ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2016 года по МПК F03D3/00 F03D9/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для использования в качестве возобновляемого источника теплоты для нагрева теплоносителя, преимущественно - воды, до температуры до 90 -150°С. Ветротеплогенератор может быть использован для отопления и горячего водоснабжения различных объектов, прежде всего, в районах Крайнего Севера, отличающихся низкой температурой атмосферного воздуха (до минус 60°С), практически круглогодичным отопительным периодом и высокой скоростью ветра (до 40 м/с) [1].

Для теплоснабжения таких объектов в качестве источников теплоты преимущественно используют котельные, работающие на твердом, газообразном или жидком топливе.

Основным недостатком котлов, небольшой мощности, работающих на твердом топливе, является нерешенность проблемы автоматической подачи в котел топлива и удаления из котла шлака, и, как следствие этого, необходимость содержания специального персонала при эксплуатации таких источников теплоты.

Котельные на газообразном топливе легко автоматизируются, однако их применение сильно ограничено из-за отсутствия в непосредственной близости от котельной источников газа - газопроводов.

Основным недостатком котельных на жидком топливе является высокая стоимость нефтепродуктов, необходимость строительства специальных устройств для хранения и подачи топлива - мазутных хозяйств.

В связи с изложенным в последнее время в качестве тепловых генераторов небольшой мощности стали широко использовать котлы, работающие на электрической энергии - электродные водогрейные котлы [1].

Основное преимущество электродных котлов следует из неизмеримо более широкой распространенности электрических сетей, по сравнению 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 (ВЭС) [2, 3, 5-7].

Несмотря на то что такие ветроэнергетические установки работают на бесплатной энергии ветра, приведенные затраты на выработку единицы энергии этих установок соизмеримы с затратами, аналогичными затратам тепловых электрических станций [3].

Изложенное вытекает не только с нестабильности силы ветра, но и является следствием высоких капитальных затрат на создание подобных станций, включающих прочную высокую мачту, пропеллер, аэродинамические тормоза, коробку передач (мультипликатор), электрогенератор, контактные кольца (токособиратели), инверторы, выпрямители, аккумуляторы, блоки управления, системы автоматического поворота ветроколеса на ветер и т.д. Необходимость применения дорогостоящего и сложного оборудования, особенно систем автоматики, вызвано переменной силой ветра, как по величине, так и по направлению. Например, увеличение ветра с 2 до 6 м/с, т.е. в три раза, увеличивает потенциальную возможность выработки электроэнергии станции в 27 раз. Однако в полном объеме реализовать эти потенциальные возможности ветроэлектрическая станция не может. Каждый элемент ее может работать с максимальным КПД только при заранее определенных оборотах пропеллера (при наперед заданном коэффициенте быстроходности пропеллера) [3].

Вместе с тем, анализ энергопотребления на многих объектах, особенно в жилищно-коммунальном хозяйстве на Крайнем Севере, показывает, что расход энергии в виде электричества составляет, как правило, не более 15% от общей потребности. Основная часть энергии потребляется в виде теплоты на отопление и горячее водоснабжение.

В связи с изложенным, становится очевидным, что значительно эффективнее использовать ветроустановки для преобразования энергии ветра непосредственно в теплоту для отопления и горячего водоснабжения, а электроэнергию из внешних сетей или ветро-электростанций (ВЭС) использовать только по прямому назначению, в крайнем случае - в электродных водогрейных котлах, выполняющих роль доводчиков температуры воды до требуемых значений, когда мощность ветротеплоустановки окажется недостаточной (например, в сильные морозы) [5].

Для получения теплоты непосредственно из ветра известный пропеллерный ветродвигатель снабжают механическим нагревателем в виде мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта) [5-7].

При вращении ветродвигателем лопастей мешалки в жидкости механическая энергия затрачивается на преодоление сил трения и, в конечном счете, согласно первому закону термодинамики, практически полностью превращается в теплоту, в пропорции, которая носит наименование - механический эквивалент работы:

J=426,935 кгс м/ккал.

Применение мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта), с механическим приводом от ветродвигателя позволяет достаточно полно использовать кинетическую энергию ветра за счет оптимизации числа оборотов пропеллера при разной скорости ветра, а также решить проблему запуска ветродвигателя без каких-либо сложных систем управления и автоматики.

