АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для выработки тепла без использования традиционных энергоносителей, а более конкретно - к устройствам, в которых кинетическая энергия потока жидкости или газа преобразуется в тепловую энергию. Установка может быть использована в автономных системах теплопотребления и горячего водоснабжения промышленных и бытовых объектов, в частности для обогрева жилых и производственных помещений там, где отсутствует централизованное теплоснабжение. Установка может быть использована и в других областях, например для конденсации атмосферной влаги, которая может быть использована в сельском хозяйстве для полива растений, в строительстве бесплотинных мини-ГЭС, на транспорте.
Из источников информации известны устройства для выработки тепловой энергии без использования традиционных энергоносителей, в их числе и устройства, защищенные патентами РФ на изобретения №2045715, №2352871, свидетельством на полезную модель №26638. Как правило, эти устройства включают устройства ввода под значительным давлением рабочей жидкости, ускорители потока рабочего тела, разгонные камеры, тормозное устройство и выводные патрубки.
Устройство для нагрева жидкости по патенту на изобретение №2045715, МПК F25B 29/00, опубл. 10.10.1995, состоит из теплогенератора, электрического сетевого насоса, подающих и обратных трубопроводов. Теплогенератор содержит корпус с цилиндрической частью, с которой соединена торцовая сторона ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона. С боковой стороной циклона посредством инжекционного патрубка, выполненного по форме параллелограмма, соединен электрический сетевой насос. В основании цилиндрической части корпуса, противолежащей циклону, установлено тормозное устройство. За тормозным устройством в цилиндрической части корпуса установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком. Выходной патрубок соединен с циклоном с помощью перепускного патрубка. Нагрев жидкости происходит за счет трения закрученного потока о стенки циклона, пропорционального квадрату скорости закрученного потока. Устройство позволяет экономить твердое, жидкое и газообразное топливо и улучшить экологию окружающей среды. Однако, для работы внешнего циркуляционного насоса требуется электроэнергия (2,15 кВт/ч) и дополнительная система трубопроводов. Недостатком известного устройства является также его громоздкость.
Торсионный генератор тепла по свидетельству РФ на полезную модель №26638, МПК F25B 29/00, опубл. 10.12.2002, имеет более простую конструкцию: входное устройство, разгонное устройство в виде конуса, устройство тангенциального ввода с калибровочным отверстием и расширительной частью и вихреобразующий узел в виде конусного диффузора с выходным тормозным отверстием. Вода в генератор подается под давлением. Повышение температуры происходит за счет изменения скорости вращающегося потока жидкости. Разогретая вода подается на отопительные системы и на хозяйственные нужды. Однако, разгонное устройство в виде конуса не может обеспечить получение высоких скоростей. К тому же наличие выходного тормозного отверстия ограничивает пределы повышения скорости жидкости.
Вихревой теплогенератор по патенту РФ на изобретение №2352871, МПК F24 J3/00, опубл. 20.11.2008, который принят за прототип заявляемой полезной модели по первому и второму вариантам, содержит теплоизолированный резервуар (корпус) с патрубками для наполнения и вывода жидкой рабочей среды. Внутри резервуара установлены вихревая (разгонная) камера с тангенциальным вводом и тормозным устройством на выходе и нагнетательный погружной насос, соединенный с тангенциальным вводом вихревой камеры. Для придания потоку жидкости дополнительного ускорения с целью повышения эффективности теплообразования тангенциальный ввод вихревой камеры выполнен в виде сопла Лаваля или диффузорного сопла. Нагнетательный погружной насос соединен с электродвигателем, от частоты оборотов которого зависит теплопроизводительность теплогенератора. Это устройство предназначено для использования в системах теплопотребления и подогрева различных технологических жидкостей, но как автономный обогреватель, ввиду наличия теплоизолированного корпуса, не может быть использован. Кроме этого, такая конструкция из-за громоздкости не предполагает использование газа в качестве рабочей среды. Все это ограничивает функциональные возможности устройства по прототипу. К недостаткам следует также отнести зависимость его теплопроизводительности (эффективности) от числа оборотов электродвигателя.
