УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ КОМПЛЕКС ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
GENERAL-PURPOSE SELF-CONTAINED LIFE SUPPORT COMPLEX

Изобретение относится к автономным системам жизнеобеспечения преимущественно автономных объектов гражданского, промышленного и специального назначения и может быть использовано для отопления, горячего водоснабжения, электрификации этих объектов за счет использования природных (даровых) источников энергии.
Известна тепловодоснабжающая скважина (патент RU №2291255, опубл. 10.01.07 г.). Тепловодоснабжающая скважина содержит источник воды, зону стока с напором, достаточным для выработки тепловой энергии, с которой связан вихревой теплогенератор.
Недостатками прототипа являются необходимость обязательного наличия или искусственного обеспечения перепада высот и стока воды для обеспечения эффективной работы вихревого теплогенератора, высокая стоимость геологоразведочных и подготовительных работ, ограниченные возможности применения.
Известен гидротеплогенератор роторного типа (см. патент №2336471, опубл. 20.10.08 г.). 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.
Недостатком гидротеплогенератора роторного типа является обязательное наличие или искусственное обеспечение перепада высот и стока воды для обеспечения эффективной работы лопастного турбинного колеса гидротеплогенератора, ограниченные возможности применения.
Известно водоподъемное устройство (патент EA №5489 B1, опубл. 24.02.2005 г.). 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». Кроме того, водоподъемное устройство обладает способностью работы в режиме пульсирующего гидрореактивного движителя с параллельным нагревом воды.
Известен ветротеплогенератор (патент RU №2253040, опубл. 27.05.05 г.). Ветротеплогенератор содержит пропеллер, который с помощью конических зубчатых шестерен и коаксиальных валов передает разнонаправленное вращение роторам в виде лопастных мешалок, вращающимся в корпусе в виде бака. Мешалки изготовлены по принципу регулятора Уатта: чем быстрее вращаются, тем шире расходятся их лопасти. Поскольку мешалки вращаются в разные стороны, то жидкость от трения быстро разогревается, нагревая воду в теплообменнике, который связан с системой теплопотребления.
Недостатком ветротеплогенератора является обязательное наличие необходимой силы ветра для обеспечения эффективной работы теплогенератора, ограниченные возможности применения.
Известна мобильная тепловая станция (МТС) (см. патент №2333435, опубл. 10.09.08 г.). Мобильная тепловая станция состоит из теплогенератора в виде статора, в котором с возможностью вращения установлен ротор, привода ротора, состоящего из асинхронного электродвигателя с жидкостным или воздушным охлаждением или альтернативного привода в виде силовой установки (бензинового или дизельного двигателя с жидкостным или воздушным охлаждением).
Недостатком мобильной тепловой станции является обязательное наличие значительных ресурсов электрической энергии и углеводородного топлива, что приводит к значительным затратам при эксплуатации.
Известна альтернативная турбогенераторная установка (патент RU №2079072, опубл. 10.05.97 г.). Установка содержит нижний каскад с вихревым теплогенератором на жидкой среде, теплообменной камерой, испарителем, подключенным к источнику низкопотенциального тепла, конденсатором и насосом, верхний каскад с центробежным теплогенератором и электроприводом, установленным на общем валу и заключенными внутри кольцевого теплообменника, паровой котел, турбину с вторым конденсатором и электрогенератором. Установка работает как на обычном углеводородном топливе, так и на низкопотенциальном тепле окружающей среды.
Недостатком альтернативной турбогенераторной установки является невозможность обеспечения электрической энергией больших нагрузочных мощностей.
Известна автономная система жизнеобеспечения (АСЖ) (патент RU №2215244, опубл. 27.10.03 г.), принятая за прототип. Система содержит источники даровой энергии, преобразователи этой энергии в электрическую энергию, сообщенные с аккумулятором энергии, и устройство преобразования энергии аккумулятора в тепловую и электрическую энергию, подводимую к обслуживаемым объектам. Аккумулятор энергии выполнен в виде двух тепловых аккумуляторов: один - низкотемпературный жидкостной, второй - высокотемпературный твердотельный, причем первый аккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий, второй - с содержащей нагреватель и холодильник тепловой машиной привода электрогенератора, сообщенного по меньшей мере с системой электроснабжения здания. Техническим результатом является обеспечение возможности реализации наземных экологически безопасных автономных объектов техники с низкими эксплуатационными затратами.
Недостатками прототипа являются высокие потери при двойном преобразовании энергии, ограниченные возможности применения.
