ТЕПЛОВАЯ ГИДРОУСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F03B13/00 F03D9/00 F24J3/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для теплоснабжения и электропитания отдельных потребителей от альтернативных или возобновляемых источников механической энергии - ветра, солнца, морских приливов, течения рек и т. п.

Известен солнечно-ветровой двигатель, преобразующий энергию солнца и ветра в механическую работу и содержащий установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси двухстенную вытяжную трубу со спиральным формирователем газового потока и закрепленные на ее наружной стороне наклонные лопасти, выполненные в виде парусов /1/.

Однако непосредственное использование механической энергии такого двигателя для удовлетворения жизненных потребностей человека является весьма затруднительным вследствие больших колебаний мощности солнечного излучения и ветровой нагрузки и более актуальной потребности человечества в тепловой и электрической энергии.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является тепловая ветроустановка для получения горячей воды и электроэнергии, содержащая ветродвигатель с вертикальным валом, на нижнем конце которого закреплена крыльчатка, размещенная в баке с водой и гидравлически связанная с гидротурбиной электрогенератора /2/.

Недостатком известной установки является низкая интенсивность энергообмена и большие габариты, что позволяет использовать ее только для снабжения потребителя горячей водой, нагретой до 70^oС, и вспомогательного электропитания при избыточной ветровой нагрузке, когда гидравлическая связь становится достаточно эффективной.

Технической задачей заявляемого изобретения является уменьшение габаритов теплоустановки, обеспечение гарантированного теплоснабжения автономных потребителей, повышение эффективности процесса теплопередачи, увеличение скорости и температуры нагрева.

Для решения поставленной задачи предлагается тепловая гидроустановка с использованием альтернативных источников механической энергии, содержащая приводной двигатель с вертикальным валом, снабженным роторным преобразователем, размещенным в баке с жидкостью и связанным с электромашиной, отличающаяся тем, что вал кинематически связан с гидронасосом и с ферромагнитным ротором малой конусности, размещенным внутри емкости избыточного давления, закрепленной внутри бака, частично заполненного магнитной жидкостью, и сообщающейся с выходящим патрубком гидронасоса, размещенного с возможностью погружения входного патрубка в магнитную жидкость. Боковые стенки емкости и ротора выполнены в виде сопрягаемых с зазором поверхностей, причем на поверхности ротора имеются спиральные каналы, а боковые стенки емкости образованы полюсными наконечниками обмотки возбуждения с круговой несквозной проточкой между полюсами, замкнутыми на постоянный магнит снаружи емкости. Емкость также снабжена редукционно-возвратным клапаном для циркуляции магнитной жидкости в заданном режиме между потребителями (нагревательная плита, отопление и пр.) и гидроустановкой с дросселем сливного патрубка бака. Кроме того, вал кинематически связан с ротором посредством обгонной муфты свободного хода, снабженной шкивом ременной передачи к мотор-генератору, подключенному к упомянутой обмотке возбуждения и к локальной электрической сети. В качестве магнитной жидкости используется отработанная смазочно-охлаждающая жидкость на масляной основе с мелкодисперсным магнитным шламом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показаны принципиальная схема и продольный разрез предлагаемой установки.

Тепловая гидроустановка содержит приводной вертикальный вал 1, кинематический связанный с ферромагнитным ротором 2 и нагнетающим гидронасосом 3, например, шестеренчатого типа, который прикреплен к днищу емкости избыточного давления 4, встроенной в бак 5, частично заполненный магнитной жидкостью 6 так, чтобы входной патрубок гидронасоса 3 находился всегда ниже уровня магнитной жидкости. Выходной патрубок гидронасоса сообщается с нижней частью полости емкости 4. По форме боковые стенки емкости избыточного давления 4 и ротора 2 внутри нее выполнены в виде сопрягаемых с зазором поверхностей малой конусности. При вертикальных сдвигах ротора легко регулируется величина зазора. Боковые стенки емкости 4 образованы полюсными наконечниками электрической обмотки возбуждения 7, замкнутыми на постоянный магнит 8 снаружи емкости. Между полюсами выполнена круговая несквозная разделительная проточка 9 для целей переноса магнитных силовых линий на ферромагнитный ротор и зазор между ним и магнитопроводом. Па поверхности ферромагнитного ротора 2 имеются спиральные каналы 10 для прохождения магнитной жидкости.

Между валом 1 и ферромагнитным ротором 2 установлена обгонная муфта свободного хода 11 со шкивом 12 ременной передачи 13 к электрическому мотор-генератору 14, который подключается к локальной электросети 15 и обмотке возбуждения 7 магнитного поля.

