Меню

ДВИГАТЕЛИ НЕ ТРАДИЦИОННЫХ СХЕМ  (осмотические, памяти формы, магнитные и др.)

09.11.2016 - История тепловых двигателей

ДВИГАТЕЛИ НЕ ТРАДИЦИОННЫХ СХЕМ 
(осмотические, памяти формы, магнитные и др.)

Несомненно, самыми известными и получившими наибольшее распространение в мире получили двигатели использующие эффект разширения газа и эффект преобразования жидкости в пар. Но кроме них существуют двигатели использующие другие физические эффекты. Пока что они имеют весьма малое распространение и не случайно их называют экзотическими. Но усиливающийся интерес к экологически безвредным источникам энергии, безусловно, приведет к возрастанию их роли. 
Рассмотрим их по порядку. 

Двигатели использующие эффект осмоса.

Эффект осмоса, как известно, заключается в диффузии вещества через полупроницаемую перегородку, за счет чего создается избыточное осмотическое давление В Великобритании выдан патент № 1343891 на осмотический двигатель, довольно сложный, однако пригодный, по мнению изобретателей, для применения на автомобилях. Советский инженер П. Роговик из Макеевки предложил очень простой тихоходный осмотический двигатель небольшой мощности, основанный на разбухании материалов при увлажнении. Так разбухает, например, желатин. Кольцо из этого материала изобретатель зажал между двумя валками, погруженными в воду до уровней осей. Части кольца, находящиеся ниже уровня, расширяются от набухания и давят на валки, приводят их во вращение. Вместе с валками медленно крутится и кольцо. Его разбухшие части постепенно поднимаются вверх, а сухие опускаются, впитывают воду, разбухают и давят на валки, продолжая их вращать. Части кольца, вышедшие из воды, высыхают, и цикл продолжается. Пример модели такого двигателя показан на фиг. 1.

 Двигатели использующие эффект осмоса
Фиг. 1.

Двигатели использующие эффект памяти формы.

И уж совсем необычными являются модели моторов, действующие благодаря «памяти», открытой у сплава нитинола. Сваренный из никеля и титана, он обладает необычным свойством: запоминать форму, которую ему придают в нагретом состоянии. Можно, например, полоску из этого сплава закрутить в спираль — попеременно нагреваемая и охлаждаемая, она то станет снова полоской, то обратно закрутится, и так бесчисленное количество раз. Американским инженерам удалось, используя это свойство, построить двигатель. Его основа — колесо с изогнутыми спицами, которые в горячем состоянии были прямыми. Когда такую спицу погружают в ванну с теплой водой, она выпрямляется и толкает колесо. Тотчас же спица попадает в холодную воду и изгибается, а на ее место в теплую ванну приходит новая изогнутая спица. Для работы двигателя достаточно перепада температур всего в 23°. Авторы изобретения считают, что этот странный двигатель поможет, например, использовать тепло, уносимое охлаждающей водой атомных электростанций. 
Вариантов выполнения двигателя, использующего эффект памяти формы, множество. Приведу лишь парочку из них. 
Вариант 1. Тепловой двигатель (Фиг. 2 и Фиг. 3), содержащий полый статор с оптическими концентраторами теплового излученияи шероховатой цилиндрической внутренней поверхностью и ротор с множеством установленных по всей его наружной цилиндрической поверхности с односторонним тангенциальным относительно ротора направлением проволок из материала с термомеханнческой памятью знакопеременного изменения их длины, размещенный внутри статора с возможностью взаимодействия проволок с внутренней поверхностью статора при их удлинении и сжатии.

