ветротеплогенератор

Формула изобретения

Ветротеплогенератор, содержащий водяной теплоаккумулятор, электродный котел, питающую его электрическую сеть и ветродвигатель, отличающийся тем, что он снабжен механическим нагревателем в виде мешалки с подвижными лопастями, каждая пара из которых выполнена по схеме центробежного регулятора (регулятора Уатта) с разной упругостью пружин, с приводом от ветродвигателя, при этом данный механический нагреватель установлен впереди, по ходу движения теплоносителя, электродного котла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения различных зданий и сооружений, потребность в теплоте которых не превышает 400 ГДж/ч [1].

Для теплоснабжения таких объектов в качестве теплогенераторов, как правило, используются котельные, работающие на твердом, газообразном или жидком топливе.

Основным недостатком котлов небольшой мощности, работающих на твердом топливе, является нерешенность проблемы автоматической подачи в котел топлива и удаления из котла шлака, и, как следствие этого, необходимость содержания специального персонала при эксплуатации котельной.

Котельные на газообразном топливе легко автоматизируются, однако их применение сильно ограничено из-за отсутствия в непосредственной близости от котельной источников газа - газопроводов.

Основным недостатком котельных на жидком топливе является высокая стоимость нефтепродуктов, необходимость строительства специальных устройств для хранения и подачи топлива - мазутных хозяйств.

В связи с изложенным в последнее время в качестве тепловых генераторов небольшой мощности стали широко использовать котлы, работающие на электрической энергии - электродные водогрейные котлы [2].

Основное преимущество таких теплогенераторов следует из неизмеримо более широкой распространенности электрических сетей по сравнению с газовыми сетями, а также из очень простой и надежной системы автоматики этих котлов, позволяющей регулировать их мощность от 100 до 25% без участия человека.

Основным недостатком подобных технических решений является высокая себестоимость вырабатываемой продукции - горячей воды, что является следствием высокой стоимости электрической энергии.

Чтобы уменьшить затраты на получение горячей воды, в параллель к существующим внешним источникам электрической энергии используют местные ветроэлектрические установки [3, 4].

Техническое решение [4] принято в качестве наиболее близкого аналога заявленному устройству.

Несмотря на то, что данная ветроэнергетическая установка работает частично на бесплатной энергии ветра, приведенные затраты на выработку единицы энергии таких установок соизмеримы с затратами, аналогичными затратам тепловых электрических станций [3].

Изложенное вытекает не только из нестабильности силы ветра, но и из высоких капитальных затрат на создание подобных станций, включающих прочную высокую мачту, пропеллер, коробку передач, генератор, контактные кольца (токособиратели), инверторы, выпрямители, аккумуляторы, блоки управления и автоматики. Необходимость применения дорогостоящего сложного оборудования, особенно системы автоматики, вызвано переменной силой ветра. Например, увеличение ветра с 2 до 6 м/с, т.е. в три раза, увеличивает потенциальную возможность выработки электроэнергии станции в 27 раз. Однако в полном объеме реализовать эти потенциальные возможности ветроэлектрическая станция не может. Каждый элемент ее может работать с максимальным кпд только при заранее определенных оборотах пропеллера.

Вместе с тем, анализ энергопотребления на многих объектах, особенно в жилищно-коммунальном хозяйстве, показывает, что расход энергии в виде электричества составляет не более 15% от общей потребности. Основная часть энергии потребляется в виде теплоты на отопление и горячее водоснабжение.

В связи с изложенным, становится очевидным, что значительно эффективнее преобразовывать с помощью ветроустановки энергию ветра непосредственно в теплоту, а электроэнергию из внешних сетей использовать только по прямому назначению и для догрева воды в электродных водогрейных котлах, выполняющих роль доводчиков температуры воды до требуемых значений, в тех случаях, когда мощности ветротеплоустановки недостаточно.

Для этого известный теплогенератор - электродный котел предлагается дополнить механическим нагревателем в виде мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта), при этом вал мешалки соединить с пропеллером ветроустановки с помощью механической передачи.

Такой теплогенератор позволяет наиболее полно использовать потенциал энергии ветра за счет преобразования этой энергии непосредственно в теплоту, минуя этап преобразования энергии ветра в электроэнергию, одновременно существенно упрощая и снижая стоимость этого устройства. Механический нагреватель предлагается выполнить в виде мешалки-емкости, наполненной вязкой жидкостью, в которой размещены вращающиеся лопасти. При вращении лопастей мешалки в жидкости механическая энергия затрачивается на преодоление сил трения и, в конечном счете, превращается в теплоту. Эту теплоту используют для нагрева воды, циркулирующей в системе отопления и горячего водоснабжения.

Применение мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта), с механическим приводом от ветроустановки позволяет наиболее полно использовать кинетическую энергию ветра за счет стабилизации числа оборотов пропеллера при разной скорости ветра, а также решить проблему запуска ветродвигателя без каких-либо сложных систем управления и автоматики.

