ПРИВОД ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2023 года по МПК F03G7/08 F01K7/06 F01K15/00 F22B1/18 

Настоящее устройство относится к воздухоплаванию, а именно к устройству, работающему на энергии восходящего потока парогазовой смеси (топочный газ и пар), поступающие от источника сжигания топлива и направлено на выработку электрической энергии.

Из предшествующего уровня техники известны изобретения, которые относят к области воздухоплавания, энергетики и защиты окружающей среды. Перемещение воздухоплавательных аппаратов по вертикали осуществляют: 1) теплом (RU 2093416, кл. В64В 1/62), 2) изменением объема (RU 2110443, кл. В64В 1/06), 3) винтами (RU 2066661, кл. В64В 1/34. Во всех способах общий недостаток - дорогостоящая энергия. Самая дешевая - энергия утилизированного тепла. В изобретении RU 2163214, кл. В64В 1/36, тепло отработанных газов двигателя подогревает несущий газ дирижабля. Изобретение имеет недостаток: незначительное количество тепла. Но существуют большие резервы тепла: отходящие газы топок. В изобретении а.с. СССР 1044896, кл. F23I 11/00, 1982, аэростаты один за другим заполняют отходящим газом топок и транспортируют в верхние слои атмосферы с целью создания экологически благоприятной среды. Изобретение имеет недостаток -затратный способ. Из уровня техники известен летательный аппарат легче воздуха, заключающийся в использовании летательного аппарата легче воздуха, который транспортирует летательный аппарат тяжелее воздуха в верхние слои атмосферы, который может быть принят в качестве ближайшего аналога (Патент США 1340053, 1920, стр. 6). Цель настоящего изобретения сделать способ транспортировки вредных газов доходным, а способ перемещения летательного аппарата тяжелее воздуха высокорентабельным.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств, имеющих общие признаки сходства с воздухоплаванием, работа которых направлена на выработку механической энергии с последующим преобразованием ее в электрическую энергию, за счет использования энергии восходящего потока парогазовой смеси, поступающей от источника сжигания топлива, при этом сохраняя и поддерживая баланс в окружающей природе.

Данная задача решается путем создания газовоздушного привода, который преобразует механическую энергию поступательного движения поршня с шатуном, возникающую при наполнении аэростата парогазовой смесью и его подъеме, и сбросе из аэростата части парогазовой смеси и его снижении, во вращательное движение коленчатого вала и передачей вращения на электрогенератор энергомеханического блока для выработки электрической энергии.

Привод электрогенератора состоит из двух, соединенных между собой, блоков - паровоздушного блока и энергомеханического блока. Для круглогодичной и все погодной эксплуатации, привод электрогенератора устанавливается в закрытом сооружении каркасного типа, имеющим крышу с башней высотой, необходимой для подъема аэростатов (фиг. 1 и фиг. 2).

Газовоздушный блок состоит из аэростатов цилиндрической формы (1), изготовленных из тонкой ткани Болонь, обработанной с внутренней стороны водостойким составом, снабженных сверху клапанами для сброса паровоздушной смеси (2), натяжная система закрывания сбросных клапанов (3), распределительной металлической корзиной (4), трубчатой шарнирно-соединительной штангой (5) и опорно-центрирующей металлической решетчатой площадкой (6) с направляющим резинотканевым фартуком (7) для соединения с энергомеханическим блоком.

Энергомеханический блок состоит из стального цилиндрических поршней (8), маховиков (9), коленчатых валов (10), шатунов (11), опор на опорных шарикоподшипниках (12), соединительных муфт (13), редуктора (14), асинхронного двигателя/генератора (15), блока аккумуляторных батарей (16), утепленного стального конусного парового котла утилизатора (17) с предохранительным клапаном (18), утепленного стального цилиндрического накопителя топочного газа (19), напорного вентилятора топочного газа (20), утепленных стальных воздуховодов (21) топочного газа с механическим открыванием/закрыванием, впускными клапанами (22), механического ручного привода клапанов (23), стального паропровода (24) и защитно-каркасного, с вентилируемым ограждением, сооружения (25), трех ходового парового крана (26), вытяжных дефлекторов (27).

