ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F03G7/05 F03G7/06 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим экологически чистое получение механической энергии вращения с комплексным использованием разности температур воды, в частности морской (океанической), на разных ее уровнях, гравитационного взаимодействия и гидростатических сил без расходования каких-либо топливно-энергетических ресурсов. Изобретение может быть применено в качестве стационарного источника механической энергии вращения с возможностью преобразования ее в электрическую энергию.

Известно устройство для комплексного преобразования гравитационной 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 теплочувствительные приводы с нитиноловыми теплочувствительными элементами с возможностью перемещения массивного обода ротора относительно его оси в горизонтальном направлении при прохождении приводов через зоны нагрева и охлаждения (Вершинский Н.В. Энергия океана. - М.: Наука, 1986, с.139, рис.31).

Недостатком этого устройства для комплексного преобразования энергии является сложность его 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 превышающим атмосферное давление.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является устройство для экологически чистого комплексного преобразования гравитационной, гидростатической и тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее зоны нагрева и охлаждения, установленный в воде ротор, на ободе которого равномерно по окружности размещены теплочувствительные приводы, связанные с грузами и/или поплавками с возможностью их одновременного перемещения в противоположных радиальных направлениях относительно оси ротора при изменении температуры нагрева в связи с прохождением при вращении ротора теплочувствительными приводами зон нагрева и охлаждения, размещенных с противоположных сторон от вертикали, проходящей через ось ротора, зона охлаждения изолирована при помощи перегородок от окружающей ротор воды, размещена ниже ее уровня и сообщается посредством горизонтально направленной трубы и насоса с верхней частью опущенного в нижние холодные слои воды открытого снизу и сверху и сообщающегося с окружающей водой свободно проточного трубопровода, верхняя часть которого размещена выше уровня воды, при этом трубопровод выполнен как сообщающийся относительно окружающей воды сосуд, а вращение ротора обеспечивается за счет обмена энергией между зонами нагрева и охлаждения с использованием воздействующих на грузы гравитационных и выталкивающих поплавки гидростатических сил (патент РФ N 2076949, кл. F 03 G 7/05, 7/06, 1997).

Недостатком этого устройства является полное погружение ротора в воду и размещение всего объема зоны охлаждения ниже уровня воды, что не исключает попадания окружающей ротор теплой воды в зону охлаждения с повышением температуры протекающей через нее холодной воды. Это снижает эффективность действия теплочувствительных приводов, приводит к уменьшению удельной мощности устройства в целом и вызывает необходимость применения в горизонтально направленной трубе насоса для подачи воды из трубопровода в зону охлаждения с обеспечением при этом вытеснения из этой зоны окружающей теплой воды, что усложняет устройство и требует значительных затрат энергии. Размещение всех подвижных элементов устройства ниже уровня воды затрудняет его обслуживание и ремонт.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в получении дешевой экологически чистой механической энергии вращения, упрощении процесса получения энергии и самого устройства, уменьшении потребления энергии для обеспечения собственного функционирования, повышении его удельной мощности, упрощении эксплуатации и проведения 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 ресурсов и материальных средств. Получаемая механическая энергия 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. - М.: Советская Энциклопедия, 1980, с.532).

