Ветротепловая установка
Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветровым установкам, преобразующим кинетическую энергию ветра в тепловую энергию, и может быть использовано в системах нагревания воды. Установка содержит ветроколесо с лопастями, валом, установленным с осевой подвижностью на оси вращения ветроколеса, фрикционный теплогенератор, установленный на поворотном устройстве опорной конструкции, патрубки связаны с внешней тепловой магистралью. Теплогенератор содержит конический ротор, установленный на валу в корпусе с внутренней конической поверхностью. Полый корпус состоит из двух частей: цилиндрической и конусной с конусностью 0,5-1,0°. Между одноименными торцами ротора и его корпуса, обращенными к ветроколесу, выполнен зазор. Боковая поверхность ротора по своей длине снабжена спиральной канавкой, а торец ротора со стороны, противоположной месту соединения ротора с валом, снабжен двумя штырями по окружности поперечного сечения ротора. В полости цилиндрической части корпуса установлен поршень насоса. Боковая цилиндрическая поверхность поршня снабжена зигзагообразным пазом, установленным в зацеплении с выступами на внутренней части боковой поверхности цилиндрической части корпуса. Поршень выполнен со сквозными отверстиями для масла и с возможностью осевой подвижки поршня относительно ротора. Противоположный от ротора торец поршня снабжен обратным клапаном, связанным с поршнем с возможностью перемещения относительно поршня, образуя вместе со стенкой поршневой части корпуса зазор. Входной и выходной патрубки расположены в роторной и поршневой части корпуса соответственно. Такое выполнение при простоте конструкции обеспечивает повышение надежности, долговечности и эффективности работы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветровым установкам, преобразующим кинетическую энергию ветра в тепловую энергию, и может быть использовано в системах нагревания воды, отопления помещений, теплиц, приготовления пищи.
Известен патент РФ №2253041 «Ветротепловая установка», МПК 7 F03D 9/00,опубл. 27.05.2005, в котором описана конструкция ветротепловой установки. Эта установка содержит ветроколесо с поворотными лопастями, валом, установленным с осевой подвижностью, и фрикционный теплогенератор, установленный на полноповоротном устройстве опорной конструкции. Теплогенератор состоит из фрикционного коническою барабана - корпуса для ротора, с ребристой внешней поверхностью, образующей вместе с прилегающей к ней оболочкой теплообменник с входным и выходным патрубками. Выходной патрубок связан с внешней тепловой магистралью через канал в полноповоротном устройстве. Теплогенератор содержит также конический ротор, расположенный внутри конического барабана и установленный на валу ветроколеса. Ротор оснащен посаженной на него фрикционной накладкой и закрыт обтекателем. Наружная поверхность теплообменника снабжена теплоизоляцией. Описанная ветротепловая установка имеет сложную конструкцию, поэтому ненадежна в работе. В качестве теплоносителя использован воздух, который имеет недостаточную теплоемкость, поэтому ветротепловая установка, теплогенератор недостаточно эффективны, позволяют нагреваться теплоносителю до небольшой температуры, что ограничивает их применение. Небольшой температуре нагрева способствует и постоянное поступление извне свежей, холодной порции воздуха в теплоизолированную полость барабана.
Задачей изобретения является упрощение конструкции ветротепловой установки, теплогенератора, повышение надежности, долговечности и эффективности их работы.
