ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2003 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в других областях народного хозяйства, где есть необходимость нагрева воздуха или иного теплоносителя в условиях дефицита электроэнергии, для проведения низкотемпературных тепловых процессов, например, в сельском хозяйстве, для сушки зерна при помощи энергии ветра.

Известна ветроэнергетическая установка (ВЭУ), содержащая ветротурбину со ступицей, закрепленной на вертикальном валу, опоры которого установлены в корпусе, регулируемой мешалки, шарнирно связанной с валом и размещенной в баке, заполненном жидкостью. Для повышения надежности работы ВЭУ снабжена механическим датчиком давления (ДД) и центробежным регулятором с грузами, соединенными при помощи тяг с ДД. Вал и ступица выполнены полыми, ДД расположен в верхней части полости вала, а регулятор - в полости ступицы. Ветроколесо имеет пусковой ротор, закрепленный подпружиненной штангой, шарнирно соединенной с ДД, и механизма, звенья которого шарнирно связанны между собой. Корпус снабжен тормозным диском, а регулятор взаимодействующими с ним тормозными колодками. В полости ступицы установлена подпружиненная кулачковая защелка, взаимодействующая с грузами, последние подпружинены относительно колодок (а.с. СССР 1252535, БИ, 1986, 31. МКИ F 03 D 9/00). Недостатком данной ВЭУ является сложность конструкции.

Известен также теплогенератор, содержащий вертикальный вал, вращающийся от энергии ветра, на верхний конец вала насажена ветротурбина, а нижний конец погружен в рабочую камеру, представляющую собой герметичную полую емкость цилиндрической формы, внутри которой находятся два горизонтально расположенных диска, причем верхний диск насажен на нижний конец вала и вращается вместе с ним, нижний диск подвижен в вертикальной плоскости, что позволяет менять зазор между дисками. Для лучшего перемешивания рабочей жидкости и создания турбулентности на внутренних поверхностях дисков, обращенных друг к другу, закреплены лопатки (Totu Loan, "Primul Simpozion National Pentru Utilizarea Energiei Vintului", 1982 г., стр.146). Принцип работы основан на использовании высоких скоростей ветра. Недостатком известного решения является невозможность использования низких скоростей ветра.

Известен ветротеплогенератор, содержащий ротор Дарье, вертикальный вращающийся вал, плоский диск, насаженный на вал, фрикционные колодки, расположенные с обеих сторон диска, и полую емкость, заполненную рабочей жидкостью. Нагрев жидкости здесь осуществляется за счет работы на преодоление силы трения скольжения фрикционных колодок о плоскости диска (Edmon Girard патент 2.0707.369. (А-1), Франция. Заявл. 28.10.77, 2407369, опубл. в БИ, 1977, МКИ F 03 D 9/02). Ротор Дарье требует для начала его работы пускового устройства (электродвигателя), что является недостатком, а также малая площадь трения фрикционных колодок о плоскости диска.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ветродвигатель карусельного типа с жалюзийными лопастями с вертикальной осью вращения, соединенный цепной передачей с вертикальным валом нагревательного устройства, которое состоит из цилиндрической фрикционной камеры, помещенной в цилиндрический резервуар - тепловую камеру, заполненный жидкостью. Вертикальный вал, входящий во фрикционную камеру, снабжен диском, на котором закреплены тормозные колодки. Подпружиненные колодки соприкасаются со стенками фрикционной камеры. Также с валом соединена траверса, на которой закреплены разнесенные центробежные грузы. При вращении вала во фрикционной камере за счет сухого трения возникает тепловой эффект и происходит нагрев жидкости в резервуаре (Джеймс Фиш, патент США 4424796, МКИ F 24 С 9/00, НКИ 126/247).

Недостатками известного ветродвигателя являются:
- использование ветроколеса активного типа, которое имеет низкий КПД (до 20%);
- низкий тепловой эффект теплогенератора;
- подвижность жалюзей на лопасти ветродвигателя снижает надежность ветротурбины;
- конструкция прототипа предусматривает нагрев только жидкости в стационаре;
- сложная система центробежного регулирования.

