Способ получения экологически чистой механической энергии вращения и устройство для его осуществления б.ф.кочеткова

 

Использование: изобретение предназначено для получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях, гравитационного взаимодействия и гидростатических сил. Сущность: равномерно по окружности установленного с возможностью свободного вращения погруженного в морскую воду ротора 1 установлены связанные с грузами 2 и поплавками 3 теплочувствительные элементы (ТЭ) 4, осуществляющие перемещение грузов и поплавков во взаимно противоположных радиальных направлениях при изменении температуры окружающей морской воды, что обеспечивается созданием с противоположных боковых сторон ротора зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий ротор верхний слой воды, а вторая образована камерой 5, которая связана при помощи насоса 7 с верхней частью трубопровода 6, опущенного в глубинные холодные слои морской воды. Вращение ротора осуществляется за счет моментов сил F, создаваемых грузами и поплавками при разных расстояниях R₁ и R₂ их по разную строну от оси 0 в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к экологически чистым способам получения механической энергии вращения с комплексным использованием разности температур морской воды на разных ее уровнях, гравитационного взаимодействия и гидростатических сил без расходования каких-либо топливно-энергетических ресурсов и к устройствам по осуществлению этого способа. Изобретение может быть применено в качестве стационарного источника механической энергии вращения с возможностью преобразования ее в электрическую энергию.

Известен способ использования сил тяготения для создания вращательного движения, при котором производят управляемое опускание груза, связанного с рабочим колесом при помощи гибкой связи. Этот способ осуществляется, в частности, в механических часах с гиревым приводом (см. Краткий политехнический словарь, Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1955, с.1052-1053).

Известен способ преобразования гравитационной и тепловой энергии в механическую энергию вращения, заключающийся в том, что производит изменение центра тяжести теплочувствительных элементов, равномерно установленных по окружности ротора с последовательным чередующимся их перемещением через зоны нагрева и охлаждения, в качестве грузов применяются твердые массивные тела, кинематически соединенные с приводами, ротор полностью погружен в воду, в которой нижние и верхние соли имеют разную температуру и являются зонами охлаждения и нагрева, причем нагрев и охлаждение приводов осуществляется за счет забора воды внутрь них при прохождении по окружности через эти зоны (SU, авторское свидетельство 1307084, кл. F 03 G 7/06, 1987).

Устройство по осуществлению указанного способа преобразования энергии содержит основание, на котором установлен ротор, выполненный в виде погруженного в воду колеса, на ободе которого равномерно по окружности в камерах размещены связанные с грузами теплочувствительные элементы, камеры снабжены клапанами впуска и выпуска жидкости из зон нагрева и охлаждения, при этом теплочувствительные элементы выполнены в виде приводов, соединенных с грузами с возможностью перемещения их в радиальном направлении, а на основании на траектории движения камер размещены механизмы управления впускных и выпускных клапанов, установленные попарно в зонах нагрева и охлаждения с обоих сторон от вертикали, проходящей через ось ротора.

Известен также способ комплексного преобразования гравитационной, гидростатической и тепловой энергии в механическую энергию вращения, заключающийся в том, что производят радиальные перемещения теплочувствительных элементов, создающих вращающий момент и установленных на одинаковом расстоянии друг от друга в направлении вращения, с погружением их в жидкость и с последовательным чередующимся перемещением через зоны нагрева и охлаждения, в качестве теплочувствителоьных элементов применяют приводы, которые связывают с грузами и поплавками с возможностью перемещения их во взаимно противоположных радиальных направлениях и направлениях относительно вертикали, проходящей через ось применяемого ротора, который вместе с теплочувствительными элементами, грузами и поплавками целиком погружают в воду, в которой верхние и нижние слои имеют разную температуру нагрева и являются зонами нагрева и охлаждения, при этом вертикально ориентированное пространство у наружных участков ротора изолируют при помощи неподвижных перегородок от окружающей среды и оставляют в этих перегородках свободные проемы в верхних и нижних частях с возможностью свободного движения через них при вращении ротора термочувствительных элементов, грузов и поплавков, а вместе с ними и воды в вертикальном направлении (US, патент 2513692, кл. F 03 G 7/06, 1950).

