Машина для преобразования энергии воды

 

Использование: в гидроэнергетике, в частности в машинах для преобразования энергии воды. Сущность изобретения: машина включает пару "цилиндр-поршень", один из элементов которой закреплен на опоре, а другой расположен на поверхности воды посредством связанного с ним поплавка. Цилиндр содержит входное и выходное отверстия для связи с емкостью, в которой размещено устройство для дальнейшей передачи энергии. Поршень закреплен на опоре. Поплавок установлен на внешней поверхности цилиндра. Емкость выполнена в виде ресивера, связанного с входным и выходным отверстиями цилиндра через клапаны. Машина содержит перемычку для разделения объема воды на две части с различным ее уровнем. Со стороны более высокого уровня воды размещены цилиндр, поршень и канал. Канал содержит на входе и выходе подвижные перегородки. Выход канала выполнен в виде отверстия, расположенного в нижней части перемычки. Вход канала расположен ниже уровня воды. Верхняя часть канала жестко связана с цилиндром и соединена с торцами входа и выхода канала и его стенками посредством упругой мембраны. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство относится к машинам для преобразования энергии воды, в частности, существующей за счет образования разницы в ее уровнях в двух соседних емкостях или водоемах.

Известна машина для преобразования энергии воды, включающая пару цилиндр-поршень, один из элементов которой закреплен на опоре, а другой расположен на поверхности воды посредством связанного с ним поплавка, при этом цилиндр содержит входное и выходное отверстия для связи с емкостью, в которой размещено устройство для дальнейшей передачи энергии. На опоре закреплен цилиндр, а поршень расположен на поверхности воды посредством связанного с ним поплавка. В качестве устройства для преобразования и дальнейшей передачи энергии машина содержит гидротурбину. Данная машина принципиально может быть использована для преобразования энергии воды, существующей за счет разницы в ее уровнях в двух соседних емкостях (водоемах).

Недостатком этого устройства является низкий коэффициент полезного действия (не более 50% за счет уменьшения эффективной сжимающей силы из-за частичного погружения поршня в воду).

Была поставлена задача создания такого устройства для преобразования энергии воды, которое имело бы повышенный коэффициент полезного действия.

Данная задача была решена настоящим изобретением.

В машине для преобразования энергии воды, включающей пару цилиндр-поршень, один из элементов которой закреплен на опоре, а другой расположен на поверхности воды посредством связанного с ним поплавка, при этом цилиндр содержит входное и выходное отверстия для связи с емкостью, в которой размещено устройство для дальнейшей передачи энергии, согласно изобретению, поршень закреплен на опоре, а поплавок установлен на внешней поверхности цилиндра, емкость выполнена в виде ресивера, связанного с входным и выходным отверстиями цилиндра через клапаны, машина содержит перемычку для разделения объема воды на две части с различным ее уровнем, причем со стороны более высокого уровня воды размещены цилиндр, поршень и канал, содержащий на входе и выходе подвижные перегородки, причем выход канала выполнен в виде отверстия, расположенного в нижней части перемычки, вход расположен ниже уровня воды, а верхняя часть канала жестко связана с цилиндром и соединена с торцами входа и выхода канала и его стенками посредством упругой мембраны.

В предпочтительном варианте выполнения машины устройство для дальнейшей передачи энергии выполнено в виде последовательно установленных с возможностью связи с потребителем тепла сильфонной коробки и теплообменника.

В предпочтительном варианте выполнения машины цилиндр и/или ресивер хотя бы частично заполнены рабочей жидкостью (например, маслом или водой).

Поплавок предпочтительно установлен облегчающим внешнюю боковую поверхность цилиндра.

В верхней части цилиндра предпочтительно расположен материал с высокой теплопроводностью с возможностью легкого проникновения рабочей жидкости в его объем.

В качестве материала с высокой теплопроводностью машина может содержать, например, смятую металлическую проволоку.

Закрепление поршня на опоре позволяет осуществлять контакт верхней части цилиндра с воздухом, что, в свою очередь, позволяет засасывать его в цилиндр и затем сжимать, подавая в цилиндр во время работы машины.

Установка поплавка на внешней поверхности цилиндра позволяет удерживать цилиндр, по крайней мере, его верхнюю часть на поверхности воды и, тем самым, дает возможность воздуху проходить через клапан в цилиндр во время работы машины.

Выполнение емкости в виде ресивера (баллона для сжатого воздуха) позволяет подавать сжатый воздух потребителю.

Связь ресивера с входным и выходным отверстиями цилиндра позволяет обеспечить накачку его воздухом, а также перетекание рабочей жидкости из ресивера в цилиндр и обратно.

Перемычка позволяет разделить объем воды на две части и поддерживать в них различный уровень, чтобы затем использовать энергию воды, накопленную за счет разницы уровней.

В качестве объема воды может быть использован как искусственный водоем, так и естественный, например, река. В последнем случае роль перемычки может выполнять, в частности, плотина.

