FI76405C - Foerfarande foer omvandling av vaerme-energi till mekanisk energi. - Google Patents

Description

1 76405

Menetelmä lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi Tämä keksintö koskee menetelmää lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi lämpövoimakoneella.

5 Tunnetaan useita metalliseoksia, joissa esiintyy ns.

muisti-ilmiö. Patenttivaatimukset tarkoittavat kaikkia näitä ns. "muistilejeerinkejä". Eräs tällainen "muistilejeerinki" on titaanin ja nikkelin seos ja tunnetaan nimellä Nitinol. Kun tällaista ainetta oleva kappale on saatettu tietyn muo-10 toiseksi sopivalla lämpökäsittelyllä, se pyrkii palautumaan tähän muotoonsa aina kun sitä kuumennetaan transitiolämpö-tilaansa. Transitiolämpötilansa alapuolella aine sen sijaan on helposti deformoituvaa. Ainetta voidaan tällöin deformoi-da olennaisesti pienemmällä voimalla kuin mitä se synnyttää 15 korkeammassa lämpötilassa palautuessaan lämpökäsiteltyyn muotoonsa. Transitiolämpötilaa voidaan säätää muuttamalla lejeeringin koostumusta ja se voi olla välillä noin -90 °C... 150 °C, tavallisimmin noin 40...90 °C.

Tunnetaan erilaisia lämpövoimakonesovellutuksia, jotka 20 perustuvat Nitinolin kykyyn muuuttaa lämpöenergiaa mekaani seksi energiaksi. Erästä tällaista lämpövoimakonetta on selostettu US-patentissa 4 275 561 (suomalainen pat. hak. 79 2398). Siinä selostettu laite perustuu Nitinol-silmukan pyrkimykseen suoristua esimerkiksi noin 50 °C lämpötilassa. 25 Kun tällainen silmukka on sovitettu kahden rinnakkaisen pyörän ympärille ja toista pyörää lämmitetään esim. pitämällä sitä lämpimässä vedessä, Nitinol-silmukka pyrkii tämän pyörän kohdalla oikenemaan ja siirtymään saaden kitkan avulla pyörän pyörimään. Teho voidaan ottaa laitteesta ulos lämmit-30 tämättömän pyörän akselilta. Tällainen laite on käytössä osoittautunut erittäin varmatoimiseksi ja kestäväksi.

On myös kehitetty lämpövoimakoneita, jotka perustuvat Nitinol-langan helppoon venyvyyteen transitiolämpötilan alapuolella ja kutistumisen aiheuttamaan voimaan tässä lämpöti-35 lassa. Tällainen palautuva venymä Nitinolilla on noin 6 %. Venytykseen tarvittava voima on huomattavasti pienempi kuin kutistumisen aiheuttama voima. Sovellutuksia, joissa kutis-tumisvoimaa käytetään kampiakselin pyörittämiseen, joka puo- 2 76405 lestaan taas venyttää Nitinol-elementtejä, on kuvattu US-patenteissa 3 937 019 ja 4 086 769.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan lisäsovel-lutuksia lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi 5 muistilejeeringin avulla. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista seuraava yhdistelmä: - lämpövoimakonetta käytetään lämmöllä, jota siirretään yhden tai useamman lämpöpumpun avulla lämpöä sisältävästä ulkopuolisesta väliaineesta, ja lämpöpumppua käytetään osal-10 la lämpövoimakoneen kehittämää mekaanista energiaa ja loppuosa tästä mekaanisesta energiasta käytetään muihin tarkoituksiin - lämpövoimakoneen toiminta perustuu siihen, että siinä olevaa metallilejeerinkielintä lämmitetään tiettyyn lämpöti-15 laan, jolloin sen fysikaaliset ominaisuudet, erityisesti kimmovakio, muuttuvat ja tätä fysikaalista muutosta käytetään lämpövoimakoneen käyttövoimana.

