ВЕТРОТЕПЛОУСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ )
WIND AND HEAT PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения отдельных коттеджей, садовых домиков, теплиц и других подобных объектов.
Известна ветроустановка для отопления помещений, содержащая герметичный корпус со сжатым воздухом и соосно установленный в нем вертикальный вал ветродвигателя со шнеком, который перемешивает сжатый воздух и нагревает герметичный корпус, находящийся внутри отапливаемого помещения [1].
Недостатками данной ветроустановки являются низкая эффективность нагрева сжатого воздуха и неудобство установки герметичного корпуса внутри отапливаемого помещения.
Известен также ветротеплогенератор, содержащий водяной теплоаккумулятор, ветродвигатель, конические зубчатые передачи (трансмиссию), механический нагреватель в виде мешалок с подвижными лопастями, каждая пара которых выполнена по схеме центробежного регулятора Уатта и вращается в разные стороны [2].
Несмотря на увеличение относительной скорости противоположного вращения лопастей мешалок в рабочей жидкости и наличие ускоряющей трансмиссии - мультипликатора эффективность и скорость нагрева воды получается недостаточной для практического использования такого устройства с низкооборотными ветродвигателями в условиях России, где средняя скорость ветра составляет всего 5 м/сек.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности предложенной ветротеплоустановки и улучшение согласования тягоскоростных характеристик ветродвигателя с нагрузочными характеристиками ускоряющей трансмиссии и мешалки рабочего тела.
Заявляется ветротеплоустановка для отопления помещений, содержащая ветродвигатель, теплогенератор, теплоаккумулятор и ускоряющую трансмиссию с мешалкой вязкого рабочего тела, отличающаяся тем, что по первому варианту ветротеплоустановки вертикальный вал ее ветродвигателя со шнеком мешалки рабочего тела в виде суспензии тяжелых твердых частиц и вязкой жидкости размещены в центральной циркуляционной трубе, снабженной боковыми окнами и установленной с радиальным и осевыми зазорами внутри теплоизолированного корпуса, оборудованного герметичными опорами вращения и рубашкой водяного теплоносителя, непосредственно сообщающегося с контуром радиатора отопления, гидроаккумулятором, распределительным краном и циркуляционным насосом, кинематически связанным с валом ветродвигателя. При этом верхняя крышка теплоизолированного корпуса снабжена центрирующими пластинами циркуляционной трубы, в нижней части которой имеется кольцевой упор для аналогичных центрирующих пластин нижней части теплоизолированного корпуса, обеспечивающих сквозные зазоры вокруг циркуляционной трубы с кольцевым упором и этим корпусом не менее диаметра самой циркуляционной трубы.
По второму варианту заявляется ветротеплоустановка для отопления помещений, содержащая ветродвигатель, теплогенератор, теплоаккумулятор и ускоряющую трансмиссию с мешалкой вязкого рабочего тела, отличающаяся тем, что вал ветродвигателя связан с горизонтальным валом барабанной мешалкой рабочего тела в виде суспензии тяжелых твердых частиц и вязкой жидкости размещены внутри теплоизолированного корпуса, оборудованного герметичными опорами вращения и рубашкой водяного теплоносителя, непосредственного сообщающегося с контуром радиатора отопления, гидроаккумулятором, распределительным краном и циркуляционным насосом, кинематически связанным с валом ветродвигателя. При этом барабан мешалки рабочего тела снабжен внутренними продольными ребрами и установлен на двух свободновращающихся валиках, над которыми выполнены входное и выходное отверстия водяной рубашки теплоизолированного корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен продольный разрез и функциональная схема шнекового варианта ветротеплоустановки, а на Фиг.2 - аналогичная схема и поперечный разрез ее барабанного варианта.
