channels, equipping the latter with controlled gates and leaving for each TEC the possibility of contacting with spool grooves. At the same time, the grooves have a different design, which allows heat transfer from the heat source to only one TEC pre-heated by the heat carrier passing through the cooled TEC and then, bypassing the mentioned “preheated”, through all other TEC. And only then, having given them the bulk of its heat and the already cooled stream through the corresponding groove of the spool, does the converter leave. Switching gates when turning the valve is carried out by special known design cams, rigidly connected with the valve.
Работа системы распределения потоков теплоносителя по такому экономичному принципу поясняется прилагаемыми чертежами: на фиг. 3 показан новый вариант золотника, на фиг. 4 - общий вид преобразователя в варианте с последовательным соединением ТЧЭ, на фиг. 5 и 6 соответственно разрезы Б-Б и В-В по осям ТЧЭ и их соединительных каналов, оснащенных шиберами.The operation of the coolant flow distribution system according to such an economical principle is illustrated by the attached drawings: in FIG. 3 shows a new version of the spool; FIG. 4 is a general view of a converter in an embodiment with a serial connection of a HFC; in FIG. 5 and 6, respectively, sections B-B and B-V along the axes of the HSE and their connecting channels equipped with gates.
Охлаждающий теплоноситель через один из пазов 12 золотника 11 проходит в канал 8 ближайшего ТЧЭ (см. фиг. 5). При этом соединительный канал с соседним ТЧЭ перекрыт шибером. Поэтому поток теплоносителя имеет выход только через каналы 8 и 9 первого из упомянутых ТЧЭ и открытые соединительные каналы во всей группе охлаждаемых ТЧЭ, расположенных с другой его стороны. Пройдя последний - уже в нагретом состоянии - этот поток (перед закрытым шибером) подается по обводному каналу в золотнике 11 в нагреваемую группу ТЧЭ, а от нее через второй паз 12 удаляется из преобразователя.The cooling fluid through one of the
В то же время оказавшийся в изоляции от этого потока и предварительно нагретый им ТЧЭ получает дополнительный нагрев через пазы 13 от внешнего теплоисточника - по замкнутому контуру.At the same time, which has been isolated from this stream and preheated by it, the HSE receives additional heating through the
При вращении вала 3 связанный с ним золотник 11 последовательно подключает к своим пазам очередные ТЧЭ с оптимальным автоматически регулируемым опережением.When the
В таком исполнении заявляемый преобразователь, сопоставимый по своей эффективности с двигателями внутреннего сгорания, найдет широкое применение в энергоустановках, использующих - главным образом - возобновляемые источники энергии.In this design, the inventive converter, comparable in its efficiency to internal combustion engines, will find wide application in power plants using - mainly - renewable energy sources.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015134076A RU2613337C2 (en) | 2015-08-13 | 2015-08-13 | Thermal-mechanical converter with liquid working medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015134076A RU2613337C2 (en) | 2015-08-13 | 2015-08-13 | Thermal-mechanical converter with liquid working medium |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015134076A RU2015134076A (en) | 2017-02-16 |
RU2613337C2 true RU2613337C2 (en) | 2017-03-16 |
Family
ID=58454337
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015134076A RU2613337C2 (en) | 2015-08-13 | 2015-08-13 | Thermal-mechanical converter with liquid working medium |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2613337C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1231255A1 (en) * | 1984-11-20 | 1986-05-15 | Maksimov Gennadij S | Arrangement for converting heat-to-mechanical power |
JPS61227685A (en) * | 1985-03-29 | 1986-10-09 | Kobe Steel Ltd | Rotary actuator |
SU1270409A1 (en) * | 1985-01-09 | 1986-11-15 | Zinchenko Nadezhda A | Heat engine |
JPS6226381A (en) * | 1985-07-26 | 1987-02-04 | Shimadzu Corp | Solar heat engine |
RU2442906C1 (en) * | 2010-09-13 | 2012-02-20 | Николай Васильевич Ясаков | THERMAL MECHANICAL CONVERTER |
-
2015
- 2015-08-13 RU RU2015134076A patent/RU2613337C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1231255A1 (en) * | 1984-11-20 | 1986-05-15 | Maksimov Gennadij S | Arrangement for converting heat-to-mechanical power |
SU1270409A1 (en) * | 1985-01-09 | 1986-11-15 | Zinchenko Nadezhda A | Heat engine |
JPS61227685A (en) * | 1985-03-29 | 1986-10-09 | Kobe Steel Ltd | Rotary actuator |
JPS6226381A (en) * | 1985-07-26 | 1987-02-04 | Shimadzu Corp | Solar heat engine |
RU2442906C1 (en) * | 2010-09-13 | 2012-02-20 | Николай Васильевич Ясаков | THERMAL MECHANICAL CONVERTER |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015134076A (en) | 2017-02-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Saeed et al. | Plate type heat exchanger for thermal energy storage and load shifting using phase change material | |
Rittidech et al. | Closed-ended oscillating heat-pipe (CEOHP) air-preheater for energy thrift in a dryer | |
Liu et al. | An experimental study on heat transfer characteristics of heat pipe heat exchanger with latent heat storage. Part I: Charging only and discharging only modes | |
US10859324B2 (en) | Modular thermal energy storage system | |
Fath | Thermal performance of a simple design solar air heater with built-in thermal energy storage system | |
Azad | Experimental analysis of thermal performance of solar collectors with different numbers of heat pipes versus a flow-through solar collector | |
US8453443B2 (en) | Engine for energy conversion | |
AU2011214821B2 (en) | Temperature differential engine device | |
US9891010B2 (en) | Waste heat recovery apparatus having hollow screw shaft and method for the same | |
Dhaidan et al. | Experimental investigation of thermal characteristics of phase change material in finned heat exchangers | |
GB2128258A (en) | Gravity actuated thermal motor | |
US4472939A (en) | Energy conversion system | |
RU2613337C2 (en) | Thermal-mechanical converter with liquid working medium | |
RU2636956C1 (en) | Irrotational thermal-mechanical converter | |
Laskowski et al. | Maximum entropy generation rate in a heat exchanger at constant inlet parameters | |
CN110822957A (en) | Heat exchange method, heat exchange mechanism thereof and heat exchanger | |
Joshua | Design and construction of a concentric tube heat exchanger | |
RU2728009C1 (en) | Thermomechanical converter | |
US2991979A (en) | Gas-liquid heat exchanger | |
RU2694568C1 (en) | Thermal solid-state motor | |
RU2623728C1 (en) | Thermo-mechanical converter ("russian engine") | |
US4253427A (en) | Heat exchanging system | |
USH399H (en) | Water-to-water heat pipe exchanger | |
RU2725307C1 (en) | Multi-form composite bimetallic pipeline | |
Saneipoor et al. | Power generation from a new air-based Marnoch heat engine |