ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2007 года по МПК F03D9/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения небольших зданий и сооружений [1].

Использование для теплоснабжения таких объектов в качестве теплогенераторов котельных, работающих на твердом, газообразном или жидком топливе, предполагает подвоз топлива или подвод газопровода, а также затрат труда обслуживающего персонала, что не всегда экономически оправдано.

В последнее время в качестве тепловых генераторов небольшой мощности стали широко использовать котлы, работающие на электрической энергии - электродные водогрейные котлы [2].

Основное преимущество таких теплогенераторов следует из неизмеримо более широкой распространенности электрических сетей по сравнению с газовыми сетями, а также из очень простой и надежной системой автоматики этих котлов, позволяющей регулировать их мощность от 100 до 25% без участия человека.

Основным недостатком подобных технических решений является высокая себестоимость вырабатываемой продукции - горячей воды, что является следствием высокой стоимости электрической энергии.

Чтобы уменьшить затраты на получение горячей воды, в параллель к существующим внешним источникам электрической энергии используют местные ветроэлектрические установки [3, 4].

Энергию ветра значительно эффективнее преобразовывать с помощью ветроустановки непосредственно в теплоту [4, 5], а электроэнергию из внешних сетей использовать только по прямому назначению и для догрева воды в электродных водогрейных котлах, выполняющих роль доводчиков температуры воды до требуемых значений, в тех случаях, когда мощности ветротеплоустановки недостаточно. Такое техническое решение предложено в ветротеплогенераторе [5].

Однако, несмотря на то, что такое решение значительно упрощает задачу полезного использования бесплатной энергии ветра, вместе с тем оно имеет существенный недостаток, заключающийся в более низком коэффициенте полезного действия ветра (кпд) по сравнению с известными ветроэлектрическими генераторами. Изложенное является следствием использования в ветротеплогенераторе [5] одной конической зубчатой передачи. Такая передача создает момент силы, воздействующий на вал пропеллера и поворачивающий последний относительно самого эффективного (строго на ветер) его положения.

Чтобы уменьшить данный отрицательный эффект при работе известных ветродвигателей и обеспечить самое выгодное положение пропеллера, было предложено в ветротеплогенераторе [6], взятом в качестве прототипа, вращательный момент сил, образующийся при работе конической зубчатой передачи, компенсировать точно таким же по величине моментом сил, но направленным в противоположную сторону другим моментом сил. Для этого он снабжен дополнительной (второй) конической зубчатой передачей, вращающейся навстречу первой, а число мешалок, присоединенных к каждому валу (нагрузку на каждый вал), принять с учетом передаточного числа упомянутых конических зубчатых передач.

Так, ветротеплогенератор - прототип [6] содержит водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель в виде пропеллера на валу в поворотном редукторе с флюгером на верху неподвижной мачты, поворотный редуктор установлен в подшипниковом узле и имеет конические шестерни, от которых мощность двумя коаксиально расположенными валами, вращающимися в противоположные стороны, отводится к механическому нагревателю, расположенному под неподвижной мачтой и выполненному в виде двух мешалок с подвижными лопастями в виде центробежных регуляторов Уатта.

Для упрощения данного технического решения передаточные числа обеих конических зубчатых передач принимают равными, следовательно, в этом случае каждая из передач (трансмиссий) должна быть снабжена равным количеством мешалок.

Однако даже при одинаковом передаточном числе обеих зубчатых колес размеры пар колес разные и поэтому окончательно точно уравновесить моменты сил не удасться. Кроме того, две пары конических зубчатых колес, расположенных в противоположных частях поворотного редуктора, требуют организации их смазки, что усложняет конструкцию устройства.

Поэтому для совершенствования работы прототипа [6] по точному уравновешиванию моментов сил, а также для упрощения его конструкции, снижения стоимости и повышения надежности предлагается передавать мощность от вала пропеллера только одной конической шестерней непосредственно двум одинаковым коническим шестерням коаксиальным вертикальным валам. Данное техническое решение также позволяет снизить механические потери в поворотном редукторе, а также повысить равномерность распределения и передачи мощности от пропеллера к теплогенератору. В этом случае возможно более рационально организовать смазку зубчатых колес.

