ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Область применения
Полезная модель относится к устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, при воздействии гравитационной, инерционной и подъемной силы Архимеда, в механическую и электрическую энергию.
Уровень техники
Известен из теории и практики способ преобразования потенциальной энергии воды в гидроэлектростанциях в энергию вращения гидротурбин разного типа, расположенных на нижнем уровне водоема и соединенных с водохранилищем
(Политехнический словарь. Под ред. Ишлинского А.Ю. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с.123.)
Однако этот способ позволяет использовать только потенциальную гидравлическую энергию воды и не позволяет использовать тепловую энергию, запасенную в объеме воды водохранилища.
Известен также способ преобразования энергии жидкости и газа в механическую энергию путем подачи сжатого газа под поплавки-ковши, погруженные в жидкость, заполняющую емкость ковшового пневмогидродвигателя, перемещения поплавков-ковшей с газом в емкости вверх под действием силы плавучести Архимеда с расширением газа по мере всплытия (Патент FP N 2241998, кл. F03В 17/02, опубликовано 1975 и заявка ФРГ 2408682, кл. F03В 9/00, 1975 г.).
Недостатками этого способа являются уменьшенные крутящий момент и мощность, и увеличенные гидравлические потери, что обусловлено перемещением поплавков-ковшей по круговой траектории с уменьшенными плечами сил Архимеда относительно оси вращения и преждевременным переворачиванием и опорожнением поплавков-ковшей, а также то, что не предусмотрено преобразование тепловой энергии жидкости в полезную работу.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования энергии жидкости и газа в механическую и электрическую энергию путем сжатия газа компрессором и подачи его под поплавки-ковши, погруженные в жидкость, заполняющую емкость ковшового пневмогидродвигателя, перемещения поплавков-ковшей с газом в емкости вверх под действием силы плавучести Архимеда с расширением газа по мере всплытия до полного заполнения газом поплавков ковшей и с передачей тепла от жидкости расширяющемуся газу, перемещения поплавками ковшами связанной с ним бесконечной вертикальной трансмиссии, вращения трансмиссией ротора генератора электрической энергии и освобождения от газа поплавков-ковшей при их переворачивании (Авторское свидетельство СССР N 23697, кл. F01K 13/00, опублик. 1931 г. и RU, 2070665, М. кл.6: F03G 7/06, 1992 г. и RU 2059110).
Недостатками способа-прототипа (RU 2059110) являются его невысокая эффективность, обусловленная неизотермичностью процесса сжатия газа в компрессоре и недостаточной регенерацией выделяющегося при этом сжатии тепла, преобразования тепла аккумулированного в воде, а также то, что не предусмотрено преобразование в полезную работу энергии давления жидкости.
Также недостатком данного способа является неконтролируемая подача объема воздуха от компрессора, что не определяет среднего действующего объема воздуха и не позволяет определять оптимальные параметры пневмогидравлического преобразователя, также не используется кинетическую энергию воды вытесняемой воздухом из поплавков, что также снижает КПД.
Целью полезной модели является создание устройства для преобразования энергии источника сжатого воздуха, низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, гравитационной, инерционной и подъемной силы Архимеда в механическую и электрическую энергию и повышение КПД устройства.