Указанный технический результат достигается путем применения экологически чистой силовой установки, содержащей зоны нагрева и охлаждения, установленный в воде с возможностью свободного вращения ротор, на ободе которого равномерно по окружности размещены теплочувствительные приводы, связанные с грузами и/или поплавками с возможностью их одновременного перемещения в противоположных радиальных направлениях относительно оси ротора при изменении температуры нагрева в связи с прохождением при вращении ротора теплочувствительными приводами зон нагрева и охлаждения, размещенных с противоположных сторон от вертикали, проходящей через ось ротора, зона охлаждения изолирована при помощи перегородок от окружающей ротор воды, размещена ниже ее уровня и сообщается посредством горизонтально направленной трубы с верхней частью опущенного в нижние холодные слои воды открытого снизу и сверху и сообщающегося с окружающей водой свободно проточного трубопровода, верхняя часть которого размещена выше уровня воды, при этом трубопровод выполнен как сообщающийся относительно окружающей воды сосуд, а вращение ротора обеспечивается за счет обмена энергией между зонами нагрева и охлаждения с использованием воздействующих на грузы гравитационных и выталкивающих поплавки гидростатических сил, верхняя часть ротора размещена выше уровня воды, перегородки зоны охлаждения, охватывающие одну сторону ротора, образуют открытый сверху и снизу канал, верхняя часть которого размещена выше уровня воды, горизонтально направленная труба выполнена свободно проточной, а на ободе ротора закреплены лопатки с возможностью прохождения через канал при вращении ротора и создающие в нем поток воды, поступающей по горизонтально направленной трубе из верхней части трубопровода самотеком в связи с выполнением трубопровода в виде сообщающегося сосуда, в котором используется гидростатическое давление со стороны окружающей воды, что в совокупности обеспечивает снижение затрат энергии при создании потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения, теплочувствительные приводы выполнены с возможностью перемещения поплавков в сторону оси ротора, а грузов - от оси ротора при прохождении их через зону охлаждения и соответственно в противоположных направлениях при движении через окружающую ротор воду, являющуюся зоной нагрева, с обеспечением при этом вращения ротора в направлении, при котором теплочувствительные приводы и лопатки входят в канал в верхней его части, размещенной выше уровня воды.

Внешняя относительно оси часть обода ротора, размещенная по одну сторону от вертикали, проходящей через ось ротора, и установленные на этой части обода теплочувствительные приводы и лопатки введены в зону охлаждения через вертикально направленную щель, выполненную в перегородке канала зоны охлаждения по всей ее длине сверху вниз.

Теплочувствительные приводы содержат теплочувствительные элементы в виде пластин, которые выполнены из материала, обеспечивающего изменение изгиба пластин при разной температуре нагрева. Одна из пластин каждого привода, являющаяся опорной, радиально прикреплена одним концом к ободу ротора, а к другому свободному концу перпендикулярно плоскости опорной пластины с разных ее сторон прикреплены две несущих пластины, направленные вдоль оси ротора. К свободным концам каждой несущей пластины прикреплен или груз, или поплавок, опорные пластины расположены в плоскости, перпендикулярной оси ротора, а плоскости несущих пластин обращены соответственно в сторону оси или от оси ротора, все грузы и все поплавки размещены на несущих пластинах соответственно с одной стороны от связанных с ними опорных пластин.

Верхняя часть трубопровода сообщается с верхней частью канала зоны охлаждения посредством дополнительной трубы и насоса (на схемах не показаны), обеспечивающих создание потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения при запуске силовой установки из неподвижного положения с последующим отключением насоса, при этом дополнительная труба с насосом может быть постоянной составной частью установки или быть передвижной в случае, когда силовая установка выполнена в виде комплекса, содержащего несколько роторов с зонами охлаждения.

Трубопровод опущен в нижние холодные слои морской (океанической) воды, а ротор размещен в верхнем слое этой воды с возможность использования постоянной разности температуры в указанных слоях и обусловленного этим неиссякаемого природного источника энергии, позволяющего осуществлять работу установки практически в режиме вечного двигателя.

На фиг. 1 показана силовая установка, общий вид; на фиг.2 - осевое сечение А-А на фиг.1 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 неиссякаемым источником 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.

В качестве примера ниже описываются теплочувствительные приводы, содержащие теплочувствительные элементы, выполненные из материала, обладающие эффектом запоминания формы, зависящей от температуры нагрева, например, из биметалла или нитинола. Оптимальный перепад температуры для нитиноловых приводов близок к 20^oС, что соответствует градиенту, наблюдающемуся в океанах. У некоторых марок нитинола фазовые переходы совершаются при температуре 9^oС. При этом у нитиноловых элементов не наблюдается усталости, а развиваемое усилие достигает 55 т на каждый квадратный дюйм сечения детали (см. указанную выше книгу Н.В.Вершинского, с.135-142).