Новым в заявленном изобретении является преобразование энергии ветра непосредственно в теплоту с помощью механического нагревателя в виде мешалки с лопастями, работающими по принципу центробежного регулятора, с приводом от ветродвигателя. При этом данный механический нагреватель устанавливается последовательно, по ходу теплоносителя, перед известным нагревательным прибором - электрическим котлом.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию “изобретательский уровень”.

Новые признаки в совокупности позволяют существенно упростить ветроэнергетическую установку, отказаться от дорогостоящих и ненадежных ее элементов: электрических генераторов, инверторов, выпрямителей, аккумуляторных батарей, электронных средств автоматики и за счет этого повысить технико-экономические показатели предлагаемого устройства.

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства предлагаемого ветротеплогенератора (фиг. 1) и его составной части механического нагревателя (фиг. 2).

Теплогенератор состоит из электродного водогрейного котла 1, подающего горячую воду в систему отопления и горячего водоснабжения, трубопровода 2 с регулятором температуры 3 и исполнительным механизмом 4, включающим и отключающим водогрейный котел 1, который также связан трубопроводом 5 с аккумулятором теплоты - емкостью с нагретой водой 6, которая в свою очередь связана посредством трубопровода 7 обратными трубопроводами, подающими охлажденную воду из системы отопления и подпиточную воду из водопровода. Кроме того, емкость 6 связана циркуляционными трубопроводами 8 с трубчатым теплообменником 9, расположенным внутри механического нагревателя-мешалки 10, заполненной вязкой жидкостью, например трансмиссионным маслом 11. Лопасти мешалки 12 вращаются при помощи механической передачи: вала 13, конической зубчатой передачи 14, вала 15 и пропеллера 16 ветродвигателя 17.

Механический нагреватель-мешалка (фиг. 2) состоит из корпуса 10, заполненного маслом 11, внутри корпуса расположены трубчатый теплообменник 9 и комплект лопастей 12. Все лопасти одного комплекта закреплены на валу 13 с помощью неподвижной 18 и подвижной 19 муфт, шарниров 20 и пружины 21.

На чертеже представлен один комплект, состоящий из двух лопастей. На практике целесообразно устанавливать на валу 13 по данной схеме несколько комплектов лопастей, но с разной жесткостью пружин 21, что позволит последовательно включать в работу лопасти, увеличивая нагрузку на ветроустановку, по мере увеличения числа оборотов пропеллера 16.

Ветротеплогенератор работает следующим образом.

Исходное состояние: пропеллер 16 и вал 13 не вращаются, лопасти 12 мешалки 10 пружиной 21 прижаты к валу 13. Система обладает наименьшим моментом инерции, сопротивление трансмиссионного масла 11 вращению лопастей 12 равно нулю. Такое исходное состояние способствует раскручиванию пропеллера 16 при воздействии ветра. При достижении заданных оборотов пропеллера 16 и соответственно лопаток 12 за счет действия центробежных сил на лопатки 12 подвижная муфта 19 поднимется вверх, сжимая пружину 21, угол между шарнирами 20 уменьшится, а радиус вращения лопастей 12 увеличится, увеличивая трение в мешалке и преобразование механической энергии в тепловую. Трансмиссионное масло 11 в мешалке 10 нагревается и передает тепловую энергию через трубчатый теплообменник 9 и трубопроводы 8 воде, находящейся в тепловом аккумуляторе 6, из которого нагретая вода поступает по трубопроводу 5 в водогрейный электродный котел 1 и через него по трубопроводу 2 в систему отопления и горячего водоснабжения. Если температура воды в трубопроводе 2 окажется ниже установленной нормы, то регулятор температуры 3 с помощью исполнительного механизма 4 подает напряжение на электродный котел 1, который догревает воду до необходимой температуры.

Нагретая вода, проходя по системам отопления и горячего водоснабжения, охлаждается и частично расходуется в сетях потребителей, от которых возвращается с одновременной подпиткой из водопровода по трубопроводу 7 для повторного нагрева. Дальше цикл повторяется.

При увеличении скорости ветра и увеличении выше расчетного числа оборотов пропеллера и связанного с ним вала мешалки возрастает центробежная сила, действующая на лопасти 12. Под воздействием этой силы лопасти мешалки дальше отходят от вала 13, увеличивая радиус и линейную скорость вращения лопастей 12. При этом резко (в квадрате от скорости) увеличивается сопротивление трансмиссионного масла 11, что тормозит вращение пропеллера 16, уменьшая его скорость. При уменьшении скорости ветра происходит обратный процесс: центробежная сила, действующая на лопасти 12, уменьшается, пружина 21 перемещает лопасти 12 ближе к валу 13, радиус вращения и линейная скорость их уменьшается, снижая при этом сопротивление трансмиссионного масла вращению лопастей 12 в мешалке 10, число оборотов пропеллера 16 увеличивается до номинального значения.

Список источников

1. Арсеньев Г.В. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети. М.: Энерго-атомиздат,1988. 400 с.

2. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.

3. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Энергетические проблемы человечества. М.: Мир, 1995, 291с.

4. Патент РФ №2171913, 2000 г., МПК 7 F 03 D 9/00 - прототип.