Способ получения электро-тепловой энергии в зоне отрицательных температур и гидроэлектростанция для его осуществления

(51) 01 13/00 (2006.01) 01 21/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЗОНЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР И ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(ГТЭС-ОТ) предназначена для получения электроэнергии, тепловой энергии в зимнее время обеспечивая теплом и электроэнергией города, поселки, предприятия и т.д. Для получения теплоэлектроэнергии используется природное физическое явление такое как замерзание воды в замкнутом объеме- в данном случае в рабочем цилиндре с силовым приводом с учетом абсолютной неподвижности воды,наивысшей плотности, отсутствия кристаллов, с условием концентрации раствора, присутствие солей в воде, определяющее начало процесса замерзания (кристаллизации). Учитывая, что увеличение объема осуществляется в пределах 11 и получение избыточного давления происходит в виде резкого толчка, используется рабочий цикл подъем рабочего веса вертикально вверх и за счет гравитации опускание рабочего веса через силовое передавая силовое воздействие на силовой привод генератора. Вода предназначена для замерзания проходит предварительное охлаждение до температуры замерзания и достигается наиболее большей плотности и предварительно дозируется перед подачей в рабочие цилиндры станции. Рабочие цилиндры имеют рубашки охлаждения и за счет холодного воздуха, полученного за счет поршневых воздушных насосов, встроенных в привод,осуществляется продувка. При начальных отрицательных температурах встроена продувка внутри цилиндров до процесса кристаллизации. Станция имеет два узла - преобразовательный электротехнический узел(ПЭТУ-ОТ),где преобразуется энергия холода энергия отрицательных температур через силовой привод и получение электроэнергии. Преобразовательный электротехнический узел, включает в себя подготовительный участок, где вода охлаждается до наибольшей плотности, дозируется, распределяется в определенной последовательности в рабочие цилиндры, удаляется лед, осуществляется продувка во время цикла замерзания, а полученная электроэнергия, через ЛЭП передается на тепловой узел (ТУ) станции. Тепловой узел (ТУ) должен находится непосредственно рядом с потребителем тепла и электроэнергии и включает в себя сетевые насосы,вспомогательное оборудование - подпитку трассы и спирально-ленточный бойлер, обеспечивающий быстрое нагревание сетевой воды за счет двухстороннего нагревания электронагревателями и за счет водяной ленточной спирали создается быстрый нагрев и активную циркуляцию сетевой воды, а также бойлера с объемным нагреванием. Станция работает в автоматическом режиме холод - тепло в зависимости от окружающего воздуха графика температур. Контроль осуществляется через датчики уровня воды,давления и т.д. и исполнительные механизмы режим тепло используется внешняя электроэнергия от подведенной к станции ЛЭП и автоматически переводится в режим холод и используется уже полученная электроэнергия и ЛЭП станции. Станция работает в зимнее время года с постоянным контролем дежурных на станции. Станция не влияет на экологию, на окружающую среду, обеспечивая теплом и электроэнергией. Станция может использоваться непосредственно для выработки электроэнергии как в автономном режиме, так и в параллельном от существующей ЛЭП. В зависимости от условий электротехнический узел может совмещен с тепловым узлом как единое целое. Гидро-теплоэлектростанция отрицательных температур относится к установкам применимы в теплоэнергетике, а также к гидроэнергетике и электротехнике. Сущность изобретения Гидротеплоэлектростанция отрицательных температур Сущность изобретения состоит в том, что в качестве энергии используется энергия холодаэнергия отрицательных температур окружающего воздуха, т.