ТРУБОПРОВОД-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Заявляемое изобретение относится к энергетике и предназначено для выработки тепловой энергии в трубопроводе с вихревым или кавитационным теплогенератором, установленном в реке и может быть использован для теплоснабжения потребителей, расположенных по ее берегам, а также для энергоэффективной передачи тепловой энергии от теплоисточников, расположенных на берегах реки.
Известна микрогидроэлектростанция (микро ГЭС) типа 10 Пр (Безруких П.П. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики. Справочник-каталог. Главн. редактор Ю.Д.Арбузов. АО ВИЭН, М., 2000 г., стр.99-120, [1]), включающая в своем составе энергоблок, содержащий гидротурбину, генератор и блок балластной нагрузки, размещенные на одной раме; водозаборное устройство, представляющее собой сетчатый короб, с установленным в нем водозаборным патрубком; устройство автоматического регулирования напряжения и частоты; напорный трубопровод.
Посредством водонапорного трубопровода на участке реки с повышенным перепадом высот осуществляется отведение части потока воды реки к установленному на берегу энергоблоку. За счет напора воды формируемого напорным трубопроводом, а также расхода воды в нем, гидротурбиной вырабатывается гидравлическая мощность, которая от ротора турбины передается на якорь электрогенератора, которым вырабатывается электроэнергия. Отработавшая вода после энергоблока направляется в реку.
Вырабатываемая на Микро ГЭС электроэнергия может быть использована для преобразования в тепловую энергию у ее потребителя. Недостаток использования Микро ГЭС для последующего теплообеспечения заключается в следующем. Одним недостатком является сложность реализации такого преобразования, которая заключается в осуществлении отвода воды и создания требуемого напора, в контроле выработки электроэнергии и за осуществлением процесса. Кроме того, такое устройство ненадежно работает, особенно в зимнее время в местностях с резкоконтинентальным климатом, когда реальной угрозой является перемерзание водоема и узлов Микро ГЭС.
13
29
00
00
Наиболее близка к предлагаемому трубопроводу-теплогенератору гидроэнергостанция по (патент на изобретение РФ №2290531 "Гидроэнергостанция". Заявка №2004133262/06(036081), дата подачи 15.11.2004 г., F03B /, F25B /. Опубл. 27.12.06, бюл. №36, [2]), принятая за прототип.
Гидроэнергостанция по прототипу содержит источник воды и сформированное посредством плотины водохранилище, сообщающееся с входом водовода с
установленным в нем вихревым теплогенератором, выход водовода посредством трубопровода соединен с теплопотребителем, водовод снабжен устройствами регулирования расхода воды, например, регуляторами - задвижками.
Недостатком известной гидроэнергостанции, принятой за прототип, заключается в том, что для обеспечения ее работы формируется напор воды путем сооружения плотины на пути реки и создания при этом водохранилища с напорной стороны плотины.
Сооружение плотины ГЭС мероприятие затратное. Кроме того, с сооружением плотины и последующим повышением уровня воды с ее напорной стороны связаны следующие отрицательные последствия: затопление территорий по берегам реки, зачастую представляющие собой плодородные сельскохозяйственные земли. Вырубка лесов и выведение из хозяйственной деятельности охотничьих угодий; экологические изменения, связанные с образованием водоемов больших объемов; значительные затраты связанные с переносом населенных пунктов, инженерных сооружений из зоны затопления, а также подготовка места будущего водохранилища. С отрицательными последствиями связано также отвлечение денежных средств. В большей степени отрицательные последствия сооружения плотин наблюдаются в равнинных местностях. При сооружении необходимых плотин на малых реках сложность их эксплуатации в условиях резкоконтинентального климата связана с сезонными изменениями - перемерзанием рек, их разливом в период паводков.
Сооружение плотин целесообразно в обоснованных случаях при создании мощных энергоисточников и наличии крупных потребителей.
