ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

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, опублик. 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 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 за счет насыщения ее кислородом.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что пневмогидравлический преобразователь, содержащий вертикально размещенные поплавки, помещенные ниже уровня водной среды, трансмиссию, генератор тока, компрессор и пневмомагистраль, отличающийся тем, что выполнен в виде колеса с вертикально-радиальным размещением на его ободе поплавков и помещенными в них клапанами для подачи сжатого воздуха через полые спицы-держатели, оснащенные клапанами, толкателями клапанов, роликами толкателей и клапанной коробкой с кулачком для управления клапанами и штуцером для подачи сжатого воздуха в клапанную коробку, вал пневмогидравлического преобразователя кинематически последовательно соединен с мультипликатором, магнитной муфтой, редуктором и гидротурбиной типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью, размещенными в кессоне ниже уровня водной среды, второй выход редуктора через вал присоединен к генератору тока, выход генератора тока подсоединен к блоку коммутации и управления, внутри кессона размещен поплавок, соединенный с клапаном-прерывателем, управляющим пневмомагистралью подачи воздуха в сепаратор. Кроме того, блок управления 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 и клапану-прерывателю пневмомагистрали подачи воздуха в сепаратор.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивная схема пневмогидравлического устройства, где 1 - Блок коммутации и управления. 2 - Датчик давления. 3 - Генератор. 4 - Компрессор. 5 - Баллон. 6 - Резервуар. 7 - Вал генератора. 8 - Поплавок. 9 - Насадок. 10 -Пневмомагистраль. 11 - Кессон. 12 - Обод. 13 - Реактивная турбина. 14 - Коноидальный насадок. 15 - Редуктор. 16 - Магнитная муфта. 17 - Мультипликатор. 18 - Поплавок клапана-прерывателя. 19 - Сепаратор. 20 - Клапан-прерыватель. 21 - Вал. 22 - Клапанная коробка. 23 - Штуцер. 24 - Выход устройства управления и коммутации. 25 - Вход устройства управления и коммутации. 26 - Цепь датчика давления. 27 - Цепь управления компрессором. 28 - Цепь генератора.
На Фиг.2 показана конструктивная схема пневмогидравлического преобразователя с вертикально-радиально размещенными поплавками, где 29 - Спица-держатель. 30 - Клапан. 31 - Толкатель клапана. 32 - Ролик толкателя. 33 - Кулачек. 34 - Уплотнитель. 35 - Канал.
Осуществление полезной модели
Посредством объединения кинетических энергий вращения пневмогидравлического преобразователя и гидротурбины с помощью кинематической цепи, включающей мультипликатор, редуктор и магнитную муфту, не требуется использование высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды, улучшается экология и газовый состав воды за счет насыщения ее кислородом и повышается КПД выработки механической и электрической энергии.
Пневмогидравлический преобразователь может быть выполнен в виде колеса с вертикально-радиально размещением на его ободе поплавков и помещенными в них клапанами для подачи сжатого воздуха через полые спицы-держатели, оснащенные клапанами, толкателями клапанов, роликами толкателей, и клапанной коробкой с кулачком для управления клапанами и штуцером для подачи сжатого воздуха в клапанную коробку, вал пневмогидравлического преобразователя кинематически последовательно соединен с мультипликатором, магнитной муфтой, редуктором и гидротурбиной типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью, размещенными в кессоне ниже уровня водной среды, второй выход редуктора через вал присоединен к генератору тока, выход генератора тока подсоединен к блоку коммутации и управления, внутри кессона размещен поплавок, соединенный с клапаном-прерывателем, управляющим пневмомагистралью подачи воздуха в сепаратор.
Блок управления 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 и клапану-прерывателю пневмомагистрали подачи воздуха в сепаратор.
При запуске пневмогидравлического устройства запускается компрессор - 4, сжатый воздух поступает в баллон - 5 и через пневматическую магистраль - 10 поступает в штуцер - 23 клапанной коробки - 22, кулачек - 33 воздействует на ролик толкателя - 32 и открывает клапан - 30. В поплавке произходит обмен тепловой энергии водной среды и воздуха, что снижает температуру водной среды и увеличивает объем воздуха за счет его нагрева. Из насадка - 9 под избыточным давлением выбрасывается водная среда, создавая реактивную силу F4 тангенциально направленную к радиусу пневмогидравлического преобразователя. Под действием возникающего момента М пневмогидравлический преобразователь поворачивается на оси вала - 21, и далее с новым поплавком - 30 совершается аналогичный процесс.При этом на поплавок, наполненный воздухом на предыдущей фазе, воздействует сила Архимеда, и крутящий момент М 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 обода - 12 находится в положении, при котором воздух выходит из насадка - 9. Таким образом, все поплавки с правой стороны пневмогидравлического преобразователя наполнены водной средой и имеют практически «нулевую плавучестью и обладают только инерционной массой, равной массе водной среды, размещенной в поплавках. А, поплавки, размещенные с левой 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 - 22, что приводит к его постоянному вращению.
Вал - 21 последовательно соединен кинематической цепью содержащей мультипликатор - 17, магнитную муфту - 16, редуктор - 15 с реактивная турбиной - 13 типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью, имеющий вход, для водной среды выполненный в виде коноидального насадка - 14.
Для обеспечения работы гидротурбины в воздушной среде в кессоне - 11 помещен поплавок - 18 клапана-прерывателя - 20, через который подается воздух из пневмомагистрали - 10 на сепаратор - 19.
