Патент на изобретение №2355911

(54) ТЕРМОГЕНЕРАТОР

(57) Реферат:

Термогенератор может быть применен для производства электрической энергии за счет использования разности природных температур. Термогенератор содержит теплосъемное устройство, грунтовый трубопровод, воздушный теплообменник, солнечный коллектор, двигательный, накопительный и исполнительный механизмы, механизм, переключающий поток жидкости, устройство автоматического управления работой электрических блоков, инвертор и аккумуляторную батарею; кроме того, термогенератор содержит гидроцилиндры с опорой в виде поршня, на котором имеются отверстия, механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса. Изобретение обеспечивает повышение мощности за счет преобразования низкопотенциальной тепловой энергии природных источников (тепло грунта, воздуха, солнечное излучение) в механическую энергию и затем – в электрическую. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к установкам, производящим электроэнергию, и может быть использовано в области использования возобновляемых источников энергии преимущественно для выработки электроэнергии и для привода различных механизмов, например водоподающих устройств, насосов, нефтеперекачивающих устройств, там где затраты на электроэнергию полученную централизованно велики или отсутствует централизованное снабжение.

Широко известны солнечные батареи, работающие на основе фотоэлектрического эффекта и производящие электрический ток от природного источника – солнечного излучения. Для их размещения требуются открытые площадки, а электроэнергию эти устройства могут вырабатывать только днем и при наличии солнечной погоды, кроме того, для накопления энергии требуют большой емкости аккумуляторных батарей, поэтому в наземном использовании солнечные батареи широкого применения не нашли.

Известен тепловой двигатель (Авторское свидетельство (11) 877111, (м) кл.3 24.08.79), преобразующий тепловую энергию в механическую и использующий естественную разницу температур.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции этого двигателя, технологически изготовить его сложно, так как необходимо обеспечить множество герметичных камер с сопрягаемыми элементами в эластичном материале (например, резине) и с одинаковыми характеристиками по геометрическим размерам и объемному расширению. Срок службы эластичного материала из-за постоянной смены температур в течение времени, требующегося на один оборот поворота ротора, значительно снизится, следовательно, и срок службы всего двигателя мал.

Для получения практически значимых мощностей (например, 0,1 кВт), требуется большой дебаланс на роторе для получения, соответственно, больших крутящих моментов (при неизбежно малых оборотах ротора). Следовательно, диаметр такого ротора может быть от 4 до 8 метров в диаметре, что соответственно увеличит габариты, парусность и стоимость всей установки.

При меньших диаметрах ротора требуется увеличение длины ротора, что – то же самое. При этом увеличится и занимаемая площадь для монтажа теплового двигателя.

Для получения вышеуказанных практически значимых мощностей, не говоря уже о мощности более 2 кВт (см. описание предлагаемого термогенератора), требуется разность диаметрально противоположных температур около 10-20°С, что потребует отдельных нагревательных и охладительных устройств, таких как солнечные коллекторы и теплообменники уложенные в грунт, так как работает тепловой двигатель от разности природных температур. Но применение таких устройств в указанном тепловом двигателе невозможно из-за конструктивных особенностей. Следовательно, разность температур в таком двигателе может быть получена только нагревом обращенной части ротора к солнечным лучам, а охлаждение – перемещением нагретой части ротора в затененную область. Но при этом разность температур не может быть получена более 5°С.

Кроме этого увеличение скорости ротора отрицательно повлияет на прогрев и последующее охлаждение герметичных камер ротора из-за неизбежной инерционности тепловых процессов. Следовательно, данный двигатель может работать только при очень низких оборотах вращения ротора (менее 1 об/мин), что не позволит снять с вала отбора значительных мощностей.

Поэтому такой тепловой двигатель, как и указано в описании изобретения, применим только для питания маломощных приборов.

Для питания передающих информацию устройств о сейсмичности, активизации вулканов и т.д. применяются солнечные батареи, которые обладают большей эффективностью (удельная стоимость получаемой энергии, малогабаритность, удобство в эксплуатации), чем указанный тепловой двигатель.

Ветросиловые установки имеют меньшую стоимость в расчете на ватт мощности, чем солнечные батареи, но не везде они могут использоваться, кроме того, при увеличении мощности ветроустановок резко возрастают затраты на монтаж и обслуживание. Они также требуют большой емкости аккумуляторных батарей т.к. ветер – не постоянный природный фактор. Имеется проблема обледенения лопастей ветроагрегата во время затишья, в соответствии с этим – дисбаланса и соответственно разрушения всей ветроустановки при последующей ее работе.

От этих недостатков свободен заявленный термогенератор, т.к. использует разность природных посезонных температур и не требует обязательных открытых площадей для своего расположения, а отсутствие разностей температур природной тепловой энергии возможны только в 1-2 месяце октябрь-ноябрь, в остальное время термогенератор может использоваться постоянно.

Известна установка для получения тепловой энергии, использующая тепло грунта и наружного воздуха, нагретого солнцем, содержащая грунтовый трубопровод воздушный теплообменник, циркуляционный насос, датчики температур. (Изобретение (191 RU (II) 2206026 (13) C1 (51) 7 F24D 15/04, F25B 29/00) эта установка хотя и использует тепловую природную энергию, но пригодна только для получения тепловой энергии, причем, при своей работе потребляет большое количество энергии для привода компрессора и другого обслуживающего установку оборудования. Она не может быть использована для получения механической энергии или электроэнергии.

