УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИЛЫ ГРАВИТАЦИИ В ТЕПЛОВУЮ И МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области получения тепловой и механической (электрической) энергии для промышленных и бытовых нужд.
Известно устройство для преобразования силы гравитации в механическую энергию (Заявка РФ №93036371/23. МПК 6 В64В 1/58 Дата подачи заявки 1993.07.14. Дата публикации заявки 1995.11.27.), выбранное в качестве прототипа, содержащее платформу, на которой закреплены направляющие, в которых размещены два аппарата с возможностью их перемещения в вертикальном направлении. Эти аппараты соединены между собой тросом, закрепленным на барабане, и гибким воздухопроводом. Один аппарат находится вверху, другой внизу. Устройства для фиксации и расфиксации аппаратов расположены на платформе и соединены с барабаном, который связан с валом генератора. Компрессор для подачи газа легче воздуха связан с воздухопроводом.
При закачивании в аппарат, находящийся внизу, газа с объемным весом меньше, чем объемный вес воздуха, аппарат начинает подниматься под действием подъемной силы воздуха, а аппарат, находящийся вверху и из которого откачан газ, начинает движение вниз под действием силы гравитации Земли, возникающая при этом энергия преобразуется в электрическую энергию.
Недостатками этого устройства являются значительные габариты, необходимость значительных объемов газа легче воздуха; значительные потери энергии при перекачке газа из одного аппарата в другой на достаточно большие расстояния; значительные потери энергии, связанные с подъемом воздухопровода и троса; влияние метеоусловий (температуры и ветра) на работу установки.
Задачей заявляемой полезной модели является использование тела переменного объема для получения тепловой и механической энергии в стоячей воде.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для преобразования силы гравитации в тепловую и механическую энергию, также как в прототипе, содержит компрессорный узел, фиксаторы, два герметичных рабочих тела, установленных в направляющих с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении, при этом одно рабочее тело расположено вверху, а другое внизу, рабочие
тела соединены между собой канатом, который закреплен на валу, связанном с узлом отбора мощности.
Согласно полезной модели на металлической раме жестко закреплены две одинаковых направляющих конструкции, в каждой из которых размещено рабочее тело, выполненное со сквозным вертикальный каналом, проходящим по их оси симметрии, через который пропущен канат, натянутый между двумя парами валов, закрепленными на раме, образуя канатную передачу. Фиксаторы закреплены на канате над рабочими телами так, что одно рабочее тело расположено в крайнем верхнем положении одной из двух вертикальных частей канатной передачи, а другое рабочее тело расположено в крайнем нижнем положении другой вертикальной части канатной передачи с зазором между крышкой и фиксатором для возможности частичного расширения рабочего тела. Рабочие тела выполнены в виде одинаковых цилиндрических герметичных полостей переменного объема, крышки которых снабжены впускным и выпускным клапанами и устройствами поджига воздушно-водородной смеси. Впускные клапаны соединены с компрессорным узлом подачи сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси, а выпускные клапаны связаны с узлом утилизации сжатого воздуха/воздушно-пароводяной смеси. Один из верхних валов канатной передачи соединен с узлом отбора мощности. Система управления подсоединена к узлу отбора мощности, к впускным и выпускным клапанам рабочих тел, к устройствам поджига воздушно-водородной смеси, к компрессорному узлу подачи сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси и к узлу утилизации сжатого воздуха/воздушно-пароводяной смеси. Металлическая рама погружена в воду так, чтобы днище верхнего рабочего тела находилось на глубине
h=M/S·ρ,
где М - масса рабочего тела, кг;
2
S - площадь поперечного сечения рабочего тела, м;
3
ρ - плотность воды, кг/м.
В качестве полости переменного объема может быть выбран объем цилиндрической формы, выполненный с возможностью телескопического складывания и раскладывания.
