СПОСОБ СМЕРЧЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ, СМЕРЧЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ), ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, СПОСОБ МАГНИТОТЕПЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, СМЕРЧЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТОТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, СМЕРЧЕВОЙ НАГНЕТАТЕЛЬ И СМЕРЧЕВАЯ ТУРБИНА
METHOD OF VORTEX ENERGY CONVERSION OF CONTINUOUS MEDIUM, VORTEX ENERGY CONVERTER (VERSIONS), SOLAR ENERGY CONVERTER, METHOD OF THERMOMAGNETIC ENERGY CONVERSION, VORTEX CONVERTER OF THERMOMAGNETIC ENERGY, VORTEX SUPERCHARGER AND VORTEX TURBINE

Изобретения относятся к области аэрогидродинамики, энергетики и магнитных технологий, а точнее к формированию смерчеобразных закрученных потоков газов, жидкостей и/или их двухфазных смесей и комплексному преобразованию их кинетической и тепловой мощности.
В периодической научной и патентной литературе представлены патенты и предложения, касающиеся комплексного преобразования и использования мощности низкопотенциальных источников, в том числе возобновляемых источников, путем объединения их в единые системы. Однако нет предложений об использовании:
- комплексных способов смерчевого и магнитотеплового преобразования низкопотенциальной энергии сплошной среды в механическую и/или электрическую энергию,
- смерчевых устройств для преобразования энергии солнечной радиации в тепло и дальнейшего использования этого тепла для смерчевого и магнитотеплового производства энергии или других целей,
- смерчевых воздушных, гидравлических и магнитотепловых устройств - преобразователей низкопотенциальной кинетической, тепловой энергии и энергии магнитного поля в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции, объединенных в единый энергопреобразующий комплекс.
Существуют предложения, касающиеся использования энергии природных явлений, таких как потоки солнечной радиации, ветра, геотермальных вод, морских и океанических приливов и отливов, течения малых и крупных рек, объединяемых в комплексные системы, преобразующие энергию.
Однако известные предложения не используют смерчевые способы и устройства, концентрирующие в смерчеобразных закрученных струях низкопотенциальную энергию перечисленных природных явлений. Например, практически не используются:
- способы и устройства для формирования самоорганизующихся квазипотенциальных смерчеобразных струй с целью наиболее эффективного преобразования сконцентрированной в них энергии в энергию полноценной кондиции,
- потоки со встроенными в их течение смерчеобразными струями и смерчевая интенсификация тепло- и массообмена между низкопотенциальными тепловыми потоками и обтекаемыми поверхностями, существенно превосходящая эффективность традиционных способов интенсификации тепло- и массообмена.
Среди известных предложений близкими к предлагаемому изобретению являются изобретения: GB N16709, 1887; US N428057, 1890; SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, JP 59025091, RU 2020304, RU 2023216, RU 2040127, RU 2044248, SG 47069, RU 2059881, EP 0839309, EP 92911873, EP 96927047, US 6006823, US 6119987, RU 2109173 C1, RU 2109227, RU 2167338, RU 2172904, RU 2183801, RU 2199025, RU 2199024, RU 2210840, RU 2210839, WO 03004868, EP 03012638, EP 1458972, WO 2004048871, WO 2004083651, WO 2004083628, US 2004/0240984 A1, EP 1606512, PCT/RU 2005/000096, EP 1873397 A2, EP 1878983 A1, EP 1890035 A2, CN 1888359.
Условно первая часть перечисленных документов RU 2059881, WO 03004868 - 2003-01-16, EP 03012638 - 2003-03-06, EP 1458972 - 2004-09-22, WO 2004083628 - 2004-09-30, US 2004/0240984 A1, EP 1606512 - 2005-12-21 защищает различные способы смерчевого преобразования энергии потоков газов и жидкостей, например ветра и воды, а также указывает на необходимые и достаточные условия формирования нового типа течений сплошной среды - смерчеобразных квазипотенциальных радиально сходящихся закрученных струй. Условия формирования этих струй основаны на анализе точных решений нестационарных уравнений гидродинамики (уравнения Навье-Стокса и неразрывности); в перечисленных документах, патентах и научных публикациях, эти струи применены для создания разнообразных статических аппаратов, формирующих смерчеобразные закрученные течения в вязких сплошных средах. Известен способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию, носящий название TWES (Tornado Wind Energy Systems). Известные TWES представляют собой вертикальные башни цилиндрической формы, внутри которых формируется смерчеобразное (Tornado Like) закрученное течение. Оно возникает за счет потоков воздуха, втекающих вовнутрь башни через одну или множество боковых щелей, образующих произвольный, но постоянный для данной конструкции башни, угол с локальным радиусом сооружения. Например, в цитированных работах в одной из предлагаемых башен щели в башне открыты с наветренной стороны и закрыты с подветренной. Проходя сквозь щели, поток ветра приобретает тангенциальную составляющую скорости и закручивается внутри башни. В ядре такого потока образуется зона пониженного давления, что обеспечивает всасывание дополнительных масс воздуха вовнутрь башни через ее нижний торец, установленный на специальное устройство - "поддувало". Подсасываемый поток подают на турбину, преобразующую его кинетическую мощность в механическую. Закрученный поток над турбиной в виде смерчеобразной струи, устремляясь к выходу из башни, уносит с собой массу среды, попавшую в башню пройдя турбину и поэтому замедлившуюся (см., например, Power coefficient of Tornado-Type Wind Turbines / Rangwalla A.A., Hsu C.T. // Journal Energy, 1983, v.7, № 6, p.735-737; Performance of Tornado Type Wind Turbines with radial Supply / Hsu C.T.H. Ide. // Journal Energy, v.7, № 6, 1983, p.452-453).
Авторы цитируемых работ и другие исследователи (см., например, "On Vortex Wind Power" / So R.M.C. // Journal of Fluids Engineering, 1978, v.100, p.79-82) ошибочно считают, что поле скорости и давления в TWES характеризуется распределениями скорости и давления, известными для вихря Бюргерса ("A mathematical model illustrating the theory of turbulence" / Burgers J.M. // Advances Appl. Mechan. 1948, v.1, p.157-199). Однако реализация этого способа в модельных устройствах не подтвердила это предположение и указала на серьезные потери, вызванные отсутствием условий для прямой сшивки линий тока в струях, втекающих через щели внутрь торнадо-башни, с линиями тока формируемого смерчеобразного течения (см., например, Investigations of the Tornado Wind Energy System / A.Mitchell // Publisher: American Solar Energy Society, June 1985).
Известны солнечные башни и TWES (см., например, JP 59025091 А, ЕР 1873397 А2, ЕР 1878983 А1, ЕР 1890035 А2), в которых за счет солнечного подогрева стимулируют возникновение термоиндуцированного потока воздуха, направляемого на турбину, или генерируют водяной пар, образующий при рабочих температурах в вертикально расположенных башнях термоиндуцированное течение.
Помимо этого, недостатком способов смерчевого преобразования энергии, предложенных в цитированных Патентах и в более ранних публикациях, описывающих способы и установки TWES, является относительно высокая стоимость кВтч преобразованной энергии по сравнению с энергией, производимой традиционными способами, обусловленная их низкой эффективностью из-за торможения потока, натекающего на крупногабаритные конструкции устройств, преобразующих кинетическую мощность потоков воздуха, и отсутствие условий для формирования смерчеобразного течения в потоке, взаимодействующем с турбиной в предлагаемых TWES, или потоков пара в солнечных башнях. Перечисленные недостатки обуславливают диссипацию энергии в процессе ее преобразования и не обеспечивают безударное и безотрывное движение сплошной среды, необходимое для формирования смерчеобразного квазипотенциального течения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, согласно которому для преобразования энергии поток сплошной среды подают в выбранный аксиально-симметричный внутренний объем конфузорной формы по двум системам направляющих каналов, обеспечивающих движение подаваемой среды по винтовым траекториям, сходящимся к оси симметрии выбранного объема, причем с помощью первой системы каналов формируют закрученное течение, придавая потокам в каналах вращательный момент и концентрируя в них мощность за счет сходимости течения. Сформированный таким образом поток направляют в зону преобразования кинетической мощности в механическую мощность, а с помощью второй системы каналов формируют закрученный поток, понижают в нем давление, за счет чего поток всасывает сплошную среду, истекающую из зоны преобразования, и эвакуирует ее за пределы преобразователя (см. WO 2004083628, 2004.09.30).
Недостатками известного способа смерчевого преобразования энергии являются:
- существенные потери мощности потока сплошной среды, натекающего на башню и используемого для преобразования энергии, обусловленные торможением течения граничными поверхностями преобразующего аппарата, размещенными на его пути, например потоков ветра, натекающего на граничные поверхности смерчевых (торнадо) башен, в которых концентрируют и преобразуют кинетическую мощность ветра, а также потоков других газообразных или жидких сред;
∞
IN
IN
3
- отсутствие условий для безотрывного и безударного течения сплошной среды на входе вовнутрь башни, которые должны быть соблюдены для реализации способа, осложняющие сооружение предлагаемых смерчевых преобразователей энергии. Так, при преобразовании энергии ветра в башне, сопротивление ее конструкций потоку ветра вызывает существенное снижение скорости воздуха U на входе в нее и, как следствие, существенно уменьшает преобразуемую мощность N потока ветра, зависящую от величины скорости U втекающей сплошной среды, возведенной в куб (N~U ). Эта универсальная закономерность проявляется в процессах преобразования энергии сплошной среды, находящейся в любом агрегатном состоянии, и является причиной низкой эффективности смерчевого способа преобразования энергии в преобразователях со статическим направляющим аппаратом. В солнечных башнях потери обусловлены турбулентными процессами в термовосходящем потоке водяного пара.
Перечисленные недостатки и высокая цена преобразованной энергии в случае TWES послужили основанием для снижения практического интереса к этому, безусловно, важному направлению производства энергии за счет возобновляемых источников.
Условно вторая часть перечисленных документов RU 2059881, WO 03004868, ЕР 03012638, ЕР 1458972, WO 2004083628, US 2004/0240984 A1, EP 1606512 защищает различные варианты устройств для смерчевого преобразования энергии внешней сплошной среды. Предложения, содержащиеся в этих документах, основаны на использовании статического направляющего аппарата, создающего совместно с конструкциями смерчевой башни сопротивление натекающему потоку, что снижает скорость на входе в смерчевую башню и резко уменьшает эффективность преобразования энергии.
Наиболее близким к предлагаемым преобразователям энергии (вариантам) является устройство для преобразования энергии потоков сплошных сред, содержащее конфузорные камеры, системы неподвижных каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину, сопряженную с электрогенератором, связанным с турбиной посредством центральной оси, проходящей через обтекатель, и опорную конструкцию (см. WO 2004083628, 2004.09.30).
Недостатками известного устройства являются:
- высокая цена преобразуемой энергии, обусловленная большими объемами смерчевых конфузорных камер и других конструктивных элементов, и трудоемкость их сооружения из-за необходимости обеспечения высокой точности форм и пространственной ориентации формируемого смерчеобразного течения;
- низкая эффективность преобразования энергии, вызванная снижением скорости втекающего в камеру потока сплошной среды, по сравнению со скоростью потока в отдалении от камеры, что обусловлено сопротивлением ее форм и поверхностей, встречающих натекающее течение; этот недостаток особенно ярко проявляется при преобразовании медленных потоков среды, например потоков слабого ветра. В самом деле эффект торможения потока ветра граничными поверхностями камер резко снижает уровень преобразования мощности потока, так как величина преобразованной мощности зависит от величины возведенной в куб скорости среды, втекающей в башню.
