ВАКУУМНАЯ ГИДРОУСТАНОВКА
VACUUM HYDRAULIC PLANT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности может быть использовано на любой равнинной местности, где имеется водоем или резервуар с водой.
Известны гидроустановки, применяемые для различных целей, в частности: для выработки электроэнергии в гидроэлектростанциях (ГЭС), для выработки электроэнергии для опреснения и фильтрации воды, работающие благодаря перепаду уровней водной поверхности.
Многие гидроустановки представляют сложный комплекс дорогостоящих сооружений и оборудования, а также могут быть установлены только в определенной местности, ландшафт которой позволяет успешно эксплуатировать ГЭС (см. Претро Г.А., Специальные типы зданий гидравлических установок. М.: Энергия, 1975, С.198; Керов В.Г., Керова М.Е., Гидроэлектростанция, Патент на изобретение РФ №2012713, кл. Е02В 9/00, Бюл. №9 от 15.05.94).
Большинство существующих ГЭС представляют серьезную экологическую угрозу и могут стать причиной техногенной катастрофы (см. Исмагилов И.Ф., Техногенные катастрофы - угроза экономической, энергетической, национальной безопасности и функционирования государства. Вестник Казанского государственного технологического университета, 2010, №5, С.184-189).
Известна «Подземная гидроаккумулирующая электростанция» (см. Виссарионов В.И., Декстер Д.Х. Подземная гидроаккумулирующая электростанция, авт. св. СССР №746028, кл. Е02В 9/00, Бюл. №25 от 07.07.80), содержащая трубопроводы; резервуар со стенками, покрытыми газонепроницаемой облицовкой и теплоизоляционным материалом; гидромашины, которые могут работать в качестве турбин; электромашины, которые могут работать в качестве генераторов электроэнергии.
Недостатком этой ГЭС являются: сложный комплекс дорогостоящих сооружений и оборудования, размещение ее под землей, что ведет к увеличению дополнительных экономических затрат по созданию и эксплуатации ГЭС и существенно сказывается на стоимости электроэнергии в целом.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению и взятой за прототип является «Вакуумная гидроэлектростанция» (см. Табатадзе И.И., Вакуумная гидроэлектростанция, Патент на изобретение РФ №2005199, кл. F03B 13/06, Бюл. №47-48 от 30.12.93). Данная вакуумная ГЭС (фиг.1) содержит: водоем 1, герметичную камеру 2, гидротурбину 3, электрогенератор 4, заливную воронку 5, крышку 6, вакуумметр 7, водоуровнемер 8, всасывающий отвод 9 с задвижкой 10, трубу 12, кран 13, вакуумный насос 14, электродвигатель 15, аккумуляторную батарею 16, сливной трубопровод 17, задвижку 18, гидротурбину 19, электрогенератор 20. Отработанная вода отводится по течению 21.
Недостатками выявленного прототипа являются: 1) конструктивная невозможность опреснения и фильтрации морской воды; 2) отсутствие устройств для нагрева или охлаждения теплоносителя в теплообменном аппарате; 3) эта установка может работать только в горной местности, где имеется природный перепад уровней водной поверхности, но не может работать на равнинной местности. Все эти факторы ведут к ограничению функциональных возможностей повсеместного применения данной гидроустановки.
Решаемой задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, в частности опреснения, фильтрации, нагрева или охлаждения воды.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей вакуумной гидроустановки, в частности опреснения морской воды, фильтрации воды, нагрева или охлаждения.
Технический результат достигается тем, что в вакуумной гидроустановке, содержащей герметичную камеру с устройством для создания разряжения, гидротурбины, кинематически связанные с электрогенераторами, с герметичной камерой, соединенной посредством всасывающего трубопровода с водоемом и посредством сливного трубопровода с задвижками, электродвигатель, вакуумметр, водоуровнемер, внутри герметичной камеры введен герметичный баллон с большим поперечным сечением и с возможностью попеременного перемещения из среды с вакуумным давлением в водную среду, а также введено n-ое количество герметичных баллонов меньшего поперечного сечения, находящихся в водной среде, и размещены они на одном тросе или цепи с возможностью при их равновесном положении вытеснения или нагнетания объема воды и раскручивания соответствующей гидротурбины, получая электроэнергию, причем гидротурбины с соответствующими электрогенераторами размещены в нагнетательном и сливном трубопроводах и установлены выше водоема, для фильтрации воды на концах трубопроводов расположены сетчатые фильтры, причем один сетчатый фильтр выполнен с возможностью высокой степени очистки, соответственно с высоким гидравлическим сопротивлением, другой сетчатый фильтр - с низким гидравлическим сопротивлением, а для опреснения морской воды или получения пара с последующей его конденсацией герметичная камера через трубопровод с задвижкой соединена с эжектором высокого давления, один конец которого соединен с потребителем пресной воды через тепловой потребитель, а другой конец эжектора последовательно соединен с источником высокого давления, при этом на входе и выходе из герметичной камеры установлены клапаны;
для обеспечения состояния равновесия и предотвращения поднятия герметичного баллона выше установленного уровня, внутри герметичной камеры жестко установлена подпорка герметичного баллона;
для исключения перегрева или замерзания воды по контуру герметичной камеры расположен теплоизоляционный слой;
для нагрева или охлаждения теплоносителя при нагнетании воды из водоема в герметичную камеру в нагнетательном трубопроводе установлен теплообменник.
