Гідроударний генератор електричної енергії
Формула / Реферат
Гідроударний генератор електричної енергії, що містить підводну трубу, відбійний, нагнітальний і зворотній клапани, які розташовані в живильній трубі, напірний бак, напірний трубопровід, турбінний водовід, гідрогенератор, що складається з гідротурбіни і електрогенератора, який відрізняється тим, що додатково введено гідроакумулятор, манометр, ємність з рухомим толоком, трубу відводу відпрацьованої води, повітряну сітку, електронасос, з'єднувальні електричні провідники, трубу водопровідну з краном, причому нагнітальний і зворотний клапани встановлені на початку живильної труби і з'єднані між собою жорсткою зв'язкою, напірний бак виконує функції малої греблі, відбійний клапан має на центральній осі тягар.
Текст
Реферат: UA 98216 U UA 98216 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до поновлювальних альтернативних джерел електричної енергії, яка виробляється за рахунок енергії гідравлічного удару води, і може використовуватися для електропостачання побутових та промислових об'єктів. Найбільш близьким аналогом за сукупністю ознак до корисної моделі є гідроударна електростанція [1], яка має підводну трубу, підключену до гідротарана, нагнітальний, відбійний і зворотній клапани, які розташовані в живильній трубі гідротарана, напірний бак, напірний трубопровід, турбінний водовід, гідрогенератор, що складається з гідротурбіни і електрогенератора. Гідроударна електростанція виробляє електроенергію за рахунок гідроудару, що здійснюється в кінці живильної труби гідротарана, коли відбійний клапан зачиняється загальмованим потоком води. Створена гідроударом ударна хвиля, високим тиском відчиняє нагнітальний клапан і зачиняє зворотний клапан. Крізь відчинений нагнітальний клапан вода під тиском заходить у повітряний ковпак і стискає повітря в його верхній частині. Стиснуте повітря, в свою чергу, тисне на воду в повітряному ковпаку, яка вимушена підійматися по напірному трубопроводу на висоту Н до нагнітального бака. Звідти по турбінному водоводу вода подається під напором Н в гідрогенератор, який виробляє електроенергію. Недоліком найближчого аналога є те, що лише незначна частина енергії гідроудару використовується для обертання турбіни гідрогенератора. Підтвердженням цьому може бути те, що найбільша висота водного стовпа Н, на яку може підійматися вода по напірному водогону в напірний бак у прототипі, не перевищує 10 метрів [1]. Напору в 10 м відповідає підвищення 5 тиску на 1 атм., або ~10 Па. Але після гідроудару тиск в гідротарані підвищується значно більше і рахується за формулою Жуковського: P vC , (1) в якій v - початкова швидкість потоку в живильній трубі, C =1350 м/с - швидкість фронту відбитої ударної хвилі. Навіть при невеликій швидкості потоку v=1 м/с тиск ударної хвилі після 5 гідроудару (1) становить 13,5×10 Па, що перевищує збільшення тиску падаючої води з висоти 10 м у 13,5 разу. Другим недоліком найближчого аналога є великі втрати води, що виходить з відбійного клапана гідротарана у відкрите водоймище і тому не дозволяє використовувати прототип в місцях, де такі водоймища відсутні. В основу корисної моделі поставлена задача створити гідроударний електрогенератор, в якому, без споживання енергії від зовнішніх джерел, а також без втрат води, енергія гідроудару, а не енергія падаючої води, безпосередньо перетворюється в обертальну енергію генератора електричної енергії, що значно підвищить його потужність. Поставлена задача вирішується тим, що гідроударний генератор електричної енергії містить підводну трубу, відбійний, нагнітальний і зворотній клапани, які розташовані в живильній трубі, напірний бак, напірний трубопровід, турбінний водовід, гідрогенератор, що складається з гідротурбіни і електрогенератора, згідно з корисною моделлю, додатково введено гідроакумулятор, манометр, ємність з рухомим