Є ще 5 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Аеротермоенергетична установка, що містить порожнисту витяжну башту, розміщену на основі, в якій виконані повітрозабірні отвори, робочий орган, встановлений всередині башти, сонячні колектори, розташовані на зовнішній поверхні башти та додаткові засоби для збільшення площі енергопоглинаючих площин колекторів, яка відрізняється тим, що башта має шестикутний переріз і пірамідальний профіль та встановлена на опорних колонах, які піднімають її над основою на висоту повітрозабірного прорізу, який оснащений розтрубним екраном, захоплюючим низові вітрові потоки, башта має несучий каркас, виконаний з профілів, встановлених по ребрах піраміди, всі площини башти мають обшивку, виконану з металевих листів, зачернених із зовнішнього боку, порожнину башти утворює вертикальний канал змінного перерізу, всередині каналу по всій його довжині і по центральній осі симетрії на валу встановлений робочий орган, виконаний у вигляді вітрового ротора шнекового типу з гвинтовою лопаттю, зчленований з електрогенератором, ротор центрується в каналі за допомогою підшипникових вузлів, розкріплених траверсами по верхньому і нижньому кінцях вала, лопать ротора виконана з тонкого алюмінієвого листа або з армованої пластмаси, башта складається з двох поясів, площини яких мають різний нахил до горизонту, нижній пояс спирається на колони і доходить до половини висоти башти, причому нахил нормалі його площин до горизонту становить 50°, верхній пояс спирається на нижній пояс, а нахил нормалі його площин до горизонту становить 25°, на площинах граней нижнього пояса розміщений випарний колектор, що складається з системи випарних комірок, які закріплені на внутрішніх площинах граней і повністю покривають їхню поверхню, комірки мають прямокутну коробчасту форму, виконані з металу і донними гранями щільно в тепловому відношенні прилягають до матеріалу обшивки башти, протилежні великі грані комірок перфоровані для вільного виходу пари в канал башти, об'єм кожної комірки заповнений пористим теплостійким матеріалом, який просочується водою, подача води в випарні комірки здійснюється за допомогою системи капілярних трубок, що прокладені в зазорах між комірками і з'єднують кожну комірку окремо з закритим басейном, при цьому вода в ємкість басейну подається напряму з магістрального водопроводу, на внутрішніх поверхнях площин верхнього поясу жорстко закріплені поздовжні металеві ребра, які створюють сухий колектор і служать для збільшення площі теплообміну між металом і робочим повітряним потоком, на зовнішніх площинах обох поясів башти по вертикальних реберних виступах скатів башти встановлені напрямні пластинчасті огорожі, вихідна ділянка башти оснащена конфузорними концентраторами вітрового потоку, які закріплені нижніми краями на площинах покриття граней башти, причому кожен конфузор направлений широким розтрубом вниз до напрямних площин, а звуженим соплом - вгору.

Текст

Реферат: Аеротермоенергетична установка містить башту, що має шестикутний переріз, пірамідальний профіль і встановлена на опорних колонах, що піднімають її над основою на висоту повітрозабірного прорізу, який оснащений розтрубним екраном, захоплюючим низові вітрові потоки. Башта має каркас, виконаний з профілів, встановлених по ребрах піраміди. Порожнину башти утворює вертикальний канал змінного перерізу, всередині каналу по всій його довжині на валу встановлений робочий орган, виконаний у вигляді вітрового ротора шнекового типу з гвинтовою лопаттю, зчленований з електрогенератором. Башта складається з двох поясів, площини яких мають різний нахил до горизонту, На площинах граней нижнього пояса розміщений випарний колектор, що складається з системи випарних комірок, які закріплені на внутрішніх площинах граней. Комірки мають прямокутну коробчасту форму і донними гранями щільно в тепловому відношенні прилягають до матеріалу обшивки башти. Протилежні великі грані комірок перфоровані для вільного виходу пари в канал башти. Об'єм кожної комірки заповнений пористим теплостійким матеріалом, який просочується водою. Подача води в випарні комірки здійснюється за допомогою системи капілярів, що прокладені в зазорах між комірками і з'єднують кожну комірку окремо з закритим басейном. На внутрішніх поверхнях UA 116052 C2 (12) UA 116052 C2 площин верхнього поясу жорстко закріплені поздовжні металеві ребра. Вихідна ділянка башти оснащена конфузорними концентраторами вітрового потоку, які закріплені на площинах покриття граней башти, причому кожен конфузор направлений широким розтрубом вниз