СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО, МИНИЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ МЭ ЧУНИ, ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
GENERATION METHOD OF INDEPENDENT ELECTRIC POWER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION, ME CHUNI MINIPOWER PLANT

Использование: в электротехнике для производства автономной электрической энергии.
Сущность изобретения: Способ производства автономной электрической энергии и устройства МЭ ЧУНИ для его осуществления заключается в использовании воздуха в качестве активной среды, нагревании части воздуха открытым пламенем, активированного плазмой, в замкнутом пространстве, последующем усреднении температуры всего воздуха, его высокой турбулизации до торнадно-вихревых уровней и последующего образовании активного перепада давления воздуха (тяги) на лопатки турбины, вращающей через редуктор генератор электричества; повторном использовании отработанного воздуха с учетом восполнения потерь как количества, так и стехиометрического соотношения горючего материала и окислителя, в результате чего получается экономия горючих материалов в сравнении с известными способами и устройствами производства электричества миниэлектростанциями
Описание
Побочным продуктом в существующих миниэлектростанциях (СМЭ) всегда является тепло. Этими тепловыми потерями существенно повышают общий коэффициент полезного действия станции. Однако такое решение не устраняет крупный недостаток таких станций, ибо не всегда для потребителя необходимо побочное тепло. В заявляемой миниэлектростанции МЭ ЧУНИ способ производства автономной электрической энергии и устройство для его осуществления не имеет этого недостатка, так как на ней вырабатывается только электрическая энергия, и потребители ее сами решают, как ее использовать, включая и для удобного производства тепла на большом арсенале электрических нагревателей.
В рассматриваемом способе производства автономной электрической энергии и устройстве для его осуществления многократно использует в качестве теплоносителя только нагретый воздух. Производство автономной электрической энергии с типажным рядом 5÷500 и более кВт осуществляют на принципе создания торнадно-вихревых и высоко турбулентных режимов скорости до 150-200 и более м/с; повторным нагревом используют слегка охладившийся отработанный воздуха, компенсируя только утечки и необходимость сохранения стехиометрического соотношения между горючим материалом и окислителем, тем самым реализуют условия экономии горючих материалов в сравнении с СМЭ - газовыми, бензиновыми дизельными, до 5-8 и более раз (см. приложение к письму). Предусматривается возможность поставки избытка произведенного электричества в проводную сеть..
В заявляемом способе имеются значительные отличия от технологических процессов в существующих автономных миниэлектростанций,, например, - газовыми, дизельными, бензиновыми за счет того, что в нем производят возврат слегка охлажденного, например, на 5-12%, отработанного воздуха в зону принудительной подачи для повторного использования, и тем самым меньшими затратами энергоносители реализуют условия экономии горючих материалов в сравнении с известными миниэлектростанциями, например, - газовыми, дизельными, бензиновыми, до 5-8 и более раз; доводят отработанный воздух до стехиометрического состава горючего и окислителя путем притока свежего внешнего воздуха, в пусковом режиме нагревают только внешний свежий воздуха открытым пламенем в замкнутом пространстве трубы вентилятора и формирователе пламени, а в установившемся режиме нагревают смесь внешнего свежего воздуха с отработанным открытым пламенем того же замкнутого пространства трубы вентилятора и формирователе пламени; во время нагревания воздуха в пламя вводят плазму; после нагревания в трубе-турбулизаторе, соединенном с трубой вентилятора, увеличивают скорость воздуха до 150-200 и более м/с за счет перехода на меньший диаметр, чем в трубе вентилятора, в