толоком, трубу відводу відпрацьованої води, повітряну сітку, електронасос, з'єднувальні електричні провідники, трубу водопровідну з краном, причому нагнітальний і зворотній клапани встановлені на початку живильної труби і з'єднані між собою жорсткою зв'язкою, напірний бак виконує функції малої греблі, відбійний клапан має на центральній осі тягар. Блок-схема гідроударного генератора електричної енергії у повздовжньому перерізі зображена на Фіг. 1. Гідроударний генератор електричної енергії складається з напірного баку 1, підводної труби 2, живильної труби 3, зворотного клапана 4 і нагнітального клапана 5, з'єднаних разом, відбійного клапана 6 з тягарем 7, який можна переміщувати по центральній осі відбійного клапана, а сам відбійний клапан зверху з'єднаний віссю з живильною трубою і може вільно рухатися відносно неї, гідроакумулятора 8, турбінного водоводу 9, манометра 10, гідрогенератора 11, що складається з гідротурбіни 12 і електрогенератора 13, ємності з рухомим толоком 14, повітряної сітки 15, труби відводу відпрацьованої води 16, електронасосу 17, напірного трубопроводу 18, водопровідної труби з краном 19, з'єднувальних електричних провідників 20. В корисній моделі замість повітряного ковпаку, що здійснює підйом води в гідроударній електростанції найближчого аналога, використовують гідроакумулятор. Це зумовлено тим, що повітряний ковпак розраховується на створення невеликого тиску (2-3 атм.), достатнього для підняття води на висоту до 10 м, тоді як тиск води після гідроудару в багато разів більший і може зруйнувати (розірвати) повітряний ковпак [2]. На відміну від повітряного ковпаку, гідроакумулятор використовується при великих тисках газу і рідини, а виконує аналогічні функції - під високим тиском газу у верхній частині гідроакумулятора його пружна мембрана витискує рідину в систему [3]. Розглянемо послідовно роботу корисної моделі. 1 UA 98216 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 До наповнення водою системи зворотний 4 і відбійний 6 клапани відчиненні, а нагнітальний клапан 5 зачинений, як зображено на кресленні. Вода з відкритого крану водопровідної труби 19 поступово заповнює напірній бак 1, живильну трубу 3 і крізь відбійний клапан 6, гальмуючись, поступає у трубу відбору відпрацьованої води 16. Коли напірний бак 1 наповниться водою, кран водопровідної труби 19 зачиняється. Висота підводної труби 2 Н=1 м утворює початкову швидкість потоку води 4 м/с в живильній трубі 3. Але, враховуючи підвищення об'єму води в ємності 14, а також сили тертя в підводній трубі 2, реальна початкова швидкість потоку буде приблизно дорівнювати v=1 м/с [4, 5]. Гальмування потоку біля відбійного клапана 6 утворює гідроудар. Підвищення тиску після гідроудару визначається за формулою (1) і становить 5 13,5×10 Па. Такий тиск матиме фронт створеної при відбитті від кінця живильної труби 3 ударної хвилі. Рухаючись з великою швидкістю С у зворотному напрямі, ударна хвиля доходить до зворотного клапану 4 і високим тиском зачиняє його, водночас відчиняючи нагнітальний клапан 5. В цей же час в кінці живильної труби 3 тиск значно зменшиться і відбійний клапан 6 відчиниться. Біля зачиненого зворотного клапана 4 вхідний потік гальмується на невеликий термін часу, поки ударна хвиля крізь відчинений нагнітальний клапан 5 і турбінний водовід 9 не потрапить у гідроакумулятор 8. За цей час уся вода із живильної труби 3 переміститься в гідроакумулятор 8 і турбінний водовід 9, тому в живильній трубі 3 тиск значно знизиться і зворотний клапан 4 відчиниться напором Н, зачиняючи нагнітальний клапан 5. Зачиненню нагнітального клапана 5 сприяє також миттєве підвищення тиску в турбінному водоводі за рахунок розширення газу в гідроакумуляторі 8, що тисне на рідину. При напорі Н=1 м, миттєве гальмування вхідного потоку біля зачиненого зворотного клапана 4 підвищує динамічний тиск в місті гальмування, коли