Теплова вітроустановка

Реферат: Теплова вітроустановка містить теплогенератор, теплообмінник і вітроколесо, зв'язане за допомогою вертикального привідного вала з корпусом теплогенератора, виконаного у вигляді багатоярусного блока рухомих дисків і нерухомих пластин, які чергуються, встановлених із зазорами, причому диски закріплені на валу, а пластини - в пазах корпусу. Нерухомі пластини виконані у вигляді магнітних систем, кожна з яких складається з брусків постійних магнітів, зв'язаних діамагнітними перетинками в пластинчастий моноліт, в якому магніти розміщені по колу дискретно і намагнічені з полярністю, що чергується, в межах ярусу і з протилежною орієнтацією полюсів на між'ярусних відповідних площинах. Пластини першого і останнього ярусів жорстко укріплені на верхній і нижній стінках теплогенератора, а інші - на бічних стінках усередині корпусу. Рухомі диски, які встановлені на валу, виконані з металу із високою електропровідністю, переважно з міді, і симетрично розташовані усередині зазорів між нерухомими пластинами без механічного контакту з ними, є локальними джерелами теплової енергії і одночасно є деталями кондуктивного теплообмінника, які омиваються циркулюючою в зазорах водою, що подається в корпус і виводиться з нього через вхідні і вихідні штуцери. UA 97879 C2 (12) UA 97879 C2 UA 97879 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, а саме до розробки вітроенергетичних установок, які використовують енергію вітру для нагріву води. Вітроенергетичні установки зазвичай використовуються для вироблення електроенергії. Використання цієї енергії для підігріву води нерентабельно, оскільки і виробництво і споживання в даному технологічному ланцюжку йдуть з втратами енергії. Тому розроблено технології одноступінчатого типу, що використовують різні способи прямого отримання гарячої води без попереднього перетворення енергії вітру в електрику. Фрикційний теплогенератор реалізує принцип отримання тепла за рахунок сухого тертя і роботи абразивного зносу деталей ротора і статора, які утворюють механічну пару тертя з подальшою передачею тепла воді. Існують пристрої для вироблення тепла за рахунок в'язкого тертя. В таких механізмах ротор обертається в ємкості з водою або з більш в'язкою рідиною, наприклад з силіконом. Далі тепло передається воді за допомогою контактного теплообмінника. 5 Відома теплова вітроелектроустановка за А. с. № 1539390, МПК F03D 9/00, автор В.А. Попов, заявка № 4351027/25-06, пріоритет від 28.12.87, опубл. 30.01.90, бюл. № 4. В даному технічному рішенні отримання тепла є паралельним процесом, супутнім виробленню електроенергії. Для забезпечення нагріву нижня частина вертикального вала вітродвигуна опущена в бак з водою. На балці, пов'язаній з валом, встановлена гідротурбіна, яка при обертанні нагріває воду, а висувні лопатки перемішують її. До недоліків описаної установки слід віднести малий ККД перетворення унаслідок невисокого коефіцієнта в'язкості теплопоглинаючої рідини (води). Відома також вітроенергетична установка для виробництва теплової енергії за 6 декларативним пат. UA № 23128, МПК F03D 9/00, автор Грабовенко О.І., заявка № 97010147, пріоритет від 14.01.97, опубл. 30.06.98, Бюл. № 3. Установка складається з вітроколеса і пристрою для перетворення енергії вітру в теплову енергію, яке виконане у вигляді гідрогальма, що містить нерухомий корпус і ротор, який приводиться в обертання вітроколесом. Зазори між корпусом і ротором заповнені рідиною з високою в'язкістю, наприклад силіконом. До недоліків пристрою слід віднести малу теплоємність робочої рідини. Відомо, що твердий силікон використовується навіть як теплоізоляційний матеріал. 6 Відомий також вітровий теплоелектричний генератор за Пат. РФ № 2226620, МПК F24C 9/00, автори Бірюлін Ігор Борисович і Солод Микола Петрович, патентовласники Бирюлин І.Б. і Солод Н.