Задачей изобретения является повышение теплового эффекта теплогенератора и преобразование низкопотенциальной энергии ветра с малыми скоростями, комбинированный нагрев проточной жидкости (например, воды) и газообразного вещества (воздуха), которые используют в технологических целях, а также снижение энергозатрат для получения тепловой энергии в различных целях, в том числе для сушки зерна в установках активного вентилирования.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность увеличения теплового эффекта по сравнению с известными ветроэнергетическими установками, одновременного нагрева проточной жидкости (например, воды) и газообразного вещества (воздуха), используемых в технологических целях, а также возможность работать в широком диапазоне скоростей ветра, снижается износ трущихся частей теплогенератора.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в ветротеплогенераторе, содержащем ветротурбину, мультипликатор, вертикальный вал, теплогенератор с фрикционной и тепловой камерами, фрикционные элементы консольно установлены на радиальных подпружиненных телескопических штангах на вертикальном валу и закрепленных в верхней части фрикционной камеры, причем регулировка натяжения пружин внутри штанг осуществляется регулировочными гайками, а фрикционные элементы расположены по всей высоте фрикционной камеры с возможностью охлаждения ее воздушным потоком, который всасывается центробежным вентилятором, установленным внутри фрикционной камеры в горизонтальном положении, через вентиляционные отверстия, выполненные в крышке теплогенератора и, нагреваясь в плоском змеевике, который расположен между тепловой и фрикционной камерой, направляется по выходной трубе к потребителю, причем в тепловой камере установлены перфорированные лопатки, закрепленные посредством эластичных резиновых муфт на удлиненных штангах, которые в свою очередь закреплены на вертикальном валу, а тепловая камера имеет внизу входной и вверху выходной патрубки для протока рабочей жидкости - теплоносителя.

Предлагаемый ветротеплогенератор позволяет осуществлять комбинированный нагрев проточной жидкости (например, воды) и газообразного вещества (воздуха), которые используют в технологических целях, например, для низкотемпературной сушки зерна в установках активного вентилирования.

Технический результат достигается также тем, что ветротурбина представляет собой комбинацию ротора Савониуса с ветротурбиной с ортогональными аэродинамическими лопастями, диаметр которой в три раза больше диаметра ротора Савониуса.

В предлагаемом ветротеплогенераторе мультипликатор выполнен в виде планетарного редуктора.

За счет одновременного применения тепловых эффектов, возникающих в результате "сухого" трения и трения молекул рабочей жидкости о поверхность вращающихся лопаток ветротеплогенератора и друг о друга, происходит нагрев рабочей жидкости, выполняющей роль теплоносителя или теплового аккумулятора.

Технический результат достигается за счет автоматического регулирования силы прижима фрикционных элементов к стенке фрикционной камеры с помощью подпружиненных штанг, что приводит к наиболее полному использованию энергии ветра, а также за счет консольного расположения фрикционных элементов, что позволяет осуществить автоматический прижим фрикционных элементов к стенкам фрикционной камеры, т.к. при увеличении скорости вращения возрастает радиальная сила, отгибающая фрикционные элементы и прижимающая их к внутренним стенкам фрикционной камеры, что позволяет увеличить силу нормального давления на поверхности фрикционных элементов.

Выполнение фрикционных элементов на подпружиненных штангах и перфорированных лопаток, закрепленных на удлиненных штангах посредством эластичных резиновых муфт, обеспечивает функционирование ветротеплогенератора в широком диапазоне скоростей ветра, особенно в области низких скоростей.

Износ фрикционных элементов снижается за счет их охлаждения холодным воздухом.

На фиг.1 представлена общая схема ветротеплогенератора.

На фиг.2 представлен общий вид ветротеплогенератора.

На фиг.3 представлена схема врающегося барабана теплогенератора.

На фиг.4 представлена схема теплогенератора в горизонтальном разрезе.

На фиг. 5 представлен общий вид плоского змеевика (змеевидного теплообменника).