Существенным недостатком известных устройств [5-7] является наличие в составе каждого из них лопастного (пропеллерного) колеса с осью вращения, параллельной воздушному потоку (т.е. - с горизонтальной осью). Такой ветродвигатель должен иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, постоянно удерживающее ветроколесо в строго определенном направлении (навстречу ветру). Вместе с тем направление ветра может изменяться достаточно быстро (особенно для ветроустановок небольшой мощности, имеющих невысокую мачту), что резко снижает эффективность (К Π Д.) известных ветротеплогенераторов. Так, например, для ветродвигателей, мощностью более 50 кВт, для установки ветроколес на ветер вынуждены применять электрические серводвигатели, что заметно усложняет ветроустановку в целом.

В некоторых известных технических решениях [6 и 7] указанную задачу предлагалось упростить за счет усложнения редуктора (дополнительных конических зубчатых передач), а также дополнительных коаксиальных валов, вращающихся в разные стороны.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является ветротеплогенератор [5]. Указанный ветротеплогенератор включает в себя горизонтально-осевое ветроколесо пропеллерного типа; поворотный редуктор с одной конической зубчатой передачей, отличающейся тем, что он снабжен механическим нагревателем в виде мешалки с подвижными лопастями, каждая пара из которых выполнена по схеме центробежного регулятора Уатта с разной упругостью пружин.

Техническое решение [5] принято в качестве наиболее близкого аналога - прототипа заявленному устройству. Выбранному прототипу присущ недостаток - наличие горизонтально-осевого ветроколеса пропеллерного типа и, как следствие: необходимость в коническом редукторе, что значительно повышает стоимость и снижает надежность прототипа. Но особенно существенно снижает надежность прототипа горизонтально-осевое ветроколесо пропеллерного типа, которое является наиболее слабым местом во всем ветротеплогенераторе. Каждый пропеллер представляет собой консоль, которая при большой скорости ветра (до 40 м/с) не выдерживает изгибных усилий и отламывается у основания. Низкая прочность данного устройства-прототипа является основным недостатком, препятствующим его широкому внедрению в условиях Крайнего Севера.

Для повышения надежности и снижения стоимости преобразования энергии ветра в теплоту предлагается ветротеплогенератор, в котором отсутствует пропеллеры и поворотный конический редуктор.

Указанный технический результат достигается за счет выполнения ветротеплогенератора в виде ортогонального ветродвигателя, установленного на подшипниковом узле наверху неподвижной мачты, вал которого непосредственно соединен с ротором мешалки, лопасти которой, за счет изменения радиуса их вращения, оптимизируют значение быстроходности ветроколеса ветродвигателя, обеспечивая достаточно высокий коэффициент использования воздушного потока системы в целом при разной скорости ветра.

Устройство работает следующим образом:

Воздушный поток, набегая на лопасть ортогонального ротора, создает вращающий момент, который по вертикальному валу передается к механическому нагревателю воды в виде мешалки с подвижными лопастями. При использовании ортогонального ротора мощность ветродвигателя не зависит от направления ветра, поэтому при таком техническом решении отпадает необходимость в устройстве поворота (ветроколеса) на ветер.

При вращении лопастей мешалки в вязкой жидкости, например в воде или трансмиссионном масле, за счет трения происходит преобразования механической энергии в теплоту.

Тепловая мощность мешалки определяется уравнением [4, с. 784]:

N_p=0,01Ad^4,56n^2,78ρ^0,78µ^0,22кВт

где А - константа, зависит от типа мешалки;

d - диаметр окружности, ометаемой лопастью, м;

n - число оборотов, об/с;

ρ - плотность жидкости (воды), кг сек²/м⁴;

µ - вязкость жидкости (воды), кг сек/м².

Как видно из приведенного уравнения, мощность мешалки (количество выработанной теплоты) существенно зависит от диаметра окружности, ометаемой лопастью ее ротора, а также числа оборотов мешалки, которое в данном случае равны числу оборотов ортогонального ветродвигателя, поскольку эти устройства находятся на одном валу.