Экологически чистая силовая установка содержит закрепленный на валу 1 частично погруженный в воду ротор 2. На ободе 3 ротора равномерно по окружности размещены теплочувствительные приводы, содержащие теплочувствительные элементы в виде пластин, выполненных из материала с эффектом запоминания направления и разной степени изгиба при разной температуре нагрева. Одна из пластин является опорной и радиально прикреплена одним концом к ободу 3 ротора, а к другому свободному концу перпендикулярно плоскостям пластины с разных ее сторон прикреплены две несущие пластины 5, направленные вдоль оси ротора. К свободным концам каждой несущей пластины прикреплен или груз 6, или поплавок 7. Опорные пластины 4 расположены в плоскости, перпендикулярной оси О ротора, а плоскости несущих пластин 5 обращены соответственно в сторону оси О или от оси ротора. Все грузы 6 и все поплавки 7 размещены на несущих пластинах соответственно с одной стороны от связанных с ними опорных пластин 4.

Верхняя часть ротора размещена выше уровня воды, и с противоположных сторон от вертикали В-В, проходящей через ось О ротора, размещены зоны нагрева и охлаждения. Зоной нагрева является поверхностный слой воды. Зона охлаждения изолирована от окружающей ротор воды при помощи перегородок 8, которые охватывают одну боковую сторону ротора и образуют открытый сверху и снизу канал 9, верхняя часть которого размещена выше уровня воды. Канал при помощи свободно проточной горизонтально направленной трубы 10 сообщается с верхней частью опущенного в нижние холодные слои воды открытого снизу и сверху и сообщающегося с окружающей водой свободно проточного трубопровода 11, верхняя часть которого размещена выше уровня воды.

На ободе 3 ротора закреплены лопатки 12 с возможностью прохождения через канал 9 при вращении ротора и создающие в нем поток воды, поступающей по горизонтально направленной трубе 10 из верхней части трубопровода 11 самотеком в связи с выполнением трубопровода в виде сообщающегося сосуда, в котором используется гидростатическое давление со стороны окружающей воды, что в совокупности обеспечивает снижение затрат энергии при создании потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения 9.

Теплочувствительные приводы выполнены с возможностью перемещения поплавков в сторону оси О ротора, а грузов - от оси ротора при прохождении их через канал 9 зоны охлаждения и соответственно в противоположных направлениях при движении через окружающую ротор воду, являющуюся зоной нагрева, с обеспечением при этом вращения ротора в направлении, при котором теплочувствительные приводы и лопатки 12 входят в канал 9 в верхней его части, размещенной выше уровня воды.

Внешняя относительно оси О часть обода ротора, размещенная по одну сторону от вертикали В-В, проходящей через ось ротора, и установленные на этой части обода теплочувствительные приводы и лопатки 12 введены в зону охлаждения через вертикально направленную дугообразную щель 13, выполненную в перегородке 8 канала зоны охлаждения по всей ее длине сверху вниз.

Трубопровод 11 опущен в нижние холодные слои морской воды, а ротор размещен в верхнем слое этой воды с возможностью использования постоянной разности температуры в указанных слоях и обусловленного этим неиссякаемого природного источника энергии.

Верхняя часть трубопровода 11 сообщается с верхней частью канала 9 зоны охлаждения посредством дополнительной трубы и насоса (на схемах не показаны), обеспечивающих создание потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения 9 при выпуске силовой установки из неподвижного положения с последующим отключением насоса, при этом дополнительная труба с насосом может быть постоянной составной частью установки или быть передвижной в случае, когда силовая установка выполнена в виде комплекса, содержащего несколько роторов с зонами охлаждения.

Экологически чистая силовая установка работает следующим образом.

В качестве исходного условия принимается, что нижняя и большая часть ротора погружена в поверхностный слой морской (океанической) воды с температурой Т₂, превышающей температуру Т₁ воды в глубинных ее слоях, где размещается нижняя оконечность трубопровода 11. Для начала работы силовой установки используют дополнительную горизонтально направленную трубу с насосом, который приводят в действие за счет внешнего источника энергии.