Keksinnön mukaan saadaan metalliseoksen sisäinen energia muunnettua mahdollisimman tehokkaasti mekaaniseksi energiak-20 si käyttäen primäärinä energialähteenä ulkoisen väliaineen lämpöenergiavarastoa. Sopivissa olosuhteissa kone voi toimia siten, että se ei tarvitse lainkaan ulkoista sähkö- tai polttomoottoria. Se on silloin sovellettavissa esimerkiksi veneen tai maakulkuneuvon moottoriksi, joka on riippumaton 25 energiajakelusta ja energiahuollosta. Kone on täysin saas teeton, koska palamisjätteitä ei synny kiinteiden osasten eikä kaasujen muodossa eikä se aiheuta myöskään melua.

Keksintöä ja sen erityispiirteitä selostetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa 30 kuvio 1 esittää muistilejeeringin muodonmuutokselle pe rustuvan lämpövoimakoneen toimintakaaviota, kuvio 2 esittää sinänsä tunnetun lämpövoimakoneen käyttöä keksinnön mukaisella tavalla, kuvio 3 esittää kaaviollisesti lämpövoimakoneen käyttöä 35 keksinnön mukaisella tavalla aluksen käyttökoneena, kuvio 4 esittää aksonometrisesti erästä erikoissovellutusta muistilejeerinkilämpövoimakoneesta, kuvio 5 esittää kuvion 4 laitteen poikkileikkausta, 3 76405 kuvio 6 esittää kaaviollisesti kuvion 4 laitteen kytkemistä lämpöpumppuun ja kuvio 7 esittää vaihtoehtoista kytkinkaaviota kuvion 4 laitteen kytkemiseksi lämpöpumppuun.

5 Kuten kaikille lämpövoimakoneille, on myös muistilejee- ringin muodonmuutokselle perustuvalle koneelle johdettavissa toimintakaavio. Nyt kuitenkin paine-tilavuuskoordinaatisto on tarkoituksenmukaista vaihtaa jännitys-venymäkoordinaatis-toksi. Tällainen toimintakaavio on esitetty kuviossa 1, 10 missä x-akseli kuvaa materiaalin venymää (tai puristumaa) ja y-akseli kuvaa sen jännitystä. Kuviossa 1 esitettyä toimintaperiaatetta selostetaan seuraavassa.

Vaihe 1: Materiaali deformoituu transitiolämpötilaa alemmassa lämpötilassa.

15 Vaihe 2: Materiaalin lämpötila nousee ja saavuttaa tran- sitiolämpötilan.

Vaihe 3: Materiaalin deformaatio palautuu alkuperäiseksi.

Vaihe 4: Materiaalin lämpötila laskee transitiolämpöti-lan alapuolelle. Tämän jälkeen tapahtuu vaihe 1 uudestaan.

20 Koneen toiminnan höytysuhteen kannalta tärkeitä ovat vai he 3, jossa kone tekee mekaanisen työn, sekä vaihe 2, jossa kone vastaanottaa faasimuutoksen tarvitseman lämpömäärän.

Koneen toiminnasta tiedetään seuraavaa: 1. Silmukkaperiaatteella toimivalle koneelle on kokeelli-25 sesti saatu välillä 25° - 60° hyötysuhteeksi 7 ± 2 %.

2. Kone ei ole Carnot-kone. Laskennallisesti voidaan osoittaa, että koneen höytysuhde on parempi kuin Carnot-kiertoprosessin hyötysuhde.

3. Faasimuutokseen tarvittava lämpömäärä on 4150 Joulea/ 30 mooli.

4. Muut tarvittavat fysikaaliset ominaisuudet tunnetaan riittävän tarkasti, jotta suuruusluokkalaskelmat on voitu suorittaa.

