04.04.2018
218.016.347c

ВЕТРОВАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002646171
Дата охранного документа
01.03.2018
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроустановка состоит из ветродвигателя, устройства, передающего вращение от ветроколеса ветродвигателя к исполнительному устройству, представляющему из себя механический нагреватель, в котором вследствие интенсивного перемешивания жидкости механическая энергия вращения ветроколеса преобразуется в тепловую энергию жидкости и ее пара и который состоит из закрепленной неподвижно герметичной цилиндрической емкости с установленными на ее внутренней цилиндрической поверхности перфорированными лопатками в виде полуцилиндров или частей полуцилиндров, обращенных вогнутыми сторонами в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и из ротора, также цилиндрической формы, размещенного соосно с цилиндрической емкостью и с установленными на его наружной поверхности перфорированными лопатками, тоже в виде полуцилиндров или частей полуцилиндров, обращенными своими вогнутыми сторонами в сторону вращения ротора. Степень перфорации каждой лопатки составляет от 0,4 до 0,6 ее общей площади, а длина лопаток как на емкости, так и на роторе выбирается такой, чтобы лопатки ротора при его вращении свободно, но с зазорами не более 5 мм проходили вдоль внутренней цилиндрической поверхности емкости и между ее лопатками, а цилиндрическая поверхность ротора так же свободно, но с зазорами не более 5 мм проходила между торцами лопаток, размещенных на емкости, а сами лопатки как на цилиндрической емкости, так и на роторе должны располагаться равномерно, так, чтобы их продольные оси в плоскости, перпендикулярной оси установки, находились под углами 5°-10° градусов друг относительно друга, а в плоскости, параллельной оси установки, на расстоянии, равном 5-10% от общей высоты цилиндрической емкости или ротора, при этом лопатки в плане должны быть прямолинейными, а в поперечном сечении иметь форму части полуцилиндра с центральным углом, равным 100°-120°. Изобретение направлено на интенсивность нагрева жидкости. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Известны ветроустановки, состоящие из ветродвигателя и исполнительного устройства (электрогенератора, насоса) и устройства, передающего вращение от ветроколеса ветродвигателя к исполнительному устройству [см. Я.И. Шефтер. Использование энергии ветра. М.: Энергия, 1975 г., с. 59-128].

При сравнительно небольших мощностях ветроустановок, например в несколько киловатт или несколько десятков и даже сотен киловатт, не возникает серьезных проблем с преобразованием энергии вращения ветроколеса в другие виды энергии. Известна формула мощности ветроколеса [см. Большая Советская энциклопедия, 1971 г., т. 4, с. 589].

где - мощность на валу ветроколеса, кВт;

- плотность воздуха, кг /м3;

- скорость ветра, м /с;

- диаметр ветроколеса, м;

- коэффициент использования энергии ветра.

Для упрощения дальнейших рассуждений некоторые из указанных выше параметров будем считать постоянными величинами и придадим им следующие значения:

=1,3 кг/м3;

- 10 м/с, с учетом возможности увеличивать скорость воздушного потока, проходящего через ветроколесо, с помощью конфузора;

=0,4 при его колебании для наиболее эффективных ветроколес от 0,38 до 0,48.

После их подстановки в формулу для Рвк получим следующюю формулу:

. Отсюда .

По полученной формуле проведем расчеты диаметров (D) в зависимости от заданной мощности ветродвигателя, для чего зададимся рядом мощностей от 1 до 200 000 кВт и сведем результаты расчетов в таблицу.

Теперь, исходя из полученных величин диаметров ветроколес просчитаем их скорость вращения n в оборотах в минуту.

Из теории ветроколес известен так называемый коэффициент быстроходности ветроколеса Z [cм. БСЭ, 1971 г., т. 4, с. 589], который показывает, во сколько раз линейная скорость вращения крайних наружных точек ветроколеса больше скорости воздушного потока, проходящего через ветроколесо. Его величина колеблется от 1 до 11 в зависимости от типа ветроколеса. Для упрощения анализа скоростей вращения ветроколес примем этот коэффициент равным 6, т.е. близким к его среднему значению.