Известно также устройство для комплексного преобразования гравитационной, гидростатической и тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее зоны нагрева и охлаждения, включающие жидкую среду, установленный на основании ротор, на котором равномерно по замкнутой кривой размещены термочувствительные элементы, которые выполнены в виде приводов, связанных с грузами и поплавками с возможностью перемещения их во взаимно противоположных радиальных направлениях и направлениях относительно вертикали, проходящей через ось ротора, ротор вместе с приводами, грузами и поплавками погружен в воду, в которой верхний и нижние слои имеют разную температуру и являются зонами нагрева и охлаждения, вдоль обеих наружных боковых сторон ротора установлены неподвижные вертикально направленные перегородки в виде труб с открытыми проемами в верхней и нижней частях, с возможностью свободного прохода через них проводов вместе с грузами, поплавками и окружающей их и находящейся в трубах водой при вращении ротора, верхние и нижние проемы труб находятся соответственно в зонах нагрева и охлаждения.

Недостатками указанного способа комплексного преобразования гравитационной, гидростатической и тепловой энергии и соответствующего устройства является сложность их осуществления при условии использования в качестве источника энергии разности температур морской воды на различной глубине, большие размеры применяемого при этом ротора и других подвижных элементов, которые не могут быть менее 100-150 м, и связанная с этим трудоемкость и большая стоимость их создания, значительное гидравлическое сопротивление вращению ротора при больших его размерах, а также сложность эксплуатации и ремонта в связи с расположением значительной части ротора в воде на глубинах с давлением в 10-15 и более раз превышающем атмосферное давление.

Предлагаемое изобретение по способу и его осуществлению обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в получении дешевой экологически чистой механической энергии вращения, упрощении процесса получения энергии и соответствующего устройства, уменьшении размеров и материалоемкости, а также в снижении эксплуатационных расходов и затрат на проведение ремонтных работ. При использовании неисчерпаемого источника тепловой энергии морской воды обеспечивается получение механической энергии практически в режиме вечного двигателя, т.е. без затрат каких-либо топливно-энергетических и материальных ресурсов. Получаемая механическая энергия вращения может быть преобразована известным путем в электрическую энергию. Применение изобретения может способствовать совершенствованию топливно-энергетического комплекса, на расширение которого в промышленно развитых странах затрачивается до 30% всех капиталовложений и в котором занято до 20% всех работающих (см. Политехнический словарь, изд. Советская энциклопедия, Москва, 1980, с. 532).

Указанный технический результат по способу достигается тем, что применяют погруженный в воду с возможностью свободного вращения ротор, на котором устанавливают равномерно по окружности связанные с грузами и/или поплавками приводы, содержащие теплочувствительные элементы, которые при нахождении их с противоположных сторон ротора в зонах нагрева и охлаждения соответственно нагревают или охлаждают, за счет этого перемещают грузы и поплавки во взаимно противоположных радиальных направлениях, при этом создают у ротора неуравновешенное относительно оси положение, за счет чего приводят его во вращение под действием гравитационных и гидростатических сил и обеспечивают поочередное прохождение теплочувствительных элементов через зоны нагрева и охлаждения, при этом теплочувствительные элементы охлаждают низкотемпературной морской водой, которую при помощи трубопровода с применением насоса подают в зону охлаждения из глубинных слоев, а нагревание указанных элементов производят в зоне нагрева более теплой морской водой из ее поверхностных слоев.

Устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения содержит размещенные в воде зоны нагрева и охлаждения, установленный на основании с возможностью свободного вращения погруженный в воду ротор, на котором равномерно по окружности установлены приводы, содержащие теплочувствительные элементы и связанные с ними грузы и/или поплавки с возможностью перемещения во взаимно противоположных для грузов и поплавков радиальных направлениях при изменении температуры нагрева теплочувствительных элементов при прохождении ими зон нагрева и охлаждения, зона охлаждения выполнена в виде установленной вдоль одной из боковых сторон ротора отгороженной от окружающей среды камеры с проемами в верхней и нижней частях для свободного прохода теплочувствительных элементов, грузов и поплавков при вращении ротора, которая при помощи трубопровода и с применением насоса связана с глубинными слоями низкотемпературной морской воды, а зоной нагрева является окружающий другую боковую сторону ротора поверхностный слой морской воды с более высокой температурой.

Теплочувствительные элементы приводов выполнены в виде пластин, каждая из которых радиально прикреплена одним концом к ободу ротора, а к другому свободному концу перпендикулярно плоскости пластины прикреплен несущий стержень, концы которого направлены вдоль оси ротора в противоположные стороны от пластин, к каждому концу стержня прикреплен или груз, или поплавок, при этом теплочувствительные пластины расположены в плоскости, перпендикулярной оси ротора, а все грузы и все поплавки размещены на стержнях соответственно только со стороны или активных, или пассивных сторон этих пластин.

Стенки трубопровода выполнены из материала с малой теплопроводностью и/или имеют теплоизоляционное покрытие.

Трубопровод свободно сообщается в нижней своей части с окружающими глубинными слоями морской воды, а его верхняя часть при помощи насоса связана с камерой с возможностью подачи в нее низкотемпературной воды из трубопровода и использованием при этом возможности подъема воды по трубопроводу из глубинных ее слоев как по сообщающемуся сосуду по отношению к окружающей воде.

Ротор, трубопровод и камера посредством несущих элементов соединены с основанием в виде связанного с якорями понтона или установлены при помощи опор на грунтовом основании.

На фиг. 1 проиллюстрирован способ получения экологически чистой механической энергии вращения и дан общий вид устройства по его осуществлению; на фиг. 2 показано осевое сечение А-А на фиг.1 ротора и камеры горизонтальной секущей плоскостью.

Возможность получения экологически чистой механической энергии вращения за счет преобразования тепловой энергии морской воды обусловлена естественной разностью температур ее поверхностных и глубинных слоев. Океан и его моря являются неиссякаемыми источниками энергии. Среднегодовая температура поверхностных вод океана равна 17,5^oС, а у экватора до 28^oС. При этом сезонные колебания температуры наблюдаются до глубины 100-150 м и в придонных слоях она постоянна и составляет примерно 1,5^oС. Следовательно, средний перепад температуры нагрева вод Мирового океана между поверхностными и глубинными слоями составляет 16,0^oС и максимальный до 26,5^oС (см. Советский энциклопедический словарь, М. Советская энциклопедия, 1987, с. 920-921). Эта разность температур разных слоев морской воды позволяет применять преобразователи тепловой энергии в механическую энергию вращения с использованием гравитационного взаимодействия и гидростатических выталкивающих сил.