клапан 4 відчиняється, до 10 атм., а це, в свою чергу, збільшує швидкість потоку в живильній трубі 3 до значення, перевищуючого 10 м/с [2, 4]. Приймемо найменше значення цієї швидкості v=10 м/с. Така швидкість потоку здійснить у кінці живильної труби 3 гідроудар, після якого тиск ударної хвилі, згідно з формулою (1), зросте до 130 атм. Нова відбита ударна хвиля високого тиску зі швидкістю C переміщується в зворотному напрямі і крізь відчинений нагнітальний клапан 5 і турбінний водовід 9 потрапляє у пнемогідравлічний гідроакумулятор 8. У пнемогідравлічних гідроакумуляторах з мембранним розподілом газу і рідини накопичення енергії і повернення її в систему здійснюється за рахунок енергії стислого газу (азоту або повітря). Найбільш прийнятними для корисної моделі є мембранні гідроакумулятори, які, маючи невеликі розміри, використовуються там, де потрібна швидка віддача запасеної енергії і стабілізація тиску й витрат рідини [6-9]. Зарядний тиск газу в гідроакумуляторах може досягати 100 атм. і вище, а тиск робочої рідини може стискувати газ ще більше, що в багато разів перевищує тиск газу в повітряному ковпаку гідротарана найближчого аналога [1, 3, 6, 7, 8, 9]. Під тиском ударної хвилі пружна мембрана прогинається і стискує газ. Після стиснення газу тиск рідини в гідроакумуляторі зменшиться і газ високим тиском прогинає мембрану в напрямі рідини і підвищує її тиск, видавлюючи рідину із гідроакумулятора зі збереженням її об'єму. Це дозволяє підтримувати тиск і витрати води в турбінному водоводі майже стабільними на протязі всього періоду роботи гідроударного генератора електричної енергії [6-9]. Стабільність тиску і витрат потоку є необхідною умовою стабільного обертання гідротурбіни 13. Для обґрунтування стабільності потоку рідини, розглянемо процеси стиснення і розширення газу в пнемогідравлічному гідроакумуляторі. Вказані процеси є політропними і описуються рівнянням [7]: n n P1V1 P2 V2 . (2) Для гідроакумулятора, який використовується у корисній моделі, P1 і P2 тиски газу в різні моменти часу, наприклад, P1 - найбільший тиск стиснутого газу, створений фронтом ударної хвилі рідини, що прогинає мембрану, а P2 - тиск після найбільшого розширення газу, який стискає крізь мембрану рідину, що діє на гідротурбіну. V1 і V2 - об'єми газу, у відповідні тискам миттєвості часу. В рівнянні (3) n - показник політропи, який для швидко діючих в гідроакумуляторі (адіабатних) процесів можна прийняти n=1,4. Із рівняння (3) маємо: P2 P1( V1 / V2 )n . (3) Враховуючи загасання ударної хвилі при проходженні живильної труби 3 і відчиненого нагнітального клапана 5, тиск води, що діє на мембрану гідроакумулятора 8, буде меншим ніж 130 атм. Тому й найбільший тиск стиснутого газу буде меншим. Приймемо останній P1 =100 атм. Стислий газ під тиском P1 займає об'єм V1 , менший ніж розширений до об'єму V2 з тиском P2 . Тому з підвищенням тиску P1 і розширенням газу, відношення V1 / V2 зменшується, а добуток 2 UA 98216 U P1( V1 / V2 )1,4 , при визначених умовах, може залишатися майже незмінним, що обумовлює стабілізацію тиску газу P2 (4), а тому й тиску рідини. Необхідною умовою цьому повинно бути 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 таке зменшення відношення ( V1 / V2 )1,4 при якому збільшення тиску P1 не приведе до значної зміни їх добутку. Цю умову можна виконати підбором об'ємів газової і водяної камер гідроакумулятора, а також початкового тиску газу P1 газової камери. У об'ємних гідроакумуляторів, за рахунок великого об'єму і тиску газової камери, об'єми стиснутого газу V1 і розширеного газу V2 мало змінюються [6-9]. Тобто V1 V2 . Тому, як випливає із співвідношення (4), тиск розширеного газу P2 і стиснутого ударною хвилею газу P1 будуть майже однакові. Наслідком рівності об'ємів газу є і стабільність витрат рідини. Використання вказаних гідроакумуляторів - стабілізаторів потоку