е. сущность заключена в том, что холод это вид энергии - вид космического излучения преобразованного из тепловой энергии таких источников как солнце и при прохождении теплового излучения в космическом пространстве происходит изменение чистот и длин волн излучения и в конечном счете достигает абсолютного нуля 273 С. В качестве использования энергией холода взято природное явление замерзание воды в замкнутом пространстве с учетом отсутствия кристаллов льда, других веществ, при абсолютной неподвижности и абсолютного давления в пределах 1 атм., а также с учетом минерализации воды (при концентрации раствора поваренной солипри 5 граммах на литр замерзание происходит при - 0,38 С 50 г/л замерзание происходит при - 3,78 С при 100 г/л замерзание происходит при - 7,44 С и до предела 224 г/л - замерзание при - 21,9 С). Учитывается то что наиболее плотность при замерзании воды равна 4 С. Учитывается физическое свойство воды при замерзании в замкнутом объеме при кристаллизации происходит в виде резкого толчка направленного действия и в данном случае направленного действия и в данном случае в цилиндре с зафиксированным нижним основанием и подвижным верхним,увеличение объема воды при замерзании достигает 11 и достигает избыточного давления 2500 кгс/см 2. Учитывая резкий толчок при замерзании воды направленного действия, при низких температурах, где возможно использовать только действие избыточного давления(направленного действия) - вертикально вверх исключая использование устройств работающих на излом (редуктора-рычаги, шестерни и т.д.). При замерзании воды в замкнутом объеме за счет избыточного давления происходит поднятие рабочего веса вертикально вверх, а полезная работа совершается за счет гравитации опускания рабочего веса, который через передаточный механизм воздействует на вращение редуктора генератора,который вырабатывает электроэнергию преобразующую в тепловую. Объем воды проходит предварительное охлаждение и доводится до наиболее плотности в пределах 4 С (вода служит эталоном плотности при 4 С), а для создания необходимого по времени замерзания,и при начальных отрицательных температурах применима внутренняя продувка рабочего цилиндра (до процесса кристаллизации) в сочетании с наружным охлаждением за счет рубашки охлаждения полученная электроэнергия в генераторе передается в тепловой узел станции, который находится 2 непосредственно рядом с потребителем тепла или электроэнергии. Процесс преобразования электроэнергии в тепловую осуществляется за счет спирально-ленточного бойлера с применением электронагревательных элементов действующих с внутренней и наружной стороны за счет длины ленточной водяной спирали с двухсторонним нагреванием и за счет площади нагрева создается активный теплообмен обеспечивающий активную циркуляцию воды в трассе. Также для создания резерва тепловой энергии в виде нагретой воды используется бойлера с объемным нагреванием воды. Тепловой узел работает в автоматическом режиме с учетом наружного окружающего воздуха. Силовой узел станции работает в автоматическом режиме - подача воды в рабочие цилиндры,удаление льда из рабочих цилиндров и включение в работу рабочего веса, контроль за температурой воды, подготовка воды и режим работы генератора. Полученную электроэнергию возможно использовать в автономном режиме так и в параллельном от существующей ЛЭП. Перечень фигур чертежей и иных материалов и сведения подтверждающие возможность осуществления изобретения (способ-устройство) Гидро-теплоэлектростанция отрицательных температур (ГТЭС-ОТ) Фиг.1 - силовой цилиндр (1) рабочий вес, (3) вертикальный шток (2) направляющие опоры веса(4) подвижное основание цилиндра (5) силовой рычаг (6) реечный редуктор (7) рейка (8) опоры(10-1), (10-2) опрокидыватель (9) подъемник (5-1) толкатель (11) воздуховод (12) управляемые фиксаторы (13) поршневой насос холодного воздуха (14). Силовой цилиндр (1) закреплен на силовом основании (1) с учетом вертикальной фиксации и возможностью опрокидываться за счет опрокидывателя (9) на цилиндре фиксируется подвижное верхнее основание (5) вертикальное положение цилиндра (1) определяется опорой (10) рабочий цикл определяется резким толчком при замерзании воды в цилиндре происходит