МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕПЛОВАЯ СТАНЦИЯ
MULTIFUNCTIONAL HYDROMECHANICAL THERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива, и может быть использовано для тепло- и горячего водоснабжения объектов бытового и промышленного назначения, нагрева технологических жидкостей при наличии естественных (природных) или искусственных постоянно (длительно) действующих условий, необходимых для работы тепловой станции.
Известен гидротеплогенератор роторного типа (см. патент RU 2336471, МПК F24J 3/00, опубл. 20.10.2008. Бюл. N29). Гидротеплогенератор роторного типа состоит из двух корпусов, имеющих цилиндрические полости, внутри которых с возможностью вращения размещены два ротора, с впускным и выпускным патрубком для первого корпуса и отверстием входного и выходного канала для второго корпуса. Отличительной особенностью гидротеплогенератора роторного типа является то, что он не имеет привода, использующего невосполнимые источники энергии, так как ротор в первой полости выполнен в виде лопастного турбинного колеса, а во второй полости - в виде диска с глухими отверстиями, оба ротора установлены на независимых валах, связанных между собой муфтами - сцеплением. Поток жидкости от естественного (природного) или искусственного постоянно (длительно) действующего источника с напором, обеспечивающим необходимое давление, достаточное для раскручивания лопастного турбинного колеса, является в данном случае источником энергии. Выработанное тепло образуется без затрат электроэнергии, твердого или жидкого топлива.
В данном гидротеплогенераторе, содержащем активирующий вращающийся элемент - дисковый ротор во второй камере, осуществляется активный способ нагрева жидкости.
Недостатками гидротеплогенератора роторного типа являются недостаточная теплопроизводительность из-за низкой степени механоактивации нагреваемой жидкости, необходимость наличия или искусственного обеспечения перепада высот и стока воды для обеспечения эффективной работы лопастного турбинного колеса гидротеплогенератора, ограниченные возможности применения.
Известно водоподъемное устройство (патент ЕА N005489, МПК F04F 7/02, опубл.24.02.2005 г. Бюл. N1). Водоподъемное устройство содержит регулируемый обратный клапан, расположенный в питательной трубе и разделяющий ее на ускоряющую часть и напорную часть, воздушный колпак, нагнетательный клапан и нагнетательную трубу. Через нагнетательную трубу вода с бóльшим, чем исходным, напором поступает к потребителю.
Изобретение относится к водонапорной технике и представляет собой усовершенствованный вариант устройства, называемого "гидравлическим тараном", действие которого основано на известном физическом явлении "гидравлического удара". Потенциальная энергия, ощущаемая людьми как "давление воды на глубине", может совершать работу, способную заставить определенную часть воды подняться из глубины на некоторую высоту над поверхностью. Работа данного водоподъемного устройства происходит без перепада высот и слива в неподвижной воде. Иными словами, способ преобразования энергии, используемый в водонапорном устройстве, является антиподом известному способу, основанному на использовании "падающей воды".
Известна тепловодоснабжающая скважина (патент RU 2291255, МПК Е03В 3/00, F24H 4/02, опубл. 10.01.07 Бюл. N1), принятая за прототип. Тепловодоснабжающая скважина содержит источник воды, зону стока с напором, достаточным для выработки тепловой энергии, с которой связан вихревой теплогенератор дискового типа.
Недостатками прототипа являются недостаточная теплопроизводительность из-за низкой степени механоактивации нагреваемой жидкости в теплогенераторе, необходимость наличия или искусственного обеспечения перепада высот и стока воды для обеспечения эффективной работы вихревого теплогенератора, высокая стоимость геологоразведочных и подготовительных работ, ограниченные возможности применения.