Kuviossa 2 on esitetty tämän keksinnön mukainen laitteis-35 to, jossa käytetään hyväksi US-patentin 4 275 561 mukaista, silmukkaperiaatteella toimivaa lämpövoimakonetta 1. Lämpövoimakoneessa on kaksi rinnakkain sovitettua pyörää 2 ja 3, joiden ympäri on sovitettu yksi tai useampia rinnakkaisia 4 76405

Nitinol-silmukoita 4. Pienempi pyörä 3 on sovitettu lämmön-eristekerroksella päällystettyyn väliainesäiliöön 5, jossa olevaa väliainetta, esimerkiksi vettä lämmitetään lämpöpumpun 6 avulla. Lämpöpumppu on yhdistetty sopivalla välityk-5 sellä (ei esitetty piirustuksessa) lämpövoimakoneen 1 isomman pyörän 2 akseliin 7. Lisäksi lämpöpumppuun on yhdistetty apumoottori, joka voi olla joko polttomoottori tai sähkö-moottori (ei esitetty piirustuksessa).

Kun lämpöpumppu 6 käynnistetään apumoottorin avulla, se 10 siirtää lämpöä sitä ympäröivästä väliaineesta säiliön 5 väliaineeseen. Säiliön 5 väliaineesta lämpöä johtuu lämpövoimakoneen 1 pyörään 3 ja sitä ympäröivään Nitinol-silmukan 4 osaan. Kun Nitinol-silmukan lämpötila saavuttaa sen tran-sitiolämpötilan, esim. 50 °C, se pyrkii oikenemaan, jolloin 15 pyörä 3 alkaa pyöriä. Liike välittyy edelleen pyörälle 2, jonka akselilta 7 teho otetaan ulos. Osa akselilta 7 saatavasta tehosta käytetään lämpöpumpun 6 käyttämiseen, mutta kaikkea ulostulevaa tehoa ei tarvita tähän. Ylimenevä osa voidaan käyttää haluttuun tarkoitukseen.

20 Apumoottorin asemesta voidaan käynnistys suorittaa myös apulämmittimellä, esim. sähköllä tai polttoaineella toimivalla. Tällöin säiliön 5 väliaine ensin nostetaan transitio-lämpötilaan apulämmittimen avulla, joka sen jälkeen voidaan kytkeä pois.

25 Kuviossa 3 on esitetty eräs sovellutus näin aikaansaadun mekaanisen energian hyödyntämiseksi. Lämpövoimakone 1 ja lämpöpumppu 6 on sovitettu veneeseen 8. Lämpöpumppu siirtää lämpöä sitä ympäröivästä vedestä 9 putkiston 10 kautta lämpövoimakoneen yhteydessä olevaan vesisäiliöön pitäen siinä 30 olevan veden lämpötilan esim. noin 50 °C:ssa. Lämpövoimakoneen kehittämästä energiasta osa jaetaan lämpöpumpun käyttämiseen ja osa veneen potkurin 11 käyttämiseen.

Muistilejeerinkilämpövoimakoneissa päästään kevyisiin rakenteisiin ja materiaaleina ovat mahdollisia esim. nylon, 35 lasikuitu jne. Laitteen toimintalämpötila voi olla esim. 40 °C. Koneita voidaan valmistaa soveltumaan parhaiten tiettyihin erikseen määriteltäviin lämpötilaolosuhteisiin.

Väliaine, josta keksinnön mukaan energiaa siirretään läm- 5 76405 pöpumpun avulla, voi olla esimerkiksi maa, vesi tai ilma.

Kuvioiden 4-6 sovellutuksessa on poikkileikkaukseltaan litteitä Nitinol-lankoja 21 kiinnitetty niveltyvästi kahden toistensa suhteen symmetrisessä asennossa olevan rinnakkai-5 sen kampiakselin 24 välille. Nitinol-langat ovat transitio-lämpötilansa alapuolisissa lämpötiloissa helposti venytettäviä, mutta lämpötilan noustessa määrättyyn arvoon, ne kutistuvat takaisin alkuperäiseen pituuteensa.

