CC BY
1УДК 621.225
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
ЛЫСЕНКО ВИКТОР СТЕПАНОВИЧ
Руководитель лаборатории инноваций и нанотехнологии «Казахский национальный
педагогический университет им. Абая» ( КазНПУ им.Абая), г. Алматы, Казахстан
Аннотация. В статье сообщается о новом способе преобразования энергии и конструкции гидравлической установки для производства электрической и/или тепловой энергии. В качестве привода этих установок могут использоваться электродвигатели или источники возобновляемой энергии (водосбросов, рек, ветра, транспортных средств и других вращательных приводов). Технология основана на интеграции вихревого, резонансного и инерционного физических эффектов, а также явления интерференционной фокусировки концентрических вибраций. Сообщается об особенности конструкции и технологии изготовления основных узлов энергетических установок, реализующих новый способ.
Ключевые слова: Энергия потока жидкости, кинетическая энергия, вихревой эффект, резонанс, инерция, интерференционная фокусировка.
Решение проблемы без топливных экологически чистых энергетических технологий для преобразования возобновляемой энергии является все более актуальным.
В этой связи лабораторией инноваций и нанотехнологий КазНПУ имени Абая разработана новая технология преобразования энергии и гидравлическая энергетическая установка [1].
Аналогом для разработок послужили исследования и разработанные концепции экологически чистого и эффективного использования энергии потока жидкости Виктора Шаубергера [2], которые базируются на вихревом эффекте.
Предлагаемая технология преобразования энергии возобновляемых источников (водосбросов, рек, ветра, транспортных средств и других вращательных приводов) в тепло и электричество основан на интеграции вихревого, резонансного и инерционного физических эффектов, а также явления интерференционной фокусировки концентрических вибраций.
Теоретическим обоснованием послужила разработанная авторами математическая модель и аналитическое описание механизма концентрации кинетической энергии в вихревых формированиях, которые представлены в работе [3]. Суть механизма концентрации кинетической энергии сводится к следующему. Если потоку жидкости придать вихревое воронкообразное движение, то в хоботе воронки в соответствии с законом сохранения момента количества движения будет возрастать скорость вращения и соответственно кинетическая энергия. Это позволит оптимизировать конструкторские параметры вихревых каналов и форсунок предлагаемой энергетической установки.
Кинетические энергии вращения жидкости в конусной трубе с механическими элементами закручивания потока в начальном слое закручивания Т1 и в конечном слое Т2, без учета сил сопротивления, аналогично [3] будут равны
Тг = ^/¿ш^2 = \и\М Д2 = (1)
т2 = 2^2/ dШi г2 = 1^2 М г2 = (2)
где - элементарные массы вращающихся частиц, Яг и г - расстояния элементарных масс до оси вращения в соответствующих слоях, М - суммарная масса вовлеченных во вращение частиц, Я и г - приведенные радиусы вращения суммарных масс в соответствующих слоях, Jl и J2 - моменты инерции вращающихся суммарных масс относительно оси вращения в соответствующих слоях.
В соответствии с законом сохранения момента количества движения в разных слоях вращения с учетом допущения постоянства суммарной массы М вращающихся частиц можно записать следующее
1 = /2^2 или ш1И2 = ш2г2. (3)
Из выражения (3) определяется степень возрастания угловой скорости а 2 в процессе вихреобразования
^2 = (7) ^1. (4)
Подставив выражение (4) в (2) и, учитывая (1), получим
Т2 = (7)2 Т1 . (5)
Таким образом, в конусной трубе с идеально организованном вихревом движении происходит возрастание скорости вращения и соответственно кинетической энергии вращающихся масс в квадратичной зависимости от отношения радиуса начального радиуса трубы к конечному радиусу. Получив импульс вращения масс жидкости на радиусе, к примеру, 0,05 метров на выходе из конусной трубы радиусом 0,01м, кинетическая энергия вращающихся жидкости теоретически возрастет в 25 раз.
В реальности это значение будет несколько ниже из-за гидравлического трения о стенки трубы и турбулентных сопротивления. Задачей является оптимизация конструкторские параметры вихревых каналов труды и форсунок предлагаемой энергетической установки.
На рисунке 1 представлена схема установки с механизмом для создания концентрических вибраций при помощи электрических разрядов в воде. На рисунке 2 - схема установки с механизмом для создания концентрических вибраций в воде и эксцентрических вибраций.
