RU2694568C1

RU2694568C1 - Thermal solid-state motor

Info

Publication number: RU2694568C1
Application number: RU2018139358A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Ясаков
Original assignee: Николай Васильевич Ясаков
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-07-16

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to the field of heat engineering, in particular to non-traditional converters of heat energy into mechanical work, and can be used in drives of electric units, tubing and other equipment of industrial, agricultural and other purposes. Thermal solid-state engine includes zones of heating and cooling, shaft installed in bearings, heat-sensitive elements (HSE), contacting with them support flange, connected through bearing with inclined flange of shaft, as well as a slide valve connected to the shaft, which controls the heating and cooling heat carriers flows coming to the HSE. Engine is equipped with HSE, consisting of bimetallic sections and located in cylindrical sockets of housing unit, connected to slide valve channels. Hot heat carrier circuit is connected only with one or two HSE for their final heating, and the rest HSE are connected by means of the slide valve channels to the heat energy recovery circuit, providing heat exchange between cooled before heated HSE and pre-heated HSE.

EFFECT: use of the invention provides higher efficiency, reduced weight and overall dimensions of the engine.

1 cl, 3 dwg

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, сельскохозяйственного и иного назначения 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 for industrial, agricultural and other purposes with the predominant use of renewable natural energy resources, as well as the energy of heat-containing emissions into the environment.

Известен целый ряд нетрадиционных преобразователей тепловой энергии в механическую работу, описанных, 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 unconventional converters of thermal energy into mechanical work are known, as described, for example, in inventions SU 478123 cells. F03G 7/06, 1973; SU 709830 Cl. F03G 7/06, 1978; SU 987162 cl. F03G 7/06, 1981; SU 1307084 cl. F03G 7/06, 1887: RU 2200252 C2 Cl. F03G 7/06, 2001, which, due to the imperfection of the design, did not find practical application.

Известна конструкция тепломеханического преобразователя - по патенту RU №2442906, 2012 г. - наиболее сходная с заявляемым устройством, она будет здесь рассмотрена подробно и принята за прототип.The known design of the thermomechanical transducer - according to patent RU No. 2442906, 2012 - is the most similar to the claimed device, it will be considered here in detail and adopted as a 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, соединенный через подшипник с наклонным фланцем вала. На валу установлен золотник, управляющий потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).This thermal mechanical converter, which contains 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 and connected through a bearing to an inclined shaft flange. A spool is installed on the shaft, controlling flow of heating and cooling coolants (thermal agents).

Опорный фланец позволяет преобразовывать изменение соотношения продольных размеров связанных с ним теплочувствительных элементов под действием меняющейся температуры в циклическое изменение направления его наклона, передаваемого и на наклонный фланец вала, получающего при этом вращающий момент.The support flange allows you to convert the change in the ratio of the longitudinal dimensions of the associated heat sensitive elements under the action of varying temperature into a cyclical change in the direction of its inclination transmitted to the inclined flange of the shaft, receiving 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 к.п.д. из-за ограниченного предела упругости рабочих теплочувствительных элементов (ТЧЭ) при их малом коэффициенте теплового расширения и высокой общей теплоемкости. В чисто силовых установках этот показатель эффективности может оказаться неприемлемым. Другим недостатком является увеличенный продольный габарит данного преобразователя, что ограничивает возможность его использования при малой разности температур нагревающего и охлаждающего теплоносителей.This analogue is distinguished by its simplicity of design, versatility in the form of the used sources of converted heat energy, the ability to work in the mode of automatically maintaining a stable rotational speed under changing load conditions. Its main disadvantage is low efficiency. due to the limited limit of elasticity of the working heat-sensitive elements (HSE) with their low coefficient of thermal expansion and high total heat capacity. In pure power plants, this performance indicator may be unacceptable. Another disadvantage is the increased longitudinal dimension of this converter, which limits the possibility of its use with a small temperature difference between the heating and cooling fluids.