Предлагаемым изобретением решается задача: снижение энергозатрат при решении вопросов жизнеобеспечения объектов, удаленных от централизованных сетей электро- и теплоснабжения.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании экономически целесообразного и практически доступного комплекса для выработки тепловой и электрической энергии с изменяемой комплектацией под конкретного потребителя, являющегося универсальным по использованию в плане климатических, геологических и иных условий окружающей среды, влияющих на жизнедеятельность человека, с возможностью быстрого развертывания и запуска.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом универсальном автономном комплексе жизнеобеспечения (УАКЖО), состоящем из источника(ов) даровой энергии, преобразователей этой энергии в электрическую энергию, аккумуляторов электрической и тепловой энергии, устройства по синхронизации по частоте, фазе и напряжению, новым является то, что УАКЖО выполнен в виде универсального комплекта, состоящего из источников даровой энергии, преобразователей этой энергии в тепловую энергию и электрическую энергию, резервных источников энергии, управляющих, регулирующих и аккумулирующих приборов и устройств для систем инженерного обеспечения зданий, в котором предусмотрены различные варианты исполнения и комплектации, источники даровой энергии продублированы и оснащены ветротеплогенератором, гидротеплогенератором роторного типа, содержащим лопастное турбинное колесо, гидромеханической тепловой станцией с водоподъемным устройством, которые, в свою очередь, связаны с электрогенераторами, в качестве резервного источника энергии используется тепловая станция, содержащая теплогенератор роторного типа и электрогенератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (бензинового, дизельного или газопоршневого двигателя).
УАКЖО оснащена турбогенераторной установкой.
Выполнение УАКЖО в виде универсального комплекта, состоящего из источников даровой энергии, преобразователей этой энергии в тепловую энергию и электрическую энергию, резервных источников энергии, управляющих, регулирующих и аккумулирующих приборов и устройств для систем инженерного обеспечения зданий, в котором предусмотрены различные варианты исполнения и комплектации позволяет:
- во-первых, использовать для получения тепловой и электрической энергии в полной мере источники даровой энергии, обусловленные действием природных факторов: энергии ветра, энергии потоков воды, обладающих достаточным напором, энергии давления в водных пластах на глубине, что делает возможным применение УАКЖО на большинстве географических территорий;
- во-вторых, обеспечить бесперебойное функционирование комплекса за счет резервных источников энергии, в которых используется углеводородное топливо или аккумулированная электрическая энергия;
- в-третьих, обеспечить удобство эксплуатации для потребителя за счет использования управляющих, регулирующих приборов и устройств для систем инженерного обеспечения зданий, при помощи которых программируются климатические параметры на обслуживаемом(ых) объекте(ах), формируется режим тепло- и электросбережения;
- в-четвертых, сформировать три основных варианта комплектации и исполнения УАКЖО:
а) полнокомплектный - для выполнения всего объема задач жизнеобеспечения с использованием всех предусмотренных в комплексе возможностей по получению тепловой и электрической энергии;
б) базовый - для выполнения всего объема задач жизнеобеспечения с использованием в комплексе тех возможностей по получению тепловой и электрической энергии, которые характерны и легкодоступны в данной местности или при конкретных условиях;
в) комплект под заказ - комплект под конкретные решаемые задачи предусматривает использование отдельных агрегатов УАКЖО, а также доработку его при нестандартных условиях монтажа и эксплуатации.
Дублирование и оснащение источников даровой энергии ветротеплогенератором, гидротеплогенератором роторного типа, содержащим лопастное турбинное колесо, гидромеханической тепловой станции с водоподъемным устройством, которые, в свою очередь, связаны с электрогенераторами, позволяет:
- во-первых, максимально расширить возможности применения за счет дублирования и оснащения источников даровой энергии соответствующими преобразователями:
а) использовать энергию ветра при использовании лопастных ветровых установок, соединенных как с вихревым теплогенератором, так и с преобразователем в виде электрогенератора;
б) использовать энергию падающей воды при использовании гидрогенератора роторного типа, содержащего турбинное колесо, от естественного или искусственного источника (реки, канала, водопровода) с перепадом высоты, обеспечивающим необходимый напор, достаточный для раскручивания лопастного турбинного колеса, которое связано как с вихревым теплогенератором, так и с электрогенератором;
в) использовать энергию давления воды на глубине при помощи гидромеханической тепловой станции с водоподъемным устройством,
- во-вторых, получать напрямую тепловую энергию без предварительного преобразования в электрическую, тем самым уменьшив энергетические потери, неизбежно возникающие при ее преобразовании;
- в-третьих, получать тепловую энергию при помощи вихревых теплогенераторов роторного типа, обладающих высокой эффективностью преобразования;
- в-четвертых, вырабатывать электрическую энергии с дальнейшим ее использованием и/или аккумулированием параллельно с тепловой энергией.
