ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ

Область применения
Полезная модель относится к пневмогидравлическим агрегатам и может использоваться в качестве альтернативного и экологически чистого преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, сбрасываемой с АЭС воды в водоемы, также позволяет использовать энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе в электрическую энергию.
Уровень техники
Известен из теории и практики гидравлический агрегат с осевой пропеллерной гидравлической турбиной, содержащий проточную часть корпуса, с размещенным в ней с возможностью вращения рабочим колесом, соединенным валом с генератором. Данный гидравлический агрегат использует потенциальную энергию воды высокоуровневого резервуара через воздействие ее на лопасти рабочего колеса. Однако в этом гидравлическом агрегате турбина преобразует только механическую энергию воды, и не используется отбор тепловой энергии воды.
Известен из теории и практики также гидравлический агрегат с диагонально-осевой гидравлической турбиной, лопасти рабочего колеса которой расположены под острым углом к вертикальной оси и используют механическую энергию воды высокоуровневого резервуара. В этом гидравлическом агрегате КПД (коэффициент полезного действия) для этой турбины выше, чем в предыдущем варианте, но в данной схеме гидроагрегата не используется тепловая энергия, запасенная в воде.
Известен гидроагрегат (см. Щапов Н.М., Турбинное оборудование гидростанций, М., -Л., Госэнергоиздат, 1961, с.281-283, рис.16-24), в котором рабочее колесо приводится во вращательное движение от восходящего потока воды, а направляющий аппарат находится ниже рабочего колеса, отсасывающий направляющий аппарат находится выше рабочего колеса. Конструкция гидроагрегата позволяет наиболее полно использовать энергию воды за счет некоторого увеличения столба воды над рабочим колесом, что повышает КПД гидроагрегата. В данном агрегате повышение эффективности достигается
за счет наиболее полного использования напора воды. Но и в этом случае также не используется тепловая энергия, запасенная в воде.
Известна "Энергоизвлекающая пневмогидравлическая турбина" (патент РФ №2120058), содержащая осевое пропеллерное рабочее колесо, установленное в корпусе, размещенном в емкости с водой или водоеме, соединенное с источником сжатого воздуха. Данное устройство не требует высокоуровневого резервуара и преобразует энергию сжатого воздуха. Но и в этом случае также не полностью используется запасенная в воде тепловая энергия и подъемная сила водо-воздушной смеси, увеличивающейся при вертикальном движении вверх за счет расширения пузырьков воздуха в процессе отбора тепловой энергии из воды и понижения статического давления.
Известна «Пневмогидравлическая турбина» (патент РФ N 2170364) характеризующаяся увеличенным числом рабочих колес, соединенных зубчатой передачей с вертикальным валом вне корпуса турбины. Данное решение выбрано за прототип.
Пневмогидравлическая турбина содержит цилиндрический корпус, имеющий трубу слива и заполнения, соединенный с источником сжатого воздуха. Выше дна корпуса закреплена турбина с зазором между стенками корпуса. В корпусе турбины на вертикальной оси размещены с возможностью вращения рабочие колеса, соединенные зубчатой передачей с вертикальным валом, размещенным вне корпуса турбины. Вал соединен с генератором. Но, данное устройство требует сложную кинематическую схему объединения турбинных колес, а именно: распределенный редуктор, который размешается в водной среде, требует сложного конструктивного решения, технологических отверстий в корпусе пневмогидравлической турбины, сложной системы обслуживания, снижает надежность устройства, и уменьшает КПД устройства.
Задачей полезной модели является создание пневмогидравлического агрегата, преобразующего энергию сжатого воздуха, тепловую энергию водной среды, кинетическую энергию водо-воздушного и водяного потоков с одновременным улучшением газового состава воды за счет насыщения ее кислородом атмосферного воздуха и повышение КДП.