Технический результат: устройство позволяет преобразовать энергию источника сжатого воздуха, утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию воды, не требует использования высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды, улучшается экология и газовый состав воды.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что пневмогидравлическое устройство, содержащее компрессор для подачи воздуха в поплавки, погруженные в жидкость, содержащее поплавки с газом, соединенные в замкнутую цепь и всплывающие под действием силы Архимеда, и вращение которых обеспечивается за счет зубчатых колес, отличающееся тем, что поплавки размещены на гибком тросе и в них установлены обратные клапана для подачи сжатого воздуха, причем первое зубчатое колесо через вал соединено с обгонной муфтой, выход которой через редуктор мультипликатор и магнитную муфту соединен с крыльчаткой размещенной в коническом насадке реактивной турбины типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью по мощности, размещенной в кессоне ниже уровня водной среды, вал реактивной турбины соединен с электрогенератором, выход которого присоединен к блоку коммутации и управления, второе зубчатое колесо, через полые спицы-воздуховоды с размещенными в них обратными клапанами выполнено с возможностью обеспечивать подачу сжатого воздуха из клапанной коробки в поплавки, а паразитное колесо, свободно вращающееся на оси, смещенной по вертикали на высоту зуба второго зубчатого колеса, выполнено с возможностью обеспечивать механическое присоединение обратных клапанов поплавков и обратных клапанов спиц-воздуховодов в секторе 60 дуговых градусов в их нижнем положении на втором зубчатом колесе.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструктивная схема пневмогидравлического устройства, где 1 - Блок коммутации и управления, 2 - Датчик давления, 3 - Электрогенератор, 4 - Компрессор, 5 - Баллон, 6 - Резервуар, 7 - Вал электрогенератора, 8 - Кессон, 9 - Реактивная гидротурбина, 10 - Конический насадок, 11 - крыльчатка, 12 - Поплавок, 13 - Насадок, 14 - Магнитная муфта, 15 - Редуктор мультипликатор, 16 - Обратный клапан поплавка, 17 - Первое колесо зубчатое, 18 - Трос, 19 - Пневмомагистраль, 20 - Паразитное колесо, 21 - Второе колесо зубчатое, 22 - Штуцер, 23 - Клапанная коробка, 24 - Обратный клапан клапанной коробки, 25 - Сопряжение обратных клапанов, 26 - Цепь электрогенератора, 27 - Цепь питания компрессора, 28 - Цепь управления компрессором, 29 - Выход силовой блока коммутации и управления, 30 - Вход запуска пневмогидравлического устройства, 31 - Кнопка запуска, 32 - Кнопка переключения в автономный режим, Ф1 - фаза начала выброса воды из поплавка, Ф2 - фаза окончания выброса воды из поплавка, Ф3 - фаза начала вертикального движения поплавка, Fp - реактивная сила выброса воды из поплавка, МОбщ - общий крутящий момент, Н - напор водной среды действующий на глубине - H, h - напор водной среды, действующий на глубине - h.
На Фиг.2 показана конструктивная схема сопряжение обратных клапанов - С пневмогидравлического устройства, где 33 - Гайка прижимная образного клапана клапанной коробки, 34 - Гайка прижимная образного клапана поплавка, 35 - Уплотнительные кольца резиновые, 36 - Головки толкателей обратных клапанов сферические, 37 - Спица-воздуховод клапанной коробки.
На Фиг.3 показана конструктивная схема редуктора мультипликатора пневмогидравлического устройства, где 38 - Вал первого колеса зубчатого, 39 - Обгонная муфта, 40 - Первая шестерня цилиндрическая, 41 - Вторая шестерня цилиндрическая, 42 - Третья шестерня цилиндрическая, 43 - Четвертая шестерня цилиндрическая, 44 - Первая шестерня коническая, 45 - Вторая шестерня коническая.
Осуществление полезной модели
Полезная модель может быть реализована на основе пневмогидравлического преобразователя посредством объединения кинетических энергий вращения пневмогидравлического преобразователя и гидротурбины с помощью кинематической цепи, включающей зубчатые колеса, обгонную муфту, редуктор мультипликатор, и магнитную муфту.
Заявленное устройство не требует использования высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды. Экология и газовый состав воды улучшаются за счет насыщения ее кислородом.
Пневмогидравлический преобразователь может быть выполнен в виде двух вертикально размещенных зубчатых колес, при этом нижнее зубчатое колесо имеет паразитное колесо, свободно вращающееся на оси, смещенное в вертикальном направлении на величину равную высоте зуба нижнего зубчатого колеса, вертикально размещенные поплавки, соединенные тросом с помещенными в них клапанами для подачи сжатого воздуха через уплотнительное сопряжение резиновых колец полых спиц-воздуховодов с поплавками оснащенные обратными клапанами, толкателями клапанов и обратными клапанами клапанной коробкой, штуцером для подачи сжатого воздуха в клапанную коробку, вал нижнего зубчатого колеса пневмогидравлического преобразователя кинематически последовательно соединен с обгонной муфтой, редуктором мультипликатором и магнитной муфтой, выход которой соединен с валом гидротурбины типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью, размещенными в кессоне ниже уровня водной среды, на валу гидротурбины в коническом насадке размещается крыльчатка, выходной вал гидротурбины присоединен к электрогенератору тока, выход генератора тока подсоединен к блоку коммутации и управления, электрогенератором.