до напрямних площин, а звуженим соплом - вгору. UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до нетрадиційної енергетики і може бути використаний при створенні аеродинамічних геліостанцій. При експлуатації вітро- та геліоустановок виникає досить серйозна технологічна проблема, яка полягає в серйозних коливаннях потужності, що генерується, обумовлених нерівномірністю надходження сонячної та вітрової енергії. Цей недолік компенсують двома способами: шляхом створення комплексів, що утилізують одночасно і вітрову і сонячну енергію, а також шляхом застосування буферних тактик, що включають створення запасів виробленої енергії для покриття періодів провалів потужності. Баштові типи ВЕУ відкривають можливості синхронного використання як кінетичного потенціалу повітряних потоків, так і деяких інтегральних градієнтних станів повітряних об'ємів (температурні градієнти, градієнти тиску, градієнти вологості (густини). І якщо концентрація (посилення) повітряних потоків має досить розроблену надійну технологічну базу, то градієнтні види енергії, обумовлені штучно створеними станами повітряного середовища, вимагають розробки індивідуальних засобів посилення специфічних перепадів активних характеристик. Збільшення градієнта отримують шляхом локальної концентрації. Наприклад, нагрівання повітря з розширенням площі теплообмінника, збільшення густини потоку всередині башти шляхом насичення її водяними парами і т. і. Конфузорні прискорювачі повітряного потоку, а також конвективні їх модифікації є пристроями, можливості яких перебільшені. Кожен конфузор є каналом, що звужується, розташований у відкритому потоці. Він відкритий як з боку вітрового фронту, так і з підвітряного боку, і тому в ньому не виконується закон Бернуллі, введений для пояснення прискорення потоку на вузьких ділянках нескінченної або закритої з боку нагнітання повітря труби. А якщо він ще постачений на вихідному зрізі перешкодою (вітроколесами, котрі забирають енергію), то оскільки напірної силою є тільки величина тиску з боку вітрового потоку, то за однакової кількості опору і далі потік просто припиняє входити в конфузор (а не те, що прискорюватися). Таким чином, ставити за мету забрати у потока більше енергії суперечить властивостям цього робочого тіла. Збільшення опору на виході перешкоджає прискоренню потоку. Така ж сама ситуація створюється в баштах, в яких потенціал потоку зростає за рахунок збільшення сили тяги. Для часткового порятунку ідеї збільшують кінетичний потенціал течії. Роблять це шляхом підігріву повітря, збільшення його питомої ваги (густини) за рахунок підвищення вологості. Найефективнішим заходом є поєднання обох способів. Винахід дозволяє використовувати енергію горизонтальних і вертикальних (висхідних) повітряних течій, що виникають в обгороджених вертикальних об'ємах за рахунок градієнтів атмосферного тиску, густини (насиченості водяними парами) і температури робочого потоку. Потрійний градієнт є синергетичним на одному головному енергоносії - повітрі. Неможливість стиснення повітря при природних рівнях перепаду тисків не дає можливості керувати безпосередньо густини носія. Непрямі методи управління вимагають корекції. Так, нагрів збільшує потенційну енергію повітря, але зменшує його густину за рахунок температурного розширення. Навпаки, насичення нагрітими водяними парами збільшує густину. Змішування з холодними парами збільшує густину, однак при акті змішування забирає кінетичну енергію у повітря. Відомі технічні рішення, що частково використовують ідею синергетичного підвищення енергонасиченості повітряних струменів. Так відома термоенергетична вітроустановка за пат. РФ № 2505704, МПК F03D 9/00 (2006.01), F28C 3/02 (2006.01), автори: Щеклеін С.Є. і Попов А.І., власник патенту: Федеральна державна автономна освітня установа вищої професійної освіти "Уральський федеральний університет імені першого Президента Росії Б.М. Єльцина", заявка № 2012152015/06, заявл. 04.12.2012, опубл. 