Размеры аэростатов, поршней, впускных и выпускных клапанов, размеры коленчатых валов, шатунов, котла утилизатора и накопителя топочного газа принимаются по расчету в соответствии с техническим заданием.

Привод электрогенератора работает в ручном режиме управления (при необходимости может быть дооборудован для управления и работы в дистанционном режиме). Для работы привода электрогенератора, одновременно включены в работу паровоздушный и энергомеханический блок. На фиг. 3 показан план - схема привода электрогенератора, состоящая из двух аэростатов, наполняемых паровоздушной смесью. На фиг. 4 и фиг. 5 показаны виды парового котла и цилиндрического поршня с шатуном. На фиг. 6 показан разрез парового котла утилизатора. Котел состоит из топочного пространства, стальной водяной оболочки, соединенной через двух ярусный сетчатый сепаратор с паровой оболочкой и стального накопителя паровоздушной смеси. Паровой котел утилизатор может работать на различном топливе, но в качестве основного топлива планируется использовать бытовые отходы жизнедеятельности человека не содержащие пластмассы, полиэтилены и т.д. Топливо для сжигания загружается в котел ручным или механическим способом и удаляется после сгорания ручным или механическим способом. Главный паропровод, проходящий от котла утилизатора, до аэростата, снабжен стальными трехходовым краном и предохранительным клапаном на 1,25 Рраб давления, который расположен в накопителе газовоздушной смеси. Рабочее давление котла утилизатора Рраб=0,7 кгс/см². На фиг.7 показан - общий вид привода электрогенератора. На фиг. 8 показан узел распределения паровоздушных потоков от парового котла утилизатора и накопителя топочного газа. На фиг. 7 показано положение аэростатов и поршней при запуске и работе привода электрогенератора. Запуск осуществляется заполнением горячей паровоздушной смесью правого аэростата открытием правого впускного клапана показано на фиг. 8. На фиг. 7, при запуске в работу, привода электрогенератора, поршень правого аэростата выводится в крайнем верхнем положение, а поршень левого аэростата выводится в крайнем нижнем положение. После заполнения правого аэростата горячей паровоздушной смесью и выход его в крайнее верхнее положение, срабатывает натяжное устройство, закрывается правый впускной, показано на фиг. 9, а открывается правый сбросной клапан, одновременно закрывается левый сбросной и открывается левый впускной клапан. Паровоздушная смесь из правого аэростата через сбросной клапан сбрасывается в атмосферу, а аэростат снижается до крайнего нижнего положения. После заполнения левого аэростата, горячей паровоздушной смесью и начало его подъема в крайнее верхнее положение, срабатывает натяжное устройство и закрывается левый впускной клапан, открывается правый сбросной клапан, одновременно закрывается правый сбросной клапан, а открывается правый впускной клапан. Паровоздушная смесь из левого аэростата через сбросной клапан сбрасывается в атмосферу, а аэростат снижается до крайнего нижнего положения. Работа правого сбросного клапана синхронизируется с работой левого впускного клапана. Работа левого сбросного клапана синхронизируется с работой правого впускного клапана.

Работа правого и левого впускных клапанов синхронизируется с работой трех ходового парового крана.

Изобретение поясняется чертежами/эскизами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.

Эскизы изобретения:

На фиг. 1. Вид в/о 1-3.

На фиг. 2. Вид в/о А-В-С фиг. 1.

На фиг. 3. План на отм. + 1.00 м.

На фиг. 4. Вид А-А на фиг. 3.

На фиг. 5. Вид Б-Б на фиг. 3.

На фиг. 6. Разрез 3-3 на фиг. 4.

На фиг. 7. Вид 1-1 на фиг. 3.

На фиг. 8. Узел «А» на фиг. 7.

На фиг. 9. Разрез 4-4 на фиг. 8.

На фиг. 10. График зависимости подъемной силы аэростата от температуры наружного воздуха и температуры в оболочке.

Преимуществом, предлагаемого технического решения, является то, что стабильная работа привода электрогенератора, зависящая от непрерывной подачи в аэростаты паровоздушной смеси, базируется на работе парового котла утилизатора с накопителем топочного газа, работающего на различном топливе (преимущественно твердые бытовые отходы, требующие утилизации), поддержке экологического баланса, сохранения природных энергоресурсов и выработке при этом электрической энергии.

