ОППОЗИТНЫЙ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР
OPPOSED WIND HEAT GENERATOR

Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателей с теплогенератором. Изобретение может использоваться при строительстве теплостанций. Известны следующие решения:
1. патент US 4424796, 1984 г., F03D 9/00; F24J 3/00;
2. патент FR 2407369, 1979 г., F03D 9/00; F03D 9/02;
3. патент РФ №2088797, 1994 г., F03D 3/00;
4. авторское свидетельство №1252535, 1985 г., F03D 9/00;
5. патент РФ №2380567, 2005 г., F03D 3/00;
6. авторское свидетельство №992800, 1981 г., F03D 3/00.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является ветротеплогенератор (патент РФ №2209340, 2002 г., F03D 9/00), содержащий ветродвигатель, теплогенератор. Ветродвигатель представляет собой комбинацию ротора Савониуса с ветротурбиной с ортогональными аэродинамическими лопастями. Теплогенератор состоит из фрикционной и тепловой камер и фрикционных элементов.
Недостатком известных решений является низкий коэффициент преобразования энергии ветра в диапазоне скоростей (0,5-5) м/с в тепловую энергию, сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра.
Задачей изобретения является повышение эффективности ветротеплогенератора, упрощение конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в оппозитном ветротеплогенераторе, содержащем ветродвигатель и теплогенератор, согласно изобретению содержится два однотипных роторных ветродвигателя, осуществляющих встречное (оппозитное) вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, при этом в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора.
Изобретение работает на принципе преобразования кинетической энергии ветра в тепловую за счет нагрева вязкой жидкости при течении ее в межцилиндровом пространстве. В узких зазорах межцилиндрового пространства возникает особое течение Тейлора, которое характеризуется высокой степенью сдвиговых напряжений в межцилиндровом пространстве с генерацией тепла в жидкости, что и позволяет напрямую передать кинетическую энергию ветра в тепло. Основным техническим результатом является повышение КПД, так как вся утилизированная энергия ветрового потока отбирается теплоносителем и передается через теплообменник потребителю. Повышение эффективности оппозитного ветротеплогенератора происходит за счет применения двух однотипных роторных ветродвигателей для привода особого оппозитного преобразователя (однотипные соосные многоцилиндровые роторы теплогенератора) кинетической энергии ветра в тепловую, обладающего свойством высокоэффективного преобразования при низких скоростях ветра. Отсутствие редукторов и системы ориентации ветродвигателя относительно направления ветра существенно упрощают конструкцию ветротеплогенератора.
Фиг. 1 - общий вид оппозитного ветротеплогенератора.
Фиг. 2 - схема теплогенератора.
Фиг. 3 - фотография макета нижнего многоцилиндрового ротора тепологенератора.
Фиг. 4 - фотография макета верхнего многоцилиндрового ротора теплогенератора.
Фиг. 5 - фотография макета теплогенератора, вид сверху.
ВД - роторный ветродвигатель с вертикальной осью
ЦН - центробежный насос
1 - теплогенератор
2 - теплообменник
3 - аккумулятор
4 - теплоизоляция
5 - вал ветродвигателя
6 - поворотные лопасти ветродвигателя
7 - оси поворотных лопастей ветродвигателя
8 - верхний и нижний радиальные кронштейны
9 - корпус оппозитного ветротеплогенератора
10 - опорная мачта оппозитного ветротеплогенератора
11 - подающий и отводящий патрубки
12 - верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора
13, 16 - нижний и верхний диски однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора
14 - опорный подшипник
15 - боковая цилиндрическая стенка
17 - оси однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора
18 - подшипники качения
В теплогенераторе 1 заложена конструкция (фиг. 2) с встречно вращающимися однотипными соосными многоцилиндровыми роторами (фиг. 3 и фиг. 4). На фиг. 1 приведена схема оппозитного ветротеплогенератора, состоящего из двух однотипных роторных ветродвигателей (ВД), которые приводят в движение два однотипных соосных многоцилиндровых ротора теплогенератора.