27.01.2014. Вітроустановка містить нерухомий опірний корпус, вертикальну вісь, з'єднану з ротором у верхній частині, електрогенератором і побудником тяги в основі корпусу. Побудник тяги виконаний у вигляді кільцевої камери введення гарячого повітря від додатково введеного і розташованого в потоці теплообмінника "вода-повітря". Над камерою на осі встановлено вітроколесо. У потоці додатково закріплений пристрій для аерації рідини, вхід якого підключений до виходу теплообмінника, а його вихід з вологим гарячим повітрям з'єднаний з кільцевою камерою побудником тяги. На вертикальну вісь між ротором і вітроколесом насаджена обгінна муфта, ротор розміщений в конусній частині корпусу. Вітроустановка може бути використана для вироблення електричної енергії з теплових скидів води в ставки-охолоджувачі АЕС, ТЕЦ та ін. шляхом перетворення їх в вихрові потоки для функціонування вітроустановки. До недоліків установки-аналога можна віднести те, що для нормального функціонування установка повинна бути агрегатована з іншим пристроєм, що створює відходи у вигляді 1 UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплових скидів, які для використання повинні бути додатково активовані і перетворені, що надмірно ускладнює конструкцію аналога. Відома також аеротермоенергетична установка за пат. РФ 2452870, МПК F03D 3/04 (2006/01), автори: Щолоков А.І., Макаров І.В., Лобачов І.А., власник патенту: Державна освітня установа вищої професійної освіти Самарський державний технічний університет, заявка № 2010116512/06, заявл. 26.04.2010, опубл. 10.06.2012. Установка містить нерухомий корпус, який є опорою пристрою, на верхній частині якого встановлений ротор з електрогенератором. Ротор складається з сферичної конструкції, бокова поверхня якої набрана з окремих меридіанальних елементів, рівномірно розташованих в діаметральній площині, які утворюють профільовані криволінійні канали, і додаткового багатолопатевого робочого колеса. Колесо встановлено в нижній полярній частини сферичної конструкції, з'єднане спільною вертикальною віссю зі сферичною конструкцією. До колеса підведений канал знизу від основи опорної частини у вигляді пустотного елемента опори або окремої труби, закріпленої у вигляді полегшеної опорної конструкції, на вході в які встановлено стимулятор тяги з регулюючими пристроями, що працює від спалювання будь-якого органічного палива в охолоджувальній камері згоряння або при використанні стиснених газів (вуглекислота, азот, повітря). До недоліків аналога слід віднести те, що для підвищення енергонасиченості робочого потоку використовується теплотворна здатність вуглеводневого палива або енергія стисненого газу, тобто енергія, яка може бути використана більш рентабельним способом. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим як прототип, є аеродинамічна геліоустановка з активною баштою за пат. РФ № 2334124, МПК F03G 6/04, 6/06; F24 12/42, автори: Соловйов А.А., Чекарь К.В., власник патенту: вони ж; заявл. 22.02.2007, опубл. 20.09.2008. Геліоустановка містить витяжну башту, виконану з теплопровідного матеріалу, турбогенератор, сонячні колектори, розташовані біля основи башти, і розміщені на зовнішній її поверхні, а також відбиваючі світло пластини, встановлені уздовж башти під кутом один до одного, що утворюють систему фоклинів. Введення в установку сонячних колекторів і пластин, розташованих на витяжній башті, перетворює її в активний елемент конструкції, де відбувається нагрівання повітря, врезультаті чого швидкість повітряного потоку в башті, і, отже, ефективність установки збільшується, особливо при сході і заході сонця. Крім того, нагрів повітря в башті дозволяє знизити висоту башти, не зменшуючи потужності установки, що призводить до зниження її вартості, оскільки башта є найбільш дорогим елементом конструкції. До недоліків прототипу слід віднести наступне. Неефективна орієнтація площин, на яких встановлені колектори, відносно падаючого світлового потоку, надмірне збільшення парусності башти за рахунок використання системи пластин, невдалий вибір типу а також місця установки турбогенератора, який при роботі може створювати повітряну пробку, що загрожує небезпекою виникнення в каналі башти ефекту зворотної тяги, крім того, робочий потік має недостатню питому густину. В основу запропонованого технічного рішення поставлено задачу підвищення ефективності аеротермоенергетичних установок за рахунок синергетичної взаємодії термодинамічного, кінетичного, аеродинамічного і чисто теплового потенціалів, що реалізується шляхом раціонального розміщення сонячних колекторів, зменшення вітрового тиску на башту, використання вітроприймального вузла з розподіленим режимом відбору потужності робочого потоку та підвищення питомої густини повітряної маси в каналі установки. Поставлена задача вирішується тим, що башта має шестикутний переріз і пірамідальний профіль і встановлена на опорних колонах, які піднімають її над основою на висоту повітрозабірного прорізу, який оснащений розтрубним екраном, захоплюючим низові вітрові потоки, башта має несучий каркас, виконаний з профілів, встановлених по ребрах піраміди, всі площини башти мають обшивку, виконану з металевих