Задача решается конструкцией ветротепловой установки, содержащей ветроколесо с поворотными лопастями, валом, установленным с осевой подвижностью на оси вращения ветроколеса, фрикционный теплогенератор, установленный на полноповоротном устройстве опорной конструкции, снабженный входным и выходным патрубками. Выходной патрубок связан с внешней тепловой магистралью через канал в полноповоротном устройстве и в опорной конструкции. Теплогенератор содержит конический ротор, установленный на валу в своем полом корпусе, выполненном с внутренней конической поверхностью. Корпус ротора и ротор выполнены из материала с большим коэффициентом трения, либо выполнены с фрикционным покрытием. Наружная поверхность теплогенератора снабжена теплоизоляцией. Отличием конструкции от прототипа является следующее. Полый корпус выполнен замкнутым, состоящим из двух частей: цилиндрической, поршневой, и роторной, конусной. Конусность корпуса и ротора составляет примерно 0,5-1,0°, что обеспечивается соотношением радиусов их сечений в начале и конце 1/100. При меньшей конусности работа теплогенератора становится ненадежной, может происходить заклинивание ротора в корпусе. При конусности больше 1° теплоотдача теплогенератора, его мощность понижается. Между одноименными торцами ротора и его корпуса, обращенными к ветроколесу, выполнен зазор для беспрепятственной осевой подвижки ротора под давлением ветра в сторону ветроколеса при износе боковых поверхностей ротора и его корпуса. Боковая поверхность ротора по своей длине снабжена спиральной канавкой. Торец ротора со стороны, противоположной месту соединения ротора с валом, снабжен двумя штырями, которые располагаются по окружности поперечного сечения ротора симметрично относительно плоскости ротора на диаметрально противоположных концах одного сечения. В полости цилиндрической части корпуса установлен поршень насоса. Боковая цилиндрическая поверхность поршня снабжена зигзагообразным пазом с его ветвями спиралевидной формы. На внутренней части боковой поверхности цилиндрической части корпуса в месте расположения поршня выполнены два выступа, которые расположены на диаметрально противоположных концах одного сечения цилиндрической части корпуса. Указанные выступы выполнены с геометрическими размерами, соответствующими размерам паза поршня по ширине, глубине, и находятся с ними в зацеплении по скользящей посадке. Поршень выполнен со сквозными отверстиями, которые представляют собой каналы для масла, ориентированные вдоль продольной оси поршня, следовательно, вдоль продольной оси ротора. Штыри ротора установлены по скользящей посадке в сквозные отверстия поршня с возможностью осевой подвижки поршня относительно ротора по этих штырей. Длина штырей ротора должна быть выполнена с учетом условия зацепления этих штырей со сквозными отверстиями поршня даже при максимальной подвижке ротора по направлению ветра под его давлением вдоль своей оси при износе боковых поверхностей ротора и его корпуса. Противоположный расположению ротора торец поршня снабжен обратным клапаном, связанным с поршнем с возможностью его подвижки относительно поршня по оси поршня, образуя вместе со стенкой поршневой части корпуса зазор. Входной и выходной патрубки расположены в нижней части боковой поверхности корпуса, в его роторной и поршневой части соответственно. Входной патрубок расположен в области расположения спиральной канавки ротора. Выходной патрубок расположен в области зазора, образованного обратным клапаном и стенкой цилиндрической части корпуса. Для надежной безаварийной работы теплогенератора в полости его верхней части над корпусом установлен расширительный бачок, снабженный в верхней своей части сливным патрубком. Внутренняя полость корпуса заполнена маслом, например отработанным моторным маслом для двигателя автомобиля. Дополнительно наружный конец ротора - вал ветрового колеса также имеют многослойную теплоизоляцию.
На чертежах изображен теплогенератор в разрезе (фиг.1), на фиг.2 изображен ротор, на фиг.3 - вид поршня сверху, на фиг.4 - развертка боковой поверхности поршня, на фиг.5 - фронтальный вид поршня насоса, изображение которого повернуто на 90° относительно его положения в теплогенераторе на фиг.1.