Задачей при разработке заявляемого двигателя является повышение его к.п.д., снижение массы и габаритных размеров.The task in the development of the proposed engine is to increase its efficiency, reducing weight and overall dimensions.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепловой твердотельный двигатель, 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, - согласно изобретению - оснащен малогабаритными ТЧЭ, состоящими из биметаллических секций и расположенными в цилиндрических гнездах корпусного блока, связанных с каналами золотника. При этом контур горячего теплоносителя связан только с минимальным числом ТЧЭ для их предельного нагрева, а остальные ТЧЭ связаны каналами золотника с контуром рекуперации тепловой энергии, обеспечивающим теплообмен между охлаждаемыми и предварительно нагреваемыми ТЧЭ.The task is solved by the fact that the claimed thermal solid-state motor, containing heating and cooling zones, a shaft mounted in bearings, heat-sensitive elements, a support flange associated with them, supported through a bearing on an inclined shaft flange, as well as a spool connected to the shaft cooling fluids to heat-sensitive elements, - according to the invention - is equipped with compact HSE, consisting of bimetallic sections and located in cylindrical nests ah body block associated with the spool channels. In this case, the hot coolant circuit is associated only with the minimum number of TCEs for their ultimate heating, and the remaining TCEs are connected with the spool channels with the thermal energy recovery circuit, which provides heat exchange between cooled and preheated TCEs.

Конструкция ТЧЭ в виде биметаллических секций резко сокращает его продольный размер, улучшает теплообмен с потоками теплоносителя, что позволяет увеличить скорость изменения его температуры, повысить частоту вращения вала и, следовательно, получаемую мощность.The design of HSE in the form of bimetallic sections sharply reduces its longitudinal size, improves heat exchange with coolant flows, which allows increasing the rate of change of its temperature, increasing the shaft rotation frequency and, consequently, the power received.

На фиг. 1 показан общий вид теплового твердотельного двигателя, на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг. 3 - выноска Б с разрезом фрагмента ТЧЭ.FIG. 1 shows a general view of a thermal solid-state motor; FIG. 2 - section A-A, in FIG. 3 - callout B with a cut of the fragment TCE.

Корпусной блок заявляемого двигателя состоит из основания 1 с неподвижно установленной вставкой 2 и подшипниковым фланцем 3. В периферийных гнездах вставки 2 размещены ТЧЭ 4 (для удобства монтажа его секции и верхний фланец могут быть скреплены, например, склеиванием), в кольцевом углублении с круговыми пазами установлен золотник 5, а в центральном гнезде вставлен вал 6 с наклонным фланцем 7. Для оптимизации режима работы двигателя соединение последних может быть оснащено известным регулятором 8 угла их взаимного поворота.The body block of the inventive engine consists of a base 1 with a fixedly mounted insert 2 and a bearing flange 3. In the peripheral slots of the insert 2 are placed TCE 4 (for convenience of mounting its sections and the upper flange can be fastened, for example, by gluing) in a circular recess with circular grooves a spool 5 is installed, and a shaft 6 with an inclined flange 7 is inserted in the central socket. To optimize the engine operation mode, the connection of the latter can be equipped with a known regulator 8 of the angle of their mutual rotation.

Золотник 5 имеет свободную посадку на валу 6. Они соединены пружиной, обеспечивающей вместе с фиксатором 9 дискретный режим вращения золотника, для чего на торце для фиксации имеется ряд углублений по числу ТЧЭ 4. Золотник 5 своими каналами сообщается с внешней стороны с гнездами для ТЧЭ 4, а с внутренней - через пазы вставки 2 - с входными и выходными трубопроводами теплоносителей.The spool 5 has a free fit on the shaft 6. They are connected by a spring, providing, together with the retainer 9, a discrete rotation mode of the spool, for which there are a number of recesses in the end face for the number of TCE 4. The spool 5 communicates from the outside with sockets for the TCE 4 , and from the inside - through the grooves of the insert 2 - with the inlet and outlet pipelines of coolants.