Технический результат: пневмогидравлический агрегат позволяет за счет преобразования энергии сжатого воздуха, пропускаемого через водную среду,
осуществлять отбор низкопотенциальной тепловой энергии воды, создает направленную подъемную силу водо-воздушной среды и преобразует в цилиндрических корпусах движение водо-воздушной среды в механическое вращение турбины и генератора электрического тока. Пневмогидравлический агрегат позволяет преобразовать энергию сжатого воздуха, утилизировать низкопотенциальную энергию воды, сбрасываемую с АЭС в водоемы, не требует высокоуровневого резервуара, при этом снижается температура водной среды, улучшает экологию и газовый состав воды за счет насыщения ее кислородом, также позволяет использовать тепловую энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана конструктивная схема устройства пневмогидравлического агрегата, где: 1 - Блок коммутации и управления, 2 - Компрессор, 3 - Резервуар, 4 - Уровень воды, 5 - Генератор тока первого гидроагрегата, 6 - Вал первого гидроагрегата, 7 - Гидротурбина первого гидроагрегата, 8 - Первый цилиндрический корпус, 9 - Воздуховод, 10 -Сепаратор воздуха, 11 - коллектор, 12 - Генератор тока второго гидроагрегата, 13 - Цепь электрического выхода генератор тока первого гидроагрегата, 14 - Цепь электрического выхода генератор тока второго гидроагрегата, 15 - Редуктор генератор тока второго гидроагрегата, 16 - Направляющий аппарат второго цилиндрического корпуса с тангенциальным вводом воды во второй цилиндрический корпус, 17 - Гидротурбина второго гидроагрегата, 18 - Второй цилиндрический корпус, 19 - Вал второго гидроагрегата, 20 - Заливная горловина, 21 - Сливная горловина.
На Фиг.2 приведена схема направляющего аппарата с тангенциальным вводом воды во второй цилиндрический корпус, где 22 - Гидротурбина.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что пневмогидравлический агрегат, содержащий соединенный с источником сжатого воздуха цилиндрический корпус с установленной с возможностью вращения на вертикальной оси гидротурбиной, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, два цилиндрических корпуса коноидально соединенных между собой коллектором, в каждом из цилиндрических корпусов помещен гидроагрегат - гидротурбина с генератором электрического тока, причем первый цилиндрический корпус выполнен с возможностью подачи через него
снизу сжатого воздуха, второй цилиндрический корпус в верхней части снабжен направляющим аппаратом, функцией которого является тангенциальная подача воды на гидротурбину второго гидроагрегата.
В предложенном пневмогидравлическом агрегате существенно то, что он не требует высокоуровневого резервуара. Возникающий восходящий водо-воздушный поток в первом цилиндрическом корпусе, приводит к снижению в нем гидравлического давления, что приводит к перетеканию воды по коллектору, коноидально соединяющему цилиндрические корпуса, от второго к первому цилиндрическому корпусу и, соответственно, к поступлению через направляющий аппарат второго цилиндрического корпуса равного количества воды на турбину второго гидроагрегата.
В предложенном пневмогидравлическом агрегате, в первом цилиндрическом корпусе восходящий водо-воздушный поток, действующий на гидротурбину первого гидроагрегата, создается в результате замещения и перетока вытесненной воды, охлажденным в теплоизолированной расширительной системе компрессора, расширяющимся объемом воздуха. Изменение объема воздуха - увеличение объема пузырьков - происходит в результате его нагрева (отбора тепла из водной среды) и снижения гидравлического давления по мере всплытия пузырьков воздуха. Возникающий восходящий поток водо-воздушной смеси преобразуется гидротурбиной в механическую энергию и, генератором тока механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию. При этом, теплота отбираемая воздухом из водной среды, создает восходящий водо-воздушный поток с кинетической энергией в количестве большей, чем затрачено энергии на сжатие воздуха в компрессоре (изотермный КПД компрессора не превышает 0,6).
Компенсация объема воды, вытесняемая поступающим и расширяющимся воздухом в первый цилиндрический корпус, заменяется равным количеством воды, поступающей из второго цилиндрического корпуса по коноидально соединенному коллектору, где гидростатическое давление в два раза выше, чем в первом цилиндрическом корпусе. При этом, кинетическая энергия движение воды во втором цилиндрическом корпусе преобразуется гидравлической турбиной второго гидравлического агрегата, а механическая энергия вращения гидравлической турбины преобразуется генератором тока второго гидравлического агрегата.
Через направляющий аппарат 16 (см. Фиг.2), размещенный в верхней части второго цилиндрического корпуса на гидравлическую турбину 22 тангенциально поступает вода в
объеме равном объему, перетекающему через коллектор коноидально соединяющий первый и второй цилиндрические корпуса и равный объему вытесняемой воды из первого цилиндрического корпуса.
K
K
Расход воды перетекающий через второй цилиндрический корпус и коллектор коноидально соединяющий первый и второй цилиндрические корпуса пневмогидравлического агрегата определяется из условия, что Q=V, где V - объем воздуха после всплытия, который равен
k
H
1
2
V=V(1+t-t/273)·P
H
1
2
3
где V - производительность источника сжатого воздуха на выходе из расширительной системы, м/с; t - температура воды, °С; t - температура воздуха °С, с учетом понижения температуры при падении давления в расширительной системе (около 24°С на 1 атм.), что позволяет строить электростанции на водоемах с малой глубиной без высокоуровневого резервуара (водохранилища) и эффективно осуществляя отбор тепловой энергии от водной среды; Р - коэффициент давления - (Нм:10 м=1).