Канал, размещенный со стороны более высокого уровня воды, предназначен для осуществления связи между разделенными перемычкой частями объема воды. Эта связь осуществляется путем открывания (закрывания) подвижных перегородок, расположенных на входе и выходе канала. Закрывая одну перегородку и открывая другую, можно изменять давление в канале. Изменение давления в канале необходимо для осуществления работы машины.

Расположение входного и выходного отверстий канала в нижней части объема воды позволяет наиболее эффективно использовать при работе машины разность давлений воды в двух частях ее объема.

Верхняя часть канала выполнена подвижной, так как она соединена герметично с торцами входа и выхода канала и его стенками посредством упругой мембраны. Верхняя часть канала является органом машины, воспринимающим разность давлений воды в двух частях ее объема при определенном положении перегородок канала. Меняя положение перегородок, можно менять воздействующее на верхнюю часть канала давление и тем самым вызывать ее движение. Так как верхняя часть канала жестко связана с цилиндром, при ее движении приходит в движение и цилиндр, что приводит к совершению машиной рабочих циклов.

Канал может быть любой формы. В приведенном на фиг. 1 конкретном примере он выполнен имеющим вертикально установленные боковые цилиндрические стенки.

Рабочая жидкость позволяет передавать выделяющееся в процессе сжатия газа тепло в ресивер. Наличие в ресивере сильфонной коробки позволяет при изменении давления в ресивере (его пульсации) перекачивать находящийся в контуре, содержащем сильфонную коробку и теплообменник, теплоноситель и тем самым передавать тепло потребителю (отсутствие специального насоса для перекачки теплоносителя повышает к.п.д. машины).

Если поплавок установлен облегчающим внешнюю боковую поверхность цилиндра, это улучшает его теплоизоляцию, что в конечном счете повышает к.п.д. машины.

Если в верхней части цилиндра расположен материал с высокой теплопроводностью с возможностью легкого проникновения рабочей жидкости в его объем (например, обладающий высокой пористостью), в частности, смятая металлическая проволока, сжатие газа в цилиндре происходит практически изотермично, что способствует повышению к.п.д. машины.

Заявленная машина отличается от известной тем, что поршень закреплен на опоре, а поплавок установлен на внешней поверхности цилиндра, емкость выполнена в виде ресивера, связанного с входным и выходным отверстиями цилиндра через клапаны, машина содержит перемычку для разделения объема воды на две части с различным ее уровнем, причем со стороны более высокого уровня воды размещены цилиндр, поршень и канал, содержащий на входе и выходе подвижные перегородки, причем выход канала выполнен в виде отверстия, расположенного в нижней части перемычки, вход расположен ниже уровня воды, а верхняя часть канала жестко связана с цилиндрами и соединена с торцами входа и выхода канала и его стенками посредством упругой мембраны. Таким образом, заявленное устройство удовлетворяет условию патентоспособности изобретения "новизна".

В патентной и научно-технической литературе не описано использование для опускания-поднятия рабочего цилиндра в устройстве для преобразования энергии воды связанного с цилиндром объекта, представляющего собой верхнюю часть канала, соединяющего емкости с разным уровнем воды. Таким образом, заявленное устройство удовлетворяет условию патентоспособности изобретения "промышленная применимость".

Конкретный пример выполнения устройства показан на фиг. 1 и на фиг. 2.

На фиг. 1 показана общая схема машины.

На фиг. 2 изображена зависимость разницы давлений (ΔP), испытываемых верхней частью канала, от вертикальной координаты этой части канала (h).

Машина содержит перемычку-плотину 1, конический диск 2, снабженный диафрагмой 3, поплавок 4, установленный облегающим внешнюю боковую поверхность цилиндра компрессора 5. Канал 6, расположенный в нижней части водоема со стороны более высокого уровня воды, имеет на входе и выходе подвижные перегородки 7 и 8. Перемычка 8 служит для перекрывания отверстия, расположенного в нижней части плотины 1, а перемычка 7 для перекрывания входа канала.

Компрессор 5 содержит цилиндр 9, жестко соединенный с верхней частью канала, функцию которого выполняет конический диск 2. Цилиндр содержит входной 10 и выходной 11 клапаны. Поршень 12 закреплен на неподвижном, вмонтированном в дно канала 6, стержне 13. Функцию поршня 12 может выполнять также диафрагма. В верхней части цилиндра 9 расположена набивка 14 смятая металлическая проволока.

На неподвижной опоре закреплен ресивер 15. В нижней части ресивера 15 размещены сильфонная коробка 16 с обратным клапаном и теплообменником 17, связанные с внешним потребителем 18 тепла через шланги 19.

Верхняя зона ресивера 15 соединена через шланг 20 с выходным клапаном 11 компрессора 5. Нижняя часть ресивера через вентиль 21 и шланг 22 соединена с внутренним объемом цилиндра 9 компрессора 5 в зоне размещения набивки 14.