Предлагаемым изобретением решается задача по созданию практически доступного и экономически выгодного устройства для высокоэффективной выработки тепловой энергии или иного вида энергии без использования невозобновляемых источников энергии и наличия перепада высот и стока воды, расширению возможности применения.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности нагрева жидкости, расширении функциональных возможностей устройства и возможностей его практического применения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой многофункциональной гидромеханической тепловой станции, состоящей из источника воды, обеспечивающего напор, достаточный для выработки тепловой энергии, с которым связан вихревой теплогенератор, новым является то, что перед входом в тепловую станцию установлено водоподъемное устройство, в качестве источника тепловой энергии используется теплогенератор, работающий по принципу вращающейся вихревой трубы, в которой совмещается активный и пассивный способ нагрева жидкости, выход теплогенератора соединен с его входом перепускным каналом с вентилем, тепловая станция дополнительно оснащена электрогенератором, тепловая станция выполнена по принципу каскадной или параллельной установки нескольких теплогенераторов.
Многофункциональная гидромеханическая тепловая станция данного типа не имеет привода, использующего невосполнимые источники энергии. Крутящий момент от гидравлической турбины передается на активирующий ротор, установленный в корпусе, где и происходит процесс нагрева жидкости. Подвод жидкости к гидравлической турбине от различных источников воды, имеющих зону стока, при помощи которых обеспечивается напор, достаточный для эффективного ее раскручивания и получения практически значимого и экономически выгодного количества тепловой энергии, существенно ограничивает применение вихревых теплогенераторов по следующим причинам:
- во-первых, необходимо проведение работ по подбору естественных или искусственных источников воды (озер, рек, запруд, плотин, водопадов и т.п.), имеющих сток с достаточным напором;
- во-вторых, при сложности подбора идеальных естественных условий для использования вихревых теплогенераторов, как правило, возникает необходимость в проведении трудоемких геолого-разведочных, буровых работ, возведении гидротехнических сооружений.
Предлагаемая многофункциональная гидромеханическая тепловая станция используется при наличии поверхностных и подземных водоемов с определенной глубиной, подземных пластовых водных слоев, соединенных с поверхностью земли скважиной, то есть ее практическое применение возможно на большинстве географических территорий.
Для обеспечения необходимого напора перед входом в тепловую станцию установлено водоподъемное устройство, позволяющее подавать жидкость на вход гидромеханической тепловой станции с напором бóльшим, чем исходный.
Причем водоподъемное устройство (патент ЕА N005489, МПК F04F 7/02, опубл. 24.02.2005. Бюл. N1) может работать как водонапорное устройство. Гидродинамическую схему водоподъемного устройства можно использовать при погружении водонапорного устройства в воду на определенную глубину h. В этом случае схема работает как пульсирующий гидрореактивный движитель. Это позволяет на выходе водоподъемного устройства установить гидротурбину, соединенную с тепло- и (или) электрогенератором. Очевидно, что величина тяги движителя увеличивается с увеличением глубины погружения h. Особенно важно то, что водоподъемное устройство имеет способность нагревать проходящую через него воду, что позволяет в комплексе с вихревым теплогенератором нагревать воду достаточно простым и высокоэффективным экологически чистым способом без использования невозобновляемых источников энергии. Причем при определенном объеме используемого естественного/искусственного резервуара и отсутствии мер по отбору тепловой энергии водонапорное устройство в комплексе с теплогенератором способны нагреть всю массу воды в нем.
Кроме того, водонапорное устройство может работать по своему прямому назначению, обеспечивая подъем и закачку воды из резервуара. Все это расширяет возможности использования тепловой станции и позволяет использовать ее для мелиорации сельскохозяйственных территорий, водоснабжения индивидуальных хозяйств, промышленных объектов, курортных зон, а также потребителей, удаленных от централизованных энергосетей или не обеспеченных топливными ресурсами.
Для повышения эффективности нагрева воды в качестве основного источника тепловой энергии тепловой станции помимо водоподъемного устройства используется теплогенератор, работающий по принципу вращающейся вихревой трубы, в которой совмещается активный и пассивный способ нагрева жидкости, что позволяет:
- во-первых, при одновременном использовании активного и пассивного способов нагрева жидкости значительно повысить механоактивацию жидкости, которая сопровождается увеличением теплопроизводительности;
- во-вторых, сформировать на всем протяжении движения нагреваемой жидкости потоков с образованием многочисленных кавитационных полостей, способствующих при их разрушении нагреву жидкости;
- в-третьих, рационально используется внутреннее пространство корпуса теплогенератора, что позволяет уменьшить его габариты.