Двигатели использующие эффект памяти формы 
Фиг. 2.
 Двигатели использующие эффект памяти формы
Фиг. 3.
Тепловой двигатель работает следующим образом. При воздействии на статор 1 теплового излучения Q, например солнечной радиации, которое проходит через прозрачную для него массу спрессованных отрезков 4 волокон оптической синтетической резины, многократно перефокусируясь в разных местах тела статора 1, где имеются линзоподобные овальные смятия отрезков 4, термочувствительные проволоки 8 нагреваются. При этом часть излучения Q, которая не сфокусирована, нагревает отдельные участки проволок 8 до температуры ниже +110°С, а сфокусированная часть излучения нагреваетдругие участки проволок 8 до температуры выше +130°С. Это приводит к проявлению эффекта термомеханической памяти формы обратимого знакопеременного изменения длины проволок 8. Нагрев до +120°С приводит к удлинению проволок 8 на 5-10%, и последние упираются своими торцами в шероховатую поверхность 6 с усилием до 30 кгс/мм2, отталкивая ротор 7 от статора 1 и вызывая этим поворот ротора 7 и соединенного с ним выходного вала 13. Дальнейшее повышение температуры (выше+130°С) проволок 8 при к их укорочению до первоначальной длины. Вследствие поворота ротора 7 нагретые ранее участки проволок 8 выходят из зоны фокальных пятен в местах расположения линзоподобных участков стенок 2 стара 1 и охлаждаются до температуры ниже +110°С, а на их место приходят другие участки проволок 8. которые также претерпевают трансформацию при их нагреве выше +130°С, ранее описанную. Охлаждаемые участки проволок 8, проходя диапазон температур от + 130°С до +110°С ввиду проявления эффекта обратимого знакопеременого формоизменения при температуре +120°С вновь удлиняются и, упираясь в шероховатую поверхность 6 статора 1, сообщают ротору 7 дополнительный крутящий момент, после чего при температуре ниже +110°С возвращаются к первоначальной длине. 
Вариант 2. На фиг. 4 показан еще один вариант теплового двигателя использующего эффект памяти формы. 
Роторы 3 и 4 охвачены кольцами 5 и 6, а зона 1 нагрева смещена в одну сторону от плоскости, проходящей через оси роторов, что обеспечивает запуск двигателя без стартера. Память колец выражена в изменении их толщины. Роторы выполнены зубчатыми, а память колец выражена в изменении их формы от зубчатой до круговой и наоборот. При нагреве колец происходит местное увеличение их толщины. За счет этого кольца взаимоотталкиваются и поворачиваются. В зону нагрева попадают новые участки материала колец, происходит их нагрев, радиальная деформация и вращение роторов продолжается. Изменяя интенсивность теплового потока 8, размеры и расположение зон 1 и 2 нагрева и охлаждения, можно регулировать скорость вращения роторов.

 вариант теплового двигателя использующего эффект памяти формы
Фиг. 4.

Двигатели использующие эффект изменения магнитных свойств металлов.

Возможны моторы, где солнечное (или любое другое) тепло используется для изменения магнитных свойств металлов. Благодаря этому также можно получить механическую работу. Иллюстрация тому — двигатель (Фиг. 5), предложенный изобретателем и журналистом А. Г. Пресняковым. Он предельно прост, состоит из обода со спицами — и только. Обод сделан из ферромагнитного сплава, который теряет свои магнитные свойства при +65 °С. (Сегодня уже известны сплавы, где эта потеря происходит при более низких температурах.) Достаточно близко к ободу установить сильный постоянный магнит и даже не нагревать, а только освещать какой-либо участок обода до потери им магнитных свойств, как магнит станет притягивать соседние участки обода, заставляя его проворачиваться. Не следует думать, что такой двигатель очень слабосилен. Солнечный водоподъемник, построенный Пресняковым, в пустыне качал до 800 л воды в час. Изготовил Пресняков и тележку, которая катится на свет сильной электролампы. Такую модель может в принципе построить и любой юный конструктор.

 Двигатели использующие эффект изменения магнитных свойств металлов
Фиг. 5.
Есть и другие варианты выполнения двигателя, более сложные. 
Вариант 1. Двигатель фиг. 6 содержит корпус 1 с окном 2 на боковой поверхности и расположенные в корпусе ротор 3 в виде полого цилиндра и постоянный магнит 5. На наружной поверхности ротора прикреплены пластины 6, выполненные из железородиевого сплава (FeRh) при следующем соотношении компонентов в сплаве, вес %: Rh — 47-53, Fe — остальное. В окне 2 корпуса 1 установлена собирающая линза 7.

