ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики, может быть использована, в частности, для транспортировки газообразных веществ, включая природный газ, а также на компрессорной станции газопровода.
Известен «Газоперекачивающий агрегат» (см. Голдобин С.М., Голдобин А.С., Некрасов А.В., Газоперекачивающий агрегат, Патент РФ на изобретение №2438044, кл. F04D 25/02, Бюл. №36 от 27.12.2011), содержащий газотурбинную установку, систему подготовки топливного газа, центробежный компрессор, включающий думмис, задуммисную полость, причем задуммисная полость центробежного компрессора соединена трубопроводом с системой подготовки топливного газа приводной газотурбинной установки.
Недостатком этого изобретения является применение газотурбинной установки, которая работает благодаря сгоранию топлива, что ухудшает экологию.
Известен «Газоперекачивающий агрегат» (см. Титов B.C., Газоперекачивающий агрегат, Патент РФ на изобретение №2076247, кл. F04D 25/02, 27.03.1997), который содержит компрессорную машину для транспортировки газа с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, приводной двигатель; к трубопроводу системы смазки подключен по охлаждаемому тракту теплообменник с предохранительным клапаном; агрегат снабжен параллельно подключенным к основному дополнительным теплообменником с предохранительным клапаном; между корпусом агрегата и теплообменниками на напорном и сливном трубопроводах системы смазки включены гидравлические затворы, работающие на смазочно-охлаждающей жидкости, а к сливному трубопроводу подключен газоотделитель; агрегат также снабжен топливной системой.
Недостатками данного изобретения являются: 1) сложность конструкции; 2) применение двигателя со сжиганием топлива, что ухудшает экологию; 3) сложность установки и эксплуатации газоперекачивающего агрегата под водой.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели и взятой за прототип является «Вакуумная гидроустановка» (см. Алтунин К.В., Алтунин В.А., Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Гуреев В.М., Тарасевич С.Э., Попов И.А., Губин С.Д., Вакуумная гидроустановка, Патент РФ на полезную модель №121871, кл. F03B 13/00, Бюл. №31 от 10.11.2012), где в герметичной камере создается давление ниже атмосферного, куда доставляется вода; на одном тросе (цепи) размещены герметичные баллоны; при подаче тока от аккумуляторной батареи на электродвигатель баллоны начинают менять свое положение; в зависимости от направления движения всех герметичных баллонов нагнетается или вытесняется объем воды из герметичной камеры; вода протекает по одному из трубопроводов; приводится во вращение соответствующая гидротурбина, соединенная с электрогенератором; вырабатывается электроэнергия. Имеется возможность регулирования давления внутри герметичной камеры.
Недостатками данной полезной модели являются: 1) невозможность перекачки газообразных веществ над уровнем водной поверхности и под водой; 2) необходимость создания и поддержания вакуумного давления; 3) гидроустановка не способна работать как компрессор; 4) применение сетчатых фильтров на трубопроводах увеличивает гидравлическое сопротивление и, как следствие, приводит к уменьшению скорости вращения гидротурбин; 5) сложность поддержания постоянства уровня воды внутри герметичной камеры при работе и перемещении баллонов; 6) сложность поддержания равновесия герметичных баллонов, т.к. баллоны с меньшим поперечным сечением соединены не полностью, не образуют единого целого.
Решаемой задачей предполагаемой полезной модели является повышение эффективности работы без привязки к конкретной местности и без сжигания топлива.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении экономичности, надежности, экологичности работы газоперекачивающей энергетической установки.
