ВЕТРОТЕПЛОВАЯ ГИДРОУСТАНОВКА
WIND-DRIVEN THERMAL HYDRAULIC PLANT

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для теплоснабжения и электропитания отдаленных потребителей от альтернативных или возобновляемых источников механической энергии - ветра, морских приливов, течения рек и т.п.
Известен ветроагрегат, содержащий ротор с лопастями, кинематически связанный с валом насоса объемного типа, снабженного преобразователем давления в тепло, выполненным в виде трубопровода высокого давления с помещенной внутрь него металлической сеткой, и гидравлически связанного с радиатором отопления. Преобразователь давления в тепло своим входом связан при помощи трубопровода с выходом насоса объемного типа, а радиатор своим выходом связан с емкостью расширительного объема, которая двумя магистралями трубопроводов соединена с насосом объемного типа, при этом на одной магистрали трубопровода в емкости расширительного объема установлен масляный фильтр, а на другой магистрали трубопровода установлен клапан предельного слива рабочей жидкости, связанный с емкостью расширительного объема (см. RU 9493 U1, 16.03.1999, F03D 9/00).
Недостатком известного ветроагрегата является наличие очень высоких давлений 100-200 атмосфер и низкая эффективность преобразователя давления в тепло, который обеспечивает нагрев рабочей жидкости всего на 6°C за один проход, что существенно ограничивает его область применения.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является тепловая гидроустановка, содержащая приводной ветродвигатель с вертикальным валом, кинематически связанным с гидронасосом и ферромагнитным ротором малой конусности, размещенным внутри емкости избыточного давления, частично заполненной магнитной жидкостью и сообщающейся с выходным патрубком гидронасоса, размещенного с возможностью погружения входного патрубка в магнитную жидкость. При этом боковые стенки емкость образованы полюсными наконечниками обмотки возбуждения с круговой не сквозной проточкой между полюсами, замкнутыми на постоянный магнит снаружи емкости, которая также снабжена редукционно-возвратным клапаном для циркуляции магнитной жидкости при заданном давлении между потребителями тепла и гидроустановкой. Кроме того, приводной вал кинематически связан с ротором посредством обгонной муфты свободного хода, снабженной шкивом ременной передачи к мотор-генератору, подключенному к упомянутой обмотке возбуждения и к локальной электрической сети (см. RU 2204049, 10.03.2003, F03D 9/00).
Однако непосредственное использование магнитной жидкости в качестве рабочего теплоносителя не предусмотрено стандартными системами водяного отопления, а сложная кинематическая схема повышающего привода дополнительного мотор-генератора, питающего намагничивающую обмотку, ограничивает функциональные возможности использования такой гидроустановки на автономных объектах.
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и уменьшение габаритов установки, обеспечивающей гарантированное тепло и электроснабжение автономных потребителей в автоматическом режиме, а также повышение эффективности процесса теплопередачи при использовании стандартных элементов и узлов в автомобиле- и станкостроительной промышленности.
Поставленная задача решается в ветротепловой гидроустановке, допускающей использование и других альтернативных источников механической энергии, содержащей приводной ветродвигатель с вертикальным валом, кинематически связанным с гидронасосом и ферромагнитным ротором, размещенным внутри емкости с магнитной жидкостью в поле электрической обмотки возбуждения и постоянного магнита, расположенных снаружи этой емкости, термически соединенной с радиатором обогрева потребителей тепловой энергии, в которой согласно изобретению герметичная емкость с магнитной жидкостью и ферромагнитным ротором снабжена жидкостной рубашкой теплоотвода, гидравлически связанной с гидроцилиндром перемещения постоянного магнита, а через циркуляционный гидронасос - с расширительным баком и выходным трубопроводом радиатора обогрева, кроме того она через регулировочный вентиль соединена последовательно с тепловым реле, электробатареей термоэлементов и автоматическим клапаном термостата, шунтирующим входной и выходной трубопроводы радиатора обогрева, при этом обмотка возбуждения электрически подключена к электробатареи термоэлементов через нормально замкнутые контакты теплового реле и реле уровня расширительного бака, снабженного предохранительным клапаном предельно допустимого давления.
При использовании обмотки возбуждения большой мощности последовательно с ней могут быть включены контакты теплового реле и реле уровня, соединенные с электробатареей термоэлементов через соответствующие обмотки силовых реле, управляемые контакты которых включены в цепь обмотки возбуждения.
Кроме того, предохранительный клапан и реле уровня установлены в крышке расширительного бака.