В предложенной конструкции рабочие колеса ветродвигателя имеют поворотные лопасти (6), поворотные лопасти ветродвигателя закреплены на осях 7, оси поворотных лопастей ветродвигателя связаны с радиальными верхним и нижним кронштейнами (8). Максимальное сопротивление ветру оказывает только часть поворотных лопастей ветродвигателя, другая часть за счет смены положения при повороте колеса имеет минимальное сопротивление. Валы ветродвигателей 5 сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора 17. Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора зафиксированы в подшипниках качения 18, при этом ось верхнего многоцилиндрового ротора имеет шариковый подпятник 14, опирающийся на ось нижнего многоцилиндрового ротора.
Оси верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора закреплены в неподвижных крышках теплогенератора 12, являющихся элементами верхней и нижней частей корпуса оппозитного ветротеплогенератора 9. Корпус теплогенератора, состоящий из верхней и нижней частей и боковой цилиндрической стенки 15 между ними, расположен между двумя однотипными роторными ветродвигателями (ВД) и является опорным элементом всего агрегата.
На нижнем и верхнем дисках однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора (13, 16) расположено расчетное количество цилиндров заданной высоты и различного диаметра. При размещении этих однотипных многоцилиндровых роторов на одной оси цилиндрические конструкции верхней и нижней частей образуют между собой узкие зазоры межцилиндрового пространства. Ширина зазоров определяется разностью диаметров соседних цилиндров. Диаметры цилиндров и их количество определяются необходимой площадью поверхности однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора для заданной производительности.
Верхняя и нижняя неподвижные крышки теплогенератора имеют подающий и отводящий патрубки 11 для подачи и отвода теплоносителя. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет специальных центробежных лопастей (ЦН). Таким образом, получается многолопастной насос, функционирующий в пространстве между верхней и нижней неподвижными крышками теплогенератора и верхним и нижним дисками однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора с функциями нагнетающего и отсасывающего насосов.
В состав оппозитного ветротеплогенератора входит аккумулятор 3 с теплообменником 2, через который генерируемое тепло передается потребителю. Корпус теплогенератора и аккумулятор имеют теплоизоляцию 4.
Оппозитный ветротеплогенератор закреплен в корпусе из профилированного металла и устанавливается на опорной мачте 10 соответствующей высоты.
Конструкция верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора определяется следующими параметрами:
- количеством цилиндров (количество цилиндров определяет мощность ветрогенератора);
а
а
- отношением радиусов соседних цилиндров η=/b, где  является внешним радиусом цилиндра (i) меньшего диаметра и b являются внутренним радиусом (о) цилиндра большего диаметра;
a
- характеристическим соотношением Г=L/(b-), где L - высота столба жидкости в зазоре;
i
i
0
0
i
0
a
a
a
- числа Рейнольдса внутреннего R,=(b-)'Ω/v и внешнего цилиндра R,=b(b-)'Ω/v, где 'Ω - угловая скорость внутреннего, 'Ω - угловая скорость внешнего цилиндра, v - кинематическая вязкость теплоносителя.
Устройство работает следующим образом. При скорости ветра ~0,5 м/с происходит ориентация части поворотных лопастей ветродвигателя 6 перпендикулярно направлению ветра. Диаметрально расположенные лопасти занимают положение «флюгера» по ветру. При достаточной скорости ветра начинается встречное вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора (фиг. 3, фиг. 4). В зависимости от скорости ветра начинается процесс генерации тепла, которое передается за счет действия центробежного насоса (ЦН) через теплообменник 2 в аккумулятор 3 и потребителю.
i
0
Пример. В зависимости от мощности ветродвигателя и максимальной частоты вращения однотипных соосных многоцилиндровых роторов тепологенератора определяется количество зазоров межцилиндрового пространства их высота (высота столба жидкости в зазоре) и ширина. Опытный образец оппозитного ветротеплогенератора имел отношение радиусов цилиндров роторов теплогенератора η=(0,9944-0,9936), характеристическое отношение - Г=L/b-а=(16,8-25), радиусы цилиндров верхнего ротора R=(32-875) мм, радиусы цилиндров нижнего ротора R=(33-877) мм, кинематическая вязкость рабочей жидкости v≈30 сП.
i
Эксперимент показал, что при скорости ветра ~6 м/с оппозитный ветротеплогенератор имел мощность ~300 Вт (частота вращения многоцилиндровых роторов тепологенератора Ω=(2,5-30) 1/с).
Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность ветротеплогенератора при низких скоростях ветра и упростить конструкцию устройства.