П., дата початку дії патенту: 2002.05.27. Технічний результат, що полягає в спрощенні конструкції і підвищенні ККД, забезпечується за рахунок того, що вітровий теплоелектричний генератор містить теплогенератори, встановлені на платформі і підставі, при цьому верхній теплогенератор встановлений в центрі круглої платформи, а нижній теплогенератор в центрі підстави, теплогенератори мають вхідні і вихідні патрубки, рухомі диски теплогенераторів жорстко пов'язані з вертикальним валом, а нерухомі прикріплені до внутрішніх стінок теплогенераторів, із зовнішньої сторони до них за допомогою металевих бандажів прикріплені капсули з теплоакумулюючим складом. За наявності вітру вал вітродвигуна обертає вал навантаження. Рухомі диски, обертаючись в умовах фрикційного зв'язку з нерухомими дисками, за рахунок тертя один об одного перетворюють механічну енергію обертання в теплову. Холодна вода, омиваючи порожнини обох теплогенераторів, виходить нагрітою. Температура нагріву і витрата води регульовані. До недоліків описаного пристрою слід віднести наступне. Інтенсивність теплоутворення залежить від стану контактуючих поверхонь дисків, що труться. Проте, при збільшенні коефіцієнта сухого тертя (для збільшення потужності перетворення) зростає абразивний знос дисків, що може вимагати частої їх заміни, а також вживання додаткової системи управління їх стисненням. Крім того, фрикційний спосіб незастосовний для швидкохідних вітроколіс. Адаптація вимагає вживання понижуючого редуктора. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим як прототип, є відомий 6 вітроагрегат за Пат. РФ № 2070989, МПК F03D 9/00, автори: Болотов Р.А. і Черепанова Л.І., патентовласники: вони ж, дата початку дії патенту 1996,12.27. Суть винаходу полягає в підвищенні ККД за рахунок того, що вітроагрегат містить перетворювач енергії, виконаний у вигляді пластин, що чергуються, причому рухомі пластини встановлені в пазах привідного вала, а нерухомі пластини - в пазах корпусу перетворювача. При цьому зазори між рухомими і нерухомими пластинами заповнені рідиною з високим значенням динамічної в'язкості, наприклад етиленгліколем. Крім того, на корпусі перетворювача встановлено теплообмінник, що має внутрішню порожнину, заповнену охолоджуючою рідиною. При роботі вітроагрегату тепло, що виділяється при терті пластин у в'язкій рідині, передається через корпус перетворювача теплообміннику. Нагріта рідина передає тепло споживачу. 1 UA 97879 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 До недоліків прототипу слід віднести двоступінчастий спосіб відбору теплової енергії. Тепло виділяється за рахунок в'язкого тертя в незмінній робочій рідині, а потім передається на зовнішній теплообмінник, в якому його забирає магістральна вода. Таке технічне рішення створює додаткові канали витоку і розсіяння теплової енергії, що в загальному балансі зменшує ККД пристрою. Крім того, теплоємність робочої рідини в 2,5 раза менше теплоємності води, що зменшує ефективність енергоперетворення. В основу винаходу поставлена задача підвищення економічності і ефективності пристрою за рахунок магнітного принципу динамічної взаємодії вузлів теплогенератора, а також за рахунок використання всього багатоярусного дискового блока як кондуктивного теплообмінника. Поставлена задача вирішується тим, що нерухомі пластини виконані у вигляді магнітних систем, кожна з яких складається з брусків постійних магнітів, зв'язаних діамагнітними перетинками в пластинчастий моноліт, в якому магніти розміщені по кругу дискретно і намагнічені з полярністю, що чергується, в межах ярусу і з протилежною орієнтацією полюсів на між'ярусних відповідних площинах, причому пластини першого і останнього ярусів жорстко закріплені на верхній і нижній стінках теплогенератора, а інші - на бічних стінках корпусу, рухомі диски, встановлені на валу, виконані з металу з високою електропровідністю (переважно з міді) і симетрично розташовані усередині зазорів між нерухомими пластинами без механічного контакту з ними і служать локальними джерелами теплової енергії і водночас деталями кондуктивного теплообмінника, які омиваються циркулюючою в зазорах водою. Оцінимо важливість відмітних ознак модернізованого теплогенератора. 1. «нерухомі пластини виконані у вигляді магнітних систем, кожна з яких складається з брусків постійних магнітів, зв'язаних діамагнітними перетинками в пластинчастий моноліт, в якому магніти розміщені по колу дискретно». Дана конструктивна особливість забезпечує можливість створення теплогенератора по безконтактній роторно-статорній схемі, в якій магнітна система є джерелом нерухомого магнітного поля. Механізм тепловиділення вимагає наявність рухомого вузла, відносне переміщення якого забезпечить динамізацію потоку магнітної індукції. Вузол статора складений з нерухомих пластин, розділених на сектори регулярно встановленими магнітними брусками. У такому вигляді він може виконувати функцію статора. Скріплення магнітних брусків в монолітну пластину необхідне для того, щоб парирувати сили міжмагнітної взаємодії. 