дозволяє стабілізувати тиск і витрати води в турбінному водоводі 9 на протязі усього циклу роботи [6-9]. Якщо на початку в гідроакумуляторі 8 постійний тиск газу становить 50 атм., то після стиснення ударною хвилею, тиск газу підвищиться і крізь мембрану почне протидіяти рідині, тиск якої зменшився за рахунок підвищення її об'єму. В наступну мить рідина почне виходити з турбінного водоводу 9 й тиснути на гідротурбіну 11. При цьому тиск води буде підтримуватися незмінним за рахунок протидії тиску газу в гідроакумуляторі увесь час, поки нагнітальний клапан зачинений, тобто до наступної ударної хвилі, яка знову утворюється в кінці живильної труби 3, відбивається від неї і відчиняє нагнітальний клапан 5. Далі усі процеси багаторазово повторюються. Тиск рідини, що діє на лопатки турбіни, буде меншим ніж підвищений тиск газу в гідроакумуляторі 8 внаслідок протидії розширеному газу тиску стовпа води в турбінному водоводі 9. Тому подальшому стабільний тиск рідини на виході гідроакумулятора зменшиться приблизно до P =50 атм. Манометр 10 дозволяє стежити за тиском у турбінному водоводі 9. Знайдемо можливі витрати води Q, що тисне на гідротурбіну за час одного циклу T. За час відкриття нагнітального клапана уся вода, що міститься в живильній трубі 3, рухаючись з великою швидкістю ударної хвилі C, переміститься у турбінний водовід 9 і далі в гідротурбіну. Для знаходження витрат води візьмемо дані, що використовувалися для розрахунку подібного гідроударного генератора [4]. Для діаметра D =0,12 м і довжини L =2 м живильної труби, а також вважаючи тривалість одного циклу роботи T=0,12 с, знайдемо витрати води згідно формули: Q V / T (LD2 ) /( 4T ) , (4) 3 де V - об'єм води в живильній трубі. Розрахунок дає значення витратам Q =0,11 м /с. В гідроелектростанціях, коли напори води, що тисне на турбіну, великі ( H 400 м, що відповідає тискам P 40 атм.), а витрати Q невеликі, застосовують імпульсні турбіні, наприклад, турбіни Турго або Пелтона [10]. Вони прості у монтажі і керуванні, екологічно безпечні, мають високий ККД (90 %), невелику вартість і великий термін використання. В цих турбінах кінетична енергія струменя води високого тиску перетворюється при ударі по лопатці турбіни в роботу обертального руху гідротурбіни. Однак є принципіальна відмінність вказаних турбін від інших імпульсних турбін: струмінь води здійснює удар з однієї сторони ротора турбіни, а, відбиваючись від нього, виходить з протилежної сторони. Це дозволяє зібрати відпрацьовану воду у трубу відводу відпрацьованої води 16, куди поступає і вода з відчиненого відбійного клапана 6. Призначення повітряної сітки 15 - здійснити контакт з навколишнім повітрям і, таким чином, не допустити підвищення тиску в трубі 16, який може протидіяти роботі відбійного клапана 6. Гідротурбіна 12 обертає з'єднаний з нею електрогенератор 13, який і виробляє електричну енергію. Незначна частина електричної потужності (до 2 квт) електрогенератора подається за допомогою електричних провідників 20 до електронасосу 17, який перекачує усю відпрацьовану воду крізь напірний трубопровід 18 в напірний бак 1. Таким чином здійснюється замкнутий цикл циркуляції води в гідроударному електрогенераторі, що дозволяє повністю ліквідувати втрати води і, на відміну від найближчого аналога, застосовувати корисну модель в місцях, де відсутні відкрити водоймища. Маючи тиск води на вході у гідротурбіну 50 атм. (що приблизно відповідає напору в 50 м) і 3 витрати 0,11 м /с, гідроударний генератор електричної енергії зможе виробляти більш ніж 200 квт електроенергії [11]. Для керування роботою гідроударного електрогенератора використовуються ємність з рухомим толоком 14 і тягар 7 відбійного клапана 6. Якщо віддаляти тягар 7 від відбійного клапана 6, переміщуючи його вздовж осі, збільшиться обертальний момент, діючий на клапан 6, а тому цій клапан буде раніше зачинятися