Магнитно-тепловой двигатель

 

Использование: энергетика, в частности устройства преобразования тепловой энергии в механическую, основанные на изменении магнитных свойств термомагнитных материалов, а также в качестве теплового двигателя. Сущность изобретения: ротор образован несколькими последовательно установленными на одном валу 4 секциями 3, сообщающимися между собой посредством центрального отверстия 5 на валу 4 и боковых направляющих патрубков 6, 7 подачи горячих газов к зонам нагрева, причем температура Кюри материала ротора каждой секции 3 уменьшается последовательно по мере прохождения горячих газов. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую, основанным на изменении магнитных свойств термомагнитных материалов вблизи их температуры Кюри, и может быть использовано в качестве теплового двигателя.

Известен магнитно-тепловой двигатель, содержащий корпус с окном на боковой поверхности для прохождения солнечных лучей и с установленным в корпусе вблизи окна постоянным магнитом, ротор в виде полого цилиндра из термомагнитного сплава и поддон с жидкостью для охлаждения ротора [1] .

Недостатками этого двигателя являются низкий КПД, малая мощность и недостаточная быстроходность, обусловленные разомкнутостью магнитной системы двигателя и медленным протеканием процесса теплообмена в монолитном роторе.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является магнитно-тепловой двигатель [2] , содержащий статор в виде прямого постоянного магнита с сегментообразными полюсными наконечниками, цилиндрический полый ротор, собранный из тонких термомагнитных колец в виде радиатора и коаксиально установленный относительно статора, два источника нагрева, расположенных напротив диаметрально противоположных краев полюсных наконечников, и источник охлаждения.

Такая конструкция позволяет повысить мощность, КПД и быстроходность двигателя за счет эффективного использования магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом, и ускорения процесса теплообмена в роторе-радиаторе.

Однако в этом двигателе энергия газообразного теплоносителя используется недостаточно, часть тепловой энергии вместе с отработанными газами бесполезно уходит в окружающую среду.

Целью изобретения является повышение мощности и КПД двигателя за счет использования тепловой энергия отработанных газов.

Для достижения этой цели двигатель образован несколькими последовательно установленными на одном валу секциями, сообщающимися между собой посредством центрального отверстия на валу и боковых направляющих патрубков подачи горячих газов к зонам нагрева, причем температура Кюри материала ротора каждой секции уменьшается последовательно по мере прохождения горячих газов.

При таком выполнении двигателя ротор каждой последующей секции может вращаться за счет тепловой энергии газов, отработанных в роторе предыдущей секции, что позволяет повысить мощность и КПД двигателя.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема одной секции двигателя; на фиг. 2 - общая схема двигателя.

Каждая секция двигателя содержит статор в виде прямого постоянного магнита 1 с сегментообразнными полюсными наконечниками 2, выполненными из магнитомягкого материала с высокими значениями намагниченности насыщения и температуры Кюри, например из электротехнической стали, цилиндрический полый ротор 3, собранный из тонких термомагнитных колец в виде радиатора и коаксиально установленный относительно статора. Секции двигателя последовательно установлены на общем валу 4, имеющем центральное отверстие 5 для подвода теплоносителя к соседним секциям, температура Кюри материала роторов которых удовлетворяет условию Т_с1 > Т_с2 > >Т_с3, . . . , где Т_с1, Т_с2, Т_с3, . . . температура Кюри материала роторов первой, второй, третьей и т. д. секций соответственно.

Система нагрева секции содержит боковые направляющие патрубки 6 для подачи горячих газов к зонам нагрева, патрубки 7 для вывода отработанных газов из ротора и подачи их в центральное отверстие 5 на валу. Патрубки 6, 7 и центральное отверстие 5 на валу теплоизолированы.

Края 8 полюсных наконечников, расположенные в зонах нагрева, выполнены в виде расчески, между зубьями которой могут вращаться кольца ротора. Зубья, выполненные в виде отдельных элементов, крепятся к полюсным наконечникам боковыми винтами 9 после коаксиальной установки ротора относительно статора.

Система охлаждения содержит вентиляторы 10, установленные на полюсных наконечниках и приводимые во вращение от ротора посредством боковых передаточных механизмов, патрубки 11 для сбора потоков воздуха, прошедших ротор, и подачи их в газогенератор (не показан).

Двигатель работает следующим образом.

Потоки горячих газов температурой Т₁ > Т_с1 из газогенератора по патрубкам 6 поступают к зонам нагрева первой секции. Проходя между частями колец ротора, расположенными в зонах нагрева, горячие газы переводят их из ферромагнитного состояния в парамагнитное, при этом на кольцах, на границах ферромагнетик - парамагнетик, расположенных напротив зубьев полюсных наконечников, магнитное поле постоянного магнита индуцирует магнитные полюса противоположной полярности по отношению к полюсным наконечникам (такие же магнитные полюса возникли бы, например, если вместо частей колец, перешедших в парамагнитное состояние, были бы воздушные зазоры). Возникшие на кольцах ротора полюса начинают притягиваться к зубьям полюсных наконечников с силой F, определяемой законом Кулона. В результате на ротор действует вращающий момент пары сил M = F D cos , где D - расстояние между точками приложения сил F, это расстояние равно диаметру ротора по средней линии; - угол между направлением силы F и касательной к окружности ротора в точке приложения силы F.

Для поддержания вращения ротора необходимо непрерывно нагревать части ротора, расположенные в зонах нагрева, выше температуры Кюри. Переход нагретых частей ротора из парамагнитного состояния в ферромагнитное происходит по прохождению центральных областей полюсных наконечников под действием потоков воздуха, создаваемых вентиляторами 10. Воздух, прошедший ротор, по патрубкам 11 подается в газогенератор.

Отработанные в роторе первой секции газы температурой Т₂ > Т_с2 (Т₂ < Т₁) по патрубкам 7 поступают в центральное отверстие 5 на валу 4, а затем по направляющим патрубкам 6 - к ротору второй секции, который также начинает вращаться по указанному принципу. Отработанные во второй секции газы поступают к третьей, а затем и к последующим секциям, приводя роторы этих секций также во вращение.

Чем выше температура газов, подводимых к зонам нагрева первой секции, тем большее количество дополнительных секций можно установить на общем валу, и следовательно, тем выше мощность и КПД двигателя.

Для выработки горячих газов можно использовать любое низкосортное топливо, а также нетрадиционные источники энергии: солнечную энергию, тепловую энергию геотермальных вод. Например, поток воздуха, создаваемый вентиляторами, можно пропустить через коллектор, нагреваемый солнечными лучами или геотермальной водой.

Двигатель найдет применение в экологически чистых энергетических установках, транспорте, в промышленных предприятиях для преобразования энергии отработанного тепла в механическую и электрическую энергию. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 590476, кл. F 03 G 7/02, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 1352094, кл. F 03 G 7/00, 1985.

Формула изобретения

МАГНИТНО-ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор, выполненный в виде прямого постоянного магнита с сегментообразными полюсными наконечниками, цилиндрический полый ротор, собранный из тонких термомагнитных колец в виде радиатора и коаксиально установленный относительно статора, два источника нагрева, расположенные напротив диаметрально противоположных краев полюсных наконечников, и источники охлаждения, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД, ротор образован несколькими последовательно установленными на одном валу секциями, сообщающимися между собой посредством центрального отверстия на валу и боковых направляющих патрубков подачи горячих газов к зонам нагрева, причем температура Кюри материала ротора каждой секции уменьшается последовательно по мере прохождения горячих газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2