1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28968
(51) F01B 29/02 (2006.01)
F03G 4/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2013/1009.1
(22) 30.07.2013
(45) 15.09.2014, бюл. №9
(76) Сложеникин Александр Александрович
(56) RU 2000111435 A, 27.04.2002
RU 2350780 C1, 27.03.2009
RU 2003132131 A, 20.05.2005
EP 2096306 A1, 02.09.2009
WO 2009105605 A1, 27.08.2009
(54) ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ
ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОАТМОСФЕРНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ НА ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ
СКВАЖИНАХ
(57) Изобретение относится к возобновляемым
источникам энергии. В данном изобретении
используется принцип атмосферного удара и
тепловая энергия Земли. Данная электростанция
состоит из двух термальных скважин, одна из
которых является добывающей, а вторая -
нагнетающей, испарителя и пароатмосферного
двигателя, вращающего генератор. Данные
электростанции могут работать практически на всех
существующих термальных источниках, в отличии
от ныне существующих, которые работают на
термальных скважинах с температурой термальной
воды свыше 150 градусов. Применение данных
электростанций на геотермальных скважинах по
всему миру могло бы в несколько раз увеличить
выработку электроэнергии. В наше время весь мир
стремится к получению электроэнергии с помощью
возобновляемых источников энергии. А
геотермальные скважины по всему миру, по сути,
является вечным генераторами тепловой энергии.
(19)KZ(13)B(11)28968
2. 28968
2
Изобретение относится к возобновляемым
источникам энергии. В данном изобретении
используется принцип атмосферного удара и
тепловая энергия Земли.
В мире существует большое количество
геотермальных электростанций. Геотермальные
источники можно поделить на низко-, средне- и
высокотемпературные. Первые (с температурой до
150°С) используются, по большей части, для
теплоснабжения горячей водой - ее подводят по
трубам к зданиям (жилым и производственным),
плавательным бассейнам, теплицам и т.д. Вторые (с
температурой свыше 150°С), содержащие сухой
либо влажный пар, годятся для приведения в
движение турбин геотермальных электростанций
(ГеоТЭС). Первая геотермальная электростанция
была запущена в 1911г. в итальянском городке
Лардерелло (недалеко от Флоренции). Что
примечательно, станция в Лардерелло
функционирует и по сей день.
Ближайшим аналогом моего изобретения
является известная геотермальная электростанция
RU 2000111435 27.04.2002. В данной геотермальной
электростанции также имеются две скважины и
теплообменник. Основным отличием является то,
что в данной электростанции используется турбина,
в моем же изобретении используется
пароатмосферный двигатель. Который по
сравнению с турбиной гораздо эффективнее,
турбина работает при температуре выше 150°С.
пароатмосферный же двигатель, работающий на
водяном паре работает при температуре 100°С, а на
хладогентах вообще может работать при
температуре 20°С.
Все ныне существующие электростанции,
работающие на геотермальных скважинах,
используют только те скважины, где температура
пароводяной смеси превышает 150 градусов. Там
где температура ниже 150 градусов, в этих случаях
пароводяную смесь догревают до 150 градусов,
затем пропуская через сепаратор, отделяют воду от
пара и пускают пар на паровую турбину. Для
выработки электроэнергии. А горячую воду из
сепаратора используют для обогрева жилых и
промышленных помещений. Если же температура
воды гораздо ниже 150 градусов, то чаще всего ее
вообще не используют для выработки
электроэнергии, а используют также для обогрева
жилых и промышленных помещений.
Мои же пароатмосферные двигатели могут
работать при температуре 100 градусов и при
давлении пара 0,5 атмосфера, что позволит в
несколько раз увеличить использование
геотермальных источников. Вода, поступаемая из
геотермальной скважины идет не сразу на
двигатель, а поступает в теплообменник, где
разогревает дистиллированную воду и превращает
ее в пар. А пар уже поступает на пароатмосферный
двигатель. А геотермальная вода, прошедшая через
теплообменник, снова закачивается в скважину
нагнетания для дальнейшего ее разогрева и
поступления через добывающую скважину опять в
теплообменник. Что является замкнутым циклом.
