СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА Российский патент 1997 года по МПК F03G7/05 F03G7/06 

Изобретение относится к экологически чистым способам получения механической энергии вращения без расходования каких-либо топливно-энергетических ресурсов и к осуществлению этого способа. Изобретение может быть применимо 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 производят изменение центра тяжести теплочувствительных элементов, равномерно установленных по окружности погруженного в жидкость ротора с последовательным чередующимся их перемещением через зоны нагрева и охлаждения. В качестве грузов применяют твердые тела, кинематически соединенные с приводом (см. US, патент N 2513692, кл. F 03 G 7/06, 1950).

Устройство по осуществлению указанного способа преобразования гравитационной и тепловой энергии в механическую энергию вращения содержит основание, на котором установлен ротор, выполненный в виде колеса, на ободе которого равномерно по окружности размещены теплочувствительные элементы, связанные с грузами, зоны нагрева и охлаждения. При этом теплочувствительные элементы выполнены в виде привода, связанного с грузами с возможностью перемещения их в радиальном направлении и установленного в камерах.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в получении экологически чистой механической энергии вращения с возможностью преобразования ее в электрическую энергию при одновременном уменьшении трудоемкости и стоимости ее получения.

Указанный технический результат по способу получения экологически чистой механической энергии вращения достигается тем, что для механических перемещений используют тепловое расширение тел, выполненных в виде теплочувствительных приводов, которые устанавливаются равномерно вдоль окружности ротора и каждый из них соединяют с грузом, который перемещают в радиальных направлениях при изменении температуры нагрева привода, ротор устанавливают с возможностью свободного вращения относительно горизонтальной оси и размещают его противоположные по вертикали стороны в двух смежных зонах нагрева и охлаждения, одну из которых заполняют газом, а другую водой и при вращении ротора обеспечивают чередующееся прохождение проводов через эти зоны нагрева и охлаждения, а само вращение осуществляется за счет действия сил тяготения при постоянном одностороннем в горизонтальном направлении эксцентрическом положении центра тяжести ротора относительно оси вращения, при этом в зоне нагрева используют окружающий ротор теплый воздух, а зону охлаждения заполняют проточной морской водой при помощи трубопровода, который используют как сообщающийся сосуд для подъема морской воды из ее глубинных слоев к поверхности за счет гидростатического давления со стороны окружающей воды.

Устройство для осуществления указанного способа получения экологически чистой механической энергии вращения содержит смежные зоны нагрева и охлаждения, одна из которых заполнена газом, а другая водой, установленный на опорах с возможностью свободного вращения относительно горизонтальной оси частично погруженный в воду ротор, на котором равномерно по окружности с размещением как в зоне нагрева, так и в зоне охлаждения установлены теплочувствительные приводы, способные при изменении температуры при прохождении зон нагрева и охлаждения изменять свои размеры и/или форму и перемещать за счет этого в радиальных направлениях связанный с ними груз, при этом зоной нагрева является окружающая верхнюю часть ротора газовая среда, а зона охлаждения выполнена в виде проточной емкости, одна из сторон которой открыта в сторону окружающего верхнего слоя морской воды, а другая сторона сообщается с верхней частью трубопровода, который выполнен в виде сообщающегося сосуда, нижняя открытая часть которого размещена в глубинном слое низкотемпературной морской воды, обеспечивающего перемещение воды снизу вверх за счет гидростатического давления со стороны окружающей воды.

Ротор снабжен радиальными лопатками, а емкость выполнена в виде отгороженного с боков стенками от окружающей воды лотка, в котором размещена нижняя часть ротора, при этом лопатки выполнены с возможностью перемещения по лотку воды от верхней части трубопровода в сторону открытой части емкости при вращении ротора.

Теплочувствительные приводы выполнены в виде установленных радиально термобиметаллических пружин, концы которых шарнирно связаны с втулкой ротора и с грузом, который выполнен в виде массивного обода ротора, при этом активные и пассивные слои всех термобиметаллических пружин направлены соответственно в сторону или оси ротора, или его обода.