листів, зачернених із зовнішнього боку, порожнину башти утворює вертикальний канал змінного перерізу, всередині каналу по всій його довжині і по центральній осі симетрії на валу встановлений робочий орган, виконаний у вигляді вітрового ротора шнекового типу з гвинтовою лопаттю, зчленований з електрогенератором, ротор центрується в каналі за допомогою підшипникових вузлів, розкріплених траверсами по верхньому і нижньому кінцях вала, лопать ротора виконана з тонкого алюмінієвого листа або з армованої пластмаси, башта складається з двох поясів, площини яких мають різний нахил до горизонту, нижній пояс спирається на колони і доходить до половини висоти башти, причому нахил нормалі його площин до горизонту становить 50°, верхній пояс спирається на нижній пояс, а нахил нормалі його площин до горизонту становить 25°, на площинах граней нижнього пояса розміщений випарний колектор, що складається з системи випарних комірок, які 2 UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 закріплені на внутрішніх площинах граней і повністю покривають їхню поверхню, комірки мають прямокутну коробчасту форму, виконані з металу, і донними гранями щільно в тепловому відношенні прилягають до матеріалу обшивки башти, протилежні великі грані комірок перфоровані для вільного виходу пари в канал башти, об'єм кожної комірки заповнений пористим теплостійким матеріалом, наприклад мінеральною ватою, який просочується водою, подача води в випарні комірки здійснюється за допомогою системи капілярних трубок, що прокладені в зазорах між комірками і з'єднують кожну комірку окремо з закритим басейном, при цьому вода в ємкість басейну подається напряму з магістрального водопроводу, на внутрішніх поверхнях площин верхнього поясу жорстко закріплені поздовжні металеві ребра, які створюють сухий колектор і служать для збільшення площі теплообміну між металом і робочим повітряним потоком, на зовнішніх площинах обох поясів башти по вертикальних реберних виступах скатів башти встановлені напрямні пластинчасті огорожі, вихідна ділянка башти оснащена конфузорними концентраторами вітрового потоку, які закріплені нижніми краями на площинах покриття граней башти, причому кожен конфузор направлений широким розтрубом вниз до напрямних площин, а звуженим соплом - вгору. Розкриємо сутність винаходу через порівняльний аналіз характерних ознак, що характеризують запропоноване технічне рішення і відрізняють його від прототипу. У прототипі відбір потужності відбувається в локальному об'ємі каналу, що впливає на динаміку не тільки висхідного потоку, а й потоку, що притікає. Тобто геометричні особливості перетворювача енергії (робочого органу) позначаються на інтенсивності забору повітря. В установці, що патентується, так само як і в прототипі, висхідний потік (тяга)встановлюється в каналі, який є відкритим з двох кінців і збуджується за рахунок перепаду тиску між гирлом і вихідним отвором. Напрямок потоку залежить від коливань різниці тисків і навіть від знаку перепаду. Оскільки робочий орган (турбогенератор) установки-прототипу, що відбирає енергію у повітряного потоку, встановлений в перехідному просторі між вхідним прорізом та всією рештою об'єму витяжної башти, то він стає елементом, що значно збільшує аеродинамічний опір вхідної ділянки каналу установки. У той же час аеродинамічний опір вхідних отворів малий. Це призводить до того, що при нагріванні повітря від колекторів, розташованих біля опори башти, які є основними постачальниками енергії, може виникнути течія, зворотна заявленому. Це тим більш ймовірно ще й з тієї причини, що за режимним розкладом колектори витяжної башти мають найменшу потужність при розвитку максимальної потужності на нижніх колекторах. Таким чином, робота верхнього колектора не синхронізована з роботою нижнього, і рушійні сили течії не складаються. А без взаємної односпрямованої підтримки збільшення швидкості потоку не відбувається. У загальному випадку в атмосфері, що оточує установку, можливе таке поєднання умов, що може виникнути, так звана, зворотна тяга. Тобто вектор течії в каналі змінить знак і масоперенос піде від виходу до гирла. Загроза появлення такого режиму тяги збільшується тим, що аеродинамічний опір вихідної ділянки суттєво підвищується за рахунок відбору потужності турбогенератором. У прототипі ймовірність зворотної тяги набагато більше, ніж в установці, що патентується. Перевага патентуемого рішення обумовлена тим, що опір руху повітря розподілений по довжині каналу башти, а не зосереджений в одному місці. Крім того, напрямок тяги підтримується висхідними струменями