Задача полезной модели (для обоих вариантов) заключается в расширении функциональных возможностей устройства и области его применения, снижении габаритов и упрощении конструкции, а также в повышении эффективности теплопередачи за счет самой конструкции без привлечения большого количества вспомогательной электроэнергии.
Технический результат - создание высокоскоростного потока жидкости или газа и высокоэффективный нагрев жидкости или газа за счет плавного уменьшения давления, обуславливающего изменение скорости потока, и нагрев его за счет трения жидкости или газа с соприкасающимися поверхностями пропорционально квадрату скорости.
Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, достигается следующим образом.
Как и в прототипе, заявляемая автономная энергетическая установка по первому варианту содержит корпус с патрубками для ввода и вывода рабочей среды, один из которых установлен в центральном отверстии крышки корпуса, и разгонное устройство, установленное внутри корпуса.
В отличие от прототипа разгонное устройство в заявляемой установке по первому варианту выполнено в виде одного или более, например двух, отделенных друг от друга, круглых металлических дисков с центральным сквозным отверстием, на нижней и верхней поверхностях которых в радиальном направлении выполнены многочисленные каналы, непрерывно и плавно расширяющиеся к периферии и закругленные в одном направлении, например по окружности или по параболе на всем их протяжении. Целесообразно выполнение не менее 36 плавно расширяющихся соплообразных каналов прямоугольного сечения с тангенциальным выходом в кольцевую камеру. При наличии двух и более дисков с каналами они отделены друг от друга тонкими металлическими плоскими дисками, выполненными тоже с центральными сквозными отверстиями. Все диски установлены в корпусе неподвижно и плотно прижаты к крышке и днищу корпуса. Отличием является также то, что между дисками и стенкой корпуса образована кольцевая камера, с которой связаны выходные отверстия дисковых каналов, причем объем кольцевой камеры превышает суммарный объем дисковых каналов. Патрубок для ввода рабочей среды, установленный в центральном отверстии крышки корпуса, в заявляемой полезной модели одновременно является патрубком ввода под давлением рабочей среды в разгонное устройство, а патрубок вывода рабочей среды, выполненный расширяющимся, соединен с кольцевой камерой и установлен тангенциально корпусу. На наружной боковой поверхности цилиндрического корпуса выполнены охлаждающие ребра. На входе и на выходе установки могут быть установлены быстродействующие обратные клапаны, облегчающие первоначальный запуск установки в работу. Установка может дополнительно содержать на входе ускоритель рабочей среды в виде сопла Лаваля, соединенный с патрубком ввода рабочей среды в разгонное устройство.
Заявляемая автономная энергетическая установка по второму варианту, как и прототип, содержит корпус с патрубками для ввода и вывода рабочей среды, один из которых установлен в центральном отверстии крышки корпуса, и разгонное устройство, установленное внутри корпуса.
В отличие от прототипа энергетическая установка по второму варианту содержит не менее двух последовательно соединенных разгонных устройств, каждое из которых выполнено в виде одного или нескольких отделенных друг от друга круглых металлических дисков, на нижней и верхней поверхностях которых в радиальном направлении выполнены каналы, непрерывно и плавно расширяющиеся к периферии и закругленные в одном направлении на всем их протяжении, например по окружности или по параболе. Целесообразно выполнение не менее 36 плавно расширяющихся соплообразных каналов прямоугольного сечения с тангенциальным выходом в кольцевую камеру. При наличии двух и более дисков с каналами они отделены друг от друга тонкими металлическими плоскими дисками, выполненными тоже с центральными сквозными отверстиями. Диски установлены в корпусе неподвижно, плотно прижаты к крышке и днищу корпуса и выполнены с центральным сквозным отверстием для ввода рабочей среды в разгонное устройство. Между дисками и стенкой корпуса образована кольцевая камера, с которой связаны выходные отверстия дисковых каналов, причем объем кольцевой камеры превышает суммарный объем дисковых каналов. Патрубок для ввода рабочей среды, являясь одновременно патрубком ввода под давлением рабочей среды в разгонное устройство, установлен в центральном отверстии днища корпуса, а патрубок вывода рабочей среды соединен с кольцевой камерой и расположен тангенциально корпусу. Патрубок вывода рабочей среды предыдущего разгонного устройства соединен с патрубком ввода рабочей среды последующего разгонного устройства. В частном случае автономная энергетическая установка по второму варианту состоит из четырех разгонных устройств (четырехступенчатая), при этом разгонное устройство последней ступени расположено горизонтально, а корпус последнего разгонного устройства выполнен без верхней крышки. Кроме этого, на входе установки и выходе предпоследней, третьей, ступени установлены быстродействующие обратные клапаны. На входе установки может быть дополнительно установлен ускоритель рабочей среды в виде сопла Лаваля, соединенный с патрубком ввода рабочей среды в первое разгонное устройство.