Ветротеплогенератор содержит вертикально-осевое ветроколесо, состоящее из ротора Савониуса 1 и ветротурбины с ортогональными лопастями аэродинамического профиля 2, причем диаметр ветротурбины с ортогональным расположением лопастей в три раза превышает диаметр ротора Савониуса, мультипликатора 3, вертикального вала 4, опор 5 и теплогенератора 6. Теплогенератор 6 содержит фрикционную 7 и тепловую 8 камеры; тепловая камера заполнена рабочей жидкостью-теплоносителем 9, которая способна выполнить роль теплоносителя и аккумулятора тепловой энергии; в верхней части теплогенератор изолирован с помощью крышки 10, в которой имеются вентиляционные отверстия 11 для поступления воздуха вовнутрь фрикционной камеры 7, герметичность в нижней части теплогенератора обеспечивается плоским днищем 12; снаружи со всех сторон теплогенератор покрыт теплозвукоизоляционным покрытием 13; на нижнем конце вертикального вала установлен барабан 14, содержащий телескопические штанги 15, и между ними удлиненные штанги 16. На внешних концах телескопических штанг вертикально закреплены съемные фрикционные элементы 17. Внутри каждой штанги расположена цилиндрическая пружина, работающая на сжатие 18, упругость которой регулируется натяжением или раслаблением гайки 19. На внешних концах удлиненных штанг имеются консольно закрепленные перфорированные лопатки 20, размещенные в тепловой камере и погруженные в рабочую жидкость-теплоноситель; лопатки крепятся к штангам посредством эластичной муфты 21, выполненной из твердой армированной резины. Внизу под барабаном на днище теплогенератора находится горизонтально расположенный центробежный вентилятор 22, привод которого осуществляется от вертикального вала посредством ременной передачи 23. Между фрикционной камерой 7 и тепловой камерой 8 расположен плоский змеевик 24 для нагрева воздуха и в поперечном сечении имеющий форму, близкую к прямоугольной, и интегрированный с наружной стенкой фрикционной камеры 7, петли змеевика-теплообменника удалены друг от друга на величину, равную ширине воздуховодного канала змеевика. Ценробежный вентилятор присоединен к змеевику посредством переходного патрубка 25. Для вывода нагретого воздуха служит труба 26, которая проходит сквозь плоское днище 12 теплогенератора к потребителю. В нижней части тепловой камеры сбоку расположен патрубок 27, по которому в тепловую камеру подается рабочая жидкость-теплоноситель, отвод нагретой рабочей жидкости к потребителю осуществляется по патрубку 28, расположенному в верхней части тепловой камеры сбоку.

Работает устройство следующим образом.