За счет размещения рабочих тел в жидкости, так как плотность жидкости в сотни раз превышает плотность воздуха при нормальных условиях, габариты предлагаемого устройства в сотни раз меньше габаритов прототипа при близких энергетических показателях обоих устройств.
Уменьшение габаритов предлагаемого устройства в свою очередь уменьшает длины троса и воздуховодов, а значит и затраты энергии на поддержание работы устройства.
Размещение устройства в жидкости исключает влияние метеоусловий на его работу и не требуются значительный объем газа с объемным весом меньшим объемного веса воздуха.
Выполнение рабочих тел из металла обеспечивает возможность работы рабочих тел с газами при высоких температурах.
Согласованное возвратно-поступательное движение рабочих тел устройства обеспечивается действием на них двух разнонаправленных сил: вниз - силы гравитации, действующей на «сложенное» рабочее тело, вверх - силы Архимеда, действующей на рабочее тело, внутрь которого закачан сжатый воздух (или введена и подожжена воздушно-водородная смесь), вследствие чего рабочее тело расширилось.
Из крайнего верхнего положения рабочие тела движутся вниз, т.к. объем рабочих тел в сложенном виде минимален (сила Архимеда мала), а сила тяжести (гравитации), действующая на рабочие тела, превышает силу Архимеда.
В крайнем нижнем положении рабочие тела последовательно частично заполняются сжатым воздухом (или воздушно-водородной смесью с последующим поджигом), что кратно увеличивает объем рабочего тела. Это приводит к кратному превышению силы Архимеда, действующей на «нижнее» рабочее тело, над силой гравитации (весом рабочего тела), и рабочее тело, под ее действием, движется вверх. По мере подъема «нижнего» рабочего тела к поверхности воды, из-за уменьшения внешнего гидростатического давления, сжатый воздух, находящийся внутри рабочего тела, расширяется, увеличивая тем самым объем рабочего тела, что, в свою очередь, дополнительно увеличивает силу Архимеда.
На фиг.1 представлена кинематическая схема устройства для преобразования силы гравитации в тепловую и механическую энергию
На фиг.2 проиллюстрированы фазы работы устройства
На фиг.3 представлены графические зависимости величин механической, тепловой и полной мощностей от величины снимаемой механической нагрузки.
Заявляемое устройство содержит металлическую раму, на которой жестко закреплены две одинаковые направляющие конструкции (на фиг.1 не показаны), в каждой из которых, с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения, размещено свое рабочее тело 1 (фиг.1). Эти рабочие тела 1 одинаковы. Они представляют собой герметичные полости переменного объема, например, цилиндрической формы,
телескопически складывающиеся и раскладывающиеся, закрытые крышками 2. Каждая крышка снабжена клапанами 3 и устройством поджига воздушно-водородной смеси. Один из клапанов 3 каждого рабочего тела через воздуховод соединен с компрессорным узлом подачи сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси, другой - с узлом утилизации сжатого воздуха/воздушно-пароводяной смеси (не показано на фиг.1). Канат 4 натянут между двумя парами валов 5, закрепленных на металлической раме, образуя канатную передачу. Канат 4 пропущен через сквозные вертикальные каналы, выполненные по оси симметрии рабочих тел 1. Над рабочими телами 1 на канате 4 закреплены фиксаторы 6, задающие положение рабочих тел на нем, причем одно рабочее тело зафиксировано в крайнем верхнем положении одной из двух вертикальных частей канатной передачи, а другое зафиксировано в крайнем нижнем положении другой вертикальной части канатной передачи с допуском для расширения рабочего тела вверх от минимального объема до начального объема. Днище нижнего рабочего тела в крайнем нижнем положении опирается на расположенные на раме амортизаторы. Один из верхних валов 5 соединен с узлом отбора мощности, например, с маховиковым накопителем энергии, соединенным с валом электрического генератора (на фиг.1 не показано). Система управления устройством подсоединена к узлу отбора мощности, к впускным и выпускным клапанам 3 рабочих тел 1, к устройствам поджига воздушно-водородной смеси, к впускным и выпускным клапанам компрессорного узла подачи воздуха/воздушно-водородной смеси, к впускным и выпускным клапанам узла утилизации сжатого воздуха/воздушно-пароводяной смеси.