і пізніше відчинятися, і, навпаки, якщо відстань між тягарем 7 і відбійним клапаном 6 зменшувати. Зменшуючи об'єм ємності з рухомим толоком 14 переміщенням униз рухомого толоку, можна підвищити тиск, а тому й вихідну потужність гідроударного генератора електричної енергії. Подібні пристрої, так 3 UA 98216 U 5 10 15 20 25 30 звані зрівнювальні ємності, використовують в різних гідросистемах для зменшення сили гідроудару [4, 5]. При збільшені рухомим толоком об'єму регулюючої ємності 14, тиск і вихідна потужність корисної моделі зменшаться. Корисна модель може бути технічно реалізована з використанням існуючих конструктивних елементів і матеріалів. Враховуючи великий тиск води, діючий в живильній трубі і турбінному водоводі, ці елементи повинні виготовлятися з твердої сталі і мати підвищену товщину стінок. Всі клапани повинні розраховуватись на роботу з великими тисками й бути швидкодіючими, тобто їх тривалість спрацьовування не повинна перевищувати 0,02 с [4]. Як гідроакумулятор краще застосувати стабілізатори потоку ємністю до 25 л, розраховані на тиск рідини, не нижчий 100 атм. [9]. Гідрогенератор повинен відповідати визначеним параметрам - тиску на лопатки 3 гідротурбіни - 50 атм. (або напору в 500 м) і витратам води 0,11 м /с. Так, наприклад, при зниженні тиску до 25 атм. в корисній моделі можна застосувати гідротурбіну і електрогенератор від "МикроГЭС 200К" [11]. Електронасос корисної моделі може бути відцентровий або вісний з потужністю ~ 2 квт [5]. Джерела інформації: 1. Патент RU № 101461 МПК (2006.01) Е02В9/00, опубл. 20.01.2011. 2. Овсепян М.В. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение, 1968, 123 с. 3. Балонные гидроаккумулятори (http://www.hydac.com.ru/bladder-accumulators.html). 4. Патент UA 88309 МПК (2014.01) F24H1/00, опубл.11.03.2014, бюл. № 5. 5. Скворцов Л.С., Долгочёв Ф.Н., Викулин П.Д., Викулина В.Б. Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения. - М.: Архитектура – С. 2008,-256 с. 6. Демпферы пульсацій (http://www/flow-smooth.fi/pulsation-dampfer/index/php). 7. Описание и принцип действия пневмогидроаккумуляторов (http://www.hydac.com/ru/articlehydroaccumulftors.html). 8. Flow Smooth-Pulsation Dampeners/Pulsation Preventors (http://www.flow-smooth.com/). 9. Гидравлические демпферы и стабилизаторы потоков (http://www.hydac.com.ru/hydraulicdampers/html). 10. Турбина Турго для малых и мини ГЭС (http://elektrogenerator.net/smallhydropower/turgo turbines.html). 11. ИНСЕТ Продукция (http://www.inset.ru/r offers/Pelton.type.htm). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Гідроударний генератор електричної енергії, що містить підводну трубу, відбійний, нагнітальний і зворотній клапани, які розташовані в живильній трубі, напірний бак, напірний трубопровід, турбінний водовід, гідрогенератор, що складається з гідротурбіни і електрогенератора, який відрізняється тим, що додатково введено гідроакумулятор, манометр, ємність з рухомим толоком, трубу відводу відпрацьованої води, повітряну сітку, електронасос, з'єднувальні електричні провідники, трубу водопровідну з краном, причому нагнітальний і зворотний клапани встановлені на початку живильної труби і з'єднані між собою жорсткою зв'язкою, напірний бак виконує функції малої греблі, відбійний клапан має на центральній осі тягар. 4 UA 98216 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5
ДивитисяДодаткова інформація
МПК / Мітки
МПК: F03B 13/12
Мітки: енергії, гідроударний, генератор, електричної
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/7-98216-gidroudarnijj-generator-elektrichno-energi.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Гідроударний генератор електричної енергії</a>
Наступний патент: Спосіб моделювання виразок шлунка
Випадковий патент: Сполука n-феніл-3-(уридин-2'-тіо-4'-гідроксі-6'-аміно)-сукцинімід, яка має потенційну фізіологічну властивість