Поток ветра, попадая в лопасти ротора Савониуса 1, начинает приводить его во вращение, одновременно крутящий момент от ротора передается на мультипликатор 3, установленный на опорах 5, который повышает число оборотов вертикального вала 4 и барабана 14, вместе с которым вращаются установленные на нем телескопические штанги 15 с закрепленными на них фрикционными элементами 17 и удлиненные штанги 16, с закрепленными на них вертикальными перфорированными лопатками 20, погруженные в рабочую жидкость 9. При вращении лопаток 20 в жидкой среде в результате трения с молекулами жидкости, а также создания турбулентности при прохождении жидкости через отверстия лопаток 20 происходит повышение температуры рабочей жидкости 9. По мере увеличения скорости ветра (более 4-5 м/с) основную работу начинает выполнять ветротурбина с ортогональными лопастями аэродинамического профиля 2, которая имеет большую быстроходность и КПД 0,3, в результате чего увеличивается центробежная сила, под действием которой по телескопическим направляющим штангам 15, постепенно преодолевая сопротивление пружины 18, натяжение которых регулируется с помощью регулировочных гаек 19, фрикционные элементы 17 соприкасаются с внутренней поверхностью фрикционной камеры 7. Кроме этого консольное расположение фрикционных элементов 17 способствует отгибанию штанг 15, что ведет к увеличению силы нормального давления на трущиеся поверхности. В результате возникающей силы трения скольжения между фрикционными элементами 17 и стенкой фрикционной камеры 7 происходит нагрев стенок камеры 7. Далее посредством теплопередачи тепловая энергия, возникшая в результате сухого трения, передается через стенку фрикционной камеры рабочей жидкости-теплоносителю 9 и плоскому змеевику 22. Одновременно крутящий момент передается вертикальным валом 4 посредством ременной передачи 23 на центробежный вентилятор 25, установленный горизонтально на плоском днище 12 внутри фрикционной камеры 7, который засасывает воздух из окружающей среды вовнутрь фрикционной камеры 7 сквозь вентиляционные отверстия 11, оттуда в слегка подогретом состоянии воздух поступает в змеевик 24, где происходит основной нагрев воздуха. На момент выхода из трубы 26 температура воздуха достигает своей максимально возможной величины, после чего он направляется к потребителю. Через патрубок 27 рабочая жидкость поступает в тепловую камеру 8, где она нагревается от стенки фрикционной камеры 7 и от трения об поверхность лопаток 20, по мере нагревания рабочая жидкость-теплоноситель переходит в верхние слои и далее через патрубок 28 поступает к потребителю, при этом движущей силой, обеспечивающей протекание рабочей жидкости в системе, является центробежная сила. Рывки, возникающие при работе ветротеплогенератора из-за порывов ветра, сглаживаются за счет гидродинамического сопротивления, которое испытывают перфорированные лопатки 20 при вращении в рабочей жидкости. С возрастанием скорости вращения лопаток 20 также возрастает гидродинамическое сопротивление рабочей жидкости 9, вследствие чего лопатки 20, преодолевая силу упругости эластичных резиновых муфт 21, прогибаются свободными концами в сторону, противоположную направлению вращения барабана 14. В результате вращения лопаток 20 температура рабочей жидкости в тепловой камере 8 повышается, вследствие чего появляется дополнительный тепловой эффект, способствующий повышению теплопроизводительности предлагаемого изобретения.

Расчет теплопроизводительности теплогенератора осуществляют следующим образом.

Поскольку предлагаемое устройство использует энергию ветра, следует определить частоту вращения ветротурбины по формуле:

где V_в - скорость ветра, м/с;
с - коэффициент использования энергии ветра, (0,45);
R_BT - радиус ветротурбины, м;
Частота вращения вертикального вала определяется равенством:
ω_вв = ω_вт•k, рад/сек (2)
где k - коэффициент мультипликации.

Известно, что работа, затрачиваемая на преодоление силы трения скольжения, переходит в тепловую энергию на поверхности границ трения и определяется следующим соотношением:
W_TP=F_TP•s, Дж, (3)
где F_ТР - сила трения скольжения, Н;
s - перемещение, м.

Сила трения зависит от коэффициента трения и величины нормального давления (в нашем случае - это центробежная сила) и вычисляется по формуле:
F_тр = μ•F_ц, H.
где μ - коэффициент трения скольжения,
F_ц - центробежная сила, Н.

Центробежная сила зависит от массы лопастей, угловой скорости, а также от радиуса барабана и выражается формулой:

где m - масса лопастей, кг;
К - коэффициент потерь;
ω - угловая скорость барабана, рад/сек,
R - радиус штанги, м;
V - линейная скорость барабана, м/сек.

Перемещение лопасти за 1 оборот равно длине окружности внешнего цилиндра, которое определяется по формуле:
s = 2•π•R, м. (6)
Подставив формулы (1), (2), (3),(4) в выражение (1), получим:
W_тр = μ•m•k•ω²•R²•2•π, Дж. (7)
Мощность, выделяющаяся при трении, определяется по формуле:

где t - время работы устройства вычисляется формуле:

Окончательно выражение (8) выглядит следующим образом:
P_тр = μ•m•k•ω³•R², Вт. (10)
Частота вращения центробежного вентилятора определяется соотношением:
ω_в = ω_вв•k_рп (11)
Площадь ветроколеса определяется по формуле:

где ρ - плотность воздуха, (1,25 кг/м³).

Выполнение предлагаемого ветротеплогенератора
Выбираем следующие исходные данные.

Скорость ветра V_в=10 м/с, коэффициент трения μ = 0,6, масса барабана m = 8 кг, радиус ветротурбины Rвт = 4,5 м, радиус фрикционной камеры R = 0,3 м, коэффициент мультпликации k_m= 30, коэффицент мультипликации ременной передачи k_pп= 5, коэффициент потерь К = 0.9, коэффициент использования энергии ветра с = 0,45.