Однако, в удаленных районах от систем централизованного энергоснабжения, например, расположенных в таежных поселках по берегам рек, энергоресурсы являются завозными, дорогостоящими (до 50% и более бюджетных средств тратится на энергообеспечение), что не позволяет в полном объеме обеспечить энергоресурсами, тепловой энергией, в частности. Это не позволяет создать современные бытовые условия для проживающего в них населения, создает социальную напряженность, снижает энергетическую безопасность района, ухудшает его энергетическую независимость.
Кроме того, техническое решение по прототипу не позволяет с высокой энергоэффективностью транспортировать выработанную на гидроэнергостанции тепловую энергию к потребителям, зачастую расположенным по берегам реки, на которой сооружена гидроэнергостанция. Объясняется это тем, что для теплопроводов, расположенных на местности требуется подготовка, ее планировка, довольно затратное мероприятие, особенно в пересеченной местности (леса, болота, высотные перепады отметок теплотрассы и др.). Кроме того, расположенные на дневной поверхности
трубопроводы подвержены воздействиям атмосферной температуры, которая в зимнее время в местностях с резкоконтинентальным климатом являются существенными. С ними связаны значимые теплопотери с транспортируемым теплоносителем.
Другим недостатком традиционной прокладки теплопроводов на любой поверхности является существенные затраты на перекачивание транспортируемого теплоносителя.
Технический результат на достижение которого направлено заявляемое изобретение является устранение характерных для гидроэнергостанции с плотиной схемой, принятой за прототип, недостатков. Для достижения требуемого технического результата заявляемый трубопровод-теплогенератор, содержащий русловой трубопровод, расположенный на участке реки наклонно в сторону ее течения (стока), вход которого соединен с теплоносителем, например, с водой реки, регуляторы-задвижки, соединенные с трубопроводом, подключенный к нему потребительский трубопровод с перекачивающим насосом, установленный в трубопроводе вихревой или кавитационный теплогенератор с условием обеспечения требуемого напора и расхода воды, имеет трубопроводы расположенные либо над поверхностью воды реки, либо погруженные в воду реки в условиях естественного ее высотного существования с соответствующим положению поверхности воды в ней уклоном, а вихревой(ые) или кавитационный(ые) теплогенератор(ы) установлен либо в русловом, либо в потребительском трубопроводах распределено на протяженности руслового трубопровода.
В трубопроводе-теплогенераторе теплоносителем может быть выработанная на теплоисточнике, например, на гидроэлектро(энерго)станции или на котельной, тепловая энергия в горячей воде.
В трубопроводе-теплогенераторе регуляторы-задвижки могут быть выполнены дистанционно управляемыми.
В трубопроводе-теплогенераторе перекачивающий насос может иметь привод, работающий с использованием энергии потока воды реки.
Преимущество заявляемого трубопровода-теплогенератора заключается, во-первых, в том, что требуемый напор воды для выработки тепловой энергии для потребителей, расположенных по берегам реки, достигается без высокозатратного сооружения плотины и связанных с этим последствий экономического, хозяйственного, социального, климатического характера. Кроме того, заявляемое изобретение позволяет повысить энергетическую и экономическую эффективность трубопроводного транспортирования тепловой энергии, вырабатываемой на теплоисточниках к
теплопотребителям, расположенным на берегах реки(рек) в пересеченной местности. Достигаемые преимущества имеют существенное значение и финансовый эквивалент.
На фиг.1 приведена схема погруженного в реку трубопровода-теплогенератора - источника тепловой энергии. На фиг.2 приведена схема находящегося над водой реки трубопровода-генератора - источника тепловой энергии. На фиг.3 приведена схема погруженного в реку трубопровода-теплогенератора, предназначенного для транспортирования тепловой энергии.