Тогда число оборотов ветроколеса в зависимости от его диаметра выразится формулой:

Теперь возьмем ряд диаметров, получившихся ранее в зависимости от мощности ветроколес, и определим их скорость вращения в оборотах в минуту (см. таблицу).

Из таблицы видно, что чем больше диаметр ветроколеса, тем медленнее оно вращается при одной и той же скорости воздушного потока и тем труднее получить требуемую скорость вращения исполнительного устройства, например электрогенератора. Ведь частота электрического тока, получаемого от ветроустановки, должна равняться стандартной ее величине (например, 50 Гц), а следовательно, необходимо повысить скорость вращения исполнительного устройства в несколько десятков и даже сотен раз по сравнению со скоростью вращения ветроколеса.

Задача не из простых и решается она по-разному.

Это и увеличение числа пар полюсов в генераторе, применение повышающих редукторов, применение электрических, электронных, пневматических, гидравлических и других устройств.

Но с ростом диаметра ветроколеса, а следовательно, с ростом степени повышения скорости вращения исполнительного устройства, делать это становится все труднее, сложность, количество и масса преобразующих устройств стремительно увеличивается, а их общий КПД так же стремительно падает.

В некоторых случаях имеется потребность получения от ветродвигателей не электрической или механической, а тепловой энергии (для обогревания жилищ, производственных помещений и т.д.).

Известен ветродвигатель по патенту SU 1064 039, который содержит ветроколесо, соединенное силовой трансмиссией с валом, расположенным вертикально. На нижнем конце вала закреплена крыльчатка, вращающаяся в горизонтальной плоскости и расположенная в цилиндрической обечайке, которая соосно помещена в цилиндрический бак, заполненный водой. При вращении крыльчатки вода перемешивается и от трения о крыльчатку, о стенки обечайки и бака и за счет внутреннего трения нагревается. По достижении требуемой температуры вода поступает к потребителю, а на ее место поступает относительно холодная вода от потребителя или от дополнительного источника.

Недостатками этого ветродвигателя являются нижеуказанные:

1. Низкая скорость движения воды относительно поверхностей крыльчатки при расчетной скорости ее вращения.

Происходит следующее: при своем вращении крыльчатка увлекает слой воды, находящейся в ее плоскости и толщиной, равной боковой проекции крыльчатки, во вращение. Постепенно, при непрерывной работе ветроколеса, это вращение за счет трения упомянутого слоя воды о соседние слои, передается на весь объем воды, находящейся в обечайке.

Скорость вращения воды все более приближается к скорости вращения крыльчатки. Т.е. относительная скорость воды и поверхностей крыльчатки приближается к нулю. Вследствие чего нагревание воды от трения о крыльчатку резко снижается. Остается практически только трение воды о стенки обечайки, что является совершенно незначительной величиной.

Вследствие изложенного выше, нагревание воды в баке происходит очень медленно и при недостаточной величине теплоизоляции требуемая температура воды может быть и не достигнута.

2. Наличие механической передачи снижает надежность установки в целом, усложняет ее обслуживание при эксплуатации.

Ветрустановка для нагрева воды по патенту №2431762 не содержит в своем составе механической передачи от ветроколеса к крыльчатке, которая расположена на одном валу с ветроколесом. Крыльчатка погружена в бак с жидкостью, например водой.

Однако эта установка также имеет недостаток, аналогичный недостатку 1 Тепловой ветроустановки по авторскому свидетельству SU 1064039, который изложен выше.

Известен ветротеплогенератор по патенту №2253040, который состоит из ветроколеса с горизонтальной осью вращения, двойной силовой передачи, которая вращает одновременно два вала, на каждом из которых закреплены по одному блоку крыльчаток, погруженных в емкость с вязкой жидкостью, например минеральным трансмиссионным маслом. В этот бак погружен трубчатый теплообменник, по которому циркулирует вода. Она собирается в водяном аккумуляторе, а оттуда направляется к потребителю и в него же возвращается от потребителя.

Наличие двух блоков крыльчаток, вращающихся в противоположные стороны, усиливает перемешивание жидкости и повышает эффективность работы всей установки.

