UA10389U

UA10389U - Thermal drive

Info

Publication number: UA10389U
Application number: UAU200503784U
Authority: UA
Inventors: Володимир Євгенович Шестеренко; Владимир Евгеньевич Шестеренко; Олександра Володимирівна Шестеренко; Александра Владимировна Шестеренко
Original assignee: Національний Університет Харчових Технологій; Национальный Университет Пищевых Технологий
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2005-11-15

Abstract

A thermo-drive has a body and a force element made of alloy with effect of “shape memory”. The force element has the shape of hollow cylindrical spring separated into sections, the common ends of the sections are fixed in the body, and the inner volumes of those are connected in tightened way with the heat carrier dispenser; the opposite ends of the sections press the pistons of the pump, and the inner volumes of those have opening going to the reservoir for used heat carrier. At that, the sections of the force element are placed in one plane, at one axis, and that axis coincides with the axis of the movable rod connecting the pistons of the pump; the rod of the dispenser of the heat carrier goes out of the boundaries of the body of the dispenser and interacts with the pistons of the pump.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модеось відноситься до пристроїв, що використовують відновлювальні джерела енергії (сонячне 2 випромінювання, геотермальні води ), а також може утилізувати тепло газів, що викидаються в атмосферу на теплових електростанціях та в котельних, тепло води, що скидається на електростанціях в басейни.Useful mode refers to devices that use renewable energy sources (solar 2 radiation, geothermal water), and can also utilize the heat of gases emitted into the atmosphere at thermal power plants and in boiler rooms, the heat of water discharged at power plants into pools.

Відомий термопривод (Ав. св. СРСР Мо 850914, опубл. 30.07.81. Бюл. Мо 28). Недоліками зазначеного пристрою є обмежений термін роботи, оскільки він сконструйований на основі сильфонів.Famous thermal actuator (Av. sv. USSR Mo 850914, publ. 30.07.81. Bul. Mo 28). The disadvantages of the mentioned device are a limited period of operation, since it is designed on the basis of bellows.

За прототип вибрано пристрій для перетворення теплової енергії в механічну, що містить корпус та силові 70 елементи із сплаву з ефектом "пам'яті форми" |Патент США Мо 4086769 від 2.08.1978, 60 - 527.)As a prototype, a device for converting thermal energy into mechanical energy was chosen, containing a body and 70 power elements made of an alloy with a "shape memory" effect | US Patent Mo 4086769 dated 2.08.1978, 60 - 527.)

Недоліком прототипу є складність конструкції й наявність спеціального вузла для деформації силових елементів із сплаву з ефектом "пам'яті форми" (ЕПФ).The disadvantage of the prototype is the complexity of the design and the presence of a special node for deformation of power elements made of an alloy with the effect of "shape memory" (EPF).

В основу корисної моделі поставлено задачу створення простого, надійного і довговічного термопривода, який міг би використовувати відновлювальні джерела енергії. 19 Поставлена задача вирішується тим, що в термопривіді, який містить, корпус та силовий елемент із сплаву з ефектом "пам'яті форми", відповідно до винаходу, силовий елемент має форму порожнистої циліндричної пружини, поділеної на секції, спільні кінці секцій закріплені в корпусі, а внутрішні об'єми їх з'єднані герметично з розподільником теплоносія, протилежні кінці секцій тиснуть на поршні і внутрішні об'єми їх мають отвір, що виходить в резервуар для використаного теплоносія, секції силового елемента розміщені в одній площині, на одній осі, і ця вісь співпадає з віссю рухомого стержня, що з'єднує поршні, шток розподільника теплоносія виходить за межі корпусу розподільника і взаємодіє з поршнями насоса.The useful model is based on the task of creating a simple, reliable and durable thermal drive that could use renewable energy sources. 19 The problem is solved by the fact that in the thermal actuator, which contains a housing and a power element made of an alloy with a "shape memory" effect, according to the invention, the power element has the form of a hollow cylindrical spring divided into sections, the common ends of the sections are fixed in the housing , and their internal volumes are hermetically connected to the coolant distributor, the opposite ends of the sections press on the pistons, and their internal volumes have an opening that goes into the tank for the used coolant, the sections of the power element are located in one plane, on one axis, and this axis coincides with the axis of the movable rod connecting the pistons, the rod of the distributor of the coolant goes beyond the body of the distributor and interacts with the pistons of the pump.

Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками і технічним результатом. Для сплавів з ефектом "пам'яті форми" характерна наделастичність (гумоподібна поведінка). Цей ефект проявляється, якщо мартенситне перетворення відбувається під дією зовнішнього навантаження. В результаті спостерігається значна деформація сплаву. При цьому величина зворотної деформації на порядок вище, ніжу кращих пружинних пла) матеріалів.Causal relationship between the proposed features and the technical result. Alloys with a "shape memory" effect are characterized by superelasticity (rubber-like behavior). This effect is manifested if the martensitic transformation occurs under the influence of an external load. As a result, a significant deformation of the alloy is observed. At the same time, the amount of reverse deformation is an order of magnitude higher than that of the best spring pla) materials.

Сплави з ЕПФ мають надвисоку циклічну міцність. Вони витримують значні знакозмінні навантаження. "Довговічність" виробів із сплавів з ЕПФ може бути в тисячі разів вищою, ніж у традиційних матеріалів.Alloys with EPF have extremely high cyclic strength. They withstand significant sign-changing loads. The "durability" of products made of EPF alloys can be thousands of times higher than that of traditional materials.

Циклічна стійкість забезпечується особливим механізмом мартенситного перетворення, що не супроводжується о порушенням міжатомних зв'язків. Не відбувається накопичення дефектів структури, які призводять до с виникнення тріщин та руйнувань. Ефект пам'яті форми характерний для всіх сплавів, в яких перетворення у висхідну фазу після деформації протікає по мартенситному механізму. Але надпружність виявляється тільки у о деяких сплавів. Га»)Cyclic stability is ensured by a special mechanism of martensitic transformation, which is not accompanied by a violation of interatomic bonds. There is no accumulation of structural defects that lead to the occurrence of cracks and destruction. The effect of shape memory is characteristic of all alloys in which the transformation into the ascending phase after deformation proceeds according to the martensitic mechanism. But hyperelasticity is found only in some alloys. Ha")

Найяскравіша ця якість у сплаві нікеля з титаном - нітинолі. Вироби зі сплаву нагрівають для переходу у 3о високотемпературну модифікацію і в цьому стані їм надають визначену форму. Потім сплав охолоджується -- нижче критичної температури і переходить в іншу, низькотемпературну фазу. Таке перетворення нагадує термопружне мартенситне перетворення. Якщо виріб із сплаву в мартенситному стані піддати повторній пластичній деформації (допускається ступінь деформації до 690 і більше), а потім його нагріти, переводячи « знову у високотемпературну модифікацію, то завдяки зворотному мартенситному перетворенню він прийме свою З первинну форму, що була надана йому при першій деформації у стані високотемпературної модифікації. с Для порівняння подібних матеріалів наведемо основні характеристики нітинола-55 (5590 Мі) : нітинол-55 має :з» температуру плавлення 12922С, магнітну проникність менше 1,002, межа міцності 870Н/мм?, межа витривалості на базі 107 циклів 490Н/мм. 415 При нагріванні в процесі зворотного мартенситного перетворення сплав різко зміцнюється. Це проявляється - в збільшенні модуля пружності в 3-4 рази до 8,4-107Н/мм? та межі текучості в 6-7 разів до 63ОН/мм?. Нітинол-55 після деформації у мартенситному стані на 6-89о завжди дає 10095 вертання. Деформація матеріалу вище 890 о дає до 8095 вертання, що в більшості випадків задовольняє вимогам при застосуванні. оо Вертання до вихідної форми відбувається у дві стадії: пружне вертання, що складає біля 2095 заданої 50 деформації, та термопластичне вертання, коли знищуються залишки 8075 вертання деформації. У проволоці со діаметром 0,4-0О0,5мм, попередньо деформованій на 895, у процесі вертання генерується напруга до 600Н/мм 2.This quality is most striking in the alloy of nickel with titanium - nitinol. Alloy products are heated to transition to 3o high-temperature modification, and in this state they are given a specific shape. Then the alloy cools below the critical temperature and passes into another, low-temperature phase. Such a transformation resembles a thermoelastic martensitic transformation. If a product made of an alloy in the martensitic state is subjected to repeated plastic deformation (the degree of deformation is allowed up to 690 and more), and then it is heated, transferring it again to high-temperature modification, then thanks to the reverse martensitic transformation, it will take its original C shape, which was given to it during of the first deformation in the state of high-temperature modification. c To compare similar materials, we present the main characteristics of nitinol-55 (5590 Mi): nitinol-55 has a melting point of 12922С, a magnetic permeability of less than 1.002, a strength limit of 870N/mm?, an endurance limit based on 107 cycles of 490N/mm. 415 When heated in the process of reverse martensitic transformation, the alloy hardens sharply. Is it manifested - in an increase in the modulus of elasticity by 3-4 times to 8.4-107N/mm? and yield strength 6-7 times up to 63OH/mm?. Nitinol-55 after deformation in the martensitic state at 6-89o always gives 10095 turns. Deformation of the material above 890 o gives up to 8095 turns, which in most cases satisfies the application requirements. oo The return to the original shape occurs in two stages: elastic return, which is about 2095 of the given 50 deformation, and thermoplastic return, when the remains of the 8075 deformation return are destroyed. In the wire with a diameter of 0.4-0О0.5 mm, previously deformed by 895, a tension of up to 600 N/mm 2 is generated during the turning process.