Выходное отверстие в верхней части емкости избыточного давления 4 через редукционно-возвратный клапан 16 соединено с дросселем сливного патрубка бака 5, с пищевой конфоркой 17, с радиатором отопления 18 и другими потребителями жидкого теплоносителя. Заливочный патрубок бака 5 может быть снабжен масляным фильтром-уловителем 20 для осаждения паров магнитной жидкости 6. В качестве магнитной жидкости используется отработанная смазочно-охлаждающая жидкость на масляной основе с мелкодисперсным магнитным шламом.

В основном режиме генерации тепла и электроэнергии предлагаемая установка работает следующим образом. При вращении вала 1 начинает работать гидронасос 3, нагнетающий магнитную жидкость 6 со дна бака 5 в емкость избыточного давления 4, где синхронно с валом 1 вращается сплошной ферромагнитный ротор 2. Магнитная жидкость 6 перетекает по спиральным каналам 10 на внешней поверхности ротора и через зазор между сопрягаемыми поверхностями ротора и полюсных наконечников, разделенных несквозной кольцевой проточкой 9. Эта проточка обеспечивает прохождение магнитных силовых линий постоянного магнита 8 и электрической обмотки 7 через ферромагнитный ротор 2 и соответствующие зазоры между ним и боковой стенкой емкости избыточного давления 4. Благодаря концентрации магнитного поля в этом зазоре магнитная жидкость 6 переходит в псевдополимерное состояние /3/, вязкость которого на несколько порядков превосходит вязкость этой же жидкости вне магнитного поля. Из-за вязкостного трения в магнитном зазоре теплоноситель на масляной основе 6 разогревается до 150-200^oС. При этом рабочие поверхности ротора 2 и стенки емкости 4 практически не изнашиваются, так как фрикционному воздействию подвергаются сами частицы ферромагнитного порошка, взвешенного в магнитной жидкости 6, дисперсность и качество которой в процессе работы только возрастают /4/. В надроторным пространстве в емкости 4 вязкость жидкости падает, и горячий теплоноситель свободно подается потребителям через выходной патрубок бака 5 и редукционно-возвратный клапан 16, который стабилизирует давление поступающей магнитной жидкости 6 на стандартном уровне 5-7 кг/см² обычной теплосети горячего водоснабжения, но с более высокой температурой. Причем относительно крупные ферромагнитные частицы не могут преодолеть магнитное поле и выйти за пределы емкости избыточного давления 4, тогда как мелкие частицы шлама, находящиеся во взвешенно-ожиженом состоянии, за пределами этой емкости практически не оседают. После прохождения и нагрева конфорок 17 для приготовления пищи, радиатора отопления 18 и дросселя 19 охлажденная магнитная жидкость 6 возвращается в бак 5, находящийся под атмосферным давлением, благодаря сообщению с атмосферным воздухом через заливочный патрубок с масляным фильтром-уловителем 20, который осаждает пары магнитной жидкости 6.

Одновременно вращение вала 1 через работающую обгонную муфту 11 со шкивом 12 ременной передачи 13 передается мотор-генератору 14, который питает электрообмотку 7 и локальную электросеть 15, к которой может быть подключен буферный аккумулятор, заряжаемый током мотор-генератора 14, работающего в режиме электрогенератора.

При отсутствии аккумулятора в электросети 15 напряжение на электрической обмотке 7 и создаваемый магнитный поток будут пропорционально скорости вращения шкива мотор-генератора 14 и вала 1 ветродвигателя, поэтому и сила вязкого трения магнитной жидкости 6 вокруг ротора 2 будет пропорциональна силе ветра, а следовательно, и механической энергии, подводимой к валу 1, то есть имеет место автоматическая и повышенная эффективность управляемого процесса магнито-фрикционного преобразования механической энергии в тепло.

Если ветра не будет и вал 1 остановится, то предлагаемая установка автоматически перейдет в режим гарантированного теплоснабжения, при котором электромотор 14, запитанный от буферного аккумулятора электросети 15, будет через ременную передачу 13 и шкив 12 непосредственно вращать ротор 2, и также будет осуществляться нагрев магнитной жидкости 6 и подача теплоносителя через конфорку 17 и радиатор 18 с высоким коэффициентом полезного действия, так как в тепловую энергию механическая энергия преобразуется теоретически со 100%-ым КПД. При этом обгонная муфта 11 исключает нерациональную утечку механической энергии от электродвигателя 14 к неработающему ветродвигателю, а использование известных преобразователей постоянного и переменного тока позволяет связать локальную электросеть 15 нескольких таких установок между собой и бытовой электросетью 220 V единой энергосистемы страны.