Из данной зависимости следует, что мешалка с подвижными лопастями, работающая по принципу регулятора Уатта, наряду преобразованием механической энергии в теплоту, может быть эффективно использована для регулирования числа оборотов ортогонального ветродвигателя, автоматически обеспечивая оптимальное значение быстроходности его ротора при разной скорости ветра, обеспечивая тем самым самый высокий коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемой установки в целом, в том числе коэффициент использования энергии ветра. В известных ВЭС эту задачу выполняет сложнейшая система специальной автоматики, обеспечивающая требуемый угол атаки (угол между направлением набегающего потока и хордой сечения лопасти).

Кроме того, в предлагаемом устройстве значительно упрощается передача крутящего момента на лопасти мешалки, при таком техническом решении не требуется конический редуктор (мультипликатор).

Новым в заявляемом техническом решении является применение ортогонального ветродвигателя для превращения кинетической энергии ветра в механическую энергию. При этом ротор указанного ветродвигателя предлагается посредством вертикального вала непосредственно соединить с ротором мешалки (генератора теплоты).

Расположение ротора ортогонального ветродвигателя на одном валу с ротором мешалок (генераторов теплоты) не выявлено из аналогов, технических устройств, предназначенных для решения данной задачи - ветротеплогенераторов, способных нагревать воду или другой теплоноситель до температуры 90-150°С с высокой надежностью и одновременно с высоким КПД, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения уровню патентоспособности «изобретательский уровень».

Основной отличительной особенностью заявленного технического решения является внесенная новизна, которая предполагает более высокую эффективность, особенно части надежности и стоимости, данного технического предложения относительно прототипа при работе в районах, где скорость ветра исчисляется несколькими десятками метров в секунду.

Устройство технологично, отличается простотой, поэтому обладает повышенной надежностью по сравнению с прототипом. Оно будет эффективно в суровых климатических условиях (сильные ветры, низкие температуры) Крайнего Севера, Камчатки, Курильских островов и других отдаленных местах для получения теплоты за счет возобновляемой энергии ветра.

Новые признаки в совокупности позволяют существенно упростить ветроэнергетическую установку, отказаться от дорогостоящих и ненадежных ее элементов: конического редуктора (мультипликатора), средств автоматики для поворота ротора в оптимальное положение (на ветер), и за счет этого повысить технико-экономические показатели (стоимость и надежность) предлагаемого устройства.

Заявляемый ортогональный ветротеплогенератор поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий его вид сбоку, а на фиг. 2 его составная часть - мешалка (механический нагреватель - генератор теплоты).

Ветротеплогенератор состоит из ортогонального ветродвигателя, включающего вращающийся на вертикальном валу ротор, с лопастями 1, прикрепленных посредством радиальных траверс 2 к располагаемым в центре ступицам 3. Ветродвигатель установлен трубчатой мачте 4, внутри которой расположен один вал 5, который передает вращающий момент от ортогонального ветродвигателя к ротору механического нагревателя (мешалки) 6, заполненному вязкой жидкостью (например, водой или трансмиссионным маслом) 7, в которой вращается лопасти 8, присоединенные к валу 5 посредством стержней 9 к неподвижной 10 и подвижной 11 муфтам. Внутри механического нагревателя (мешалки) расположен трубчатый теплообменник 12, для подогрева воды посредством трубопроводов 13 и 14 в аккумуляторе (накопительной емкости) 15, из которой по трубопроводу 16 горячая вода подается потребителям на отопление и горячее водоснабжение. Для возврата остывшей (обратной) воды и для подпитки системы предусмотрен трубопровод 17.

Ветротеплогенератор работает следующим образом. Исходное состояние: ротор ортогонального ветродвигателя и вал 5, механического нагревателя (мешалки) 6 не вращаются. Лопасти 8 механического нагревателя (мешалки) 6 за счет собственного веса прижаты к валу 5. Система обладает наименьшим моментом инерции, сопротивление жидкости 7 вращению лопастей 8 практически равно нулю. Такое исходное состояние ветротеплогенератора способствует раскручиванию ротора ортогонального ветродвигателя с лопастями 1 даже при слабом ветре. При увеличении оборотов ротора ортогонального ветродвигателя 1 за счет центробежной силы, действующей на лопасти 8 (как и в регуляторе Уатта), подвижная муфта 11, преодолевая силу тяжести, поднимается вверх, увеличивая радиус, ометаемый лопастями 8.