Основными достоинствами данного изобретения являются:
1. Вакуумная гидроустановка может быть установлена на любой местности, где имеется водоем (например, река, озеро, море, океан) или любой резервуар с водой.
2. Для эксплуатации предлагаемой вакуумной гидроустановки с целью одновременной или поочередной фильтрации воды, опреснения не требуется постоянная работа вакуумного насоса с затратой соответствующей электроэнергии.
3. Для создания потока жидкости (воды) с целью раскрутки соответствующей гидротурбины и выработки электроэнергии применяется специальное устройство: герметичные баллоны, заполненные воздухом (газом), находящиеся на одном тросе (цепи); вращение колес и перемещение герметичных баллонов осуществляется при помощи электродвигателя. Из-за того, что система герметичных баллонов практически всегда находится в равновесии, затраты электроэнергии минимальны для их перемещения внутри герметичной камеры.
4. Все основные компоненты вакуумной гидроустановки находятся внутри герметичной камеры с вакуумным давлением и не являются источниками шума.
5. Имеется возможность установки сразу нескольких вакуумных гидроустановок в одном месте.
6. Вакуумная гидроустановка может эффективно применяться с целью одновременного или поочередного опреснения морской воды, получения пара, фильтрации воды, нагрева или охлаждения теплоносителя в теплообменнике.
7. Вакуумная гидроустановка для опреснения и фильтрации воды не представляет угрозу окружающей среде, т.к. не требуется сооружать плотины, изменять направление природных водных потоков, искусственно создавать перепад уровней водной поверхности, искажая при этом естественный ландшафт и разделяя среду обитания представителей живой фауны.
Научной новизной данного изобретения являются:
1) возможность впервые установить экологически безопасную вакуумную гидроустановку на любой равнинной местности, где имеется резервуар с водой или водоем, без необходимости создания плотин, искусственного поднятия уровня реки, размещения под землей или в горной местности;
2) применение впервые специальной системы герметичных баллонов, размещенных на одном тросе (цепи) и находящихся в любом положении в равновесии внутри герметичной камеры с более низким давлением, чем атмосферное;
3) получение впервые электроэнергии, частично компенсирующей затраты на фильтрацию и опреснение воды при помощи вращения соответствующей гидротурбины благодаря потоку воды, созданному путем вытеснения или нагнетания воды в герметичную камеру при движении системы герметичных баллонов.
Для пояснения технической сущности изобретения рассмотрим фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, где:
На фиг.1 - установка по прототипу; на фиг.2 - общий вид вакуумной гидроустановки; на фиг.3, 4, 5 - принцип работы вакуумной гидроустановки по нагнетанию и выбросу воды; на фиг.6 - пример пропорционального соотношения герметичных баллонов; на фиг.7 - работа гидроустановки по получению пара и опреснению воды; на фиг.8 - работа гидроустановки по нагреву или охлаждению теплоносителя в теплообменнике; на фиг.9 - работа гидроустановки по фильтрации воды, где:
1 - трубопровод; 2 - насос; 3 - нагнетательный трубопровод; 4 - гидротурбина; 5 - электрогенератор; 6 - теплоизоляционный слой; 7 - вентиль; 8 - уровень воды внутри герметичной камеры 25; 9 - герметичный баллон; 10 - неподвижная подпорка; 11 - выходная труба; 12 - задвижка; 13 - стойка для крепления колеса 14; 14 - колесо; 15 - электродвигатель, 6 - вакуумметр; 17 - трос (цепь); 18 - водоуровнемер; 19 - одинаковые по объему и весу герметичные баллоны; 20 - электрогенератор; 21 - гидротурбина; 22 - сливной трубопровод; 23 - сетчатый фильтр; 24 - клапан; 25 - герметичная камера; 26 - колесо; 27 - стойка для крепления колеса 26; 28 - клапан; 29 - сетчатый фильтр; 30 - водоем (резервуар) с уровнем воды 31; 32 - задвижка; 33 - трубопровод; 34 - эжектор высокого давления; 35 - источник пара высокого давления; 36 - насос; 37 - потребитель пресной воды; 38 - тепловой потребитель; 39 - теплообменник; 40 - трубопровод; 41 - потребитель тепла или холода; 42 - резервуар с очищенной водой.
