ПРИВОД ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА
POWER GENERATOR DRIVE

Настоящее устройство относится к воздухоплаванию, а именно к устройству, работающему на энергии восходящего потока парогазовой смеси (топочный газ и пар), поступающие от источника сжигания топлива и направлено на выработку электрической энергии.
Из предшествующего уровня техники известны изобретения, которые относят к области воздухоплавания, энергетики и защиты окружающей среды. Перемещение воздухоплавательных аппаратов по вертикали осуществляют: 1) теплом (RU 2093416, кл. В64В 1/62), 2) изменением объема (RU 2110443, кл. В64В 1/06), 3) винтами (RU 2066661, кл. В64В 1/34. Во всех способах общий недостаток - дорогостоящая энергия. Самая дешевая - энергия утилизированного тепла. В изобретении RU 2163214, кл. В64В 1/36, тепло отработанных газов двигателя подогревает несущий газ дирижабля. Изобретение имеет недостаток: незначительное количество тепла. Но существуют большие резервы тепла: отходящие газы топок. В изобретении а.с. СССР 1044896, кл. F23I 11/00, 1982, аэростаты один за другим заполняют отходящим газом топок и транспортируют в верхние слои атмосферы с целью создания экологически благоприятной среды. Изобретение имеет недостаток -затратный способ. Из уровня техники известен летательный аппарат легче воздуха, заключающийся в использовании летательного аппарата легче воздуха, который транспортирует летательный аппарат тяжелее воздуха в верхние слои атмосферы, который может быть принят в качестве ближайшего аналога (Патент США 1340053, 1920, стр. 6). Цель настоящего изобретения сделать способ транспортировки вредных газов доходным, а способ перемещения летательного аппарата тяжелее воздуха высокорентабельным.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств, имеющих общие признаки сходства с воздухоплаванием, работа которых направлена на выработку механической энергии с последующим преобразованием ее в электрическую энергию, за счет использования энергии восходящего потока парогазовой смеси, поступающей от источника сжигания топлива, при этом сохраняя и поддерживая баланс в окружающей природе.
Данная задача решается путем создания газовоздушного привода, который преобразует механическую энергию поступательного движения поршня с шатуном, возникающую при наполнении аэростата парогазовой смесью и его подъеме, и сбросе из аэростата части парогазовой смеси и его снижении, во вращательное движение коленчатого вала и передачей вращения на электрогенератор энергомеханического блока для выработки электрической энергии.
Привод электрогенератора состоит из двух, соединенных между собой, блоков - паровоздушного блока и энергомеханического блока. Для круглогодичной и все погодной эксплуатации, привод электрогенератора устанавливается в закрытом сооружении каркасного типа, имеющим крышу с башней высотой, необходимой для подъема аэростатов (фиг. 1 и фиг. 2).
Газовоздушный блок состоит из аэростатов цилиндрической формы (1), изготовленных из тонкой ткани Болонь, обработанной с внутренней стороны водостойким составом, снабженных сверху клапанами для сброса паровоздушной смеси (2), натяжная система закрывания сбросных клапанов (3), распределительной металлической корзиной (4), трубчатой шарнирно-соединительной штангой (5) и опорно-центрирующей металлической решетчатой площадкой (6) с направляющим резинотканевым фартуком (7) для соединения с энергомеханическим блоком.
Энергомеханический блок состоит из стального цилиндрических поршней (8), маховиков (9), коленчатых валов (10), шатунов (11), опор на опорных шарикоподшипниках (12), соединительных муфт (13), редуктора (14), асинхронного двигателя/генератора (15), блока аккумуляторных батарей (16), утепленного стального конусного парового котла утилизатора (17) с предохранительным клапаном (18), утепленного стального цилиндрического накопителя топочного газа (19), напорного вентилятора топочного газа (20), утепленных стальных воздуховодов (21) топочного газа с механическим открыванием/закрыванием, впускными клапанами (22), механического ручного привода клапанов (23), стального паропровода (24) и защитно-каркасного, с вентилируемым ограждением, сооружения (25), трех ходового парового крана (26), вытяжных дефлекторов (27).
Размеры аэростатов, поршней, впускных и выпускных клапанов, размеры коленчатых валов, шатунов, котла утилизатора и накопителя топочного газа принимаются по расчету в соответствии с техническим заданием.