Laitteessa on kampiakselien välillä päällekkäin kaksi 10 kammiota 22 ja 27. Kammioissa 22 ja 27 on toisiaan kohti olevat metalliset lämmönvaihdinpinnat 23 ja 26, joiden välinen etäisyys on yhtä suuri tai pienempi kuin kampiakselien 24 liikeradan halkaisija. Sopivimmin lämmönvaihdinpinnat 23 ja 26 ovat toisiaan kohti kuperia siten, että keskiosassa 15 niiden välinen etäisyys on pienempi kuin kampiakselien halkaisija.

Lämpöpumppu 6 on yhdistetty lämmönvaihdinpintojen 23 ja 26 putkistojen välille siten, että se siirtää lämpöä ylemmästä lämmönvaihdinpinnasta 26 joko ympäristöön tai alempaan 20 lämmönvaihdinpintaan 23. Alemmassa kammiossa 22 olevaa väliainetta voidaan lisäksi lämmittää ulkoisen lämmönlähteen 34 avulla tai siihen voidaan johtaa esim. ydinvoimalaitoksen hukkalämpöä (n. +50 °C vesi). Ulkoinen lämmönlähde ei kuitenkaan ole välttämätön, mikäli lämpöpumppu 6 siirtää lämpöä 25 ulkopuolisesta väliaineesta, esim. ympäröivästä +4 °C vedestä alempaan lämmönvaihdinpintaan 23.

Kun alempaa lämmönvaihdinpintaa 23 lämmitetään, sen kanssa kosketuksessa olevat Nitinol-langat lämpenevät transitio-lämpötHaansa. Saavuttaessaan transitiolämpötilansa Nitinol-30 langat kutistuvat ja saavat kampiakselien 24 alimmassa asennossa olevat kammet, joihin langat 21 on kiinnitetty, vetäytymään toisiaan kohti, jolloin langat 21 nousevat irti pinnasta 23 alkaen jäähtyä. Samanaikaisesti kampiakselien 24 yläasennossa oleviin kampiin kiinnitetyt, ylemmän jäähdytys-35 pinnan 26 kanssa kosketuksessa olleet Nitinol-langat joutuvat venymään kampiakselien pyöriessä vastakkaisiin suuntiin. Liike jatkuu edelleen siten, että alkuasennossa lämmityspin-taa 23 vastassa olleet langat joutuvat kosketukseen jäähdy- 6 76405 tyspinnan 26 kanssa jäähtyen siinä vaiheessa tehokkaasti.

Sen jälkeen sama liike toistuu lankojen vaihdettua asemiaan. Kun laite on käynnistetty, kampiakselit pyörivät jatkuvasti symmetrisesti vastakkaisiin suuntiin ja Nitinol-langat jou-5 tuvat vuoroin kutistumaan joutuessaan pintaa 23 vasten ja vuoroin venymään kampiakseleiden 24 venyttäminä.

Akseleiden 24 ulostulotehot ja W2 voidaan yhdistää yhteisen kuormitusakselin avulla (ei esitetty kuvissa). Osa W3 tästä tehosta voidaan käyttää lämpöpumpun 6 käyttämiseen, 10 jolloin muuhun haluttuun tarkoitukseen saadaan nettoteho W4. Kampiakselien 24 asentoa voidaan tarvittaessa säätää siirtämällä akseleita kuvioon 7 merkityissä x- ja y-suun-nissa. Laite toimii luonnollisesti myös siten, että alempi pinta on jäähdytyspinta ja ylempi pinta lämmittävä pinta.

15 Tällöin kampiakselit pyörivät päinvastaiseen suuntaan. Luonnollisesti on mahdollista sijoittaa koko laite myös siten, että langat 21 eivät ole vaakasuorassa suunnassa.