пари і нагрітого повітря. Пара не може в заданих умовах отримати інший напрямок руху крім вертикального (вгору) оскільки його підтримує архимедова сила. Напрямок цієї сили обумовлено тим, що гаряча і така що має малу густину пара виходить в канал в районі течії щільного, ще не розігрітого, взятого із зовнішнього середовища повітря. Природно, що ця ситуація буде спрацьовувати на користь формування сильної робочої течії в каналі башти, тільки якщо температура вхідного повітря не дуже низька для того, щоб викликати конденсацію пари і перетворити його в туман. Але ця небезпека малоймовірна через співвідношення мас змішуваних гарячої пари і повітря "забортної" температури, оскільки в огородженому стінками башти об'ємі каналу маса повітря досить обмежена. Використаний принцип стимуляції висхідних повітряних течій шляхом надання потоку такої структури, отримуючи яку потік мінімізує втрати на перенос маси свого матеріалу. Такий прийом часто використовується в тематично близьких технічних рішеннях. Однак істотною відмінністю рішення, що патентується, є енергетичний баланс процесу. Структурування потоку проводиться не за рахунок відбору енергії у самого потоку, а за рахунок залучення додаткової енергії зовнішнього середовища. Хаотична система великомасштабних турбулентності (вихрових утворень), легко виникає на стадіях первинного формування робочих потоків (в концентраторах різних типів), переводить значну частину енергії потоку в пасивний стан. масивні вихори, що надходять на лопаті робочих органів, майже не віддають кінетичну енергію, зісковзуючи з вітроприймальних площин. В 3 UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 установці, що патентується, використовується принцип створення упорядкованого вихрового потоку, в якому струмені не замикаються самі на себе, стаючи локальними утвореннями, а беруть участь в динаміці всього потоку як структурні струмені спірального типу. Такий розімкнутий вихровий потік ефективно взаємодіє з робочим органом. Цей режим реалізується за допомогою шнекового ротора. При обертанні в центральній зоні потоку, він провокує систему на впорядковану закрутку за рахунок синхронного дії на потік двох примусових рухів: вертикального і радіального. Складання двох сил змушує струмені рухатися по спіральній траєкторії, оскільки дія лінійних струменів виконує розгортку радіальних струменів. І структура потоку змінюється інакше, залежно від того чи закручується він силовою дією шнека або він сам розкручує шнек, який стоїть як перешкода для обтікання. Теплова енергія і парова компонента надходять в канал башти з боку найбільшої її освітленості, тобто асиметрично, і їх напрямок змінюється протягом дня відповідно до траєкторії обходу сонця. Вітрова ж енергія випадковим чином змінює свій напрямок. Тому акумуляція енергій різного роду дає несиметричний потік. Для вирівнювання розподілу енергонасиченості найбільше підходить шнековий робочий орган, який так направляє різні струменя масопереносу по гвинтовій поверхні, що вони змішуються і значною мірою усереднюються. Цей ефект надає процесу енергопередачі відносної стаціонарності. Крім того, акт відбору потужності робочим органом розподілений по всій довжині шнека, тобто йде в тому ж режимі, як і стимулюючі сили, що підтримують рух потоку. Відбір енергії у потоку гвинтовою поверхнею шнека йде плавно, у режимі розподіленого навантаження, що запобігає утворенню "пробки" аеродинамічного опору, яка формується в зоні роботи вітроколеса репелерного типу, встановленого в каналі башти установки-прототипу. Вертикальні сонячні колектори розміщені у прототипі по всій зовнішній поверхні башти. Крім того башта додатково оснащена засобами для збільшення променевого потоку на колектор у вигляді системи віддзеркалюючих пластин, встановлених уздовж башти під кутом один до одного (фоклинів). Система фоклинів, використовувана в прототипі має серйозні недоліки. Поперше, багаторазові акти відбиття світлового потоку нагрівають площини фоклинів, але при цьому слабкий тепловий контакт цих площин з баштою призводить до істотних втрат теплової енергії, яка розсіюється в навколишньому повітрі. По-друге, велика парусність цього вузла збільшує бокове навантаження на башту, що зменшує надійність установки, або змушує розробників вводити в опорний каркас додаткові зміцнюючі елементи, ускладнюючи тим самим конструкцію башти. А, по-третє, ефективність їх зменшується через самозатінення і перекриття прямих променевих потоків на башту. Враховуючи ту обставину, що введення фоклинів еквівалентно збільшенню поглинаючих площин, замість