2. «магніти в пластинах намагнічені з полярністю, що чергується, в межах ярусу і з протилежною орієнтацією полюсів у відповідних між'ярусних площинах». Схема намагнічення створює умови для підвищення ефективності перетворення механічної енергії в теплову при дії магнітного поля на металевий диск. Так, чергування полярності по площині магнітної пластини підсилює динаміку наведення вихрових струмів в рухомих дисках. Цей ефект важливий при великих швидкостях обертання дисків. Зведення протилежних полюсів між ярусами створює, так званий, магнітний зазор, в якому концентрація магнітного потоку максимальна, що також гарантує посилення вихрових струмів в роторних дисках. 3. «пластини першого і останнього ярусів жорстко укріплені на верхній і нижній стінках, а інші - на бічних стінках усередині корпусу». Багатоярусна магнітна система пристрою, що патентується, може мати занадто велику масу. Але оскільки вона спирається на корпус теплогенератора, який встановлений на землі, і не пов'язана з рухомим вузлом, то ця обставина не ускладнює динаміку ротора теплогенератора. Оскільки бруски намагнічені так, що диски притягуються один до одного, то кожна з пластин, закріплених на бічних стінках теплогенератора, при точній установці між двома суміжними пластинами знаходиться в зоні компенсації однакових по величині і різноспрямованих сил. І лише дві крайніх пластини притягуються несиметрично, тільки з одного боку. Але вони закріплені на зміцнених верхній і нижній стінках. 4. «рухомі диски, встановлені на валу, виконані з металу з високою електропровідністю, симетрично розташовуються усередині зазорів між нерухомими пластинами без механічного контакту з ними і служать локальними джерелами теплової енергії». Металеві диски призначені для перетворення енергії руху в теплову енергію. Це відбувається за рахунок дисипації в матеріалі дисків струмів Фуко, наведених магнітними полями, що відносно рухаються. Поля в статиці локалізовані по секторах і зосереджені (за умов намагніченості) в зазорах, проходячи без розсіяння через мідний диск. При русі дисків по колу поля формують струмові скін-шари, в яких струми затухають на опорі матеріалу і нагрівають диски. Товщина дисків повинна бути пропорційна подвоєній товщині скін-шару (міліметрового порядку) на робочій швидкості. Оскільки сам диск не служить акумулятором тепла, відразу віддаючи його воді, що омиває поверхню, то його масивність може бути мінімізована і відповідати тільки першій умові. Виробництво тепла в даній схемі може збільшуватися не за 2 UA 97879 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рахунок зміни коефіцієнтів тертя, в'язкості або зусиль тиску, а простим способом: шляхом збільшення коефіцієнта електропровідності дисків, оскільки потужність теплоутворення пропорційна квадрату струму. Що можна здійснити простим вибором матеріалу для виготовлення. Інтенсивність тепловиділення також суттєво зростає при збільшенні намагніченості брусків, а також при зменшенні товщини зазорів. 5. «рухомі диски одночасно є деталями кондуктивного теплообмінника, які омиваються циркулюючою в зазорах водою, що подається в корпус і виводиться з нього через вхідний і вихідний штуцери». При польовому принципі взаємодії ротора і статора в пристрої, що патентується, тепло виділяється не у в'язкій рідині, що має малу теплопровідність, як у прототипі, а в металі (матеріалі дисків). Вода, що акумулює тепло, одержує його шляхом безпосереднього контакту з металом, який легко віддає енергію. Результатом є можливість звільнитися від додаткового проміжного теплообмінника, знижуючого ККД пристрою. В пристрої, що патентується, сам багатоярусний роторний блок стає ефективним теплообмінником з надзвичайно розвиненою поверхнею. Конструкція теплогенератора спрощується за рахунок того, що один вузол виконує водночас дві найважливіші функції. За відомостями, що є у авторів, запропоновані суттєві ознаки, які характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використане при проектуванні та розробці теплогенераторів, інтегрованих у вітроенергетичні установки. Опис теплової вітроустановки, що патентується, ілюструється кресленнями. На фіг. 1 наведена фронтальна схема установки, на фіг. 2 - схема пристрою (вигляд зверху), на фіг. 