Блок коммутации и управления снабжен кнопкой запуска и кнопкой перехода в автономный режим работы и присоединен входом к источнику внешней электрической сети, для начального пуска пневмогидравлического устройства, выход блока коммутации управления присоединен к компрессору, к которому присоединен баллон со сжатым воздухом, с которым соединен датчик давления, выход которого подсоединен к блоку коммутации и управления, выход баллона со сжатым воздухом присоединен через пневмомагистраль к штуцеру клапанной коробки. При запуске пневмогидравлического устройства запускается компрессор - 4, сжатый воздух поступает в баллон - 5 и через пневматическую магистраль - 19 поступает в штуцер - 22 клапанной коробки - 23, головки толкателей - 35 обратных клапанов поплавков 12 и спиц-воздуховодов - 37, воздействуют друг на друга и открывают клапаны, и воздух под давлением из клапанной коробки - 23 поступает в поплавки - 12, размещенные в положении фаза Ф1 - фаза Ф2
В поплавке происходит обмен тепловой энергии водной среды и воздуха, что снижает температуру водной среды и увеличивает объем воздуха за счет его нагрева. Из насадка - 13 под избыточным давлением выбрасывается водная среда, создавая реактивную силу Fp тангенциально направленную к радиусу пневмогидравлического преобразователя. Под действием возникающего момента М пневмогидравлический преобразователь поворачивается на оси вала - 38, и далее с новым поплавком - 12 совершается аналогичный процесс.
При этом на поплавок, наполненный воздухом на предыдущей фазе, воздействует сила Архимеда, и общий крутящий момент МОбщ пневмогидравлического преобразователя увеличивается.
Процесс наполнения поплавков и реактивный выброс воды повторяется непрерывно. При этом воздух из поплавка, расположенного ниже уровня водной среды и достигнувшего верхней точки первого зубчатого колеса - 17 находится в положении, при котором воздух выходит из насадка - 13. Таким образом, все поплавки с правой стороны пневмогидравлического преобразователя наполнены водной средой и имеют практически «нулевую плавучесть» и обладают только инерционной массой, равной массе водной среды, размещенной в поплавках. А, поплавки, размещенные елевой стороны, наполнены воздухом и обладают подъемной силой равной по закону Архимеда весу вытесненного объема водной среды.
Таким образом, пневмогидравлический преобразователь имеет неуравновешенный момент М реактивной и Архимедовой сил относительно оси вращения вала - 36, что приводит к его постоянному вращению.
Вал - 36 первого зубчатого колеса - 17 последовательно соединен кинематической цепью содержащей обгонную муфту - 39, редуктор мультипликатор, состоящий из цилиндрических шестерен 40, 41, 42 и 43 и конических шестерен 44 и 45, магнитную муфту - 14,
вал - 7, которой последовательно соединен с крыльчаткой - 11 и реактивной турбиной - 9 типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью по мощности, имеющий вход, для водной среды выполненный в виде конического насадка - 10.
Для обеспечения работы гидротурбины в воздушной среде в кессоне - 8 накапливается воздух, выходящий из поплавков - 12.
Регулирование подачи воздуха в поплавки - 12, а также регулирование запуском компрессора за счет контроля датчика давления - 2, давление воздуха в баллоне - 5 позволяет оптимизировать потребляемую мощность компрессора, что существенно повышает КПД компрессора - 4 в пневмогидравлическом преобразователе.
Объединение моментов реактивной и Архимедовой силы с возможностью утилизации низкопотенциальной энергии водной среды в крутящий момент МОбщ, позволяет его использовать с помощью применения кольцевой схемы объединения поплавков 12 через соединительный трос - 18, первое зубчатое колесо - 17, второе зубчатое колесо - 21 и кинематическую цепь в составе редуктора мультипликатора - 15, магнитной муфты - 14 в качестве источника кинетической энергии для преодоления потерь при раскручивании реактивной турбины - 9 типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью по мощности и создания устойчивого режима ее самоподдерживающейся ротации.