 Двигатели использующие эффект изменения магнитных свойств металлов
Фиг. 6.
Тепловой двигатель работает следующим образом. Каждая пластина 6 железо-родиевого сплава при температуре окружающей среды находится в антиферромагнитном состоянии и практически не притягивается магнитом. При попадании на одну из нихх световых лучей нагревается до температуры, равной критической температуре Тk перехода антиферромагнетик-ферромагнетик (для сплава эквиатомного состава Tk=70°С) и переходит в ферромагнитное состояние. В результате этого пластина притягивается магнитом 5 и двигается к нему, увлекая за собой весь ротор 3. При своем движении пластина выходит из зоны нагрева и, охлаждаясь, возвращается в антиферромагнитное состояние. Но в это время в зону нагрева входит соседняя пластина, которая, нагреваясь до критической температуры, также становится ферромагнитной и притягивается магнитом 5, увлекая за собой ротор. Вслед за второй, в зону нагрева входит третья пластина, и так далее. При достаточно близком расстоянии между пластинами сплава ротор совершает равномерное вращение. Для увеличения скорости вращения ротора 3 в окне корпуса установлена собиравшая линза 7. Для того, чтобы ротор вращался равномерно, желательно, чтобы все пластины сплава имели одинаковую форму. Однако форма этих пластин может быть любой, поскольку она не влияет на параметры перехода антиферромагнетик-ферромагнетик. 
Вариант 2. Двигатель (Фиг. 7) содержит корпус 1 с укрепленным в нем постоянным магнитом 2 и ротором 3, установленным в корпусе 1 на подшипниках 4. Ротор 3 выполнен в виде наружного усеченного конуса 5 и внутреннего усеченного конуса 6, вставленных один в другой. Оба конуса 5 и 6 изготовлены из немагнитного материала и скреплены между собой теплоизолирующими радиальными перегородками 7. Конусы 5 и 6 перегородки 7 образуют расположенные по окружности и скрепленные между собой тепловые трубы прямоугольного сечения с равновеликими и герметичными полостями, фитили 8 которых установлены на наружном конусе 5, изготовлены из термомагнитного сплава и имеют пористую структуру. Постоянный магнит 2 установлен в районе 9 конденсации тепловых труб с небольшим зазором фигиля 8. Для обдува горячим газом расположенных снизу ротора зон 10 испарения тепловых труб напротив этих зон расположен входной патрубок 11 устройства 12 обдува, имеющий внутренние стенки 13 и наружные стенки 14. образующие лабиринтное уплотнение с кольцевыми пластинами 15 и 16, закрепленными на роторе 3. Для выхода отработанных горячих газов после обдува зон 10 испарения тепловых труб служит выходной патрубок 17. Устройство 12 обдува закреплено на корпусе 1 подвижно с возможностью поворота на определенный угол относительно постоянного магнита 2 по направлению вращения ротора 3 и против его вращения. Устройство 12 обдува соединено с источником горячего газа работающим на жидком или газообразном топливе газогенератором 18, вход которого через теплообменник 19 соединен с входным фильтром 20. Для предварительного подогрева, подаваемого в газогенератор воздуха, теплообменник 19 соединен с выходным патрубком 17 устройства 12 обдува. В корпусе 1 выполнены окна 21 для охлаждающего ротор воздуха. Для подачи воздуха в газогенератор служит вентилятор (не показан). Для подачи охлаждающего воздуха через окна 21 также может быть установлен вентилятор.

 Двигатели использующие эффект изменения магнитных свойств металлов
Фиг. 7.
Магнитно-тепловой двигатель раьотает следующим образом. При пуске двигателя горячие газы подаются в патрубок 11 из газогенератора 18, обдувают зоны 10 испарения тепловых труб и отводятся через выходной патрубок 17 в теплообменник 19, а из него в атмосферу. Устройство обдува при пуске двигателя установлено таким образом, что производится подогрев зон испарения тепловых труб, которые расположены под центром постоянного магнита 2 и последующих по направлению вращения ротора. Так как тепловые трубы обладают высокой теплопроводностью и незначительным градиентом температур между зоной испарения и зоной конденсации, то фитили 8 в зонах конденсации за минимальный промежуток времени нагреваются до температуры выше точки Кюри для примененного в фитилях термомагнитного сплава. Нагревшись выше точки Кюри, термомагнитный сплав теряет свои магнитные свойства, и фитили 8 тепловых труб, перестают удерживаться магнитным полем постоянного магнита 2. Равновесие между ротором 3 и магнитом 3 нарушается, и ротор поворачивается на некоторый угол по часовой стрелке, при этом в зону действия потока горячего газа попадают поочередно тепловые трубы, подтягиваемые постоянным магнитом 2. Таким образом, вращение ротора 3 происходит непрерывно. При увеличении частоты вращенияротора 3 устройство обдува несколько смещают навстречу направлению вращения (против часовой стрелки), создавая некоторое опережение зоны начала нагрева зон испарения тепловых труб для сохранения неизменным местоположения зоны, где теряются магнитные свойства фитилей 8, относительно постоянного магнита 2. Охлаждение зон 10 испарениятепловых труб, вышедших при вращении ротора 3 из устройства 12 обдува, производится воздухом через окна 21 в корпусе 1 за счет естественной циркуляции или принудительно с помощью вентилятора (непоказан). С увеличением скорости вращения ротора 3 скорость теплообмена в тепловых трубах возрастает за счет более интенсивного возврата конденсата в зоны испарения 10 под дейтсивме центробежных сил. Увеличение или уменьшение скорости вращения ротора 3 производится увеличением или уменьшением температуры подводимого газа, увеличением или уменьшением количества топлива и воздуха, подводимых в газогенератор 18 или смещением устройства 12 обдува по направлению вращения ротора 3 или в обратном направлении. Для изменения направления вращения устройство 12 обдува смещают в сторону, противоположную направлению вращения ротора 3 на такой угол, при котором выходной патрубок 17 расположится напротив средней части постоянного магнита 2. Применение тепловых труб, обладающих высокой теплопроводностью, позволит быстро изменить направление вращения ротора.

Двигатели использующие перепад температур между средами, так и внутри самих сред.