Условно третья часть перечисленных документов: UK No 16709, 1887; US No 428057, 1890, SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, RU 2167338, RU 2199025, RU 2199024, RU 2210839, RU 2210840 защищает различные варианты магнитотепловых преобразователей энергии, основанные на теории магнетизма и использовании традиционных способов тепло- и массообмена.
c
Известны способы преобразования магнитной и тепловой энергии в энергию движения путем выполнения рабочего тела из магнитно-мягких веществ, обладающих свойством приобретать при охлаждении в диапазоне температур, близких к комнатным, ферромагнитные свойства и переходить в парамагнитное состояние при нагреве. Другими словами, эти вещества имеют низкие температуры Т (точка Кюри) магнитного фазового перехода. Практически во всех перечисленных предложениях есть указание на возможность использования известного феномена притяжения магнитов друг к другу для превращения магнитной энергии в энергию движения, однако технические решения способа по организации магнитных полей и обеспечению магнитотеплового процесса преобразования магнитной и тепловой энергии в механическую энергию отсутствуют. Этим и объясняется отсутствие действующих магнитотепловых преобразователей энергии, несмотря на столь длительный период, прошедший с момента опубликования указанных выше предложений.
Наиболее близким к заявленному способу является патент, авторы которого считают задачей изобретения "существенное изменение и расширение функциональных возможностей работы магнитотеплового устройства за счет способа организации его работы, позволяющего, в частности, создать эффективные автономные двигатели и генераторы различного типа и назначения с использованием только низкопотенциальных природных источников энергии независимо от погодных условий и времени суток" (см. RU 2199025 С1, 20.02.2003).
c
Известный способ основан на использовании энергии различных форм магнитных фазовых превращений и тепла с последующим их преобразованием в энергию движения рабочего тела, в качестве которого используется магнитно-мягкое вещество с ферромагнитными свойствами, обладающее спонтанной намагниченностью в точке Т фазового перехода и зависимостью величины намагниченности от температуры. Помещая рабочее тело в поляризующее магнитное поле, в замкнутом объеме которого под атмосферным давлением находится парожидкостная смесь низкокипящей рабочей жидкости, авторы переводят рабочее тело из парамагнитного в ферромагнитное состояние, вследствие чего рабочее тело под действием магнитных сил перемещается в направлении их действия из зоны с минимальным значением индукции магнитного поля в зону, в которой значение магнитной индукции максимально.
Недостатками этого известного способа являются:
- отсутствие указаний на возможные источники нагрева и охлаждения и способа использования этих источников при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов, адекватных задаче преобразования энергии. Кроме общего утверждения о необходимости нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества в способе нет указаний, позволяющих за относительно малые времена контакта с греющим и охлаждающим теплоносителями обеспечить:
- магнитные фазовые превращения в рабочем магнитно-мягком веществе,
- необходимую скорость движения рабочих элементов и
- приемлемую удельную мощность преобразователя.
Предложения авторов не могут считаться эффективными, поскольку основным их недостатком, как и в предложениях других патентов, являются трудности реализации нестационарного нагрева и охлаждения рабочих элементов традиционными методами при использовании любого теплоносителя. В первую очередь, этот недостаток присущ газообразным теплоносителям со сравнительно невысокой температурой (среда с низким тепловым потенциалом), которые за время контакта с теплоносителями должны обеспечить в массе рабочих элементов магнитные фазовые превращения: парамагнетик-ферромагнетик-парамагнетик. Такой процесс в предлагаемом изобретении может быть лишь умозрительным, поскольку фиксированный объем системы, в котором размещается магнитно-мягкое вещество, ограничивает возможности использования низко-потенциальных теплоносителей, а потому отсутствие в патенте вариантов организации системы нагрева и охлаждения рабочего тела не позволяет отличить этот способ от других предложений, преследующих аналогичные цели.
Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю магнитно-тепловой энергии в механическую и/или другие ее виды - является магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему (см. SU 1793525 А, 07.02.93).
Недостатки известного устройства:
- отсутствие указаний о размещении вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле, форме и количестве рабочих элементов, участвующих в создании результирующего момента силы в направлении их движения, обусловленных величиной планируемой мощности преобразования магнитной энергии в механическую или в другие ее виды;
- отсутствие указаний о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле и связи характеристик нестационарного теплообмена с планируемой мощностью преобразования магнитной энергии в механическую или в другие ее виды;
- использование жестко закрепленных на корпусе оптических линз для фокусировки солнечного излучения на поверхность рабочих элементов, что делает неэффективным работу генератора и актуальным вопрос о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле;
- использование в качестве рабочего вещества железо-родиевого сплава, что ограничивает потребительскую ценность предлагаемого устройства.
Условно четвертая часть перечисленных документов JP 59025091, ЕР 1878983 А1, ЕР 1873397 А2, ЕР 1890035 А2 защищает различные варианты солнечных башен, использующих тепло солнечной радиации для нагрева воздуха, формирования его закрученной струи, преобразования солнечного тепла в пар, направления потока пара на паровую турбину и получения механической мощности.
Недостатками солнечных башен являются:
- их неработоспособность в пасмурные дни, в сумрачное время суток и ночью;
- необходимость регулярной очистки поверхности зеркал от пыли и песка;
- необходимость предотвращения "накипи" на парообразующих поверхностях и на лопастях паровой турбины.
Условно пятая часть перечисленных документов RU 2023216, RU 2109227, RU 2172904, RU 2183801, RU 2285210 защищает различные варианты преобразователей солнечной энергии в тепло, основанные на поглощении лучистой энергии поверхностью твердых пластин с покрытием, обладающим высоким коэффициентом поглощения, или оптически прозрачных жидкостей с мелкодисперсными частицами из аналогичного материала.
Известна комбинированная солнечная энергоустановка, преобразовывающая и одновременно концентрирующая солнечную энергию для нагрева воды и получения электрической энергии (RU 2285210 С, 10.10.2006).
Солнечная комбинированная энергоустановка по патенту RU 2285210 содержит первичный конический концентратор, плоскую изоляторную соединительную круговую шайбу, центральное сквозное отверстие первичного конического концентратора, датчик слежения, фотоэлементы датчика слежения, перегородки датчика слежения, полый трубчатый теплонагреватель в форме круга, фотоэлементы на внешней поверхности полого "трубчатого теплонагревателя" в форме круга, вторичный полупараболоидный, развернутый на 360°, концентратор, термоэлементы на внешней стороне вторичного полупараболоидного, развернутого на 360°, концентратора, входное и выходное отверстия кругового трубчатого полого теплонагревателя.
Недостатком известного устройства является ограниченность площадей освещаемых поверхностей для прямого преобразования энергии солнечной радиации в тепло и электрическую энергию и отсутствие интенсификации процессов освещения нагреваемых поверхностей и интенсификации теплообмена между нагреваемой поверхностью и обтекающим потоком воды, что обуславливает низкую эффективность преобразования энергии солнечной радиации.
Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю энергии солнечной радиации в тепло - является устройство, содержащее герметичный корпус с размещенными в нем каналами (см. RU 2183801 С1, 20.06.2002).
Недостатками известного устройства является низкая эффективность преобразования солнечного излучения в тепло из-за отсутствия интенсификаторов теплообмена.
Условно шестая часть перечисленных документов защищает различные варианты нагнетателей сплошной среды в объем выбранного пространства.
Наиболее близким к заявленному устройству смерчевого нагнетателя является нагнетатель, который содержит профилированные лопасти, имеющие винтовую поверхность. Узкие винтовые щелевые каналы, образованные боковыми поверхностями лопастей, препятствуют обратному истечению воздуха. Лопасти имеют на наружном диаметре угол подъема 70÷80°, а на внутреннем не менее 55° (см. RU 2109173 С1, 20.04.1998).
Недостатком известного решения является невозможность формирования смерчеобразной струи в объеме выбранного пространства и управления профилями скорости и давления в потоке.
Условно седьмая часть перечисленных документов защищает различные варианты турбин, преобразующих мощность потоков сплошной среды в механическую энергию.
Наиболее близким к заявленному устройству смерчевой турбины является турбина, содержащая корпус и размещенные в корпусе на валу лопатки, принимающие поток (см. SU 1662172 А, 27.10.1996).
Недостатком известного решения является невысокая эффективность преобразования с ее помощью мощности закрученных смерчеобразных потоков, обусловленная высокими значениями их азимутальной и продольной компонент скорости.
Техническим результатом реализации предлагаемого способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды является:
- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;
OUT
OUT
3
- существенное повышение эффективности преобразования энергии внешней среды в выбранном осесимметричном объеме за счет формирования в нем самоорганизующейся смерчеобразной струи, структура, величина скорости и поле давления в которой увеличивают скорость ее потоков, втекающих в выбранный объем, независимо от агрегатного состояния и состояния движения среды за пределами этого объема. Это обеспечивается возможностью управлять перепадом давления между внешней средой и закрученным потоком в башне и регулировать скорость U ее потока, истекающего из осесимметричного объема. Описанная возможность резко повышает мощность (N~U ) преобразуемой энергии;
- уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счет нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны. В потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;
- существенное повышение КПД, функциональной и технико-экономической эффективности традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, за счет превращения в энергию полноценной кондиции части энергии низкопотенциальных тепловых отходов, сбрасываемых тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы;
- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды за счет повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности;
- снижение количества органического топлива, используемого в бытовой и промышленной сферах;
2
- снижение уровня выбросов в атмосферу и водоемы углекислого газа (СО), тепловых бытовых и промышленных отходов;
- снижение кавитационного износа и предотвращение разрушения гидравлических механизмов и устройств, применяемых в смерчевых преобразователях энергии и в традиционных энергосистемах, таких как гидронасосы, гидротурбины и др.;
- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Техническим результатом реализации предлагаемых смерчевых преобразователей энергии (варианты) является:
- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;
- повышение эффективности преобразования энергии внешней среды за счет создания смерчевых башен с подвижными направляющими лопатками внутри их объема, например, смерчевыми нагнетателями, приводимыми в движение, например, с помощью магнитотеплового привода, использующего низкопотенциальные потоки тепловой энергии, например, теплоносители, нагреваемые или охлаждаемые с помощью солнечной радиации, обеспечивающие использование магнитотеплового преобразования энергии;
- уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счет нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны; в потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;
- увеличение скорости потока среды, истекающей из смерчевых башен, за счет использования смерчевых технологий на граничных поверхностях башен, направляющего аппарата, обтекателя, лопаток смерчевого нагнетателя и смерчевой турбины, на других обтекаемых поверхностях, а также за счет вращения нагнетателя с помощью магнитотеплового преобразователя низкопотенциальной энергии;
- понижение внутри смерчевых башен давления, компенсирующего сопротивление ее конструкций натекающему потоку, путем формирования в сплошной среде, наполняющей башню, закрученного течения, независимого от состояния внешней среды, натекающей на башню, например, в воздухе, при преобразовании энергии ветра, а также в других газообразных или жидких средах;
- повышение степени защиты окружающей среды при использовании преобразователей энергии сплошной среды за счет утилизации тепловых отходов производственной деятельности и отсутствия вредных отходов и выбросов.
Техническим результатом реализации предлагаемого способа магнитотеплового преобразования энергии является:
- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива, создание электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, магнитотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещенных электрических машин и др.;
- увеличение эффективности низкопотенциальных источников тепла, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, за счет организации смерчевого способа нагрева и охлаждения, адекватного задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов;
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счет оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы, и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества, увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счет придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчеобразных струй, встроенных в потоки теплоносителей;
- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счет повышения скорости перемещения платформы с магнитно-мягким веществом;
- уменьшение времени магнитных фазовых превращений в рабочем магнитно-мягком веществе;
- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счет ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;
- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико-экономической эффективности традиционной энергетики за счет возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы.
Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя магнитотепловой энергии является:
- увеличение эффективности используемых низкопотенциальных источников тепла за счет организации смерчевых потоков теплоносителей, адекватных задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов;
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счет оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы, и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества, увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счет придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчеобразых струй, встроенных в потоки теплоносителей;
- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счет повышения скорости перемещения платформы с магнитно-мягким веществом;
- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счет ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;
- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико-экономической эффективности традиционной энергетики за счет возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы;
- увеличение уровня концентрации мощности низкопотенциальных тепловых источников, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, и превращения этой мощности в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции за счет использования явления самоорганизации смерчеобразных течений и магнитотепловых эффектов, сопровождающих фазовые превращения в магнитных телах и жидкостях;
- увеличение эффективности магнитной системы за счет создания двух зон распределения магнитного поля: зоны градиентного поля и зоны однородного поля, позволяющих обеспечить оптимизацию скоростей охлаждения магнитно-мягкого вещества, толщины рабочих элементов и их суммарную массу, подвергающихся охлаждению и нагреву в процессе преобразования энергии, что обеспечивает притяжение охлажденной части магнитно-мягкого вещества к зоне с максимальным значением напряженности магнитного поля и использование силы магнитного притяжения для получения механической энергии и вращения направляющего аппарата внутри смерчевой башни;
- увеличение за счет смерчевых технологий скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей путем придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчеобразных струй, встроенных в потоки теплоносителей и существенно увеличивающих скорость обмена теплом между потоком и поверхностью;
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счет оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора конфигурации теплообменных каналов и использования смерчевого способа охлаждения;
- повышение уровня защиты окружающей среды за счет практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов.
Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя солнечной энергии, для ее преобразования в тепло, является:
- увеличение коэффициента поглощения тепловой энергии на поверхности солнечных коллекторов за счет использования явления самоорганизации смерчеобразных вихревых структур;
- увеличение теплопередачи от поверхности, принимающей солнечную энергию, в поток сплошной среды - теплоносителя;
- повышение автономности предлагаемого преобразователя по сравнению с известными установками такого типа;
- повышение уровня защиты окружающей среды за счет практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов.
Техническим результатом реализации предлагаемого смерчевого нагнетателя является:
- возможность управления процессом смерчевого преобразования энергии за счет изменения интенсивности смерчеобразного течения, формируемого нагнетателем внутри смерчевой башни;
- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счет повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;
- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Техническим результатом реализации предлагаемой смерчевой турбины является:
- высокоэффективное преобразование энергии смерчеобразных струй, генерируемых в смерчевых башнях;
- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счет повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;
- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Σ
OUT
Технический результат от реализации способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды достигается тем, что сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Q, имеющую форму конфузора, высотой Z и переменным по высоте радиусом
IN
OUT
R≥R≥R,
K
K,OUT
J,K
или нескольких конфузоров, числом "К" вложенных один в другой, каждый из которых имеет объем Q, высоту Z и переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале:
K,IN
J,K
K,OUT
R≥R≥R,
Σ
K
Q
QK
Q
QK
Σ
при этом области Q и Q имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях Σ и Σ соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах Σ и Σ и внутри области Q выполнялись соотношения:
IN
IN
i,Σ
i,Σ
OUT
OUT
Σ
2
2
2
R Z=R Z=R Z=const, i=0, 1, 2, 3, … p,
J,K
J,K
K
2
R Z=const, J=0, 1, 2, 3, … s,
IN
IN
IN
Q
Σ
Q
OUT
OUT
OUT
Q
QK
Σ
Q
Σ
Σ
K
K
QK
Σ
Σ
0Σ
Σ
K
IN
0Σ
0,ΣQK
Σ
K
Σ
K
IN
Σ
Σmax
Σmax
Z
Ψ
KQ
Σmax
QK
Σ
Q
IN
Q
OUT
OUT
IN
Σ
OUT
IN
Q
где Z, R, ψ - цилиндрические координаты, центр которых расположен в точке пересечения с основанием выбранной осесимметричной области продольной оси ее симметрии, индекс "IN" присвоен цилиндрическим координатам Z, R, ψ, принадлежащим входному участку граничной поверхности Σ, а индекс "i,Σ" указывает на его принадлежность любой i-той точке области Q ограниченной поверхностью Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Z, R, ψ, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки на поверхности Σ К-того конфузора внутри объема Q, ограниченного поверхностью Σ, индексы "Σ" и "К", присвоенные постоянным "const", указывают на принадлежность "const" объему Q, заключенному внутри граничной поверхности Σ, а "const" объему Q, ограниченному граничной поверхностью Σ конфузора внутри области Q, при этом траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q под местным азимутальным углом ψ, определяющим внутри области Q, равно как и внутри конфузоров Q, начальную закрутку потока сплошной среды по отношению к радиусу R, и местными высотными углами α и α по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счет выбранной пространственной ориентации этих поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Q, равно как и в конфузорах Q, обеспечивает радиальную сходимость и смерчеобразную закрутку потока сплошной среды, поступающей в эти области, при этом формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и, двигаясь по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q, равно как и в конфузорах Q, увеличивая за счет этого скорость U потока, втекающего в эту область, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе кинетическую мощность течения, максимум которой достигается в области Q, в зоне, имеющей радиус R и продольную координату Z, в которой достигается равенство продольной компоненты скорости U и азимутальной скорости U, причем высоты Z выбирают так, чтобы продольная координата этой зоны превосходила бы продольные координаты любого "К-того" конфузора внутри нее: Z>Z, располагают на этой высоте зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, передаваемую на вал турбины, учитывают замедление и потерю закрутки в смерчеобразном потоке, прошедшем эту зону и передавшем часть своей кинетической мощности лопастям турбины, компенсируют замедление потока, располагая в области Q, в пространстве между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, зону компрессии, повышающую на этом участке и, опосредованно, на входном участке граничной поверхности Σ скорость U, а на выходном участке граничной поверхности Σ - скорость U, причем повышение скорости U по отношению к скорости U потока, втекающего в область Q, связывают между собой отношением радиуса выходного участка R к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Z граничной поверхности Σ:
IN
OUT
OUT
IN
U/U=R/nZ,
IN
OUT
Σ
где "n" определяется в интервале: 1≤n≤20, а радиусы R и R области Q определяются в интервале:
IN
OUT
1,5≤R/R≤7,5,
Q
Σ
используют для формирования закрученного потока энергию натекающей сплошной среды, тепло солнечной радиации и/или любого низкопотенциального источника тепла и энергию, запасенную в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких веществах, причем поверхности внутренней границы Σ обтекателя, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, формуют углублениями двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой частью поверхности углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,2,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25,
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,05≤f≤0,95,
где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперек потока соответственно.
Q
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы Σ области Q и в любой J-той точке на поверхности К-того конфузора внутри этой области, определяется соотношениями:
IN
Ψ,Σ
Z,Σ
R,Σ
J,K
Ψ,J,K
Z,J,K
R,J,K
2
2
2
0,5
2
2
2
0,5
U=(U +U +U ) и U=(U +U +U ),
0
0Σ
соответственно, при этом местный азимутальный угол ψ и местный высотный угол α определяются соотношениями:
0
Ψ,Σ
R,Σ
0Σ
Z,IN
Σ,IN
ψ=arctg(U/U) и α=arccos(U/U)
0,Σ
Q
i,Σ
i,Σ
соответственно, причем угол α образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности Σ в любой точке, координаты R и Z которой находятся в интервалах:
OUT
i,Σ
OUT
OUT
i,Σ
OUT
3,5R≤R≤4,5R и 0.08Z≤Z≤0.05Z,
K
J,K
J,K
а высотные углы  под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осесимметричными поверхностями Σ имеют координаты R и Z, определяемые в интервалах:
K,OUT
J,K
K,OUT
K,OUT
J,K
K,OUT
3,5R≤R≤4,5R и Z≤Z≤Z,
Σ
R
Z
Ψ
что обеспечивает формирование в выбранной области Q смерчеобразного квазипотенциального закрученного потока с компонентами скорости U, U и U, определяемыми внутри области соотношениями:
вдоль радиуса области Q<sub>Σ</sub>:
U<sub>R</sub>=-C<sub>0</sub>(t)R<sub>i.Σ</sub>
во входном сечении на границе Σ<sub>Q</sub>:
U<sub>R</sub>=-C<sub>0</sub>(t)R<sub>IN</sub>
во входном сечении любого К-того конфузора
на границе Σ<sub>K</sub>:
U<sub>R,J,K</sub>=-C<sub>0</sub>(t)R<sub>J,K</sub>
вдоль продольного размера области Q<sub>Σ</sub>:
U<sub>Z</sub>=2C<sub>0</sub>(t)Z<sub>i,Σ</sub>
в любой J-той точке внутри любого
"К-того" конфузора:
U<sub>Z,J,K</sub>=2C<sub>0</sub>(t)Z<sub>J,K</sub>
по азимуту области Q:
U<sub>i,Ψ</sub>=(Г<sub>0</sub>(t)/R<sub>i.Σ</sub>)[1-exp(-C<sub>0</sub>(t)R<sub>i.Σ</sub><sup>2</sup>/2ν)]
на границе Σ:
U<sub>ΨΣ</sub>=(Г<sub>0</sub>(t)/2πR<sub>IN</sub>)[1-exp(-C<sub>0</sub>(t)R<sub>IN</sub><sup>2</sup>/2ν)]
в любой J-той точке "К-того"
конфузора:
U<sub>ΨΣ</sub>=(Г<sub>0</sub>(t)/2πR<sub>J</sub>)[1-exp(-C<sub>0</sub>(t)R<sub>J</sub><sup>2</sup>/2ν)],
0
i.Σ
Σ
IN
0
R
i.Σ
0
0
IN
OUT
OUT
3
здесь Г(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем закрученное течение по мере уменьшения радиуса R области Q, включая точку R на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения C(t)=-(U(t)/R), при этом C(t) и Г(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости U потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растет пропорционально N~U  при балансе энергии между ее сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 1) достигается тем, что он содержит:
- смерчевую осесимметричную конфузорную башню, снабженную:
- приемниками потоков сплошной среды,
- внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещенным по оси симметрии башни,
- неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жестко связанными с ее внешней конфузорной поверхностью и обтекателем,
- силовыми вращающимися валами, нижним и верхним, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни,
- смерчевым нагнетателем, установленным над неподвижным направляющим аппаратом,
Nmax
Nmax
Z
Ψ
- смерчевой турбиной, по крайней мере одной, жестко связанной с силовым валом, установленной по оси симметрии башни, в зоне, имеющей радиус R и продольную координату Z, в которой достигается равенство продольной U и азимутальной скорости U компонент скорости;
- преобразователи солнечной энергии;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, расположенный под неподвижным направляющим аппаратом, имеющий общую ось симметрии со смерчевой башней, оснащенный:
- магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
- силовым подвижным диском с установленными на нем каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
- силовым валом, жестко связанным с силовым диском и смерчевым нагнетателем в смерчевой башне,
- смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей:
- смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя;
- опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте;
Σ
Q
причем смерчевая осесимметричная конфузорная башня состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объем Q, открытый в окружающее пространство в зонах башни, имеющих максимальный и минимальный радиусы, соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню и истекает из нее, при этом башня обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой ее высоте и в любом ее внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:
2
RZ=const,
Σ
при этом поверхности конфузорной башни, внешней границы обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны на ней, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причем сопряжение углублений и гладкой поверхности осуществляется с помощью выпуклых скатов углублений, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,5,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95,
где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений вдоль и поперек потока соответственно.
Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причем обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
J,F
J,F
2
R Z=const, J=0, 1, 2, 3, … n,
J,F
J,F
n,F
IN
где R и Z радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R к максимальному радиусу башни R составляет величину в интервале:
n,F
IN
0,03≤(R/R)≤0,3;
при этом обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни и сопряжен с силовым диском.
Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями:
в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
i,Σ
i,Σ
2
- вдоль радиуса смерчевой башни: ZR =const,
- в любой J-той точке поверхности любого
J,K
K,J
2
"К-того" конфузора внутри смерчевой башни: ZR =const, J=0, 1, 2, 3, … n; K=0, 1, 2, 3, … m;
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
- по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ=arctg(U/U),
- в любой J-той точке поверхности любого "К-того" конфузора:
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
IN
K,J
2
ψ=ψ+(U/2U)[(R/R)-1], J=1, 2, 3, … n; K=0, 1, 2, 3, … m,
где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ", "IN", "присвоены координатам внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и ее входному участку, соответственно, индексы "J,K" присвоены координатам любой J-той точки поверхности любого "К-того" конфузора, а индексы "Ψ,Σ", "R,Σ" и "Z,Σ" присвоены компонентам азимутальной, высотной и радиальной скорости соответственно.
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 2) достигается тем, что он содержит:
OPT
OPT
i,ОРТ
i,OPT
- смерчевую конфузорную башню, состоящую, по крайней мере, из двух осесимметричных конфузоров: внешнего и внутреннего, при этом внешний конфузор смерчевой башни изготовлен из оптически прозрачного материала, имеет высоту Z и внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой ее высоте Z и в любом ее внутреннем поперечном i-том сечении, обладающим радиусом R, связаны соотношением:
i.OPT
i.OPT
OPT
2
R Z=const,
OPT
ОРТ
где const является общей для всех точек на внутренней поверхности внешнего конфузора, а внутренний конфузор изготовлен из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, служащего для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, во внутреннем конфузоре, при этом солнечное излучение направляют на оптически прозрачный конфузор напрямую, и/или с помощью концентраторов солнечной радиации в виде зеркал, и/или с помощью концентраторов, выполненных на оптически прозрачной граничной поверхности Σ внешнего конфузора в виде углублений, при этом углублениям придают форму поверхности двойной кривизны второго порядка, а обтекаемые формируемым смерчеобразным потоком поверхности: конфузоров, внутреннего обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин внутри области Q выполняют гладкими или формуют чередующимися гладкими участками исходной поверхности и криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причем сопряжение углублений с гладкими участками поверхности осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, причем вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем, а башня снабжена:
- приемниками потоков втекающей сплошной среды,
- внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещенным по оси симметрии башни,
- неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жестко связанными с обтекателем и поверхностью конфузоров;
- преобразователи солнечной энергии, состоящие из:
- системы нагрева сплошной среды, заключенной между граничной оптически прозрачной поверхностью внешнего конфузора и поглощающей солнечное тепло поверхностью внутреннего конфузора,
- солнечных нагревателей теплоносителя,
- солнечных батарей для прямого преобразования солнечной радиации в электричество;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, оснащенный:
- магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
- силовым подвижным диском с установленными на нем каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
- силовым валом, жестко связанным с силовым диском и обтекателем смерчевого преобразователя и нагнетателем в смерчевой башне,
- смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя;
- опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте.
Осесимметричные конфузоры смерчевой башни имеют переменные по высоте радиусы R, открыты в окружающее пространство у основания башни в зоне, имеющей максимальный радиус, и в высшей точке башни, где радиус конфузоров минимален, через эти зоны сплошная среда поступает в конфузорную сборку и истекает из нее, соответственно.
С
LC
Отношение глубины h углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L находятся в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,5,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25,
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95.
Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причем обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
J,F
J,F
2
R Z=const, J=0, 1, 2, 3, … n,
J,F
J,F
n,F
IN
где R и Z - радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R к максимальному радиусу башни R, составляет величину в интервале:
n,F
IN
0,03≤(R/R)≤0,3;
при этом обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни, сквозь которое проходит силовой вал, связывающий ротор нагнетателя с силовым диском смерчевого преобразователя низкопотенциального тепла в механическую мощность.
Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями:
в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
i.Σ
iΣ
2
- вдоль радиуса смерчевой башни: ZR =const,
K,J
K,J
2
- в любой J-той точке любого "К-того" конфузора: ZR =const, J=0, 1, 2, 3, … n; K=0, 1, 2, 3, … m,
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
- по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ=arctg(U/U),
- в любой точке внутри смерчевой башни, включая любой "К-тый" конфузор:
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
IN
i,Σ
2
ψ=ψ+(U/2U)[(R/R)-1], i=1, 2, 3, … n;
Σ
где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","IN" и "i" - координаты в объеме смерчевой башни, а "Ψ,Σ", "R,Σ" - скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и в в любой i-той точке "внутри выбранной области Q.
Технический результат от реализации преобразователя солнечной энергии достигается тем, что устройство содержит герметичный корпус с размещенными с нем каналами, при этом корпус теплоизолирован со всех сторон, кроме стороны, покрытой одним или несколькими слоями оптически прозрачной тепловой изоляции, на которую падает поток солнечной радиации, причем металлические зачерненные наружные поверхности каналов, принимающие солнечное излучение, выполнены либо из гладких, либо из формованных пластин, или труб, причем внутри образованных каналов пропускают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации, для чего наружным поверхностям каналов и поверхностям оптически прозрачной изоляции, обращенной во внутрь герметичного корпуса, имеют форму чередующихся участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны и исходно гладких участков, состоящих из сопряженных между собой выпуклых и вогнутых частей углублений, причем сопряжение углублений с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, причем вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,3,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25
при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,05≤f≤0,5,
C
C
а отношение глубины h углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру d находится в интервале:
C
C
0,01≤h/d≤0,5,
при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95.
mах
S
S
хол
гор
Технический результат от реализации способа магнитотеплового преобразования энергии, запасенной в постоянных магнитных полях, в магнитно-мягких веществах и низкопотенциальных тепловых потоках достигается тем, что магнитно-мягкое вещество плотностью ρ, теплопроводностью λ, теплоемкостью С и намагниченностью σ (Т,В), зависящей от температуры Т и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее магнитное поле, создаваемое магнитной системой, в котором индукция поля изменяется в заданном направлении Х от минимального до максимального значений, формируя градиент поля dB/dX≠0, и магнитом в которой магнитное поле однородно, (dB/dX)=0, и имеет максимальную для выбранного постоянного магнита напряженность В=В, при этом слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ=ρ/ρ в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещенных на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью ρ, охлаждают в зоне, где dB/dX≠0, и нагревают в зоне, где dB/dX=0, добиваясь магнитного фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлажденной массы магнитно-мягкого вещества m к зоне, где индукция магнитного поля максимальна, и выталкивание из этой зоны нагретой массы магнитно-мягкого вещества m, перешедшей в парамагнитное состояние, чем достигают непрерывности подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dB/dX≠0, обеспечивая либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, преобразующее мощность магнитного притяжения в механическую мощность или в другие ее виды, при этом нагрев и охлаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в них самоорганизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магнитно-мягкого вещества, причем обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой выпуклых и вогнутых частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем.
M
M
i
i
i
i
P
2
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя магнитотепловой энергии достигается тем, что преобразователь содержит магнитную систему с набором постоянных магнитов, обладающих разной напряженностью магнитного поля, и магнитопроводов, размещенных так, что напряженность магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряженности магнитного поля в его конце, магнитно-мягкое вещество, размещенное в каналах, образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, равного с диском внешнего радиуса, причем магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой h и толщиной δ вертикально между диском и кольцом, исполняя роль боковых стенок каналов, вращающихся вместе с диском в магнитном поле градиентного магнита, преобразователь снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу, у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Z и соответствующем этой координате радиусе R выполняется равенство: ZR =const, при этом направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел, подвижных лопаток и обтекателя, причем на начальном участке лопаток боковые стенки каналов с рабочим магнитно-мягким веществом являются составной частью их поверхности, при этом все поверхности, обтекаемые внутри неподвижного смерчевого конфузора, условно холодным и условно горячим, теплоносителями, в том числе поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой выпуклых и вогнутых частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.
Преобразователь содержит систему смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества с системой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения ее температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причем энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся диске из немагнитного, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком рабочем веществе, причем форма граничных поверхностей сопел и сопряженных с ними подвижных каналов, принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями:
в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
JM
JM
M
2
- ZR =const, J=0, 1, 2, 3 … n; M=0, 1, 2, 3 … m;
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
M
ΣM
Ψ,Σ,M
R,Σ,M
IN,M
J,M
2
2
ψ=ψ±(U/2U)[(R /R )-1], J=1, 2, 3, … n; M=0, 1, 2, 3, … m;
M
знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных значений координаты Z в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψ в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки: знак "+", так и по часовой стрелке: знак "-".
Пространственная ориентация оси симметрии каждого неподвижного сопла сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвижных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
J,M
J,M
2
(±ZR )=const, J=0, 1, 2, 3, … n, M=0, 1, 2, 3, … m,
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
M
ΣM
Ψ,Σ,M
R,Σ,M
IN,M
J,M
2
2
ψ=ψ±(U/2U)[(R /R )-1], J=1, 2, 3, … n; M=0, 1, 2, 3, … m,
J,M
M
знак "±" у координаты "Z" в выражении для const в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψ в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знак "±" также указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки: (знак "+"), так и по часовой стрелке: (знак "-").
min
mах
mах
mах
Магнитные системы расположены, по крайней мере, в двух оппозитных точках по диаметру диска так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита с помощью неподвижных сопел, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H~H и участком, где напряженность магнитного поля составляет Н~0,95Н, а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряженностью магнитного поля Н~0,95Н и до зоны, в которой напряженность магнитного поля однородна и достигает максимума Н~Н.
Для охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества в преобразователе используется либо тепловой насос, либо любой природный источник низкопотенциальной энергии, например сборник отфильтрованной, условно холодной, воды ручьев, рек или пресноводных озер, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, например вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие как, условно, горячая вода, охлаждаемая на градирне, теплоноситель, нагреваемый низкопотенциальным теплом факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низкопотенциальные источники.
C
LC
Отношение глубины h углублений к их продольному вдоль направления потока размеру L находятся в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,3,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25
Технический результат от реализации смерчевого нагнетателя достигается тем, что нагнетатель содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого в системе цилиндрических координат определяется соотношением:
bodyi
body
body
2
ZR =const,
причем лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с внешней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением:
где
- r, z, f - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни,
in
in
f(r,z) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом нагнетателя на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z=Z, а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z,
с
r - радиус нагнетателя,
fp
z - координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя,
ωp
k - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку,
z±
V - продольная скорость среды, втекающей в нагнетатель,
zp
V - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя,
при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавливаются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
i
i
Технический результат при реализации смерчевой турбины достигается тем, что турбина содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
bodyi
body
2
ZR =const,
причем лопасти турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора образуют межлопастные каналы, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:
где
- r, z, φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни,
in
in
- φ(r,z) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом турбины на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения турбины, при этом сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z=Z, причем ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z,
out
out
- φ(r,z) - азимутальная координата сечения лопастей турбины на высоте Z плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины, через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов турбины в башню над турбиной,
с
- r - радиус турбины,
ω
- k - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.