Технической задачей предлагаемого изобретения является преобразование дешевой низкопотенциальной природной тепловой энергии в механическую энергию, пригодную для полезной работы различных устройств, а также, причем преимущественно, преобразование этой энергии в электрическую.

Указанная задача решается тем, что термогенератор использует разность природных температур для получения электроэнергии и содержит теплосъемное устройство тепловой энергии природной среды, содержащее грунтовый трубопровод, воздушный теплообменник, солнечный коллектор. Термогенератор снабжен двигательным механизмом, состоящим из сравнительного силового гидробака с рабочей жидкостью, гидроцилиндров, соединенных между собой последовательно в группу, суммарное передвижение штоков которых передается на общий вал, состоящий из рычажно-храпового механизма, соединенного с цепной передачей и с зубчатой передачей.

Содержит первый передаточный механизм, содержащий повышающую число оборотов зубчатую передачу. Содержит накопительный механизм, состоящий из грузовых элементов, вращающихся независимо на одной оси, подвижных храповых колес, неподвижного храпового колеса.

Содержит второй передаточный механизм, состоящий из упругой муфты на входном валу, повышающей число оборотов зубчатой передачи, центробежной муфты, ременной передачи.

Содержит исполнительный механизм, состоящий из генератора и блока контрольного и зарядного.

Содержит механизм, переключающий поток жидкости, состоящий из следящего гидропривода с силовыми гидробаками, автоматически корректирующими момент переключения в зависимости от установившейся природной разности температур, состоящий еще и из штанги с упорами и пружинами.

Содержит устройства автоматического управления работой электрических блоков термогенератора, состоящего из устройств визуального контроля ввода заданных параметров, блока анализа природных температур и положений гидрораспределителей, программного блока, блока автоматического управления, контрольного блока входных параметров и нагрузки.

Содержит инвертор и аккумуляторную батарею.

Содержит механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса.

На фиг.1. Структурная схема механизмов и устройств термогенератора.

На фиг.2. Общая совмещенная в аксонометрических проекциях кинематическая и гидравлическая схема термогенератора с накопительным механизмом потенциальной энергии.

На фиг.3. Второй вариант упрощенной конструкции термогенератора в виде совмещенной кинематический и гидравлической схемы с условными изображениями без накопительного механизма и без следящего гидропривода на переключающем механизме, но с автоматическим устройством, переключающим термогенератор на более эффективную работу при смене сезона или при появлении солнечной погоды.

На фиг.4. Механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса.

На фиг.5. Блок-схема автоматического управления работой электрических устройств термогенератора.

На фиг.6. Схема гидроцилиндра с телескопическим штоком.

На фиг.7. Представлен вариант совмещения устройств термогенератора в одном крытом сооружении. Вид снаружи.

На фиг.8. Вариант внутренней компоновки устройств термогенератора внутри сооружения.

На фиг.9. Сравнительные графики выработки электроэнергии при условии одинаковых номинальных мощностей различными устройствами.

На фиг.10. Вариант использования группы термогенераторов в одной общей системе.

Термогенератор содержит теплосъемное (фиг.1) устройство 1 тепловой энергии природной среды 2, двигательный механизм 3, первый передаточный механизм 4, накопительный механизм 5, второй передаточный механизм 6, исполнительное устройство 1, состоящее из генератора электрического тока 8 и блока зарядного и контрольного 9. Содержит механизм, переключающий поток жидкости 10, устройства автоматического управления работой электрических блоков термогенератора 11, аккумуляторную батарею 12, механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса 13.

Теплосъемное устройство 1 состоит (фиг.2) из грунтового трубопровода 14, воздушного теплообменника 15, солнечного коллектора 16, состоящего из двойного остекления 17, утеплителя 18, лучепоглощающей поверхности 19 и солнечного нагревателя 20. Теплосъемное устройство 1 состоит также из вентилей 21 и 22, гидроаккумулятора 23, заполненного теплоносителем 24, и соединенных между собой трубопроводами 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, которые имеют утепления 37. Имеется регулируемый по производительности циркуляционный насос 38.

Термогенератор содержит двигательный механизм 3, состоящий из сравнительного силового гидробака 39, внутри которого находится теплообменник 40 с теплоносителем 24, а снаружи находится утеплитель 41, силовой гидробак 39 заполнен рабочей жидкостью 42 и соединен трубопроводом 43 с гибким трубопроводом 44 через резьбовое соединение 45, а гидроцилиндры в сборе 46 имеют штоки 47 с наконечниками 48, к цилиндрам приварены серьги 49 крепления. Первый из гидроцилиндров, соединенных в группу, шарнирно закреплен через свою серьгу со станиной 50, а своим наконечником 48 штока соединен на одной оси шарнирно с плечом рычага 51 и серьгой следующего гидроцилиндра. Следующие гидроцилиндры соединены аналогично последовательно, а рычаги 51 свободно могут вращаться на валу 52, рычаг 53 жестко закреплен на этом валу. Последний гидроцилиндр в группе соединен своим наконечником штока с плечом рычага 53. Гидравлически гидроцилиндры соединены между собой гибкими трубопроводами 54. Вал 52 может вращаться в подшипниках 55, установленных в станине 50, и на нем закреплено зубчатое колесо 56, находящееся в зацеплении с шестерней 57, жестко установленной на валу 58, вращающемся в подшипниках 59, установленных в станине 50. На валу 58 жестко установлена звездочка 60 цепи 61, которые совместно со звездочкой 62 образуют цепную передачу. К звездочкам 60 и 62 закреплены жестко рычаги 63 и 64 соответственно.