Таким образом, предлагаемая установка обеспечивает:
- уменьшение ее габаритов и металлоемкости: по сравнению с прототипом вес и габариты опытного образца меньше на порядок;
- гарантированное теплоснабжение автономных потребителей высокотемпературным теплоносителем на дешевой масляной основе;
- повышение эффективности процесса теплопепредачи:
а) за счет использования теплоносителя из числа отходов производства. Отработанная смазочно-охлаждающая жидкость, насыщенная ферромагнитными микрочастицами, которая является трудно утилизируемым отходом металлообрабатывающей промышленности, помимо экономии электроэнергии дает дополнительный экономический и экологический эффект;
b) теплоноситель обладает более высокой теплоемкостью, что позволяет увеличить температуру нагрева до 200^oС;
c) также увеличилась скорость нагрева: указанная температура достигается за один проход жидкости через каналы и зазоры ротора,
d) получена возможность управления процессом преобразования.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1345026, F 24 J 2/00.

2. Авторское свидетельство СССР 1071896, F 24 J 3/04.

3. Алейников Н.А., Усачев П.А., Зеленев П.И. Структурирование ферромагнитных суспензий. Л.: Наука, 1974, с.16.

4. Поляк Д.Г. и др. Автомобиль "Запорожец", специальные агрегаты и оборудование//Транспорт, 1981, с.77.

Изобретение может быть использовано для теплоснабжения и электропитания отдельных потребителей от возобновляемых источников энергии. Гидроустановка содержит приводной двигатель с вертикальным валом, снабженным роторным преобразователем, размещенным в баке с жидкостью и связанным с электромашиной. Вертикальный вал кинематически связан с гидронасосом и с ферромагнитным ротором малой конусности, размещенным внутри емкости избыточного давления, закрепленной внутри бака, частично заполненного магнитной жидкостью, и сообщающейся с выходящим патрубком гидронасоса, размещенного с возможностью погружения входного патрубка в магнитную жидкость, при этом боковые стенки емкости и ротора выполнены в виде сопрягаемых с зазором поверхностей, причем на поверхности ротора имеются спиральные каналы, а боковые стенки емкости образованы полюсными наконечниками обмотки возбуждения с круговой несквозной проточкой между полюсами, замкнутыми на постоянный магнит снаружи емкости, которая также снабжена редукционно-возвратным клапаном для циркуляции магнитной жидкости при заданном давлении между потребителем и гидроустановкой, кроме того, вал кинематически связан с ротором посредством обгонной муфты свободного хода, снабженной шкивом ременной передачи к мотор-генератору, подключенному к упомянутой обмотке возбуждения и к локальной электрической сети. Конструкция гидроустановки позволяет обеспечить уменьшение габаритов и повышение эффективности процесса теплопередачи к потребителю. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Тепловая гидроустановка с использованием альтернативных источников механической энергии, содержащая приводной двигатель с вертикальным валом, снабженным роторным преобразователем, размещенным в баке с жидкостью и связанным с электромашиной, отличающаяся тем, что вертикальный вал кинематически связан с гидронасосом и с ферромагнитным ротором малой конусности, размещенным внутри емкости избыточного давления, закрепленной внутри бака, частично заполненного магнитной жидкостью, и сообщающейся с выходящим патрубком гидронасоса, размещенного с возможностью погружения входного патрубка в магнитную жидкость, при этом боковые стенки емкости и ротора выполнены в виде сопрягаемых с зазором поверхностей, причем на поверхности ротора имеются спиральные каналы, а боковые стенки емкости образованы полюсными наконечниками обмотки возбуждения с круговой не сквозной проточкой между полюсами, замкнутыми на постоянный магнит снаружи емкости, которая также снабжена редукционно-возвратным клапаном для циркуляции магнитной жидкости при заданном давлении между потребителем и гидроустановкой, кроме того, вал кинематически связан с ротором посредством обгонной муфты свободного хода, снабженной шкивом ременной передачи к мотор-генератору, подключенному к упомянутой обмотке возбуждения и к локальной электрической сети. 2. Тепловая гидроустановка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость через редукционно-возвратный клапан соединена с пищевой конфоркой, радиатором отопления и дросселем сливного патрубка бака. 3. Тепловая гидроустановка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве магнитной жидкости используется отработанная смазочно-охлаждающая жидкость на масляной основе с мелкодисперсным магнитным шламом.