Внутренняя поверхность корпуса, поверхности лопастей и ротора, взаимодействующих со сплошной средой выполнены либо гладкими, либо с рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности, чередующихся с криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Фиг.1. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариант 1), реализующего предложенный способ.
Фиг.2. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариант 2), реализующего предложенный способ.
Фиг.3. Фрагмент поверхности, формованной углублением двойной кривизны.
Фиг.4. Годограф скорости.
Фиг.5. Смерчевая турбина - вид сбоку.
Фиг.6. Смерчевая турбина - вид спереди.
Фиг.7. Смерчевой нагнетатель - вид сбоку.
Фиг.8. Смерчевой нагнетатель - вид спереди.
Фиг 9. Фрагмент смерчевой башни преобразователя по варианту 2.
Фиг.10. Преобразователь солнечной энергии.
Фиг.11. Схема магнитной системы преобразователя магнитотепловой энергии.
Фиг.12. Фрагмент канала с магнитно-мягким веществом.
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 1, фиг.1) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 1, по крайней мере одну, снабженную приемниками 2 потоков сплошной среды, обтекателем 3, неподвижным направляющим аппаратом 4 с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни 1, жестко связанными с ее внешней конфузорной поверхностью и обтекателем 3, силовыми вращающимися валами: нижним 5 и верхним 6, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 1; смерчевым нагнетателем 7, по крайней мере одним, установленным по оси симметрии башни 1 над неподвижным направляющим аппаратом 4 и жестко связанным с нижним силовым валом 5, смерчевой турбиной 8, по крайней мере одной, установленной по оси симметрии башни 1, жестко связанной с верхним силовым валом 6.
Кроме того, содержит преобразователь солнечной радиации, 9, по меньшей мере один, для утилизации солнечной радиации с целью нагрева теплоносителя; преобразователь солнечной радиации 10, по меньшей мере один, для утилизации солнечной радиации, с целью получения электрической энергии.
Смерчевой преобразователь содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 11 для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии и энергии, запасенной в магнитном поле, оснащенный магнитной системой 12 (фиг.1 и фиг.11) с зазором 13 (фиг.1), состоящей из магнита 14 (фиг.11), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 15 (фиг.11), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 4 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 1; силовым подвижным диском 16, несущим магнитно-мягкое рабочее тело, установленным в зазор магнитной системы 12, и жестко связанным нижним силовым вращающимся валом 5 со смерчевым нагнетателем 7 внутри смерчевой башни 1. Преобразователь оснащен смерчевой системой 17 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего тела, содержащей коммуникации, подводящие к силовому диску 16, условно, горячий 18 и, условно, холодный 19 теплоносители; системой неподвижных сопел 20 (фиг.11), подающих, условно, горячий и, условно, холодный теплоносители в подвижные каналы 21 (фиг.12) с размещенным в них магнитно-мягким рабочим телом; смерчевым насосом 22, сопряженным с подвижным силовым диском 16, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 16 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчеобразного закрученного течения; смерчевой турбиной 23, по меньшей мере одной, установленной в системе смерчевого охлаждения 17 преобразователя 11 по оси его симметрии, для преобразования мощности смерчеобразной струи, сформированной в смерчевом насосе 22.
Σ
max
min
Преобразователь содержит опорные узлы 24 и силовые конструкции 25, установленные на фундаменте 26. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 1 состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объем Q, открытый в окружающее пространство в зонах башни 1, через которые сплошная среда поступает в башню в зоне, имеющей максимальный радиус R, и истекает из нее в окружающее пространство в зоне с минимальным радиусом R, при этом башня 1 обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни 1 на любой ее высоте и в любом ее внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:
i
i
2
R Z=const,
i
i
где R и Z цилиндрические координаты любой i-той точки на граничной поверхности Σ.
Поверхности конфузорной башни 1, внешней границы обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4 с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя 7, лопастей смерчевых турбин 8, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких и криволинейных участков в виде углублений 27 (фиг.3 и фиг.12) двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 (фиг.3) и вогнутые 29 (фиг.3) скаты, причем сопряжение углублений 27 с участками гладкой поверхности 30 осуществляется с помощью выпуклых скатов 28 углублений 27, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутые 29 скаты углубления выполнены гладкими или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений 27 (фиг.3 и фиг.12), отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности 30, к их продольному вдоль направления потока размеру L находятся в интервале:
C
LC
0,01≤h/L≤0,5,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления 27 к поперечному размеру L этого углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25
при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95.
Осесимметричный обтекатель 3 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 1, причем обтекатель 3 представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
J,F
J,F
2
R Z=const, J=0, 1, 2, 3, … n,
J,F
J,F
n,F
IN
где R и Z - радиус и высота обтекателя 3, а отношение максимального радиуса R внешней граничной поверхности обтекателя 3 к максимальному радиусу R башни 1 составляет величину в интервале:
n,F
IN
0,03≤(R/R)≤0,3.
Обтекатель 3 имеет отверстие, через центр которого, лежащий на оси симметрии башни 1, проходит силовой вал 5, связывающий объем смерчевой башни 1 и объем преобразователя 11 мощности, при этом внутри смерчевой башни 1 силовой вал 5 сопряжен с нагнетателем 7, а в преобразователе 11 - с подвижным силовым диском 16, вращающимся в зазоре магнитной системы 12.
Неподвижный направляющий аппарат 4 смерчевой башни 1 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями:
в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
Σ
Σ
2
- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе Σ: ZR =const,
- в любой J-той точке поверхности "К-того"
J,K
J,K
2
конфузора: ZR =const, J=0, 1, 2, 3, … n; К=0, 1, 2, 3, … m;
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ: ψ=arctg(U/U),
- в любой К-той точке "J-той" поверхности
внутри выбранной области Q:
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
IN
K,J
2
ψ=ψ+(U/2U)[(R/R)-1], J=1, 2, 3, … n; K=0, 1, 2, 3 … m,
Σ
где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни 1, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ", "Ψ,Σ", "R,Σ", "Z,Σ", "IN" и "J" - координаты точек и скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни 1 и в любой J-той точке "К-той" поверхности внутри выбранной области Q, соответственно.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 2, фиг.2) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 31, состоящую, по крайней мере, из двух осесимметричных конфузоров: внешнего 32 и внутреннего 33, снабженную приемниками 34 потоков сплошной среды, обтекателем 35, неподвижным направляющим аппаратом 36 с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жестко связанными с их внешними конфузорными поверхностями и обтекателем 35, установленным по оси симметрии башни 31; силовыми вращающимися валами - нижним 37 и верхним 38, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 31; смерчевым нагнетателем 39, жестко связанным с нижним силовым валом 37 и расположенным над неподвижным направляющим аппаратом 36; смерчевой турбиной 40, по крайней мере одной, установленной по оси симметрии башни и жестко связанной с верхним силовым валом 38.
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды содержит преобразователи солнечной энергии, состоящие из нагревателей сплошной среды и преобразователей солнечной радиации непосредственно в электрическую энергию: в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 смерчевой башни 31 и конфузором 33, имеющим поверхность с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения. Кроме того, снабжен по меньшей мере одним преобразователем 42 солнечной энергии, с целью нагрева теплоносителя, и по меньшей мере одним преобразователем 43 для утилизации солнечной радиации с целью получения электрической энергии.
Изобретение содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 44 низкопотенциального тепла и энергии, запасенной в магнитном поле, оснащенный:
- магнитной системой 45 с зазором 46, состоящей из магнита 47 (фиг.11), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 48 (фиг.11), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 36 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 31;
- подвижным силовым диском 49, несущим магнитно-мягкое рабочее вещество, установленным в зазор магнитной системы 45, и жестко связанным нижним силовым вращающимся валом 37 со смерчевым нагнетателем 39 внутри смерчевой башни 31;
- смерчевой системой 50 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего вещества, установленной по оси симметрии смерчевой башни под неподвижным направляющим аппаратом 36 и жестко связанной с силовым вращающимся валом 37;
- смерчевым насосом 51, сопряженным с подвижным силовым диском 49, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 49 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчеобразного закрученного течения;
- смерчевой турбиной 52 в системе смерчевого охлаждения, по меньшей мере одной, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя, используемого для нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества.
Σ
IS,max
OS,max
OS,min
IS,min
OS
OS
IS
IS
Изобретение содержит опорные узлы 53 и силовые конструкции 54, установленные на фундаменте 55. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 31 состоит из внешнего 32 и внутреннего 33 конфузоров с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объем Q, открытый в окружающее пространство в зонах башни 31, имеющих максимальные радиусы R и R соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню 31 и истекает из башни в зоне с минимальными радиусами R и R, при этом внешний конфузор башни обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, а внутренний конфузор башни обладает высотой Z и имеет внутреннюю и минимальный граничную поверхность Σ, причем форма граничных поверхностей соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры конфузоров башни 31 на любой ее высоте и в любом ее внутреннем поперечном сечении связаны соотношениями:
i.IS
i.IS
i.IS
i.OS
i.OS
i.OS
2
2
R Z=const, R Z=const, i=0. 1. 2. 3 … n,
i.IS
i.OS
i.IS
i.OS
где R и R - радиусы любой i-той точки на поверхности внешнего 32 и внутреннего 33 осесимметричных конфузоров, a Z и Z - высотные цилиндрические координаты i-той точки на поверхности этих конфузоров. Внешний из конфузоров изготовлен из оптически прозрачного материала, а внутренний - из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, используемой для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, внутри внутреннего конфузора 33. Солнечное излучение направляют на оптически прозрачный конфузор 32 напрямую с помощью традиционных концентраторов солнечной радиации, и/или выполненных на поверхности конфузора 32 в виде углублений 27, имеющих поверхность второго порядка двойной кривизны. Граничные поверхности конфузоров 32 и 33, обтекателя 35, неподвижных элементов направляющего аппарата 36, лопастей смерчевого нагнетателя 39, смерчевой турбины 40, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков исходной поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов 28, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью 30 и с поверхностью вогнутых скатов углубления 29, выполненной гладкой или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений 27, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L находятся в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,5,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25,
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95.
Осесимметричный обтекатель 35 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 31, причем обтекатель 35 представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
J,F
J,F
2
R Z=const, J=0, 1, 2, 3, … n,
J,F
J,F
n,F
IN
где R и Z - радиус и высота обтекателя 35, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R к максимальному радиусу R смерчевой башни 31 составляет величину в интервале:
n,F
IN
0,03≤(R/R)≤0,3.
Обтекатель 35 имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни 31 и сопряжен силовым валом 37 с силовым подвижным диском 49.
Неподвижный направляющий аппарат 36 смерчевой башни 31 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями:
в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
Σ
Σ
2
- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе Σ: ZR =const,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности
K,J
K,J
2
внутри выбранной области Q: ZR =const, J=0, 1, 2, 3, … n; К=0, 1, 2, 3, … m;
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R)
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ: ψ=arctg(U/U),
- в любой К-той точке "J-той" поверхности
внутри выбранной области Q:
Σ
Ψ,Σ
R,Σ
IN
K,J
2
ψ=ψ+(U/2U)[(R/R)-1], J=1, 2, 3, … n; K=0, 1, 2, 3 … m;
где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни 1, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ", "Ψ,Σ", "R,Σ", "Z,Σ", "IN" и "J" - координаты и скорости внутри смерчевой башни 1 и в любой J-той точке любого "К-того" конфузора.
