Ветротеплогенератор

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения различных зданий и сооружений. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра в более широком диапазоне значений скорости ветра, повышении надежности теплогенератора и снижении себестоимости тепловой энергии. Ветротеплогенератор содержит водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель, коническую зубчатую передачу (трансмиссию), механический нагреватель в виде мешалки с подвижными лопастями, каждая пара которых выполнена по схеме центробежного регулятора (регулятор Уатта). Ветротеплогенератор дополнительно снабжен второй конической зубчатой передачей (трансмиссией), вращающейся в противоположную сторону по отношению к первой конической зубчатой передаче, при этом каждая из передач снабжена равным количеством мешалок с подвижными лопастями. 1 ил.

 

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

Для теплоснабжения таких объектов в качестве теплогенераторов, как правило, используются 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 дополнительного специального персонала при эксплуатации котельной.

Котельные на газообразном топливе легко автоматизируются, однако их применение сильно ограничено из-за отсутствия в непосредственной близости от котельной источников природного газа - газопроводов. Применение для этих целей сжиженного газа не оправдано по экономическим соображениям.

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 [2].

Основное преимущество таких теплогенераторов следует из неизмеримо более широкой распространенности электрических сетей, по сравнению газовыми сетями, а также из очень простой и надежной системы 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].

Несмотря на то, что данная ветроэнергетическая установка работает частично на бесплатной энергии ветра, приведенные затраты на выработку единицы энергии таких установок соизмеримы с затратами, аналогичными затратам тепловых электрических станций [3].

Изложенное вытекает не только из нестабильности силы ветра, но и из высоких капитальных затрат на создание подобных станций, включающих прочную высокую мачту, пропеллер, коробку передач, генератор, контактные кольца (токособиратели), инверторы, выпрямители, аккумуляторы, блоки управления и автоматики. Необходимость применения дорогостоящего сложного оборудования, особенно системы автоматики, вызвано переменной силой ветра. 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.

Вместе с тем, анализ энергопотребления на многих объектах, особенно в жилищно-коммунальном хозяйстве, показывает, что расход энергии в виде электричества составляет не более 15% от общей потребности. Основная часть энергии потребляется в виде теплоты на отопление и горячее водоснабжение зданий и сооружений. Приложение №2 к решению о выдаче патента на изобретение по заявке №2003135742/06(038355).

Известен ветротеплогенератор, содержащий водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель, коническую зубчатую передачу (трансмиссию), механический нагреватель в виде мешалки с подвижными лопастями, каждая пара которых выполнена по схеме центробежного регулятора (регулятора Уатта) (см. RU, 2171913 C1, F 03 D 9/00, 10.08.2001) [4], по совокупности существенных признаков принятый за прототип изобретения.

Недостатками ветрогенератора являются низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.) и невысокие надежность и эффективность. Для устранения указанных недостатков теплогенератор снабжают второй (дополнительной) конической зубчатой передачей, вращающейся навстречу первой.

Передаточные числа обеих конических зубчатых передач принимают равными, следовательно, в этом случае каждая из передач (трансмиссий) должна быть снабжена равным количеством мешалок.

Такой теплогенератор позволяет наиболее полно использовать потенциал энергии ветра за счет преобразования этой энергии непосредственно в теплоту, минуя этап преобразования энергии ветра в электроэнергию, одновременно существенно упрощая и снижая стоимость этого устройства.

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.

Кроме того, 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.

Новым в заявленном изобретении является установка дополнительной (второй) конической зубчатой передачи (трансмиссии), вращающейся в противоположную сторону по отношению к упомянутой выше (первой) конической зубчатой передаче и компенсирующей вращательный момент сил, образующийся при изменении направления вращения (с горизонтального на вертикальное) вала ветродвигателя, при работе конической зубчатой передачи.

При этом энергия ветра превращается непосредственно в теплоту с помощью механического нагревателя в виде мешалки с лопастями, вращающимися в разные стороны.

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 существенно повысить коэффициент полезного действия ветроэнергетической установки и одновременно упростить ее, отказаться от дорогостоящих и ненадежных элементов: электрических генераторов, инверторов, выпрямителей, аккумуляторных батарей, электронных средств автоматики.