Предлагаемая ветротеплоустановка по первому варианту, Фиг.1, содержит, подобно прототипу, теплогенератор, теплоаккумулятор и ускоряющую трансмиссию ветродвигателя, у которого вертикальный вал 1 конструктивно переходит в шнек 2 мешалки рабочего тела 3 в виде суспензии тяжелых твердых частиц и вязкой жидкости, размещенный в центральной циркуляционной трубе 4, снабженной боковыми окнами 5. Эта труба установлена коаксиально с радиальными и осевыми зазорами внутри теплоизолированного корпуса 6, оборудованного герметичными опорами вращения 7 и конической рубашкой водяного теплоносителя 8, непосредственно сообщающегося с контуром радиатора отопления 9, гидроаккумулятором 10, распределительным краном 11 и циркуляционным насосом 12, например шестеренчатым, который кинематически связан с валом ветродвигателя 1.
При этом верхняя крышка теплоизолированного корпуса 6 снабжена центрирующими пластинами 13 циркуляционной трубы 4, в нижней части которой имеется кольцевой упор 14 для аналогичных центрирующих пластин 15 нижней части теплоизолированного корпуса 6, обеспечивающих сквозные зазоры вокруг циркуляционной трубы с кольцевым упором и этим корпусом не менее диаметра самой циркуляционной трубы 4. В качестве тяжелых твердых частиц суспензии рабочего тела 3 можно брать чугунную дробь, которая обычно используется в аппаратах дробеструйной обработки литых деталей, а в качестве связующей жидкости - вязкое минеральное трансмиссионное масло или кремнийорганическую жидкость в пропорции, обеспечивающей пастообразную консистенцию рабочего тела 3 наподобие цементного раствора.
Ветротеплоустановка по второму варианту, Фиг.2, содержит те же функциональные узлы: ветродвигатель, теплогенератор, теплоаккумулятор и ускоряющую трансмиссию с мешалкой вязкого рабочего тела. Вал ветродвигателя (на чертеже не показан) связан с горизонтальным валом 16 барабанной мешалки 17 рабочего тела 18 в виде суспензии тяжелых твердых частиц и вязкой жидкости.
Этот барабан 17 размещен внутри теплоизолированного корпуса 19, оборудованного герметичными опорами вращения 20 и рубашкой водяного теплоносителя 21, непосредственного сообщающегося с контуром радиатора отопления 22, гидроаккумулятором 23, распределительным краном 24 и циркуляционным насосом 25, кинематически связанным с валом ветродвигателя.
При этом барабан мешалки 17 рабочего тела может быть снабжен внутренними продольными ребрами 26 и установлен на двух свободновращающихся валиках 27, над которыми выполнены входное 28 и выходное 29 отверстия водяной рубашки теплоизолированного корпуса. В этом случае циркуляционный насос может отсутствовать, так как его функции выполняет наружная поверхность барабанной мешалки с валиками, которые за счет смачивания своих поверхностей перегоняют водяной теплоноситель от входного к выходному отверстию водяной рубашки.
Ветротеплоустановка, представленная на Фиг.1, работает следующим образом. При относительно медленном вращении вертикального вала ветродвигателя 1 в герметичных опорах 7 совместно с ним вращается и шнек 2, который захватывает рабочее тело 3 в нижней конической части рубашки водяного теплоносителя 8 и медленно поднимает его вверх по циркуляционной трубе 4 до нижнего уровня боковых окон 5. Благодаря пастообразной консистенции тяжелого и вязкого рабочего тела его сгустки выпадают через боковые окна 5 и под действием ускорения свободного падения гравитационного поля земли приобретают вертикальную скорость, которая намного превосходит тангенциальную скорость вращения шнека 2, который вместе с циркуляционной трубой 4 и выполняет функцию ускоряющей трансмиссии. Причем максимальная скорость падения рабочего тела и тормозящий момент этого шнека пропорциональны высоте подъема рабочего тела 3 внутри циркуляционной трубы 4.
При падении рабочего тела 3 происходит абсолютно не упругий удар, практически полностью преобразующий кинетическую энергию движения рабочего тела в тепло, которое через металлическую стенку конусной рубашки передается водному теплоносителю 8 находящегося внутри теплоизолированного корпуса 6.