На рычагах 63 и 64 подвижно закреплены собачки 65 и 66 соответственно, так как показано на фиг.1. На валу 58 свободно установлено храповое колесо 67, взаимодействующее с собачкой 65, а на оси 68 свободно установлено храповое колесо 69 взаимодействующее с собачкой 66. На валах 58 и 70 свободно установлены зубчатые колеса 71 и 72 жестко связанные с храповыми колесами 67 и 69 соответственно, которые находятся в зацеплении с зубчатыми колесами 73 и 74 соответственно, а следовательно связаны друг с другом. Зубчатые колеса 73 и 74 жестко установлены на валах 75 и 76 соответственно, а эти валы вращаются в подшипниках 77 и 78 соответственно.

Термогенератор содержит первый передаточный механизм 4, который состоит из входящего в зацеплении зубчатого колеса 74 с шестерней 79, жестко закрепленного на валу 76. Шестерня 79 жестко закреплена на валу 80, который вращается свободно в трубе 81, жестко закрепленной в станине 50.

Термогенератор содержит накопительный механизм 5, состоящий из неподвижного храпового колеса 82, жестко установленного на трубе 81. На валу 80 жестко закреплено храповое колесо 83, и вал 80 соосно может вращаться в пустотелом валу 84, на котором жестко закреплено храповое колесо 85, а на внешнем конце пустотелого вала 84 жестко закреплен диск 84, соединенный через пружины 87 с зубчатым колесом 88. Вал 80 вращается в подшипниках внутри трубы 81 и вала 84, а вал 84 вращается в подшипниках 89, установленных в станине 50. Накопительный механизм термогенератора содержит и грузовые элементы (по фиг.2 их 8 шт.), состоящие из кожухов 90 с надетыми на них кольцевыми резиновыми амортизаторами 91 и заполненных (например) песком 92, установленных на грузовых связях 93, к которым жестко закреплены рычаги 94 и 95 с закрепленными к ним поперечными связями 96, на которых установлены собачки 97 и 98, взаимодействующие с храповыми колесами 83 и 85 соответственно. Рычаги 94 и 95 жестко прикреплены к подвижным опорам 99 и 100 соответственно, а на храповом колесе 83 установлена собачка 101, взаимодействующая с храповым колесом 82 (пружины всех собачек не показаны).

Термогенератор содержит механизм, переключающий поток жидкости 10 теплоносителя 24, состоящий из (по фиг.2) штанги 102, установленной с возможностью перемещаться вертикально в направляющих втулках кронштейнов 103 и 104, установленных на станине 50. На штанге 102 жестко закреплены упоры 105 и 106 и опора 107 с закрепленной жестко к ней направляющей пластиной 108, которая входит в паз кронштейна 109, закрепленного неподвижно на станине 50. На штанге 102 установлен поводок 110 с кольцевой проточкой и надеты пружины 111 и 112, а в углубления на штанге 102 входит фиксатор 113 с пружиной 114, установленной в станине 50. На штанге 102 установлены и подвижные опорные площадки 115 и 116 с закрепленными неподвижно к ним трубами 117 и 118 соответственно, причем труба 117 может перемещаться по штанге 102, а труба 118 перемещается по трубе 117.

Гидроцилиндр 119 закреплен своей серьгой к направляющей пластине 108, а наконечником штока – к кронштейну 120, закрепленному жестко к трубе 118. Гидроцилиндр 121 своей серьгой закреплен на кронштейне 122, неподвижно закрепленном на опоре 107, а наконечник штока этого цилиндра закреплен с кронштейном 123, неподвижно закрепленным на трубе 117. На штангу 102 надета компенсирующая пружина 124, а в кольцевую проточку поводка 107 входит ролик 125 приводного рычага 126, соединенного с золотниковым переключателем 127 потока теплоносителя, имеющего переключающий канал 128 для теплоносителя.

Золотниковый переключатель 127 и регулируемые упоры 129 и 130 закреплены на станине 50.

Гидроцилиндр 121 соединен через гибкий трубопровод 131, а гидроцилиндр 119 через гибкий трубопровод 13 2 и через трубопровод 133 с вентилями 134 и 135.

Вентиль 134 соединен трубопроводом 136 с силовым гидробаком 137, а вентиль 135 через трубопровод 138 с силовым гидробаком 138. Внутри силовых гидробаков 137 и 139 имеются теплообменники 140 и 141 соответственно, а внутри них находится рабочая жидкость 42, снаружи они утеплены утеплителем 142.

Термогенератор содержит второй передаточный механизм 6, состоящий из находящихся в зацеплении зубчатого колеса 88, шестерни 143 и находящегося с ней на одном валу 144 зубчатого колеса 145, закрепленных жестко. Содержит шестерню 146, входящую в зацепление с зубчатым колесом 145 и установленную жестко на валу 147 и через центробежную муфту 148 связанную со шкивом 149, который совместно с ремнями 150 и шкивом 151 образует ременную передачу. Шкив 151 закреплен жестко на валу генератора электрического тока 8, который совместно с блоком зарядным и контрольным 9 образует исполнительное устройство 7 термогенератора. На цепи 61 установлен поводок 152.