Использование в качестве резервного источника энергии тепловой станции, содержащей теплогенератор роторного типа и электрогенератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (бензинового, дизельного или газопоршневого двигателя), позволяет:
- во-первых, осуществлять обеспечение жизнедеятельности объекта при ремонтных и профилактических работах на агрегатах УАКЖО, а также при возникновении пиковых нагрузок в системах теплопотребления и электроснабжения;
- во-вторых, обеспечить полную автономность комплекса вне зависимости от неблагоприятно складывающихся внешних климатических воздействий (низкая сила ветра, потеря напора в природных источниках воды вследствие различных природных и искусственных факторов).
Оснащение УАКЖО турбогенераторной установкой, работающей по способу, описанному в патенте RU №2079072, позволяет трансформировать низкопотенциальное тепло окружающей среды (атмосфера, поверхностные и грунтовые воды) в электрическую энергию, что дополнительно снижает энергозатраты.
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 чертежом, где показана общая схема универсального автономного комплекса жизнеобеспечения (УАКЖО).
Универсальный автономный комплекс жизнеобеспечения содержит ветротеплогенератор 1, который состоит из лопастной (пропеллерной) ветровой установки 2, распределительного редуктора 3, связанного с теплогенератором 4 роторного типа и электрогенератором 5, гидротеплогенератор 6 роторного типа, состоящего из гидротурбины 7, связанной с теплогенератором 8 роторного типа и электрогенератором 9, вертикального модуля 10 гидромеханической тепловой станции, размещенного в скважине 11 на заданной глубине и состоящего из водоподъемного устройства 12, гидротурбины 13, теплогенератора 14 роторного типа, электрогенератора 15. Модуль 10 тепловой станции может быть выполнен в горизонтальном исполнении и размещен на определенной глубине в поверхностном естественном или искусственном водоеме (на чертеже не показано). Вертикальное расположение модуля 10 упрощает его использование на местах, где нет больших водных ресурсов и можно обойтись меньшим объемом воды. В качестве резервного источника тепловой и электрической энергии используется тепловая станция 16, содержащая теплогенератор 17 роторного типа и электрогенератор 18 с приводом от двигателя внутреннего сгорания 19 (бензинового, дизельного или газопоршневого двигателя).
В варианте исполнения УАКЖО оснащена турбогенераторной установкой 20.
Синхронизации по частоте, фазе и напряжению и распределение выработанной электрической энергии осуществляется в распределительно-синхронизирующем устройстве 21, с которым связаны все электрогенераторы. В дальнейшем электрическая энергия используется в системе электроснабжения обслуживаемых зданий и сооружений и электрооборудовании инженерных коммуникаций (циркуляционные насосы, контрольные устройства, электропривода запорно-регулирующей арматуры, средства автоматики и управления) и/или накапливается в аккумуляторе 22.
Программирование климатических параметров осуществляется при помощи программируемого термостата с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения с дистанционным датчиком температуры воздуха в помещении 23.
1
m-1
m
n
1
n
Кроме того, УАКЖО содержит гидравлическую водозаборную линию 24 с колодцем (скважиной) 25, не связанным со скважиной 11, в котором установлен фильтр 26, обратный клапан 27, редукционный клапан 28, насос 29. Линия 23 связана с водоразборными кранами К … К 30 холодного водоснабжения, бойлером горячей воды 31, емкостью теплообменника 32 отопительной системы, гидравлической линией 33, используемой в хозяйственных целях и содержащей поливочный кран 34, кран для мойки автомобиля и хозяйственного инвентаря 35, кран пожарный 36. Гидравлическая линия 33 одновременно связана с водоподъемным устройством 12 гидромеханической тепловой станции 10. Бойлер горячей воды 31 посредством гидравлической линии 37 соединен с водоразборными кранами К … К 38 горячего водоснабжения, а теплообменник 32 - через линию 39 с радиаторами отопления Р … P 40. Причем гидравлические линии 37 и 39 оснащены автоматическими регулирующими клапанами 41, управляемыми программируемым термостатом 23, а в обратном трубопроводе линии 39 установлен циркуляционный насос 42. Выходы и входы теплогенераторов 4, 8, 14, 17 через систему трубопроводов связаны с линиями 37 и 39. Для включения/отключения источников тепловой энергии, а также отдельных гидравлических линий в гидросистеме установлены вентиля 43, а также необходимая контрольно-измерительная аппаратура (на чертеже не показана). В системе установлен расширительный бак 44 с автоматическим воздухоотводчиком 45.