При этом, реактивная турбина - 9 находится ниже уровня водной среды и в конический насадок - 10 поступает водная среда под напором высотой h и дополнительно создаваемым напором с помощью крыльчатки - 11.
Кроме того, реактивная турбина типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью обеспечивает увеличение подсасывающего эффекта водной среды через конический насадок, получение и накопления механической энергии инерционного вращения за счет положительной обратной связи по мощности, то есть выполняет функцию маховика-накопителя инерционной энергии вращения.
Выход реактивной турбины через вал - 7 соединен с электрогенератором - 3, цепь - 28 которого подсоединена к блоку коммутации и управления - 1.
Оценка энергетической мощности пневмогидравлического преобразователя может быть получена следующим образом.
Размер зубчатых колес, диаметр - 1,0 метр.
Расстояние между осями зубчатых колес - 1,5 метра.
Число зубьев на зубчатом колесе - 12 (зубья расположены через 30 дуговых градусов).
Объем поплавка - 16 кубических дециметров.
Число всего поплавков - 22.
Избыточное давление 14 метров водяного столба (10 метров атмосферное давление).
Крутящий момент, действующий за счет сил Архимеда, создаваемый поплавками на первом и втором зубчатом колесе (см. Фиг.1, фаза Ф2 - фаза Ф3) равен:
МАр×1=2×(16 куб.дм.×1 кг/куб.дм.×9,81 м/сек в кв.)×0,5 м×3,72=584 Нм.
Коэффициент 3,72 определяет сумму проекций подъемной силы поплавка на радиус-вектор вращения через синусы угла каждого поплавка размещенного на каждом их зубчатых колес через 30 дуговых градусов.
Крутящий момент, действующий за счет сил Архимеда, создаваемый поплавками вертикально, размещенными между центрами вращения первого и второго зубчатого колеса елевой стороны устройства (см. Фиг.1.) равен:
МАр×2=4×(16 куб. дм.×1 кг/куб.дм.×9,81 м/сек в кв.)×0,5 м=314 Нм.
Реактивную силу выброса водной среды из поплавка - 8 определим через силу выталкивания равную силе давления воздуха на водную среду в поплавке - 12 к сечению насадка - 9.
При размере сечения 15 см×5 см=75 кв.см.
С учетом того, что атмосферное давление аддитивно распространяется на все устройство, будем рассматривать только действие избыточной силы создаваемой для преодоления давления водяного столба, то есть Н=4 м.
Следует заметить, что техническое решение применение паразитного колеса - 20, обеспечивает одновременную подачу воздуха в 3 поплавка - 12 в фазе их движения от Ф1 до Ф2.
Но, с учетом, того, что объем водной среды, обладает инерционностью, примем усредненную оценку реактивной силы с коэффициентом равном - 3/2.
То есть, сила давления равная 4 Н на квадратный сантиметр и воздействующая на срезе насадка - 13 для трех поплавков - 12 равна:
Fp=3/2×(4 Н/кв. см×75 кв.см.)=450 Н,
соответственно реактивный момент Mp силы Fp будет равен
Mp=0,5 м×450 Н=225 Нм.
Соответственно суммарный крутящий момент будет равен
МОбщ=МАр×1+Мар×2+Мр=584 Нм+314 Нм+225 Нм=1123 Нм.
Без потери общности рассуждений, можно применить формулы для оценки всплытия объектов с различной плавучестью (например, для подводных лодок), в режиме продувки балласта (См. Агафонов С.А., Герман А.Д., Муратова Т.В. Дифференциальные уравнения. - раздел: Математическая модель всплытия подводной лодки - М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2000. - 347 с.).
Предельным значением скорости всплытия объектов с различной плавучестью с учетом сопротивления движению в водной среде и конструктивной устойчивости объектов, принимается величина скороподъемности равная 2-4 метра в секунду.