Технический результат достигается тем, что в газоперекачивающей энергетической установке, содержащей электродвигатель, клапаны, электрогенераторы, турбины, вентиль, установленные на стойках колеса, неподвижную подпорку, трубопроводы, камеру с жидкостью и с теплоизоляционным слоем, размещенные на тросе или цепи герметичный баллон с большим поперечным сечением и n-ое количество герметичных баллонов с меньшим поперечным сечением, внутри камеры на тросе или цепи размещены герметичный баллон с большим поперечным сечением и герметичный баллон с меньшим поперечным сечением с возможностью при их равновесном положении вытеснения или нагнетания объема газа или смеси газов, раскручивания соответствующей турбины, получая электроэнергию, причем уровень жидкости внутри камеры поддерживается постоянным благодаря поплавку, установленному в канале, с подвижной перегородкой, которая соединена с герметичной мембраной для предотвращения перетекания газа или смеси газов;
камера имеет две секции, в каждой из которых установлены на тросе или цепи герметичный баллон с большим поперечным сечением и герметичный баллон с меньшим поперечным сечением с возможностью при их равновесном положении вытеснения или нагнетания объема газа или смеси газов, раскручивания соответствующей турбины, получая электроэнергию, а также выполнения функции компрессора по повышению давления газа или смеси газов на выходе из камеры, причем при погружении герметичного баллона с большим поперечным сечением в жидкую среду в первой секции камеры такой же герметичный баллон во второй секции камеры поднимается из жидкой среды, и наоборот;
для предотвращения изменения состава газа или смеси газов, поступающих в камеру, при испарении воды, внутри камеры на поверхности воды размещен слой другой жидкости с меньшей плотностью и со слабой испаряемостью;
для предотвращения контакта газа или смеси газов, поступающих в камеру, с жидкостью внутри камеры установлены мембраны, образующие газовые камеры.
Научной новизной данной полезной модели являются:
1) применение впервые специальной системы герметичных баллонов, размещенных на одном тросе (цепи) и находящихся в любом положении в равновесии внутри камеры, с целью транспортировки газообразных веществ;
2) получение впервые электроэнергии, компенсирующей затраты на транспортировку газообразных веществ, при помощи вращения соответствующей турбины благодаря потоку газа (или смеси газов), созданному путем вытеснения или нагнетания газа (или смеси газов) при движении системы герметичных баллонов.
Для пояснения технической сущности предполагаемой полезной модели рассмотрим фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, где
1 - турбина; 2 - электрогенератор; 3 - нагнетательный трубопровод; 4 - клапан; 5 - неподвижная подпорка; 6 - стойка для крепления колеса 7, 7 - колесо; 8 - электродвигатель; 9 - клапан; 10 - электрогенератор; 11 - турбина; 12 - вытеснительный трубопровод; 13 - герметичная мембрана; 14 - подвижная перегородка; 15 - поплавок; 16 - канал; 17 - герметичный баллон; 18 - трос (цепь); 19 - герметичный баллон; 20 - колесо; 21 - стойка для крепления колеса 20; 22 - камера; 23 - водоем (резервуар); 24 - уровень жидкости внутри камеры (на фиг.3 и 4 - уровень жидкости внутри первой секции 25 камеры); 25 - первая секция камеры; 26 - клапан; 27 - стойка для крепления колеса 29; 28 - неподвижная подпорка; 29 - колесо; 30 - трос (цепь); 31 - вторая секция камеры; 32 - уровень жидкости внутри второй секции камеры; 33 - герметичный баллон; 34 - герметичный баллон; 35 - колесо; 36 - стойка для крепления колеса 35; 37 - вал; 38 - неподвижная перегородка; 39 - трубопровод; 40 - вентиль; 41 - мембрана; 42 - газовая камера; 43 - мембрана; 44 - газовая камера; 45 - теплоизоляционный слой.
Предлагаемая газоперекачивающая энергетическая установка может содержать аккумуляторную батарею (на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 - не показана), которая обеспечивает электроэнергией электродвигатель 8. Зарядка аккумуляторной батареи может быть осуществлена каким-либо источником тока.
Данная газоперекачивающая энергетическая установка (ГПЭУ) содержит герметичные баллоны 17, 19 и 33, 34. Предлагается заполнять данные баллоны одним и тем же веществом. Герметичные баллоны 17, 19 и 33, 34 сконструированы таким образом, чтобы в любом положении оставаться в равновесии (фиг.1, 2, 3, 5, 6). Герметичные баллоны 19, 34 следует изготавливать из гибкой оболочки, например, слоя резины.