Изобретение содержит механический насос 76, подающий, условно, холодный теплоноситель в систему охлаждения магнитно-мягкого вещества, механический насос 77, подающий, условно, горячий теплоноситель в систему нагрева магнитно-мягкого вещества, блок пусковых электрических аккумуляторов 78, узел электрических коммутирующих устройств 79 для автоматизированного управления работой преобразователя; генераторы 80, преобразующие механическую мощность, отбираемую турбиной у смерчеобразного потока в электрическую мощность; маховик (на чертеже не показан), стабилизирующий вращательное движение нагнетателей, связанных с силовым диском магнитотеплового преобразователя.
Изобретение содержит блок магнитно-механических узлов подвеса и узлов подшипников (на чертеже не показан), связывающих оси движущихся конструктивных элементов преобразователя с механическими преобразующими механизмами и/или электрогенераторами.
Технический результат предложенного изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом преобразователе (вариант 1) следующим образом:
Σ
OUT
- сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Q, имеющую форму конфузора, высотой Z и переменным по высоте радиусом:
IN
OUT
R≥R≥R,
K
K,OUT
или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объем Q, высоту Z и переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале:
K,IN
K,OUT
R≥R≥R,
Σ
K
Q
QK
Q
QK
при этом области Q и Q имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях Σ и Σ соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах Σ и Σ и внутри области Q выполнялись соотношения:
IN
IN
I,Σ
I,Σ
OUT
OUT
Σ
2
2
2
R Z=R Z=R Z=const,
J,K
J,K
J
2
R Z=const,
IN
IN
IN
OUT
OUT
OUT
Σ
Σ
K
Σ
0
Σ
IN
0Σ
Σ
Σ
Σ
IN
Σ
Σ
max
max
Z
Ψ
Σ
OUT
OUT
IN
Σ
OUT
IN
где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам Z, R, ψ, указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Z, R, ψ, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ, индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки в объеме К-того конфузора, ограниченного поверхностью Σ, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "const", указывают на принадлежность каждой "const" объему, заключенному внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "К-той" поверхности внутри области Q, соответственно, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "const", указывают на принадлежность каждой "const" либо объему Q, либо любому объему Q. Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют вовнутрь области Q под местным азимутальным углом ψ, определяющим внутри области Q начальную закрутку потока сплошной среды по отношению к радиусу R, и местными высотными углами α по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счет выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Q обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и, двигаясь внутри осесимметричной области Q по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q, увеличивая за счет этого скорость U потока, втекающего в эту область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Q в отсутствие в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Q, имеющей радиус R и продольную координату Z, определяющих равенство продольной компоненты скорости U и азимутальной скорости U, располагают зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность. При прохождении этой зоны поток сплошной среды теряет закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Q располагают зону компрессии, повышающую на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ скорость U, причем повышение скорости U по отношению к скорости U потока, втекающего в область Q, связывают между собой отношением радиуса выходного участка R к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Z граничной поверхности Σ:
IN
OUT
OUT
IN
U/U=R/nZ,
IN
OUT
Σ
где "n" определяется в интервале: 1≤n≤20, а радиусы R и R области Q определяются в интервале:
IN
OUT
1,5≤R/R≤7,5.
Σ
Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или энергию, запасенную в магнитном поле постоянных магнитов 14 и 15 и в магнитно-мягких веществах, размещенных в каналах 21. Поверхности внутренней границы Σ обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, формуют углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности 28 и 29 второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причем сопряжение углублений 27 с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом вогнутая 29 часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
C
LC
Отношение глубины h углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру L находятся в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,12,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25,
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95,
где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперек потока соответственно.
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы Σ области Q и в любой К-той точке на J-той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями:
IN
ΨΣ
ZΣ
RΣ
J,K
Ψ,J,K
Z,J,K
R,J,K
2
2
2
0,5
2
2
2
0,5
U=(U +U +U ) и U=(U +U +U ),
0Σ
0
соответственно, при этом местный высотный угол α и местный азимутальный угол ψ определяются соотношениями:
0Σ
Z,IN
Σ,IN
0
Ψ,Σ
R,Σ
α=arccos(U/U) и ψ=arctg(U/U),
0,Σ
Q
i,Σ
i,Σ
соответственно, причем угол α образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности Σ в любой точке, координаты R и Z которой находятся в интервалах:
OUT
i,Σ
OUT
OUT
i,Σ
OUT
3,5R≤R≤4,5R и 0.08Z≤Z≤0.05Z,
K
J,K
J,K
а высотные углы  под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осесимметричными поверхностями Σ имеют координаты R и Z, определяемые в интервалах:
K,OUT
J,K
K,OUT
K,OUT
J,K
K,OUT
3,5R≤R≤4,5R и Z≤Z≤Z,
Σ
R
Z
Ψ
что обеспечивает формирование в выбранной области Q смерчеобразного квазипотенциального закрученного потока с компонентами скорости U, U и U, определяемыми внутри области соотношениями:
- вдоль радиуса области Q
R,Σ
0
IN
- на границе Σ: U=-C(t)R,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри
R,J,K
0
J,K
выбранной области Q: U=-C(t)R,
- вдоль продольного размера области Q
Z,IN
0
IN
- на границе Σ: U=2C(t)Z,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности
Z,J,K
0
J,K
внутри выбранной области Q: U=2C(t)Z;
- по азимуту области Q
ΨΣ
0
IN
0
IN
2
- на границе Σ: U=(Г(t)/2πR)[1-exp(-C(t)R /2ν)],
- в любой К-той точке "J-той" поверхности
ΨΣ
0
K
0
K
2
внутри выбранной области Q: U=(Г(t)/2πR)[1-exp(-C(t)R /2ν)],
0
J,K
IN
0
R,Σ
IN
0
0
IN
OUT
OUT
3
здесь Г(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем закрученное течение по мере уменьшения радиуса R области Q, включая точку R на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения C(t)=-(U(t)/R), при этом C(t) и Г(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости U потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растет пропорционально N~U  при балансе энергии между ее сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями.
Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом устройстве по варианту 2 следующим образом:
- смерчевую башню 31 размещают в местности, ландшафт которой свободен от насаждений и застройки, создающих помехи движению воздушных масс;
- на поверхность оптически прозрачного конфузора 32 направляют солнечное излучение напрямую или с помощью концентраторов, создавая на поглощающей поверхности внутреннего конфузора 33 градиент температур, направленный от входного отверстия в башне к ее выходному отверстию;
- нагревают солнечным теплом сплошную среду, находящуюся в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, обеспечивая термоиндуцированное, ускоряющееся смерчеобразное течение, для которого внутренний поглощающий конфузор 33 служит обтекателем, при этом выходное отверстие внутреннего конфузора 32 расположено ниже выходного отверстия конфузора 33 с оптически прозрачной поверхностью;
- в зоне над выходным отверстием внутреннего конфузора 33 в смерчеобразном потоке, сформированном в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, понижается динамическое давление и происходит подсос среды из объема внутреннего конфузора 33;
Σ
OUT
- за счет этого сплошная среда из окружающего пространства поступает по множеству траекторий в осесимметричную область Q, имеющую форму конфузора, высотой Z и переменным по высоте радиусом
IN
OUT
R≥R≥R,
K
K,OUT
или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объем Q, высоту Z и переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале:
K,IN
K,OUT
R≥R≥R.
Σ
K
Q
QK
Q
QK
Области Q и Q имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях Σ и Σ соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах Σ и Σ и внутри области Q выполнялись соотношения:
IN
IN
I,Σ
I,Σ
OUT
OUT
Σ
2
2
2
R Z=R Z=R Z=const,
K,J
K,J
K
2
R Z=const,
IN
IN
IN
OUT
OUT
OUT
K
Σ
K
Σ
Σ
0
Σ
IN
0Σ
Σ
K
Σ
IN
Σ
Σ
max
max
Z
Ψ
Σ
OUT
OUT
IN
Σ
OUT
IN
где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам Z, R, ψ, указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Z, R, ψ, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, индекс "J,K" для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ, обозначает положение любой J-той точки внутри К-того конфузора, ограниченного поверхностью Σ, индексы "Σ" и "К", присвоенные постоянным "const" и const, указывают на принадлежность каждой "const" объему, заключенному внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "К-той" поверхности внутри области Q соответственно. Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют вовнутрь области Q под местным азимутальным углом ψ, определяющим внутри области Q начальную закрутку потока сплошной среды по отношению к радиусу R, и местными высотными углами α по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счет выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Q обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и, двигаясь внутри осесимметричной области Q по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q, увеличивая за счет этого скорость U потока, втекающего в эту область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Q в отсутствии в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя. Концентрируют в ускоряющейся закрученной струе кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Q, имеющей радиус R и продольную координату Z, определяющих равенство продольной компоненты скорости U и азимутальной скорости U. Располагают в этой зоне преобразователь кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, при этом поток сплошной среды при прохождении этой зоны теряет закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины 40 и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Q располагают зону компрессии, за счет установки смерчевого нагнетателя 39, повышающего на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ скорость U, причем повышение скорости U по отношению к скорости U потока, втекающего в область Q, связывают между собой выбором отношения радиуса выходного участка R к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Z граничной поверхности Σ согласно соотношению:
IN
OUT
OUT
IN
U/U=R/nZ,
IN
OUT
Σ
где "n" определяется в интервале: 1≤n≤20, а радиусы R и R области Q определяются в интервале:
IN
OUT
1,5≤R/R≤7,5.
Σ
Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или геотермальную энергию, и/или энергию тепловых отходов антропогенной деятельности, и энергию, запасенную в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких материалах, при этом поверхности внутренней границы Σ обтекателя 35, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата 36, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, формуют углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
C
LC
Отношение глубины h углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,12,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления 27 к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25,
при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95,
где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений 27 вдоль и поперек потока соответственно.
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы Σ области Q и в любой К-той точке на J-той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями:
IN
ΨΣ
ZΣ
RΣ
J,K
Ψ,J,K
Z,J,K
R,J,K
2
2
2
0,5
2
2
2
0,5
U=(U +U +U ) и U=(U +U +U ),
0Σ
0
соответственно, при этом местный высотный угол α и местный азимутальный угол ψ (см. фиг.4) определяются соотношениями:
0Σ
Z,IN
Σ,IN
0
Ψ,Σ
R,Σ
α=arccos(U/U) и ψ=arctg(U/U),
0,Σ
Q
i,Σ
i,Σ
соответственно, причем угол α образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности Σ в любой точке, координаты R и Z которой находятся в интервалах:
OUT
i,Σ
OUT
OUT
i,Σ
OUT
3,5R≤R≤4,5R и 0.08Z≤Z≤0.05Z,
K
J,K
J,K
а высотные углы  под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осесимметричными поверхностями Σ имеют координаты R и Z, определяемые в интервалах:
K,OUT
J,K
K,OUT
K,OUT
J,K
K,OUT
3,5R≤R≤4,5R и 0.08Z≤Z≤0.05Z,
Σ
R
Z
Ψ
что обеспечивает формирование в выбранной области Q смерчеобразного квазипотенциального закрученного потока с компонентами скорости U, U и U, определяемыми внутри области соотношениями:
R,Σ
0
IN
- вдоль радиуса области Q на границе Σ: U=-C(t)R,
в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри
R,J,K
0
J,K
выбранной области Q: U=-C(t)R,
Z,IN
0
IN
- вдоль продольного размера области Q на границе Σ: U=2C(t)Z,
в любой К-той точке "J-той" поверхности
Z,J,K
0
J,K
внутри выбранной области Q: U=2C(t)Z;
- по азимуту области Q:
ΨΣ
0
IN
0
IN
2
на границе Σ: U=(Г(t)/2πR)[1-exp(-C(t)R /2ν)],
в любой J-той точке любого "К-того" конфузора
ΨΣ
0
J
0
J
2
внутри выбранной области Q: U=(Г(t)/2πR)[1-exp(-C(t)R /2ν)],
0
J,K
IN
0
R,Σ
IN
0
0
IN
OUT
OUT
3
здесь Г(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем закрученное течение по мере уменьшения радиуса R области Q, включая точку R на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения C(t)=-(U(t)/R), при этом C(t) и Г(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости U потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растет пропорционально N~U  при балансе энергии между ее сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Одной из реальных возможностей эвакуации является создание преобразователя, оснащенного двумя, встроенными одна в другую, конфузорными смерчевыми башнями 31 и конфузорным обтекателем 35. Внешняя конфузорная смерчевая башня 32 изготавливается из оптически прозрачного материала с целью использования тепла солнечной радиации для нагрева массы сплошной среды, заключенной в зазоре 41 между внутренней поверхностью внешнего конфузора 32 и внешней поверхностью внутреннего конфузора 33 и стимулирования в этой зоне термоиндуцированного восходящего течения. С такой же целью внешняя поверхность внутреннего конфузора 33 изготавливается из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения.