подъем рабочего веса (3) - в данном случае цилиндр (3) наполненный водой в виде толчка при замерзании и рабочий вес (3) подымается на уровень Н 1 и фиксируется фиксаторами (13) рычаг (6) связанный с реечным редуктором и свободно опускается рейка(8) одновременно свободно опускается поршень воздушного насоса (14). После окончания цикла замерзания воды в цилиндре (1) подъемник (5-1) подымает подвижное основание цилиндра,освобождая цилиндр, происходит опрокидывание за счет опрокидывания (9) до упора 10-1 лед удаляется с помощью толкателя (11) к цилиндру подведен воздуховод (12) и в рабочем положении входит в зацепление с рубашкой охлаждения цилиндра. Фиг.2. Реечный редуктор - шестерни (1) корпус (2) сквозной вал (3) (3-1) рейки (6) (6-Б) боковые опоры (4) (4-1) для реек на шестернях (1-1) установлены фиксаторы (5) - Фиг.2-1 рейка (8) шестерня (7-1). Реечный редуктор подсоединен через рейки (6)(6-Б) к силовым рычагом Фиг.1 (6) (6-1) - при свободном ходе (при толчке) - замерзание воды в цилиндре рейка опускается и свободно вращает шестерни редуктора, при опускании груза Фиг.1 (3) шестерни (1) начинают вращаться в обратную сторону и за счет фиксаторов (5) передают вращение на сквозной вал (3) (3-1) редуктора связанный с генератором. Фиг.3. Н 1-расстояние подъема рабочего веса в пределах 11 от объема рабочего цилиндра, Н 2 свободный ход редуктора и рычагов силового цилиндра. Опускание груза - рабочий ход в пределах расстояния Н 3 т.е. с передаточным числом 1 к 5 то при увеличении объема на 11(допустим 10 см) рабочий ход будет равен 50 см. Фиг.4. Рабочий цилиндр (1) рубашка охлаждения (2) подвижное верхнее основание (3) силовой рычаг(4) силовой рычаг (4) фиксаторы верхнего основания цилиндра (5) с боковым креплением силовой шток (6) соединенный с поршнем (6-1) трубопровод (7) трубопровод подвижный (8) вентили (9) -вода Б-воздух подвижное дно цилиндра для удаления льда (10) воздуховод (11) вкручивающее в дно рабочего цилиндра (10-1) кулачек (12) планка (13) муфта воздуховода (14) Н 1, верхний диаметр цилиндра Н 2- нижний диаметр высота цилиндра Н 3 Н 4 - наружный диаметр расстояние рабочего хода поршня Н-5. Рабочий цилиндр (1) имеет нижнее основание(10-1) (дно) которое вкручивается и фиксируется. Рабочий цилиндр конусный и внутренняя часть цилиндра должна быть отшлифована для беспрепятственного удаления льда Н 1 Н 2. С наружной части цилиндра закреплена рубашка охлаждения (2) и в вертикальном положении цилиндр соединен с воздуховодом (11) верхнее подъемное основание (3) соединено фиксаторами (5) и предусмотрено поднятие и опускание через боковые крепления(5) заливка воды осуществляется через подвижный трубопровод (8),так применять гибкое или другое соединение при отрицательных температурах недопустимо и закреплено в водяном цилиндре (7), при резком толчке трубопровод свободно перемещается от точки А до точки Б неподвижный трубопровод закреплен у его основания цилиндра Фиг.5 где трубопровод(1) крепление подходящего трубопровода (2) водяной цилиндр (3) подвижный трубопровод (4). Фиг.6 цилиндр (1) подвижное дно (2) воздуховод (3) планка жестко связанная с полыми направляющими болтами (4) пружины (5) ограничитель (7) уплотнение (8) фиксирующая гайка (9) фиксатор болта (11) кулачек (12) зазор между шляпкой и дном, фиг.7 цилиндр (1) верхнее основание (2) рабочий рычаг (4) фиксаторы (6) лед(5). Фиг.8 верхнее основание (2) поднято для удаления льда из цилиндра. При начальных отрицательных температурах производится продувка цилиндра, чтобы ускорить процесс замерзания. Кулачек (12) приподнимает планку на зазор Н-1 под шляпкой находятся отверстия и происходит продувка цилиндра. При дальнейшем нажатии на планку усилие передается на подвижное дно цилиндра и происходит выталкивание льда и цилиндра (1). При увеличении объема образование льда Фиг.7 подвижное основание (2) остается зафиксировано, а шток с цилиндром перемещается вверх для удаления льда Фиг 8 верхнее основание (2) перемещается вверх обеспечивая опрокидывание цилиндра и удаления