Следовательно, неупругий удар и вязкое трение рабочего тела являются генераторами тепла, а водяная рубашка теплоносителя выполняет функцию теплоаккумулятора, непосредственно передающего тепло радиатору отопления 9 под воздействием циркуляционного насоса 12, который прокачивает водный теплоноситель по всему контуру установки, в том числе и через распределительный кран 11, необходимый для ее заполнения и слива, а также гидроаккумулятор 10, где находится технологический запас водного теплоносителя.
При увеличении скорости вращения вала ветродвигателя 1 значительная масса рабочего тела 3 успевает подняться до верхнего конца циркуляционной трубы 4 и упасть вниз через зазоры между центрирующими пластинами 13 и 15 с гораздо большей высоты и с более значительной величиной кинетической энергии удариться о рабочее тело, находящееся в нижней конусной части установки. Это сопровождается существенным увеличением тормозящего момента на валу ветродвигателя 1, то есть автоматическим согласованием нагрузочных характеристик такой ускоряющей трансмиссии с текущей мощностью ветродвигателя без каких-либо регулирующих элементов.
Одновременно возрастает и скорость прокачки водного теплоносителя через радиатор обогрева 8, поскольку циркуляционный насос 12 снабжен кинематическим приводом от того же вала ветродвигателя 1.
Ветротеплоустановка, представленная на Фиг.2, работает аналогичным образом, только вращение вала ветродвигателя (на чертеже не показан) передается горизонтальному валу 16 барабанной мешалки 17 рабочего тела 18, продольные лопасти 26 которой подхватывают части рабочего тела 18 на определенную высоту и обеспечивают их падение преимущественно по параболической траектории [3].
В результате не упругого падения и вязкого трения рабочего тела 15 происходит его разогрев с последующей передачей тепла через стенки барабанной мешалки 17 рубашке водяного теплоносителя 21, циркулирующего по контуру радиатора отопления 22, который может находится на значительном расстоянии от самой ветротеплоустановки. Эта циркуляция может происходить не только под действием циркуляционного насоса 25, но и непосредственно за счет смачивания и переноса водного теплоносителя поверхностью барабанной мешалки 17, установленной с небольшими зазорами на продольных валиках 27, которые препятствуют обратному переносу теплоносителя от выходного отверстия 29 в теплоизолированном корпусе 19 к его входному отверстию 28.
Благодаря этому реализуется одновременно несколько важных функций - циркуляционного насоса, повышающей трансмиссии, теплогенератора и теплоаккумулятора в одной установке, тепловая мощность которой N пропорциональна следующей величине: /3/
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>0,39</mn><mi>R</mi><msub><mi>m</mi><mn>3</mn></msub><mi>g</mi><mi>w</mi><mo>/</mo><mi>η</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где: R - радиус барабана мешалки,
2
g - ускорение свободного падения=9,8 м/сек,
w - угловая скорость вращения барабана,
η - КПД механического привода,
3
m - загрузка рабочего тела тонн, которая при одинаковой длине и диаметре барабана равна
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msup><mi>R</mi><mn>3</mn></msup><mi>ρ</mi><mi>μ</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
Здесь: ρ - плотность рабочего тела тонн/м,
µ - коэффициент заполнения барабана рабочим телом.
Поскольку оптимальная скорость вращения барабана, при которой происходит отрыв рабочего тела и его движение по параболе, также зависит от радиуса R,
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>g</mi><mo>/</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
То суммарная мощность такой установки подчиняется степенному закону 7/2
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>0.8</mn><mi>π</mi><mi>ρ</mi><mi>μ</mi><msup><mi>g</mi><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>w</mi><msup><mi>R</mi><mrow><mn>7</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi>η</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и сильно зависит от линейного масштаба конструкции.
Поэтому на практике предлагаемую ветротеплоустановку целесообразно изготавливать на мощность в десятки и более киловатт, так как лишь при таких размерах она будет соизмерима с размерами самого ветродвигателя и обеспечит достаточно длительную аккумуляцию тепловой энергии.
Источники информации
1. Патент СССР № 1775025, F 24 H 3/00, 1990 г.
2. Патент РФ № 2253040.
3. В.Я. Борщев и др. Оборудование для переработки сыпучих материалов. «Издательство Машиностроение», М., 2006 г.