На фиг.1 введены следующие обозначения: 1.1 - русловой трубопровод в воде реки; 1.2 - русловой трубопровод над водой реки; 1.3 - русловой теплопровод в воде реки; 1.3.1 - тепловая изоляция; 2 - поверхность реки; 3.1 - вход трубопровода 1.1; 3.2 - вход трубопровод 1.2; 3.3 - вход трубопровода-теплопровода; 4 - вода реки; 5 - задвижка; 6 - перекачивающий насос; 7 - опоры трубопровода; 5 - потребительский трубопровод; 9 - теплопотребители; 10 - вихревой или кавитационный теплогенератор; 11 - камера вихревого или кавитационного теплогенератора; 12 - теплоисточник на берегу реки, например, котельная или гидроэнергостанция; 13 - трубопровод от теплоисточника 12 к теплопроводу 1.3; 14 - преобразователь расхода воды с дистанционной передачей показаний; 15 - преобразователь давления с дистанционной передачей показаний.
Для выработки тепловой энергии в холодное (зимнее) время в районах с резкоконтинентальным климатом предлагается применять погруженный в воду реки трубопровод-теплогенератор (фиг.1).
На берегу реки 2 расположен теплопотребитель 9, представляющий собой поселок, а потребляемую тепловую энергию в горячей воде предусматривается использовать для отопления, вентиляции жилого сектора и для горячего водоснабжения. Предполагается использовать тепловую энергию и для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и объектов коммунального назначения и местных административных органов.
Для теплообеспечения потребителя в реке установлен заявляемый трубопровод-теплогенератор (фиг.1), включающий русловой трубопровод 1.1, установленный на опорах, лежащих на ее дне. Он имеет наклон в сторону стока реки. На русловом трубопроводе 1.1 имеются задвижки 5. Для соединения руслового трубопровода 1.1 с вихревым или кавитационным теплогенератором 10 выполнена камера вихревого или кавитационного теплогенератора 11, в которой выполнено указанное соединение. В камере 11 выполнен отвод от руслового водопровода 1.1, представляющий собой потребительский трубопровод 8. Он включает задвижку 5 и перекачивающий насос 6. Если ниже потребителя 9 имеются другие теплопотребители, русловой трубопровод 1.1 имеет продолжение. От потребительского трубопровода 8 тепло по распределительной
сети подается к теплопотребителям 9. Вход трубопровода-теплогенератора 3.1 сообщен с водой реки 4, он водой заполнен. Разность высот положения входа трубопровода-теплогенератора 3.1 и входа в вихревой или кавитационный теплогенератор 10 Ah определяет давление воды на входе в теплогенератор. Она вычисляется исходя из следующего выражения:
Р - давление на входе в теплогенератор. Па;
р - плотность,
q - ускорение свободного падения,
Расход воды на входе в теплогенератор составляет величину
Величины давления и расхода являются определяющими при установке трубопровода-теплогенератора, они должны быть достаточными для работы вихревого или кавитационного теплогенератора. Для регулирования их предусмотрены задвижки.
Для контроля расхода воды и ее давления на входе в теплогенератор установлены их преобразователи 14 и 15 с дистанционной передачей показаний, соответственно. На потребительском трубопроводе могут быть установлены теплосчетчик, включающий, в том числе датчики расхода горячей воды, ее температуры и давления (на фиг.1 не показаны).
При установке трубопровода-теплогенератора в реке, достигаемые при этом преимущества заключаются в следующем.
Река имеет понижение в сторону ее стока и на определенном расстоянии оно (понижение - перепад высот) эквивалентно величине давления достаточного для работы вихревого или кавитационного теплогенератора. Причем для выработки тепловой энергии, при этом, не требуется какой-либо энергии из вне или топлива. То есть, заявляемый трубопровод-теплогенератор является нетрадиционным возобновляемым источником энергии.
В условиях пересеченной местности река может быть использована в качестве генератора тепловой энергии.
Для выработки тепловой энергии в теплое (летнее) время заявляемый трубопровод-теплогенератор может находиться на дневной поверхности выше поверхности воды (фиг.2).