трубе-турбулизаторе активно перемешивают и высоко турбулизируют воздух на закрылках, соплах Лаваля, завихрителе конусном и направляют его в турбину, которая соединена через редуктор с генератором электричества; а отработанный воздух направляют в тяговую трубу, создают в ней тягу, эквивалентную традиционным стационарным тяговым трубам, высотой до 100-1000 и более раз выше заявляемой тяговой трубы за счет перепада давления, между нижним меньшим сечением и верхним большим сечением тяговой трубы, высоко турбулентным режимом высокой скорости потока воздуха; увлажнением воздуха распылением нагретой воды в поток воздуха, направления части воздуха поперек основного потока воздуха для закручивания потока воздуха с целью его стабилизации; выводят отработанный воздух из тяговой трубы, восполняют свежим воздухом потери стехиометрического соотношения горючего материала и окислителя в отработанном воздухе, направляют вентилятором смесь отработанного и свежего воздуха к нагреву. Заявляемый способ можно отнести к технологии напрерывного круглосуточного действия при отсутствии проблем с горючими энергоносителями. Остановка технологического процесса никаких проблем с повторным запуском не вызывает при наличии энергопитания для вентилятора, включая аккумуляторы и им подобные устройства
Представляется устройство для осуществления предлагаемого способа
Внешний воздух в систему из подающего трубопровода (7, фиг. 1, фиг. 2, фиг. 10) засасывают вентилятором (8, фиг. 1, фиг. 2), подают в трубу вентилятора (14, фиг. 2, фиг. 3), затем в формирователь пламени (18, фиг. 2, фиг. 3) трубы горелки (15, фиг. 2, фиг. 3),, через заслонки (17, фиг. 2, фиг. 3), окна (16, фиг 3) формирователя пламени (18, фиг. 2, фиг. 3) открытым пламенем горелки (6, фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) вводят в проходящий воздух горящее топливо (например, газ, керосин, дизель-топливо, мазут и т.п.). Для каталитического воздействия на пламя в его основание вводят низкоэнергетическую плазму из плазмотрона (22, фиг. 3). После нагрева вместе с продуктами сгорания (например, углекислым газом) воздух направляют в трубу-турбулизатор (5, фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4) меньшего диаметра, чем труба ветлилятора (14, фиг. 2, фиг. 3), увеличивают скорость до 150-200 м/с, и на устройствах трубы-турбулизатора - закрылках (25, фиг. 4), соплах Лаваля (23, 24, фиг. 4) и, по крайней мере, одного завихрителя конусного (42, 43 фиг. 4, фиг. 6), придают ему аэродинамическую перестройку такую как, завихрение, турбулизацию при скорости до 150-200 м/с. Далее поток воздуха воздействуют на лопасти турбины (12, фиг. 1, фиг. 2). От турбины через редуктор (2 фиг. 1, фиг. 2). вращение передают генератору (3 фиг. 1, фиг. 2) для выработки электричества. После турбины завихритель винтовой (32, фиг. 5 фиг. 7) спиралью Архимеда (44, фиг. 7) закручивает и подает воздух в тяговую трубу (фиг. 5), например, под углом 20 градусов, в направлении по касательным траекториям к внутренней поверхности корпуса тяговой трубы (26, фиг. 5) и к наружной поверхности ограничителя потока (27, фиг. 5), что вместе с формирователями поперечного потока (34, фиг. 5) позволяет поднимающемуся по расширяющейся спирали потоку приобрести неразрушающуюся структуру и накладываться на предыдущий виток, не смешиваясь с ним (45, 46, фиг. 8). Тягу на лопасти турбины образует тяговая труба (11, фиг. 1, фиг. 2, фиг. 5 подробная конструкция), которая представляет собой полый усеченный конус, от нижнего меньшего диаметра расширяющегося постепенно к большему диаметру в верхней части. По оси тяговой трубы встроен ограничитель ширины потока отработанного воздуха, который образует ограниченное пространство для потока воздуха в тяговой трубе и представляет собой усеченный полый конус с одинаковым или разным с тяговой трубой наклоном конической поверхности, имеет сплошное дно или в нем, по крайней мере, одно отверстие, формирователи поперечного потока (27, фиг. 5), В