Оппозитный ветротеплогенератор

Авторы патента:

Серов Анатолий Фёдорович (RU)

Терехов Виктор Иванович (RU)

Мамонов Валерий Николаевич (RU)

Назаров Александр Дмитриевич (RU)

F24J3/00 - Прочие способы получения или использования тепла, образующегося иначе, чем в процессе горения (использование солнечного тепла F24J 2/00)

F03D9/22 - Приспосабливание ветряных двигателей для особых целей; агрегатирование ветряных двигателей с приводимыми ими устройствами (при преобладании отличительных признаков приводимых устройств см. классы, к которым отнесены эти устройства)

Владельцы патента RU 2612237:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателей с теплогенератором. Оппозитный ветротеплогенератор, в котором теплогенератор расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями, валы которых сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора. При этом однотипные роторные ветродвигатели осуществляют оппозитное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает течение Тейлора. Изобретение направлено на повышение эффективности ветротеплогенератора при низких скоростях ветра и упрощение конструкции. 5 ил.

Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателей с теплогенератором. Изобретение может использоваться при строительстве теплостанций. Известны следующие решения:

1. патент US 4424796, 1984 г., F03D 9/00; F24J 3/00;

2. патент FR 2407369, 1979 г., F03D 9/00; F03D 9/02;

3. патент РФ №2088797, 1994 г., F03D 3/00;

4. авторское свидетельство №1252535, 1985 г., F03D 9/00;

5. патент РФ №2380567, 2005 г., F03D 3/00;

6. авторское свидетельство №992800, 1981 г., F03D 3/00.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является ветротеплогенератор (патент РФ №2209340, 2002 г., F03D 9/00), содержащий ветродвигатель, теплогенератор. Ветродвигатель представляет собой комбинацию ротора Савониуса с ветротурбиной с ортогональными аэродинамическими лопастями. Теплогенератор состоит из фрикционной и тепловой камер и фрикционных элементов.

Недостатком известных решений является низкий коэффициент преобразования энергии ветра в диапазоне скоростей (0,5-5) м/с в тепловую энергию, сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра.

Задачей изобретения является повышение эффективности ветротеплогенератора, упрощение конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в оппозитном ветротеплогенераторе, содержащем ветродвигатель и теплогенератор, согласно изобретению содержится два однотипных роторных ветродвигателя, осуществляющих встречное (оппозитное) вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, при этом в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора.

Изобретение работает на принципе преобразования кинетической энергии ветра в тепловую за счет нагрева вязкой жидкости при течении ее в межцилиндровом пространстве. В узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора, которое характеризуется высокой степенью сдвиговых напряжений в межцилиндровом пространстве с генерацией тепла в жидкости, что и позволяет напрямую передать кинетическую энергию ветра в тепло. Основным техническим результатом является повышение КПД, так как вся утилизированная энергия ветрового потока отбирается теплоносителем и передается через теплообменник потребителю. Повышение эффективности оппозитного ветротеплогенератора происходит за счет применения двух однотипных роторных ветродвигателей для привода особого оппозитного преобразователя (однотипные соосные многоцилиндровые роторы теплогенератора) кинетической энергии ветра в тепловую, обладающего свойством высокоэффективного преобразования при низких скоростях ветра. Отсутствие редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра существенно упрощают конструкцию ветротеплогенератора.

Фиг. 1 - общий вид оппозитного ветротеплогенератора.

Фиг. 2 - схема теплогенератора.

Фиг. 3 - фотография макета нижнего многоцилиндрового ротора тепологенератора.

Фиг. 4 - фотография макета верхнего многоцилиндрового ротора теплогенератора.

Фиг. 5 - фотография макета теплогенератора, вид сверху.