При работе насоса создается поток воды в дополнительной трубе в горизонтальном направлении, что обуславливает незначительные затраты энергии. Свободно проточный трубопровод открыт в нижней своей части, а верхняя его 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 (Физический энциклопедический словарь.- М.: Советская Энциклопедия, 1984, с.699). В связи с этим при работе насоса 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 зону охлаждения и двигаться по каналу сверху вниз как имеющая большой удельный вес по сравнению с окружающей камеру более теплой водой из ее поверхностного слоя.

Холодная вода в канале 9 зоны охлаждения омывает теплочувствительные приводы, которые, как указано выше, обеспечивают перемещение грузов от оси О ротора на расстояние R₂, а поплавков - в сторону оси на меньшее расстояние R₁. В зоне нагрева грузы и поплавки соответственно перемещаются в противоположных направлениях на расстояния R₁ и R₂. Изгибы опорных 4 и несущих 5 пластин в противоположных направлениях (фиг.2) при прохождении их через зоны нагрева и охлаждения обеспечивают получение большой разности величин радиусов R₂ и R₁. Для упрощения суждений принимается, что действующие на грузы силы тяжести F равны действующим на поплавки выталкивающим гидростатическим силам F и эти силы направлены по вертикали в противоположные стороны (фиг. 1). Соответственно будут направлены в противоположные стороны и создаваемые этими силами вращающие моменты. Разность этих моментов R₂F - R₁F будет направлена для грузов вниз в зоне охлаждения и для поплавков вверх - в зоне нагрева, т. е. в обоих случаях в одном направлении вращения (на фиг.1 - по часовой стрелке). Под действием разности указанных моментов сил ротор приводится во вращение, и движущиеся по каналу лопатки 12 создадут в нем направленный вниз поток воды, обеспечивая при это движение воды по горизонтально направленной трубе 10 и трубопроводу 11 указанным выше порядком. С началом действия силовой установки работа насоса прекращается, и он вместе с дополнительной трубой снимается с данной силовой установки (в случае выполнения его передвижным или съемным). В последующем вращение ротора поддерживается постоянно за счет использования воды с разной температурой нагрева в поверхностных и глубинных ее слоях.

Размещение опорных пластин 4 теплочувствительных элементов в плоскости, перпендикулярной оси О ротора, и плоскостей несущих пластин 5 параллельно оси О полностью или в значительной мере устраняет изгибы пластин под воздействием указанных выше сил F при расположении их на горизонтали, проходящей через ось О ротора, или вблизи нее, когда эти силы создают наибольшие вращающие моменты.

Силовая установка работает практически в режиме вечного двигателя, поскольку она, не потребляя никаких топливно-энергетических ресурсов и не загрязняя окружающую среду, постоянно выдает экологически чистую механическую энергию вращения за счет неисчерпаемой энергии Мирового океана.

