ВОЛНОВОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ НАСОС
HYDRO PNEUMATIC PUMP

Изобретение относится к волновому гидропневматическому насосу и предназначено для выработки электрической энергии, подъема воды, сбора и разделения нефтепродуктов с поверхности воды, аэрации воды.
Известен резонирующий пневматический волновой компрессор патент WO 2017025718(A1), 16.02.2017, F03B 13/18, F03B 13/24 состоящий из гибкого трубопровода с внутренней мембраной удерживаемой пружинящими ребрами и встроенного в мембрану балласта. К недостаткам данной конструкции можно отнести работу компрессора при высоком волнении 4 метра, громоздкой и сложной конструкции длиной 1 километр и то, что установка резонирует в определенном диапазоне волн.
Известна, принятая за прототип, волновая установка (см.RU 2004837 C1, 15.12.1993, F03B 13/12, содержащая прикрепленный к потребителю гибкий рукав с входным конусным насадком и установленные внутри рукава обратные клапаны, а снаружи поплавки, установка снабжена сетчатым фильтром, размещенным на конусном насадке, и якорной связью, при этом рукав выполнен из отдельных секций, соединенных между собой посредством фланцев, якорная связь прикреплена к насадку, один из поплавков закреплен над верхней частью насадка, а другие под нижними частями фланцев. Недостатками данной волновой установки является использование удара прибойной волны в конусный насадок с низким КПД. Волновая установка имея такое количество обратных клапанов использует энергию только одной волны. Данная волновая установка работает в определенном интервале длин волн ограниченном расстояниями между фланцами.
Изобретение по сравнению с прототипом выигрывает по КПД.
Предложенный волновой гидропневматический насос многократно использует энергию движущейся волны, система гибких трубопроводов которого использует энергию фронта волны, концентрируя ее в ресивере. Волновой гидропневматический насос работает в широком диапазоне волн.
Указанный технический результат достигается в волновом гидропневматическом насосе, содержащем систему гибких трубопроводов с обратным клапаном и положительной плавучестью, обеспеченной поплавками, к входу трубопроводов присоединен плавающий водозаборник с воронкой водозаборника, удерживаемый якорем, согласно изобретению, система гибких трубопроводов выполнена уменьшающегося сечения к выходу, к входу трубопроводов присоединены плавающие водозаборники, выполненные в виде водо-воздухозаборников, связанных между собой тросом, концы которых удерживаются якорями, выходы трубопроводов присоединены к общему коллектору через кран и обратный клапан, коллектор соединен с ресивером, внутри которого расположен поплавковый регулятор уровня воды, соединенный с клапанами воды и воздуха, ресивер имеет два отвода: верхней части после клапана - для воздуха, в нижней части после клапана - для воды, водо-воздухозаборник выполнен в виде полого поплавка, воронки с патрубком для крепления трубопровода  и пластины с противовесом, образующих камеру поплавка, причем пластина обеспечивает крепление троса, а противовес ориентацию водо-воздухозаборника.
Кроме того, часть или все водо-воздухозаборники установлены на якоря.
Кроме того, на воронку водо-воздухозаборника установлен сетчатый фильтр.
Кроме того, между водо-воздухозаборниками установлена боновая защита, а в ресивере сделан дополнительный отвод ниже уровня воды с краном.
Кроме того, к отводу для воздуха подключена турбина с электрическим генератором.
Кроме того, к отводу для воды подключен гидрогенератор электрической энергии или трубопровод для подъема воды в верхний бассейн.
Кроме того, первые 10-15 метров выполнены не изменяющим сечение гибким трубопроводом, остальные гибким рукавом с встроенными поплавками.
Волновой гидропневматический насос использует энергию фронта волны системой гибких трубопроводов, многократный отбор энергии движущейся волны, сбор и отделение нефтепродуктов с поверхности воды. Высокий КПД при давлении в несколько бар позволяет поднимать воду в верхний бассейн или вращая гидрогенератор вырабатывать электроэнергию, воздушное давление вращая пневматическую турбину служит для выработки электрической энергии, через отвод для нефтепродуктов снабженный краном можно периодически или регулируемо сбрасывать нефтепродукты под давлением в танк накопитель, благодаря движению воды и воздуха происходит аэрация. Волновой гидропневматический насос работает в широком диапазоне волн.