Полученный технический результат, основывается на применении физических законов - «Закон Архимеда» и «Закон Ньютона».

При заполнении аэростата паровоздушной смесью, чем больше подъемная сила аэростата, с учетом плеча приложения, воздействует на поршень, тем большее возникает вращающее усилие и крутящий момент на коленчатом вале, а при сбросе парогазовой смеси из аэростата, чем больше суммарный вес аэростата и его оснастки, умноженный на плечо приложения, тем больше вращающее усилие и крутящий момент на коленчатом вале. Энергия восходящего потока паровоздушной смеси, при заполнении одного аэростата и сбросе части паровоздушной смеси из второго аэростата, приводит, через поршневую систему, во вращение коленчатый вал и соединенный с ним, через редуктор, электрогенератор, вырабатывающий электрическую энергию. Цилиндрические корпуса поршней снабжены, в верхней и нижней части, кольцами - ограничители крайнего нижнего и крайнего верхнего положения, необходимые при вертикальном движении поршней, при сбросе паровоздушной смеси из аэростата и заполнении паровоздушной смесью аэростата. Высота рабочего подъема аэростата - расстояние между крайней нижней и крайней верхней точкой поршня равно диаметру окружности вращения кривошипа коленчатого вала L=D (м).

Все воздухоплавание основано на законе Архимеда. На любой предмет, находящийся в атмосфере, действует подъемная сила, равная весу воздуха, вытесненного этим предметом. Полная подъемная, или Архимедова, сила теплового аэростата равна:

F_a=(M_н-M_в+M_п)g

где М_н - масса воздуха окружающей среды, вытесненная оболочкой аэростата; М_в - масса теплого воздуха, находящегося в оболочке; g - ускорение силы тяжести. g=9,8 м/с2; М_п - масса водяного пара, находящегося в оболочке.

Массы М_н, М_в и М_п можно выразить через плотность воздуха, пара и объем оболочки:

M_н=ρ_нV; M_в=ρ_вV; М_п=ρ_нV;

где V - объем оболочки; ρ_н и ρ_в - соответственно плотность воздуха окружающей среды и плотность воздуха внутри оболочки, ρ_н - плотность пара внутри оболочки.

Из уравнения Менделеева-Клапейрона можно получить связь между плотностью, давлением и температурой:

где р - давление окружающей среды; Т_н и Т_в - соответственно температура наружного, или окружающею, воздуха и температура внутри оболочки в градусах Кельвина; R - газовая постоянная воздуха, для сухого воздуха R=287 Дж/кг⋅град.

Окончательно полную подъемную силу аэростата Fa с учетом Мир можно записать в следующем виде:

Из формулы Fa видно, что с уменьшением давления подъемная сила аэростата уменьшается, а при уменьшении температуры наружного воздуха она возрастает.

Необходимо обратить внимание на то, что все используемые переменные должны быть выражены в Международной системе SI, при этом подъемная сила F_a будет измеряться в ньютонах.

Для тех величин, которые были использованы выше, в системе SI применяются следующие единицы измерения:

для массы - кг (М=[кг]);

для температуры - градус Кельвина (Т=[К];

для силы и веса - ньютон (F=[Н]=[кг м/с2];

для плотности - кг/м3 (г=[кг/м3]);

для объема - м3 (V=[м3]);

для давления - паскаль (р=[Па]=[Н/м3]).

Чтобы перевести привычные слинтшы измерения в единицы измерения системы SI, можно воспользоваться следующими простыми выражениями:

р[Па]=9,8 р=F[H]/9,8.

В квадратных скобках указаны соответствующие единицы измерения, так, если температура в градусах Цельсия равна 15 градусов, то в градусах Кельвина она будет 273+15=288, давление 760 мм рт. ст. будет соответствовать 101 300 Па.