ВД - роторный ветродвигатель с вертикальной осью

ЦН - центробежный насос

1 - теплогенератор

2 - теплообменник

3 - аккумулятор

4 - теплоизоляция

5 - вал ветродвигателя

6 - поворотные лопасти ветродвигателя

7 - оси поворотных лопастей ветродвигателя

8 - верхний и нижний радиальные кронштейны

9 - корпус оппозитного ветротеплогенератора

10 - опорная мачта оппозитного ветротеплогенератора

11 - подающий и отводящий патрубки

12 - верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора

13, 16 - нижний и верхний диски однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора

14 - опорный подшипник

15 - боковая цилиндрическая стенка

17 - оси однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора

18 - подшипники качения

В теплогенераторе 1 заложена конструкция (фиг. 2) с встречно вращающимися однотипными соосными многоцилиндровыми роторами (фиг. 3 и фиг. 4). На фиг. 1 приведена схема оппозитного ветротеплогенератора, состоящего из двух однотипных роторных ветродвигателей (ВД), которые приводят в движение два однотипных соосных многоцилиндровых ротора теплогенератора.

В предложенной конструкции рабочие колеса ветродвигателя имеют поворотные лопасти (6), поворотные лопасти ветродвигателя закреплены на осях 7, оси поворотных лопастей ветродвигателя связаны с радиальными верхним и нижним кронштейнами (8). Максимальное сопротивление ветру оказывает только часть поворотных лопастей ветродвигателя, другая часть за счет смены положения при повороте колеса имеет минимальное сопротивление. Валы ветродвигателей 5 сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора 17. Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора зафиксированы в подшипниках качения 18, при этом ось верхнего многоцилиндрового ротора имеет шариковый подпятник 14, опирающийся на ось нижнего многоцилиндрового ротора.

Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора закреплены в неподвижных крышках теплогенератора 12, являющихся элементами верхней и нижней частей корпуса оппозитного ветротеплогенератора 9. Корпус теплогенератора, состоящий из верхней и нижней частей и боковой цилиндрической стенки 15 между ними, расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями (ВД) и является опорным элементом всего агрегата.

На нижнем и верхнем дисках однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора (13, 16) расположено расчетное количество цилиндров заданной высоты и различного диаметра. При размещении этих однотипных многоцилиндровых роторов на одной оси цилиндрические конструкции верхней и нижней частей образуют между собой узкие зазоры межцилиндрового пространства. Ширина зазоров определяется разностью диаметров соседних цилиндров. Диаметры цилиндров и их количество определяются необходимой площадью поверхности однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора для заданной производительности.

Верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора имеют подающий и отводящий патрубки 11 для подачи и отвода теплоносителя. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет специальных центробежных лопастей (ЦН). Таким образом, получается многолопастной насос, функционирующий в пространстве между верхней и нижней неподвижными крышками теплогенератора и верхним и нижним дисками однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора с функциями нагнетающего и отсасывающего насосов.

В состав оппозитного ветротеплогенератора входит аккумулятор 3 с теплообменником 2, через который генерируемое тепло передается потребителю. Корпус теплогенератора и аккумулятор имеют теплоизоляцию 4.

Оппозитный ветротеплогенератор закреплен в корпусе из профилированного металла и устанавливается на опорной мачте 10 соответствующей высоты.

Конструкция верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора определяется следующими параметрами:

- количеством цилиндров (количество цилиндров определяет мощность ветрогенератора);

- отношением радиусов соседних цилиндров η=а/b, где а является внешним радиусом цилиндра (i) меньшего диаметра и b являются внутренним радиусом (о) цилиндра большего диаметра;

- характеристическим соотношением Г=L/(b-a), где L - высота столба жидкости в зазоре;

- числа Рейнольдса внутреннего R_i,=a(b-a)'Ω_i/v и внешнего цилиндра R₀,=b(b-a)'Ω₀/v, где 'Ω_i - угловая скорость внутреннего, 'Ω₀ - угловая скорость внешнего цилиндра, v - кинематическая вязкость теплоносителя.

Устройство работает следующим образом. При скорости ветра ~0,5 м/с происходит ориентация части поворотных лопастей ветродвигателя 6 перпендикулярно направлению ветра. Диаметрально расположенные лопасти занимают положение «флюгера» по ветру. При достаточной скорости ветра начинается встречное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора (фиг. 3, фиг. 4). В зависимости от скорости ветра начинается процесс генерации тепла, которое передается за счет действия центробежного насоса (ЦН) через теплообменник 2 в аккумулятор 3 и потребителю.

Пример. В зависимости от мощности ветродвигателя и максимальной частоты вращения однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора определяется количество зазоров межцилиндрового пространства их высота (высота столба жидкости в зазоре) и ширина. Опытный образец оппозитного ветротеплогенератора имел отношение радиусов цилиндров роторов теплогенератора η=(0,9944-0,9936), характеристическое отношение - Г=L/b-а=(16,8-25), радиусы цилиндров верхнего ротора R_i=(32-875) мм, радиусы цилиндров нижнего ротора R₀=(33-877) мм, кинематическая вязкость рабочей жидкости v≈30 сП.

Эксперимент показал, что при скорости ветра ~6 м/с оппозитный ветротеплогенератор имел мощность ~300 Вт (частота вращения многоцилиндровых роторов тепологенератора Ω_i=(2,5-30) 1/с).

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность ветротеплогенератора при низких скоростях ветра и упростить конструкцию устройства.

Оппозитный ветротеплогенератор, содержащий ветродвигатель и теплогенератор, отличающийся тем, что теплогенератор расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями, валы которых сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, при этом однотипные роторные ветродвигатели осуществляют оппозитное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает течение Тейлора.

Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использовано в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей.

Микротеплоэлектроцентраль, работающая на возобновляемых источниках энергии // 2608448

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики. Микротеплоэлектроцентраль представляет собой единый модуль, собранный на базе энергоемкого высокотемпературного теплоаккумулятора с гибридной системой нагрева от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в основном солнечной и ветровой.

Вихревой кавитатор // 2606293

Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения. В вихревом кавитаторе, содержащем вихревую камеру с двумя патрубками, у каждого из которых в камере имеется язык на слиянии входного и вращающегося потоков, корпус в виде трубы, вихревая камера разделена диафрагмой с образованием двух встречных соосных улиток, одна из которых через патрубок соединена с входным отверстием корпуса, что позволяет вихревое движение жидкости в корпусе выпрямить и превратить в линейное, осевое и существенно снизить энергетические затраты.

Энергетический модуль и способ использования тепловой энергии, получаемой в ходе аэробного процесса // 2606201

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для получения тепловой энергии, вырабатываемой в ходе аэробных процессов. Энергетический модуль может также использоваться в качестве независимого теплового блока системы отопления здания.

Гидродинамический кавитатор // 2603306

Способ нагрева жидкого агента и турбороторный гениратор для его осуществления // 2600656

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения горячей воды. Предложен турбороторный генератор, содержащий корпус, два входных канала, один выпускной канал по центру устройства, цилиндрическую полость, внутри которой на основном и дополнительном валу с зазором установлены роторы в виде дисков с возможностью встречного вращения.

Теплогенератор // 2594394

Гидродинамический кавитатор // 2588298

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в теплогенераторах кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также в качестве смесителей различных жидкостей.

Нагреватель текучей среды и распределитель воздуха // 2586229

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться для обогрева помещений. Нагреватель текучей среды содержит цилиндрический корпус, установленный вертикально, включающий камеру сгорания, в стенке которой размещена емкость, заполненная жидким теплоносителем.

Ветровой теплогенератор // 2578250

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Ветровой теплогенератор содержит роторный ветродвигатель с вертикальным валом, передающий вращательное движение через редуктор с конической зубчатой передачей баку с водой, к внутренней поверхности которого прикреплены горизонтально расположенные кольцеобразные пластины, вращающиеся между других кольцеобразных пластин, закрепленных на валу ветродвигателя, причем последние вращаются с той же скоростью, но в противоположном направлении.

Гидроветросиловая установка // 2611139

Изобретение относится к области силовых механизмов, а именно к ветряным и водяным двигателям. Установка предназначена для преобразования энергии потока воды или ветра и содержит основание 1, вал 3, ротор 4, жестко установленный на валу 3 с возможностью вращения вокруг своей оси, лопасти 10, установленные с возможностью изменения своего положения по отношению к потоку, нагрузочное устройство.