Механический нагреватель, как и у прототипа, предлагается выполнить в виде мешалки - емкости, наполненной вязкой жидкостью, в которой размещены вращающиеся лопасти. При вращении лопастей мешалки в жидкости механическая энергия затрачивается на преодоление сил трения и в конечном счете превращается в теплоту. Эту теплоту используют для нагрева воды, циркулирующей в системе отопления и горячего водоснабжения. Применение мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта), с механическим приводом от ветроустановки позволяет наиболее полно использовать кинетическую энергию ветра за счет стабилизации числа оборотов пропеллера при разной скорости ветра, а также решить проблему запуска ветродвигателя без каких-либо сложных систем управления и автоматики.

Таким образом, в поворотном редукторе ветротеплогенератора (содержащего водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель в виде пропеллера на валу, расположенном в поворотном редукторе с флюгером на верху неподвижной мачты, поворотный редуктор, установленный на подшипниковом узле и имеющий конические шестерни, от которых механическая энергия двумя коаксиалъно расположенными валами, вращающимися в противоположные стороны, отводится к механическому нагревателю, расположенному под неподвижной мачтой и выполненному в виде двух мешалок с подвижными лопастями в виде центробежных регуляторов Уатта) одна коническая шестерня вала пропеллера входит в зацепление с двумя одинаковыми и расположенными навстречу друг к другу зубьями коническими шестернями, каждая из которых установлена на отдельный коаксиальный вертикальный вал.

Новым в заявленном изобретении является упрощение зубчатой передачи (трансмиссии) в поворотном редукторе, конструкция которого полностью компенсирует вращательный момент сил, образующийся при изменении направления вращения (с горизонтального на вертикальное) вала ветродвигателя, при работе конической зубчатой передачи. Кроме того, одновременно решаются задачи удешевления конструкции и повышения ее надежности.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Новые признаки в совокупности позволяют повысить коэффициент полезного действия ветротеплогенератора (ветроэнергетической установки) и одновременно упростить ее, повысить ее надежность и снизить стоимость, совершенствуя конструкцию прототипа.

На чертеже представлена усовершенствованная часть ветротеплогенератора, а именно разрез поворотного редуктора с пропеллером и флюгером, установленными на верху неподвижной мачты. Для упрощения представления сути технического предложения другие узлы ветротеплогенератора не представлены, так как их конструкция и принцип действия аналогичны прототипу [6].

Устройство ветротеплогенератора содержит ветродвигатель в виде пропеллера 1 на валу 2, расположенном в поворотном редукторе 3 с флюгером 4 на верху неподвижной мачты 5. Поворотный редуктор 3 установлен в подшипниковом узле 6. Механическая энергия из поворотного редуктора 3 передается на низ неподвижной мачты 5 двумя коаксиально расположенными валами 7 и 8, вращающимися в противоположные стороны. В поворотном редукторе 3 одна коническая шестерня 9 вала 2 пропеллера 1 входит в зацепление с двумя одинаковыми и расположенными навстречу друг к другу зубьями коническими шестернями 10 и 11, установленными на коаксиальные вертикальные валы 7 и 8. Внизу неподвижной мачты 5 механическая мощность от валов 7 и 8 отбирается механическим нагревателем, заполненным вязкой жидкостью, с двумя одинаковыми мешалками, работающими по принципу регулятора Уатта и служащими для превращения механической энергии в теплоту. В нагревателе расположен трубчатый теплообменник, сообщенный с помощью трубопроводов с водяным аккумулятором в виде теплоизолированной емкости с водой, теплоты и внешними сетями теплоснабжения, как в прототипе [6].

Работает ветротеплогенератор следующим образом.

При вращении ветром пропеллера 1 механическая энергия от него по валу 1 передается на шестерню 9, входящую в зацепление с одинаковыми шестернями 10 и 11, вращающимися в противоположные стороны вместе с вертикальными коаксиальными валами 7 и 8, по которым механическая энергия далее передается двум мешалкам (работающими по принципу регулятора Уатта) механического нагревателя, заполненного вязкой жидкостью. В нагревателе механическая энергия превращается в теплоту. Из механического нагревателя по трубчатому теплообменнику теплота передается в водяной аккумулятор и далее к внешним сетями теплоснабжения, как в прототипе [6].

Пропеллер 1 с поворотным редуктором 3, установленным в подшипниковом узле 6 на неподвижной мачте 5, строго выдерживает направление на ветер при помощи воздействия флюгера 4 (под воздействием того же ветра).

В процессе работы заявленного ветротеплогенератора вращающие моменты сил, воздействующие на поворотный редуктор 3 со стороны вертикальных коаксиальных валов 7 и 8, полностью уравновешены, так как шестерни 10 и 11, а также мешалки механического нагревателя одинаковы и вращаются в противоположном направлении. Это позволяет автоматически ориентировать пропеллер 1 при помощи флюгера 4 строго на ветер, при этом ветродвигатель, как и ветротеплогенератор в целом, использует потенциал ветра с наибольшим эффектом.

Кроме того, зубчатых колес становится меньше (не четыре а три), и два из низ фактически одинаковые, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию, делает ее надежнее. Также в этом случае возможно более рационально организовать смазку зубчатых колес.

Такой ветротеплогенератор позволяет с большей эффективностью использовать потенциал энергии ветра за счет преобразования его энергии непосредственно в теплоту, минуя этап преобразования энергии ветра в электроэнергию, одновременно существенно упрощая и снижая стоимость устройства прототипа.

Применение заявленного ветротеплогенератора позволит дополнительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты при получении тепловой энергии, что очень важно для отдаленных районов нашей страны, например крайнего Севера, снабжение топливом которых представляет большую проблему.

Список источников информации

1. Арсеньев Г.В. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети. М.: Энергоатомиздат, 1988. 400 с.

2. Роддатис К..Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.

3. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Энергетические проблемы человечества. М.: Мир, 1995, 291 с.

4. Патент РФ №2171913, 2000 г., МПК⁷ F03D 9/00.

5. Патент РФ №2231687, 2004 г., МПК⁷ F03D 9/00.

6. Патент РФ №2253040 от 27 мая 2005 г., МПК⁷ F03D 9/00 - прототип.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения различных зданий и сооружений. Технический результат заключается в упрощении конструкции, снижении ее стоимости, повышении надежности, снижении механических потерь в поворотном редукторе, а также повышении равномерности распределения и передачи механической энергии от пропеллера ветроустановки к теплогенератору. Ветротеплогенератор содержит водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель в виде пропеллера на валу, расположенном в поворотном редукторе с флюгером на верху неподвижной мачты, поворотный редуктор, установленный на подшипниковом узле и имеющий конические шестерни, от которых механическая энергия двумя коаксиально расположенными валами, вращающимися в противоположные стороны, отводится к механическому нагревателю, расположенному под неподвижной мачтой и выполненному в виде двух мешалок с подвижными лопастями в виде центробежных регуляторов Уатта. При этом в поворотном редукторе одна коническая шестерня вала пропеллера входит в зацепление с двумя одинаковыми и расположенными навстречу друг к другу зубьями коническими шестернями, каждая из которых установлена на отдельный коаксиальный вертикальный вал. 1 ил.

Ветротеплогенератор, содержащий водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель в виде пропеллера на валу, расположенном в поворотном редукторе с флюгером на верху неподвижной мачты, поворотный редуктор, установленный на подшипниковом узле и имеющий конические шестерни, от которых механическая энергия двумя коаксиально расположенными валами, вращающимися в противоположные стороны, отводится к механическому нагревателю, расположенному под неподвижной мачтой и выполненному в виде двух мешалок с подвижными лопастями в виде центробежных регуляторов Уатта, отличающийся тем, что в поворотном редукторе одна коническая шестерня вала пропеллера входит в зацепление с двумя одинаковыми и расположенными навстречу друг к другу зубьями коническими шестернями, каждая из которых установлена на отдельный коаксиальный вертикальный вал.