Ветротепловая установка содержит ветроколесо 1, теплогенератор 2, установленный с возможностью поворота с помошью шарнирного соединения полноповоротного устройства 3, установленного в нижней части теплогенератора 2 у его центра тяжести, на вершину опорной конструкции - мачты из стальной трубы, снабженной в ее средней части крюками, за которые она устанавливается вертикально с помощью растяжек (не показано). Ветроколесо 1, диаметр которого может достигать 12 метров, может быть снабжено двумя-четырьмя известными пружинными поворотными лопастями для изменения его угла атаки для его защиты от разрушения при большой скорости ветра. Мачта выполнена полой для установки в ее полости двух трубок, служащих каналами для подачи масла в теплогенератор 2 и отбора нагретого масла из теплогенератора. Полноповоротное устройство 3 представляет собой кусок стальной трубы, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра мачты или внешний диаметр которой меньше внутреннего диаметра мачты. Труба связана с мачтой посредством шариковых подшипников с крышкой и сальниками для уменьшения трения указанных поверхностей между собой при повороте трубы относительно мачты. Теплогенератор 2 выполнен обтекаемой, например эллиптической, формы, полым, размеры которого могут достигать 800 мм в диаметре, 1600 мм по длине. Во внутреннюю полость теплогенератора 2 установлен замкнутый полый корпус 4, состоящий из двух частей: цилиндрической, поршневой, и роторной, конусной. В роторной части корпуса 4 на вал 5 ветроколеса 1 установлен с возможностью осевой подвижки ротор 6. Продольная ось корпуса 4 совпадает с продольной осью вала 5, жестко связывающего ротор 6 теплогенератора 2 с ветроколесом 1, при этом ось вращения ветроколеса 1 находится на продольной оси вала 5. Корпус 4 выполнен из материала с большим коэффициентом трения, преимущественно из чугуна. Ротор 6 теплогенератора 2 имеет форму, соответствующую внутренней форме корпуса 4, - конусную, с тем же значением конусности, и установлен в полость корпуса 4 по скользящей посадке с возможностью своего вращения вокруг своей продольной оси, совпадающей с осью вращения вала 5. Между торцами ротора 6 и корпуса 4 со стороны ветроколеса 1 имеется зазор, как это видно на фиг.1. Конусность внутренней формы корпуса 4 и ротора 6 составляет оптимально 0,5°. Выполнен ротор 6 также из материала с большим коэффициентом трения либо имеет фрикционное покрытие. Пара корпус 4 - ротор 6 могут быть изготовлены из разных марок чугуна для увеличения нагрева трущихся поверхностей при высокой их стойкости к истиранию. Наиболее приемлемые материалы: чугун одной марки для корпуса 4 и чугун другой марки для ротора 6 с покрытием из бронзы. Не исключена возможность изготовления ротора 6 только из бронзы, но это удорожит конструкцию. Боковая поверхность ротора 6 по всей своей длине снабжена спиральной канавкой 7, которая может быть выполнена 3-4-заходной. Торец ротора 6 со стороны, противоположной месту соединения ротора 6 с валом 5, снабжен двумя штырями 8, которые располагаются по окружности поперечного сечения ротора 6 симметрично относительно плоскости симметрии ротора на диаметрально противоположных концах этого сечения. В полости цилиндрической части корпуса 4 установлен поршень 9. Боковая поверхность поршня 9 снабжена зигзагообразным пазом 10, как это показано на ее развертке фиг.4, с его ветвями спиралевидной формы. На внутренней части боковой поверхности цилиндрической части корпуса 4 в месте расположения поршня 9 выполнены два выступа 11, которые расположены на диаметрально противоположных концах одного сечения цилиндрической части корпуса 4. Указанные выступы выполнены с геометрическими размерами, соответствующими размерам паза 10 по ширине, глубине, и находятся с ними в зацеплении по скользящей посадке. Поршень 9 выполнен со сквозными отверстиями 12, которые представляют собой каналы для масла, ориентированные вдоль продольной оси поршня 9, следовательно, вдоль продольной оси ротора 6. Как видно из фиг.1, в два из выполненных сквозных отверстий 12 установлены штыри 8 ротора 6 для связи ротора 6 с поршнем 9 для передачи вращения от ротора 6 к поршню 9 с возможностью осевой подвижки поршня относительно ротора 6 по штырям 8 как по направляющим. При этом наружный диаметр штыря 8 меньше диаметра отверстия 12, а штырь 8 установлен в отверстии 12 по скользящей посадке. Противоположный расположению ротора 6 торец поршня 9 снабжен обратным клапаном 13, вместе с вертикальной стенкой 14 поршневой части корпуса 4 образующим в корпусе 4 зазор 15. Нижняя часть боковой поверхности корпуса 4 как в поршневой, так и в роторной части, снабжена проточками 16, 17 соответственно. Эти проточки 16, 17 служат для сообщения корпуса 4 с трубками 18, 19 соответственно для отбора нагретого масла из корпуса 4 и для подачи остывшего масла обратно в корпус 4. Трубки 18, 19 могут быть выполнены из гибкого термостойкого материала и должны иметь некоторый запас по длине для обеспечения поворота поворотного устройства 3. Вход проточки 16 из полости корпуса 4 в трубку 18 расположен в области зазора 15 корпуса 4, выход проточки 17 из трубки 19 в корпус 4 расположен в области начала спиральной канавки 7 ротора 6. Трубки 18, 19 установлены в полноповоротном устройстве 3 и далее в полости мачты и связаны с кольцевой магистралью общей системы потребления тепла ветротепловой установки (не показано). Для надежной безаварийной работы ветротепловой установки в верхней части полости теплогенератора 2 над корпусом 4 установлен расширительный бачок 20, снабженный в верхней своей части сливным патрубком 21 для масла и для выхода образовавшихся пузырьков воздуха и соединенный патрубками 22 с полостью корпуса 4. Внутренняя полость корпуса 4 заполнена маслом, например отработанным моторным маслом для двигателя автомобиля, или другой жидкостью. Для всесезонной работы установки температура замерзания жидкости не должна быть выше -50°С, а температура кипения не ниже +250°С. Объем заполнения корпуса 4 маслом зависит от мощности системы отопления и может составить в частном случае 50-60 литров. Корпус теплогенератора 2, вал 5 ветрового колеса 1 с осью ротора 6, все трубы имеют хорошую теплоизоляцию.
