ПРИЛИВНО-ОТЛИВНОЙ НАСОС
TIDAL PUMP

Область техники.
Приливно-отливной насос относится к области морской гидротехники, является даровым двигателем и преобразует энергию изменения уровня морской воды (волнение, приливы и т.д.) в потенциальную энергию подъема воды.
Уровень техники.
Прототипом является волновая электростанция, Патент РФ 2459974 (Роспатент, «Официальный бюллетень изобретений и полезных моделей №24 от 2012 года). Принцип работы: из пневмогидравлической камеры вытесняемый водой воздух через напорный воздуховод приводит во вращение турбину и генератор. Для эффективной работы турбины необходимо расположить пневмогидравлическую камеру в области волновых воздействий. Это обеспечено механизмом вертикального перемещения, закрепленным на неподвижном основании.
Отличия предлагаемой конструкции:
- использует и волновую, и приливо-отливную энергию моря;
- работает как водяной насос;
- в конструкции отсутствуют кинетические связи и вращающиеся детали;
- при работе не нуждается в обслуживании и регулировках.
Раскрытие изобретения.
Состоит из трех емкостей, находящихся на определенной высоте относительно друг друга, двух обратных клапанов и соединительных труб. Емкости установлены неподвижно, нижняя в области изменения уровня воды и сообщается в своей нижней части с источником забора воды (морем), а в верхней - через трубу с верхней частью средней емкости. В нижней части средней емкости расположена заборная труба с обратным клапаном. Верхняя емкость также расположена на определенной высоте относительно средней и соединена с нижней частью средней емкости трубой с обратным клапаном.
Закачка воды осуществляется в два этапа: при отливе в среднюю емкость и при приливе из средней в верхнюю. В начале отлива нижняя емкость заполнена водой, средняя - воздухом, используемым как передаточное тело (воздушная пробка). Понижение уровня воды в нижней емкости вызывает понижение давления воздуха в средней, под действием чего открывается обратный клапан заборной трубы в нижней части и средняя емкость заполняется водой. При приливе уровень воды в нижней емкости повышается, давление воздуха в нижней и средней емкостях увеличивается, происходит сжатие воздушной пробки. Клапан в заборной трубе закрывается, открывается обратный клапан в трубе, соединяющей нижнюю часть средней емкости с верхней емкостью. Происходит закачка воды в последнюю.
Краткое описание рисунков.
Фиг. 1. Работа насоса при отливе.
Фиг. 2. Работа насоса при приливе.
Фиг. 3. Частный случай применения приливо-отливного насоса.
Обозначения на Фиг. 1, 2, 3.
- нижняя емкость;
- средняя емкость;
- верхняя емкость;
- труба, соединяющая нижнюю емкость с морем;
- заборная труба;
6, 7 - обратные клапаны;
8, 9 - соединительные трубы;
10 - промежуточная емкость.
Фиг. 1. Отлив. Рабочим телом является вода, поступающая в емкость 1 через трубу 4; передаточным телом - воздушная пробка, перетекающая из емкости 1 в емкость 2 и обратно, что обеспечивается взаимным расположением труб 8 и 9 и работой клапанов 6 и 7. Емкость 1 в начале отлива заполнена водой. Клапаны закрыты. При понижении уровня воды в ней через трубу 4 происходит отток воздуха из емкости 2 через трубу 8. Под действием понижения давления обратный клапан 6 открывается и через заборную трубу 5 емкость 2 заполняется водой.
Фиг. 2. Прилив. Уровень воды в емкости 1 повышается. Происходит перетекание воздушной пробки из емкости 1 в емкость 2 через трубу 8, давление повышается. Клапан 6 закрывается, открывается клапан 7. Через трубу 9 вода поднимается в емкость 3. С началом отлива процесс повторяется.
Для эффективной работы насоса необходимо обеспечить оптимальное соотношение объемов нижней и средней емкостей с учетом высоты их взаимного расположения и высоты прилива.
Поскольку масса воздуха в воздушной пробке в течение одного рабочего цикла неизменна, давление меняется медленно и незначительно, температура при этом не меняется - процесс можно считать изотермическим. Применим закон Бойля-Мариотта: при одной и той же массе газа и температуре изменение объема пропорционально изменению давления. (БСЭ, том 3, стр. 468, Москва, «Советская энциклопедия», 1971 г.)