В случае если температура воды из
геотермальной скважины, ниже 100 градусов, но
выше 80 градусов, вместо дистиллированной воды в
теплообменнике можно использовать этиловый
спирт, температура кипения которого составляет 78
градусов. В случае если вода, ниже 80 градусов, но
выше 20 градусов, в данном случае в
теплообменнике можно использовать хладагенты, с
температурой кипения от плюс 5 до плюс 15
градусов. Эффект будет примерно такой же как с
водой. Единственный недостаток хладагентов - у
них объем пара с 1 литра хладагента значительно
меньше, чем с 1 литра воды. А, следовательно, и
объем хладагента для конденсации данного пара
будет значительно больше чем у воды.
Использование хладагента в геотермальных
электростанциях уже применяется в
экспериментальных проектах, например в таких как
Паужетская ГеоЭС, которая испытала
экспериментальную бинарную технологию, где
разработан замкнутый цикл, в рамках которого воду
направляют в специально разработанный
испаритель. Там сепарат нагревает и испаряет
кипящий при низкой температуре хладон.
Полученные пары хладона идут на турбину, а затем
конденсируются. Недостатком данной технологии
является то, что для работы турбины требуется пар с
высоким давлением. Для пароатмосферного
двигателя высокое давление не требуется, ему
достаточно давление в 0,5 атмосфера. Также КПД
турбины по сравнению с пароатмосферным
двигателем значительно меньше. Пар легко
проходит в щели между лопатками турбин. В
пароатмосферном же двигателе пар давит на
диафрагму не проходя через нее, а, следовательно,
отдает всю энергию на диафрагму. В моих
пароатмосферных двигателях, которые работают на
воде, в качестве диафрагмы использована
эластичная бельгийская силиконовая мембрана
"FORSIL®", производитель "Rogers Corporation", а в
тех пароатмосферных двигателях, которые работают
на спирту или хладагентах, в качестве диафрагмы
используется мембранное полотно (ткань-882-1) или
ее зарубежный аналог.
На фиг.№1 показан принцип работы
пароатмосферного двигателя на геотермальных
скважинах. Из рисунка видно, что горячая вода из
добывающей скважины поступает в теплообменник,
в теплообменнике вода из скважины разогревает
рабочую среду, в качестве рабочей среды может
быть использовано: дистиллированная вода,
этиловый спирт, газобензин с температурой кипения
25 градусов и хладагенты. Недостатком спирта и
бензина является их огне- и взрывоопасность.
Хладагенты же не огне и не взрывоопасны, а те,
которые не содержат хлор не являются
озоноразрушающими. В зависимости от
температуры воды поступающей из добывающей
скважины, используется то или иное рабочее
вещество. Под действием тепла, полученного из
геотермальной скважины, рабочее вещество из
жидкообразного превращается в парообразное. И
поступает в пароатмосферный двигатель. На
3. 28968
3
фиг.№2 показан пароатмосферный двигатель. Под
№18, №19, №20, №21, №22, №23 показаны рабочие
цилиндры пароатмосферного двигателя. Под №24 и
№14 показаны два блока, в которых находятся два
коленчатых вала под №8 и №15. цилиндры
расположены между двумя блоками. С обоих сторон
цилиндров находятся диафрагмы под №11. Под №10
показаны штоки, которые соединены с шатунами
под №9. шатуны соединены с коленчатыми валами
под №8 и №15. Под №12 и под №16 показаны
мотор-генераторы. Под №13 и №17 показаны
роторы генераторов, которые выполняют еще и роль
маховиков. Пар из термообменника наполняет
цилиндр, компьютерная программа, управляющая
пароатмосферным двигателем, запускает мотор-
генераторы под №12 и №16 в режиме мотора.
Моторы начинают прокручивать коленчатые валы
под №8 и №15. в этот же момент компьютерная
программа открывает клапаны в рабочих цилиндрах
и двигатель с помощью растягивания диафрагм,
делает всасывающий такт пара. Затем клапаны
закрываются, и в рабочий цилиндр впрыскивается
холодное рабочее вещество. Если используется
дистиллированная вода - значит, впрыскивается
холодная дистиллированная вода. В результате чего
внутри цилиндра происходит мгновенная
конденсация паров воды, объем, пара уменьшается в
1600 раз, внутри цилиндра образуется вакуум с
давлением в -0,98 атмосфера. Диафрагмы под №11
находящиеся с обоих сторон рабочего цилиндра в
результате этого начинают прогибаться внутрь. В
результате чего происходит атмосферный удар.