Ветротепловая установка работает следующим образом.
При наличии даже слабого ветра 2 м/сек ветроколесо 1 начинает вращаться вокруг своей оси вращения. Жестко закрепленный на ветроколесе 1 вал 5 также начинает вращаться вокруг своей продольной оси, передавая это вращение на жестко связанный с ним ротор 6. Ротор 6 начинает вращаться в том же направлении вдоль своей продольной оси, совпадающей с продольной осью вала 5, проходящей через центр вращения ветроколеса 1. Поскольку ротор 6 установлен в полости корпуса 4 по скользящей посадке с плотным прилеганием боковой поверхности ротора к внутренней боковой поверхности корпуса, при вращении ротора 6 начинается механическое трение внешней боковой поверхностей ротора 6 о внутреннюю боковую поверхность корпуса 4. Чем больше давление ветра, тем сильнее ротор 6 поджимается к стенке корпуса 4 за счет возможности осевой подвижки вала 5 и наличия зазора между торцами ротора 6 и корпуса 4, тем сильнее нагрев масла. Механическая энергия трения преобразуется в тепловую энергию, указанные поверхности от трения нагреваются, и нагревается масло от контакта с ними. Температура нагрева в зависимости от скорости ветра может достигать 200°С. За счет вращения ротора 6, наличия спиральной канавки 7, выполненной на боковой поверхности ротора 6, которая заполнена нагретым маслом, последнее продвигается к другому концу ротора 6 в сторону поршня 9, заполняет сквозные отверстия - каналы 12 поршня 9 и далее попадает в зазор 15 между вертикальной стенкой поршневой части корпуса 4 и обратным клапаном 13. При вращении ротора 6 за счет его связи с поршнем 9 посредством штырей 8, взаимодействующих с отверстиями 12 в полости поршня 9, поршень 9 также вращается, а наличие выступов 11 на внутренней поверхности поршневой части корпуса 4 заставляет его совершать возвратно-поступательное движение вдоль продольной оси корпуса 4. Возвратно-поступательное движение поршня 9 определяется геометрией, расположением паза 10 на поршне 9, и геометрией, расположением взаимодействующих с пазом 10 выступов 11 на внутренней боковой поверхности поршневой части корпуса 4. Вместе с поршнем 9 совершает возвратно-поступательное движение и закрепленный на нем обратный клапан 13, уменьшая объем зазора 15 при движении вправо в плоскости чертежа (фиг.1). Тем самым повышается давление в зазоре 15, которое выдавливает нагретое масло через проточку 16, трубку 18 в кольцевую магистраль системы теплоснабжения к потребителю. За счет ухода части масла из роторной части корпуса 4 давление масла там понижается, и новая, остывшая порция масла из магистрали системы теплоснабжения через трубку 19, проточку 17 подается обратно в полость корпуса 4. Отвод горячего масла из корпуса 4 и подача остывшего масла в корпус 4 осуществляются непрерывно за счет вращения ветроколеса 1. За один оборот ветроколеса 1 поршень 9 перекачивает до 2-х литров жидкости с давлением 0,2-0,5 атм. При истирании трущихся поверхностей ротора 6 и корпуса 4 автоматически выбирается образовавшийся от износа зазор между их боковыми поверхностями за счет давления ветра на лопасти ветроколеса, которое за счет возможности осевой подвижки вала 5 по направлению ветра произведет подвижку также и ротора 6 по направлению ветра, выбрав этот зазор; одновременно уменьшается зазор между торцевыми стенками корпуса 4 и ротора 6 со стороны ветроколеса 1. За счет создавшейся циркуляции масла можно отапливать небольшие теплицы, комнаты в садовом домике, нагревать воду, готовить пищу и т.