Схема такого двигателя показана на фиг. 8. При работе устройства в режиме преобразования тепловой энергии в механическую в зоне 7 нагрева подогревают рабочее тело 5 в камерах 4 и охлаждают его в зоне 8. При нагревании камеры 4 увеличиваются в объеме, при этом жидкость 2 выталкивается из смежных с камер 4 отсеков 10 через вырез 16 в стенке коллектора 12 в нагнетательную полость 14. В зоне 8 камеры 4 сжимаются, и жидкость 2 всасывается в объем отсеков 10 через вырезы 17 из полости 15. При таком перераспределении массы жидкости 2 в роторе 3 возникает его весовой дебаланс, и ротор 3 вращается. Палости 14 и 15 неподвижного коллектора 12 разделены герметично теплоизоляционной перегородкой 13.

 Двигатели использующие перепад температур между средами, так и внутри самих сред
Фиг. 8.

Двигатели работающие за счет насыщения и испарения жидкости.

Схема такого двигателя показана на фиг. 9. Непрерывное одностороннее вращение пористого ротора под действием его весового дебаланса, поддерживаемого насыщением ротора с одной его стороны жидкостью с использованием капиллярных сил и испарением жидкости с другой стороны ротора, и может быть использовано в качестве демонстрационного прибора в школе, в качестве увлажнителя воздуха или для регистрации изменений влажности в течение длительного времени. Двигатель содержит емкость 2 с водой 3 и ротор 4, имеющий радиальные выступы в виде секторов 5 из капиллярно-пористого материала с тангенциально расположенными отростками 6. Погруженный в воду 3 отросток 6 увлажняет свой сектор 5 и другие секторы, расположенные по ту, же сторону ротора 4. На другой стороне ротора 4 вода из секторов 5 испаряется за счет тепла более нагретой окружающей среды. За счет постоянно возобновляемого весового дебаланса поддерживается вращение ротора 4.

 Двигатели работающие за счет насыщения и испарения жидкости
Фиг. 9.

Известны также двигатели использующие рабочие элементы, изменяющие свои размеры в зависимости от влажности (хемомеханический двигатель).

Двигатель (Фиг. 10) содержит емкость 1 для воды, рабочие элементы 2, стойки с подшипниками, ось 4, ротор с фиксаторами 5, блоки 6, гибкие тяги 7, рычаг 8, груз 9, холодные и теплые спаи 10,11 термоэлементов. Намокая в емкости 1, рабочий элемент 2 удлиняется, что приводит к смещению груза 9 и возникновению вращающего момента, приводящего во вращение ротор с фиксаторами 5. В результате намокший рабочий элемент выходит из воды, а сухой погружается в воду, после чего происходит поворот ротора в обратном направлении. При высыхании намокших рабочих эл.ементов 2 они охлаждаются, понижая температуру холодных спаев 10 термоэлементов, что приводит к дополнительной выработке электричества .

Известны также двигатели использующие рабочие элементы, изменяющие свои размеры в зависимости от влажности (хемомеханический двигатель) 
Фиг. 10.
Еще примером экзотических моторов может служить так называемый двигатель светового поглощения. Рабочий цилиндр в нем имеет прозрачное окошко, сквозь которое пропускаются солнечные лучи или луч лазера, нагревающие, газ в цилиндре. За счет этого нагрева и совершается рабочий ход. Экспериментальный образец лазерного мотора дает ;до 600 об/мин при мощности аппарата 30 Вт. КПД этого двигателя, правда, не превышал 2%. Известны моторы, работающие от солнечного излучения. Оно преобразуется с помощью фотоэлементов в электрический ток. 
Юным конструкторам под силу сделать и другую модель экзотического мотора, показанный на фиг. 11. Он работает от световой энергии электрической лампы или солнца, сфокусированной через линзу. Для ее постройки потребуется несколько биметаллических пластин, какие применяются в различных тепловых реле. Известно, что биметаллическая пластина, собранная из двух полосок металла с разным коэффициентом теплового расширения, при нагревании довольно сильно изгибается. Рабочий цилиндр, изготовленный, например, из пластмассы, “обшивается” по периметру биметаллическими пластинами, прикрепленными к цилиндру одним концом. На другом их конце находятся грузики. Цилиндр посажен на спицу, укрепленную в двух втулках на краях какого-нибудь сосуда. В нормальном состоянии пластинки изогнуты по окружности цилиндра. При нагревании пластинка распрямляется и отходит от стенки, равновесие сил грузиков нарушается, и цилиндр прокручивается. Место этой пластинки занимает новая, е распрямившаяся охлаждается и снова прижимается к стенке цилиндра. Для ускорения охлаждения а сосуд можно налить холодной воды.

двигатель светового поглощения
Фиг. 11.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *