ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КАСКАД ВИХРЕВЫХ КАМЕР Российский патент 2009 года по МПК F24J2/42 F03G6/04 

Предлагаемое изобретение относится к области гелиоэнергетики, а именно к тому ее разделу, где производятся как товарные продукты совместно электрическая и тепловая энергии с использованием для этого в качестве источников исходной энергии одновременно ряд компонент солнечной энергии, которые технологически переводятся в потоки нагреваемого последними текучего теплоносителя, преобразуемые во вращательно-поступательное вихревое движение центрального энергетического воздухопотока, приводящего во вращение ветротурбину с электрогенератором.

Известны гелиоэнергетические комплексы, получившие название гелиоаэробарических теплоэлектростанций (ГАБ ТЭС), в которых одновременно используются прямая солнечная радиация и отраженные солнечные лучи, энергия естественного ветра, влажность энергетического воздухопотока и фазовые преобразования воды, перепад давления в окружающей атмосфере и ряд других проявлений солнечной энергии, применение которых, в частности, в виде тепловой энергии приводит к созданию технологического воздухопотока с вращательно-поступательной вихревой траекторией движения для привода ветротурбины (см. патенты Российской Федерации: №2199703 «Энергетический комплекс», F24J 2/42, опубл. 27.02.2003 г.; №2200915 «Способ создания мощных гелиоэнергоустановок», F24J 2/42, опубл. 20.03.2003 г.). В этих патентных материалах впервые применена и новая для гелиоэнергетики терминология: «гелиоаэробарическая теплоэлектростанция», «гелиопреобразующее пространство», «ветронаправляющее пространство» и ряд других, специфичных для техники ГАБ ТЭС.

Технические решения согласно указанным патентам позволяют использовать целый ряд компонент солнечной энергии с преобразованием их в энергию вращательно-поступательного вихревого движения (смерчеобразного движения) центрального энергетического воздухопотока. Последний приводит во вращение ветротурбину с присоединенным к ней электрогенератором. Применены мощные аккумуляторы тепловой энергии, полученной от теплопреобразований солнечной энергии, которые позволяют обеспечивать устойчивое производство товарной энергии равномерно в течение всего года. Ветротурбины, разработанные для таких ГАБ ТЭС, имеют специальные формы лопастей, приспособленные для преобразования с высоким КПД энергии вращательно-поступательного движения центрального энергетического воздухопотока в механическую энергию вращения электрогенератора. Каждая из указанных ГАБ ТЭС в обобщенной компоновке содержит технологический центр, где размещаются машинный зал, ветровоздухозаборный канал с ветровоздухонаправляющими поверхностями и проемами, посредством которых входящие ветер и воздух закручиваются и, вращаясь, продвигаются к центральной оси ГАБ ТЭС, канал преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока, содержащий энергопреобразующие модули со встроенными теплопередающими элементами, подключенными к источникам нагретого текучего теплоносителя, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, ветротурбину и воздухоотводящий канал, состоящий из невысокого участка стационарной тяговой трубы и управляемой аэротермодинамической надстройки к ней значительно большей высоты. От технологического центра, примерно в радиальных направлениях, расходятся 5-8 штук высоких ветронаправляющих энергетических пространств (узких, вытянутых в длину), в которых внутри встроены гелиотеплопреобразующие сооружения, куда поступает прямая солнечная радиация и отраженные солнечные лучи, направляемые специальными поворотными или статическими лучеотражающими панелями. Кроме того, между ветронаправляющими энергетическими пространствами размещены поле горизонтальных гелиотеплопреобразователей и один или несколько теплоаккумуляторов, от которых потоки нагретого текучего теплоносителя поступают в технологический центр.

Такая компоновка описана авторами также в патентах ЕАПВ, см., например, Евразийский патент №007635 «Гелиоветроэнергетический комплекс» от 29.12.2006 г.

Техника и технология создания вращательно-поступательного вихревого движения центрального энергетического воздухопотока разработаны для ГАБ ТЭС в патенте РФ №2265161 «Способ преобразования солнечной энергии» (F24J 2/42, 2/00, опубл. 27.11.2005 г.), а применения прямых и отраженных солнечных лучей с высокоэффективной двухуровневой системой гелиоконцентрации - в патенте РФ №2267061 «Способ термопреобразования солнечной энергии» (F24J 2/42, 2/15, 2/18, опубл. 27.12.2005 г.). Применение в мощных теплоаккумуляторах сыпучих материалов и транспортируемого текучего теплоносителя (в данном случае воздуха, хотя могут быть применены и специальные газы, жидкости и даже вода) разработано в патенте РФ №2199023 «Ветроэнергетический комплекс» (F03D 9/00, F24J 2/42, опубл. 20.02.2003 г.). Создание вихревых потоков в гелиотеплоэлектростанциях и в ветроэлектроагрегатах описано также в патентах Российской Федерации, например, см. патент РФ «Тепловихревая электростанция» (№2070660, 6F03D 3/04, опубл. 20.12.1996 г.), «Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра» (№2101556, 6F03D 3/04, опубл. 10.01.1998 г.). Кроме того, известны конструкции вихревых камер, которые используются для создания вращательно-поступательного движения воздухопотока с высокой тангенциальной скоростью (см., например, книгу Смульского И.И. «Аэродинамика и процессы в вихревых камерах». В.О. «Наука», г.Новосибирск, 1992.), что в ряде исполнений ГАБ ТЭС применено для наращивания скорости центрального энергетического воздухопотока.

Для серийной типовой ГАБ ТЭС в этом плане требуется дальнейшая разработка энергопреобразующих модулей и теплообменных, а также теплопередающих аппаратов в них совместно с каналом вращательно-поступательного движения центрального энергетического воздухопотока и ветровоздухозаборного канала с термоаэродинамическими направляющими поверхностями.

Кроме того, необходимо применение в конструктивных взаимосвязях дополнительных источников энергии вращательного движения в ГАБ ТЭС, что обеспечит повышение их надежности. В частности, по меньшей мере, один из дополнительных источников энергии центрального энергетического воздухопотока, совмещающий функции теплопередающих термодинамических элементов и аэродинамических направляющих поверхностей, выполнен в определенных исполнениях ГАБ ТЭС в виде упомянутой вихревой камеры, варианты конструкции которой известны и в подробных описаниях не нуждаются.

Особенностью настоящего предлагаемого изобретения является применение в качестве энергопреобразующих модулей (в технологическом центре ГАБ ТЭС, а именно в ее канале термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока, выполняющего функции разгонной шахты последнего, которая образована перед ветротурбиной) вихревых камер, которые, преимущественно, содержат разгонный цилиндр с гладкой внутренней цилиндрической поверхностью, к которому закреплены плоские крышки, в виде его днищ, потолков или оснований, изготовленные с использованием теплоизолирующего материла с антифрикционными покрытиями их внутренних поверхностей; средства тангенциального ввода в его внутреннюю полость внешнего воздухопотока, источником которого являются внешние воздушные магистрали с небольшим избыточным (относительно атмосферного) давлением; воздухоотводящий теплоизолированный цилиндр со значительно меньшим диаметром, чем у боковой периферийной цилиндрической поверхности. Такая конструкция является типичной для вихревых камер, детальные исследования которых приведены в упомянутой выше книге И.И.Смульского.

В вихревой камере, на основе закона сохранения количества движения вращающегося воздухопотока, вводимого в нее у боковой периферии посредством тангенциальных воздухоподводов, значительно нарастает тангенциальная скорость вращения внутренней воздушной среды по мере уменьшения ее радиуса относительно центральной оси.

Тангенциальная скорость вращающегося воздуха в вихревой камере достигает своего максимума, преимущественно, вблизи внутренней поверхности воздухоотводящего цилиндра, через который нагретый кольцеобразный вращающийся воздухоток поднимается вверх. При этом величина тангенциальной скорости вращающейся воздушной среды в вихревой камере, пройдя максимум, быстро снижается в направлении приближения его к центральной оси. Непосредственно у последней образуется область пониженного давления, даже вакуумная область, малого радиуса с опускающимся в ней потоком холодного воздуха, который необходимо нагревать у днищ вихревых камер за счет подведения к ним тепловой энергии внешнего теплоносителя. В этом случае кинетическая энергия высокоскоростного вращающегося воздухопотока в вихревых камерах может быть эффективно использована.

Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы использовать в соответствующем конструктивном исполнении идею вихревой камеры для получения мощного вращательно-поступательного (вверх) вихревого энергетического воздухопотока в разгонной шахте ГАБ ТЭС. Как известно, в ГАБ ТЭС для наращивания вихревой скорости вводимого в разгонную шахту извне вращающегося воздухопотока используются направляющие (завихряющие) пластины, ориентированные в разгонной шахте в радиальных направлениях и выполненные в виде аэродинамических профилей с воздуховыпускными отверстиями, в которые поступает нагретый (солнечной энергией) воздушный теплоноситель. Такие профили, в том числе за счет вертикальной скорости центрального энергетического воздухопотока, эффективно создают его вихревое движение. Однако указанные профили требуют высококачественной обработки в виде полированных поверхностей для снижения силы трения проходящего и завихряющегося через них воздухопотока. Потери на трение в этих профилях являются значительными и потому температура и скорость выпускаемого из них воздушного теплоносителя являются весьма существенными с точки зрения затрат тепловой и механической (то есть в итоге электрической) энергий.

В вихревой же камере для наращивания тангенциальной скорости ее внутренней среды таких профилей не требуется, а процесс ускорения вращения осуществляется благодаря известному закону сохранения количества движения воздушной массы вокруг геометрического центра по мере уменьшения радиуса вращательного движения.

Задачей предлагаемого изобретения является не только применение вихревых камер для гелиоэнергетических систем, а и наиболее эффективное максимально возможное наращивание кинетической энергии вращающегося воздухопотока, поднимающегося через воздухоотводящий цилиндр вихревой камеры. Для решения такой задачи предметом настоящего предлагаемого изобретения является создание каскадов из нескольких последовательно соединенных вихревых камер, конструкция которых была бы приспособлена для встройки в разгонную шахту ГАБ ТЭС (или в энергетические воздухопотоки гелиоэнергетических систем других типов).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такого каскада на примере применения двух вихревых камер (нижней и верхней), при котором высокоскоростной воздухопоток из нижней вихревой камеры поступает для последующего ускорения во вторую с помощью специальных воздухоотводов, в которых кинетическая энергия вращающегося воздухопотока, поступающего в верхнюю вихревую камеру снизу, практически не уменьшается, благодаря тангенциальному присоединению линейных (не вращающихся) воздухопотоков расчетного сечения, без наращивания внутреннего объема воздухоотводов, которое повлекло бы снижение кинетической энергии воздухопотока перед входом во вторую вихревую камеру, с последующим завихрением в ней. При этом, чтобы опускающийся в приосевой вакуумной области холодный воздухопоток существенно не снижал кинетическую энергию и температуру поднимающегося вверх, кольцеобразного в поперечном сечении, нагретого вращающегося с высокой скоростью воздухопотока, в центральной части днищ вихревых камер создается воздушная теплопроводная полость для прохождения в ней внешнего горячего теплоносителя.

В этом случае, как и при ударении о поверхность Земли ядра естественного смерча, опускающийся холодный воздухопоток, взаимодействуя с нагретой поверхностью, выполненной в форме усеченного конуса, нагревается и, упруго отражаясь от нее, согласованно смешивается с высокоскоростным вращающимся нагретым воздухопотоком, поднимающимся вдоль наклонных поверхностей, созданных указанной нагреваемой воздушной полостью. Последняя при этом имеет расчетную высоту и форму и может выполняться также и в принципиально иных конструктивных формах, например, с применением нагреваемых теплоносителем вертикальных труб, составляющих цилиндрообразный щелевой нагреватель, расположенный с заданным диаметром в центре вихревых камер, в их приосевой вакуумной области.

Частными техническими результатами технического решения согласно настоящему предлагаемому изобретению являются повышение коэффициента использования солнечной энергии в тепловой форме, поступающей на территорию гелиотеплоэлектростанции, снижение затрат на изготовление разгонной шахты технологического центра из-за исключения из нее основного объема дорогостоящих воздухонаправляющих профилей и, как следствие этого, снижение себестоимости гелиотеплоэлектростанции (в том числе ГАБ ТЭС) и повышение ее конкурентоспособности.