Keksinnön mukaan on edullista käyttää mahdollisimman pientä lämpötilaeroa pintojen 23 ja 26 välillä. Tällöin 20 hukkalämpö on minimissä ja vastaavasti pinnan 23 lämmitykseen ja pinnan 26 jäähdytykseen käytetyn Carnot-pumpun hyötysuhde on maksimissa.

On myös mahdollista käyttää useita lämpövoimakoneita sarjaan kytkettynä siten, että kukin kone toimii edellisen ko-25 neen suhteen hieman alemmassa transitiolämpötilassa. Tällöin voidaan käyttää hyväksi rinnakkaisten lämpötila-alueiden hyvin pieniä lämpötilaeroja. Olosuhteista riippuen voidaan käyttää tällaisesta sarjasta hyväksi vain jotain pienempääkin osaa.

30 Kuvioissa 4-6 esitetyn lämpövoimakoneen teho P voidaan laskea teoreettisesti. Kun käytetään seuraavia arvoja 10 (Nitinol-langan lepopituus) 5000 mm r (Nitinol-langan säde) 1 mm R (kampiakselin säde) 25 mm 35 n (kampiakselin kierrosluku) 300 1/min 2 (Nitinol-lankojen lukumäärä) 100

Λ K (koneen sisäinen lämpötilaero) 1-3 °K

saadaan tehoksi P 150 kW (ilman lämpöpumppua). Max vääntömo- 7 76405 mentti/lanka on tällöin 150 Nm.

Kuviossa 7 on esitetty kaaviollisesti, miten lämpöpumpun 6 höyrystimessä jäähdytetty neste kierrätetään ensin jäähdy-tyspinnalla varustetun lämmönvaihtimen 27 kautta, jolloin 5 jäähdytyspinnan lämpötila alenee tehokkaasti. Vasta sen jälkeen neste johdetaan lämmön lähteenä käytettävän väliaineen 9 kautta, jossa sen lämpötila nousee samaksi kuin väliaineen 9 lämpötila. Sen jälkeen neste kiertää takaisin lämpöpumpun höyrystimeen, jossa se luovuttaa lämpöä.

10 Lämmityspinnalla varustetun lämmönvaihtimen 22 kautta kulkeva neste kierrätetään lämpöpumpun 6 lauhduttimen kautta, jossa se lämpenee pitäen näin lämmityspinnan lämpötilan riittävän korkeana.

Claims (3)

76405

1. Menetelmä lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi lämpövoimakoneella (1), tunnettu seuraa-vasta yhdistelmästä: 5. lämpövoimakonetta (1) käytetään lämmöllä, jota siirre tään yhden tai useamman lämpöpumpun (6) avulla lämpöä sisältävästä ulkopuolisesta väliaineesta (9), ja lämpöpumppua käytetään osalla lämpövoimakoneen (1) kehittämää mekaanista energiaa ja loppuosa tästä mekaanisesta energiasta käytetään 10 muihin tarkoituksiin - lämpövoimakoneen (1) toiminta perustuu siihen, että siinä olevaa metallilejeerinkielintä (4) lämmitetään tiettyyn lämpötilaan, jolloin sen fysikaaliset ominaisuudet, erityisesti kimmovakio, muuttuvat ja tätä fysikaalista muu-15 tosta käytetään lämpövoimakoneen käyttövoimana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallilejeerinkielintä (4) jäähdytetään lämmityksen jälkeen lämpöpumpun (6) avulla, jolloin saman lämpöpumpun (6) toista puolta käytetään lämmitykseen ja 20 toista puolta jäähdytykseen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallilejeerinkielintä (4) jäähdytetään lämpöpumpun (6) jäähdyttämän väliaineen avulla, joka sen jälkeen lämmitetään lämpöä sisältävän ulkopuolisen 25 väliaineen (9) avulla ennen kuin se kierrätetään takaisin lämpöpumpun lämpimämpään osaan, ja että metallilejeerinkielintä (4) lämmitetään lämpöpumpun lämpimämmän osan kautta kiertävän väliaineen avulla.