Теплочувствительные приводы имеют теплоизоляционное покрытие и/или выполнены из материала с малой теплочувствительностью, обеспечивающих замедление изменений температуры их нагрева при прохождении зон нагрева и охлаждения.

Получаемая при осуществлении указанного способа механическая энергия вращения может быть преобразована в электрическую энергию при помощи известных электрических генераторов.

На фиг. 1 и 2 показана общая схема осуществления способа получения экологически чистой механической энергии вращения в двух проекциях соответственно и в обозначенных на этих схемах разрезах, на фиг.3 изображен теплочувствительный привод в виде термобиметаллической пружины, на фиг.4 - приведен пример изменения температуры нагрева теплочувствительных приборов при работе устройства.

Способ получения экологически чистой механической энергии вращения (фиг. 1 и 2) заключается в том, что используют тепловое расширение тел, выполненных в виде теплочувствительных приводов 1, способных изменять линейные размеры и/или форму при различной температуре нагрева, которые устанавливают равномерно вдоль окружности ротора 2 и каждый из них с помощью шарниров 3 соединяют с грузом 4, в данном случае выполненным в виде массивного обода, который перемещают в радиальных направлениях относительно горизонтальной оси 0 ротора при изменении температуры нагрева. Ротор устанавливают с возможностью свободного вращения и размещают его верхнюю и нижнюю части соответственно в смежных зонах нагрева и охлаждения, первую из которых заполняют газом с температурой Т₂, а вторую водой с относительно низкой температурой Т₁ и обеспечивают чередующееся прохождение теплочувствительных приводов 1 через эти зоны. За счет этого изменяют размеры и/или форму теплочувствительных элементов при нагревании и охлаждении и производят перемещение груза 4 в радиальных направлениях относительно оси 0 ротора вдоль горизонтали.

В зоне нагрева используют окружающий ротор теплый воздух, а зону охлаждения заполняют проточной низкотемпературной морской водой, которую подают из ее глубинных слоев с помощью трубопровода 5, выполненного в виде сообщающегося сосуда, по которому вода поднимается за счет гидростатического давления окружающей воды без затрат энергии со стороны, при этом из верхней части трубопровода вода принудительно отводится. Этот отвод воды в данном случае производят в горизонтальном направлении с минимальными затратами энергии. Одностороннее перемещение массивного обода в горизонтальном направлении приводит ротор в постоянное неуравновешенное положение относительно оси O и вращению его под действием вращающего момента, создаваемого силами F.

В приведенном на фиг.1 примере массивный обод 4 под действием теплочувствительных приводов 1 смещен вправо от оси О, в связи с эти на правую часть обода действует большая по величине сила тяжести F₂ при большем плече R₂ относительно оси О по сравнению с аналогичными показателями F₁ и R₁, относящимися к левой части обода. Соответственно на правую часть обода будет воздействовать больший по величине вращающийся момент R₂F₂, а на левую часть обода меньший по величине момент R₁F₁, направленные в противоположные стороны. Под действием Разности этих моментов сил R₂F₂-R₁F₁ ротор будет вращаться в направлении действия большего по величине момента, в данном случае по часовой стрелке.

Изменение температуры чувствительных элементов в среде жидкости и газа происходит в течение определенного времени, поэтому при вращении ротора средняя суммарная температура нагрева этих элементов по разную сторону от вертикали В-В, проходящей через ось О ротора, будет различной, что приводит к неравновесному положению массивного обода ротора относительно оси О и обуславливает возможность осуществления описываемого способа получения механической энергии вращения. Указанная разность температур нагрева может быть увеличена при замедлении теплообмена между теплочувствительными элементами и окружающей средой за счет применения теплоизолирующих покрытий этих элементов.

