Генератор тепла

Изобретение относится к области энергетики, использующей природные, экологически чистые источники энергии, и может быть использовано в качестве источника тепла в местах, удаленных от централизованных источников тепла, например, в индивидуальных жилых домах, общественных зданиях, тепличных хозяйствах, фермерских хозяйствах и др., а также в преобразователях тепла в работу. Известна теплоэнергетическая установка, включающая котел, преобразующий энергию сгорания топлива во внутреннюю энергию воды (или пара) и подключенный к теплообменнику потребителя тепла или к преобразователю тепла в работу. Однако такая установка является зависимой от наличия топлива. Кроме того, конструкция тепла требует частых остановок для профилактики [РезниковМ.А., Липов Ю.Н. Паровые котлы тепловых электростанций. - М.; Энергоиздат, 1981. - 240 с]. Известна теплоэнергетическая установка в качестве первоисточника энергии, использующая ветроэнергетическую установку, включающую преобразователь механической энергии вращения ветряка в электрическую энергию. Электрическую энергию затем используют в паронагревателях для нагрева воды или воздуха и др. [Ветроэнергетика. Под ред. Д.деРензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982. -271 с]. По сравнению с предыдущей установкой эта установка использует даровую нетрадиционную энергию ветра, но надежность ее работы зависит от наличия а/кумулирующих устройств, усложняющих и удорожающих установку. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является "солнечный пруд", содержащий погруженный в него теплообменник, соединенный с помощью трубопроводов с теплообменниками потребителя тепловой энергии или преобразователем тепла в работу [Расчетно-теоретическое исследование теплового баланса "солнечного пруда" в условиях южных регионов СССР. Попель О.С., Шевченко Л.А. "Возобновляемые источники энергии. 2 Всес.конф., Ереван, 21-31 мая, 1985. Т.2 Черноголовка, 1985,36 (рус.)]. По сравнению с предыдущим техническим решением данное конструктивно проще, но эффективность его работы зависит от географической широты местности и от количества солнечных дней в году. Т.е., оно может быть применено в южных (экваториальных) широтах. Действует "солнечный пруд" следующим образом. Водоем глубиной 2,5-4 м заливается концентрированным водным раствором солеи (NaCI, KCI и др.). Концентрация раствора обеспечивает главное свойство - с повышением температуры талого раствора его плотность должна повышаться. Такое свойство достигается при концентрации раствора свыше 14%. При поглощении солнечной радиации (в основном дном пруда) происходит нагреб раствора и устанавливается своеобразная объемная структура этого раствора: появляются три явно выраженные зоны: верхняя конвективная, в которой концентрация соли близка к нулю; зона подавленной конвекции или градиентный слой, где концентрация нарастает до максимального уровня и нижняя конвективная с постоянной концентрацией соли. Температура раствора на дне пруда достигает наибольших значений (порядка 90— 100°С). В теплообменнике, расположенном на дне водоема, происходит передача тепла к теплоносителю, поступающему затем по трубопроводам в теплообменники потребителя тепловой энергии. Такая установка надежно работает в широтах, где много солнечных дней в году (Южная Азия, Северная Африка...). В средних- широтах, где среднее значение солнечной постоянной небольшое, не превышает 200 Вт/м2, "солнечный пруд" будет работать неэффективно, т.е. температура на дне пруда будет недостаточной, не превысит 40°С. В основу изобретения поставлена задача создания генератора тепла, в котором дополнительно аккумулируется энергия ветра и обеспечивается повышение эффективности работы установки, за счет этого осуществляется надежная (бесперебойная) работа в условиях средних широт. Поставленная задача решается тем, что в генераторе тепла, содержащем источник тепла в виде "солнечного пруда", теплообменник, размещенный в "солнечном пруду" и соединенный с помощью энергопроводов с потребителем, согласно изобретению, в "солнечный пруд" погружен преобразователь энергии ветра в тепло, соединенный энергопроводами с ветродвигателем. Солнечный пруд дополнительно используют и как аккумулятор энергии ветра. В качестве преобразователя энергии ветра в тепло использован гидравлический тормоз, который с помощью механической передачи соединен с ветродвигателем. В средних широтах среднее годовое количество солнечных дней составляет порядка 160 и, в основном, это в весенне-летнее время. В зимнее же время солнечные дни отсутствуют, но значительной энергией обладает ветер. Таким образом, соединив ветросиловую установку с "солнечным прудом", можно в течение всего года обеспечить надежную работу генератора тепла. Пример. "Солнечный пруд" может надежно обеспечивать тепловой энергией потребителя в районе Еревана с апреля по сентябрь. В остальное время "солнечный пруд" не работает, т.к. температура раствора на дне его не превышает 25°С. При подключении ветроэнергетической установки температура раствора у дна пруда может достигнуть 60°С зимой, что позволит эксплуатировать генератор тепла круглый год. Гидродинамический нагреватель представляет собой известный гидравлический тормоз, который, благодаря внутреннемутрению жидкости (чаще всего воды), заполняющей тормоз, преобразует работу, производимую ветродвигателем, в тепло (Гавриленко Б.