Указанный технический результат достигается тем, что энергетический каскад вихревых камер, предназначенный для встройки в технологический центр ГАБ ТЭС и содержащий, по меньшей мере, две вихревые камеры, в том числе нижнюю и установленную над ней верхнюю с общей центральной осью симметрии, каждая из которых включает в себя плоский цилиндр с гладкой цилиндрической боковой поверхностью, нижним и верхним герметично закрепленными основаниями, выполненными в виде кругов с применением теплоизолирующего материала в качестве их верхней и нижней крышек (с потолков и днищ) и минимальным коэффициентом трения относительно движущегося воздухопотока, при этом к его цилиндрической боковой поверхности и/или к днищу подсоединены, по меньше мере, два тангенциальных боковых ввода воздухопотоков в качестве теплоносителей от напорных вентиляторов, установленных снаружи, а на верхних крышках каждой из вихревых камер закреплены симметрично относительно центральной оси по одному вертикальному цилиндрическому воздухоотводу значительно меньшего диаметра относительно их цилиндрических боковых поверхностей, при этом тангенциальные боковые вводы от указанных напорных вентиляторов создают в направлении от цилиндрических боковых поверхностей к центральной оси радиальный и одновременно с вращательной траекторией движущийся вокруг центральной оси поток внутренней воздушной среды с нарастающей тангенциальной скоростью до определенного максимума по мере приближения к центральной оси, имеет отличия в том, что вертикальный цилиндрический воздухоотвод первой вихревой камеры накрыт воздухонепроницаемой теплоизолирующей крышкой, под которой тангенциально подключены к внутренней полости последнего тангенциальные трубные воздухоотводы, присоединенные своими вторыми концами к внутренней полости второй вихревой камеры через тангенциальные проемы посредством ее нижнего основания - крышки у боковой цилиндрической поверхности так, что подводимый воздухопоток из первой вихревой камеры создает вращение внутренней воздушной среды во второй вихревой камере, а вращающийся воздухопоток, вводимый в последнюю от напорных вентиляторов (и/или под напором внешнего ветропотока) через завихряющие вводы ее боковой цилиндрической поверхности, складывается с вращающимся в ту же сторону воздухопотоком, вводимым снизу через ее нижнюю крышку, в результате чего поднимающийся вверх суммарный воздухопоток с помощью ее цилиндрического воздухоотвода приобретает приращение тангенциальной и осевой скоростей и кинетической энергии, при этом в центральной части, по меньшей мере, одной из нижних крышек обеих вихревых камер, на пути вращающегося воздухопотока, размещены наклонные нагреваемые теплопроводные поверхности, выполненные в виде боковых сторон созданной воздухонаполненной полости, через которые протекает горячий текучий теплоноситель, подводимый от стороннего источника тепловой энергии, в частности, от нагретых солнцем гелиотеплопреобразователей, установленных на территории гелиотеплоэлектростанции, например ГАБ ТЭС, и/или от теплогенерирующих технологических средств экзотермических производств, в частности цехов горячей обработки металла в металлургии.

Более детальное пояснение указанного технического решения изложено ниже с помощью следующих чертежей:

- на Фиг.1 представлена принципиальная схема вихревой камеры в одном из ее конструктивно-технологических вариантов: а) вид в плане; б) вид сбоку.

- на Фиг.2 представлена структура энергетического каскада двух вихревых камер как один из вариантов его реализации.

Вихревая камера (Фиг.1), охватывающая центральную вертикальную ось 1, содержит боковую цилиндрическую поверхность 2(плоский цилиндр 2). Основания данного цилиндра 3 (нижнее) и 4 (верхнее) выполнены в виде плоских кругов из теплоизолирующего материала в качестве его нижней и верхней герметически стянутых крышек днища 3 и потолка 4. К боковой цилиндрической поверхности 2 присоединены в данном варианте четыре боковых тангенциальных ввода 5 воздухопотоков 6, которые поступают, в частности, от напорных вентиляторов (не показаны). Воздухопотоки 6 от последних поступают во внутреннюю герметизированную и теплоизолированную среду вихревой камеры через воздухозавихрительные проемы в цилиндрической поверхности 2, состыкованные с тангенциальными вводами 5 таким образом, что возникающий от этого воздухопоток 7 со скоростью V приобретает вращение у боковой поверхности внутренней среды вихревой камеры (вдоль боковой цилиндрической поверхности 2) с небольшим уклоном в сторону центральной оси 1. В результате этого воздухопоток 7, вращаясь вокруг последней, постепенно приближается к центру, имея как тангенциальную скорость V, так и относительно небольшую радиальную скорость. В соответствии с законом сохранения количества движения, проявляющемся в соотношении V·R=V₁·R₁, где R - радиус боковой цилиндрической поверхности, a R₁ - радиус максимального значения V₁ тангенциальной скорости. Вращающийся воздушный поток во внутренней полости вихревой камеры увеличивает свою скорость, при этом V₁>>V. Тангенциальная скорость в последней нарастает обратно пропорционально величине радиуса до некоторого максимального значения V₁, после достижения которой она быстро снижается в направлении к центру, достигая нуля. Выход вращающегося воздухопотока V₁ из вихревой камеры осуществляется через вертикальный воздухоотводящий цилиндр 8, закрепленный на ее верхней крышке 4 симметрично относительно оси 1, внутренний диаметр которого значительно меньше, чем внутренний диаметр бокового цилиндра 2. Высота воздухоотводящего цилиндра 8, преимущественно, превышает высоту внутренней полости вихревой камеры в 1,8 раза, а внутренний диаметр составляет (0,15÷0,3)·2R. Область максимального значения V₁ тангенциальной скорости в большинстве случаев находится вблизи от внутренней поверхности воздухоотводящего цилиндра 8, в сторону к центральной оси 1. Таким образом, важным свойством вихревой камеры является увеличение тангенциальной скорости вращения воздухопотока 7 в направлении от боковой цилиндрической поверхности 2 к оси 1, в данном примере в 6 и более раз, в то время как от зоны ее максимума до оси 1 величина ее падает до нуля. Следовательно, воздух со скоростью V₁ поднимается вверх через воздухоотводящий канал 8 соответствующим кольцеобразным потоком (в его поперечном сечении). Известно, что в приосевой области диаметром около 0,1·2R создается вакуумная среда и происходит опускание в вихревую камеру охлажденного воздухопотока (внутри упомянутого поднимающегося кольцеобразного воздухопотока). Задача настоящего предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы так соединить вихревые камеры в единый воздухонаправляющий каскад из двух вихревых камер, когда можно было бы достигнуть увеличения скорости V нижней вихревой камеры в 30 и более раз при выходе воздухопотока из воздухоотводящего цилиндра 8 верхней вихревой камеры. В случае использования в каскаде трех вихревых камер увеличение скорости воздухопотока будет значительно большим. При таком увеличении скорости отходящего воздухопотока из верхней вихревой камеры его кинетическая энергия соответственно увеличивается. Необходимо иметь в виду, что воздухопоток 6 в одной или нескольких вихревых камерах может поступать не от напорных вентиляторов, а например, в результате подвода в область воздухозабора естественного ветра. Кроме того, тангенциальные вводы 5 воздухопотока 6 могут быть заменены проемами с воздухонаправляющими жалюзи, выполненными по всей периферии - боковой цилиндрической поверхности 2. В дополнение к этому следует иметь ввиду, что тангенциальные вводы воздухопотока 6 могут выполняться не в боковой цилиндрической поверхности 2, а в нижней крышке 3 или в верхней крышке 4 вблизи цилиндрической поверхности 2. В последнем случае будут иметь место не боковые, а торцевые тангенциальные вводы.

На Фиг.2 иллюстрируется один из вариантов соединения в энергетический каскад только двух вихревых камер - нижней и верхней с общей центральной осью 1. В данном варианте показано расположение двух вихревых камер, одна над другой, причем вращающийся воздухопоток V₁, выходящий из нижней вихревой камеры через ее цилиндрический воздухоотвод 8, направляется по двум воздухоотводящим каналам-трубопроводам 9 (прямоточным, не кольцеобразным) к торцевому тангенциальному вводу верхней вихревой камеры через ее днище. Тем самым во внутреннюю полость верхней вихревой камеры входит воздухопоток теперь уже с линейной скоростью, равной по модулю величине V₁, закручивается в ней в направлении, как это показано знаками (+), (·), благодаря завихряющим входным устройствам, и суммируется с воздухопотоком 6, входящим через боковую поверхность в эту верхнюю вихревую камеру. Скорость суммарного закрученного воздухопотока у периферии последней значительно превышает скорость V входного воздухопотока 6 от напорных вентиляторов первой вихревой камеры, и его тангенциальная скорость дополнительно и значительно увеличивается по мере уменьшения радиуса вращающегося воздухопотока. Суммарный высокоскоростной вращающийся воздухопоток с тангенциальной скоростью V_2Σ поднимается вверх с определенной осевой скоростью через воздухоотводящий цилиндр 8 верхней вихревой камеры как выходной параметр энергетического каскада - вращающийся и поднимающийся вверх нагретый энергетический воздухопоток 10 со значительно увеличенной кинетической энергией.

Чтобы обеспечить отвод вращающегося воздухопотока из нижней вихревой камеры посредством линейных воздухопроводов 9, ее вертикальный цилиндрический воздухоотвод 8 накрыт воздухонепроницаемой теплоизолирующей крышкой 11, под которой и выполнено тангенциальное подсоединение трубопроводов 9 через цилиндрическую поверхность воздухоотвода 8. На схеме по Фиг.2 показано два тангенциальных прямоточных воздухоотвода 9, хотя в данном случае их оптимальное количество равно четырем. При этом вращающийся воздухопоток с тангенциальной скоростью V₁ поступает из воздухоотвода 8 по направлению касательных к последнему в линейные воздухоотводы 9, вследствие чего в них линейная скорость воздухопотока сохраняется равной по модулю величине V₁.

Для повышения кинетической энергии выходного воздухопотока 10 на нижних крышках обеих вихревых камер устанавливаются дополнительные средства:

а) нагреваемые наклонные поверхности 12, сообщающие приращения тангенциальной скорости вращающегося воздухопотока за счет его дополнительного нагрева и осевой скорости за счет его отражения от наклонной конической поверхности;

(б) внутренняя полость 13 для подачи горячего текучего теплоносителя, образованная конической наклонной поверхностью 12, торцевым горизонтальным теплопроводным участком 14 и центральным участком 15 нижней крышки 3;

в) каналы 16, 17 соответственно для подачи и отвода текучего горячего теплоносителя, условно показанного стрелкой 18.

Если назначение энергетического каскада вихревых камер ориентировано на использование в гелиоэнергетике, в частности в технологическом центре ГАБ ТЭС, источником нагрева (горячего) теплоносителя является энергия солнечных лучей, которая преобразуется в тепловую энергию посредством гелиотеплопреобразователей, установленных на территории гелиотеплоэлектростанции.

Устройство нагрева воздухопотока в центре днищ 3 обеих вихревых камер с наклонными поверхностями 12 может дополнительно содержать в различных исполнениях предлагаемого изобретения:

а) различные перегородки во внутренней полости 13 данного устройства;

б) трубный теплообменник, смонтированный на горизонтальной 14 и/или наклонных 12 поверхностях, выполненный в виде одного или нескольких вертикальных трубных коллекторов в пределах высоты вихревой камеры или воздухоотводящего цилиндра 8, где циркулирует текучий теплоноситель с помощью потоков 18 последнего;

в) замкнутое углубление в центре днищ для развития устройства нагрева вниз с целью создания большего объема для нагрева, в том числе для нагрева упомянутого выше нисходящего хладопотока в приосевой вакуумной зоне.

Предложенный энергетический каскад вихревых камер предназначен не только для установки в технологических процессах гелиоэлектростанций, но может быть применен, практически, в приведенном исполнении для другого, особо ценного назначения, а именно для высокотемпературных экзотермических производств, в частности, где имеются высокотемпературные воздушные, дымовые и жидкие отходы производства. К предложенному каскаду над верхней вихревой камерой, в области суммарного воздухопотока 10 (V_2Σ), достаточно пристроить турбину с электрогенератором, и высокоэффективный энергетический комплекс утилизации тепловых отходов действующих производств, практически, готов. Совместное использование гелиоэнергетики (развитых кровель цехов действующих горячих производств для гелиотеплопреобразователей), естественного ветра V₀, складывающегося с воздухопотоком 10, и комплексов генерации тепловых потерь делает энергетический каскад согласно настоящему предлагаемому изобретению еще более эффективным. Для среднего металлургического предприятия это означает окупаемость каскада в течение трех месяцев и весьма крупный годовой экономический эффект.

Энергетический каскад вихревых камер согласно настоящему предлагаемому изобретению работает следующим образом.

Воздухопоток 6 от внешнего источника нагретого воздуха, в частности от выхода вентиляционных систем бытовых или производственных помещений, которые содержат внутри источники тепловых потерь, поступает через завихряющие устройства (например, устройства 5 по Фиг.1) в нижнюю вихревую камеру через ее цилиндрическую боковую поверхность 2 и закручивается вдоль последней в направлении, указанном условными обозначениями. Этот закрученный воздухопоток ускоряется во вращательном движении по мере его приближения к центру. Его максимальная тангенциальная скорость V₁ может превышать тангенциальную скорость V входной закрутки в пять и более раз (теоретические исследования вихревых камер показывают возможность такого увеличения даже в 45 раз).

Далее вращающийся воздухопоток проходит над нагретыми наклонными поверхностями 12, и приобретает дополнительное приращение тангенциальной и осевой скоростей, и продвигается вверх через воздухоотводящий цилиндр 8, имея высокую тангенциальную скорость. Применение антифрикционных покрытий днищ 3 и потоков 4, а также внутренней поверхности воздухоотводящего цилиндра 8 позволяет значительно увеличить максимальные значения тангенциальных скоростей V₁, V_2Σ.

Линейные воздухоотводы 9, подключенные тангенциально к воздухоотводящему цилиндру 8 нижней вихревой камеры под крышкой 11, позволяют преобразовать без существенных динамических потерь вращающийся воздухопоток в два линейных воздухопотока, направляемых через завихряющие устройства и боковую цилиндрическую поверхность 2 верхней вихревой камеры во внутреннюю полость последней.

Аналогичным образом в верхней вихревой камере создается высокоскоростной вращающийся воздухопоток V_2Σ, который во взаимодействии с нагретыми наклонными поверхностями 12 поднимается вверх через ее воздухоотводящий цилиндр 8. В результате создается кольцеобразный в поперечном сечении вращающийся (нагретый) воздухопоток 10 с высокой тангенциальной скоростью и необходимой по величине осевой (подъемной) скоростью.

Окружающая атмосферная среда и естественный ветропоток со скоростью V₀ через дополнительные завихряющие устройства втягивается во вращающийся воздушный столб 10, увеличивая его кинетическую энергию для последующего использования ее.

Реализация предлагаемого изобретения согласно приведенной формуле изобретения позволяет получать энергетические комплексы, применяемые в гелиоэнергетике и на предприятиях со значительными тепловыми отходами. Экономическая эффективность такого комплекса делает его конкурентоспособным в указанных сферах энергетики.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики, а именно к тому ее разделу, где производятся совместно электрическая и тепловая энергия с использованием для этого в качестве источников исходной энергии солнечной энергии. Энергетический каскад вихревых камер содержит две установленные одна над другой вихревые камеры. Каждая вихревая камера включает в себя в качестве энергопреобразующих модулей гелиоаэробарической теплоэлектростанции, в которой ветротурбина приводится во вращение центральным энергетическим воздухопотоком с вращательной, смерчеобразной траекторией движения, следующее: воздухозавихряющий разгонный цилиндр с диаметром боковой цилиндрической поверхности, равным диаметру предтурбинной разгонной шахты, в которой создается центральный энергетический воздухопоток с вращательно-поступательной траекторией движения; нижнее и верхнее основания разгонного цилиндра, выполненные из теплоизолирующего материала в виде плотно присоединенных к последнему крышек - нижней и верхней; воздухозавихряющие воздухоподводы, подключенные к боковой цилиндрической поверхности и/или к одной из крышек по касательной, через которые во внутреннюю цилиндрическую полость подается с вращением вокруг центральной оси воздухопоток, в том числе в качестве теплоносителя, формирующий центральный энергетический воздухопоток; вертикальный цилиндрический воздухоотвод со значительно меньшим диаметром, чем диаметр боковой цилиндрической поверхности вихревой камеры, закрепленный на верхней крышке симметрично относительно оси. Во вторую вихревую камеру воздухопоток из первой подается тангенциально подключенными прямоточными воздуховодами через воздухозавихряющие вводы в ее одной из крышек и/или в боковой цилиндрической поверхности. Во второй вихревой камере тангенциальная скорость введенного в нее вращающегося воздухопотока увеличивается еще в несколько раз. Высокоскоростной нагретый воздухопоток с вращательно-поступательной траекторией движения поднимается вверх из второй вихревой камеры через воздухоотводящий цилиндр с высокой кинетической энергией, достаточной для привода во вращение ветротурбины с номинальным моментом. В разгонной шахте может быть установлено и большее количество вихревых камер, соединенных последовательно по отношению к центральному энергетическому потоку, чтобы тангенциальная скорость последнего перед входом в ветротурбину достигала 150-200 м/сек. Опускающийся вниз вдоль центральной оси холодный воздухопоток нагревается у днищ вихревых камер горячим теплоносителем. Энергетический каскад вихревых камер может эффективно применяться в качестве дешевого теплоутилизирующего устройства с выработкой электроэнергии на производствах с большими тепловыми потерями, например на металлургических предприятиях. Согласно предлагаемому изобретению энергетический каскад имеет высокую экономическую эффективность. 2 ил.