2
Привод электрогенератора работает в ручном режиме управления (при необходимости может быть дооборудован для управления и работы в дистанционном режиме). Для работы привода электрогенератора, одновременно включены в работу паровоздушный и энергомеханический блок. На фиг. 3 показан план - схема привода электрогенератора, состоящая из двух аэростатов, наполняемых паровоздушной смесью. На фиг. 4 и фиг. 5 показаны виды парового котла и цилиндрического поршня с шатуном. На фиг. 6 показан разрез парового котла утилизатора. Котел состоит из топочного пространства, стальной водяной оболочки, соединенной через двух ярусный сетчатый сепаратор с паровой оболочкой и стального накопителя паровоздушной смеси. Паровой котел утилизатор может работать на различном топливе, но в качестве основного топлива планируется использовать бытовые отходы жизнедеятельности человека не содержащие пластмассы, полиэтилены и т.д. Топливо для сжигания загружается в котел ручным или механическим способом и удаляется после сгорания ручным или механическим способом. Главный паропровод, проходящий от котла утилизатора, до аэростата, снабжен стальными трехходовым краном и предохранительным клапаном на 1,25 Рраб давления, который расположен в накопителе газовоздушной смеси. Рабочее давление котла утилизатора Рраб=0,7 кгс/см. На фиг.7 показан - общий вид привода электрогенератора. На фиг. 8 показан узел распределения паровоздушных потоков от парового котла утилизатора и накопителя топочного газа. На фиг. 7 показано положение аэростатов и поршней при запуске и работе привода электрогенератора. Запуск осуществляется заполнением горячей паровоздушной смесью правого аэростата открытием правого впускного клапана показано на фиг. 8. На фиг. 7, при запуске в работу, привода электрогенератора, поршень правого аэростата выводится в крайнем верхнем положение, а поршень левого аэростата выводится в крайнем нижнем положение. После заполнения правого аэростата горячей паровоздушной смесью и выход его в крайнее верхнее положение, срабатывает натяжное устройство, закрывается правый впускной, показано на фиг. 9, а открывается правый сбросной клапан, одновременно закрывается левый сбросной и открывается левый впускной клапан. Паровоздушная смесь из правого аэростата через сбросной клапан сбрасывается в атмосферу, а аэростат снижается до крайнего нижнего положения. После заполнения левого аэростата, горячей паровоздушной смесью и начало его подъема в крайнее верхнее положение, срабатывает натяжное устройство и закрывается левый впускной клапан, открывается правый сбросной клапан, одновременно закрывается правый сбросной клапан, а открывается правый впускной клапан. Паровоздушная смесь из левого аэростата через сбросной клапан сбрасывается в атмосферу, а аэростат снижается до крайнего нижнего положения. Работа правого сбросного клапана синхронизируется с работой левого впускного клапана. Работа левого сбросного клапана синхронизируется с работой правого впускного клапана.
Работа правого и левого впускных клапанов синхронизируется с работой трех ходового парового крана.
Изобретение поясняется чертежами/эскизами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
Эскизы изобретения:
На фиг. 1. Вид в/о 1-3.
На фиг. 2. Вид в/о А-В-С фиг. 1.
На фиг. 3. План на отм. + 1.00 м.
На фиг. 4. Вид А-А на фиг. 3.
На фиг. 5. Вид Б-Б на фиг. 3.
На фиг. 6. Разрез 3-3 на фиг. 4.
На фиг. 7. Вид 1-1 на фиг. 3.
На фиг. 8. Узел «А» на фиг. 7.
На фиг. 9. Разрез 4-4 на фиг. 8.
На фиг. 10. График зависимости подъемной силы аэростата от температуры наружного воздуха и температуры в оболочке.
Преимуществом, предлагаемого технического решения, является то, что стабильная работа привода электрогенератора, зависящая от непрерывной подачи в аэростаты паровоздушной смеси, базируется на работе парового котла утилизатора с накопителем топочного газа, работающего на различном топливе (преимущественно твердые бытовые отходы, требующие утилизации), поддержке экологического баланса, сохранения природных энергоресурсов и выработке при этом электрической энергии.
Полученный технический результат, основывается на применении физических законов - «Закон Архимеда» и «Закон Ньютона».
При заполнении аэростата паровоздушной смесью, чем больше подъемная сила аэростата, с учетом плеча приложения, воздействует на поршень, тем большее возникает вращающее усилие и крутящий момент на коленчатом вале, а при сбросе парогазовой смеси из аэростата, чем больше суммарный вес аэростата и его оснастки, умноженный на плечо приложения, тем больше вращающее усилие и крутящий момент на коленчатом вале. Энергия восходящего потока паровоздушной смеси, при заполнении одного аэростата и сбросе части паровоздушной смеси из второго аэростата, приводит, через поршневую систему, во вращение коленчатый вал и соединенный с ним, через редуктор, электрогенератор, вырабатывающий электрическую энергию. Цилиндрические корпуса поршней снабжены, в верхней и нижней части, кольцами - ограничители крайнего нижнего и крайнего верхнего положения, необходимые при вертикальном движении поршней, при сбросе паровоздушной смеси из аэростата и заполнении паровоздушной смесью аэростата. Высота рабочего подъема аэростата - расстояние между крайней нижней и крайней верхней точкой поршня равно диаметру окружности вращения кривошипа коленчатого вала L=D (м).
Все воздухоплавание основано на законе Архимеда. На любой предмет, находящийся в атмосфере, действует подъемная сила, равная весу воздуха, вытесненного этим предметом. Полная подъемная, или Архимедова, сила теплового аэростата равна:
a
н
в+
п
F=(M-MM)g
н
в
п
где М - масса воздуха окружающей среды, вытесненная оболочкой аэростата; М - масса теплого воздуха, находящегося в оболочке; g - ускорение силы тяжести. g=9,8 м/с2; М - масса водяного пара, находящегося в оболочке.