1
2
1
1
2
1
2
2
a
a1
a2
1
2
1
1
2
Рассмотрим случай, когда герметичные баллоны заполнены воздухом. Пусть V - объем герметичного баллона 17, находящийся в воде, а V - объем герметичного баллона 19, который уравновешивает объем V. На фиг.1 видно, что V=0 и V=0. А на фиг.2 V=V, т.е. объем части герметичного баллона 17, которая находится в воде, уравновешен объемом V. Если пренебречь массой всех герметичных баллонов, то при любом их расположении вся система герметичных баллонов находится в равновесии (равенство архимедовых сил F (F=F), фиг.2). Например, этого можно достичь следующим: площадь поперечного сечения S герметичного баллона 17 должна быть в 2 раза больше площади поперечного сечения S герметичного баллона 19 (фиг.1, 2). В данном случае при прохождении расстояния h герметичным баллоном 17, к примеру, при погружении его в воду, объем V уравновешивается объемом V (фиг.2), при этом:
1
1
2
где h - высота части герметичного баллона 17, находящаяся в воде, м; S - площадь поперечного сечения герметичного баллона 17, м.
2
a
a1
a2
На фиг.2 показан один из вариантов такого положения, когда герметичный баллон 17 полностью погружен в жидкость (воду) и уравновешен объемом части герметичного баллона 19 V (равенство архимедовых сил F (F=F)), который равен:
2
2
2
где h - высота уравновешивающей части герметичного баллона 19, м; S - площадь поперечного сечения герметичного баллона 19, м.
Таким образом, требуется незначительная сила (энергия) для перемещения герметичных баллонов 17, 19, а значит, меньше мощности и электроэнергии, затрачиваемой электродвигателем 8. Однако, при большой скорости вращения колеса 7 возможна ситуация, когда уровень жидкости 24 внутри камеры 22 незначительно отклоняется от своего нормального уровня Н (фиг.1). С целью избежания отклонений уровня жидкости 24 предлагается использовать систему, состоящую из поплавка 15, подвижной перегородки 14 и герметичной мембраны 13. При превышении или уменьшении расчетного уровня жидкости Н поплавок 15 будет колебаться около своего исходного положения, при этом исключено перетекание газа (или смеси газов) благодаря герметичной мембране 13, соединенной с подвижной перегородкой 14 и камерой 22 (подвижная перегородка 14 соединена с поплавком 15). К примеру, если уровень Н превышен, поплавок 15 быстро поднимется, жидкость устремится по каналу 16. Возможно образование волны жидкости (воды).
В случае, как на фиг.1, 2, 3, герметичный баллон 17 попеременно находится то в жидкости, то в газообразной среде, а герметичный баллон 19 - всегда в жидкости. Для предотвращения поднятия герметичного баллона 17 выше установленного уровня используется неподвижная подпорка 5, жестко закрепленная внутри камеры 22. Колеса 7, 20 установлены на соответствующих неподвижных стойках 6, 21. Электродвигатель 8 установлен неподвижно внутри камеры 22 (фиг.1, 2).
Предлагаемая ГПЭУ работает следующим образом.
Вначале камера 22 заполняется жидкостью (водой) на высоту Н. Герметичные баллоны 17 и 19 находятся в исходном положении (фиг.1). Клапан 4 находится в открытом положении, клапан 9 - в закрытом. При подаче тока на электродвигатель 8 колесо 7 начинает вращаться против часовой стрелки, герметичный баллон 17 начинает погружение, вытесняя при этом воду из камеры 22. Поток воды устремляется по каналу 16 в водоем (резервуар) 23 (фиг.1). При этом по нагнетательному трубопроводу 3 нагнетается газ (или смесь газов), турбина 1 приводится во вращение, электрогенератор 2 вырабатывает электроэнергию. После того, как герметичный баллон 17 остановится, а турбина 1 прекратит вращение, клапан 4 переходит в закрытое положение, клапан 9 - в открытое. При этом герметичные баллоны 17 и 19 расположены как на фиг.2.
При подаче тока на электродвигатель 8 колесо 7 начинает вращаться в обратную сторону, по часовой стрелке. Герметичный баллон 17 поднимается, нагнетая жидкость по каналу 16 из водоема (резервуара) 23. При этом газ (или смесь газов) вытесняется из камеры 22 по вытеснительному трубопроводу 12, раскручивается турбина 11, а электрогенератор 10 вырабатывает электроэнергию. После того, как герметичный баллон 17 вернется в исходное положение (фиг.1), а турбина 11 прекратит вращаться, клапан 9 перейдет в закрытое положение. Далее цикл работы ГПЭУ повторяется.