3 представлений переріз корпусу пристрою по АА, на фіг. 4 - переріз по ВВ. Теплова вітроустановка (фіг. 1 та фіг. 2) містить вітроколесо 1, лопаті якого закріплені на валу 2, що сполучає його з корпусом 3 теплогенератора. Корпус 3 виконаний циліндричним, герметично ущільнений по з'єднаннях і служить опорним вузлом для вітроколеса, для чого оснащений підшипниками 4, вмонтованими в центри його верхньої і нижньої стінок. Статором теплогенератора служить багатоярусний блок нерухомих пластин 5, встановлених із зазором. Пластини виготовлені із брусків 6 постійних магнітів, які розміщені по колу дискретно, та зв'язані діамагнітними перетинками 7 в пластинчастий моноліт (фіг. 3). Пластини 5 жорстко укріплені на внутрішніх площинах стінок корпусу: перший і останній ярус - на верхній і нижній стінках відповідно, а решта ярусів - в пазах бічних стінок. Бруски 6 намагнічені з чергуючою полярністю в межах ярусу і з протилежною орієнтацією полюсів у відповідних між'ярусних площинах (фіг. 4). Кількість ярусів визначає потужність теплогенератора. Ротором теплогенератора служить система круглих суцільних металевих (переважно мідних) дисків 8, жорстко пов'язаних з кінцевою ділянкою вала 2, розкріпленою між підшипниками 4 усередині корпусу. Диски 8 симетрично розташовані усередині зазорів між пластинами 5 статора без механічного контакту з ними. Тип закріплення примушує їх обертатися разом із валом. Внутрішній об'єм корпусу, що герметизований, гідравлічно пов'язаний з контурами холодної і гарячої води (не показані) через вхідний штуцер 9 і вихідний штуцер 10 відповідно. Описана теплова вітроустановка працює наступним чином. Крутильний момент від лопатей вітроколеса 1 через вертикальний вал 2 передається на диски 8, які починають обертатися в знакозмінному потоці магнітного поля, створюваному брусками 6 пластин 5. При цьому в струмопровідному матеріалі дисків 8 наводяться інтенсивні вихрові струми, енергія яких розсіюється в тепловій формі, нагріваючи метал. Холодна вода, що надходить через штуцер 9, омиває диски, забираючи у них тепло. Нагріта вода витісняється через штуцер 10 в контур споживання тиском нових порцій холодної води . Оскільки водообмін проводиться в безперервному режимі, то теплогенератор становиться постійним джерелом гарячої води, отриманої за рахунок прямого теплообміну. Механічна енергія до теплогенератора може підводитися від вітроколеса вертикальноосьових та горизонтальноосьових модифікацій будь-якого типу. Частотні параметри можуть за допомогою мультиплікаторів або редукторів вводиться в оптимальний діапазон перетворення. В пристрої, що патентується, сумарна втрата енергії, обумовлена в основному електродинамічним гальмуванням, оберігає вітроколесо від надмірного розкручування. Причому компонента в'язкого тертя води теж проявляє себе в діапазоні великих швидкостей обертання ротора, за рахунок чого здійснюється самопідстроювання ветроколеса під силу вітру. 3 UA 97879 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Теплова вітроустановка, що містить теплогенератор, теплообмінник і вітроколесо, зв'язане за допомогою вертикального привідного вала з корпусом теплогенератора, виконаного у вигляді багатоярусного блока рухомих дисків і нерухомих пластин, які чергуються, встановлених із зазорами, причому диски закріплені на валу, а пластини - в пазах корпусу, яка відрізняється тим, що нерухомі пластини виконані у вигляді магнітних систем, кожна з яких складається з брусків постійних магнітів, зв'язаних діамагнітними перетинками в пластинчастий моноліт, в якому магніти розміщені по колу дискретно і намагнічені з полярністю, що чергується, в межах ярусу і з протилежною орієнтацією полюсів на між'ярусних відповідних площинах, причому пластини першого і останнього ярусів жорстко укріплені на верхній і нижній стінках теплогенератора, а інші - на бічних стінках усередині корпусу, рухомі диски, які встановлені на валу, виконані з металу із високою електропровідністю, переважно з міді, і симетрично розташовані усередині зазорів між нерухомими пластинами без механічного контакту з ними, є локальними джерелами теплової енергії і одночасно є деталями кондуктивного теплообмінника, які омиваються циркулюючою в зазорах водою, що подається в корпус і виводиться з нього через вхідні і вихідні штуцери. 4 UA 97879 C2 5 UA 97879 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6