Кроме того, последовательно с трубопроводом электробатареи термоэлементов, питающих обмотку возбуждения, дополнительно включена аналогичная электробатарея термоэлементов для подключения аккумулятора и инвертора питания автономных электропотребителей.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема предлагаемой гидроустановки.
Ветротепловая гидроустановка содержит ветродвигатель с вертикальным валом 1, кинематически связанный с ферромагнитным ротором 2 и циркуляционным гидронасосом 3, например, шестеренчатого типа, выходной трубопровод которого соединен с рубашкой 4 теплоотвода ферромагнитного ротора 2. Этот ротор 2 и рубашка 4 расположены в общем корпусе с обмоткой возбуждения 5 и герметичной емкостью, заполненной магнитной жидкостью 6. Снаружи общего корпуса размещен постоянный магнит 7, который может в необходимых пределах перемещаться поршнем гидрцилиндра 8, также гидравлически подключенным к выходному трубопроводу циркуляционного гидронасоса 3. Рубашка теплоотвода 4 через регулировочный вентиль 9 последовательно связана с трубопроводами теплового реле 10, электробатареи теплоэлементов 11 и автоматическим клапаном термостата 12, который своими выходными трубопроводами шунтирует радиатор обогрева 13, подключенный к входному трубопроводу циркуляционного гидронасоса 3 и расширительному баку 14. Этот бак 14 частично заполнен рабочей жидкостью, например водным антифризом «Тосол», и снабжен заливочной крышкой с предохранительным клапаном 15 и реле уровня рабочей жидкости 16, нормально замкнутые контакты которого электрически соединены с обмоткой возбуждения 5, такими же контактами термореле 10 и клеммами электробатареи термоэлементов 11.
Гидроустановка работает следующим образом. При вращении набегающим потоком воздуха вертикального вала ветродвигателя 1 начинает работать гидронасос 3, прокачивающий рабочую жидкость через рубашку теплоотвода 4 и все остальные трубопроводы гидроустановки. Синхронно с валом 1 вращается и ферромагнитный ротор 2, погруженный в магнитную жидкость 6, вязкость которой пропорциональна величине индукции магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения 5 и постоянным магнитом 7. От степени приближения этого магнита 7 к магнитной жидкости 6 зависит величина ее первоначальной вязкости, а значит и величина жидкостного трения ротора 2 и интенсивность преобразования механической энергии ветродвигателя в тепло, которое улавливается жидкостной рубашкой теплоотвода 4. В свою очередь положение постоянного магнита 7 определяется регулировочным вентилем 9 и скоростью вращения гидронасоса 3, пропорциональной ветровой нагрузке вертикального вала 1.
Подогретая рабочая жидкость проходит по трубопроводам теплового реле 10 и электробатареи термоэлементов 11, которые питают намагничивающим током обмотку возбуждения 5, обеспечивающую еще большее увеличение вязкости магнитной жидкости 6.
Тогда как рабочая жидкость при температуре t меньше температуры срабатывания 80-90°C автоматического клапана термостата 12 направляется им по малому круг циркуляции - обратно к входному трубопроводу гидронасоса 3, который будет ее так прокачивать до тех пор, пока она не нагреется до рабочей температуры 80-90°C, после чего клапан термостата направит циркуляцию по большому кругу, то есть через радиатор обогрева 13.
Если же скорость вращения ротора 2 и интенсивность нагрева рабочей жидкости будут выше допустимой температуры Т=95-100°C срабатывания нормально замкнутых контактов термореле 11, то они разомкнутся и обесточат обмотку возбуждения 5, которая резко уменьшит нагрев рабочей жидкости и радиатора обогрева 13.
Аналогичный сброс тепловой мощности произойдет в случае уменьшения в расширительном баке 14 уровня рабочей жидкости ниже допустимой величины Н и размыкания контактов реле уровня 16, например, в результате излишнего испарения рабочей жидкости через предохранительный клапан 15.
Таким образом, обеспечивается надежная работа предлагаемой гидроустановки в автоматическом режиме при высокой эффективности и скорости нагрева рабочей жидкости практически без расхода магнитной жидкости и износа поверхности ферромагнитного ротора.
Поскольку в конструкции предлагаемой гидроустановки используются в основном стандартные элементы и узлы, выпускаемые автомобильной и станкостроительной промышленностью (электомагнитный нагрузочный тормоз с водяным охлаждением мощностью до 50 кВт, гидроцилиндры, термостат, реле уровня и температуры, гидронасос и т.п.), то производство таких установок может быть налажено даже в небольшой частной мастерской, а внедрение - в обычные системы водяного отопления автономных коттеджей, деревенских домов, производственных и сельскохозяйственных помещений.