Термогенератор (фиг.3) содержит золотниковые гидрораспределители 153 и 154, гидроцилиндры 155 и 156. Гидроцилиндр 155 связан со станиной 50 и шарнирно его шток соединен с двуплечим рычагом 157, который вторым плечом взаимодействует с золотниковым гидрораспределителем 153. Гидроцилиндр 156 своей серьгой связан со станиной 50, а его шток закреплен с кареткой 158, которая может перемещаться в направляющих втулках 159 и имеет ролик 160, закрепленный с возможностью вращаться вокруг своей оси, которая жестко закреплена на каретке 158. Ролик 160 введен в зев вильчатого двуплечего рычага 161, который может качаться на своей оси 162, закрепленной к станине 50. Вторым плечом рычаг 161 взаимодействует с золотниковым гидрораспределителем 154. На каретке 158 установлена горка 163, с которой взаимодействует фиксатор, состоящий из шарика 164 и пружины 165, установленный на станине 50. На каретке 158 закреплены направляющие втулки 166, в которых установлена штанга 167 с возможностью перемещаться вертикально между регулируемыми упорами 168 и 169, которые установлены на каретке 158. На штанге 167 установлена горка 170, кронштейн 171, упоры 172 и 173, пружины 174 и 175, подвижные опорные площадки 176 и 177 с ограничителями 178 и 179, имеются два углубления 180, в которые может входить фиксатор, состоящий из шарика 181 и пружины 182, который установлен на каретке 158. Трос 183 с закрепленным грузом 184 через ролик 185, установленный на каретке 158, соединен с кронштейном 171.

Золотниковый переключатель потока 127 установлен на каретке 158 и с гидросистемой связан мягкими трубопроводами 186, 187, 188. Внутри солнечного коллектора 16 находится силовой гидробак 189, связанный мягким гидропроводом 190 с гидроцилиндром 155. Гидроцилиндры 46 соединены механически последовательно, так как показано на фиг.3, причем первый в группе гидроцилиндр шарнирно соединен серьгой 49 со станиной 50, а последний соединен наконечником 48 штока 47 со штангой 191 через поводок 192, который другим концом скреплен с цепью 61. Штанга 191 может перемещаться в направляющих втулках 193, закрепленных на станине 50.

Все цилиндры в группе, за исключением первого могут перемещаться в направляющих втулках 194, закрепленных через кронштейн 195 со штангой 191.

Гидроцилиндры 46 имеют подвижную опору 196 в виде поршня с отверстиями 197 и уплотнения 198. Имеются гидропроводы 199.

Термогенератор содержит механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса 13 состоящей по фиг.4 из зубчатого колеса 200, шестерни 201, тахогенератора 202, обгонной муфты 203, мультипликатора 204, маховика 205, муфты 206, электродвигателя 207.

Термогенератор содержит устройства автоматического управления работой электрических блоков 11, состоящие (фиг.5) из устройства визуального контроля и ввода заданных параметров 208, блока зарядного и контрольного 9, блока анализа природных температур 209, температурных датчиков 210, 211, 212, 213, датчиков положений 214, программного блока 215, блока автоматического управления 216, инвертора 217, контрольного блока выходных параметров и нагрузки 218, электролинии 219, нагрузки потребителя 220, задающего генератора стабилизированной частоты электротока 221.

Термогенератор по фиг.6 содержит гидроцилиндры с телескопическим штоком, состоящим из штока 47 с полой частью 222, неподвижной части 223 штока, уплотнения 224, имеется отверстие 225, опорная втулка 226.

Термогенератор содержит по фиг.7 объединяющую конструкцию в виде здания 227.

Термогенератор работает следующим образом.

Теплосъемное устройство 1 производит отбор энергии природной среды 2. Для этого включают электродвигатель 207 циркуляционного насоса 38, при этом теплоноситель 24, в качестве которого применена незамерзающая при низких расчетных температурах жидкость, начинает перемещаться по трубопроводам.

Теплоноситель из грунтового трубопровода 14, нагретый до температуры t₁, уложенного на глубину не промерзающих слоев Н и длиной L, выбранных исходя из необходимой мощности термогенератора и условий зоны нахождения его, поступает в трубопровод 31 (фиг.2), а имеющееся утепление 37 на трубопроводах гидросистемы в необходимых местах предотвращает остывание теплоносителя и он поступает через теплообменник 141 в трубопровод 34 и через переключающий канал 128 золотникового переключателя 127 поступает в трубопровод 28, через циркуляционный насос 38, теплообменник 40 в трубопроводы 26 и 35, затем попадает вновь в грунтовой трубопровод 14 и контур циркуляции замыкается. Другие контуры циркуляции теплоносителя невозможны, так как трубопровод 33 перекрыт золотниковым переключателем 127, а вентиль 21 закрыт. Теплообменник 40 при указанном положении золотникового переключателя 127 является нагревателем рабочей жидкости 42, имеющей большой коэффициент объемного расширения, и при нагревании рабочая жидкость 42, увеличивает свой объем, а так как сравнительный силовой гидробак 39 достаточно жесткий по конструкции, то происходит увеличение давления в рабочей жидкости в этом гидробаке, а также в трубопроводе 43, 44, 54 и гидроцилиндрах 46. Давление при этом в рабочей жидкости соответствует ее нагреву до температуры t₁. Штоки 47 выдвигаются из гидроцилиндров 46 в соответствии с повышением давления. Гидроцилиндры соединены последовательно в группу с числом гидроцилиндров n (по фиг.2 их 4 шт.), каждый гидроцилиндр поворачивает свой рычаг наконечником 48 штока 47 на угол , кроме того имеет суммарный поворот от предыдущих гидроцилиндров. Суммарный поворот рычага 53 и соответственно вала 52 будет составлять:

где – суммарный поворот вала 52, град.;

n – число гидроцилиндров в группе, шт.;

– поворот отдельного рычага обусловленный перемещением штоков каждого отдельного гидроцилиндра, град.