1
2
1
1
2
1
2
2
a
1
2
1
1
2
Данная вакуумная гидроустановка содержит систему герметичных баллонов 19 и 9. Предлагается использовать одинаковые по размеру, объему, весу герметичные баллоны 19 с воздухом (газом) внутри. Герметичный баллон 9 также внутри содержит воздух (газ). Оболочки герметичных баллонов 19 и 9 следует делать из легких материалов. Герметичные баллоны 19 и 9 сконструированы таким образом, чтобы в любом положении оставаться в равновесии (фиг.3, 4, 5). Пусть V - объем герметичного баллона 9, находящийся в воде, a V - суммарный объем герметичных баллонов 19, который уравновешивает объем V. На фиг.3 видно, что V=0 и V=0. А на фиг.4 и 5 V=V, т.е. объем части герметичного баллона 9, 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, фиг.3, 4, 5). Например, этого можно достичь следующим: площадь поперечного сечения S герметичного баллона 9 должна быть в 2 раза больше площади поперечного сечения S герметичных баллонов 19 (фиг.6). В данном случае при прохождении расстояния h герметичным баллоном 9, к примеру при погружении его в воду, объем V уравновешивается объемом V (фиг.6), при этом:
1
где h - высота части герметичного баллона 9, находящаяся в воде, м;
1
S -площадь поперечного сечения герметичного баллона 9, м.
2
На фиг.6 показан один из вариантов такого положения, когда целое число n некоторого числа герметичных баллонов 19 составляет суммарный объем V, равный:
2
2
1
2
где h - высота одного герметичного баллона 19, м; S - площадь поперечного сечения герметичных баллонов 19, м; n - суммарное число герметичных баллонов 19, находящихся в равновесии с объемом V.
Таким образом, требуется незначительная сила (энергия) для перемещения герметичных баллонов 9, 19, а значит, меньше мощности и электроэнергии, затрачиваемой электродвигателем 15. Однако при большой скорости вращения колеса 14 возможна ситуация, когда уровень воды 8 незначительно отклоняется от своего нормального уровня Н (фиг.2). С целью избежания больших отклонений предлагается сконструировать герметичную камеру 25 таким образом, чтобы суммарная площадь воды на уровне 8 была в несколько раз больше площади поперечного сечения герметичного баллона 9. Таким образом, герметичный баллон 9 попеременно находится то в воде, то в вакуумном пространстве, а герметичные баллоны 19 находятся всегда в воде (фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5). Для предотвращения поднятия герметичного баллона 9 выше установленного уровня используется неподвижная подпорка 10, жестко закрепленная внутри герметичной камеры 25. Колеса 14, 26 установлены на соответствующих неподвижных стойках 13, 27. Электродвигатель 15 с аккумуляторной батареей также установлен неподвижно внутри герметичной камеры 25. Сетчатые фильтры 29, 23 с небольшим гидравлическим сопротивлением служат для предотвращения попадания мусора, частиц грязи и т.п. в герметичную камеру 25 и на лопатки соответствующих гидротурбин 4, 21.
Предлагаемая вакуумная гидроустановка работает следующим образом.
1
Настройка гидроустановки. Вначале клапанами 28 и 24 закрывают доступ к соответствующим трубопроводам 3 и 22, открывают задвижку 12. По трубопроводу 1 при помощи насоса 2 в герметичную камеру 25 при открытом вентиле 7 поступает вода из водоема (резервуара) 30. Герметичная камера заполняется водой на высоту, превышающую высоту Н (фиг.2), герметичный баллон 9 полностью или частично погружается в воду. Затем задвижка 12 и вентиль 7 закрываются, клапан 24 переходит в открытое положение, вода устремляется по сливному трубопроводу 22 в водоем (резервуар) 30. При этом уровень воды внутри герметичной камеры 25 снижается, а давление внутри этой камеры становится меньше, чем внешнее атмосферное давление p (фиг.2). Уровень воды Н можно найти по формуле:
1
2
ж
3
где p - внешнее атмосферное давление, Па; р - внутреннее давление внутри герметичной камеры над поверхностью воды, Па; g - ускорение силы тяжести, м/с; ρ - плотность жидкости (воды), кг/м.