В источниках информации не обнаружено установок, содержащих такую же совокупность существенных признаков, как у заявляемой установки по обоим предложенным вариантам. Это подтверждает наличие новизны у заявляемой полезной модели по первому и по второму вариантам.
Оба варианта заявляемой полезной модели объединены единым творческим замыслом, поскольку они имеют одну и ту же область применения, построены на одном принципе и при их выполнении достигается один и тот же технический результат, отличающийся только количественной мерой (во втором варианте технический результат усилен).
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображена автономная энергетическая установка по первому варианту в поперечном разрезе (разгонное устройство содержит два диска с каналами). На фиг.2 - вид сверху фиг.1. На фиг.3 - разгонное устройство установки по первому варианту. На фиг.4 - диск с радиальными каналами разгонного устройства для обоих вариантов. На фиг.5 - автономная энергетическая установка по второму варианту (частный случай - четырехступенчатая). На фиг.6 - автономная энергетическая установка по второму варианту в аксонометрии.
Автономная энергетическая установка по первому варианту (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2 и крышкой 3. Днищем корпуса 1 может служить тоже крышка, как показано на фиг.1. Крышки 2, 3 снабжены ребрами жесткости 4, 5. Внутри корпуса 1 закреплены неподвижно круглые металлические диски 6, 7 с центральным сквозным отверстием. На торцевых поверхностях дисков 6, 7 в радиальном направлении выполнены соплоподобные каналы 8, расширяющиеся к периферии и закругленные в одном направлении. Диски 6, 7 установлены в корпусе 1 с образованием кольцевой камеры 9, соединенной с выходным патрубком 10 (патрубком вывода рабочей среды), который показан на фиг.2. Диски 6, 7 отделены друг от друга тонким металлическим плоским диском 11 с центральным сквозным отверстием. Вся конструкция стянута по периферии и в центре стяжными шпильками 12, 13 соответственно. Стенки каналов 8 торцевыми плоскостями соприкасаются с крышками 2, 3 и с плоским диском 11. Верхняя крышка 3 цилиндрического корпуса 1 имеет сквозное отверстие, в котором закреплен входной патрубок 14 (патрубок ввода рабочей среды), на котором установлен ускоритель рабочей среды - сопло Лаваля 15. Возможно выполнение установки и без дополнительного ускорителя в виде сопла Лаваля 15. На боковой поверхности цилиндрического корпуса 1 выполнены охлаждающие ребра 16. На входе и выходе установки могут быть установлены быстродействующие обратные клапаны. Позициями 17, 18 на фиг.1, фиг.2 отмечены обратные клапаны на входе и выходе установки. Клапан 17 выполнен многолепестковым и пропускает воду, воздух или газ только в прямом направлении, а клапан 18 является быстродействующим и состоит из стального и резинового патрубков, вставленных друг в друга, между которыми нагнетается сжатый воздух. При работе установки этот клапан 18 всегда открыт. Он служит для удержания сжатого воздуха до момента запуска установки, для создания резкого перепада давления.