По фиг.2 поворот вала 52 происходит по часовой стрелке и составит при температуре t₁

где ₁ – поворот вала 52 при нагреве рабочей жидкости 42 до температуры грунта t₁, град.;

₁ – угол поворота отдельного отдельного рычага 51, обусловленный перемещением штока каждого отдельного гидроцилиндра 46 при нагреве рабочей жидкости 42 до температуры грунта t₁, град.;

t₁ – температура рабочей жидкости 42 при циркуляции теплоносителя 24 (фиг.2) через грунтовый трубопровод 14, °С.

Примечание.

Так как при движении теплоносителя 24 от грунтового трубопровода 14 до теплообменника 40 неизбежны потери тепловой энергии на нагрев трубопроводов и других деталей термогенератора, то температура рабочей жидкости 42 всегда будет меньше, чем температура грунта в месте закладки грунтового трубопровода 14. Для использования в дальнейшем тексте описания работы термогенератора примем в соответствии со схемой (фиг.2), что ₂=4₂, где индекс ₂ означает, что поворот вала 52 обусловлен нагревом (охлаждением) рабочей жидкости 42 при циркуляции теплоносителя 24 через воздушный теплообменник 15 (фиг.2) до температуры t₂, и соответственным поворотом рычагов 51 на угол ₂. ₃=4₃, где индекс ₃ означает, что поворот вала 52 обусловлен нагревом рабочей жидкости 42 при циркуляции теплоносителя 24 через солнечный коллектор 16 (фиг.2) до температуры t₃, и соответственным поворотом рычагов 51 на угол ₃. При этом потери тепловой энергии при движении теплоносителя 24 по трубопроводам также неизбежны.

Чтобы увеличить выдвижение штоков гидроцилиндров в зависимости от температуры рабочей жидкости гидроцилиндры содержат опору в виде поршня 197 и на ней имеется отверстие 196. При этом гидроцилиндры являются гидроцилиндрами плунжерного типа и имеют большую чувствительность по перемещению штока в зависимости от повышения давления в отличие от поршневого типа, одновременно при этом уменьшается развиваемое усилие на штоке F, что необходимо для уменьшения передаточного отношения i первого передаточного механизма 4, а следовательно, увеличения механического КПД – _м. При этом также уменьшаются контактные напряжения в зубчатых передачах, что влечет применение более дешевых материалов зубчатых колес и уменьшение габаритов.

Повернувшись на угол ₁, вал 52 поворачивает и зубчатое колесо 56 на тот же угол и соответственно шестерню 57 на угол:

–

где ₁₍₅₇₎ – угол поворота шестерни 57 при циркулирующем теплоносителе в грунтовом трубопроводе 14, град.;

– i_56,57 – передаточное отношение зубчатого колеса 56 и шестерни 57.

Разные знаки у углов ₁ и ₁₍₅₇₎ показывают, что вращение зубчатого колеса 56 и шестерни 57 осуществляется в противоположные стороны.

На угол – ₁₍₆₀₎= – ₁₍₅₇₎ поворачивается и звездочка 60, т.к. установлена жестко на одном валу 58 с шестерней 57.

Собачка 65 поворачивает блок, состоящий из храпового колеса 67 и зубчатого колеса 71, установленных свободно на валу 58, на угол – ₁₍₆₇₎=-₁₍₇₁₎= – ₁₍₆₀₎, где

– ₁₍₆₇₎ – угол поворота храпового колеса 67 (против часовой стрелки при нагреве рабочей жидкости 42 через грунтовый теплообменник 14, см. фиг.2), град.;

– ₁₍₇₁₎ – угол поворота зубчатого колеса 71, град.

При движении цепи 61 поводок 152 пройдет расстояние Т от своего верхнего, начального положения (поводок изображен сплошной линией) до нижнего положения (поводок изображен пунктирной линией). При этом будет вращаться зубчатое колесо 73 против часовой стрелки и зубчатое колесо 74 по часовой стрелке. Одновременно с зубчатым колесом 74 будет вращаться против часовой стрелки шестерня 79. Зубчатое колесо 74 входит в зацепление с зубчатым колесом 72 сблокированным с храповым колесом 69 и установленным свободно на валу 70. Зубчатое колесо 72 и храповое колесо вращается по часовой стрелке, беспрепятственно выходя из зацепления с собачкой 66, которая к тому же вращается одновременно со звездочкой 62, приводимой цепью 61 против часовой стрелки. Ввиду низких скоростей подвижных элементов первого передаточного механизма 4 и значительных действующих усилий в передачах двигательного механизма 3 применение рычажно-храпового механизма оправдано. Шестерня 79 всегда получает вращение по часовой стрелке и совместно с зубчатым колесом 74 образует первый передаточный механизм 4.