На сферические выступы фланцев ТЧЭ 4 опирается кольцо 10 упорного подшипника. А сами фланцы опираются на биметаллические секции, их наружный слой 11 (см. фиг. 3) по сравнению с внутренним имеет повышенный температурный коэффициент расширения.The spherical bearing ring 10 is supported on the spherical protrusions of the TCE 4 flanges. And the flanges themselves rely on bimetallic sections; their outer layer 11 (see FIG. 3) has an increased temperature coefficient of expansion compared to the internal one.

Оптимальным же вариантом изготовления таких секций представляется склеивание известными теплоизолирующими органосиликатными составами «Силтэк», «Броня», «Корунд» и т.п. вставленных одна в другую цилиндрических заготовок из разных сплавов с последующей прокаткой секции до получения требуемого профиля. Такое исполнение с теплоизоляцией внутреннего слоя уменьшает в рабочем режиме теплопотери и увеличивает скорость изменения температуры внешнего - рабочего - слоя 11.The best option for the manufacture of such sections seems to be gluing with the known heat-insulating organosilicate compounds “Siltek”, “Armor”, “Corundum”, etc. cylindrical billets of different alloys inserted one into another, followed by rolling the section to obtain the desired profile. Such a design with thermal insulation of the inner layer reduces the heat loss in the operating mode and increases the rate of temperature change of the outer - working - layer 11.

Работа заявляемого двигателя принципиально не отличается от работы его прототипа.The work of the proposed engine is not fundamentally different from the work of its prototype.

На кольцо 10 в любой момент воздействуют силы предварительно напряженных ТЧЭ 4, которые через упорный подшипник передаются на наклонный фланец 7. При этом на валу 6 создается суммарный вращающий момент:The ring 10 at any time affect the forces of prestressed TCE 4, which are transmitted through the thrust bearing to the inclined flange 7. At the same time, the total torque is generated on the shaft 6:

M_Σ=Σ(F_k⋅tgϕ_k)⋅R_фл,M _Σ = Σ (F _k ⋅ tgϕ _k ) ⋅ R _fl ,

где: F_k - сила, приложенная к кольцу 10 от сжатых секций k-того ТЧЭ;where: F _k is the force applied to the ring 10 from the compressed sections of the kth TEC;

ϕ_k - угол (с учетом знака) уклона канавки наклонного фланца 7 в точке приложения этой силы;ϕ _k - the angle (taking into account the sign) of the slope of the groove of the inclined flange 7 at the point of application of this force;

R_фл - радиус окружности по дну указанной канавки.R _fl - the radius of the circle at the bottom of the groove.

При равенстве температуры у всех ТЧЭ суммарный момент М_Σ=0, а вал 6 находится в покое. С подачей из внешней сети через круговые пазы и внутренние каналы золотника 5 нагревающего и охлаждающего теплоносителей равенство температур у ТЧЭ (а следовательно, и баланс противоположно направленных вращающих моментов) нарушается и вал 6 начинает вращаться. При этом осевое усилие на нем воспринимается упорным подшипником фланца 3 корпусного блока. Связанный с валом золотник 5 скачками переключает нагревающий и охлаждающий потоки на очередные ТЧЭ, отчего точка приложения их равнодействующей силы на наклонный фланец 7 смещается, сохраняя на валу 6 вращающий момент. При этом в сравнении с прототипом у заявляемого двигателя имеется очень важное отличие: если в первом на группу ТЧЭ в зоне нагрева вся необходимая тепловая энергия отбиралась от источника тепла, то во втором это тепло расходуется только на окончательный донагрев одного - двух ТЧЭ, а предварительный их нагрев обеспечивается за счет рекуперации тепла, отдаваемого предыдущими ТЧЭ при их охлаждении. В результате к.п.д. двигателя резко возрастает.In case of equal temperature at all TCE, the total moment M is _Σ = 0, and shaft 6 is at rest. With the supply from the external network through the circular grooves and internal channels of the spool 5 of the heating and cooling fluids, the temperature equality at the HSE (and, consequently, the balance of oppositely directed torques) is violated and the shaft 6 begins to rotate. In this case, the axial force on it is perceived by the thrust bearing of the flange 3 of the housing unit. Associated with the shaft, the valve 5 jumps switches the heating and cooling streams to the next TCE, causing the point of application of their resultant force on the inclined flange 7 is shifted, keeping the torque on the shaft 6. At the same time, in comparison with the prototype, the proposed engine has a very important difference: if in the first for the group of HSE in the heating zone all the necessary thermal energy was taken from the heat source, then in the second this heat is spent only on the final additional heating of one - two HSE, and their preliminary heating is provided due to the recovery of heat given off by previous HSE during their cooling. As a result, efficiency. engine rises sharply.

Итак, с подключением внешних теплоносителей горячий поток, поступающий по штуцеру в основании 1 в круговой паз вставки 2 и далее по каналу золотника 5 к одной-двум секциям ТЧЭ 4, нагревает их, в результате чего их воздействие на кольцо 10 возрастает, а поскольку на этом участке канавка фланца 7 имеет максимальный уклон (см. примечание к фиг. 1), этот фланец начинает поворот. С каждым углом поворота α=2 π/n, (где n - число ТЧЭ), золотник 5 скачком переключает горячий поток на очередные ТЧЭ, при этом необходимое "опережение" нагрева устанавливается регулятором 8. А ранее нагретые ТЧЭ попадают в зону охлаждения. Их тепло переносится встречным охлаждающим потоком по особому каналу в золотнике 5 в зону предварительного нагрева ТЧЭ и в основном передается последним, а остаток по обратному контуру покидает двигатель и может быть утилизирован на другие цели.So, with the connection of external coolants, the hot flow coming through the nipple at the base 1 into the circular groove of the insert 2 and further along the channel of the spool 5 to one or two sections of the HSE 4 heats them, as a result of which their effect on the ring 10 increases, and since In this section, the groove of the flange 7 has a maximum slope (see note to Fig. 1), this flange begins to turn. With each angle of rotation α = 2 π / n, (where n is the number of TCEs), the spool 5 abruptly switches the hot flow to the next TCEs, while the required “advance” of heating is set by the regulator 8. And the previously heated TCEs fall into the cooling zone. Their heat is transferred by a counter-cooling flow through a special channel in the spool 5 to the preheating zone of the heat-transmitting element and it is mainly transferred to the latter, and the remainder leaves the engine along the return circuit and can be disposed of for other purposes.

Горячий поток может циркулировать по замкнутому контуру, например, в варианте с теплоаккумулятором.A hot stream can circulate in a closed circuit, for example, in the version with a heat accumulator.

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 тепло-содержащих технологических продуктов и тепловых сбросов в окружающую среду. Его компактная конструкция позволяет освоить его производство в самом широком интервале номиналов мощностей и рабочих температур с возможностью использования в системах, работающих в режиме когенерации тепловой энергии.The inventive Converter is able to work from a variety of sources of thermal energy (with or without heat exchangers) and is focused mainly on its renewable types, as well as the utilization of the energy of heat-containing technological products and thermal discharges into the environment. Its compact design allows you to master its production in the widest range of power ratings and operating temperatures with the ability to use in systems operating in the cogeneration of thermal energy.

Claims

A solid-state thermal engine containing heating and cooling zones, a shaft mounted in bearings, heat-sensitive elements (HSE), a bearing flange in contact with them, connected through a shaft-inclined flange bearing, and a spool connected to the shaft, controlling the flow of heating and cooling fluids to TCE, characterized in that it is equipped with TCE, consisting of bimetallic sections and located in cylindrical nests of the housing unit, connected to the spool channels, and the contour of the grief of which the heat carrier is connected with only one or two TCEs for their final additional heating, and the remaining TCEs are connected by channels of the spool with a thermal energy recovery circuit providing heat exchange between the previously heated TCEs that are cooled and preheated TCEs.