Осуществимость указанного способа получения механической энергии вращения обусловлена тем, что среднегодовая температура поверхностных вод Мирового океана в целом равна 17,5^oC, а сезонные колебания температуры наблюдаются до глубины 100-150 м, в более нижних и придонных слоях она постоянна и составляет примерно 1,5^oC. Исходя из этого следует, что при наличии разности температур между воздухом над поверхностью морской воды и низкотемпературной морской воды из ее глубинных слоев возможен теплообмен между этими двумя системами, и при этом, согласно законам термодинамики, совершается работа против внешних сил, которая выражается во вращении ротора и получении механической энергии вращения.

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 смежные зоны нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающая воздушная среда, а вторая представляет собой емкость, заполненную проточной морской водой, причем температура Т₂ воздуха выше температуры Т₁ морской воды. В воде с частичным погружением в нее, на опорах, в качестве которых используются стенки емкости 6, с возможностью свободного вращения относительно горизонтальной оси О установлен ротор 2, на котором равномерно по окружности с размещением как в зоне нагрева выше уровня воды, так и в зоне охлаждения в низкотемпературной морской воде, установлены теплочувствительные приводы 1, способные при изменении температуры при прохождении зон нагрева и охлаждения изменять свои размеры и/или форму и перемещать при этом в радиальных направлениях связанный с ними груз 4, выполненный в данном конкретном устройстве в виде массивного обода. Емкость 6 выполнена в виде лотка, отгороженного боковыми стенками и днищем от окружающего верхнего слоя морской воды, и одна из сторон лотка (на фиг.1 левая его часть) открыта в сторону окружающего верхнего слоя воды, а другая сторона (на фиг.1 правая его часть) сообщается с верхней частью трубопровода 5, который выполнен по отношению к окружающей воде в виде сообщающегося сосуда, нижняя открытая часть которого размещена в глубинном слое низкотемпературной морской воды.

Ротор 2 снабжен радиальными лопастями 7, которые установлены, например, на внутренней цилиндрической поверхности обода 4 и перекрывают заполненный водой проем лотка 6, обеспечивая перемещение по нему воды от верхней части трубопровода 5 в сторону открытой части лотка при вращении ротора.

Теплочувствительные приводы выполнены в виде установленных радиально внутри обода 4 термобиметаллических пружин 1, концы которых при помощи шарниров 3 связаны со ступицей ротора 2 и с грузом в виде массивного обода 4. При этом активные 8 и пассивные 9 слои биметалла каждой термобиметаллической пружины направлены вдоль ее осевой линии в сторону оси О ротора или его обода 4.

Термобиметаллические пружины 4 приводов имеют теплоизоляционное покрытие и/или выполнены из материала с малой теплопроводностью, обеспечивающих замедление изменений температуры их нагрева при происхождении зон нагрева и охлаждения.

Трубопровод 5 имеет теплоизоляционное покрытие или выполнен из материалов с малой теплопроводностью, препятствующих теплообмену между верхними более теплыми слоями морской воды и поднимающейся по трубопроводу низкотемпературной морской водой из ее глубинных слоев.

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

Условием работоспособностью устройства является свойство термобиметаллических пружин 1 увеличивать длину до величины R₂ при повышении температуры в зоне нагрева и уменьшать длину до R₁ при снижении температуры в среде холодной воды в зоне охлаждения. Это обеспечивается выполнением пружины из биметалла (см. фиг. 3), активный слой 8 которого имеет более высокий температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с пассивным слоем 9 (относительное расположение этих слоев вдоль осевой линии пружины не имеет значения).

Для приведения в действие описываемого устройства производят перемещение воды в лотке 6 в направлении от трубопровода 5 в сторону открытой его части, что осуществляется, например, в стадии запуска устройства путем вращения ротора внешним приводом (на фиг. 1 это вращение происходит по часовой стрелке). Снабженный лопастями 7 ротор действует как обратимое водяное колесо, выполняющее функции насоса по откачиванию воды из верхней части трубопровода 5 в горизонтальном направлении. При этом открытый снизу трубопровод имеет по отношению к окружающей воде свойство сообщающегося сосуда, по которому вода движется снизу вверх под действием гидростатического давления окружающей воды, что сводит в минимуму затрата энергии на подъем морской воды к поверхности из глубинных ее слоев.