Внутренний объем цилиндра компрессора в начальный момент полностью заполнен рабочей жидкостью 23.

Устройство работает следующим образом.

В начальном положении сжатия диск 2 поднят за счет действия поплавка 2, поршень 12 выдвинут. Цилиндр 9 в зоне набивки 14 заполнен через клапан 10 атмосферным воздухом. Клапан 8 открывается, 7 закрывается. Под диском 2 устанавливается давление воды нижнего бьефа, , над диском 2 верхнего бьефа P₁, причем в течение опускания диска 2 разность давлений, а следовательно, и сила перемещения постоянна, что видно из графика, изображенного на фиг. 2 (ΔP = const). С другой стороны, требуемая сила сжатия возрастает по мере перемещения поршня 12. В предлагаемом устройстве в начальный момент времени работа распределяется между сжатием газа и разгоном воды в выходной части канала 6. По мере роста давления в цилиндре 9 компрессора 5 сопротивление перемещения диска 2 возрастает и скорость перемещения снижается.

За счет торможения столба жидкости в канале 6 под диском 2 образуется пониженное давление , что позволяет вернуть работу, ранее затраченную на разгон воды.

Использование кинетической энергии жидкости позволяет, с одной стороны, согласовать усилия сжатия газа и давление жидкости, а с другой стороны, уменьшить время переходных процессов, увеличить производительность устройства.

По мере перемещения цилиндра 9 компрессора 5 поршень 12 вдвигается, вытесняя жидкость 23 внутрь набивки 14; воздух, находящийся в зазорах между проволокой, сжимается. Выделяемое тепло передается набивке 14, в результате чего сжатие происходит изотермически. По мере заполнения объема набивки 14 жидкость снимает с нее накопленное тепло.

При достижении воздухом давления ресивера 15 открывается клапан 11 и сжатый воздух поступает через шланг 20 в ресивер 15, при дальнейшем вдвигании поршня 12 после полного вытеснения сжатого воздуха часть рабочей жидкости также поступает в ресивер 15. Из ресивера 15 сжатый воздух непрерывно подается потребителю 18, рабочая жидкость охлаждается, передавая тепло в теплообменнике 17, и через вентиль 21 и шланг 22 во время всасывания воздуха возвращается в цилиндр компрессора 19.

Вспомогательный теплоноситель перекачивается потребителю 18 за счет сжатия и расширения сильфонной трубки коробки 16 пульсациями рабочей жидкости и нагреве ее в теплообменнике 17.

Введение жидкости в поршневой компрессор позволило снизить работу сжатия за счет реализации изотермического процесса, устранить мертвые объемы, а следовательно, реализовать любую степень сжатия, отвести тепло сжатия потребителю и адаптировать процесс сжатия к изменению хода поршня либо к смещению его среднего положения.

После окончания сжатия положение задвижек 7 и 8 изменяется на противоположное. Диск 2 поднимается за счет действия поплавка 4, объем канала 6 под диском 2 заполняется водой через его вход (P₂ P₁). Цикл замыкается.

Заявленная машина за счет описанных выше преимуществ имеет более высокий коэффициент полезного действия (на 40% больше, чем известная).

Формула изобретения

1. Машина для преобразования энергии воды, включающая пару цилиндр - поршень, один из элементов которой закреплен на опоре, а другой расположен на поверхности воды посредством связанного с ним поплавка, при этом цилиндр заполнен рабочей жидкостью и содержит входное и выходное устройства для дальнейшей передачи энергии, отличающаяся тем, что поршень закреплен на опоре, а поплавок установлен на внешней поверхности цилиндра, емкость выполнена в виде ресивера, связанного с входным и выходным отверстиями цилиндра через клапаны, машина содержит перемычку для разделения объема воды на две части с различным ее уровнем, причем со стороны более высокого уровня воды размещены цилиндр, поршень и канал, содержащий на входе и выходе подвижные перегородки, причем выход канала выполнен в виде отверстия, расположенного в нижней части перемычки, вход расположен ниже уровня воды, а верхняя часть канала жестко связана с цилиндром и соединена с торцами входа и выхода канала и его стенками посредством упругой мембраны.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что устройство для дальнейшей передачи энергии выполнено в виде последовательно установленных с возможностью связи с потребителем тепла сильфонной коробки и теплообменника.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что цилиндр и/или ресивер частично заполнены рабочей жидкостью.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поплавок установлен облегчающим внешнюю боковую поверхность цилиндра.

5. Машина по пп.1 4, отличающаяся тем, что в верхней части цилиндра расположен материал с высокой теплопроводностью с возможностью проникновения рабочей жидкости в его объем.

6. Машина по п.5, отличающаяся тем, что в качестве материала с высокой теплопроводностью она содержит смятую металлическую проволоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2