А., Минин В.А., Оловников Л.С. Гидравлические тормоза. М., Машгиз, 1961, 244 с). Здесь может быть использован динамический гидротормоз, составленный из элементов лопастных гидромашин, или из барабанов с насаженными на них штыревыми венцами, или из гладких вращающихся и неподвижных дисков и цилиндров. Преобразователь энергии ветра в тепло, размещенный у дна "солнечного пруда" и соединенный с ветродвигателем, а также использование в качестве преобразователя гидравлического тормоза являются новыми, т.к. в просмотренной опубликованной литературе не встречались. Эти новые признаки находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом, т.е. с повышением эффективности работы установки, поскольку с их помощью достигается положительный эффект, заключающийся в обеспечении круглогодичной бесперебойной работы теплоэнергетической установки в районе средних широт. Кроме того, ветродвигатель, соединенный с гидродинамическим теплонагревателем в виде гидротормоза, имеет способность в отличие от существующих установок с ветродвигателями, воспринимать энергию порывов ветра, что повышает эффективность преобразования энергии ветра в тепло, поглощаемое "солнечным прудом". Указанная способность обусловлена тем, что работа, производимая ветродвигателем, прямо пропорциональна третьей степени скорости ветра. И эта же работа, преобразованная гидродинамическим теплонагревателем в тепло, прямо пропорциональна третьей степени числа оборотов вращения диска (или колокола) гидродинамического теплонагревателя. На чертеже представлена схема "солнечного пруда", соединенного с ветроэнергетической установкой. На дне "солнечного пруда" 1 в солевом растворе размещен теплообменник 2, заполненный теплоносителем, с системой трубопроводов 3, присоединяющийся к потребителю тепла. Здесь же, в "солнечном пруду", размещен гидродинамический нагреватель, соединенный с ветродвигателем 5 посредством механической передачи 6. Здесь может быть использован ветродвигатель любой известной конструкции с вертикальной или горизонтальной осью вращения. Работает генератор тепла следующим образом. В солнечные дни энергия солнечных лучей поглощается, в основном, дном "солнечного пруда" Ί и за счет этого нагревается водный раствор солей (NaCI, KCl или др.). Концентрация раствора выбрана таким образом, чтобы его плотность увеличивалась с повышением температуры. Это приводит к тому, что у дна "солнечного пруда" 1 будут накапливаться тепловые слои раствора и тем самым будет подавляться естественная конвекция, Понятно, у дна будет больше и концентрация. Таким образом, в пруде 1 образуется градиентный слой концентраций и температуры, в котором отсутствует конвекция и который служит хорошим теплоизолятором, изолирующим нижние нагретые слои раствора, так что температура раствора у дна может достичь значений 70-100°С в зависимости от размеров пруда. В теплообменнике 2, размещенном на дне "солнечного пруда" 1, циркулирует теплоноситель, подогреваемый в пруду и поступающий по трубопроводам 3 к потребителю. В период почти каждодневных солнечных дней (апрель-октябрь) солнечный пруд работает бесперебойно: рассол нагревается и передает тепло теплоносителю в теплообменнике. В этот период активность атмосферного ветра незначительна и подогрев рассола в "солнечном пруду" 1 от гидродинамического нагревателя 4 значительно меньше, чем от Солнца. В зимний же период активность атмосферного ветра значительна. По многолетним наблюдениям она в несколько раз превышает летнюю активность. В это же, зимнее, время число солнечных дней минимально и подогрев рассола в "солнечном пруду" 1 происходит в основном за счет работы ветроэнергетической установки. Ветряной двигатель 5 вращается в результате действия на него атмосферного ветра и вращает ротор гидродинамического нагревателя 4, который или непосредственно, или через мультипликатор соединен с ветродвигателем энергопроводом 6. Тепло, в которое превратилась работа, воспринятая гидродинамическим нагревателем от ветродвигателя, поглощается солевым раствором "солнечного пруда". Произведя расчеты известным способом, можно определить параметры "солнечного пруда", работающего совместно с ветродвигателем. Пример. Солнечный пруд с площадью поверхности в 300 м2 и глубиной 3 м, расположенный на широте Одессы при тепловой мощности для потребителя, равной 10 кВт, без использования энергии ветра, может достичь среднегодовой температуры в нижней конвективной зоне порядка 45°С. При этом концентрация раствора соли NaCI должна составлять порядка 14% при толщине градиентного слоя порядка 1 м. При использовании ветродвигателя мощностью 12 кВт в качестве привода гидродинамического нагревателя в виде погруженного в "солнечный пруд", среднегодовую температуру в пруде можно повысить до 70°С. Преимущества предлагаемой теплоэнергетической установки по сравнению с прототипом следующие: экологически чистый источник тепла; бесперебойная круглогодичная работа установки; простота конструкции; дополнительное использование даровой природной энергии ветра; установка не требует постоянного обслуживания.