Возможно и иное выполнение заявляемой установки по первому варианту, не выходящее за рамки заявляемой полезной модели. Например, с одним металлическим диском. При наличии большего числа дисков с каналами производительность и эффективность установки повышается. Количество дисков ограничено пропускной способностью входного патрубка 14.
Автономная энергетическая установка по второму варианту (фиг.5) содержит разгонные устройства 19, 20, 21, 22, которые соединены последовательно: тангенциальные патрубки вывода рабочей среды предыдущих ступеней соединены с патрубками для ввода рабочей среды, установленными в центральном отверстии днища корпуса последующих ступеней. Разгонное устройство последней ступени выполнено сверху открытым, как показано на фиг.6. Возможно и иное выполнение заявляемой установки по второму варианту, например, двухступенчатой или трехступенчатой и с закрытым корпусом последней ступени. На входе установки и выходе предпоследней ступени могут быть установлены обратные клапаны 17, 18. Разгонные устройства и клапаны 17, 18 выполнены аналогично разгонному устройству и указанным клапанам в установке по первому варианту.
Изготовление полезной модели не вызывает трудностей у специалистов данной области. Она может быть многократно реализована с достижением указанного технического результата.
Установка по первому варианту работает следующим образом.
Сначала при закрытых обратных клапанах 17, 18, например, с помощью автомобильного ниппеля (на чертеже не показан) внутрь корпуса нагнетается сжатый воздух. Затем мгновенно открывается клапан 18 и за ним - клапан 17. При подаче с помощью насоса, или компрессора, или вентилятора во входной патрубок 14 под давлением рабочей среды, воды, воздуха, встречного ветра или любого газа, например выхлопного автомобильного, они поступают в разгонное устройство, где от его центрального отверстия устремляются в радиальном направлении по непрерывно и плавно расширяющимся каналам 8 к периферии металлических дисков 6, 7. При этом скорость канальных потоков рабочей среды плавно и непрерывно возрастает за счет их расширения и уменьшения плотности рабочей среды пропорционально отношению площадей выходного сечения каналов к входному. Согласно предложенной форме каналов при диске диаметром 300 мм, диаметре входного отверстия 50 мм, толщине стенок - 1 мм расширение каналов в радиальном направлении, как правило, заканчивается на диаметре 270 мм. Используя известные математические формулы (длина окружности, площадь прямоугольника), нетрудно определить для указанных параметров ширину прямоугольного входного отверстия (она составляет - 3,36 мм, с учетом толщины стенок) и выходного отверстий (22,56 мм, с учетом толщины стенок) одного из 36 каналов, а также отношение площадей этих отверстий. Отношение площадей, а, следовательно, и скоростей, при таких параметрах составит примерно число 6 (коэффициент разгона). С возросшей скоростью (в 6 раз для диска диаметром 300 мм) рабочая среда попадает в кольцевую камеру 9, объем которой превышает суммарный объем каналов. Происходит дополнительное уменьшение давления, а, следовательно, в строгом соответствии с законом Бернулли, увеличение скорости потока рабочей среды еще и в кольцевой камере 9. Увеличение скорости потока рабочей среды приводит к увеличению трения о стенки камеры 9 пропорционально квадрату скорости потока, к их разогреву и разогреву рабочей среды потоков, поступающих с обоих дисков 6, 7. Разгон рабочей среды, в основном, осуществляется практически за счет ее собственной внутренней энергии, обусловленной изменением ее плотности, и лишь частично за счет внешнего источника, без образования принудительного вихревого движения и без ударного преобразования кинетической энергии в тепловую за счет тормозных устройств, как это происходит в прототипе. При наличии ускорителя в виде сопла Лаваля 15 разгон рабочей среды происходит еще быстрее. Отбор полученного тепла осуществляется либо с помощью охлаждающих ребер 16, либо непосредственно от разогретой рабочей среды.