н
в
п
Массы М, М и М можно выразить через плотность воздуха, пара и объем оболочки:
н
н
в
в
п
н
M=ρV; M=ρV; М=ρV;
н
в
н
где V - объем оболочки; ρ и ρ - соответственно плотность воздуха окружающей среды и плотность воздуха внутри оболочки, ρ - плотность пара внутри оболочки.
Из уравнения Менделеева-Клапейрона можно получить связь между плотностью, давлением и температурой:
н
в
где р - давление окружающей среды; Т и Т - соответственно температура наружного, или окружающею, воздуха и температура внутри оболочки в градусах Кельвина; R - газовая постоянная воздуха, для сухого воздуха R=287 Дж/кг⋅град.
Окончательно полную подъемную силу аэростата Fa с учетом Мир можно записать в следующем виде:
Из формулы Fa видно, что с уменьшением давления подъемная сила аэростата уменьшается, а при уменьшении температуры наружного воздуха она возрастает.
a
Необходимо обратить внимание на то, что все используемые переменные должны быть выражены в Международной системе SI, при этом подъемная сила F будет измеряться в ньютонах.
Для тех величин, которые были использованы выше, в системе SI применяются следующие единицы измерения:
для массы - кг (М=[кг]);
для температуры - градус Кельвина (Т=[К];
для силы и веса - ньютон (F=[Н]=[кг м/с2];
для плотности - кг/м3 (г=[кг/м3]);
для объема - м3 (V=[м3]);
для давления - паскаль (р=[Па]=[Н/м3]).
Чтобы перевести привычные слинтшы измерения в единицы измерения системы SI, можно воспользоваться следующими простыми выражениями:
р[Па]=9,8 р=F[H]/9,8.
В квадратных скобках указаны соответствующие единицы измерения, так, если температура в градусах Цельсия равна 15 градусов, то в градусах Кельвина она будет 273+15=288, давление 760 мм рт. ст. будет соответствовать 101 300 Па.
Иногда, например с целью сравнения с предельно допустимой, требуется определить температуру в оболочке аэростата. В этом случае из выражения Fa не сложно получить соответствующее значение:
При изменении температуры наружного воздуха, при тех условиях, в которых наиболее часто эксплуатируется аэростат, влияние температуры наружного воздуха на подъемную силу почти в два раза больше, чем влияние температуры в оболочке, что наглядно показано на графике (Фиг. 10) зависимости подъемной силы аэростата от температуры наружного воздуха и температуры в оболочке.
Сравнить эффективность монгольфьеров с газовыми аэростатами можно по значению удельных подъемных сил одного кубического метра различных газов. Удельная подъемная сила f равна:
Из уравнений выше приведенных следует:
воз
газ
где R и R - соответственно газовые постоянные воздуха и газа в оболочке [Дж/кг⋅град]; f - удельная подъемная сила в Н/м3.
Для любого газа его газовая постоянная равна отношению универсальной газовой постоянной (8314 Дж/кг⋅град) к молекулярному весу.
Рассмотрев данные, приведенные в таблице 2, можно сделать вывод, что:
• в диапазоне температур от 80 до 120 градусов удельная подъемная сила воздуха составляет 20…30% от подъемной силы самого легкого газа - водорода;
• подъемная сила воздуха с ростом температуры изменяется более интенсивно, чем других газов;
• пары воды обладают значительной подъемной силой, что может быть использовано в перспективных разработках тепловых аэростатов, когда в оболочку через специальные форсунки впрыскивается вода.
При работе привода электрогенератора водяной пар, вырабатываемый паровым котлом утилизатором, подается внутрь оболочки аэростата для увеличения подъемной силы, в объемах исходя из технических данных котла и аэростата.
При сбросе части паровоздушной смеси, в верхнем положении аэростата, начитается снижение и движение поршня вниз, что соответствует условию Rt=m*g, где Rt - гравитационная сила, Н; m - масса аэростата с оснасткой и поршня с шатуном, кг; g - ускорение свободного падения, м/сек2.
Суммарный крутящий момент:
Мкр=(Fa+Rt)*1/2D - крутящий момент вала, где D - диаметр вращения кривошипа коленчатого вала.
Применение предлагаемого привода электрогенератора, позволяет расширить номенклатуру средств "малой" теплоэнергетики и аэромеханики, использующих, в первую очередь возобновляемое топливо растительного происхождения, твердые бытовые отходы, энергию уходящих топочных газов и воздушную атмосферу, в их естественных условиях. При этом достигается эффект энергосбережения в сравнении с применяемыми традиционными источниками энергии.
Источники информации:
* Патент РФ 2389655, B64D 5/00; В64В 1/40; F23J 11/00, 2010 (прототип).
** Таланов А.В. «Все о воздушных шарах». Москва. Издательство «Астрель» 2002.
*** М.И. Бать, Г.Ю. Джанилидзе. Теоретическая Механика, - М.: Наука. 1967.