Установка предназначена для получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях, гравитационного взаимодействия и гидростатических сил. У частично погруженного в морскую воду ротора, установленного с возможностью свободного вращения, установлены связанные с грузами и поплавками теплочувствительные приводы (ТП), осуществляющие перемещение грузов и поплавков во взаимно противоположных радиальных направлениях при изменении температуры окружающей морской воды. Это обеспечивается созданием с противоположных боковых сторон ротора зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий ротор верхний слой воды, а вторая образована перегородками, охватывающими одну боковую сторону ротора и образующими изолированный от окружающей воды открытый сверху и снизу канал, верхняя часть которого размещена выше уровня воды. Канал при помощи свободно проточной горизонтально направленной трубы сообщается с верхней частью трубопровода, опущенного в глубинные постоянно холодные слои морской воды. В канале зоны охлаждения при помощи лопаток, установленных на ободе ротора, создают направленный вниз поток воды, что обеспечивает подъем холодной воды из глубинных ее слоев по трубопроводу самотеком. Установка позволяет получить экологически чистую механическую энергию вращения за счет использования разности температур в верхнем и глубинном слоях воды океана. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Экологически чистая силовая установка, содержащая зоны нагрева и охлаждения, установленный в воде с возможностью свободного вращения ротор, на ободе которого равномерно по окружности размещены теплочувствительные приводы, связанные с грузами и/или поплавками с возможностью их одновременного перемещения в противоположных радиальных направлениях относительно оси ротора при изменении температуры нагрева в связи с прохождением при вращении ротора теплочувствительными приводами зон нагрева и охлаждения, размещенных с противоположных сторон от вертикали, проходящей через ось ротора, зона охлаждения изолирована при помощи перегородок от окружающей ротор воды, размещена ниже ее уровня и сообщается посредством горизонтально направленной трубы с верхней частью опущенного в нижние холодные слои воды открытого снизу и сверху и сообщающегося с окружающей водой свободно проточного трубопровода, верхняя часть которого размещена выше уровня воды, при этом трубопровод выполнен как сообщающийся относительно окружающей воды сосуд, а вращение ротора обеспечивается за счет обмена энергией между зонами нагрева и охлаждения с использованием воздействующих на грузы гравитационных и выталкивающих поплавки гидростатических сил, отличающаяся тем, что верхняя часть ротора размещена выше уровня воды, перегородки зоны охлаждения, охватывающие одну сторону ротора, образует открытый сверху и снизу канал, верхняя часть которого размещена выше уровня воды, горизонтально направленная труба выполнена свободно проточной, а на ободе ротора закреплены лопатки с возможностью прохождения через канал при вращении ротора и создающие в нем поток воды, поступающей по горизонтально направленной трубе из верхней части трубопровода самотеком в связи с выполнением трубопровода в виде сообщающегося сосуда, в котором используется гидростатическое давление со стороны окружающей воды, что в совокупности обеспечивает снижение затрат энергии при создании потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения, теплочувствительные приводы выполнены с возможностью перемещения поплавков в сторону оси ротора, а грузов - от оси ротора при прохождении их через зону охлаждения и соответственно в противоположных направлениях при движении через окружающую ротор воду, являющуюся зоной нагрева, с обеспечением при этом вращения ротора в направлении, при котором теплочувствительные приводы и лопатки входят в канал в верхней его части, размещенной выше уровня воды. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что внешняя относительно оси часть обода ротора, размещенная по одну сторону от вертикали, проходящей через ось ротора, и установленные на этой части обода теплочувствительные приводы и лопатки введены в зону охлаждения через вертикально ориентированную дугообразную щель, выполненную в перегородке канала зоны охлаждения по всей ее длине сверху вниз. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплочувствительные приводы содержат теплочувствительные элементы в виде пластин, которые выполнены из материала, обеспечивающего изменение изгиба пластин при разной температуре нагрева, одна из пластин каждого привода, являющаяся опорной, радиально прикреплена одним концом к ободу ротора, а к другому свободному концу перпендикулярно плоскости опорной пластины с разных ее сторон прикреплены две несущих пластины, направленные вдоль оси ротора, к свободным концам каждой несущей пластины прикреплен или груз, или поплавок, опорные пластины расположены в плоскости, перпендикулярной оси ротора, а плоскости несущих пластин обращены соответственно в сторону оси или от оси ротора, все грузы и все поплавки размещены на несущих пластинах соответственно с одной стороны от связанных с ними опорных пластин. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть трубопровода сообщается с верхней частью канала зоны охлаждения посредством дополнительной трубы и наноса, обеспечивающих создание потока воды из глубинных ее слоев в зону охлаждения при запуске силовой установки из неподвижного положения с последующим отключением насоса, при этом дополнительна труба с насосом может быть постоянной составной частью установки или быть передвижной. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод опущен в нижние холодные слои морской (океанической) воды, а ротор размещен в верхнем слое этой воды с возможностью использования постоянной разности температуры в указанных слоях и обусловленного этим неиссякаемого природного источника энергии.