Сущность изобретения: Идея изобретения
родилась на основе одного факта виденного мною
30 лет назад на молокозаводе. Все прекрасно знают,
что атмосферное давление равно 1 атмосферу. Это
довольно низкое давление, которое практически
нигде не применяется. Всего 1 кг на 1 квадратный
сантиметр. Казалось, что может сделать 1 кг. Но я
сам видел, что делает атмосферное давление с
молоковозной автоцистерной. Согласно инструкции
молоковозные цистерны сначала промываются
холодной водой, внутрь цистерны опускается
вращающийся разбрызгиватель наподобие тех,
которыми сейчас поливают газоны. Данный
разбрызгиватель крепился на крышке, которая
тельфером опускалась на горловину автоцистерны.
Нижний сливной патрубок при этом был открыт.
Цистерна ополаскивалась сначала холодной, затем
горячей водой и затем пропаривалась паром. После
пропарки цистерны нужно было крышку с
разбрызгивателем приподнять на 10см, а затем
включать холодную воду для ополаскивания. Но
когда на промывку ставили практикантов с
техникума, они забывали после пропарки поднять
крышку и пускали в разбрызгиватель холодную
воду. Происходил хлопок, и автоцистерна
сжималась как пивная баночка. Из-за мгновенной
конденсации паров внутри цистерны
образовывалось разряжение. И это притом, что
нижняя сливная горловина открыта, а ее диаметр
120 мм, воздух не успевал по ней заходить в
цистерну и атмосферное давление сжимало
цистерну. При том, что толщина стенки у
молоковозной цистерны изготовленной из пищевого
алюминия более 10мм. Из этого я понял, что при
использовании атмосферного давления важна
площадь, на которую оно давит.
Из несложных расчетов я высчитал, что если
взять диафрагму диаметром 2,5м, то ее площадь
равна будет 5 квадратным метрам. И если сзади
данной диафрагмы создать разряжение в 1
атмосфер, то на данную диафрагму воздействует
сила равная 50 тонн. И я решил на этом принципе
создать электростанцию.
Использование конденсации воды внутри
рабочего цилиндра путем впрыскивания холодной
воды впервые применил в 1705г. Томас Ньюкомен в
своем паровом насосе. Принцип его работы хорошо
показан на сайте. ☼ Однако на своё изобретение
Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой
водоподъёмник был запатентован ещё в 1698 году
Т. Севери, с которым Ньюкомен позднее
сотрудничал. Паровая машина Ньюкомена не была
универсальным двигателем и могла работать только
как насос. Попытки Ньюкомена использовать
возвратно-поступательное движение поршня для
вращения гребного колеса на судах оказались
неудачными. Однако заслуга Ньюкомена в том, что
он одним из первых реализовал идею использования
пара для получения механической работы.
Недостатками первыми пароатмосферных машин
было очень большая теплопотеря при их работе.
Также отсутствовала герметичность. А рабочий
цилиндр был маленького диаметра, но с большим
рабочим ходом. А чтоб получить большую
мощность на пароатмосферном двигателе нужно
наоборот использовать большой диаметр цилиндра с
маленьким ходом.
Согласно законам физики температура кипения
воды при атмосферном давлении в 760 мм РТ. Ст.
составляет 99,974 градуса Цельсия.
Температура вещества в процессе конденсации
не изменяется. Температура конденсации паров
вещества равна кипению этого вещества.
Из этого следует, что пар температурой в 100
градусов достаточно остудить всего на 1 градус, и
он превратится в конденсат. А данный конденсат
разогрев всего на 1 градус снова превратится в пар.
При испарении 1 литра воды образуется 1.675 м3
пара.
В моем изобретении использованы цилиндры с
обоих концов, которых находятся диафрагмы.