Регулирование подачи воздуха в поплавки - 8, и кессон - 11, а также регулировать запуск компрессора за счет контроля датчиком 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 М, позволяет его использовать с помощью кинематической цепи - мультипликатор - 17, магнитная муфта - 16, редуктор - 15 в качестве источника кинетической энергии для преодоления потерь при раскручивании реактивной турбины - 13 типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью по мощности и создания устойчивого режима самогенерации.
При этом, реактивная турбина - 13 находится ниже уровня водной среды и в коноидальный насадок - 14 поступает водная среда под напором высотой Н.
Кроме того, реактивная турбина типа Сегнерова колеса с положительной обратной связью обеспечивает увеличение подсасывающего эффекта водной среды через коноидальный насадок и получение и накопления механической энергии инерционного вращения за счет положительной обратной связи по мощности, то есть выполняет функцию маховика - накопителя инерционной энергии вращения. Выход редуктора - 15 через вал - 7 соединен с генератором - 3, выход - 28 которого подсоединен к блоку коммутации и управления.
Оценка энергетической мощности пневмогидравлического преобразователя может быть получена следующим образом.
Размер пневмогидравлического преобразователя-диаметр 2 метра.
Число поплавков-12 (расположены через 30 дуговых градусов на ободе - 12)
Объем поплавка -16 кубических дециметров
Избыточное давление 12 метров водяного столба (10 метров атмосферное давление).
Крутящий момент действующий за счет сил Архимеда равен:
Марх=16 куб.дм. Х 1 кг/куб.дм.×9,81 м/сек в кв.×1 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 ободе через 30 дуговых градусов.
Реактивную силу выброса водной среды из поплавка - 8 определим через силу выталкивания равную силе давления воздуха на водную среду в поплавке -8 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 водяного столба Н=2 м. То есть, сила равна 2 Н на квадратный сантиметр. Сила F3 воздействующая на срезе насадка - 9 равна:
F3=2 Н/кв.см×75 мкв.см.=150 Н,
соответственно реактивный момент Мр силы F3=1 м×150 Н=150 Нм.
Соответственно суммарный крутящий момент равен
М=Марх+Мр=584 Нм+150 Нм=734 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×(М Нм×0,3 об./сек)/1000 Вт=60(734×0,3)/1000=13, 212 кВт. Оценим затраты энергии компрессора для создания необходимого объема воздуха для пневмогидравлического преобразователя и подачи воздуха под столб воды высотой 2 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
3
Судить об эффективности пневмогидравлической турбины будем, сравнивая затрачиваемую и полученную мощности, т.е. количество работы в секунду. 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.
Из 12 поплавков пневмогидравлического преобразователя только 6 поплавков будут заполнены воздухом. 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 0,096 м/с вытеснит такое же количество воды из поплавка и приведет во вращательное движение пневмогидравлический преобразователь.
3
Значение 0,096 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 2 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.
Воздух из компрессора вытесняет из поплавка воду объемом 0,095 кубических метра и работает как поршень.
N=9,81·2·Q·0,5·Н·КПД=9,81·Q·Н·КПД
При давлении водяного столба равного 2 м и определим необходимую мощность двигателя компрессора на подвод под этот столб воды воздуха с учетом атмосферного давления исходя из данных технической характеристики компрессора:
N=(2 м·56,5 КВт)/(90 м+10 м)=1,13 КВт
Таким образом, необходимая потребная мощность поршневого компрессора для работы пневмогидравлического преобразователя составляет - 1,13 КВт электрической энергии. Полученная выше оценка мощности пневмогидравлического преобразователя равная N=13, 212 КВт создавалась при условии, что потребный объем воздуха был равен 0,096 кубических метров, что в два 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 11,69 раз превышающая затраченную:
13,212 КВт/1,13 КВт=11,69
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 мультипликатор - 17, магнитная муфта - 16, редуктор - 15 от вала - 21 пневмогидравлического преобразователя к реактивной турбине -13 равной - 0,5.
Скорость вращения турбины определим как 15 оборотов в секунду.
Вращающий момент, передаваемый на реактивную турбину, будет равен
М вр=(М×0,6×0,5)/15=(734 Нм×0,6×0,5)/15=14,67 Нм,
при скорости вращения n=15 оборотов в секунду.
Определим ламинарную скорость втекания воды в коноидальный насадок 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 коноидального насадка равного 0,1 квадратного метра 1 кв. дм., секундный расход составит:
1 кв.дм.×44 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 редуктора - 15 и реактивной турбины - 13 в режиме самоподдержания передача энергии вращения через магнитную муфту - 16 от пневмогидравлического преобразователя к турбине не происходит. При снижении скорости вращения реактивной турбины - 13 через магнитную муфту - 16 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 13,8 раз превышающая затраченную на работу поршневого компрессора:
15,618 кВт/1,13 кВт=13,8.
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+13,212 кВт=28,83 кВт.
Эффективность заявленного устройства определим соответственно как отношение полученной энергии к затраченной в поршневом компрессоре:
28,83/1,13=25,5
При этом следует заметить, что объем подаваемого воздуха в два 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 мощности вращательного движения равного N=6,6 кВт с моментом вращения равного М вр=14,67 Нм преобразует энергию напора водной среды высотой в 1 метр в мощность собственного вращательного движения равную 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 25,5 раза.