2
1
Таким образом, над поверхностью воды в герметичной камере 25 давление р<<p. По показаниям приборов 16 и 18 можно удостовериться в исходном уровне воды внутри герметичной камеры 25 (фиг.2).
Работа вакуумной гидроустановки
В начале эксплуатации вакуумной гидроустановки герметичные баллоны 9 и 19 находятся в исходном положении (фиг.2, фиг.3). Задвижка 12 закрыта, клапан 28 находится в закрытом положении, а клапан 24 - в открытом. При подаче тока от аккумуляторной батареи на электродвигатель 15 колесо 14 начинает вращаться против часовой стрелки, герметичный баллон 9 начинает погружение, вытесняя при этом воду из герметичной камеры 25. Поток воды устремляется по сливному трубопроводу 22 в водоем (резервуар) 30, раскручивая гидротурбину 21. Электрогенератор 20 вырабатывает электроэнергию, частично компенсируя затраты на опреснение морской воды, получение пара, фильтрацию воды, нагрев или охлаждение соответствующего теплоносителя в теплообменнике. После того, как гидротурбина 21 прекратит вращаться, клапан 24 перейдет в закрытое положение, а клапан 28 - в открытое. При этом герметичные баллоны 9 и 19 расположены, как на фиг.5. При подаче тока от аккумуляторной батареи на электродвигатель 15 колесо 14 начинает вращаться в обратную сторону, по часовой стрелке. Герметичный баллон 9 поднимается, нагнетая воду из водоема (резервуара) 30. Вода поступает в герметичную камеру 25 по нагнетательному трубопроводу 3, раскручивая гидротурбину 4, а электрогенератор 5 вырабатывает электроэнергию, частично компенсируя затраты на опреснение морской воды, получение пара, фильтрацию воды, нагрев или охлаждение соответствующего теплоносителя в теплообменнике. После того, как герметичный баллон 9 вернется в исходное положение (фиг.2, фиг.3), а гидротурбина 4 прекратит вращаться, клапан 28 перейдет в закрытое положение. Далее цикл работы гидроустановки повторяется.
2
2
При изменении внешнего атмосферного давления предусмотрено поддержание постоянства высоты уровня воды 8 внутри герметичной камеры 25. Например, при повышении атмосферного давления водоуровнемер 18 показывает рост уровня воды. Открывается задвижка 12, давление внутри герметичной камеры 25 над водой увеличивается, а сам уровень воды 8 снижается благодаря поступлению воды в резервуар (водоем) 30 по сливному трубопроводу 22. После того, как уровень воды снизится до исходного, задвижка 12 закрывается. При снижении внешнего атмосферного давления уровень воды 8 может снизиться. Поэтому расчетная высота столба воды Н (фиг.2) должна соответствовать самому низкому атмосферному давлению. Если в ходе эксплуатации гидроустановки и многократного открытия задвижки 12 давление р увеличится (фиг.2) по сравнению с допустимым расчетным давлением, вакуумметр 16 зафиксирует это увеличение. В этом случае необходимо закрыть клапанами 28, 24 доступ к трубопроводам 3, 22 и при помощи насоса 2 при открытом вентиле 7 повысить уровень воды 8. А затем при закрытой задвижке 12 необходимо клапаном 24 открыть доступ к трубопроводу 22, после чего, при поступлении воды в водоем (резервуар) 30, произойдет разрежение, и давление р внутри герметичной камеры 25 снизится.
Для исключения перегрева или замерзания воды внутри герметичной камеры 25 предлагается использовать теплоизоляционный слой 6 (фиг.2). При использовании резервуара 30 с небольшой площадью поверхности уровень воды 31 может колебаться. Например, при сбросе воды из гидроустановки он поднимется, а при нагнетании в гидроустановку - понизится. Для поддержания уровня воды 31 постоянным предлагается размещение сразу двух одинаковых гидроустановок, работающих одновременно: при нагнетании объема воды из резервуара в одну гидроустановку, такой же объем воды поступает из другой гидроустановки в этот же резервуар.