Накопительный механизм 5 получает вращение от шестерни 79 через вал 80, который вращается внутри трубы 81 в подшипниках. С валом 80 жестко связано храповое колесо 83, которое, вращаясь по часовой стрелке, за счет собачек 97 поднимает грузовые элементы накопительного механизма, вращая их вокруг вала 80. Грузом в грузовых элементах является (например) песок 92 и конструктивные элементы 93, 94, 95, 90, 96. Из-за возможных зазоров в зацеплениях зубчатых колес, износа цепи и по соображениям безопасности имеется неподвижное храповое колесо 82. При переключениях переключающего механизма 10 снижается усилие подъема грузовых элементов из-за выборки возможных зазоров, и грузовые элементы могут опускаться вниз на значительную величину. Чтобы не расходовать неэффективно мощность термодвигателя, собачка 101 упрется в этот момент на зубья неподвижного храповика 82 и опускания грузовых элементов не происходит. Механизм 10, переключающий поток жидкости теплоносителя 24, работает следующим образом. Поводок 152 доходит до своего нижнего положения и нажимает на опорную подвижную площадку 115, опуская штангу 102, которая фиксируется вхождением шарика 113 в верхнее углубление, при этом несколько сжимается компенсирующая пружина 124, рассчитанная на удержание веса штанги 102 в сборе. Сжимается и пружина 111, получая усилие от упора 106 и реактивное усилие от поводка 110, при этом он через ролик 125 и рычаг 126 переключает золотниковый переключатель 127 во второе положение и через переключающий канал 128 теплоноситель 24 начинает циркулировать по другому контуру. В момент переключения исключает гидроудар и сглаживает давление в гидросистеме гидроаккумулятор 23, а циркуляция (например, в зимнее время при открытом вентиле 22) охлажденного теплоносителя 24 в воздушном теплообменнике 15 до температур морозного воздуха по контуру через трубопровод 29, вентиль 22, трубопровод 30, теплообменник 140, трубопровод 33, переключающий канал 128 золотникового переключателя 127, трубопроводы 32, 28, циркуляционный насос 38, теплообменник 40 сравнительного силового гидробака, трубопроводы 25 и 36 возвращается в воздушный теплообменник 15.

Рабочая жидкость 42 начинает охлаждаться до отрицательных температур, и соответственно поводок 152 цепи 61, приводимой в движение храповым колесом 69, собачкой 66 и звездочкой 62, начинает перемещаться к своему верхнему положению, где, нажимая на опорную подвижную площадку 116, переключает золотниковый переключатель 127 для циркуляции теплоносителя 24 по ранее описанному контуру, включая грунтовой трубопровод 14, и теплоноситель 24 вновь начинает нагревать рабочую жидкость 42.

При указанном на фиг.2 положении вентилей 21 и 22 эксплуатация возможна в зимнее время, т.к. разность температур t=t₁-t₂ может быть максимальной и составит от 5 до 30°С (расчетная),

где t₂ – температура рабочей жидкости 42 при циркуляции теплоносителя 24 через воздушный теплообменник 15, °С;

t – разность температур, °С.

При летней эксплуатации вентиль 21 открывают, а вентиль 22 закрывают, включая в работу солнечный коллектор 16 с теплообменником (нагревателем) 20.

При этом t = от 10 до 45°С (расчетная).

Ввиду того, что разность температур в природе не постоянна, положения опорных подвижных площадок на штанге автоматически устанавливаются следящим гидроприводом. При этом температуру более низкую отслеживает силовой гидробак 137 с теплообменником 140 и соответственно следящий гидроцилиндр 121, а более высокую – силовой гидробак 139 с теплообменником 141 и соответственно следящий гидроцилиндр 119. На фиг.2 путь жидкости (в зимнее время) указан на вентилях 134 и 135 стрелками. В летнее время оба этих вентиля необходимо переключать, так как грунтовой трубопровод 14 представляет из себя холодильник, а не нагреватель как в зимнее время. При прохождении через теплообменник 141 (в зимнее время) как показано на фиг.2 нагревается до температуры t₁ рабочая жидкость 42 в силовом гидробаке 139, расширяясь, она создает более высокое давление и через трубопровод 138, вентиль 135, трубопроводы 132 попадает в следящий гидроцилиндр 119, который своим штоком и связующие элементы устанавливает опорную подвижную площадку 116 в строго определенное положение, соответствующее температуре t₁. В соответствии с температурой t₂ устанавливается и опорная подвижная площадка 115 за счет охлаждения до отрицательных температур теплообменника 140, рабочей жидкости 42 в силовом гидробаке 137. При этом давление передается через трубопровод 136, вентиль 134, трубопроводы 133, 131, попадает в следящий гидроцилиндр 121, который устанавливает через свой шток и связующие элементы площадку 115. При этом расстояние Т соответствует всегда наиболее эффективному использованию разности t. Расстояние Т определяется конструктивно и прямо пропорционально знакопеременному вращению вала 52.

