ОППОЗИТНЫЙ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2017 года по МПК F03D9/22 F24J3/00 

Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателей с теплогенератором. Изобретение может использоваться при строительстве теплостанций. Известны следующие решения:

1. патент US 4424796, 1984 г., F03D 9/00; F24J 3/00;

2. патент FR 2407369, 1979 г., F03D 9/00; F03D 9/02;

3. патент РФ №2088797, 1994 г., F03D 3/00;

4. авторское свидетельство №1252535, 1985 г., F03D 9/00;

5. патент РФ №2380567, 2005 г., F03D 3/00;

6. авторское свидетельство №992800, 1981 г., F03D 3/00.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является ветротеплогенератор (патент РФ №2209340, 2002 г., F03D 9/00), содержащий ветродвигатель, теплогенератор. Ветродвигатель представляет собой комбинацию ротора Савониуса с ветротурбиной с ортогональными аэродинамическими лопастями. Теплогенератор состоит из фрикционной и тепловой камер и фрикционных элементов.

Недостатком известных решений является низкий коэффициент преобразования энергии ветра в диапазоне скоростей (0,5-5) м/с в тепловую энергию, сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра.

Задачей изобретения является повышение эффективности ветротеплогенератора, упрощение конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в оппозитном ветротеплогенераторе, содержащем ветродвигатель и теплогенератор, согласно изобретению содержится два однотипных роторных ветродвигателя, осуществляющих встречное (оппозитное) вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, при этом в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора.

Изобретение работает на принципе преобразования кинетической энергии ветра в тепловую за счет нагрева вязкой жидкости при течении ее в межцилиндровом пространстве. В узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора, которое характеризуется высокой степенью сдвиговых напряжений в межцилиндровом пространстве с генерацией тепла в жидкости, что и позволяет напрямую передать кинетическую энергию ветра в тепло. Основным техническим результатом является повышение КПД, так как вся утилизированная энергия ветрового потока отбирается теплоносителем и передается через теплообменник потребителю. Повышение эффективности оппозитного ветротеплогенератора происходит за счет применения двух однотипных роторных ветродвигателей для привода особого оппозитного преобразователя (однотипные соосные многоцилиндровые роторы теплогенератора) кинетической энергии ветра в тепловую, обладающего свойством высокоэффективного преобразования при низких скоростях ветра. Отсутствие редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра существенно упрощают конструкцию ветротеплогенератора.

Фиг. 1 - общий вид оппозитного ветротеплогенератора.

Фиг. 2 - схема теплогенератора.

Фиг. 3 - фотография макета нижнего многоцилиндрового ротора тепологенератора.

Фиг. 4 - фотография макета верхнего многоцилиндрового ротора теплогенератора.

Фиг. 5 - фотография макета теплогенератора, вид сверху.

ВД - роторный ветродвигатель с вертикальной осью

ЦН - центробежный насос

1 - теплогенератор

2 - теплообменник

3 - аккумулятор

4 - теплоизоляция

5 - вал ветродвигателя

6 - поворотные лопасти ветродвигателя

7 - оси поворотных лопастей ветродвигателя

8 - верхний и нижний радиальные кронштейны

9 - корпус оппозитного ветротеплогенератора

10 - опорная мачта оппозитного ветротеплогенератора

11 - подающий и отводящий патрубки

12 - верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора

13, 16 - нижний и верхний диски однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора

14 - опорный подшипник

15 - боковая цилиндрическая стенка

17 - оси однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора

18 - подшипники качения

В теплогенераторе 1 заложена конструкция (фиг. 2) с встречно вращающимися однотипными соосными многоцилиндровыми роторами (фиг. 3 и фиг. 4). На фиг. 1 приведена схема оппозитного ветротеплогенератора, состоящего из двух однотипных роторных ветродвигателей (ВД), которые приводят в движение два однотипных соосных многоцилиндровых ротора теплогенератора.

В предложенной конструкции рабочие колеса ветродвигателя имеют поворотные лопасти (6), поворотные лопасти ветродвигателя закреплены на осях 7, оси поворотных лопастей ветродвигателя связаны с радиальными верхним и нижним кронштейнами (8). Максимальное сопротивление ветру оказывает только часть поворотных лопастей ветродвигателя, другая часть за счет смены положения при повороте колеса имеет минимальное сопротивление. Валы ветродвигателей 5 сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора 17. Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора зафиксированы в подшипниках качения 18, при этом ось верхнего многоцилиндрового ротора имеет шариковый подпятник 14, опирающийся на ось нижнего многоцилиндрового ротора.

Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора закреплены в неподвижных крышках теплогенератора 12, являющихся элементами верхней и нижней частей корпуса оппозитного ветротеплогенератора 9. Корпус теплогенератора, состоящий из верхней и нижней частей и боковой цилиндрической стенки 15 между ними, расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями (ВД) и является опорным элементом всего агрегата.

На нижнем и верхнем дисках однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора (13, 16) расположено расчетное количество цилиндров заданной высоты и различного диаметра. При размещении этих однотипных многоцилиндровых роторов на одной оси цилиндрические конструкции верхней и нижней частей образуют между собой узкие зазоры межцилиндрового пространства. Ширина зазоров определяется разностью диаметров соседних цилиндров. Диаметры цилиндров и их количество определяются необходимой площадью поверхности однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора для заданной производительности.

Верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора имеют подающий и отводящий патрубки 11 для подачи и отвода теплоносителя. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет специальных центробежных лопастей (ЦН). Таким образом, получается многолопастной насос, функционирующий в пространстве между верхней и нижней неподвижными крышками теплогенератора и верхним и нижним дисками однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора с функциями нагнетающего и отсасывающего насосов.

В состав оппозитного ветротеплогенератора входит аккумулятор 3 с теплообменником 2, через который генерируемое тепло передается потребителю. Корпус теплогенератора и аккумулятор имеют теплоизоляцию 4.

Оппозитный ветротеплогенератор закреплен в корпусе из профилированного металла и устанавливается на опорной мачте 10 соответствующей высоты.

Конструкция верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора определяется следующими параметрами:

- количеством цилиндров (количество цилиндров определяет мощность ветрогенератора);

- отношением радиусов соседних цилиндров η=а/b, где а является внешним радиусом цилиндра (i) меньшего диаметра и b являются внутренним радиусом (о) цилиндра большего диаметра;

- характеристическим соотношением Г=L/(b-a), где L - высота столба жидкости в зазоре;

- числа Рейнольдса внутреннего R_i,=a(b-a)'Ω_i/v и внешнего цилиндра R₀,=b(b-a)'Ω₀/v, где 'Ω_i - угловая скорость внутреннего, 'Ω₀ - угловая скорость внешнего цилиндра, v - кинематическая вязкость теплоносителя.

Устройство работает следующим образом. При скорости ветра ~0,5 м/с происходит ориентация части поворотных лопастей ветродвигателя 6 перпендикулярно направлению ветра. Диаметрально расположенные лопасти занимают положение «флюгера» по ветру. При достаточной скорости ветра начинается встречное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора (фиг. 3, фиг. 4). В зависимости от скорости ветра начинается процесс генерации тепла, которое передается за счет действия центробежного насоса (ЦН) через теплообменник 2 в аккумулятор 3 и потребителю.

Пример. В зависимости от мощности ветродвигателя и максимальной частоты вращения однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора определяется количество зазоров межцилиндрового пространства их высота (высота столба жидкости в зазоре) и ширина. Опытный образец оппозитного ветротеплогенератора имел отношение радиусов цилиндров роторов теплогенератора η=(0,9944-0,9936), характеристическое отношение - Г=L/b-а=(16,8-25), радиусы цилиндров верхнего ротора R_i=(32-875) мм, радиусы цилиндров нижнего ротора R₀=(33-877) мм, кинематическая вязкость рабочей жидкости v≈30 сП.

Эксперимент показал, что при скорости ветра ~6 м/с оппозитный ветротеплогенератор имел мощность ~300 Вт (частота вращения многоцилиндровых роторов тепологенератора Ω_i=(2,5-30) 1/с).

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность ветротеплогенератора при низких скоростях ветра и упростить конструкцию устройства.

Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателей с теплогенератором. Оппозитный ветротеплогенератор, в котором теплогенератор расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями, валы которых сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора. При этом однотипные роторные ветродвигатели осуществляют оппозитное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает течение Тейлора. Изобретение направлено на повышение эффективности ветротеплогенератора при низких скоростях ветра и упрощение конструкции. 5 ил.

Оппозитный ветротеплогенератор, содержащий ветродвигатель и теплогенератор, отличающийся тем, что теплогенератор расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями, валы которых сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, при этом однотипные роторные ветродвигатели осуществляют оппозитное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает течение Тейлора.