нижние основания тяговой трубы и ограничителя ширины потока отработанного воздуха встроено герметичное днище (33, фиг. 5), в котором сделано, по крайней мере одно отверстие, для прикрепления завихрителя винтового (32, фиг. 5). Кроме этих функций, ограничитель ширины потока при помощи устройств (28-31, фиг. 5) регулирует разряжение в центральной части тяговой трубы и, тем самым, регулирует тягу, создаваемую турбулентно-вихревым режимом воздуха. Поток воздуха, поднимаясь к выходу по расширяющейся спирали, постепенно теряет скорость и, тем самым, постепенно создает нарастающее разряжение в центральной части тяговой трубы (26, фиг. 5) и перепад давления между нижним меньшим сечением и верхним большим сечением тяговой трубы, эквивалентный традиционным тяговым трубам, высотой до 100-1000 и более раз выше заявляемой тяговой трубы. С целью дальнейшего сохранения турбулентно-вихревого потока в тяговой трубе предусмотрен, по крайней мере, один формирователь поперечного потока (34, фиг. 5) для создания поперечного потока из некоторой части всего потока, чтобы закручивать основной поток в устойчивую турбулентно-вихревую систему, и увлажнитель воздуха (35, фиг. 5), вводящий теплую, соизмеримую по температуре с проходящим воздухом водяную пыль в проходящий поток воздуха, поскольку высокоскоростной турбулентно-вихревой режим чувствителен к влагосодержанию. На поверхности ограничителя ширины потока (27, фиг. 5) тяговой трубы встроен, по крайней мере, один поворотный вал (29, фиг. 5) с подвижным затвором (28, фиг. 5), регулирующий тягу с помощью механизма поворота затворов (30, фиг. 5). Затворы либо плотно прилегают к наружной поверхности ограничителя ширины потока (27, фиг. 5), разделяя полости центральной и периферийной частей тяговой трубы (26, фиг. 5), либо образовывая щель, соединяющую полости центральной и периферийной частей тяговой трубы, тем самым регулируя тягу. Если в общеизвестных устройствах тяга создается трубой высотой до 1000 метров, то в заявляемом устройстве для создания такой же тяги она равна всего до 2-4 метров (отдельный расчет предъявлен в приложении к письму). С учетом потерь (или специального вывода наружу) отработанный воздух с несколько сниженной температурой, например, на 5-12% и потерями через неплотности 5-10% подводят через колпак (10, фиг. 1) и возвратный трубопровод (9, фиг 1, фиг. 2) к механизму регулирования эжекции наружного воздуха (фиг. 9), который добавляет необходимое количество внешнего воздуха, например, 5-10%, из питающего трубопровода (7, фиг. 1, фиг. 2, фиг. 9), что гарантирует постоянное стехиометрическое соотношение воздуха и горючего материала при горении, равное, примерно, 9:1, и направляют вентилятором (8 фиг 1, фиг. 2.) воздушный поток для повторного цикла.
К тексту заявки прикладывается авторитетная, надежно проверенная и широко распространенная в альпинизме диаграмма по М.М. Миррахимову (фиг. 10) соотношения между высотой местности над уровнем моря и атмосферным давлением на этой высоте, используемая для оценки дыхательных (физических) нагрузок альпинистов при подъеме на высокогорные вершины. Извлечением из этой диаграммы может быть, например, оценка условий по разряжению на верхнем уровне тяговой трубы (фиг. 5) в заявляемых способе и устройстве, произведенная расчетом из типажного ряда МЭ ЧУНИ на 40 кВт. На диаграмме видно, что перепад давления в тяговой трубе заявляемого устройства из типажного ряда МЭ ЧУНИ на 40 кВт соответствует высоте над уровнем моря 1350 метров при высоте трубы в заявляемом устройстве всего 2.5 метра. (подробный расчет представлен в приложении 2 к письму).
Все вместе взятое обеспечивает высокую экономичность заявляемых способа и устройства, объясняемую в приложении 1 к письму.
Другие типажные ряды МЭ ЧУНИ по площади отличаются немного - только размером покупного и нестандартного оборудования. В заявляемом способе и устройстве предусмотрена эксплуатация в передвижном варианте, например, на прицепе, автофургоне, барже.