льда. Фиг.9 Корпус А. Преобразовательный электротехнологический узел станции (ПЭТУ-1-ОТ) отрицательных температур корпус (1) (1-1) двухсторонний редуктор (2) генератор (3) силовой шкаф генератора (4) шкаф автоматики (4-1) опора(5) (5-1) промежуточная опора (6) (6-1) муфта сцепления (7) (7-1) муфта сцепления (7-2) с продольным смещением обеспечивая режим работы приводов. Корпус Б. Узел охлаждения и дозирования воды для рабочих цилиндров(9),дозаторный распределительный узел (10) емкость холодного воздуха (11) кран (11-1) щит температурного воздухонагревателя для продувки трубопроводов(13) воздухонагреватель (14) На валы двухстороннего редуктора генератора подается нагрузка на генератор (3) в шкафу генератора - автоматика контролирует работу генератора, полученная электроэнергия передается на ЛЭП (линию электропередач станции) Корпус Б. За счет насоса (8) или подведенная водопроводная вода имеет температуру от 10-15 С и подается в узел охлаждения и доводится да наиболее высшей плотности до 4 С и дозаторный распределительный (10) подает подготовленную воду в рабочие цилиндры, а также подает холодный воздух и емкости (11) в рубашки охлаждения рабочих цилиндров, автоматика контролирует температуру в узле охлаждения и дозирования,заливку воды в цилиндре. Фиг.10. Подготовительный узел. Емкость рабочей воды (1) дозатор (1-1) подвесной охладитель (2) воздуховод (3) цилиндры охлаждения (4) эл. двигатель (5) для вращения подвесного охладителя (2) распределительный трубопровод (6) управляемые вентили подачи холодной воды в дозаторы (1-1) воздуховод в который выталкивает воду из дозатора,контрольный кран (9) объем воды (-В) вентиль управляемый(11) датчик температуры (12) датчик контроля уровня воды(13), управляемые вентили (14) подвеска охладителя (15). Фиг.11 ТУ-2 Тепловой узел имеет два сетевых насоса (1) электросиловой шкаф (2) спирально ленточный бойлер (3) бойлера объемного нагревания (4) подпиточный насос - как вспомогательное оборудование (5) шкаф регулирования уровня 3 давления воды в трассе (6) шкаф автоматики и контроля температуры сетевой и обратной воды в зависимости от наружного воздуха, ЛЭП -1 получение эл. энергии от внешней сети ЛЭП - 2- эл. энергия собственной сети, А - сетевая вода, Бобратка. Тепловой узел ТУ-2 должен находится непосредственно рядом с потребителем тепла или электроэнергии. Сетевые насосы (1) один основной другой резервный обеспечивают циркуляцию сетевой воды в трассе проходящей через спиральноленточный бойлер(3),где используются электронагревательные элементы преобразующие электроэнергию в тепловую. Система автоматики регулирует уровень давления, температуру прямой и обратной воды в зависимости от наружного воздуха ЛЭП - 1 и ЛЭП - 2 автоматически переключаются на режим работы тепло - холод - бойлера объемного нагревания (4) обеспечивают резерв горячей воды, как для собственных нужд, также как аварийный запас тепла. Фиг.12-А Спирально-ленточный бойлер. Корпус (1) (1-1) который соединяется между собой боковые стенки (2) (2-1) (2-2) (2-3) ленточная спираль с боковым соединением приваренная к нижней и верхней части наружного корпуса бойлера (3) боковое соединение (4) (4-1) стягивающее крепление верхней и нижней части бойлера трубопроводы прямой и обратной воды(пр-в), (обр-в). Фиг.12-Б Спирально-ленточный бойлер. Наружная часть бойлера состоит из двух половин (1) (1-1) который соединяется между собой боковые стенки (2) (2-1) (2-2) (2-3) ленточная спираль приварена к верхней и нижней части (3) боковое соединение стенки (4) (4-1) стягивающие крепление(5) трубопроводы прямой воды (пр-в) - вход и выход в трассу (пр-во выход Фиг.13 - внутренняя часть бойлера (2) и на корпусе установлены боковые стенки (1) (1-1) разрез А-А разрез В-В и на фиг.12 - вид сбоку. Ширина спирали Н 4 на фиг.12 равна Н 4 на Фиг.13 Фиг.13 Внутренняя часть бойлера (1) (1-1) - на корпусе на наружной части приварена ленточная спираль,которая совпадает со спиралью с внутренней спиралью Фиг.12 - (3), шаг Н-1 Фиг.12 равен Н-1 