Однако, ГПЭУ в виде как на фиг.1, 2, не может работать под водой, а также в местности без каких-либо водоемов и резервуаров. Предлагается многосекционная конструктивная схема ГПЭУ. На фиг.3 приведена ГПЭУ, имеющая две секции, где колеса 20 и 35 соединены общим валом 37, и установлены на соответствующих стойках 21, 36. Секции разделены негерметичной и неподвижной перегородкой 38. В данном случае имеются две системы герметичных баллонов 17, 19 и 33, 34. Герметичный баллон 17 одинаков по объему и массе герметичному баллону 33, а герметичный баллон 19 одинаков по массе и объему герметичному баллону 34. Причем исходное положение герметичных баллонов 17, 19 на фиг.3 идентично их положению на фиг.1, а исходное положение герметичных баллонов 33, 34 идентично положению герметичных баллонов 17, 19 на фиг.2. Таким образом, при погружении герметичного баллона 17 в жидкость, герметичный баллон 33 поднимается из жидкости. Рассмотрим работу двухсекционной ГПЭУ (фиг.3).
Вначале камера 22 заполняется жидкостью до определенного уровня по трубопроводу 39 при открытом вентиле 40. Затем вентиль 40 закрывается, клапаны 4 и 9 переходят в открытое положение, а клапан 26 находится в закрытом положении. При подаче тока на электродвигатель 8 герметичный баллон 17 погружается в жидкость (воду), колеса 7, 20 вращаются против часовой стрелки, вал 37 передает механическое вращение колесу 35, герметичный баллон 33 поднимается из жидкости наверх, объем жидкости перетекает из первой секции камеры во вторую по каналу 16. Газ (или смесь газов) нагнетается по нагнетательному трубопроводу 3 в первую секцию камеры 25, турбина 1 приводится во вращение, электрогенератор 2 вырабатывает электроэнергию. Одновременно с этим, газ (смесь газов) вытесняется из второй секции камеры 31 по вытеснительному трубопроводу 12, раскручивается турбина 11, электрогенератор 10 вырабатывает электрическую энергию.
Затем клапаны 4 и 9 переходят в закрытое положение, а клапан 26 - в открытое. При поднятии герметичного баллона 17 из жидкости и при погружении герметичного баллона 33 в жидкость, газ (или смесь газов) поступает из первой секции камеры 25 во вторую секцию камеры 31. Данный процесс продолжается до тех пор, пока все герметичные баллоны не придут к исходному положению (фиг.3).
Во время процесса перекачки природного газа жидкость (например, вода) в камере 22 может испаряться. Возможно использовать жидкость, которая незначительно испаряется и существенно не влияет на состав газа. В случае применения воды в качестве основной жидкости, предлагается использовать слой другой жидкости (на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 - не показан) с меньшей плотностью, на поверхности воды, например, углеводородного масла. Однако для полного отсутствия контакта газа (или смеси газов) с жидкостью предлагается применять мембраны 41, 43 с образованием газовых камер 42 и 44 (фиг.4), которые герметично установлены в камере 22.
Для исключения перегрева или замерзания жидкости внутри камеры 22 можно использовать теплоизоляционный слой 45 (фиг.4).
т1
т2
Применение герметичных баллонов 19, 34 (фиг.3), всегда находящихся в жидкой среде, приводит к появлению дополнительных энергетических затрат на трение. С целью уменьшения таких затрат предлагается применять аналогичные системы герметичных баллонов, всегда находящихся в равновесии, но заполненных той же самой жидкостью, что и внутри камеры 22 (фиг.5, 6). На фиг.6 показан пример равновесного положения герметичных баллонов 17 и 19, как видно, сила тяжести герметичного баллона 17 F равна силе тяжести герметичного баллона 19 F.
ГПЭУ с несколькими секциями может быть использована в качестве компрессора, к примеру, установка на фиг.3 - двухсекционный компрессор для повышения давления газа (или смеси газов) на выходе.
Вырабатываемая электрогенераторами 2, 10 электрическая энергия может быть использована для частичной компенсации энергетических потерь электродвигателем 8.
По сравнению с известными аналогами предлагаемая газоперекачивающая энергетическая установка является экологически безопасной и экономичной, может эффективно применяться на любой равнинной местности, над водой и под водой, а также в различных отраслях народного хозяйства и промышленности.