Способ получения экологически чистой механической энергии вращения заключается в том, что применяют погруженный в морскую воду с возможностью свободного вращения вокруг оси 0 ротор 1, на ободе которого равномерно по окружности устанавливают связанные с грузами 2 и/или поплавками 3 приводы, содержащие теплочувствительные элементы 4. Одну из боковых сторон ротора вместе с грузами 2, поплавками 3 и теплочувствительными элементами 4 располагают в зоне охлаждения, которую создают при помощи охватывающей эту часть ротора камеры 5, в верхней и нижней частях которой имеются проемы для свободного прохода указанных грузов, поплавков и теплочувствительных элементов при вращении ротора. Другую боковую сторону ротора помещают в зону нагрева, которой является окружающий ротор поверхностный слой морской воды. В камеру 5 при помощи трубопровода 6 и с использованием насоса 7 подают холодную воду из глубинных слоев водоема. При этом насос 7 перемещает воду из трубопровода 6 в камеру 5 в направлении, близком к горизонтальному, а подъем воды по трубопроводу из глубинных ее слоев происходит за счет гидростатического давления, поскольку трубопровод является сообщающимся сосудом по отношению к окружающей воде. Это сводит к минимуму затраты энергии на подъем холодной воды из глубинных слоев к камере ротора. Используя воду с разной температурой в зонах нагрева и охлаждения, изменяют радиальные размеры или форму теплочувствительных элементов при расположении их по разную сторону относительно вертикали, проходящей через ось 0 ротора, и перемещают грузы и поплавки во взаимно противоположных радиальных направлениях. При этом за счет действия на грузы и поплавки соответственно гравитационных и выталкивающих сил F при разных направлениях и плече R₁ или R₂ действия этих сил относительно оси 0 и проходящей через нее вертикали В-В, ротор выводят из равновесного положения и приводят его во вращение под действием указанных сил F. При вращении ротора обеспечивают последовательное чередующееся прохождение теплочувствительными элементами зон нагрева и охлаждения с соответствующим изменением их теплового расширения и радиальных перемещений грузов и поплавков во взаимно противоположных направлениях, за счет чего поддерживают постоянное вращение ротора. В связи с неисчерпаемостью возможностей теплообмена между поверхностными и глубинными слоями морской воды описываемый способ получения механической энергии вращения будет осуществляться практически в режиме вечного двигателя, т.е. обеспечивать получение механической энергии без затрат каких-либо топливных и материальных ресурсов и без отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.

Указанный способ получения механической энергии вращения может быть осуществлен в устройстве, примерное выполнение которого в общем виде приведено на фиг.1 и 2.

Устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения содержит полностью погруженный в верхние слои морской воды ротор 1, установленный с возможностью свободного вращения вокруг оси 0. На ободе ротора равномерно по окружности установлены связанные с грузами 2 и/или поплавками 3 приводы, которые содержат теплочувствительные элементы в виде, например, термобиметаллических пластин 4, каждая из которых радиально прикреплена одним концом к ободу ротора, а к другому свободному концу которой перпендикулярно плоскости пластины прикреплен несущий стержень 8, концы которого направлены вдоль оси 0-0 ротора в противоположные стороны от пластины. К каждому концу стержня 8 прикреплен или груз, или поплавок 3 с размещением их всех соответственно по одну из сторон от плоскости ротора, перпендикулярной его оси. С этой же плоскостью совмещены плоскости теплочувствительных пластин. Одна из сторон по окружности ротора отгорожена от окружающей среды при помощи изогнутых вдоль обода ротора стенок, образующих проточную камеру 5, в верхней и нижней частях которой выполнены проемы для свободного прохода теплочувствительных элементов 4, грузов 2 и поплавков 3 при вращении ротора. Верхняя часть камеры 5 при помощи патрубка 9 и насоса 7 связана с трубопроводом 6, который свободно сообщается в нижней своей части с глубинными слоями холодной морской воды, а верхняя его часть находится выше уровня морской воды и с ней не сообщается. Соединение патрубка 9 с камерой 5 выполнено с возможностью подачи воды в ее полость в направлении, исключающем всасывание в полость камеры окружающей теплой воды из ее поверхностного слоя. В данном конкретном случае, приведенном на фиг.1, это достигается направлением струи воды из патрубка 9 в полость камеры 5 сверху вниз вдоль радиуса ротора. Стенки трубопровода 6 выполнены из материала с малой теплопроводностью и/или имеют теплоизолированное покрытие. Все устройство в целом в составе ротора 1, камеры 5, трубопровода 6, насоса и других связанных с ними частей соединены посредством несущих элементов 10 (балки, стержни, тросы и др.) с основанием в виде понтона 11, который удерживается на месте якорями, или установлены при помощи опор (не показаны) на грунтовом основании. Вал 12 ротора может быть связан с электрогенератором. Зоной охлаждения у приведенного устройства является полость камеры 5, а зоной нагрева окружающий ротор поверхностный слой морской воды.

Устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения работает следующим образом.

В качестве исходного условия принимается, что ротор 1 находится в поверхностном слое морской воды с одинаковой температурой Т₂, превышающей температуру Т₁ воды в глубинных ее слоях, где размещена нижняя оконечность трубопровода 6. Для начала работы устройства приводится в действие за счет внешнего источника энергии насос 7, откачивающий воду из верхней части трубопровода. Вода при этом движется по горизонтальному патрубку 9, поэтому затраты энергии на ее перемещение будут минимальными. Трубопровод открыт в нижней своей части, а верхняяего часть находится выше уровня воды, поэтому он является сообщающимся сосудом для окружающей воды. Известно, что в сообщающихся сосудах уровни жидкости устанавливаются на одинаковой высоте без затрат энергии от внешних источников (см. Физический энциклопедический словарь, М. Советская энциклопедия, 1984, с. 699). В связи с этим при работе насоса 7 в трубопроводе под действием гидростатического давления окружающей воды возникает направленный вверх поток низкотемпературной воды из глубинных ее слоев. После заполнения этой холодной водой трубопровода, она при помощи насоса будет подаваться в камеру 5 и двигаться в ее полости сверху вниз, как имеющая больший удельный вес по сравнению с окружающей камеру более теплой водой из ее поверхностного слоя. При этом теплочувствительные элементы в виде пластин 4, расположенные на ободе ротора 1 по разную сторону от вертикали В-В, будут находиться в воде с разной температурой Т₁ в пределах камеры и T₂ вне камеры. Это приведет в данном случае (фиг.2) к изгибу пластин, находящихся в пределах камеры и вне камеры, в противоположные стороны с соответствующим перемещением грузов 2 и поплавков 3 в радиальных направлениях. Грузы 2 в пределах камеры будут отстоять от оси 0 ротора на большем расстоянии R₂ по сравнению с расстоянием R₁ от оси поплавков 3. Вне камеры в более теплой воде поверхностного слоя (на фиг.1 и 2 слева от оси 0 и вертикали В-В) благодаря изгибу теплочувствительных пластин в другую сторону поплавки будут находиться на большем расстоянии R₂ от оси 0, а грузы - на меньшем расстоянии R₁. Эти расстояния R₂ и R₁ являются плечами действия сил F для поплавков и грузов, создающих вращающие моменты R₂F и R₁F относительно оси 0 ротора. Для упрощения анализа принимается, что силы F тяжести и выталкивающие силы F, воздействующие соответственно на грузы и поплавки, равны по величине. В то же время эти силы противоположно направлены. Пара грузов, расположенная по горизонтали по разную сторону от оси 0, создаст суммарный вращающий момент R₂F R₁F, направленный по часовой стрелке. Точно так же пара поплавков создаст такой же суммарный вращающий момент R₂F R₁F в том же направлении. Другие грузы и поплавки будут воздействовать на ротор аналогичным образом. Под воздействием этих вращающих моментов ротор выводится из равновесного положения и приводится во вращение и это вращательное движение поддерживается постоянно в связи с разной температурой воды в камере 5 и вне ее. При этом принимается во внимание, что изменение температуры термобиметаллических пластин 4 в воде происходит быстро, поэтому грузы и поплавки, расположенные по разную сторону от вертикали В-В, при вращении ротора постоянно будут поддерживать у него неравновесное положение. Для полной согласованности по времени изменения кривизны пластин и прохождении ими при вращении ротора вертикали В-В, камера может быть сдвинута по окружности на некоторый угол в направлении, противоположном вращению ротора, что изображено на фиг.1. С началом вращения ротора он приводит в действие насос 7, устройство перестает потреблять энергию со стороны и является само источником механической энергии вращения. Размещение теплочувствительных пластин в плоскости, перпендикулярной оси 0-0 ротора, полностью или в значительной мере устраняет изгибающие нагрузки на эти пластины под влиянием указанных выше сил F при расположении пластин на горизонтали или вблизи нее, когда эти силы создают наибольшие по величине вращающие моменты, что повышает нагрузочную способность устройства. С началом работы ротора устройство работает практически в режиме вечного двигателя, поскольку оно, не потребляя никаких топливно-энергетических ресурсов, постоянно выдает экологически чистую механическую энергию вращения за счет неисчерпаемой энергии Мирового океана.