Волновой гидропневматический насос, находясь на расстоянии от берега, использует энергию подъема волны, при этом вода с нефтепродуктами, задержанными боновой защитой через сетчатый фильтр, задерживающий плавающий мусор, воронку поплавкового водо-воздухозаборника удерживаемого якорем попадает в гибкий трубопровод, с положительной плавучестью образуя столб воды и создает давление в трубопроводе в отличие от прототипа, использующего удар прибойной волны с низким КПД. При спадающей волне столб воды под собственным весом несколько проседает и за счет выноса воронки заполняет не изменяющий сечение трубопровод воздухом. Следующая набегающая волна заполняет трубопровод водой, сжимая воздух в трубопроводе суммируя давление в трубопроводе. Для компенсации изменения высоты столбов воды из-за сжатия воздуха трубопровод сделан уменьшающим сечение к выходу в коллектор. Таким образом энергия движущихся волн многократно используется системой трубопроводов в отличие от прототипа использующего удар прибойной волны. Трубопровод соединяется с коллектором на понтонах через кран для обслуживания отдельных трубопроводов и обратный клапан, препятствующий обратному истечению воды. Коллектор соединен с ресивером, в котором происходит разделение воды, воздуха, нефтепродуктов, а так же концентрация энергии системы трубопроводов. В ресивере сделаны два отвода верхний с клапаном для воздуха, нижний с клапаном для воды, клапаны соединены с поплавковым регулятором уровня воды в ресивере. Дополнительный отвод с краном ниже уровня воды служит для сброса нефтепродуктов. Воздух и вода под давлением подается в турбины генераторов электрической энергии.
Водо-воздухозаборник представляет собой поплавок с воронкой для приема воды и воздуха с сетчатым фильтром для сбора мусора и патрубком для крепления трубопровода, полости поплавка, пластину с противовесом в нижней части и элементами крепления троса и боновой защиты. Поплавок в спокойной воде обеспечивает подъем воронки несколько выше поверхности воды, при набегающей волне за счет выноса воронки вперед и ориентирующего положение водо-воздухозаборника противовеса происходит забор воды в трубопровод, при спадающей волне за счет выноса воронки вперед и движения волны в трубопровод попадает воздух.
Коллектор представляет собой трубопровод увеличивающегося сечения в сторону ресивера, к которому через краны и обратные клапаны присоединены трубопроводы и ресивер. Коллектор поднят над поверхностью воды понтонами закрепленными якорями или другим способом.
Ресивер представляет собой герметичный бак внутри которого находится поплавок, соединенный с верхним клапаном, регулирующим давление воздуха и нижним клапаном регулирующим уровень воды, за клапанами сделаны отводы для воды и воздуха под давлением для дальнейшего использования, ниже уровня воды в ресивере сделан отвод для сброса нефтепродуктов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен водо-воздухозаборник вид спереди, на фиг. 10 вид с боку, представляющий собой поплавок, состоящий из, воронки 1, на входное отверстие которого установлен сетчатый фильтр 6, полости поплавка 3, пластины 4, образующих камеру поплавка. К воронке 1 приварен патрубок 2 для соединения с трубопроводом. Пластина 4 служит для задержания нефтепродуктов, крепления боновой защиты и троса, противовес 5 обеспечивает ориентацию водо-воздухозаборника. 7 элементы крепления боновой защиты и троса.
На фиг. 2 изображен гидропневматический насос в статическом состоянии вид с боку передней части, на фиг. 11 окончание трубопровода. Водо-воздухозаборник 8, поплавок боновой защиты 9, шторка боновой защиты 10, противовес боновой защиты 16, гибкий трубопровод уменьшающегося сечения с поплавками 11, кран 12, обратный клапан 13, коллектор 14.
На фиг. 3 изображен вид сверху гидропневматического насоса в статическом состоянии, на фигуре 12 окончание гидропневматического насоса. Водо-воздухозаборники 8, поплавки боновой защиты 9, гибкий трубопровод 11 уменьшающегося сечения с поплавками, кран 12, обратный клапан 13, коллектор 14, понтон 17, поплавок 18, якорь боновой защиты19, ресивер 20.
На фиг. 4 изображен ресивер 20 представляющий бак, соединенный с коллектором 14 для подачи воды и воздуха, внутри которого находится поплавок 21, соединенный с клапаном 22 регулирующим уровень воды и клапаном 23 регулирующим давление воздуха. За клапанами сделаны отводы 24 для гидрогенератора электрической энергии 25 или подъема воды в верхний бассейн, 26 на воздушную турбину генератора электрической энергии 27, для нефтепродуктов 28 с краном 29 для периодического или регулируемого сброса нефтепродуктов.
Па фиг. 5 показан волновой гидропневматический насос в статическом состоянии. При отсутствии волнения водо-воздухозаборники и трубопроводы свободно плавают на поверхности воды, причем воронка 1 (фиг. 1, 11) находится выше поверхности воды за счет выталкивающей силы поплавка и выравнивающей силы противовеса 5. Состояние трубопровода, возможно, частично заполнен водой не критично.