1
Рисунок 1. Схема установки с механизмом для создания концентрических вибраций при помощи электрических разрядов в воде
Гидравлическая энергетическая установка (рис. 1) состоит из привода 1, который может быть выполнен в виде электродвигателя, гидротурбины, ветродвигателя или других приводных механизмов, генератора 2, заполненного в нижней части водой корпуса 3, в котором размещены обруч 4 с зазубринами по периферии корпуса, клапан-ограничитель 5, радиальные перегородки 6 и ротор 7 с центральной полостью 8, сообщающейся с несколькими
радиально расположенными коническими закрученными трубками 9 с форсунками 10 на концах и с погруженной в воду осевой всасывающей трубой 11 и механизма для создания концентрических вибраций в воде в виде нескольких пар электродов 12 с отражателями 13. Привод 1 через кинематическую связь 14 приводит во вращение ротор 7, установленный в подшипниковых опорах 15. Ротор 7 через управляемую муфту 16 связан с генератором 2 тока или тепла. Электрический разряд в электродах 12 обеспечивается генератором
Гидравлическая энергетическая установка (рис. 2) состоит из привода 1, аналогичного описанному выше, корпуса 3, в котором размещены обруч 4 с зазубринами по периферии корпуса, клапан-ограничитель 5, радиальные перегородки 6 и ротор 7 с центральной полостью 8, сообщающейся с несколькими радиально расположенными коническими закрученными трубками 9 с форсунками 10 на концах и с погруженной в воду осевой всасывающей трубой 11 и механизма для создания концентрических вибраций в воде и эксцентрических вибраций, выполненного в виде дифференциального планетарного механизма с одним центральным колесом 17 наружного зацепления, несколькими парами сателлитов 18 с симметричными эксцентриками 19 и подпружиненным водилом 20, при этом радиальная вибрация осей сателлитов передается через кулисы 21 и эластичные обоймы 22 воде, а круговая вибрация водила через обгонные муфты 23 и 24 генератору тока 25 и теплогенератору 26.
Способ преобразования энергии реализованный в установке, схема которой представлена на рис.1, осуществляется следующим образом.
Посредствам привода 1 приводится во вращение ротор 7 с трубками 9. За счет центробежных сил в центральной полости 8 ротора возникает разряжение. Вода из нижней емкости корпуса 3 под действием разряжения и концентрических импульсов, создаваемых электродами 12 электрическими разрядами в воде, поступает в центральную полость 8. Далее вода центробежными силами распределяется по трубкам 9, разгоняется и завихряется в них и с большой скоростью выбрасывается через форсунки 10 на зазубрины обруча 4 и далее стекает в нижнюю емкость корпуса 3. Таким образом, вода циркулирует по замкнутому контуру: емкость - всасывающая труба 11 - полость 8 - трубки 9 - форсунки 10 - емкость. В процессе циркуляции при выходе из форсунок 10 вода создает реактивный крутящий момент на роторе
7 и тем самым разгружает основной привод 1. Это снижает потребляемую мощность привода и тем самым повышает эффективность работы энергетической установки. После того, как ротор 7 войдет в установившийся режим вращения, включается при помощи управляемой муфты 16 генератор электрического тока 2 или теплогенератор (на рисунке 1 не показан).
Способ преобразования энергии реализованный в установке, схема которой представлена на рис. 2, осуществляется следующим образом.
Работа ротора 7 аналогична описанному выше, только концентрические вибрации в воде создаются механическим способом. При этом способ дополнен операцией использования инерционной энергии при помощи эксцентрических масс. Эта операция может быть осуществлена при помощи механизма эксцентрических вибраций. Этот механизм работает следующим образом. При вращении ротора 7 заодно с ним вращается центральное колесо 17, которое приводит во вращение сателлиты 18 и эксцентрики 19. Последние, вращаясь, попарно создают знакопеременный крутящий момент от сил инерции на подпружиненном водиле 20 вокруг оси вала ротора 7. Таким образом, водило 20 вибрирует на подшипниках вала ротора 7 и передает вращательные крутящие моменты сил инерции одного направления через обгонную муфту 23 генератору тока 25, а другого - через обгонную муфту 24 роторному теплогенератору 26. Радиальная вибрация осей сателлитов 18 и эксцентриков 19 обеспечивается за счет ползунов 27. Передача этой вибрации воде осуществляется через толкатели 28 и качающиеся кулисы 21, которые одним концом взаимодействует с толкателями, а вторым передают вибрацию через эластичные обоймы 22 воде.
Суть явления самофокусировки концентрических вибраций сводится к следующему.