Формула изобретения

1. Способ получения экологически чистой механической энергии вращения, заключающийся в том, что применяют установленный с возможностью свободного вращения ротор, снабженный размещенными равномерно по окружности теплочувствительными элементами, которые при нахождении их с противоположных относительно оси ротора сторон соответственно нагревают или охлаждают, при этом изменяют их форму и создают у ротора неуравновешенное относительно оси положение, за счет чего приводят ротор во вращение и обеспечивают поочередное прохождение теплочувствительных элементов через зоны нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что к целиком погруженному в воду ротору, у которого зоны нагрева и охлаждения размещены по разную сторону от проходящей через ось вертикали, подъем холодной воды из глубинных ее слоев осуществляют по открытому в нижней и верхней части трубопроводу, как по сообщающемуся относительно окружающей воды сосуду, при этом обеспечивают перемещение воды при помощи насоса из верхней части трубопровода в зону охлаждения в горизонтальном направлении при минимальном расходовании энергии и за счет этого создают в пределах зоны охлаждения непрерывно движущийся сверху вниз поток холодной воды, а в качестве зоны нагрева используют окружающую теплую воду, в которой размещена другая часть ротора, при этом в совокупности обеспечивают вращение ротора за счет обмена теплом между зонами нагрева и охлаждения с использованием воздействующих на грузы гравитационных и выталкивающих поплавки гидростатических сил.

2. Устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения, содержащее зоны нагрева и охлаждения, установленный с возможностью свободного вращения ротор, на котором равномерно по окружности размещены теплочувствительные элементы, связанные с поплавками с возможностью их перемещения в радиальных направлениях при изменении температуры нагрева в связи с прохождением теплочувствительными элементами зон нагрева и охлаждения при вращении ротора, отличающееся тем, что ротор целиком погружен в воду, зоны нагрева и охлаждения размещены с противоположных сторон от вертикали, проходящей через ось ротора, при этом зоной нагрева является окружающая ротор вода, а зона охлаждения, изолированная при помощи перегородок от окружающей теплой воды, сообщается посредством горизонтально направленной трубы и насоса с верхней частью опущенного в нижние холодные слои воды открытого снизу и сверху и выполненного в виде сообщающегося с окружающей водой трубопровода, теплочувствительные элементы дополнительно связаны с грузами с обеспечением одновременного перемещения поплавков и грузов в противоположных радиальных направлениях относительно оси ротора при изменении температуры в связи с поочередным прохождением этих элементов зон нагрева и охлаждения при вращении ротора, что обеспечивается за счет обмена тепловой энергией между зонами нагрева и охлаждения с использованием воздействующих на грузы гравитационных и выталкивающих поплавки гидростатических сил.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что теплочувствительные элементы выполнены в виде пластин из материала, обеспечивающего изменение формы пластины при разной температуре нагрева, каждая из пластин радиально прикреплена одним концом к ободу ротора, а к другому свободному концу перпендикулярно плоскости пластины прикреплен средней своей частью несущий стержень, направленный вдоль оси ротора, к противоположным относительно пластины концам стержня прикреплен или груз, или поплавок, при этом пластины расположены в плоскости, перпендикулярной оси ротора, а все грузы и все поплавки размещены на стержнях соответственно только с одной стороны от пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2