При прохождении грузового элемента через наиболее высокое положение он под действием своего веса своей собачкой 98 (на каждом грузовом элементе есть такая собачка) вращает храповое колесо 85, которое через вал 84, диск 86, пружины 87 вращает зубчатое колесо 88. Повышающая число оборотов передача передает вращение через шестерню 143 и зубчатое колесо 145, на шестерню 146 и через центробежную муфту 148 на шкив 149. Причем центробежная муфта соединяет шестерню 146 с ведущим шкивом 149, когда обороты шестерни 146 достигнут 40% от номинальных, а диск 86, пружина 87 и тело зубчатого колеса 88 образуют упругую муфту, сглаживающую возможные ударные нагрузки при начале движения грузового элемента под своим весом. Накопительный механизм, таким образом, исключает большую потерю мощности от снижения КПД – _м, чем, если бы использовались передаточные механизмы с большим количеством зубчатых пар для мультипликатора. На генератор электрического тока 8 вращение передается через шкив 151, который совместно со шкивом 149 и ремнями 150 образуют ременную передачу. Электрическая энергия от генератора электрического тока 8 передается блоку контрольному и зарядному, который при достижении допустимого зарядного тока J₃ и напряжения U₃ заряжает аккумуляторную батарею 12. Термогенератор по фиг.3 отличается от термогенератора по фиг.2 тем, что накопительный механизм 5 отсутствует. Передаточный механизм, состоящий из зубчатого колеса 145, шестерни 146, шкивов 149 и 151, соединенных так, как показано на фиг.3, образует один передаточный механизм. Причем зубчатое колесо 145 получает вращение от находящегося с ним на одном валу зубчатого колеса 74. Штанга 191 через поводок 192 приводит в движение цепь 61 (направление возможных перемещений штанги 191 и цепи 61 показаны стрелками) за счет перемещения штоков 47, объединенных в группу гидроцилиндров 46. Вместо вентилей при сезонных ручных переключениях применены золотниковые гидрораспределители 153 и 154, переключаемые автоматически. При нагревании силового гидробака 189 давление создается в гидроцилиндрах 155 и 156 и через двуплечий рычаг 157, золотниковый гидрораспределитель 153 исключается из работы воздушный теплообменник 15, а включается солнечный нагреватель 20, гидроцилиндр 156 опускает подвижную каретку 158 вниз. Положение каретки 158 фиксируется в двух положениях за счет горки 163 и шарика фиксатора 164. Более высокая температура при этом будет исходить из солнечного коллектора 16, а более низкая из грунтового трубопровода 14, который при этом будет не нагревателем (как показано на фиг.3), а холодильником. Поэтому при опускании каретки 158 ролик 160 через двуплечий рычаг 161 и золотниковый гидрораспределитель 154 меняет местами подключение трубопроводов 30 и 31 и соответственно 188 и 187 к золотниковому переключателю 127.

Золотниковый переключатель 127 перемещается вместе с кареткой 158 при включении в работу солнечного коллектора 16 и таким образом корректируется наиболее эффективный момент переключения контуров циркуляции теплоносителя 24, а штанга 167 переключающего механизма 10 приводится в движение поводком 152 цепи 61 через подвижные опорные площадки 176 и 177 и пружины 174 и 175, а ход штанги 167 ограничен регулируемыми упорами 168 и 169. Штанга 167 в сборе уравновешена грузом 184.

Механизм включения и выключения электродвигателя циркуляционного насоса 13 приводится (фиг.4) во вращение валом 143 второго передаточного механизма 6 и необходим для экономии электроэнергии. Механизм может иметь привод и от упрощенного механизма маломощного термогенератора, например, как на фиг.3. При недостаточных оборотах тахогенератор выдает недостаточный сигнал в виде пониженного напряжения на блок автоматического управления 216, который и включает электродвигатель циркуляционного насоса 207. Тахогенератор получает вращательное движение от вала 143 через зубчатое колесо 200 и шестерню 201. При повышении оборотов до заданных напряжение, выдаваемое тахогенератором, повышается, и электродвигатель 207 отключается, и одновременно обгонная муфта 203 приводит во вращательное движение вал мультипликатора 204, который соответственно приводит в движение маховик 205 для исключения пусковых нагрузок на электродвигатель 207 и через муфту 206, вал выключенного электродвигателя 207 приводит в действие циркуляционный насос 38. Устройства автоматического управления 11 наряду со следящим гидроприводом контролируют работу механизмов термогенератора и осуществляет автоматическое управление (фиг.5) электрическими устройствами термогенератора. Устройство визуального контроля и ввода заданных параметров 208 отображает: зарядное напряжение, зарядный ток на аккумуляторной батарее 12, ток нагрузки, момент включения электродвигателя 207.

Аккумуляторная батарея 12 работает в буферном режиме и при достаточном заряде и отсутствии нагрузки программируется момент отключения термогенератора. Программируется и время работы в течение суток термогенератора по необходимости.

Природные температуры и температуры во всех теплообменниках, а также положения всех гидрораспределителей анализируются в блоке анализа природных температур и положений гидрораспределителей 209 при получении электрических сигналов от температурных датчиков 210, 211, 212, 213 и датчиков положений 214, а затем отображаются в блоке 208. Блок анализа 209 передает сигналы от датчиков 214 и отсутствие необходимых t на блок автоматического управления 216, который получает информацию и от тахогенератора 202, программного блока 215, контрольного блока выходных параметров и нагрузки 218.

Инвертор электрического тока 217 преобразует постоянное напряжение в переменное, синусоидальное напряжение 220 V стабилизированной частотой 50 Гц. Синхронность и синфазность частоты электрического тока, стабилизация частоты, обеспечивается задающим генератором стабилизированной частоты электротока 222, который при группе термогенераторов или отдаче энергии в промышленную сеть обеспечивает синфазность. Инвертор электрического тока 217 может иметь несколько ступеней мощности, которые включаются в зависимости от нагрузки 220 в электролинии 219.