Системы каналов, по которым вовнутрь смерчевой башни поступает масса сплошной среды, сходятся к оси симметрии башни, формируя смерчеобразный поток. При этом поток сплошной среды, направляемый во внутренний конфузор, приобретает за счет формы каналов структуру смерчеобразного закрученного течения.
ψ
Z
За счет конфузорной формы башни 31, по мере продвижения закрученного течения к выходу из башни, в потоке концентрируется кинетическая мощность, внесенная в башню потоком из внешней среды. Максимум этой мощности достигается внутри башни в зоне преобразования давления и кинетической мощности при условии равенства между собой азимутальной U и продольной U компонент скорости смерчеобразного течения.
0
max
0
max
0
max
2
2CZ=Г/2πR[1-ехр(-CR /2ν)]
Поток сплошной среды, втекающий в зазор 41 смерчевой башни 31, также приобретает структуру смерчеобразного закрученного течения; ускоряется, в нем концентрируется энергия и понижается давление. Сформированный смерчеобразный поток отсасывает массу сплошной среды, замедлившуюся в результате взаимодействия с лопастями смерчевой турбины 40, и стабилизирует процесс преобразования энергии. Описанная выше схема представлена на фиг.2.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Преобразователь либо 9, либо 42 солнечной энергии в тепло содержит герметичный корпус 68 с размещенными с нем каналами 69, при этом корпус теплоизолирован со стороны дна и боковых сторон любым теплоизоляционным материалом, а со стороны, на которую падает поток солнечной радиации, покрыт одним или несколькими слоями 70 оптически прозрачной тепловой изоляции, сквозь которую солнечное излучение попадает на металлические зачерненные поверхности 71 каналов 69, образованных гладкими, или формованными пластинами, или трубами любого сечения, внутри которых пропускают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации. На освещаемые Солнцем поверхности оптически прозрачной тепловой изоляции и на поверхности каналов, обтекаемые теплоносителем, наносят рельеф в виде углублений 27 двойной кривизны и чередующихся с этими углублениями исходно гладких участков, состоящих из сопряженных между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности, причем сопряжение углублений 27 с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, а вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
C
LC
Отношение глубины h углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,3,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,25
при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,05≤f≤0,5,
C
C
а отношение глубины h углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру d находится в интервале:
C
C
0,01≤h/d≤0,5,
при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,1≤f≤0,95.
Работа преобразователя солнечной энергии в тепло основана на освещении Солнцем через оптически прозрачную внешнюю поверхность 70, внешней поверхности 71 каналов 69, обладающих высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, что приводит к нагреву поверхности и жидкого теплоносителя в ограниченном ею канале 69. На освещаемые Солнцем поверхности и на поверхности, обтекаемые теплоносителем нанесены углубления 27, увеличивающие количество тепла, передаваемое теплоносителю.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями.
M
M
i
i
i
i
P
2
Смерчевой магнитотепловой преобразователь либо 11, либо 44, содержит магнитную систему либо 12, либо 45 (фиг.1, фиг.2, фиг.11), магнитное поле в которых создается набором постоянных магнитов, обладающих разной напряженностью магнитного поля, и магнитопроводы, размещенные так, что напряженность магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряженности магнитного поля в его конце. Магнитно-мягкое вещество размещено в подвижных каналах, либо 21, либо 73 (фиг.1, фиг.2, фиг.11), образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала, и коаксиальным кольцом из того же материала, имеющим внешний радиус, равный радиусу диска. Магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой h и толщиной δ вертикально между диском и кольцом, исполняя роль боковых стенок каналов либо 21, либо 73, вращающихся вместе с диском в магнитном поле. Преобразователь либо 11, либо 44 снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу, у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Z и соответствующем этой координате радиусе R выполняется равенство: ZR =const. Направляющий аппарат гидравлической смерчевой системой либо 17, либо 50 (фиг.1, фиг.2) нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг.11), обтекателя либо 74, либо 75 и подвижных лопаток нагнетателя либо 17, либо 76. Начальный участок лопаток состоит из рабочего магнитно-мягкого вещества и является составной частью направляющих поверхностей, формирующих в насосе смерчеобразный закрученный поток, обтекающий установленную на оси симметрии насоса смерчевую турбину либо 62, либо 63, вращение которой возвращает часть энергии, затраченной на организацию охлаждения. Все поверхности, обтекаемые теплоносителями внутри неподвижного смерчевого конфузора либо 74, либо 75, в том числе поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.
C
LC
Отношение глубины h углублений к их продольному вдоль направления потока размеру L находится в интервале:
C
LC
0,001≤h/L≤0,1,
LC
BC
отношение продольного размера L углубления к поперечному размеру L углубления определяется интервалом:
LC
BC
0,25≤L/L≤1,
чем увеличивают скорость обмена теплом и массой между слоями магнитно-мягкого материала и теплоносителем.
Рельеф углублений 27, наносимый на обтекаемые поверхности, как установлено в теоретических и экспериментальных исследованиях, изменяет на граничных поверхностях структуру пограничного слоя потока, порождает самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих часть сплошной среды, сосредоточенной в зоне расположения углублений на обтекаемой поверхности, влияя на уровень диссипации энергии потока и интенсифицируя обменные процессы между закрученной струей и поверхностью. Выбор радиусов кривизны и размеров криволинейных участков обтекаемой поверхности осуществляют на основании теоретических расчетов, подтвержденных в экспериментальных исследованиях, обеспечивают технологию их нанесения на поверхности и выполнение условий самоорганизации вторичных смерчеобразных струй, встроенных в обтекающее течение. Поток сплошной рабочей среды либо направляют на поверхности, формованные углублениями 27, либо рельеф указанной формы наносят на поверхность тел, движущихся в среде газов, жидкостей или в их двухфазных смесях, достигая при этом уменьшения напряжений трения на формованных поверхностях и интенсифицируя процессы массо- и теплообмена между энергообменной поверхностью и потоками сплошной среды.
Во вращающиеся каналы либо 21, либо 73 (фиг.11) от системы, либо 17, либо 50 (фиг.1, фиг.2), смерчевого охлаждения и нагрева рабочего вещества подается теплоноситель, поступающий во вращающиеся каналы либо 21, либо 73 из неподвижно расположенных сопел либо 20, либо 72, пространственная ориентация оси симметрии каждого из которых сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвижных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид:
в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
J,M
J,M
2
(±ZR )=const, J=0, 1, 2, 3, … n, М=0, 1, 2, 3, … m,
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
M
ΣM
Ψ,Σ,M
R,Σ,M
IN,M
J,M
2
2
ψ=ψ±(U/2U)[(R /R )-1], J=1, 2, 3, … n; M=0, 1, 2, 3, … m,
J,M
M
знак "±" у координаты "Z" в выражении для const в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψ в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знак "±" также указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки (знак "+"), так и по часовой стрелке (знак "-").
min
mах
mах
mах
Магнитные системы либо 12, либо 45 расположены, по крайней мере, в двух оппозитных точках по диаметру силового диска либо 16, либо 49 так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита либо 15, либо 48, с помощью неподвижных сопел либо 20, либо 72, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H~H и участком, где напряженность магнитного поля составляет Н~0,95Н, а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, также установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряженностью магнитного поля Н~0,95Н и до зоны, в которой напряженность магнитного поля однородна и достигает максимума Н~Н.
Преобразователь содержит для охлаждения магнитно-мягкого вещества либо тепловой насос либо 81, либо 82 (фиг.1, фиг.2), либо любой природный источник низкопотенциальной энергии, например, сборник, условно холодной, воды ручьев, рек или пресноводных озер, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, для нагрева магнитно-мягких веществ, например вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие как, условно, горячая вода, охлаждаемая в градирне, тепло факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низкопотенциальные источники.
Преобразователь либо 11, либо 44, содержит гидравлическую систему смерчевого охлаждения и нагрева либо 17, либо 50 (фиг.1, фиг.2) магнитно-мягкого вещества с системой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения ее температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причем энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг.11), в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся силовом диске либо 16, либо 49, из немагнитного теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком веществе. Форма граничных поверхностей сопел либо 20, либо 72 и сопряженных с ними подвижных каналов либо 21, либо 73 (фиг.11), принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями:
в продольно-радиальной
JM
JM
M
2
плоскости (Z,R): -ZR =const, J=0, 1, 2, 3 … n; M=0, 1, 2, 3 … m;
в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
M
ΣM
Ψ,Σ,M
R,Σ,M
IN,M
J,M
2
2
ψ=ψ±(U/2U)[(R /R )-1], J=1, 2, 3, … n; M=0, 1, 2, 3, … m;
M
знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных ее значений в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψ в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможность выбора любого из направлений вращения: знак "+" против часовой стрелки, знак "-" по часовой стрелке.