Соединение выхода теплогенератора с его входом перепускным каналом с вентилем позволяет осуществить дополнительный разогрев жидкости за счет организации многократной ее прокачки через теплогенератор и снизить влияние скачков давления жидкости в системе, что особенно актуально при работе тепловой станции с водоподъемным устройством, обладающим пульсирующим характером выдаваемого напора. При помощи вентиля регулируется расход воды, протекающей через перепускной патрубок, а за счет этого - температура поступающей потребителю воды.
Многофункциональная гидромеханическая тепловая станция, использующая в качестве привода гидравлическую турбину, за счет необходимой организации передачи крутящего момента может быть дополнительно оснащена электрогенератором, что позволяет расширить ее функциональные возможности. Для организации передачи крутящего момента от гидротурбины к теплогенератору и электрогенератору могут быть использованы управляемые различными способами (ручным, электрическим, пневматическим, гидравлическим) сцепные муфты. Следовательно, возможно обеспечение нескольких режимов функционирования тепловой станции:
- режим одновременной выработки тепловой и электрической энергии;
- режим выработки тепловой или электрической энергии;
- режим холодного водоснабжения и/или проведение ремонтно-профилактических работ.
Выработанная электрогенератором электроэнергия может накапливаться в аккумуляторной батарее и в дальнейшем использоваться для различных нужд или же напрямую использоваться для подключения необходимых электропотребителей различного назначения. В частности, возможно подключение к сети электрогенератора циркуляционного насоса, обеспечивающего прокачивание жидкости в системе теплопотребления или управляющих обмоток электромагнитных муфт в случае их использования.
При наличии достаточного напора на входе в гидромеханическую тепловую станцию она может быть выполнена по принципу каскадной и параллельной установки нескольких теплогенераторов. Схема установки определяется в соответствии с конкретными условиями размещения источника воды, количеством и месторасположением теплопотребителей.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема горизонтальной установки многофункциональной гидромеханической тепловой станции; на фиг.2 - общая схема вертикальной установки многофункциональной гидромеханической тепловой станции; на фиг.3 - общая схема водоподъемного устройства; на фиг.4 - схема теплогенератора, работающего по принципу вращающейся вихревой трубы.
Для организации работы многофункциональной гидромеханической тепловой станции необходимо наличие источника воды в виде естественного/искусственного поверхностного водоема 1 или скважины 2, в которых на заданной глубине h установлен модуль многофункциональной гидромеханической тепловой станции, состоящий из водоподъемного устройства 3, гидротурбины 4, теплогенератора 5. Кроме теплогенератора 5 к гидротурбине 4 может быть подключен электрогенератор 6. Модуль тепловой станции может быть как горизонтального, так и вертикального исполнения. Вертикальное расположение модуля упрощает его использование на местах, где нет больших водных ресурсов и можно обойтись меньшим объемом воды, но при этом глубина его погружения h возрастает. Вертикальный модуль может быть подвешен в скважине 2 на тросе 7. Причем гидротурбина 4, теплогенератор 5 и электрогенератор 6 могут размещаться вне объема источника воды 1, 2: на берегу водоема, на наплавной платформе, на поверхности земли. Данная компоновка упрощает конструктивное исполнение тепловой станции, повышает удобство технического обслуживания, но снижает эффективность работы теплогенератора и электрогенератора, так как напор водоподъемного устройства уменьшается. При этом значительно снижаются преимущества от работы водоподъемного устройства 3 в режиме реактивного движителя.
Водоподъемное устройство 3 состоит из регулируемого обратного ударного клапана 8, расположенного в питательной трубе 9 и разделяющего ее на ускоряющую часть 10 и напорную часть 11, воздушного клапана 12, нагнетательного клапана 13, нагнетательной трубы 14 с вентилем 15, напорного патрубка 16 с вентилем 17.
Гидротурбина 4 оснащена впускным патрубком 18, который соединен с напорным патрубком 16 водоподъемного устройства 3, а ее выпускной патрубок 19 связан с входным патрубком 20 теплогенератора 5.