1
m-1
Универсальный автономный комплекс жизнеобеспечения в полнокомплектном варианте исполнения работает следующим образом. Работа УАКЖО с иной комплектацией осуществляется аналогично. При помощи насоса 29 через гидравлическую водозаборную линию 24 заполняется водой из колодца (скважины) 25 вся гидравлическая система. Вода сначала очищается в фильтре 26 от механических примесей, потом через обратный клапан 27, редукционный клапан 28 поступает к насосу 29 и далее - в систему и внутренние полости теплогенераторов 4, 8, 14, 17. После заполнения системы эта вода используется в системе холодного водоснабжения с водоразборными кранами К … К 30 и в гидравлической линии 33 с поливочным краном 34, краном для мойки автомобиля и хозяйственного инвентаря 35, краном пожарным 36.
m
n
1
n
При наличии достаточной силы ветра используется ветротеплогенератор 1. Вращение от лопастной (пропеллерной) ветровой установки 2 через распределительный редуктор 3 передается на валы теплогенератора 4 и электрогенератора 5. Выработанная электрическая энергия поступает в распределительно-синхронизирующее устройство 21 для дальнейшего использования в системе электроснабжения или накапливается в аккумуляторе 22. Нагретая в теплогенераторе 4 вода из его выхода поступает в змеевик бойлера горячей воды 31 и в емкость теплообменника 32. Вода в бойлере 31 нагревается и используется для горячего водоснабжения, поступая по гидравлической линии 37 к водоразборными кранами К … К 38. Параллельно происходит нагрев воды в теплообменнике 32 и поступление ее через гидравлическую линию 39 к радиаторам отопления Р … Р 40. Циркуляция в гидравлической линии 39 осуществляется при помощи циркуляционного насоса 42. «Отработанная» вода поступает на вход теплогенератора 4. Причем при помощи сцепных муфт (на чертеже не показаны) может быть произведено отключение одного из преобразователей энергии (теплогенератора или электрогенератора. В аналогичном режиме могут работать другие пары преобразователей, использующих другие виды энергии.
При возможности подвода потока воды от естественного или искусственного источника (реки, канала, водопровода) с перепадом высоты, обеспечивающим необходимый напор, достаточный для раскручивания лопастного турбинного колеса 7, используется гидротеплогенератор роторного типа 6. Крутящий момент от лопастного турбинного колеса 7 передается на вал теплогенератора 8 и электрогенератора 9. Использование и распределение тепловой и электрической энергии происходит аналогично вышеописанному.
При наличии скважины 11 на заданной глубине погружения, достаточной для раскручивания гидротурбины 13, устанавливается вертикальный модуль 10 гидромеханической тепловой станции. Вода на глубине под давлением поступает в водоподъемное устройство 12, которое работает как пульсирующий гидрореактивный движитель. Это позволяет раскрутить гидротурбину 13, механически связанную с валами теплогенератора 14 и электрогенератора 15. Причем водоподъемное устройство может работать по прямому назначению: подавать под давлением воду в гидравлическую линию 33 для использования в хозяйственных целях, а так как водоподъемное устройство 12 обладает еще способностью нагрева воды, то она подается подогретой, что важно при поливе и в холодное время года. Использование и распределение тепловой и электрической энергии происходит аналогично вышеописанному.
Для резервного тепло- и электроснабжения используется тепловая станция 16, содержащая теплогенератор роторного типа 17 и электрогенератор 18 с приводом от двигателя 19 внутреннего сгорания (бензинового, дизельного или газопоршневого двигателя). После запуска двигателя внутреннего сгорания 19 начинается процесс выработки тепловой и электрической энергии. Использование и распределение тепловой и электрической энергии происходит аналогично вышеописанному. Количество произведенной тепловой и электрической энергии регулируется за счет изменения числа оборотов двигателя 19, что позволяет использовать резервный источник в минимально затратном режиме при возникновении пиковых тепловых или электрических нагрузок.
Преобразователи энергии 1, 6, 10, 16 работают как индивидуально, так и в комплексе. Режим подключения выбирается, исходя из наличия источников даровой энергии и потребностей в тепловой и электрической энергии.
В варианте исполнения оснащение УАКЖО турбогенераторной установкой 20 позволяет получить дополнительную электрическую энергию. Установка может работать как на обычном углеводородном топливе при режиме пиковых нагрузок, так и на низкопотенциальном тепле окружающей среды.
При помощи дистанционного датчика температуры, входящего в комплект программируемого термостата с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения 23, обеспечивается программирование климатических параметров в отапливаемых помещениях. Через автоматический воздухоотводчик 45, установленный в расширительном баке 44, происходит отвод скопившегося в системе воздуха.
Таким образом, в предлагаемом универсальном автономном комплексе жизнеобеспечения (УАКЖО) реализуется возможность создания экономически целесообразного и практически доступного комплекса для выработки тепловой и электрической энергии с изменяемой комплектацией под конкретного потребителя, являющегося универсальным по использованию в плане климатических, геологических и иных условий окружающей среды, влияющих на жизнедеятельность человека, с возможностью быстрого развертывания и запуска.