Диафрагмы в отличие от паровых турбин
используют всю энергию, которая на них давит, так
как не пропускают воздух, а, следовательно, их КПД
равно 100 процентов. По моим расчетом внутренний
объем внутри цилиндра между диафрагмами будет
равен примерно 3-3,5 кубических метров.
Следовательно, чтоб заполнить такой объем
водяным паром, всего потребуется 2 литра воды.
Разогрев данную воду до 100 градусов мы получаем
объем пара более 3 кубических метров. Чтоб
сконденсировать данный объем пара достаточно в
него распылить 20 грамм холодной воды. При этом
температура пара понизится на 1 градус. Чтоб
4. 28968
4
разогреть 1 литр воды на 1 градус необходимо 1
килокалорий тепла. Чтоб разогреть 2 литра
необходимо 2 килокалории тепла на каждый
цилиндр на один цикл конденсации. При этом мы
получим рабочее давление на каждую диафрагму в
50 тонн. А так как диафрагмы две, то получим 2
толчка по 50 тонн. При поднятии 1 кг на 1 метр
затрачивается 10 Дж. При поднятии 50 тонн на 1
метр, а ход шатуна диафрагмы будет составлять 1
метр, следовательно, энергия, полученная от
атмосферного давления, будет составлять 50 000 Дж
на каждую диафрагму при одной конденсации пара.
А 50 000 Дж равны 0,138 кВт/ч. Следовательно, две
диафрагмы за одну конденсацию выработают
0,276 кВт/ч.
Если получится добиться 600 циклов в минуту, а
это 600 оборотов в минуту, то за час будет
произведено 36000 циклов в час. Умножив их на
0,276квт/ч, получим 9936 кВт/ч. Такую мощность
мы можем получить с одного цилиндра. При этом
будет затрачено тепловой энергии 144000
килокалорий или 167,472 кВт/ч. Но естественно
будут дополнительные расходы на насосы, на
охлаждение конденсата, тепловые потери, но все
равно эффект достаточно большой.
Под действием атмосферного удара диафрагмы
устремляются внутрь цилиндров, увлекая за собой
штоки под №10, а те в свою очередь увлекают
кривошипно-шатунный механизм под №9, который
соединен с коленчатым валом, в результате чего
происходит вращение коленчатого вала.
Конденсация пара внутри цилиндров происходит
постоянно. Конденсат из цилиндров откачивается
конденсационными насосами и закачивается снова в
теплообменник.
В результате этого вращение коленчатых валов
происходит постоянно. После того, как двигатель
развивает обороты равные 370- 500 об./мин, мотор-
генераторы переходят из режима моторов в режим
генерации и начинают вырабатывать
электроэнергию.
Задача изобретении - использование тепла из
геотермальных скважин для получения
электроэнергии с помощью пароатмосферного
двигателя, КПД которого намного выше по
сравнению с паровыми турбинами. К тому же
паровые турбины используются только на тех
скважинах, где температура воды выше 150
градусов. Мои же пароатмосферные двигатели
могут использовать даже те геотермальные
скважины, где температура воды всего 20 градусов.
А, следовательно, и выработка электроэнергии с
помощью пароатмосферного двигателя будет в
несколько раз выше, чем при использовании
паровых турбин.
Геотермальные источники, по сути, являются
вечными генераторами тепловой энергии. А,
следовательно, энергия, полученная с помощью
геотермальных источников будет намного дешевле,
чем энергия, полученная с традиционных
возобновляемых источников, таких как солнце,
ветер, вода. К тому же геотермальные источники
гораздо стабильнее по сравнению с ветром и
солнцем.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Геотермальная электростанция, включающая в
себя теплообменник, генератор, отличающаяся
тем, что содержит пароатмосферный двигатель,
включающий два блока, внутри которых находятся
два коленчатых вала, между блоками расположены
рабочие цилиндры с диафрагмами с обеих сторон, в
цилиндрах имеются клапаны для подачи пара и
форсунки для распыления холодного конденсата,
диафрагмы через штоки и шатуны соединены с
коленчатыми валами, а коленчатые валы соединены
с генераторами.