Протекающие через каналы либо 21, либо 73 (фиг.11) потоки теплоносителей формируются в смерчеобразную струю, которая автомодельно отсасывает теплоноситель из каналов с охлаждаемым и нагреваемым магнитно-мягким веществом, причем пространственную ориентацию, геометрические размеры и форму неподвижных сопел либо 20, либо 72 и каналов либо 21, либо 73 определяют на основе точных решений основных нестационарных уравнений гидродинамики, описывающих квазипотенциальные, радиально сходящиеся закрученные течения вязкой жидкости, имеющие в цилиндрических координатах вид:
i
i
2
в продольно-радиальной плоскости (R,Z): ±ZR =const, i=0, 1, 2, 3, … n;
в азимутально-радиальной плоскости (R,Ψ):
0
FΨ
FR
F.SM
i,SM
2
2
Ψ=Ψ±(U/2U)[(R /R )-1], i=0, 1, 2, 3, … n;
0
знак "±" указывает направление закрученного течения в сторону либо отрицательных, либо положительных значений оси Z, и на направление закрутки, а Ψ - определяет начальный угол между направлением скорости теплоносителя и радиусом силового диска, при этом направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества создают так, чтобы направление осей симметрии подающих теплоноситель в охлаждаемые и нагреваемые каналы сопел либо 20, либо 72 (фиг.11), и каналов либо 21, либо 73, содержащих магнитно-мягкое вещество, совпадали и придавали движению теплоносителя пространственную ориентацию, определяемую углами:
0
в радиально-азимутальной плоскости (R,Ψ) - местным азимутальным углом Ψ:
0
F,R
F,ψ
Ψ=arctg(U/U),
0
в продольно-азимутальной плоскости (R,Z) - местным высотным углом α:
0
FZ
Σ,F
F,Z
Σ.F
F,Z
F,ψ
FZ
FR
2
2
2
0,5
α=arccos(U/U)=arccos(U/U)=arccos[U/(U +U +U )],
0R
0Z
0ψ
0F
придающим потоку сплошной среды закрутку по отношению к вертикальной оси Z, где U, U, U - радиальная, продольная и азимутальная составляющие скорости центростремительного смерчеобразного потока, соответственно, a U - полная скорость закрученного течения, равная
0F
0ψ
0Z
0R
2
2
2
0,5
U=(U +U +U )
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Способ преобразования энергии, запасенной в низкопотенциальных тепловых потоках, постоянных магнитных полях и в магнитно-мягких материалах, реализуется в предложенном устройстве следующим образом.
mах
Магнитно-мягкое вещество плотностью ρ, теплопроводностью λ, теплоемкостью С и намагниченностью σ (Т,В), зависящей от температуры Т и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее поле магнитной системы либо 12, либо 45 (фиг.1, фиг.2), в котором индукция поля изменяется в заданном направлении Х от минимального до максимального значений, формируя градиент индукции поля dB/dX≠0, причем конфигурация поля содержит примыкающую к этой зоне зону, в которой магнитное поле однородно, то есть (dB/dX)=0, и имеет максимальную для выбранного постоянного магнита индукцию В=В.
S
S
хол
гор
Слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ=ρ/ρ в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещенных на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью ρ, охлаждают в зоне, где dB/dX≠0, и нагревают в зоне, где dB/dX=0, добиваясь магнитного фазового перехода этого вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлажденной массы магнитно-мягкого вещества m к зоне, где индукция магнитного поля максимальна. Охлажденная масса магнитно-мягкого вещества выталкивает из магнитной системы нагретую массу магнитно-мягкого вещества m, перешедшую в парамагнитное состояние, чем обеспечивается непрерывность подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dB/dX≠0, и либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, размещенного на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала.
Такой цикл обеспечивает преобразование мощности тепла и энергии, запасенной в магнитном поле, в механическую мощность или в другие ее виды. При этом нагрев и охлаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в их течение самоорганизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магнитно-мягкого вещества, причем обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения, формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Смерчевые турбины 8, 23, 40 или 52 (фиг.1, фиг.2) имеют одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержат неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняет либо конфузорная башня 1, либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 51.
i
i
Смерчевая турбина содержит также ротор 57 (фиг.5) с лопастями 58, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
bodyi
body
2
ZR =const,
причем лопасти 58 турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора 57 образуют межлопастные каналы 59, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:
где
- r, z, φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии смерчевой башни 1 или 31 или неподвижных конфузоров 22 или 51 (фиг.1, фиг.2);
in
- φ(r,) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 58 (фиг.5 и фиг.6) и текущим радиусом турбины на плоскости, пересекающей эти лопасти, и по нормали - ось вращения турбины, при этом сплошная среда втекает в межлопастные каналы 59 через плоскость, пересекающую лопасти 58 при продольной координате z=z, причем ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z,
out
out
- φ(r,z) - азимутальная координата сечения лопастей 58 турбины на высоте z плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины, через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов 59 турбины в башню над турбиной,
с
- r - радиус турбины,
ω
- k - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.
Внутренняя поверхность корпуса, поверхности ротора 57 и лопастей 58, обтекаемых сплошной средой, изготавливаются либо гладкими, либо формуются рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности, чередующихся с криволинейными участками в виде углублений 27 (фиг.3) двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Лопасти 58 смерчевой турбины воспринимают напор, создаваемый в сформированном смерчеобразном потоке, в основном азимутальной и продольной компонентами скорости, передают принимаемое усилие на силовые валы либо 6, либо 38, либо 60, либо 61, преобразуя кинетическую мощность закрученного течения в механическую мощность, причем силовые валы 6, 38, 60, 61 сопряжены с генераторами электрической мощности либо 80, либо 83.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
body
body,i
Смерчевой нагнетатель либо 7, либо 39, либо 62, либо 63 имеет одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержит неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняют либо конфузорная башня 1, либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 51, содержит неподвижный корпус, ротор 64 с лопастями 65, имеющими продольный размер Z, и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус R причем, форма внутренней граничной поверхности корпуса, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
body,i
body,i
2
ZR =const.
Лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с внешней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением:
где
- r, z, f - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни,
in
in
- f(r,Z) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 65 и текущим радиусом нагнетателя r на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом сплошная среда втекает в межлопастные каналы 66 через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z=Z, а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z,
c
- r - радиус нагнетателя,
in
- z - продольная координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя,
fp
- z - координата нормального сечения оси вращения турбины плоскостью, через поверхность которой сплошная среда вытекает из ее межлопастного пространства,
ω
- k - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку,
z±
V - продольная скорость среды, втекающей в нагнетатель
zp
V - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя
при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавливаются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причем сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Работа смерчевого нагнетателя обеспечивается автономным источником энергии, использующим низкопотенциальные источники тепла или тепловые отходы антропогенной деятельности, например магнитотепловое преобразование низкопотенциальной тепловой энергии и энергии, запасенной в магнитном поле. В этом варианте ротор 64 нагнетателя с лопастями 65 устанавливается на силовой вал либо 5, либо 37, связанный с силовым диском преобразователя магнитотепловой энергии.
Подключая коллекторы 67 системы охлаждения магнитотеплового преобразователя к неподвижным соплам либо 20, систем нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества на силовом диске, непрерывно с высокой скоростью подающим теплоноситель в движущиеся каналы с магнитно-мягким веществом, вызывают в этом веществе фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, за счет чего вращают в градиентном поле магнита 47 силовой диск либо 16, либо 49 и преобразуют кинетическую мощность закрученной смерчеобразной струи внутри смерчевой башни либо 1, либо 31, либо внутри неподвижных конфузоров 22 или 51 в механическую мощность.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Целью промышленного использования предлагаемого изобретения является создание семейства новых энергетических установок, преобразующих низкопотенциальную энергию возобновляемых источников и низкопотенциальных отходов антропогенной деятельности в различные виды энергии промышленной кондиции. Способы преобразования и устройства, предлагаемые в изобретении, используют новый класс течений сплошной среды, представляющих собой квазипотенциальные, осесимметричные радиально-сходящиеся смерчеобразные струи, обеспечивающие ресурсосбережение и автономное, экологически чистое, надежное и безопасное производство энергии за счет преобразования кинетической и тепловой мощности низкопотенциальных потоков сплошной среды и солнечной радиации. Смерчевой способ преобразования применим в бытовой сфере и в других направлениях хозяйственной деятельности общества, в том числе на существующих и вновь создаваемых предприятиях, в экспедициях, поселениях и т.п., в любом из регионов нашей планеты, а также на космических станциях и при высадке Человека на другие планеты в будущем. Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройства для его осуществления (варианты) представляют собой комплекс технологий, позволяющий децентрализовать подачу электрической и тепловой энергии в жилищно-коммунальный и промышленный секторы экономики, а также в отдаленные и труднодоступные регионы нашей планеты, включая полярные зоны, острова и высокогорные районы, за счет использования способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройств для его осуществления, преобразователя энергии солнечной радиации, смерчевого нагнетателя, смерчевой турбины, способов и устройств для магнитотеплового преобразования энергии. Предлагаемые способ смерчевого преобразования кинетической и низкопотенциальной тепловой мощности сплошной среды и устройства для его осуществления основаны на новых способах аккумулирования и практического использования энергии окружающей среды, в первую очередь низкопотенциальной энергии, такой как энергия солнечного излучения, запасаемая в воздухе, в воде и в грунте под воздействием солнечных лучей, энергия ветра, тепла геотермального происхождения, тепловых отходов хозяйственной деятельности человека, сбрасываемых в окружающую среду, в виде горячих дымовых газов, тепловых отходов нефтедобывающих и газоперерабатывающих производств, тепловых и атомных электростанций и др. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить экологическое воздействие энергетических процессов и существенно повысить КПД, функциональную и технико-экономическую эффективность традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, в том числе вернуть в цикл энергопроизводства низкопотенциальное тепло, сбрасываемое тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы.
Смерчевой нагнетатель может быть использован для формирования закрученных смерчеобразных струй, например, в газовых горелках для повышения эффективности сгорания топлива, в судостроении для концентрации энергии винтовых или пропульсивных движителей и др.
Смерчевая турбина может быть использован для преобразования энергии закрученных потоков, например, в сухих градирнях при формировании в них закрученного течения воздуха за счет соответствующего размещения теплообменников, а также в устройствах, в которых потоки имеют существенную закрутку и др.
Преобразователь солнечной энергии помимо задач, изложенных в предлагаемом изобретении, может быть использован для нагрева воды или воздуха, например, для коммунальных и промышленных нужд и др.
Способ и смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии являются базой для создания электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, в том числе для автомобильного и водного транспорта, магнитотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещенных электрических машин и др. Примером эффективности действия предлагаемой технологии являются созданные лабораторные образцы магнитотепловых преобразователей тепловой энергии в электрическую или/и механическую ее виды. Свойства смерчевых магнитотепловых преобразователей представляют особую ценность для обеспечения энергией промышленной сферы, робототехники и деятельности человека в экстремальных условиях. Например, смерчевые магнитотепловые преобразователи могут использоваться в коммуникациях для перекачки природного газа и нефти, транспортируемых от места добычи к местам переработки и потребления. В частности, используется прямое солнечное излучение, или низкопотенциальное тепло, аккумулированное в воде, воздухе, грунте, нагреваемыми солнцем, энергия ветра или тепло геотермальных источников, а там, где это возможно, избыточная энтальпия перекачиваемой среды.
Смерчеобразные струи, известные под названием TLJ, - по аббревиатуре английских терминов: Tornado Lake Jet, представляют собой новое течение, обнаруженное более четверти века назад в России при исследовании особенностей обтекания газами, жидкостями или их смесями специальных форм граничных поверхностей. Эти течения представляют собой вторичные смерчеобразные струи, встраивающиеся при создании необходимых и достаточных условиях в окружающуюся среду, локально изменяя ее динамическое состояние. Уникальные особенности этого течения, проявляющиеся в удивительно низком уровне гидравлических потерь при обтекании поверхностей и столь же удивительно высоком уровне скорости пограничного обмена массой, теплом и импульсом, обусловливают повышенный интерес к практическому использованию этого явления. Уже в настоящее время создан и применяется ряд различных энергетических и транспортных агрегатов, использующих ТLJ-технологию. Так, например, созданы опытные и серийные авиационные газотурбинные двигатели и стационарные энергетические газовые турбины с существенно повышенным уровнем охлаждения лопаток, опытные урановые тепловыделяющие элементы, энергетические котлы различного назначения и другое оборудование, использующие эти течения. Все перечисленные агрегаты и оборудование приобрели явные и существенные функциональные и технико-экономические преимущества по сравнению с аналогами традиционного типа. Помимо этого смерчевые технологии позволили интенсифицировать массообмен в процессах кипения и конденсации, существенно снизить кавитационное разрушение поверхности, уменьшить акустические эффекты в этих процессах и понизить износ поверхности в парах трения металла по металлу или металла по неметаллической поверхности.