Как указано выше, глубинные слои морской воды имеют постоянную температуру около 2^oC, и после поступления ее по трубопроводу в лоток она охлаждает находящиеся в ее среде теплочувствительные приводы, уменьшает длину термобиметаллических пружин до R₁ и перемещает при этом массивный обод в радиальном направлении. При последующем вращении ротора пружины перемещаются в зону нагрева над поверхностью воды, что приводит к удлинению термобиметаллических пружин до величины R₂ и соответствующему радиальному перемещению обода 4. Изменение температуры нагрева пружин происходит в течение определенного времени, поэтому при вращении ротора нагретые (удлиненные) и охлажденные (имеющие меньшую длину) пружины при вращении ротора приводит обод в эксцентрическое положение вдоль горизонтали Б-Б. Этому способствует также теплоизоляционное покрытие (например, слоем резины) термобиметаллических пружин, что замедляет изменение их температуры в зонах нагрева и охлаждения.

Этот процесс графически показан на фиг. 4, где условно принят уровень температуры 1^o в зоне охлаждения (секторы I и II по ходу вращения ротора) и 3^o -в зоне нагрева (соответственно секторы III и IV). При этом термобиметаллическая пружина принимает в указанных пределах температуру окружающей среды за время перемещения в секторах I и III (что показано на фиг. 4) или в пределах зон нагрева и охлаждения (т.е. за время движения в среде воздуха или воды).

Как следует из показателей, приведенных на схеме фиг. 4, в первом случае средняя температура нагрева термобиметаллических пружин в секторе I составит 2^o, секторе II-1^o, секторе III-2^o и секторе IV-3^o. Следовательно, средний показатель нагрева пружин справа от вертикали В-В, проходящей через ось О ротора, будет больше (около 3^o с учетом величины секторов IV и I), чем слева от этой вертикали (менее 2^o). Соответственно и длина пружин 1 справа от вертикали В-В будет больше, чем слева от нее. При этом обод 4 будет смещен вправо от оси O ротора, и это его эксцентрическое положение будет постоянно автоматически поддерживаться при вращении ротора. Вследствие этого справа от вертикали В-В будет находиться большая часть обода, и центр тяжести этой большей части обода будет находиться на большем расстоянии R₂ от оси O сравнению с удалением R₁ центра тяжести меньшей части ротора слева от вертикали В-В (на фиг. 1 положение этих центров тяжести отдельных частей ротора показано условно непосредственно на самом ободе).

Соответственно на правую часть ротора будет действовать большая сила тяжести F₂ по сравнению с силой тяжести F₁, взаимодействующей на левую часть обода. Указанные силы F₂ и F₁ при соответствующих плечиках R₂ и R₁ относительно оси О ротора приведут к воздействию на противоположные по горизонтали стороны обода 4 и ротора в целом моментов сил R₂ F₂ и R₁ F₁, направленных в противоположные стороны. При этом на ротор будет воздействовать вращающий момент, равный разности указанных моментов сил и направленный в сторону большего из этих моментов (в данном случае по часовой стрелке), что приведет ротор во вращение в том же направлении. С началом вращения ротора в связи с эксцентрическим положением его обода отключается указанный выше внешний привод вращательного движения, служивший для приведения в действие описываемого устройства, которое в последующем будет являться автономным источником экологически чистой механической энергии вращения.

В условиях умеренного климата данное устройство может функционировать в летнее время года, в условиях теплого климата возможно круглогодичное его использование. При этом наличие постоянного перепада температур между воздухом и глубинными слоями воды обеспечивает работу устройства практически в режиме вечного двигателя, т.е. позволяет получать механическую энергию вращения постоянно без затрат каких-либо топливно-энергетических ресурсов и иных материальных средств.

Описываемый способ получения механической энергии вращения может быть также применен при использовании любых нагретых газов, например, отходящих от различных видов топок, в сочетании с охлаждающей водой от любых источников. В этом случае получение механической энергии с использованием приведенного способа и осуществляющего его устройства возможно в любое время года, в том числе в зимних условиях.