По второму варианту работа разгонного устройства каждой из четырех ступеней (фиг.5, фиг.6) аналогична работе разгонного устройства, описанной выше для первого варианта. Многоступенчатая установка по второму варианту за счет увеличения скорости рабочей среды после прохождения каждой последующей ступени позволяет достичь очень высоких температур рабочей среды. Так, для приведенного в первом варианте примера при коэффициенте разгона одной ступени, равном 6, любая начальная скорость рабочей среды на входе установки может быть увеличена на выходе четвертой ступени в 1296 раз. Рабочая среда (воздух, газ, вода) в этом случае будет разогрета до очень высокой температуры и представлять собой, по сути, слабо либо энергонасыщенное, в зависимости от скорости вращения, плазменное образования. Если последнюю ступень выполнить без верхней крышки, как показано на фиг.6, то сильно разогретая и разреженная рабочая среда, вырываясь сразу из каналов и кольцевой камеры вверх, создает над диском разгонного устройства 22 (фиг.5) сильно разреженную вращающуюся, практически природную, но управляемую торнадную вихревую воронку 23 с большой всасывающей способностью. Инициатором вихревой воронки является сильно разогретые за счет трения и разреженные на выходе четвертой ступени струи воздуха. Чтобы в расширяющемся канале происходило увеличение скорости рабочей среды, желательно (по расчетам автора), чтобы минимальное давление на входе при наличии атмосферного давления на выходе, превышало атмосферное в 1,89 раз. При подаче воздуха под давлением 1 атм. для получения высоких скоростей рабочей среды необходимо разрежение воздуха на выходе канала до 0,528 атм. Такого разрежения можно добиться откачкой воздуха и блокировкой канала герметичными клапанами. В случае разрежения воздуха в каждой из четырех ступеней до коэффициента 0,528 на выходе устройства можно получить разрежение до 0,08 атм. (0,528). В этом случае, вырываясь наружу с большой скоростью, рабочая среда продолжает свое вращение, создавая воронку с сильно разреженным входом. Такая воронка обладает огромной всасывающей способностью, тягой (типа торнадо), увеличивая за счет этой тяги скорость рабочей среды. Наличие искусственной торнадной воронки с большой всасывающей способностью освобождает установку от необходимости принудительной подачи на ее вход рабочей среды, то есть иметь после запуска вентилятор или насос. Необходимая тяга создается автоматически. Вращающееся в открытой сверху кольцевой камере последней ступени плазменное образование становится генератором конвекционного электрического тока. Превращение водной рабочей среды в разреженное парообразное состояние в установке по второму варианту может найти применение для переброски отработанной воды ГЭС обратно в водохранилища и при строительстве бесплотинных мини-ГЭС с замкнутым водооборотом на небольших водоемах с покоящейся водой. Охлаждаемая атмосферой образованная искусственным образом торнадная воронка может стать источником конденсированной атмосферной влаги и использоваться в любое требуемое время для поливного земледелия в самых засушливых регионах, в том числе и для тушения пожаров с воздуха. Один литр такой воды, конденсируемый ежесекундно и сбрасываемый, например, с высоты 100 метров по гибкому шлангу с внутренним диаметром 5,6 мм (по расчетам автора), способен вращать гидрогенератор мощностью 10 кВт. (Один литр воды при диаметре 5,6 мм обеспечивает непрерывное заполнение шланга при скорости воды примерно 45 м/сек.). Конденсированная вода из емкости 25 по трубопроводу 24 (фиг.5) может также подаваться вновь в качестве рабочей среды на вход установки. Трехступенчатая энергетическая установка, выполненная по второму варианту, установленная на реке, скорость течения которой 2 м/сек, по расчетам автора, способна за 4 зимних месяца непрерывной работы за счет энергии этого течения воздвигнуть ледяную заградительную противопаводкую дамбу сечением 10 на 3 метра длиной 73 км, поднимая воду на высоту более 20 метров в специальную передвижную опалубку. Кроме прочего, энергетическая установка по первому и второму вариантам, установленная на автомобиле, в силу своей конструкции, способна использовать выхлопные газы, одновременно разлагая их на отдельные компоненты и увеличивая вращающий момент двигателя, и может стать ветродвигателем без вращающихся лопастей.