В последние десятилетия во всём мире огромное внимание уделяют энергосбережению, малой энергетике и нетрадиционным источникам энергии. Наиболее популярны среди альтернативных источников энергии ветроэнергетика, энергия Солнца, тепловая энергия Земли.

Следует отметить, что наибольшие потери энергии в различных машинах приходятся на тепловые потери, поэтому задачу преобразования тепловых потерь в другие виды энергии (механическую, электрическую, гидравлическую) можно считать актуальной.

Как известно [1], огромное количество энергии в виде отводимого в атмосферу тепла теряется в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), причём рабочая температура охлаждающей жидкости в ДВС находится в пределах 80⁰…95⁰С. Нагрев двигателя от температуры окружающей среды Т₁ (примем 20⁰С) происходит до рабочей (Т₂=90⁰С) за довольно короткий промежуток времени, при этом происходит тепловое расширение всех элементов двигателя. Если в рубашку охлаждения двигателя встроить легко расширяющиеся элементы, то они подвергнутся тепловому расширению. В качестве таких элементов примем сильфоны, заполненные жидкостью с высоким коэффициентом объёмного расширения β (рис.1), которые применяются в технике в качестве гидродвигателей при малых давлениях и перемещениях [2].

 Рисунок 1 – Геометрические параметры сильфона.

В качестве рабочего тела предлагается использовать аммиак. Задавшись параметрами сильфона и его начальным объемом V=9,425·10^-6 м³ на основании закона теплового расширения ΔV=β·V·ΔT  при заданном ΔТ=70⁰С удлинение сильфона составит h=0,0149 м≈ 15 мм.

Для преобразования поступательного движения штока сильфона в гидравлическую энергию и последующего её накопления предлагается схема устройства (рис.2) состоящего из непосредственно сильфона 1, днище которого крепится непосредственно к теплопроводящему элементу 2 корпуса ДВС, шток сильфона 3 соединён шарнирно с двуплечим рычагом 4, другой конец которого также шарнирно соединён с плунжером 5. Плунжер 5 находится в корпусе плунжерного насоса 6, на всасывающем трубопроводе которого установлен обратный клапан 7, а на нагнетательном обратный клапан 8. Всасывающая магистраль связана с баком 9, в котором находится гидравлическое масло, а напорная магистраль связана с пневмогидроаккумулятором (ПГА) 10 и запорным вентилем 11 [3].

Рисунок 2 – Схема устройства для преобразования энергии тепла в гидравлическую энергию.

 При нагреве ДВС до рабочей температуры шток сильфона 3 перемещаясь вправо посредством рычага 4 перемещает плунжер 5 влево, клапан 7 запирается и гидравлическое масло в полости насоса 6 через обратный клапан 8 при закрытом вентиле 11 поступает в гидравлическую полость ПГА 10. При остывании двигателя процесс перемещения механических частей происходит в обратной последовательности, но при этом в корпусе насоса 6 создаётся разряжение, клапан 8 запирается и через открывшийся обратный клапан 7 масло засасывается из бака 9 в полость насоса. При циклическом изменении температуры процессы повторяются, заряжая ПГА, запасённая в нём энергия жидкости в последующем, например, может использоваться для пневмогидравлического запуска двигателя.

На основании закона термодинамики  и при заданных Т₁ и Т₂ исходя из условия, что при начальной температуре давление в сильфоне равнялось атмосферному, т.е. 1 атм или 0,1 МПа, используя ранее полученные данные при построении зависимостей на рис.2. определим максимальное давление р₂, которое для принятых начальных условий составило 0,3 МПа. Далее определим максимальное развиваемое усилие на штоке сильфона F₁ и при соотношении длин плечей L₁/L₂=2 рычага 4 максимальное усилие на плунжер F₂ насоса 6           При диаметре плунжера d=10 мм развиваемое давление нагнетания плунжерного насоса может достигать 2,5 МПа при объёмной подаче за цикл нагрева сильфона до значения q=0,6 см³. Для повышения производительности предлагаемого устройства необходимо использовать несколько секций таких механизмов, например, при использовании 20 секций уже суммарная цикловая подача жидкости в ПГА составит Σq=12 см³, таким образом уже получим термогидравлическую рекуперативную систему.

Другим направлением совершенствования предложенной системы является оптимизация геометрических параметров как механической части системы, так и гидравлической, а создание возможности охлаждения сильфона с жидкостью после каждого цикла нагнетания позволит превратить предложенную систему в тепловой гидравлический насос по принципу теплового двигателя Стирлинга [4].

Подобная система может применяться не только в двигателях внутреннего сгорания, но и в гелиоустановках и различных стационарных нагревательных устройствах периодического действия.

1. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчёт. Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. / И.П.Ксеневич, В.В.Гуськов, Н.Ф.Бочаров и др.; Под общ. ред. И.П. Ксеневича – М.: Машиностроение, 1991. – 544 с.: ил.
2. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с., ил.
3. Патент РФ №134999, МПК F02G5/04, F01M11/04, F01P11/00  (2006.01). Термогидравлическая рекуперативная система. Хавронина В.Н., Несмиянов Л.И. Опубл.27.11.2013.
4. Википедия. Свободная энциклопедия. http://ru.wikipedia.org/

Все статьи автора «Несмиянов Иван Алексеевич»