Ге) При цьому може виконуватися значна механічна робота на одиницю маси сплаву.Ge) At the same time, considerable mechanical work can be performed per unit mass of the alloy.

Змінюючи в сплаві вміст титану та нікеля і додаючи легуючі присадки можна впливати на температуру фазового перетворення в межах від 110 до 6009К.By changing the content of titanium and nickel in the alloy and adding alloying additives, it is possible to influence the phase transformation temperature in the range from 110 to 6009K.

Ефект пам'яті форми виявлено також у сплавах Си-АІ-Мі з 12-1695 АЇ!, 0-10905 Мі; АІ-Ре-Си з 12-16,5905 АЇ, 0,5-3,996 Ре, інше Си; Си-АІ-Мп. Ці матеріали також характеризуються здатністю у вузькому температурному с інтервалі - 102 К переходити з одного фазного стану (пластичного) в інший фазний стан (надпружний) і навпаки.The shape memory effect was also found in Si-AI-Mi alloys with 12-1695 AI!, 0-10905 Mi; AI-Re-Sy with 12-16.5905 AI, 0.5-3.996 Re, other Sy; Si-AI-Mp. These materials are also characterized by the ability in a narrow temperature range of - 102 K to pass from one phase state (plastic) to another phase state (superelastic) and vice versa.

Температура фазового перетворення визначається складом сплавів та їх термообробкою.The phase transformation temperature is determined by the composition of the alloys and their heat treatment.

Завдяки тому, що нітинол має значну ударну в'язкість, високу межу витривалості, легко кується, добре 60 демпфує вібрацію, не кородує навіть у морській воді, не окислюється при нагріванні до температури 8802К, не розтріскується під напругою та немагнітний, із цього матеріалу можна виконувати силовий елемент привода.Due to the fact that nitinol has a significant impact strength, a high endurance limit, is easily forged, well 60 damps vibration, does not corrode even in sea water, does not oxidize when heated to a temperature of 8802K, does not crack under stress and is non-magnetic, this material can be perform the power element of the drive.

На багатьох підприємствах виникає потреба утилізувати теплову енергію при порівняно невеликому перепаді температур. Цим вимогам відповідає конструкція термопривода. Стійка робота такого привода буде при перепаді температур в діапазоні 20...309С7, що практично не реалізується при інших відомих термодинамічних 65 циклах. Термокерування можливо здійснити будь яким теплоносієм або ж газами.At many enterprises, there is a need to utilize thermal energy with a relatively small temperature difference. The design of the thermal actuator meets these requirements. The stable operation of such an actuator will be at a temperature difference in the range of 20...309С7, which is practically not realized with other known thermodynamic 65 cycles. Thermal control can be carried out with any heat carrier or gases.

Технічна суть запропонованого термопривода пояснюється кресленням, на якому зображено:The technical essence of the proposed thermal drive is explained by the drawing, which shows:

Фіг.1 - конструкція привода, розріз; фіг.2 - принцип роботи привода насоса, коли поршні рухаються вліво; фіг.3 - принцип роботи привода насоса, коли поршні рухаються вправо.Fig. 1 - construction of the drive, section; Fig. 2 - the principle of operation of the pump drive when the pistons move to the left; Fig. 3 - the principle of operation of the pump drive when the pistons move to the right.

Термопривод містить клапани 1,4,5,7, термоелементи 2,3, розподільник теплоносія 6.The thermal drive includes valves 1, 4, 5, 7, thermocouples 2, 3, coolant distributor 6.

Термопривод працює таким чином.The thermal actuator works as follows.

В термоеєлементи 2 та 3, виконані у вигляді трубчатих спіралей, подається тепла та холодна вода (газ).Warm and cold water (gas) is supplied to thermoelements 2 and 3, made in the form of tubular spirals.

Термопривод діє на жорстко з'єднані між собою поршні насоса. Змінювання напряму подачі нагрітої та холодної води здійснюється з допомогою розподільника 6, що переключається автоматично при підході поршнів до одного умо З крайніх положень. Напрям руху рідини, що перекачується насосом, буде визначатися клапанами 1,4,5,7 (Фіг.1).The thermal drive acts on rigidly interconnected pump pistons. Changing the direction of supply of heated and cold water is carried out using the distributor 6, which switches automatically when the pistons approach one of the extreme positions. The direction of movement of the liquid pumped by the pump will be determined by valves 1,4,5,7 (Fig. 1).

При подачі гарячої води (газу) в праву пружину вона нагрівається до точки мартенситного перетворення, довжина пружини збільшується (фіг.2), поршень в правому циліндрі насосу переміщується, тягнучи за собою поршень лівого циліндра. В цей момент в лівий силовий елемент подається рідина (газ) нижчої температури, пружина стає наделастичною і зжимається. При цьому в лівому циліндрі насосу відбувається всмоктування /5 рідини, а в правому - нагнітання її. В крайньому положенні лівий поршень тисне на шток розподільника теплоносія і переключає його. В праву пружину починає поступати холодна рідина, а в ліву - гаряча (фіг.3).When hot water (gas) is supplied to the right spring, it is heated to the point of martensitic transformation, the length of the spring increases (Fig. 2), the piston in the right cylinder of the pump moves, dragging the piston of the left cylinder with it. At this moment, a liquid (gas) of a lower temperature is supplied to the left power element, the spring becomes hyperelastic and compresses. At the same time, in the left cylinder of the pump, liquid /5 is sucked in, and in the right one, it is pumped. In the extreme position, the left piston presses on the coolant distributor rod and switches it. Cold liquid begins to flow into the right spring, and hot liquid into the left (Fig. 3).

Цикл повторюється. В правому циліндрі відбувається всмоктування рідини, а в лівому - нагнітання її. В крайньому лівому положенні правий поршень тисне на шток розподільника теплоносія і переключає його.The cycle repeats itself. In the right cylinder, fluid is sucked in, and in the left one, it is injected. In the extreme left position, the right piston presses on the coolant distributor rod and switches it.

Елементи з ЕПФ відзначаються підвищеною чутливістю, можуть розвивати зусилля значно більші, ніж силові 2о елементи відомих приводів, виконуючи при цьому суттєву роботу на одиницю маси сплаву. Термопривод може бути застосований в південних регіонах для накачування води, спільно з геліоколекторами для виробництва електроенергії, може утилізувати тепло газів, що викидаються в атмосферу на теплових електростанціях та в котельних, тепло води, що скидається в басейни, що може суттєво підняти ККД електростанцій.Elements with EPF are characterized by increased sensitivity, they can develop forces significantly greater than power 2o elements of known drives, at the same time performing significant work per unit mass of the alloy. The thermal drive can be used in the southern regions for pumping water, together with solar collectors for the production of electricity, it can utilize the heat of gases emitted into the atmosphere at thermal power plants and in boiler rooms, the heat of water discharged into pools, which can significantly increase the efficiency of power plants.

Claims

29 Formula of the invention - Thermal actuator containing a housing and a power element made of an alloy with a "shape memory" effect, which is characterized by the fact that the power element has the form of a hollow cylindrical spring divided into sections, the common ends of the sections o and z are fixed in the housing, and their internal volumes are hermetically connected to the coolant distributor, the opposite ends of the sections press on the pump pistons and their internal volumes have an opening that goes into the tank for the used 00 coolant, the sections of the power element are located in one plane, on one axis, and this axis coincides with the axis of the movable rod connecting the pistons of the pump, the rod of the distributor of the coolant goes beyond the body of the distributor and interacts with the pistons of the pump. | "c) yes

-

. and? - («c) (95) (ee) iChe) 60 b5