Определяем частоту вращения ветротурбины:

Находим частоту вращения вертикального вала:
ω_вв = 1•30 = 30 рад/сек.
Исходя из формулы (3), находим центробежную силу вращающихся фрикционных элементов:
F_Ц=8•0,9•30²•0,09=1236 Н.

Длина окружности по формуле (6) составляет:
s=2•3,14•0,30=1,88 м.

На основании формулы (4) находим силу трения скольжения, возникающую между фрикционным элементом и стенкой фрикционной камеры.

F_TP=1236•0,6=742 Н.

По формуле (10) находим мощность теплогенератора:
Р_тр=0,6•8•0,9•30³•0,3²=10500 Вт.

На основании соотношения (11) определяем частоту вращения вентилятора:
ω_в = 30•5 = 150 рад/сек.
Исходя из имеющейся мощности теплогенератора, по формуле (12) определяем площадь ветротурбины, необходимую для придания ветротеплогенератору соответствующей мощности:
.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для проведения низкотемпературных тепловых процессов, а также в сельском хозяйстве, например, для сушки зерна при помощи энергии ветра. Технический результат, заключающийся в повышении теплового эффекта теплогенератора, преобразовании низкопотенциальной энергии ветра с малыми скоростями, снижении энергозатрат, обеспечивается за счет того, что в ветротеплогенераторе, содержащем ветротурбину, мультипликатор, вертикальный вал, теплогенератор, состоящий из фрикционной и тепловой камер и фрикционных элементов, согласно изобретению, фрикционные элементы консольно установлены на радиальных подпружиненных телескопических штангах на вертикальном валу и закрепленных в верхней части фрикционной камеры, причем регулировка натяжения пружин внутри штанг осуществляется регулировочными гайками, а фрикционные элементы расположены по всей высоте фрикционной камеры с возможностью охлаждения ее воздушным потоком, который всасывается центробежным вентилятором, установленным внутри фрикционной камеры в горизонтальном положении, через вентиляционные отверстия, выполненные в крышке теплогенератора, и, нагреваясь в плоском змеевике, который расположен между тепловой и фрикционной камерой, направляется по выходной трубе к потребителю, причем в тепловой камере установлены перфорированные лопатки, закрепленные посредством эластичных резиновых муфт на удлиненных штангах, закрепленных на вертикальном валу, а тепловая камера имеет внизу входной и вверху выходной патрубки для протока рабочей жидкости - теплоносителя. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ветротеплогенератор, содержащий ветротурбину, мультипликатор, вертикальный вал, теплогенератор, состоящий из фрикционной и тепловой камер и фрикционных элементов, отличающийся тем, что фрикционные элементы консольно установлены на радиальных подпружиненных телескопических штангах на вертикальном валу и закрепленных в верхней части фрикционной камеры, причем регулировка натяжения пружин внутри штанг осуществляется регулировочными гайками, а фрикционные элементы расположены по всей высоте фрикционной камеры с возможностью охлаждения ее воздушным потоком, который всасывается центробежным вентилятором, установленным внутри фрикционной камеры в горизонтальном положении, через вентиляционные отверстия, выполненные в крышке теплогенератора, и, нагреваясь в плоском змеевике, который расположен между тепловой и фрикционной камерой, направляется по выходной трубе к потребителю, причем в тепловой камере установлены перфорированные лопатки, закрепленные посредством эластичных резиновых муфт на удлиненных штангах, которые, в свою очередь, закреплены на вертикальном валу, а тепловая камера имеет внизу входной и вверху выходной патрубки для протока рабочей жидкости - теплоносителя. 2. Ветротеплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что ветротурбина представляет собой комбинацию ротора Савониуса с ветротурбиной с ортогональными аэродинамическими лопастями, диаметр которой в три раза больше диаметра ротора Савониуса. 3. Ветротеплогенератор по п.1, отличающийся тем, что мультипликатор выполнен в виде планетарного редуктора.