Теплогенератор 5 состоит из неподвижного цилиндрического корпуса 21, внутри которого с возможностью вращения размещен ротор 22 с цилиндрической полостью 23, жестко закрепленный на полувалах 24, 25. Полувалы 24, 25 установлены в подшипниково-уплотнительном узле 26, имеющем различное конструктивное исполнение в зависимости от надводного или подводного расположения теплогенератора 5. Вход для подачи воды внутрь корпуса 21 выполнен в виде входного патрубка 20, расположенного по центру его цилиндрической поверхности, соосно с которым на роторе 22 расположено не менее двух тангенциальных относительно стенок цилиндрической полости 23 входных отверстий 27. Вблизи торцевых поверхностей ротора 22 размещены выходные отверстия 28 в виде радиальных отверстий на цилиндрической поверхности ротора 22. Роль тормозного устройства выполняет внутренняя торцевая поверхность 29 ротора 22. На наружной поверхности ротора 22 выполнены равномерно расположенные углубления 30. Выход теплогенератора 5 выполнен в виде выходных патрубков 31, расположенных на линии сопряжения торцевых и цилиндрических поверхностей корпуса 21 симметрично относительно них. Выходные патрубки 31 объединены в коллекторе 32, который, в свою очередь, соединен с входным патрубком 20 перепускным каналом 33 с вентилем 34 и связан с системой теплопотребления линией подачи 35.
Система теплопотребления соединена с источником воды 1 линией возврата 36.
Многофункциональная гидромеханическая тепловая станция работает следующим образом. Горизонтальный модуль тепловой станции, состоящий из водоподъемного устройства 3, гидротурбины 4, теплогенератора 5, электрогенератора 6, устанавливается в водоеме 1 на заданной глубине погружения h, достаточной для раскручивания гидротурбины 4. При использовании в качестве источника воды скважины 2 в ней на тросе 7 размещается вертикальный модуль. Причем теплогенератор 5 и электрогенератор 6 могут быть размещены вне объема источника воды: на берегу водоема 1, на наплавной платформе, на поверхности земли рядом со скважиной 2. Вода, находящаяся на глубине h, поступает в ускоряющую часть 10 питательной трубы 9, при определенном давлении открывая обратный ударный клапан 8. Далее она поступает в напорную часть 11 питательной трубы 9 с увеличивающейся скоростью. При достижении дна питательной трубы 9 возникает явление "гидравлического удара". Образовавшаяся "ударная волна" с зоной повышенного давления движется навстречу водяному потоку к обратному ударному клапану 8. "Ударная волна" порождает повышенное давление в воде у дна питательной трубы 9, которое открывает нагнетательный клапан 13 и заставляет часть воды поступать в воздушный колпак 12, сжимая находящийся там воздух. То же давление при соприкосновении отраженной "ударной волны" с обратным ударным клапаном 8 закрывает его. "Ударная волна", отразившись от закрытого обратного ударного клапана 8, догоняет движущийся по инерции водяной поток и вновь отражается от дна питательной трубы. Такое отражение многократно повторяется. За время этого отражения через нагнетательный клапан 13 в воздушный колпак 12 поступает значительная часть воды, вследствие чего под обратным ударным клапаном 8 возникает зона разрежения, и он открывается. В напорную часть 11 питательной трубы 9 втекает новая порция воды, которая разгоняется. После чего процесс полностью повторяется.
При открытом вентиле 15 и закрытом вентиле 17 вся вода идет к объектам водоснабжения. При открытом вентиле 17 и закрытом вентиле 15 в напорном патрубке 16 формируется струя воды, создающая реактивную силу, т.к. обратный ударный клапан 8 закрыт. Водоподъемное устройство 3 начинает работать как пульсирующий гидрореактивный движитель. Такая струя воды способна производить определенную работу. Это позволяет раскрутить установленную на выходе напорного патрубка 16 гидротурбину 4, механически связанную с полувалом 24, жестко связанным с ротором 22 теплогенератора 5. Причем ввиду того, что водоподъемное устройство 3 обладает способностью к нагреву воды, температура ее повышается. К гидротурбине 4 может дополнительно подсоединяться электрогенератор 6. Подключение и отключение теплогенератора 5 и электрогенератора 6 осуществляется при помощи сцепных муфт (не показаны). При этом гидротурбина 4, теплогенератор 5 и электрогенератор 6 могут размещаться как в подводном, так и в надводном положении, что имеет свои указанные выше положительные и отрицательные моменты. При подводном расположении электрогенератора 6 он должен размещаться в герметичном контейнере (не показан). Сила тяги водоподъемного устройства 3 зависит от глубины погружения h и может обеспечить достаточно высокие тепловые и электрические мощности, но так как при изготовлении теплогенераторов, имеющих вращающиеся элементы, размеры их ограничены технической целесообразностью приведения к оптимальному соотношению диаметров роторов, полученных вращающихся масс, частоты вращения и количества вырабатываемой тепловой энергии, то тепловая станция может быть выполнена по принципу каскадной или параллельной установки нескольких теплогенераторов 5, обеспечивающих необходимый тепловой режим. Схема установки определяется в соответствии с конкретными условиями размещения источника воды, количеством и месторасположением теплопотребителей.