При этом увеличивается скорость движения и трение в лопастей 8 в вязкой жидкости 7 и одновременно увеличивается интенсивность преобразования механической энергии в тепловую. Вязкая жидкость 7 в механическом нагревателе (мешалке) 6 нагревается и передает тепловую энергию через трубчатый теплообменник 12 и трубопровод 13 воде, находящейся в аккумуляторе горячей воды 15, из которого нагретая вода поступает по трубопроводу 16 в систему отопления и горячего водоснабжения.

Нагретая вода, проходя по системам отопления и горячего водоснабжения, охлаждается и частично расходуется в сетях потребителей, от которых возвращается, с одновременной подпиткой из водопровода, по трубопроводу 17, для повторного нагрева. Дальше цикл повторяется.

При увеличении скорости ветра и увеличении числа оборотов, выше расчетного, ротора ортогонального ветродвигателя и связанного непосредственно с валом ротором механического нагревателя (мешалки) 6, центробежная сила, действующая на лопасти 8, увеличивается. Под воздействием этой силы лопасти 8 дальше отходят от вала 5, увеличивая радиус и линейную скорость вращения лопастей 8.

При этом резко (почти в пятой степени) увеличивается сопротивление вязкой жидкости 7, что тормозит вращение в ротора ортогонального ветродвигателя, уменьшая скорость его лопастей 1. При уменьшении скорости ветра происходит обратный процесс: центробежная сила, действующая на лопасти 8, уменьшается. Лопасти 8 под действием силы тяжести перемещаются ближе к валу 5, радиус вращения и линейная скорость их уменьшается, снижая при этом сопротивление вязкой жидкости 7 вращению лопастей 8 в механическом нагревателе (мешалке) 6, число оборотов ротора ортогонального ветродвигателя и лопастей увеличивается до оптимального значения быстроходности ортогонального ветродвигателя, обеспечивая тем самым самый высокий КПД заявленного нами технического устройства при разной скорости ветра.

Актуальность предлагаемого «Ветротеплогенератора» следует из того, что так называемый северный завоз в районы Крайнего Севера составляет 110 тыс. т дизельного топлива и 228 тыс. т твердого топлива [8], с учетом отдаленности потребителей и современных цен на топливо стоимость северного завоза только для одного ведомства составляет около 5 миллиардов рублей.

Список источников

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

2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энегоатомиздат.1990.-392 с.

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

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. М.-Л. Государственное издательство научно-технической литературы, 1948, 916 с.

5. Патент РФ №2231687 C1 27.06.2004, МПК F 03D9/00 - прототип.

6. Патент РФ №2298688 C1, 10.05.2007, МПК F03D 9/02.

7. Патент РФ №2253040 C1, 27.05.2005, МПК F03D 9/00.

8. Толмачев В.H., Орлов А.В., Булат В.А. Эффективное использование ветра в системах автономного энергообеспечения. - СПб. ВИТУ 2002. 203 с.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения различных объектов, преимущественно в районах Крайнего Севера. Ветротеплогенератор для нагрева теплоносителя до температуры 90-150°C, содержащий ортогональный ветродвигатель, преобразователь механической энергии в тепловую в виде мешалки с лопастями, работающими по принципу регулятора Уатта, теплоаккумулятор. Вал ветродвигателя непосредственно соединен с ротором мешалки, лопасти которой, за счет изменения их скорости и радиуса вращения, оптимизируют значение быстроходности ротора ортогонального ветродвигателя при разной скорости и направлении ветра. Данное техническое решение позволяет повысить эффективность использования энергии ветра в широком диапазоне значений скорости ветра. 2 ил.

Ветротеплогенератор для нагрева теплоносителя до температуры 90-150°C, содержащий ветродвигатель, преобразователь механической энергии в тепловую, в виде мешалки с лопастями, работающими по принципу регулятора Уатта, теплоаккумулятор, отличающийся тем, что он снабжен ортогональным ветродвигателем, вал которого непосредственно соединен с ротором мешалки, лопасти которой, за счет изменения их скорости и радиуса вращения, оптимизируют значение быстроходности ротора ортогонального ветродвигателя при разной скорости и направлении ветра.