Для предложенного варианта пневмогидравлического преобразователя это соответствует скорости вращения порядка 0,3-0,4 оборота в секунду.
Оценка мощности пневмогидравлического преобразователя может быть определена по известным формулам из паспортных данных любого двигателя вращения.
N=60 сек×(МОбщ Нм×0,3 об./сек)/1000 Вт=60(1123×0,2)/1000=20,21 кВт.
Оценим затраты энергии компрессора для создания необходимого объема воздуха для пневмогидравлического преобразователя и подачи воздуха под столб воды высотой 4 метра.
В качестве источника сжатого воздуха используем компрессор. Наиболее пригодными являются компрессоры объемного и динамического типа. Поршневой компрессор потребляет энергии в несколько раз меньше динамического, поэтому остановим наш выбор на компрессоре объемного типа - поршневом:
- Источник сжатого воздуха - компрессор поршневой ВП2-10/9.
3
- Производительность - 0,167 м/с
- Конечное давление, Мпа - 0,9 (9 Атмосфер).
- Мощность на валу компрессора - 56,5 КВт
Судить об эффективности пневмогидравлической турбины будем, сравнивая затрачиваемую и полученную мощности, т.е. количество работы в секунду.
3
Производительность компрессора - объем воздуха, поступившего в компрессор при атмосферном давлении, т.е. производительность в 0,167 м/с - объем воздуха перед входом в компрессор и после всплытия поплавков.
3
Из 22 поплавков пневмогидравлического преобразователя только 3 поплавка будут заполняться воздухом через клапанную коробку - 23, что соответствует потребности объема воздуха равного 0,048 м.
При этом, избыточная часть воздуха будет храниться в баллоне для сжатого воздуха, а поршневой компрессор будет периодически отключаться от электрической сети, что значительно повышает КПД устройства в целом.
3
При подаче воздуха в клапанную коробку объем воздуха равный 0,048 м/c, воздух вытеснит такое же количество воды из поплавков и приведет во вращательное движение пневмогидравлический преобразователь.
3
Значение 0,048 м/с соответствует расходу воды, при расчете мощности пневмогидравлического преобразователя, для создания условий реактивного выброса водной среды из поплавка, что соответствует подводу воздуха под столб воды с высотой 4 метра.
Расчет проведем по формуле расчета потребной мощности поршневого компрессора для гидротурбины:
N=9,81·Q·H·КПД,
3
Q - расход воды в м/с;
2
где 9,81 м/с - ускорение свободного падения;
Н - напор в м;
КПД пневмогидравлического преобразователя определим порядка 0,5-0,6, Мощность получаем в кВт.
3
Воздух из компрессора вытесняет из поплавка воду объемом 0,048 м работает как поршень.
N=9,81·4·Q·0,5·Н·КПД=9,81·Q·Н·КПД
При избыточном давлении водяного столба равного 4 м определим необходимую мощность двигателя компрессора на подвод под этот столб воды воздуха с учетом атмосферного давления исходя из данных технической характеристики компрессора:
N=(4 м·56,5 КВт)/(90 м+10 м)=2,26 КВт
Таким образом, необходимая потребная мощность поршневого компрессора для работы пневмогидравлического преобразователя составляет - 2,26 кВт электрической энергии.
3
Полученная выше оценка мощности пневмогидравлического преобразователя равная N=20,21 кВт создавалась при условии, что потребный объем воздуха был равен 0,048 м, что в 3,5 раза ниже, чем необходимое количество воздуха для прототипа (0,167 кубических метра).
При этом коэффициент полезного действия пневмогидравлического преобразователя был определен порядка 0,5-0,6, что говорите его занижении по сравнению с КПД реактивных гидротурбин.
Таким образом, на пневмогидравлическом преобразователе была получена энергия, в 8,94 раз превышающая затраченную энергию в компрессоре:
20,21 кВт/2,26 кВт=8,94
Оценим эффективность применения в пневмогидравлическом устройстве реактивной турбины типа Сегнерова Колеса с положительной обратной связью в качестве инерционного накопителя механической энергии.