Система управления устройством может быть реализована в виде процессора с периферийными управляющими устройствами. В качестве устройств поджига воздушно-водородной смеси могут быть выбраны свечи, аналогичные используемым в двигателях внутреннего сгорания.
Чтобы устройство стало работоспособным, необходимо погрузить в воду металлическую раму с закрепленными на ней вышеуказанным образом рабочими телами.
Глубина погружения рамы в воду такова, чтобы верхнее рабочее тело, (находящееся в крайнем верхнем положении и имеющее максимальный объем) удерживалось на поверхности воды собственной силой Архимеда, и чтобы глубина погружения была достаточна для движения рабочих тел от крайнего верхнего положения до крайнего нижнего положения и наоборот.
Следовательно, рама должна быть погружена в воду так, чтобы днище верхнего рабочего тела находилось на глубине
h=M/S·ρ,
где М - масса рабочего тела, кг;
2
S - площадь поперечного сечения рабочего тела, м;
3
ρ - плотность воды, кг/м.
В исходном положении (фиг.1) верхнее рабочее тело находится в крайнем верхнем положении, его объем максимален, клапаны на верхней крышке закрыты.
Нижнее рабочее тело 1 находится в крайнем нижнем положении, опирается на раму через амортизаторы, будучи полностью сложенным, его объем и соответствующая объему сила Архимеда минимальны, клапаны 3 на верхней крышке 2 закрыты. Система управления фиксирует это положение рабочих тел, блокируя вращение верхнего вала 5, связанного с узлом отбора мощности, а значит и перемещение каната 4.
В компрессорном узле сжато необходимое количество воздуха/воздушно-водородной смеси до давления, достаточного для введения соответствующего количества сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси в нижнее рабочее тело через впускной клапан 3 в верхней крышке 2.
Система управления открывает клапаны 3 на крышке верхнего рабочего тела (фиг.2, фаза I), из его объема сжатый воздух/воздушно-пароводяная смесь стравливается через воздуховоды в узел утилизации, верхнее рабочее тело беспрепятственно «складывается» до достижения им минимального объема (фиг.2, фаза II). При этом сила Архимеда для верхнего рабочего тела становится меньше силы тяжести. После этого клапаны 3 на верхней крышке 2 верхнего рабочего тела 1 закрывают по команде системы управления. Верхнее рабочее тело, погружается под действием силы тяжести - ни направляющая конструкция, ни канат, проходящий через осевой канал рабочего тела, не препятствуют этому движению вплоть до достижения верхним рабочим телом крайнего нижнего положения, при подходе к которому рабочее тело, с помощью амортизаторов, плавно останавливается.
Одновременно по команде системы управления от компрессорного узла через воздуховоды и клапаны 3 в крышке нижнего рабочего тела подают сжатый воздух/воздушно-водородную смесь. При этом объем нижнего рабочего тела увеличивается в результате подъема его крышки до 30-80% от полного объема рабочего тела (фиг.2, фаза II) в зависимости от параметров устройства (его мощности и глубины погружения). Такой объем нижнего рабочего тела обеспечивает величину силы Архимеда в несколько раз превышающую вес рабочего тела. После того, как требуемый объем сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси введен в нижнее рабочее тело - до достижения необходимого начального объема рабочего тела, клапаны на крышке нижнего рабочего закрывают по команде системы управления. В случае введения
воздушно-водородной смеси, смесь поджигают с помощью устройства поджига по команде системы управления, что так же, как и сжатый воздух, обеспечит необходимый начальный объем рабочего тела. При этом рабочее тело расширяется вверх, направляющая конструкция и канат, пропущенный через осевой канал рабочего тела, не препятствуют расширению рабочего тела до момента достижения верхней крышкой рабочего тела фиксатора, закрепленного на канате. С этого момента сила Архимеда, действующая на рабочее тело, через верхнюю крышку рабочего тела начинает действовать на фиксатор, а через фиксатор - на канат, проходящий через осевой канал рабочего тела. Одновременно система управления, через управляемый вал, связанный с узлом отбора мощности, отменяет фиксацию канатной передачи.