Устройство ветротеплогенератора по патенту №2253040 принято за прототип.

Тем не менее оно тоже не свободно от недостатков:

1. Наличие двойной механической передачи снижает его надежность и затрудняет обслуживание при эксплуатации;

2. Сохраняется послойное вращение жидкости со скоростью, практически совпадающей со скоростью вращения блоков мешалок. Т.е. скорость движения жидкости относительно поверхностей мешалок сохраняется близкой к нулю. И хотя вращаются два слоя жидкости в противоположные стороны, но перемешивания их частиц практически не происходит, а следовательно, скорость нагревания жидкости в целом остается далеко недостаточной.

3. Наличие второго контура передачи тепла от вязкой жидкости через теплообменник к воде, что существенно снижает скорость нагревания воды.

В предлагаемой заявке ветровая теплоэлектростанция (далее ВТЭС) также происходит преобразование энергии вращения ветроколеса в тепловую энергию теплоносителя, например воды, или в энергию пара этого теплоносителя.

Далее в заявке в качестве теплоносителя упоминается только вода и ее пар.

Использование тепловой энергии воды и ее пара происходит так же, как на обычной тепловой электростанции, т.е. для отопления помещений путем подачи горячей воды и ее пара или путем использования пара в турбинах для выработки электроэнергии. Возможно также использование горячей воды и пара в технологических целях.

Для этого требуется фактически только два основных элемента: цилиндр, заполненный водой, на внутренних стенках которого равномерно как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях расположены перфорированные лопатки, и ротор, на наружной поверхности которого аналогично расположены такие же лопатки. При этом лопатки имеют в плане прямолинейную форму, а длины этих лопаток почти равны половине разности диаметров внутренней поверхности цилиндра и наружной поверхности ротора, так, чтобы они (т.е. лопатки) размещались в кольцевом пространстве с зазорами не более 5 мм. В то же время при своем вращении совместно с ротором лопатки, расположенные на роторе, должны по высоте свободно, но также с зазорами не более 5 мм проходить между лопатками, расположенными на цилиндре. Лопатки должны располагаться так, чтобы их продольные оси в плоскости, перпендикулярной оси установки, находились под углами 5-10° друг относительно друга, а в плоскости, параллельной оси установки, на расстоянии, равном 5-10% от общей высоты цилиндрической емкости или ротора.

В поперечном сечении лопатки могут иметь форму части полуцилиндра с центральным углом, равным, например, 100-120 градусам. При вращении ротора происходит интенсивное перемешивание воды - она буквально бурлит, что и вызывает интенсивное повышение ее температуры и образование пара.

Для примера возьмем ветроколесо номинальной мощностью 20000 кВт (при скорости воздушного потока 10 м/с). Его диаметр равен 100 метров.

Диаметры колес свыше 20 метров - с учетом патента №2387870 (заявка №2008110255) того же автора, что и предлагаемое изобретение. Энергия вращения ветроколеса при хорошей теплоизоляции цилиндра практически полностью превращается в тепловую энергию. С запасом примем коэффициент преобразования равным 0, 9.

Тогда тепловая мощность, передаваемая от ветроколеса воде, будет равна 18000 кВт. При такой мощности за один час, например, 150 м3 воды будет нагреваться на 120°С. Если считать, что температура подаваемой воды равна 10°С, то вода будет нагреваться до 130°С. При этой температуре давление водяного пара примерно равно 12 кгс/см2.

Если этот же объем воды подвергать указанному выше перемешиванию не 1 час, а 2 часа, то температура воды повысится примерно еще на 120°С и достигнет 250°С. Давление пара при этом станет равным примерно 25 кгс/см2. И так далее.

Таким образом, регулируя время перемешивания воды, можно получать различные параметры воды и ее пара. В общем, эти параметры близки к таковым на известных геотермальных ТЭЦ, которые в настоящее время успешно эксплуатируются.

Конечно, есть предел возрастанию температуры воды, поскольку с ростом температуры будут опережающими темпами расти потери тепла в окружающую среду, величина которых в конце концов сравняется с величиной подводимой энергии и рост температуры воды прекратится.