Тепловая ветроэнергетическая установка // 2610164

Изобретение относится к тепловой ветроэнергетической установке. Тепловая ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель, тепловой аккумулятор, систему отопления и горячего водоснабжения.

Система использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции и судно, приводимое в движение ветром // 2607713

Изобретение относится к системе использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции и судну, приводимому в движение ветром, в котором используется система динамической силы текучей среды.

Способ получения и использования углеводородного топлива // 2606948

Изобретение относится к способу получения и использования углеводородного топлива. Способ включает либо добычу СO2 из дымового газа объекта, сжигающего покупное углеводородное топливо, либо CO2 со стороны, либо добычу СО2 из воздуха, либо одновременное или частичное использование всех трех указанных источников СО2, и включающего добычу Н2 из воды способом ее электролиза с использованием электроэнергии ветровой энергетической установки (ВЭУ), с последующим соединением СО2 и Н2, реакция которых дает углеводородное топливо.

Ветровой гидравлический теплогенератор // 2605868

Изобретение относится к теплогенераторам, преобразующим энергию ветра в тепловую, и может быть использовано для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий.

Ветроэнергетическая установка и способ ввода электрической энергии // 2605446

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ввода электрической энергии в электрическую, трехфазную сеть. Техническим результатом является повышение качества электроэнергии сети.

Способ управления электрическим генератором // 2605083

Изобретение относится к способу управления генератором электрической энергии, подключенным в точке сетевого подключения к электрической сети электроснабжения, содержащему этапы ввода электрической мощности в электрическую сеть электроснабжения, причем генератор работает в первой рабочей точке, прерывание ввода, так что мощность не вводится в электрическую сеть электроснабжения, когда имеет место или индицируется неисправность в электрической сети электроснабжения или неисправность ввода в электрическую сеть электроснабжения, возобновление ввода, так что электрическая мощность вновь вводится в электрическую сеть электроснабжения, причем генератор предпринимает возобновление ввода во второй рабочей точке или соответственно переходит в эту вторую рабочую точку, и вторая рабочая точка по сравнению с первой рабочей точкой рассчитана таким образом, что ввод в сеть электроснабжения выполняется с более высоким запасом стабильности.

Блок воздушных и пневматических устройств // 2604971

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Блок воздушных и пневматических устройств содержит три колонны (3), которые состоят из соосно расположенных сегментов (2) и соединены жесткими соединительными стержнями (4).

Ветровентиляторная установка // 2602661

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветровентиляторная установка содержит корпус, дефлектор, ветроколесо, расположенное в корпусе на вертикальном валу установки, входные каналы, выполненные тангенциально направленными и наклонными к вертикальной оси установки, входные каналы имеют воздушные заслонки.

Электрическая станция // 2599880

Изобретение относится к области малой энергетики, в частности к электрическим станциям. Электрическая станция, состоящая из пневматической системы двойного действия, при которой рабочий процесс совершается нагрузкой, обеспечивающей движения рабочего тела из воздушной камеры, а при снятии нагрузки рабочий процесс обеспечивает движение потока воздуха из атмосферы в воздушную камеру, содержит рабочий орган.

Речная гидроветроэлектростанция (гвэс) // 2612499

Изобретение относится к области энергетики возобновляемых источников и может быть использовано для комплексного преобразования кинетической энергии движущейся воды рек и ветра в электрическую энергию. Речная гидроветроэлектрическая станция включает гидротехнические сооружения: плотину 1, затворы 4, гидротурбины 5, гидрогенераторы 6 переменного тока, ветродвигатели 9 и центробежные насосы 7, управляющие блоки 12 максимального и минимального напряжения для регулирования количества работающих насосов 7. Затворы 4 обеспечивают необходимую концентрацию потока воды и создание напора. Гидрогенераторы 6 преобразуют энергию движущейся воды в электрическую энергию. Ветродвигатели 9 и насосы 7 обеспечивают подъем воды из нижнего бьефа 3 в верхний бьеф 2. Для передачи механической энергии от ветродвигателей 9 к центробежным насосам 7 применяется электрическая передача с использованием постоянного тока. Изобретение направлено на увеличение годовой выработки электрической энергии и снижение её стоимости. 1 ил.