Явление интерференционной фокусировки, для реализации которого импульсные вибрации в объеме жидкости в нижней части корпуса 3 создаются кольцевым возбудителем концентрически по его диаметру и направлены к центру объема жидкости. При этом обеспечивается интерференционная фокусировка волн в центре потока. Это приводит при оптимальных условиях к возрастанию амплитуды и частоты кольцевых концентрических волн в центре потока жидкости.
Волна возбуждения без учета сопротивления среды и степени затухания колебаний будет связана с фокусированной волной в общем виде через объем активной массы или через площади [4]:
Ло5о = ЛА, (6)
где Л0, - амплитуды, соответственно возбуждения и фокусированной волны;
50, 51 - площадь возбудителя и площадь, где была зафиксирована фокусированная волна с амплитудой
Из соотношения (6) в первом приближении можно определить амплитуду фокусированной волны
¿1 = Ло 5o/5i . (7)
Принцип действия концентрических волн нового способа аналогичен механизму работы плетки, которая изготавливается таким образом, что у рукоятки плетка имеет наибольший диаметр, который сужается к концу плетки. Когда на рукоятке создается небольшой импульс, то волна на конце плетки за счет постепенного уменьшения диаметра будет большей амплитуды и частоты. Этим свойством пользуются пастухи, закрепив на конце плетки гайку. Маленьким импульсом рукоятки достигают существенного удара гайкой.
Из выражения (7) видно, что если, например, у плетки диаметр у рукоятки будет равен 20 мм, а на конце плетки диаметр будет равен 5 мм, то амплитуда конца плетки будет в 4 раза больше амплитуды возбудителя.
Таким образом, механизм эксцентрических вибраций позволяет повысить эффективность преобразования энергии за счет использования сил инерции и обеспечивать механические концентрические вибрации в воде.
Теоретические зависимости, описывающие динамику механизма преобразования энергии центробежных сил инерции, представлены в работе [5]. Зависимости позволяют определить энергетические параметры механизма в зависимости от геометрических размеров и схемы механизма. А технология преобразования энергии центробежных сил инерции запатентована [6].
Самым дорогостоящим узлом любых энергетических установок являются турбины. Их производство связано с целым рядом трудоемких технологических операций и последующей балансировкой.
Конструкция ротора-турбины предлагаемой гидравлической энергетической установки такова, что механическим путем её изготовить очень сложно. Однако именно эта приближенная по конфигурации каналов и изготовленная из комбинации определенных сплавов турбина должна обеспечить течение воды аналогичное природным вихревым образования, которые наиболее энергетически выгодны для минимизации гидравлических сопротивлений и реструктуризации воды для преобразования её внутренней энергии за счет отрицательного температурного градиента в кинетическую энергию движения.
Сложная конструкция ротора-турбины обуславливает высокую стоимость её изготовления. Это было сдерживающим фактором практической реализации разработки. Современные технологии позволили сотрудникам лаборатории разработать способ изготовления ротора-турбины по аналогии с технологией изготовления пластиковых бутылок, то есть при помощи экструдеров. Кроме того, корпус и другие детали энергетической установки могут изготовляться по этой же технологии. При такой технологии серийного производства себестоимость изготовления ротора-турбины и самих установок будет настолько низкая, что с лихвой окупит все затраты на НИОКР и изготовлении пресс-форм по трехмерным чертежам на станках с ЧПУ или 3Д принтере.
Работа выполнена в рамках гранта Ректора КазНПУ имени Абая.
1. Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. Способ преобразования энергии и гидравлическая энергетическая установка. Инновационный патент РК № 25769, опубл. 15.05.2012, бюл. № 5.
2. Шаубергер В. Энергия воды. - М.: Яуза, Эксмо, 2008. - 320 с.
3. Лысенко В.С., Пралиев С.Ж., Сулейменов Б.Т., Мунасипов С.Е. Кинетическая энергия вихревых образований и альтернативная энергетика // Успехи современного естествознания. - 2012. - № 12 - С. 104-106 URL: www.rae.ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=10000419 (дата обращения: 19.04.2024).
4. Болотов Б.В. и другие. Основы строения вещества с позиции авторов. - К.: Универсариум, 2009, - 656с.
5. Лысенко В.С., Пралиев С.Ж., Сулейменов Б.Т., Баубеков С.Д. Анализ инерционного механизма // Современные наукоемкие технологии. - 2012. - № 12 - С. 20-23 URL: www.rae.ru/snt/?section=content&op=show article&article id=10000339 (дата обращения: 19.04.2024).
6. Лысенко В.С., Пралиев С.Ж. Способ преобразования энергии центробежных сил инерции. Инновационный патент РК № 26109, опубл. 14.09.2012, бюл. № 9.
ЛИТЕРАТУРА