Существует еще и экономический предел повышения температуры воды, когда становится экономически невыгодным дальнейшее ее повышение.

Предлагаемый заявкой фрагмент ВТЭС (далее - механический нагреватель или МН) схематически изображен на Фиг. 1 и Фиг. 2.

Фиг. 1 - вид сбоку МН: 1 - цилиндр; 2 - ротор; 3 - перфорированные лопатки, прикрепленные к поверхностям цилиндра или ротора.

Фиг. 2 - вид сверху МН. Обозначения те же.

Поясним, почему изображен только механический нагреватель.

Его устройство является отличительным признаком ВТЭС от известных ветроустановок, в которых энергия ветра преобразуется только в тепловую энергию.

Работает предлагаемый механический нагреватель следующим образом:

Вал Г присоединяют к ветроколесу без возможности проскальзывания, заполняют водой пространство между цилиндром и ротором и включают в работу ветроколесо.

Перфорированные лопатки, прикрепленные к ротору, проходя через толщу воды, турбулизуют ее и отдают воде свою энергию.

Отверстия в лопатках (перфорация) препятствуют захватыванию лопатками воды и приданию ей кругового вращения в ту же сторону, что и вращение ротора. Связано это с тем, что объемы воды, оказывающиеся на линии движения отверстий в лопатках, не вовлекаются в круговое движение, а остаются практически на месте, протекая сквозь отверстия. К тому же слои воды, находящиеся перед лопатками, отбрасываются лопатками ротора не только вперед, по направлению вращения ротора, но в значительной степени и в стороны. А когда струи воды, отходящие в стороны от лопаток ротора, попадают на лопатки цилиндра, остающиеся неподвижными, а также перфорированные, они очень быстро теряют свою энергию, передавая ее основной массе воды. Практически получается так, что вода в кольцевом пространстве между ротором и цилиндром не получает общего вращения в сторону вращения ротора, что увеличивало бы время нагревания воды. А если и получает, то скорость ее достигает лишь нескольких процентов от скорости движения лопаток и на общую картину работы установки не оказывает существенного влияния.

По направлению стрелки Б в цилиндр подают порции относительно холодной воды, а по направлению стрелки В производят отбор горячей воды и пара к потребителю.

Эффективность лопаток в части перемешивания воды зависит от степени перфорации, т.е. от отношения суммарной площади отверстий на лопатке ко всей площади лопатки. В настоящей заявке принята степень перфорации в пределах от 0,4 до 0,6, как наиболее эффективная.

Расчеты показывают, что если внезапно прекратить подачу воздушного потока через ветроколесо, то оно остановится через 2-2,5 оборота.

Равновесная линейная скорость вращения лопаток ротора на диаметре 9 м при его наружном диаметре 8 м и внутреннем диаметре цилиндра 10 м и при объеме воды в кольцевом пространстве 150 м3 равна около 2,5 м/с.

Это означает, что мощности ветроколеса 18000 кВт хватит только на разгон ротора до указанной скорости. При изменении скорости воздушного потока, а также при изменении параметров ветроустановки (мощности, объема воды, диаметров ротора и цилиндрической емкости) равновесная скорость будет уменьшаться или увеличиваться по довольно сложному закону, который не является предметом настоящей заявки.

Практическое применение ВТЭС - вместо тепловой электростанции или в качестве дополнения к ней.