Генератор электрического тока 8 осуществляет заряд аккумуляторной батареи 12 через блок 9. Генератор электрического тока 8 эффективней применять с малой номинальной частотой вращения, например, ГСПМ, Сарапульского электрогенераторного завода с частотой вращения 300 об/мин. При использовании гидроцилиндров с телескопическим штоком (фиг.6) усилие на штоке F определяется по формуле:

где p – давление в рабочей жидкости, кг/см²;

d₁ – диаметр подвижной части штока, см;

d – диаметр неподвижной части штока, см.

Такие гидроцилиндры необходимо использовать для мощных термогенераторов, которые предполагается эксплуатировать с использованием объединяющей конструкции 227 в виде отдельного здания (фиг.7), где солнечный коллектор 16 и воздушный теплообменник 15 установлены непосредственно на здании, а пример внутренней компоновки механизмов показан на фиг.8. Сравнение графика выработки электроэнергии разными устройствами фиг.9 показывает, что термогенератор, обуславливающий КПД около 10%-20%, тем не менее, из-за большей возможности эксплуатации в течение всего календарного года не уступает известным устройствам, вырабатывающим электроэнергию нетрадиционный способом, за исключением 2-х месяцев в году, когда t минимальна.

При использовании мощных термогенераторов и объединении их в группу ограничением может служить возвращающее усилие на штоках гидроцилиндров и необходимость прокладки грунтовых трубопроводов 14 с большой длиной L или бурения скважин, при этом возрастают необходимые мощности циркуляционных насосов, поэтому предлагается территорию прокладки грунтовых трубопроводов равномерно распределить на квадраты для извлечения тепловой энергии на несколько двигательных механизмов в одном здании 227 (фиг.10) на один накопительный механизм, а солнечные коллекторы при этом использовать общие. Грунтовый трубопровод не может мешать сельскохозяйственному производству при укладке на полях (за исключением посева озимых культур), а отъем запасенного тепла зимой уничтожает грызунов и насекомых-вредителей.

Формула изобретения

1. Термогенератор, содержащий теплосъемное устройство с грунтовым трубопроводом, воздушным теплообменником, циркуляционным насосом, датчиками температур, вентилями и трубопроводами, золотниковым переключателем потока теплоносителя, отличающийся тем, что теплосъемное устройство термогенератора содержит солнечный коллектор, состоящий из двойного остекления, утеплителя, лучепоглощающей поверхности, солнечного нагревателя, термогенератор снабжен двигательным механизмом, содержащим утепленный сравнительный силовой гидробак с рабочей жидкостью, гидроцилиндры, соединенные между собой последовательно в группу, суммарное передвижение штоков которых передается на общий вал, содержащий рычажно-храповой механизм, соединенный с цепной передачей и зубчатой передачей первого передаточного механизма, содержащего повышающую число оборотов зубчатую передачу, накопительным механизмом, состоящим из грузовых элементов, вращающихся независимо на одной оси, подвижных храповых колес, неподвижного храпового колеса, вторым передаточным механизмом, состоящим из упругой муфты на входном валу, повышающей число оборотов зубчатой передачи, центробежной муфты, ременной передачи, исполнительным механизмом, состоящим из генератора и блока контрольного и зарядного, механизмом, переключающим поток жидкости, состоящим из следящего гидропривода с силовыми гидробаками, автоматически корректирующими момент переключения в зависимости от установившейся природной разности температур, штанги с упорами и пружинами, устройством автоматического управления работой электрических блоков термогенератора, состоящим из устройства визуального контроля и ввода заданных параметров, блока анализа природных температур и положений гидрораспределителей, программного блока, блока автоматического управления, контрольного блока вводных параметров и нагрузки инвертором и аккумуляторной батареей.

2. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что вращательное движение от двигательного механизма передается непосредственно через повышающую число оборотов зубчатую передачу и ременную передачу на исполнительный механизм, например генератор электрического тока, и штоки гидроцилиндров двигательного механизма, соединенные последовательно с цилиндрами других гидроцилиндров, при этом цилиндр первого гидроцилиндра закреплен со станиной, а шток последнего гидроцилиндра соединен с подвижным звеном, который при этом перемещается на величину суммарного перемещения всех штоков, а результатом такого перемещения может быть знакопеременное вращательное движение приводного вала или знакопеременное поступательное движение цепи или зубчатой рейки, в механизме, переключающем поток жидкости, имеются компенсационные пружины, и положение всего переключающего механизма изменяется автоматически при одновременном автоматическом переключении гидрораспределителей с помощью следящих гидроцилиндров, при этом поток теплоносителя, проходящий через воздушный теплообменник, меняет свое направление и проходит через солнечный нагреватель, в котором установлен силовой гидробак.

3. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что в гидроцилиндрах имеется подвижная опора в виде поршня, которая имеет отверстия, соединяющие полости в цилиндре над опорой и под ней.

4. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что шток выполнен телескопическим, причем внутренняя часть штока закреплена одним концом к цилиндру, а внутри второй части штока имеется уплотнение.

5. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что для привода циркуляционного насоса использована механическая энергия термогенератора, а в периоды времени отсутствия механической энергии циркуляционный насос приводится в движение электрическим двигателем, причем необходимые команды на включение и выключение подает специальный следящий механизм, содержащий тахогенератор, блок автоматического управления, мультипликатор, обгонную муфту и маховик, причем обгонная муфта осуществляет механическое разъединение работающего электродвигателя с циркуляционным насосом от других механизмов.

6. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что выполнен в виде отдельно стоящего здания, а теплосъемное устройство расположено на конструкциях этого здания и в прилегающем грунте.

РИСУНКИ