В отличие от устройства рассмотренного варианта погружения руслового трубопровода (фиг.1) для его расположения на дневной поверхности применены опоры 7, на которые установлен русловой трубопровод-теплогенератор 1.2. Такая установка позволяет в летнее время: снизить теплопотери за счет того, что температура воды в реке в летнее время ниже, чем температура окружающего воздуха; уменьшить воздействие повышенной температуры поверхности руслового трубопровода-теплогенератора, в случаях, когда он имеет продолжение после установки вихревого теплогенератора на предыдущем отводе к теплопотребителю.
В остальном устройства трубопроводов-теплогенераторов на фиг.1 и фиг.2 идентичны.
Для транспортирования тепловой энергии, выработанной на теплоисточнике, расположенном на берегу реки в местностях с резкоконтинентальным климатом предлагается применять погруженный в воду реки трубопровод-теплогенератор (фиг.3). В отличие от водопровода-теплогенератора, устройство которого приведено на фиг.1, такой трубопровод-теплогенератор (русловой теплопровод) 1.3, погруженный в воду реки покрыт слоем тепловой изоляции 1.3.1, например, из пенополиуритана с поливинилхлоридовой оболочкой снаружи. При этом его вход 3.3 соединен с выходом теплоисточника 12 трубопроводом 13.
Устанавливаемый вихревой или кавитационный теплогенератор 10 в теплопроводе предназначен для повышения температуры теплоносителя в трубопроводе 1.3, которая снижается по мере (по длине трубопровода) транспортирования теплоносителя.
При работе трубопровода-теплогенератора в зимнее время расположение его в воде реки позволяет снизить теплопотери, так как ее температура всегда положительная -выше, чем температура окружающего воздуха зимой.
Для транспортирования теплоносителя по заявляемой схеме (так как имеется уклон трубопровода, совпадающий с естественным уклоном реки), либо не требуется дополнительная на это энергия, либо требуется в меньшей мере по сравнению с другими вариантами прокладки теплопровода по пересеченной местности.
В остальном устройство трубопровода-теплогенератора на фиг.3 аналогично устройству, приведенному на фиг.1.
Работает заявляемый трубопровод-теплогенератор следующим образом.
Схема погруженного в реку трубопровода-теплогенератора - источника тепловой энергии (фиг.1).
Для выработки тепловой энергии и обеспечения ею теплопотребителя 9 в реку 4 по ее дну на опоры уложен трубопровод-теплогенератор 1.1, в котором установлены
задвижки 5, датчик расхода 14 и датчик давления 15. К датчикам подключены дистанционно удаленные вторичные показывающие приборы. Для установки вихревого теплогенератора выполнена камера 11 из бетона. При длине трубопровода равной 1 км перепад высот Δh между входом 3.1 в трубопровод-теплогенератор 1.1 и положением камеры 11 составляет 70 м. Исходя из потребности в тепловой энергии теплопотребителя, которая составляет около 65 кВт или 95000 ккал/ч, выбран вихревой теплогенератор типа "Юсмар 5М" [3]. Диаметр трубы принят равным 180 мм. Трубопроводы выполнены из поливинилхлорида. Нижний конец трубопровода 1.1 пропущен через стенку камеры 11, соединен с вихревым теплогенератором 10. Его выходной трубопровод соединен с русловым трубопроводом, отходящим через стену в камере 11, и далее по реке и нижерасположенному теплопотребителю. От выходного трубопровода вихревого теплогенератора выполнен отвод с задвижкой к потребительскому трубопроводу 8, в котором установлен перекачивающий насос 6.
3
После сборки приведенной схемы открывают задвижки 5 в трубопроводе устанавливают расход воды 150 м/ч (контролируется по расходомеру 14), давление воды в трубопроводе 7.7 у входа в вихревой теплогенератор - по датчику давления 75, при этом оно составило 0,65 МПа. Проходя через вихревой теплогенератор 10 и указанных параметрах воды на его входе, на выходе теплогенератора вырабатывается тепловая энергия в горячей воде с ее температурой 95°С. Перекачивающим насосом 6, тепло-горячая вода с выхода вихревого теплогенератора 10 прокачивается через распределительную сеть трубопроводов к теплопотребителю 9.