При осуществлении данного способа получения механической энергии вращения используется сравнительно малый перепад температур теплоносителя (воздуха и морской воды), что не позволяет обеспечить большую нагрузочную способность у применяемого устройства. В связи с эти для получения значительного количества энергии требуется применение устройств больших размеров. Однако и при таких условиях это является целесообразным и экономически обоснованным, поскольку, согласно приведенным выше данным, современный топливно-энергетический комплекс поглощает наибольшую часть трудовых ресурсов развитых стран и является основным загрязнителем окружающей среды.

Использование: для получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливо-энергетических ресурсов. Сущность изобретения: равномерно по окружности частично погруженного в воду ротора 2 установлены теплочувствительные элементы (ТЭ), связанные с грузом 4, выполненным в виде массивного обода, с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, что обеспечивается созданием в верхней и нижней частях ротора соответственно зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована емкость 6 в виде лотка, который сообщается с верхней частью трубопровода 5, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками 7 для перемешивания воды по лотку 6 от верхней части трубопровода. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести F, создаваемых грумами при разных расстояниях P₂ и P₁ боковых частей обода от оси 0 в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения экологически чистой механической энергии вращения, при котором для механических перемещений используют тепловое расширение тел, выполненных в виде теплочувствительных приводов, которые устанавливают равномерно вдоль окружности ротора и каждый из них соединяют с грузом, который перемещают в радиальных направлениях при изменении температуры нагрева привода, ротор устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси и размещают его противоположные стороны в двух смежных зонах нагрева и охлаждения, одну из которых заполняют газом, а другую водой и при вращении ротора обеспечивают чередующееся прохождение приводов через эти зоны нагрева и охлаждения, а само вращение осуществляют за счет действия сил тяготения при постоянном одностороннем в горизонтальном направлении эксцентрическом положении центра тяжести ротора относительно оси вращения, отличающийся тем, что в зоне нагрева используют окружающий ротор теплый воздух, а зону охлаждения заполняют проточной холодной морской водой, которую подают из глубинных ее слоев к поверхности при помощи трубопровода, из верхней части которого воду принудительно отводят в зону охлаждения и при этом обеспечивают подъем воды по трубопроводу как по сообщающемуся сосуду за счет гидростатического давления со стороны окружающей воды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воду из верхней части трубопровода отводят в горизонтальном направлении и используют при этом получаемую при осуществлении способа механическую энергию вращения. 3. Устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения, содержащее смежные зоны нагрева и охлаждения, одна из которых заполнена газом, а другая водой, установленный на опорах с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси частично погруженный в воду ротор, на котором равномерно по окружности с размещением как в зоне нагрева, так и в зоне охлаждения установлены теплочувствительные приводы, способные при изменении температуры при прохождении зон нагрева и охлаждения изменять свои размеры и/или форму и перемещать при этом в радиальных направлениях связанных с ними груз, отличающееся тем, что зоной нагрева является окружающий верхнюю часть ротора теплый воздух, а зоной охлаждения служит заполненная проточной холодной морской водой емкость, выполненная в виде лотка, одна из сторон которого открыта в сторону окружающего верхнего слоя морской воды, а другая сторона сообщается с верхней частью трубопровода, нижняя открытая часть которого размещена в глубинном слое холодной морской воды, ротор снабжен радиальными лопатками, которые выполнены с возможностью перемещения воды по лотку из верхней части трубопровода в сторону открытой части лотка при вращении ротора и обеспечения при этом подъема воды по трубопроводу, как по сообщающемуся сосуду за счет гидростатического давления со стороны окружающей воды. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что теплочувствительные приводы выполнены в виде установленных радиально пружин, концы которых шарнирно связаны с втулкой ротора и с грузом, который выполнен в виде массивного обода ротора. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что теплочувствительные приводы имеют теплоизоляционное покрытие и/или выполнены из материала с малой теплопроводностью, обеспечивающих замедление изменения температуры их нагрева при прохождении зон нагрева и охлаждения.