Примем КПД передачи механической энергии через кинематическую цепь: обгонная муфта - 39, редуктор мультипликатор - 15, магнитная муфта - 14, от вала - 38 второго зубчатого колеса к реактивной турбине - 9, равным - 0,5.
Скорость вращения турбины определим как 15 оборотов в секунду, что соответствует скорости вращения генератора тока с числом оборотов 900 в минуту.
Вращающий момент, передаваемый на реактивную турбину, будет равен
Мвр=(МОбщ×0,3)/15=(1123 Нм×0,3)/15=22,46 Нм,
при скорости вращения n=15 оборотов в секунду.
Определим ламинарную скорость втекания воды в конический насадок - 10 турбины - 9 по формуле приведенной в (Кудинов В.А., Карташов Э.М., Гидравлика, - М, Высш. Шк., 2006, 175 с.; ил., с.164-167).
где Н - высота напора воды равная 1 метру.
Скорость ламинарного втекания водной среды в реактивную турбину составляет V=4,4 метра в секунду (44 дм. в секунду).
При сечении конического насадка равного 0,01 квадратного метра 1 кв.дм., секундный расход составит:
1 кв.дм.×4 дм. в секунду×1 кг на куб.дм.=44 кг.
Мощность реактивной турбины определяется по формуле
N=9,8·Q·H·η,
2
где 9,81 м/с - ускорение свободного падения; Q - расход воды, куб. м в секунду; Н - напор, м; η - КПД, коэффициент полезного действия; N - мощность в кВт.
Напор водной среды в соплах реактивной турбине соответственно определяется через равенство кинетической и потенциальной энергии на срезе сопел реактивной турбины с радиусом равным - 0,4 метра.
H=(V×V)/2×g
Н=[(2×3,14×0,4×15)×(2×3,14×0,4×15)]/2×9,81=72,36 метра
Мощность реактивной турбины соответственно будет равна -
N=9,81×44×72,36×0,5=15,618 кВт.
При совпадении скорости вращения вала магнитной муфты - 14 и реактивной турбины - 9 в режиме самоподдержания режима ротации реактивной турбины - 9, передача энергии вращения через обгонную муфту - 39 и магнитную муфту - 14 от пневмогидравлического преобразователя к турбине не происходит.
При снижении скорости вращения реактивной турбины - 9 через магнитную муфту - 14 осуществляется передача дополнительной энергии вращения. Реактивная турбина является маховиком накопителем механической энергии вращения и инерционным преобразователем напора водной среды.
Таким образом, на реактивной турбине была получена энергия, в 6,9 раз превышающая затраченную на работу поршневого компрессора:
15,618 кВт/2,26 кВт=6,9.
Суммарно на пневмогидравлическом устройстве за счет утилизации низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, гравитационной, инерционной и подъемной силы Архимеда достигнута мощность равная сумме мощностей пневмогидравлического преобразователя и реактивной турбине равная
Nсум=15,618 кВт+20,21 кВт=35,83 кВт.
Эффективность заявленного устройства определим соответственно как отношение полученной энергии к затраченной в поршневом компрессоре:
35,83/2,26=15,85
При этом следует заметить, что объем подаваемого воздуха в 3,5 раза ниже, чем у прототипа и работа поршневого двигателя носит циклический характер, что говорит о повышении коэффициента полезного действия - КПД, заявленного пневмогидравлического устройства.
Таким образом, реактивная турбина типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью по мощности при подаче на нее 0,5 мощности вращательного движения пневмогидравлического преобразователя равной N=10,1 кВт с моментом вращения равного Мвр=22,46 Нм преобразует энергию напора водной среды высотой в 1 метр в мощность собственного вращательного движения реактивной гидротурбины равной N=15,618 кВт.
Практически - это означает, что реактивная турбинам типа Сегнерова колеса входит в режим самоподдержания процесса ротации с преобразованием напора водной среды в инерционную энергию вращения мощностью большей, чем поступает через кинематическую цепь от пневмогидравлического преобразователя.
Полученный эффект утилизации низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, гравитационной, инерционной и подъемной силы Архимеда в механическую и электрическую энергию силы дает эффект каскадного повышения КПД устройства по сравнению с затраченной энергии в 15,85 раза.