Фиг.13, ширина спирали Н 4 Фиг.12 закреплены боковые стенки (1) (1-1). Тепловой узел ТУ-2 должен находится непосредственно с потреблением тепла или электроэнергии. Сетевой насос (1) обеспечивает циркуляцию сетевой воды в трассе проходящей через спирально-ленточный бойлер (3). Система автоматики регулирует уровень давления температуру сетевой и обратной воды в зависимости от наружного воздуха согласно утвержденного графика температур ЛЭП-1 и ЛЭП -2 автоматически переключается на режим работы -холод, тепло бойлера объемного нагревания (4) обеспечивают резерв горячей воды как для собственных нужд 4 потребителей также как аварийный запас тепла. Узел регулирования воды в трассе (6) за счет вспомогательного оборудования (5) обеспечивает поддержание необходимого давления и распределение подачи воздуха к потребителям, а также в аварийной ситуации. Фиг.14 Спирально-ленточный бойлер в сборе Внутренняя часть (1) наружная часть (2) ТЭН (1) закреплен на выдвижном основании (2) с боковым креплением и с отражателем теплового излучения (4) Фиг.16 наружный ТЭН-1 с теплоизоляцией и ТЭНы (4) (4-1) (4-2) (4-3) закрепляются за счет креплений (6) (6-1) (6-2) (63) бойлер соединяется боковыми стенками Фиг.12(4-1) (4). Для создания активной циркуляции прямой воды в трассе, а также доведения воды до необходимой температуры осуществляется счет ленточной водяной спирали с активным верхним и нижним нагревом электронагревателями за счет длины водяной ленты в бойлере от начала входа и конца выхода затрагивается определенное время нагрева водяной ленты с активным теплообменом, замена наружных ТЭНов, а также с внутренних может быть заменена за короткое время - верхняя часть состоит из двух половин Фиг.12, а внутренняя должна совпадать. Фиг.15 - разрез участка бойлера - верхняя часть 1 нижняя часть- 2 Н 1- расстояние верхней и нижней части - высота водяной ленты- площадь теплообмена. Фиг.16 - наружный ТЭН-1-отражатель-2 теплоизолятор 3. Фиг.17 внутренний ТЭН-1 основание теплонагревательного элемента отражатель и теплоизолятор. Фиг.18 Гидро-теплоэлектростанция состоит из основных узлов преобразовательный электротехнический узел станции отрицательных температур ПЭТУ-1 ОТ (1) тепловой узел ТУ-2 (2) силовые узлы с рабочим весом (3) (3-1) и силовым приводом с поршневыми воздушными насосами (8), (8-2,) (8-3),(8-4) реечный редуктор (4), (4-1) опоры продольного вала реечных редукторов (5) (5-1),промежуточные опоры (6) (6-2) выход ЛЭП - (9) от ПЭТУ - 1 вход от ЛЭП - (10) в ТУ-2 вентили прямой и обратной воды в ТУ-2. Тепловой узел станции должен находится непосредственно рядом с потребителем тепла и электроэнергии это облегчит экономию электроэнергии. Узел ПЭТУ - 2 может находится за пределами города, поселка и т.д. рядом с источником воды (речная вода в зимнее время готова к замерзанию). Электроэнергия может передаваться через повышающие и понижающие трансформаторы, а также напрямую с генератора. Режим работы станции сезонный в зимнее время года - в режим тепло-холод. Речные редуктора и силовой привод должен иметь запас прочности, все узлы станции должны быть взаимно заменяемые и должны иметь запас надежности с условием работы ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения электро- и теплоэнергии в зоне отрицательных температур для получения электротепловой энергии путем использования природного физического явления замерзания воды в замкнутом объеме, заключается в том, что рабочий цикл состоит из двух этапов - подъем рабочего веса вертикально вверх и опускания рабочего веса за счет гравитации, при этом передают силовое воздействие на силовой привод генератора воду предварительно охлаждают до замерзания и дозируют перед подачей в рабочие цилиндры станции к рабочему приводу подключены поршневые насосы холодного воздуха, которые накапливают холодный воздух в емкости, с заданным давлением подают в рубашки охлаждения рабочих цилиндров и в качестве катализатора охлаждения при начальных отрицательных температурах осуществляют продувку рабочих цилиндров холодным воздухом до процесса кристаллизации внутри рабочих цилиндров передачу электроэнергии от преобразовательного электротехнического узла-1 отрицательных температур тепловой узел-2 осуществляют через повышающие и понижающие трансформаторы устанавливают режим холод - тепло при режиме холод последовательно подключают силовые, рабочие цилиндры, увеличение мощности в зависимости от снижения температур, при режиме тепло - станцию переводят на использование внешнего электроснабжения. 