Запуск, контроль и управление заявляемого способа и устройства производится по традиционной схеме, используемых в существующих миниэлектростанциях, включая аккумуляторные батареи (АКБ), молекулярные накопители энергии (МНЭ), инвертор, контроллер, обеспечивающие эксплуатационные задачи, регулирование заряда-разряда АКБ, МНЭ и контрольные функции, однако эти устройства не входят в формулу изобретения, поскольку не влияют на ее оригинальность
Способ и устройство приводят к гарантированной реализации условий экономии горючих материалов в сравнении, например, с газовыми, дизельными, бензиновыми до 5-8 и более раз
Описание пояснялось на примерах рассмотрения нижепредставленных фигур, на которых показаны главные узлы, рассмотренные в описании. Второстепенные узлы в фигурах, которые не раскрывают оригинальность способа и устройства (например, стойки, опорные плиты, шумопоглощающий корпус и др.), в тексте не приведены
Фиг. 1
Конструктивная схема МЭ ЧУНИ. Вид сбоку, 1 - стойка; 2 - редуктор; 3 - генератор; 4 - опорная плита; 5 - труба-турбулизатор; 6 - горелка; 7 - питающий трубопровод; 8 - вентилятор; 9 - возвратный трубопровод; 10 - колпак; 11 - тяговая труба; 12 - турбина; 13 - шумопоглощаюший корпус
Фиг. 2
Конструктивная компоновка МЭ ЧУНИ. Вид сверху, 3 - генератор; 5 - труба-турбулизатор; 6 - горелка; 7 - питающий трубопровод; 8 - вентилятор; 9 - возвратный трубопровод; 11 - тяговая труба; 12 - турбина; 14 - труба вентилятора; 15 - труба горелки; 16 - окна; 17 - заслонки; 18 - формирователь пламени; 19 - платформа; 20 - корпус вентилятора; 21 - сопла Лаваля;
Фиг. 3
Компоновка трубы вентилятора с горелкой. Вид сверху, 6 - горелка; 14 - труба вентилятора; 15 - труба горелки; 16 - окна; 17 - заслонки; 18 - формирователь пламени; 22 - плазмотрон;
Фиг 4.
Конструкция трубы-турбулизатора. 5 - труба-турбулизатор; 20 - патрубок; 23 - одиночное сопло Лаваля; 24 - сдвоенное сопло Лаваля; 25 - закрылок; 42 - корпус завихрителя конусного; 43 - спиральная выемка завихрителя конусного;
Фиг.5.
Конструкция тяговой трубы.
Разрез по Б-Б по ограничителю ширины потока; 26 - корпус тяговой трубы; 27 - ограничитель ширины потока; 28 - затвор; 29 - поворотный вал; 30 - механизм поворота затворов; 31 - сквозное окно; 32 - завихритель винтовой; 33 - днище и опора тяговой трубы; 34 - формирователи поперечного потока; 35 - увлажнитель воздуха; стрелка-направление потока воздуха из турбины;
Фиг. 6.
Завихритель конусный. 42 - корпус завихрителя конусного; 43 - спиральная выемка завихрителя конусного;
Фиг. 7.
Завихритель винтовой. 32 - корпус завихрителя винтового; 44 - винт завихрителя винтового;
Фиг. 8.
Схема движения воздуха в тяговой трубе. 26 - корпус тяговой трубы; 27 - ограничитель ширины потока; 45 - предыдущий слой потока воздуха; 46 - последующий слой потока воздуха;, стрелка - направление потока
Фиг. 9.
Схема эжекции наружного воздуха. 7 - питающий трубопровод; 9 - возвратный трубопровод; 47 - заслонка подвижная; 48 - шарнир; 49 - механизм регулирования эжекции
Фиг. 10
График по М.М. Миррахимову. Соотношение между высотой местности над уровнем моря, атмосферным и парциальным давлениями по М.М. Миррахимову,
по оси абсцисс - расстояние в метрах над уровнем моря; по оси ординат I - атмосферное давление, II - парциальное давление;
высота горных вершин над морем: А - альпинистские тренировочные лагеря; В - гора Кавказ; С - гора Эльбрус; D - гора Эверест; точка 5 - расчетная точка имитации величины тяги, эквивалентная трубе высотой 1350 метров, достигаемая в тяговой трубе высотой 2.5 метра в МЭ ЧУНИ для типоразмера на 40 кВт
Патентный поиск. Патентный поиск производился для оценки оригинальных решений как ко всей заявке способа производства автономной электрической энергии и устройства миниэлектростанция ЧУНИ, для его осуществления, так и по отдельным ее главным узлам с учетом даже того факта, что неизвестное сочетание известных способов и устройств в общем способе и устройстве служит основанием считать, что общие способ и устройство признается оригинальным.