Энергетический каскад вихревых камер, содержащий, по меньшей мере, две вихревые камеры, в том числе нижнюю и установленную над ней верхнюю с общей центральной осью симметрии, каждая из которых включает в себя плоский цилиндр с гладкой цилиндрической боковой поверхностью, нижним и верхним, герметично закрепленными основаниями, выполненными в виде кругов из теплоизолирующего материала в качестве верхней и нижней крышек, при этом к его цилиндрической боковой поверхности подсоединены, по меньшей мере, два тангенциальных боковых ввода воздухопотоков в качестве теплоносителей от напорных вентиляторов, установленных снаружи, а на верхних крышках каждой из вихревых камер закреплены симметрично относительно центральной оси по одному вертикальному цилиндрическому воздухоотводу значительно меньшего диаметра, чем диаметры их цилиндрических боковых поверхностей, при этом тангенциальные боковые вводы от указанных напорных вентиляторов создают в направлении от цилиндрических боковых поверхностей к центральной оси радиальный, с вращательной траекторией движущийся вокруг центральной оси поток внутренней воздушной среды с нарастающей тангенциальной скоростью до определенного максимума по мере приближения к центральной оси, отличающийся тем, что вертикальный цилиндрический воздухоотвод первой вихревой камеры накрыт воздухонепроницаемой теплоизолирующей крышкой, под которой тангенциально подключены к внутренней полости последнего трубные воздухоотводы, присоединенные своими вторыми концами к внутренней полости второй вихревой камеры через тангенциальные проемы посредством ее нижнего основания - крышки у боковой цилиндрической поверхности так, что подводимый воздухопоток из первой вихревой камеры создает вращение внутренней воздушной среды во второй вихревой камере, а вращающийся воздухопоток, вводимый в последнюю от напорных вентиляторов и/или под напором внешнего ветропотока через завихряющие вводы ее боковой цилиндрической поверхности, складывается с вращающимся воздухопотоком, вводимым через ее нижнюю крышку, в результате чего поднимающийся вверх с помощью ее цилиндрического воздухоотвода суммарный воздухопоток приобретает приращение тангенциальной и осевой скоростей и кинетической энергии, при этом в центральной части, по меньшей мере, одной из нижних крышек вихревых камер на пути вращающегося воздухопотока размещены наклонные нагреваемые теплопроводные поверхности, выполненные в виде боковых сторон созданной воздухонаполненной полости, через которую протекает теплоноситель, подводимый от стороннего источника тепловой энергии, в частности от нагретых солнечными лучами гелиотеплопреобразователей, установленных на территории гелиотеплоэлектростанции, например гелиоаэробарической теплоэлектростанции, и/или от теплогенерирующих технологических средств экзотермических производств, в частности цехов горячей обработки металла в металлургии.