п. Использовать ветротепловую установку в системах отопления можно за счет теплообмена путем циркуляции горячего масла в трубах радиатора емкости с водой с последующей подачей нагревшейся воды по назначению в систему отопления либо путем циркуляции горячего масла непосредственно в отопительной системе. В последнем случае количество масла в котле должно быть больше, и такая система отопления предпочтительно будет использоваться в холодных районах, где возможно замерзание воды в системе отопления. Конструкция ветротепловой установки достаточно проста и эффективна, позволяет нагревать масло до температуры, достаточной для обогрева небольших помещений, приготовления пищи, получения горячего пара. Как показывают расчеты, мощность ветротепловой установки составляет 2-10 кВт. Износ трущихся поверхностей ротора и корпуса долго не сказывается на работе теплогенератора 2 за счет осевой подвижки ротора относительно корпуса по направлению ветра. Это позволяет надежно работать теплогенератору без капитального ремонта много лет.
1. Ветротепловая установка, содержащая ветроколесо с поворотными лопастями, связанное с валом, установленным с осевой подвижностью, фрикционный теплогенератор, установленный на поворотном устройстве опорной конструкции, снабженный входным и выходным патрубками, связанными с внешней тепловой магистралью через каналы в поворотном устройстве и в опорной конструкции, теплогенератор содержит конический ротор, установленный в полом корпусе с внутренней конической поверхностью, выполненные из материала с большим коэффициентом трения, наружная поверхность теплогенератора снабжена теплоизоляцией, отличающаяся тем, что полый корпус выполнен замкнутым, состоящим из двух частей: цилиндрической, поршневой и роторной, конусной, при этом конусность внутренней поверхности корпуса и ротора составляет 0,5-1,0°, между одноименными торцами ротора и его корпуса, обращенными к ветроколесу, выполнен зазор, боковая поверхность ротора снабжена спиральной канавкой, торец ротора со стороны, противоположной месту соединения ротора с валом, снабжен штырями, которые расположены симметрично относительно плоскости симметрии ротора, в полости цилиндрической части корпуса установлен поршень насоса, боковая цилиндрическая поверхность которого снабжена зигзагообразным пазом, на внутренней части боковой поверхности цилиндрической части корпуса в месте расположения поршня выполнены два выступа, которые расположены на диаметрально противоположных концах одного сечения цилиндрической части корпуса, выполнены с геометрическими размерами, соответствующими размерам зигзагообразного паза поршня по ширине, глубине, установлены в зацеплении с ними по скользящей посадке, поршень выполнен со сквозными отверстиями, ориентированными вдоль продольной оси поршня, в которые по скользящей посадке установлены штыри ротора, с возможностью осевой подвижки поршня относительно ротора по этим штырям, противоположный расположению ротора торец поршня снабжен обратным клапаном, связанным с поршнем с возможностью своей осевой подвижки относительно поршня, с образованием со стенкой поршневой части корпуса зазора, входной и выходной патрубки расположены в нижней части боковой поверхности корпуса, в его роторной и поршневой части соответственно, входной патрубок расположен в области расположения спиральной канавки ротора, выходной патрубок расположен в области зазора, образованного обратным клапаном и стенкой цилиндрической части корпуса, внутренняя полость корпуса заполнена жидким теплоносителем, наружный конец ротора - вал ветрового колеса выполнены с многослойной теплоизоляцией.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость корпуса заполнена маслом.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость корпуса заполнена отработанным автомобильным моторным маслом.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трущиеся поверхности ротора и корпуса выполнены с фрикционным покрытием.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в полости верхней части теплогенератора над корпусом установлен сообщающийся с корпусом расширительный бачок, снабженный в верхней своей части сливным патрубком.