По главной общей оценке заявляемого материала из всех классов, просмотренных в патентном поиске, единственно близким оказался класс H02J (схемы и системы питания электросетей и распределения электрической энергии). В этом классе поиск был проведен из понимания того, что системы питания электросетей - это электростанции. Проведенный поиск по этому классу и его подклассам H02J 9/00 (схемы аварийного и резервного электроснабжения) и ряда H02J 9/02 ÷ H02J 9/08 не показал ни одного патента для противопоставления. Можно привести, например, изобретение №2160955, Способ и устройство для покрытия пикового потребления… H02J 9/00, 08.12.1997, в котором устранение дефицита энергии производится подключением свободных от нагрузки сторонних аккумуляторов. Изобретение отражает только по названию производство электрической энергии. К главным узлам общего устройства были отнесены следующие:
А - формирователь пламени горелки (18, фиг.3), отнесенный к головке горелки класса F23, подклассам F23D 3/00 (горелки для жидких топлив), F23D 14/00 (горелки для газообразных топлив), F23D 11/40 (головки горелок), F23P 15/26 (наконечники для горелок). Проведенный поиск показал, что условия принудительного ввода воздуха через отверстия формирователя пламени (по классификации головки горелок, наконечники для горелок) и подача плазмы в зону горения через одно из отверстий не отмечены ни как известные, ни как оригинальные.
Б - труба-турбулизатор (фиг.4), отнесенная к классу F15, подклассу F15D 1/00 (турбулизатор текущих сред, управление средами). Поиск показал, что такого сочетания, которое заявлено в настоящем предполагаемом патенте не было обнаружено, так, например, чтобы на поверхности конического завихрителя было сделано одна или несколько спиральных выемок; в турбулизатор встроены один или несколько конических завихрителей, встроенные в турбулизатор сопла Лаваля, как соединены между собой, так и разрознены;
В - тяговая труба (фиг.5), отнесенная к классу F23, подклассу F23J 11/02 (устройство для удаления дыма, насадок для дымовых труб), F23J 13/06 (горловины дымовых труб) Поиск показал, что такого сочетания, которое заявлено в настоящем предполагаемом патенте не было обнаружено, так, например, чтобы на входе тяговой трубы был встроен завихритель винтовой, осуществляющий подачу воздуха из турбины в тяговую трубу в направлении по касательной траектории к внутренней поверхности тяговой трубы и под углом, позволяющим поднимающемуся по спирали потоку только касаясь предыдущего потока, не смешиваясь с ним; чтобы по оси тяговой трубы был встроен ограничитель ширины потока отработанного воздуха, который представляет собой усеченный полый конус, имеющий с тяговой трубой одинаковый наклон конической поверхности и обеспечивающий необходимую ширину потока воздуха в тяговой трубе; чтобы внутренний усеченный полый конус ограничителя ширины потока имел с тяговой трубой одинаковый или разный наклон конической поверхности; чтобы на поверхностях наружного и внутреннего корпусов тяговой трубы встроено устройство для создания поперечного потока, создающий закрутку воздуха поперек вектора скорости; чтобы на поверхности внутреннего корпуса тяговой трубы встроен поворотный вал с подвижным затвором, позволяющим затвору как плотно прилегать к наружной поверхности внутреннего корпусов тяговой трубы, разделяя полости центральной и периферийной частей тяговой трубы; так и образовывать щель, соединяющую полости центральной и периферийной частей тяговой трубы; чтобы к верхней части тяговой трубы прикреплен колпак, представляющий собой полую крышеподобную конструкцию, с выходом воздуха по касательной до входа в возвратный трубопровод. К наиболее близкому по п. В материалу можно отнести изобретение №2146779, Способ управления турбулентностью в пограничном слое. F15D 1/00, 02.06.1995, в котором авторы ставили целью улучшить течение среды в пограничном слое, уменьшить трение микроструйным воздействием на пограничный слой, включая звуковое. В заявляемом материале ставилась цель поддержать устойчивость вихревого движения в тяговой трубе разными способами, включая макроструйным поперечным воздействием на вектор продольной активной скорости.
Патентный поиск за период в пятьдесят лет показал, что заявляемые способ и устройство могут быть отнесены к следующим категориям техники:
H02J 9/00 (схемы и системы питания электросетей и распределения электрической энергии),
F23P 15/26 (наконечники для горелок);
F15D 1/00 (турбулизатор текущих сред, управление средами);
F23J 11/02 (устройство для удаления дыма, насадок для дымовых труб);
F23J 13/06 (горловины дымовых труб).