Скорость движения воды по коллектору, коноидально соединяющему первый и второй цилиндрические корпуса, определяется по известной формуле гидравлики (Кудинов В.А., Карташов Э.М., Гидравлика, - М, Высш. Шк., 2006, 175 с; ил., с.164-167).
,
где
H1 - высота напора воды в первом цилиндрическом корпусе,
Н2 высота напора воды во втором цилиндрическом корпусе,
Пневмогидравлический агрегат (см. Фиг.1) содержит: блок коммутации и управления 1, подключенный к внешней электрической энергосети для первичного запуска компрессора 2, цепи запуска компрессора 2 соединяющие компрессор 2 и блок коммутации и управления 1, цепи электрического выхода 13 генератора тока 5 первого гидроагрегата, цепи электрического выхода 14 генератора тока 12 второго гидроагрегата, цепи подключения внешних потребителей электрической энергии к блоку коммутации и управления 1; резервуар 3 с заливной 20 и сливной 21 горловинами, уровень воды 4 в резервуаре 3; выход расширителя сжатого воздуха компрессора 2 соединен воздуховодом 9 с сепаратором 10 первого цилиндрического корпуса 8, внутри которого размещена гидротурбина 7 на валу 6 первого гидроагрегата, присоединенного к
генератору тока 5; коллектор 11 коноидально соединен с первым цилиндрическим корпусом 8 и вторым цилиндрическим корпусом 18, который в верхней части соединен с направляющим аппаратом 16 второго цилиндрического корпуса; гидротурбина 17 размещена на валу 19, который через редуктор 15 подсоединен к генератору тока 12 второго гидроагрегата.
При работе пневмогидравлического агрегата воздух с выхода расширителя сжатого воздуха компрессора 2 через воздуховод 9 поступает в сепаратор 10, где происходит дробление воздуха на большее количество воздушных пузырей, наиболее полно отбирает теплоту от воды, запасенную при таянии льда (скрытая теплота плавления равная 80 кал/г), отобранную системой охлаждения при сжатии воздуха или другим источником горячей воды, например, поступающей через заливную горловину 20 резервуара 3, а, увеличиваясь в объеме пузыри, увеличивают и силу плавучести, в большем объеме вытесняет воду из первого цилиндрического корпуса 8, чем, если бы под столб воды подавалась вода и при КПД, равном 1, могло бы быть получено количество энергии, равное затраченному (принцип гидроаккумулирующей электростанции), при этом на замену перетекающей воды через верхний срез первого цилиндрического корпуса 8, через коллектор 11, коноидально соединяющий первый цилиндрический корпус 8 и второй цилиндрический корпус 18 из второго цилиндрического корпуса 18 поступает равное количество, вытесненному объему воды, воздействуя на гидротурбину 7 первого гидроагрегата, приводя во вращательное движение вал 6, и, соответственно, генератор тока 5.
Переток воды из второго цилиндрического корпуса 18 по коллектору 11 компенсируется поступлением воды через направляющий аппарат 16 второго цилиндрического корпуса 18, что приводит к гидравлическому воздействию на гидротурбину 17 второго гидроагрегата, вращательное движение гидротурбины 17 передается через вал 19 и редуктор 15 на генератор тока 12 второго гидроагрегата.
При этом вектор движения воды поступающей из направляющего аппарата 16 во второй цилиндрический корпус 18 складывается из двух составляющих векторов:
КР
вектора тангенциальной скорости - V,
B
вектора вертикальной скорости - V,
С
вектора суммарной скорости - V,
Таким образом, в заявляемом техническом решении «пневмогидравлический агрегат» при фиксированных затратах на создание подъемной силы водо-воздушной смеси по
сравнению с прототипом, обладает техническими возможностями по крайней мере увеличить практически в два раза производство электрической.
Принимая за основу типовую методику оценки энергетических возможностей гидроагрегатов, оценим получаемый энергетический результат на прототипе.
Для варианта прототипа сила, воздействующая на гидротурбину 7 первого гидроагрегата снизу, равна силе притяжения единицы массы воды и равна силе выталкивания единицы объема подведенного воздуха.
3
3
Расчет мощности ведется по формуле расчета мощности гидравлической турбины, когда в весовом эквиваленте при плотности воды 1000 кг/м и силе плавучести 1 м=1000 кгс 9,81·Q - сила, приложенная в течение секунды.