1
1
2
2
1
1
2
2
1. PV=PV, где в данном случае Р, V - давление и объем воздушной пробки в нулевых точках прилива и отлива; Р, V - давление и объем воздушной пробки при приливо-отливных воздействиях в нижней емкости.
Принято:
- разность высот между нижней и средней, средней и верхней емкостями h=1,0 м;
- средняя высота прилива 2 м;
- порог срабатывания клапанов не учитывается;
3
- нижняя емкость - куб со сторонами 1,0 м и объемом 1,0 м;
- при полном отливе нижняя емкость в нижней части сообщается с атмосферой;
3
- вода морская с плотностью ρ=1030 кг/м (А. Барашков, Физика, стр. 268, «Слово», Москва, 1995 г.);
0
- атмосферное давление при t=0°С, Р=101325 Па (БСЭ, том 5, стр. 252, «Советская энциклопедия», Москва, 1971 г.).
ст
Определение давления столба воды при h=0,5 м.
ст
Давление водяного столба определяется по формуле: Р=ρgh (А. Барашков, Физика, стр. 79, «Слово», Москва, 1995 г.), где g - ускорение свободного падения.
ст
Р=1030×9,8×0,5=5047 (Па).
2
0
ст.
Для подъема воды на эту высоту необходимо давление в воздушной пробке Р=Р+Р(При отливе знак "-").
Определение необходимого изменения объема воздушной пробки при приливе.
1
0
1
3
В нулевой точке прилива нижняя емкость заполнена воздухом, давление равно атмосферному: P=Р=101325 Па; V=1,0 м.
2
0
ст
В момент начала закачки воды Р=Р+Р=101325+5047=106372 (Па).
Из формулы 1
2
1
1
2
3
V=PV/P=101325×1,0/106372=0,95 (м).
1
2
3
Разность объемов ΔV=VV=1,0-0,95=0,05 (м), что по высоте составляет:
2
Δh=ΔV/S, где S - площадь основания нижней емкости: S=1,0×1,0=1,0 (м).
Δh=0,05/1,0=0,05 (м).
Таким образом, уровень воды в нижней емкости будет больше (при приливе) или меньше (при отливе) уровня воды в море на величину Δh.
Высота прилива (отлива), необходимая для подъема воды, равна высоте водяного столба. Т.е. для подъема воды на высоту h=1,0 м необходимо, чтобы высота прилива (отлива) или волны была той же высоты без учета потерь (порог срабатывания клапанов, объем трубопроводов, вязкость воды).
Эффективность работы насоса обеспечивается точным соотношением объемов емкостей и высот их взаимного расположения. Рассчитывается для конкретных условий.
Расчет мощности насоса при полусуточном приливе.
N=A/t, где А - работа, t - время (А. Барашков, Физика, стр. 224, «Слово», Москва, 1995 г.).
Работой в данном случае является потенциальная энергия поднятой на 1 м морской воды, равной по объему средней емкости:
А=mgh (А. Барашков, Физика, стр. 289, «Слово», Москва, 1995 г.), где m - масса воды,
2
m = ρV = 1030×0,95=978,5 (кг),
А = 978,5×9,8×1=9599,3 (Дж),
N = 9599,3/43200≈0,22 (Вт).
3
При объеме нижней емкости 1 м и высоте между емкостями 1 м при полусуточном приливе насос развивает мощность 0,22 Вт.
Увеличение мощности без увеличения объема емкостей может быть достигнуто:
- размещением заборной трубы 5 ниже уровня полного отлива;
- заменой воздушной пробки жидкостной (из жидкости легче воды и с водой не смешиваемой).
На Фиг. 3 приведен частный случай применения насоса, более приемлемый для практического использования. Если забор воды в среднюю емкость производить непосредственно из моря, что происходит при отливе, высота подъема воды будет постоянно расти, а это существенно снизит эффективность насоса. Для устранения этого недостатка вводится дополнительная промежуточная емкость 10, расположенная, например, под емкостью 1. Она имеет большой объем, заполняется водой при полных приливах, не имеет обратного стока и обеспечивает относительно постоянный уровень воды. Забор воды в среднюю емкость производится из нее, т.е. практически из уровня полного прилива. Остальные емкости при этом работают по прежнему принципу.
Практическое применение:
- для обеспечения циркуляции воды в береговых закрытых бассейнах при выращивании марикультур и пр.;
- как источник получения электроэнергии при обратном сливе воды.
Основными преимуществами являются простота и возможность в качестве нижней емкости использовать береговые сооружения с большими объемами (стацпричалы, молы и прочее).