Для пояснения принципа работы представлены система из четырех U-образных жидкостных манометров 30, соединенных последовательно между собой и ресивером 31 с патрубком 32 (фиг. 7). При отсутствии давления воздуха подаваемого через патрубок 32 манометры показывают нулевое давление. При подаче воздуха через патрубок 32 (фиг. 8) в первом манометре образуется столб воды поддерживая давление в ресивере 31 и сжимая воздух во втором манометре чем еще увеличивая давление в ресивере 31. В результате давление в ресивере будет равно сумме давлений в манометрах. При дальнейшем нагнетании воздуха через патрубок 32 пузырьки воздуха пройдя через воду первого, а затем и второго и т.д. манометров создадут предельное давление равное сумме давлений всех манометров (фиг. 9). Теперь если данная система за счет своей плавучести копирует движение волн в ресивер периодически поступает вода и воздух.
На фиг. 6 демонстрируется принцип работы волнового гидропневматического насоса. При набегающей волне через воронку 1 (фиг. 1, 10) водо-воздухозаборника 8 (фиг. 2, 11, 6) в трубопровод 11 (фиг. 2, 11, 6) поступает вода, количество которой определяется диаметром патрубка 2 (фиг. 1, 10) и высотой волны. В верхней точке волны воронка водо-воздухозаборника 1 (фиг. 1, 10) за счет выталкивающей силы поплавка некоторого выноса воронки вперед и противовеса 5 (фиг. 1, 10) находится выше уровня воды и вода под собственным весом стекает ниже патрубка водо-воздухозаборника, часть трубопровода заполняется воздухом. При спадающей волне через воронку 1 (фиг. 1, 10) за счет выталкивающей силы поплавка водо-воздухозаборника, некоторого выноса воронки 1 (фиг. 1, 10) вперед и противовеса 5 (фиг. 1, 10) трубопровод 11 (фиг. 2, 11, 6) заполняется воздухом. Процесс происходит циклически. В результате такого процесса весь трубопровод состоит из столбов воды 33 (фиг. 6) на набегающей стороне волны и столбов воздуха 34 (фиг.6) на сбегающей стороне волны. С увеличением давления в трубопроводе происходит сжатие воздуха, уменьшение сечения трубопровода приводит к увеличению столбов воздуха и столбов воды, следовательно, давления в трубопроводе к выходу в коллектор. При перетекании воды в трубопроводе при высоком давлении воздуха происходит аэрация насыщение воды кислородом. Выходы трубопроводов соединены с общим коллектором 14 (фиг. 2, 11, 6) через кран 12 (фиг. 2, 11, 6) и обратный клапан 13 (фиг. 2, 11, 6) для исключения взаимного влияния и обслуживания. Коллектор установлен на понтон 17 (фиг. 6) и соединен с ресивером 20 (фиг. 4). Ресивер представляет герметичный бак 20 (фиг. 4) соединенный с коллектором 14 (фиг. 4, 6) для подачи воды и воздуха служит для разделения на фракции воды, воздуха и нефтепродуктов. Внутри ресивера находится поплавок 21 (фиг. 4), соединенный с клапаном 22 (фиг. 4) регулирующим уровень воды и клапаном 23 (фиг. 4) регулирующим давление воздуха за клапанами сделаны отводы 26 и 24 (фиг. 4) для воды и воздуха. Ниже границы раздела воды сделан отвод 28 (фиг. 4) для сброса нефтепродуктов с краном 29 (фиг.4) для периодического или регулируемого сброса нефтепродуктов в емкость. Отвод 24 (фиг. 4) соединен с гидрогенератором электрической энергии 25 (фиг. 4) или тубой для подачи воды в верхний бассейн, отвод 26 (фиг. 4) с воздушной турбиной генератора электрической энергии.
Энергия морских волн - это концентрированная энергия ветра и ее потенциал огромен. Морская волна высотой два метра имеет мощность 70 кВт на погонный метр волновой поверхности. Сейчас делаются попытки извлекать эту возобновляемую энергию. К примеру, при волнении в два метра и скорости смещения волны в 1 метр в секунду и диаметре трубопровода 0,2 метра на выходе в коллектор суммарно перекачивается примерно 31 литров в секунду или 0,031 кубометра в секунду. При давлении 0,2-0,3 МПа это соответствует 6-9 киловатт на один трубопровод, использование системы из 100 трубопроводов на 100 метров позволяет получить мощность в 600-900 киловатт. Расчет примерный по законам физики. Входной диаметр трубопровода 0,3 метра и длиной 100 метров, причем первые 10-15 метров имеют гибкий не изменяющий сечение трубопровода размер, следующие 85-90 метров могут быть выполнены в виде рукава со встроенными поплавками.
Где N - мощность Вт
- давление МПа
π - число пи
R - радиус окружности трубопровода
- скорость воды и воздуха в трубопроводе
Расчет примерный с округлениями на один трубопровод.