Мощность определяется по формуле:
N=9,8·Q·H·η,
2
3
где 9,81 м/с - ускорение свободного падения; Q- расход воды, м/с; Н - напор, м; η - КПД (коэффициент полезного действия), N - мощность в кВт.
Легко видеть, что оценка энергетической мощности, получаемой на гидротурбине 17 заявляемого пневмогидравлического агрегата, так же может быть оценена по приведенной формуле.
Следует отметить, что потери обусловленные изменением кинетического момента движущейся водяной среды из второго цилиндрического корпуса 18 через коноидальное сопряжение с коллектором 11, коноидально соединяющимся с первым цилиндрическим корпусом 8 зависит от диаметра и длины коллектора. В нашем случае при размерах превышающих десятки сантиметров, например, 100 см, потерями можно пренебречь (Кудинов В.А., Карташов Э.М., Гидравлика, - М, Высш. Шк., 2006,175 с; ил., с.164-167). Технико-экономический эффект заявляемого технического решения пневмогидравлический агрегат также очевиден, при стоимости компрессорной установки равной стоимости компрессора прототипа производится электрической энергии в два раза больше.
Характеристика компрессора.
Источник сжатого воздуха - компрессор поршневой ВП2-10/9.
Стоимость - 20000 У.Е.
Производительность - 0,167 м3/с.
Конечное давление, МПа - 0,9 (9 Атмосфер).
Мощность на валу компрессора - 56,5 КВт.
Стоимость гидроагрегата пропеллерного типа 350 У.Е. за 1 кВт электрической мощности.
Стоимость гидроагрегата мощностью 50 кВт соответственно составит 17500 У.Е.
Стоимость конструктивных элементов крепления и резервуара -5500 У.Е.
Оценка стоимости прототипа.
20000+17500+5500=43000 У.Е.
Производимая электрическая энергия - 50 кВт.
Удельная стоимость прототипа на 1 кВт - 43000/50=860 У.Е.
Оценка стоимости заявляемого пневмогидравлического агрегата.
20000+17500+17500+5500=60500 У.Е.
Производимая электрическая энергия - 100 кВт.
Удельная стоимость заявляемого пневмогидравлического агрегата на 1 кВт - 60500/100=605 У.Е.
Характеристика пневмогидравлического агрегата.
Первый цилиндрический корпус определим с высотой водяного столба равного 2 м и определим необходимую мощность двигателя компрессора на подвод воздуха под этот столб воды, с учетом атмосферного давления, исходя из данных технической характеристики компрессора:
N=(2 м·56,5 кВт)/(90 м+10 м)=1,13 КВт
На всей высоте установки будет наблюдаться восходящий поток водо-воздушной смеси, в котором независимая от глубины погружения тела выталкивающая сила позволяет разместить не менее 5 рабочих колес - гидротурбин. Энергетический режим предлагаемой гидротурбины протекает в более выгодных условиях, чем в известном насосе «Эрлифт», так как переток воды происходит ниже уровня воды в турбине, то есть в условиях, близких к условиям невесомости, без значительного подъема воды в корпусе турбины, на что в насосе расходуется основное количество энергии.
Примем КПД турбины равным 0,9. В этом случае мощность равна:
N=9,81·0,167·2·5·0,9=14,7 кВт
Таким образом, получена энергия, в 13 раз превышающая затраченную энергию: 14,7 КВт / 1,13 КВт=13
Без потери общности рассуждений, примем, что и мощность, полученная на второй гидротурбине 17 гидроагрегата, имеет какую же величину - 14,7 кВт.
Таким образом, полученная мощность на основе заявляемого пневмогидравлического агрегата составит 29,4 кВт электрической энергии.
Технико-экономическая эффективность может быть определена через сроки окупаемости вариантов прототипа и заявляемого пневмогидравлического агрегата, а также в использовании фактически готовой энергии экологически абсолютно чистым и дешевым способом.
Оценим срок окупаемости прототипа.
Тариф - 0,054 У.Е. за 1 кВт (приблизительно 1 руб.20 копеек за 1 кВт)
Число часов в году 8760 час
Срок окупаемости прототипа составит
43000/(8760×0,054×50)=1,8 года.
Срок окупаемости заявляемого пневмогидравлического агрегата составит 60500/(8760×0,054×100)=1,28 года.
Преимущество заявляемого пневмогидравлического агрегата перед прототипом очевидно, как по сроку окупаемости, так и по производимой электрической энергии (производится в два раза больше электрической энергии, чем прототипом) на основе экологически чистой технологии, обеспечивающей улучшение качества воды, снижение ее температуры и улучшения микроклимата территории.