Теплогенератор 5 работает следующим образом. Подогретый поток воды под напором, созданным водоподъемным устройством 3, через напорный патрубок 16, впускной патрубок 18 поступает в гидротурбину 4 и раскручивает ее. Из выпускного патрубка 19 вода поступает через входной патрубок 20 внутрь теплогенератора 5. Гидротурбина 4, связанная механически с полувалом 24, приводит во вращение ротор 22. Далее поток жидкости разделяется. Два потока перемещаются в противоположных направлениях в зазоре между наружной поверхностью вращающегося ротора 22 и внутренней поверхностью корпуса 21 к выходным патрубкам 31. В данном случае при нарушении целостности потока воды в зонах углублений 30, движущегося под давлением от действия центробежных сил, возникает процесс кавитации, сопровождающийся нагревом воды при множественном образовании и схлапывании кавитационных полостей. Другая часть воды при вращении ротора 22 через тангенциальные отверстия 27 по касательной к внутренней поверхности цилиндрической полости 23 поступает внутрь нее, где приобретает вращательный вихревой характер движения и также разделяется на два потока. Совершая вращательное движение в направлении, противоположном направлению вращения ротора 22, жидкость перемещается к внутренним торцевым поверхностям 29 ротора 22, где происходит торможение ее движения в продольном направлении. Процесс нагрева рабочей жидкости происходит интенсивно за счет того, что направление вращения рабочей жидкости противоположно направлению вращения ротора 22, а действие центробежных сил сопровождает поток рабочей жидкости на всем протяжении внутренней цилиндрической полости 23. "Развихрение" этих потоков жидкости происходит при истечении их под давлением из выходных отверстий 23. В районе выходных патрубков 31 происходит ударное объединение двух разноскоростных и перпендикулярно направленных относительно друг друга потоков, что способствует дополнительному выделению тепловой энергии. Потоки нагретой воды с выходных патрубков 31 объединяются в коллекторе 32, а оттуда нагретая вода поступает к системе теплопотребления. При работе теплогенератора 5 часть жидкости циркулирует по перепускному каналу 33, оснащенному вентилем 34, дополнительно нагреваясь за счет многократной прокачки через теплогенератор 5. При помощи вентиля 34 регулируется расход прокачиваемой жидкости. Для перевода теплогенератора 5 в нерабочее состояние перекрывается вентиль 17. После прохождения нагретой воды через систему теплопотребления она через линию возврата 36 поступает в источник воды 1 или 2.
При подключении наряду с теплогенератором 5 электрогенератора 6 выработанная электроэнергия может накапливаться в аккумуляторной батарее (не показана) и в дальнейшем использоваться для различных нужд или же напрямую использоваться для подключения необходимых электропотребителей различного назначения.
Таким образом, в предлагаемой многофункциональной гидромеханической тепловой станции решена задача по созданию практически доступного, экономически выгодного и экологически чистого устройства для высокоэффективной выработки тепловой энергии, получаемой за счет использования нескольких видов ее преобразования при высоком уровне механоактивации воды, при одновременной выработке при необходимости электрической энергии и возможности обеспечения холодного водоснабжения без использования невозобнавляемых источников энергии, наличия перепада высот и стока воды, что позволяет значительно расширить возможности применения.