Расположение трубопровода-теплогенератора 7.7 в воде реки 4 позволяет вырабатывать тепловую энергию круглогодично, в том числе и в зимнее время в условиях резкоконтинентального климата. При этом вода в реке не замерзает и является надежным теплоносителем.
Схема трубопровода-теплогенератора над поверхностью воды реки - источника тепловой энергии (фиг.2).
В теплое время года (весна, лето, осень) трубопровод-теплогенератор 7.2 может быть поднят из воды и установлен над поверхностью реки на специальных опорах 2 (фиг.2). В таком случае вход 3.2 трубопровода-теплогенератора 7.2 сообщается с водой реки на некотором удалении от требуемого высотного положения (для работы вихревого теплогенератора) в сторону истока реки.
Последовательность подготовки к работе и сама работа такой схемы трубопровода-теплогенератора аналогична рассмотренной выше схеме погруженного в реку трубопровода.
Расположение трубопровода-теплогенератора над поверхностью реки воды в теплое время года позволяет снизить теплопотери и повысить его энергоэффективность за счет более высокой температуры воды в ней.
Схема погруженного в реку трубопровода-теплогенератора, предназначенного для перекачивания тепловой энергии (фиг.3).
Тепловая энергия вырабатываемая на теплоисточнике, например, на котельной 12, расположенной на берегу реки, по трубопроводу 13 подается на вход трубопровода-теплогенератора 1.3, который покрыт теплоизоляцией 1.3.1. Теплоизолированы и задвижки, установленные в трубопроводе. Горячая вода, транспортируемая по трубопроводу 1.3 по мере ее перемещения охлаждается. И чем больше расстояние, на которое она перемещается тем больше потери ее температуры. Установка вихревых теплогенераторов 10 на пути транспортирования горячей воды позволяет восполнять потери температуры воды при ее транспортировании. Причем, происходит это за счет перепада высот в разных точках трубопровода в условиях естественного существования реки (ее уклона).
Установка трубопровода-теплогенератора по предлагаемой схеме позволяет эффективно его эксплуатировать как в летнее, так и в зимнее время. Кроме того, при этом, ввиду постоянного по протяженности уклона трубопровода, снижаются или исключаются энергозатраты на перекачивание энергоносителя.
Порядок подготовки к работе и работа схемы по рассматриваемой схеме аналогичны рассмотренной выше на (фиг.1).
Использование заявляемого трубопровода-теплогенератора (вариант транспортирования горячей воды от источника тепловой энергии) позволяет в местностях, в которых имеются условия для его реализации:
- вырабатывать тепловую энергию без использования для этого какой-либо энергии из вне, либо топлива. Он является нетрадиционным возобновляемым источником энергии (НВИЭ);
- повысить энергоэффективность энергообеспечения;
- снизить затраты на энергообеспечение, в том числе, так называемую их составляющую - затраты на "северный завоз";
- улучшить экологическую обстановку;
- повысить энергобезопасность, а также энергозависимость региона. Использование заявляемого трубопровода-теплогенератора (вариант транспортирования теплоносителя) позволяет повысить энергетическую и экономическую эффективность процесса транспортирования (передачи) тепловой энергии от
теплоисточника, расположенного на берегу реки, например, от гидроэнергостанции к расположенным вдоль водного пути (реки) теплопотребителям.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Безруких П.П. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики. Справочник-каталог. Главн. редактор Ю.Д.Арбузов. АО ВИЭН, М., 2000 г., стр.99-120.
13
29
00
00
2. Патент на изобретение РФ №2290531 "Гидроэнергостанция". Заявка №2004133262/06(036081), дата подачи 15.11.2004 г., F03B /, F25B /. Опубл. 27.12.06, бюл. №36 - прототип.
3. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. "Российская академия естественных наук. Молдавский центр", "Неосферные технологии", г.Кишинев, 2001 г.