Под действием разности сил - силы Архимеда, действующей на нижнее рабочее тело, и суммы противодействующих сил (вес нижнего рабочего тела плюс гидродинамическое сопротивление, плюс «полезная» сила - съем мощности) - нижнее рабочие тело начинает двигаться вверх, увлекая за собой канат. Через канат сила Архимеда начинает вращать валы установки, в частности и вал, связанный с узлом отбора мощности. По мере подъема нижнего рабочего тела вверх уменьшается величина гидростатического давления жидкости, а, следовательно, рабочее тело будет расширяться вниз по отношению к фиксатору на канате.
С увеличением объема рабочего тела будет увеличиваться и сила Архимеда, действующая на рабочее тело (фиг.2, фаза III). Система управления делит снимаемую мощность на две части. Одна часть мощности идет для удовлетворения собственных нужд (сжатия воздуха/воздушно-водородной смеси для заполнения им нижнего рабочего тела на следующей фазе работы устройства), а другая часть - на разогрев воды за счет гидродинамического сопротивления и на вращение генератора. Можно утилизировать нагретую воду, например, в хозяйственных целях.
При приближении «нижнего» рабочего тела к крайнему верхнему положению (фиг.2, фаза IV) система управления, по заданной программе, останавливает и фиксирует положение канатной передачи. На этом полуцикл работы установки закончен. Следующий полуцикл тождественен описанному процессу, только изменяются фазы движения рабочих тел.
Параметры предлагаемого устройства исследовались на математической модели.
σ0
Установлено, что мощность установки как функция начального объема рабочего тела (объема сжатого воздуха, закачиваемого в нижнее рабочее тело), имеет максимум при определенном начальном объеме V, определяемом параметрами установки:
где
Н - максимальная глубина погружения рабочего тела,
κ - показатель адиабаты для воздуха,
b
V - полный (максимальный) объем рабочего тела,
v
ρ - плотность воздуха при нормальных условиях,
v
R - газовая постоянная для воздуха,
1
T - температура воздуха при нормальных условиях,
h
ρ - плотность воды,
g - ускорение свободного падения,
0
у - константа размерности длины, равная 10 м, введенная для измерения давления в воде в единицах атмосферного давления на поверхности жидкости.
Выражения для расчета механической и тепловой мощности установки, соответственно, имеют вид:
где
С - геометрический параметр, определяющий величину гидродинамического
сопротивления движению рабочего тела в воде,
S - площадь сечения рабочего тела перпендикулярно направлению его движения,
f - расчетный параметр,
М - масса рабочего тела,
p
F - величина «полезной» силы - съем механической мощности.
6
Проведены количественные расчеты для установки с параметрами: объем рабочего тела - 1000 куб. м (цилиндр высотой около 12 м и площадью поперечного сечения - 88 кв. м); максимальная глубина погружения - 100 м; масса рабочего тела с канатом - 20 тонн, рассчитанный параметр f=1,1*10H.
p
Результаты расчетов представлены на Фиг.3. Из Фиг.3 следует, что максимальная мощность установки (около 5 МВт) может быть снята в виде тепловой энергии, механическая энергия при этом не снимается F=0. Механическая энергия, как функция
p
величины полезной силы, имеет максимум при значении F=0,69 МН и составляет величину 1,92 МВт, мощность тепловой энергии, которую при этом будет вырабатывать установка, составляет 0,96 МВт.
Эффективность работы установки можно повысить в 5-6 раз, если использовать в качестве среды, обеспечивающей начальное расширение рабочего тела, сжигаемую воздушно-водородную смесь.