Заявляемая вакуумная гидроустановка может быть использована для опреснения морской воды и получения пара с последующей его конденсацией. В данном случае внутри вакуумной гидроустановки можно эффективно испарять воду за счет тепла Q окружающей среды (см. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок, М.: Высшая школа, 1968, С.277), при этом герметичная камера 25 не покрыта снаружи теплоизоляционным слоем 6 (фиг.7). Пар низкого давления из герметичной камеры 25 поступает при открытой задвижке 32 через трубопровод 33 в эжектор высокого давления 34, внутри которого увлекается потоком пара высокого давления, поступающего из источника пара высокого давления 35. Тепло от сконденсировавшейся смеси паров доставляется тепловому потребителю 38, одна часть конденсата поступает в виде пресной воды потребителю пресной воды 37, а другая часть насосом 36 доставляется в источник пара высокого давления 35 (например, в паровой котел) (фиг.7).
Данное изобретение может использоваться для нагрева или охлаждения теплоносителя в теплообменнике (см. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К., Термодинамика и теплопередача, М.: Высшая школа, 1964, С.403-421). Если температура воды в водоеме (резервуаре) 30 (фиг.8) ниже, чем температура теплоносителя в трубопроводе 40 на входе в теплообменник 39, то вода, нагнетаемая в герметичную камеру 25, охлаждает данный теплоноситель. Если температура в водоеме (резервуаре) 30 выше, чем температура теплоносителя в трубопроводе 40 на входе в теплообменник 39, то потребитель 41 получает тепло (фиг.8).
Данная гидроустановка может успешно эксплуатироваться для дешевой фильтрации воды. Например, водоем (резервуар) 30 содержит воду, которую нужно очистить, а резервуар 42 - очищенную воду (фиг.9). В данном случае сетчатый фильтр 29 является фильтром высокой степени очистки и, соответственно, с высоким гидравлическим сопротивлением, а сетчатый фильтр 23 - с низким гидравлическим сопротивлением (фиг.9).
Предполагаемая вакуумная гидроустановка может эффективно применяться при одновременном или поочередном выполнении функций: опреснения морской воды, фильтрации воды, нагрева или охлаждения теплоносителя.
Данная вакуумная гидроустановка может применяться, к примеру, для осуществления какой-либо одной функции, например фильтрации воды.
Для этого при помощи движения баллонов в герметичной камере осуществляется движение воды в нагнетательном и сливном трубопроводе, а процесс фильтрации выполняется при прохождении воды через фильтры. В этом случае теплоноситель в теплообменном аппарате, эжектор, электрогенераторы не будут функционировать.
Аналогичным образом можно осуществить опреснение воды:
Для этого, при помощи движения баллонов в герметичной камере осуществляется движение воды в нагнетательном и сливном трубопроводе, обеспечивают работу эжектора, при этом осуществляя конденсацию пара для получения пресной воды. При этом на трубопроводах фильтры не установлены, а также не функционируют теплоноситель теплообменного аппарата и электрогенераторы.
Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с известными аналогами:
1) при помощи движения герметичных баллонов внутри герметичной камеры с более низким давлением, чем атмосферное, вытесняется или нагнетается объем воды, раскручивается гидротурбина и соответствующим электрогенератором вырабатывается электроэнергия;
2) герметичные баллоны внутри герметичной камеры в любом положении находятся в равновесии;
3) возможность поддержания уровня воды (для оптимального функционирования вакуумной гидроустановки) в резервуаре с малой площадью поверхности постоянным благодаря тому, что объем воды, поступающий в одну вакуумную гидроустановку из этого резервуара, равен объему воды, поступающему в этот же резервуар из другой вакуумной гидроустановки;
4) получение пара с последующей его конденсацией и получение пресной воды, частично восполняя затраты на эти процессы путем производства побочной электроэнергии при раскручивании соответствующей гидротурбины;
5) охлаждение или нагрев теплоносителя в теплообменнике, частично компенсируя затраты на эти процессы путем производства побочной электроэнергии при раскручивании соответствующей гидротурбины;
6) эффективная и дешевая фильтрация воды.
По сравнению с известными аналогами предлагаемая вакуумная гидроустановка, благодаря конструктивным особенностям, является многофункциональной, экологически безопасной и может эффективно применяться на любой равнинной местности и в различных отраслях народного хозяйства и промышленности.