2. Устройство для получения теплоэлектроэнергии, содержащее силовой цилиндр который имеет боковое крепление и расположен на стационарной опоре с фиксатором горизонтального положения и положении при опрокидывании,силовой шток с поршнем соединенный с основанием и корпусом рабочего веса,вкручивающееся нижнее основание и установленное в нем подвижное дно для удаления льда с приводом толкателя и продувки воздухом рабочего цилиндра для ускорения процесса замерзания, также соединен с силовым рычагом, опирающимся на стационарную опору, имеющим малое и большое плечо малое плечо соединено с силовым штоком, а большое с реечным редуктором,преобразовательный электротехнический узел-1, тепловой узел-2,спирально-ленточный бойлер. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что цилиндр имеет рубашку охлаждения и подвижный верхний привод подъема и опускания рабочего веса. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в подвижное основание в верхней части через поршень закреплен трубопровод для заливки воды в цилиндр, который вместе с поршнем движется вверх-вниз, другой конец трубопровода входит в водяной цилиндр, установлен стационарно. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что реечный редуктор имеет стационарный корпус с установленным в нем проходным валом с силовыми шестернями, на которых установлены фиксаторы рабочего кода, рейки вертикального положения входят в зацепление с силовыми шестернями и соединены с силовым рычагом. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразовательный электротехнический узел ПЭТУ-1-ОТ имеет корпус А с двусторонним редуктором с проходным валом, к которому с двух сторон подведены проходные валы реечных редукторов, также установлен генератор с силовым шкафом, шкаф автоматики и ввода линии электропередач. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразовательный электротехнический узел - 1 имеет корпус Б, внутри которого расположена емкость с рабочей водой с подвесным охладителем и дозатором с блоком распределения подготовленной воды насос закачки воды, силовой шкаф, шкаф воздухонагревателя для продувки трубопроводов и шкаф автоматики. 8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что тепловой узел - 2 имеет сетевые насосы основной и резервный, шкафы сетевых насосов, бойлеры объемного нагревания, шкаф автоматики контроля и управления, вспомогательное оборудование для поддержания давления воды в трассе, подвод линии электропередач собственной и внешней сети. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что бойлер объемного нагревания состоит из внутренней части в виде цилиндра, внутри которого помещены водонагревательные элементы (ТЭНы), с наружной части приварена металлическая лента в виде спирали с заданным шагом и высотой наружная часть бойлера состоит из двух половин, с внутренней части приварена металлическая лента совпадающая с шагом и высотой ленты внутреннего цилиндра, с наружной части установлены ТЭНы,бойлер имеет боковые стенки и герметическое соединение с входом и выходом сетевой воды. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразовательный электротехнический узел ПЭТУ-1-ОТ имеет спаренные привода рабочих цилиндров в которые входят реечные редуктора связанные через проходные валы с приводом генератора, который имеет силовой шкаф, где электроэнергия полученная от генератора подается напрямую или на трансформаторную подстанцию,муфты сцепления с продольным смещением и фиксаторами установлены на проходном валу между редуктором для создания режима ремонта.