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства предлагаемого ветротеплогенератора (фиг.1), который состоит из ветродвигателя 1, сообщенного посредством конических зубчатых передач (трансмиссий) 2 и 3 (второй зубчатой передачи) и валов 4 и 5 с механическим нагревателем 6, заполненным вязкой жидкостью, например, минеральным трансмиссионным маслом 7. Внутри нагревателя 6 насажанные на валы 4,5 трансмиссий расположены мешалки 8, каждая пара лопастей 9 которых работает по принципу регуляторов числа оборотов паровых машин (регулятора Уатта). Такая конструкция мешалок 8 позволяет их использовать как по прямому назначению - для превращения механической энергии в теплоту, так и для регулирования числа оборотов ветродвигателя 1 при разной скорости ветра. Каждая мешалка 8 состоит из подвижных лопастей 9, неподвижной 10 и подвижной 11 муфт. Кроме того, в нагревателе 8 расположен трубчатый теплообменник 12, сообщенный с помощью трубопроводов 13 и 14 с водяным аккумулятором 15, в виде теплоизолированной емкости с водой, и внешними сетями теплоснабжения 16 и 17.

Ветротеплогенератор работает следующим образом. Исходное состояние: пропеллер ветродвигателя 1 и валы 4 и 5 не вращаются, лопасти 9 мешалки 8 в нагревателе 6 под весом подвижных муфт 11 прижаты к валам 4 и 5. Система обладает наименьшим моментом инерции, сопротивление трансмиссионного масла 7 вращению лопастей 9 равно нулю. Такое исходное состояние способствует раскручиванию пропеллера ветродвигателя 1 при воздействии ветра. При достижении заданных оборотов пропеллера ветродвигателя 1, за счет действия центробежных сил, лопасти 9 и подвижные муфты 11 поднимаются вверх, радиус вращения лопастей 9 увеличится, увеличивая трение в нагревателе 6 и преобразование механической энергии в тепловую. Трансмиссионное масло 7 при вращении мешалок 8 нагревается и передает тепловую энергию через трубчатый теплообменник 12 и трубопровод 13 воде, находящейся в тепловом водяном аккумуляторе 15, из которого нагретая вода поступает по трубопроводу 16 в систему отопления и горячего водоснабжения. Часть воды из теплового аккумулятора 15, за счет гравитационных сил, возвращается в трубчатый теплообменник 12 по трубопроводу 14 для дополнительного подогрева во время минимального водоразбора в сети.

Нагретая вода, проходя по внешним 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 выше расчетного число оборотов пропеллера ветродвигателя 1 и связанных с ним валов 4 и 5, а также мешалок 8 возрастает, и одновременно возрастает центробежная сила, действующая на лопасти 9 мешалок 8. Под воздействием этой силы, лопасти 9 мешалок 8 отходят дальше от валов 4 и 5, увеличивая радиус и линейную скорость вращения лопастей 9. При этом резко (в квадрате от скорости) увеличивается сопротивление трансмиссионного масла 7 в нагревателе 6, что тормозит вращение пропеллера ветродвигателя 1, уменьшая его число оборотов. При уменьшении скорости ветра происходит обратный процесс: центробежная сила, действующая на лопасти 9, уменьшается, под собственным весом (или с помощью специальных пружин, которые на чертеже не показаны) лопасти 9 и подвижные муфты 11 перемещаются вниз, одновременно лопасти 9 перемещаются ближе к валам 4 и 5, радиус вращения и линейная скорость их уменьшается, снижая при этом сопротивление трансмиссионного масла 7 вращению лопастей 9 мешалки 8, в результате чего число оборотов пропеллера ветродвигателя 1 увеличивается до номинального значения.

В процессе работы заявленного ветротеплогенератора вращающие моменты сил, возникающие при работе конических зубчатых передач 2 и 3 (каждая из которых стремится отклонить горизонтальный вал и пропеллер ветродвигателя 1 от направления ветра), воздействуя на горизонтальный вал одновременно в противоположные стороны, компенсируют друг друга, в результате чего суммарный вращающий момент сил равен нулю, и ветродвигатель 1, как и ветротеплогенератор в целом, использует потенциал ветра с наибольшим эффектом.

Применение заявленного теплового генератора позволит резко 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:

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., МПК 7 F 03 D 9/00 - прототип.

Ветротеплогенератор, содержащий водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель, коническую зубчатую передачу (трансмиссию), механический нагреватель в виде мешалки с подвижными лопастями, каждая пара которых выполнена по схеме центробежного регулятора (регулятора Уатта), отличающийся тем, что он снабжен дополнительной (второй) конической зубчатой передачей (трансмиссией), вращающейся в противоположную сторону по отношению к упомянутой выше (первой) конической зубчатой передаче (трансмиссии), при этом каждая из передач (трансмиссий) снабжена равным количеством мешалок с подвижными лопастями.