Иногда, например с целью сравнения с предельно допустимой, требуется определить температуру в оболочке аэростата. В этом случае из выражения Fa не сложно получить соответствующее значение:

При изменении температуры наружного воздуха, при тех условиях, в которых наиболее часто эксплуатируется аэростат, влияние температуры наружного воздуха на подъемную силу почти в два раза больше, чем влияние температуры в оболочке, что наглядно показано на графике (Фиг. 10) зависимости подъемной силы аэростата от температуры наружного воздуха и температуры в оболочке.

Сравнить эффективность монгольфьеров с газовыми аэростатами можно по значению удельных подъемных сил одного кубического метра различных газов. Удельная подъемная сила f равна:

Из уравнений выше приведенных следует:

где R_воз и R_газ - соответственно газовые постоянные воздуха и газа в оболочке [Дж/кг⋅град]; f - удельная подъемная сила в Н/м3.

Для любого газа его газовая постоянная равна отношению универсальной газовой постоянной (8314 Дж/кг⋅град) к молекулярному весу.

Рассмотрев данные, приведенные в таблице 2, можно сделать вывод, что:

• в диапазоне температур от 80 до 120 градусов удельная подъемная сила воздуха составляет 20…30% от подъемной силы самого легкого газа - водорода;

• подъемная сила воздуха с ростом температуры изменяется более интенсивно, чем других газов;

• пары воды обладают значительной подъемной силой, что может быть использовано в перспективных разработках тепловых аэростатов, когда в оболочку через специальные форсунки впрыскивается вода.

При работе привода электрогенератора водяной пар, вырабатываемый паровым котлом утилизатором, подается внутрь оболочки аэростата для увеличения подъемной силы, в объемах исходя из технических данных котла и аэростата.

При сбросе части паровоздушной смеси, в верхнем положении аэростата, начитается снижение и движение поршня вниз, что соответствует условию Rt=m*g, где Rt - гравитационная сила, Н; m - масса аэростата с оснасткой и поршня с шатуном, кг; g - ускорение свободного падения, м/сек2.

Суммарный крутящий момент:

Мкр=(Fa+Rt)*1/2D - крутящий момент вала, где D - диаметр вращения кривошипа коленчатого вала.

Применение предлагаемого привода электрогенератора, позволяет расширить номенклатуру средств "малой" теплоэнергетики и аэромеханики, использующих, в первую очередь возобновляемое топливо растительного происхождения, твердые бытовые отходы, энергию уходящих топочных газов и воздушную атмосферу, в их естественных условиях. При этом достигается эффект энергосбережения в сравнении с применяемыми традиционными источниками энергии.

Источники информации:

* Патент РФ 2389655, B64D 5/00; В64В 1/40; F23J 11/00, 2010 (прототип).

** Таланов А.В. «Все о воздушных шарах». Москва. Издательство «Астрель» 2002.

*** М.И. Бать, Г.Ю. Джанилидзе. Теоретическая Механика, - М.: Наука. 1967.

Изобретение относится к устройствам выработки электрической энергии, получаемой при сжигании топлива. Привод электрогенератора включает коленчатый вал для вращения генератора и снабжен паровым котлом-утилизатором, накопителем пара, двумя аэростатами, двумя поршнями с шатунами и двумя коленчатыми валами. Паровой котел-утилизатор выполнен с возможностью получения пара при использовании топочного газа. Каждый аэростат имеет распределительную корзину, выполненную с возможностью получения паровоздушной смеси, и клапан для сброса паровоздушной смеси. Каждый шатун соединен с соответствующим аэростатом с возможностью вращения коленчатого вала. Изобретение направлено на расширение средств, использующих энергию уходящих топочных газов и воздушную атмосферу. 10 ил., 1 табл.

Привод электрогенератора, включающий коленчатый вал для вращения генератора, отличающийся тем, что он снабжен паровым котлом-утилизатором, накопителем пара, двумя аэростатами, двумя поршнями с шатунами, двумя коленчатыми валами, паровой котел-утилизатор выполнен с возможностью получения пара при использовании топочного газа, каждый аэростат имеет распределительную корзину, выполненную с возможностью получения паровоздушной смеси, и клапан для сброса паровоздушной смеси, каждый шатун соединен с соответствующим аэростатом с возможностью вращения коленчатого вала.