Ветроустановка, состоящая из ветродвигателя, устройства, передающего вращение от ветроколеса ветродвигателя к исполнительному устройству, представляющему из себя механический нагреватель, в котором вследствие интенсивного перемешивания жидкости механическая энергия вращения ветроколеса преобразуется в тепловую энергию жидкости и ее пара и который состоит из закрепленной неподвижно герметичной цилиндрической емкости с установленными на ее внутренней цилиндрической поверхности перфорированными лопатками в виде полуцилиндров или частей полуцилиндров, обращенных вогнутыми сторонами в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и из ротора, также цилиндрической формы, размещенного соосно с цилиндрической емкостью и с установленными на его наружной поверхности перфорированными лопатками, тоже в виде полуцилиндров или частей полуцилиндров, обращенными своими вогнутыми сторонами в сторону вращения ротора, отличающаяся тем, что степень перфорации каждой лопатки составляет от 0,4 до 0,6 ее общей площади, а длина лопаток как на емкости, так и на роторе выбирается такой, чтобы лопатки ротора при его вращении свободно, но с зазорами не более 5 мм проходили вдоль внутренней цилиндрической поверхности емкости и между ее лопатками, а цилиндрическая поверхность ротора так же свободно, но с зазорами не более 5 мм проходила между торцами лопаток, размещенных на емкости, а сами лопатки как на цилиндрической емкости, так и на роторе должны располагаться равномерно, так, чтобы их продольные оси в плоскости, перпендикулярной оси установки, находились под углами 5°-10° друг относительно друга, а в плоскости, параллельной оси установки, на расстоянии, равном 5-10% от общей высоты цилиндрической емкости или ротора, при этом лопатки в плане должны быть прямолинейными, а в поперечном сечении иметь форму части полуцилиндра с центральным углом, равным 100°-120°.
ВЕТРОВАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
ВЕТРОВАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-4 из 4.
27.12.2013
№216.012.9175

Струйный теплообменник типа труба в трубе

Заявленное изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа труба в трубе для жидких и газообразных сред, содержащий концентрично расположенные в цилиндрическом корпусе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502930
Дата охранного документа: 27.12.2013
27.12.2013
№216.012.9176

Теплообменник труба в трубе

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа «труба в трубе», во внутренней трубе и в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки. Внутреннее пространство...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502931
Дата охранного документа: 27.12.2013
06.07.2019
№219.017.a81a

Ветродвигатель с ветроколесом крыльчатого типа

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования энергии ветра в другие виды энергии. Ветродвигатель содержит ветроколесо крыльчатого типа, ось которого расположена вертикально. Наружные концы его крыльев жестко связаны между собой и закреплены каждый в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002387870
Дата охранного документа: 27.04.2010
06.07.2019
№219.017.a8cd

Подвесная дорога с грузонесущей нитью

Изобретение относится к подвесной дороге. Подвесная дорога с грузонесущей нитью характеризуется тем, что в качестве грузонесущей нити используется тяговая цепь для цепных передач, например втулочно-роликовая, в незамкнутом и развернутом в одну линию состоянии, длиной, равной длине всей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002421356
Дата охранного документа: 20.06.2011
Показаны записи 1-5 из 5.
27.12.2013
№216.012.9175

Струйный теплообменник типа труба в трубе

Заявленное изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа труба в трубе для жидких и газообразных сред, содержащий концентрично расположенные в цилиндрическом корпусе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502930
Дата охранного документа: 27.12.2013
27.12.2013
№216.012.9176

Теплообменник труба в трубе

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа «труба в трубе», во внутренней трубе и в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки. Внутреннее пространство...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502931
Дата охранного документа: 27.12.2013
09.05.2019
№219.017.4c3b

Мембранный компрессор

Устройство предназначено для использования в области машиностроения, преимущественно для перекачивания дорогих и редких газов высокой чистоты с одновременным повышением их давления. Мембранный компрессор состоит из корпуса и крышки, от которых отходят трубки входа газа низкого давления, выхода...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002398132
Дата охранного документа: 27.08.2010
06.07.2019
№219.017.a81a

Ветродвигатель с ветроколесом крыльчатого типа

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования энергии ветра в другие виды энергии. Ветродвигатель содержит ветроколесо крыльчатого типа, ось которого расположена вертикально. Наружные концы его крыльев жестко связаны между собой и закреплены каждый в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002387870
Дата охранного документа: 27.04.2010
06.07.2019
№219.017.a8cd

Подвесная дорога с грузонесущей нитью

Изобретение относится к подвесной дороге. Подвесная дорога с грузонесущей нитью характеризуется тем, что в качестве грузонесущей нити используется тяговая цепь для цепных передач, например втулочно-роликовая, в незамкнутом и развернутом в одну линию состоянии, длиной, равной длине всей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002421356
Дата охранного документа: 20.06.2011

Похожие РИД в системе