них, в установці, що патентується, збільшено діаметр башти. Крім того площини колекторів виконані з нахилом до горизонту, і підібрані такі значення кутів нахилу, що значно збільшує інтегральну теплоприймальну здатність колекторів. Крім того, башта установки, що патентується, має набагато кращу обтічність, оскільки частина струменів вітру течуть з поворотом по похилих площинах граней, а частина обтікає башту в стаціонарному режимі. Тому рівень аеродинамічного тиску на башту істотно менший, незважаючи на те, що її діаметр більший, ніж у прототипа. Збільшення ж діаметра, призводить, крім зазначених переваг, ще й до збільшення стійкості споруди, відносно бічних навантажень з боку вітрових поривів. Об'єм утилізованої сонячної енергії, окрім її щільності, залежить від кута падіння променів на поглинаючу поверхню, оскільки при зміні кута змінюється ефективна площа граней, тобто перекриваний ними переріз потоку випромінювання. Вона дорівнює реальній площі грані, помноженій на синус кута між його площиною і напрямком потоку. Тому, якщо грань перпендикулярна потоку, її ефективна площа дорівнює її реальної площі, якщо потік відхилився від перпендикуляра на 60° - половині реальної площі, а якщо потік паралельний поверхні, її ефективна площа дорівнює нулю. 1 Істотне відхилення потоку від нормалі до поверхні грані знижує його ефективну площу, що обумовлює помітні втрати променевої енергії. Однак ефективна площа грані при відхиленні від нормалі на 25-30° залишається досить великою - не менше 90 % від її реальної площі. Таким чином, для цього фактора існує досить великий кутовий запас (близько 25°), за показником точності орієнтації. Розрахунки показують, що для ефективного використання всієї енергії, що надходить під різними кутами в перебігу дня, достатньо двопоясної конструкції башти. Дійсно, оскільки максимальна висота сонця над горизонтом опівдні для України лежить в кутовому інтервалі 6070° (для періоду літнього сонцестояння) і 1525° (для періоду зимового сонцестояння), то в разі двопоясної компоновки башти площини граней нижнього пояса повинні 4 UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 мати нахил нормалі до горизонту не менше 25°, а площині граней верхнього пояса не менше 50°. Згідно з наведеними міркуваннями, башта установки, що патентується, виконана двопоясною з різним нахилом граней поясів до горизонту, а цей прийом збільшує її ефективний перетин, що еквівалентно збільшенню площі. Але в даному випадку продуктивність колекторів збільшується без надмірного збільшення їх реальної площі, тільки за рахунок оптимальної орієнтації поясів відносно променевих потоків. Площинаколектора нижнього пояса в установці, що патентується, орієнтована під кутом 50° нормалі до горизонту, чим враховані особливості зенітального діапазону потоку сонячних променів на середній широті України. У прототипі ця площину розташована горизонтально, що призводить до втрати частини потоку променевої енергії. Цей же ефект врахований в конструкції верхнього (сухого) колектора. Згідно з винаходом, нахил нормалі його площин становить 25° до горизонту, що дає можливість поглинати більше променистої енергії, ніж за допомогою колектора з вертикальними стінками (як в прототипі). Оскільки надмірне збільшення вологості потоку нераціонально, то кути підібрані так, що в ранкові та вечірні години, коли вологість навколишнього повітря вище, велику енергію отримує сухий колектор. А вдень кут падіння сонячних променів такий, що більше енергії надходить на випарний колектор, внаслідок чого вологість сухого робочого потоку підвищується, так як процес штучного зволоження набуває максимальної інтенсивності, а пара отримує найвищу температуру. Таким чином, маючи різні кути нахилу, колектори установки взаємно підтримують роботу один одного. У прототипі практично не враховано і не використано цю важливу обставину. Строго горизонтально орієнтований комплекс нижніх колекторів і строго вертикально - верхніх, створює ситуацію великого розкиду об'ємів надходження енергії протягом дня, оскільки установка нерухома, а променевий потік обходить її площині, весь час змінюючи кут як азимутального, так і зенітального склоніння. В результаті в одні години установка потрапляє в діапазон продуктивних кутів падіння, а в інші - в діапазон кутів малого ефективного перетину. Такі коливання рівня енергопоглинання дає відповідні коливання ККД установки. Надійність підтримки динаміки робочого потоку збільшується ще й тим, що зовнішні площинні напрямні, утворені реберними огорожами, і мають протяжність по похилих скатах башти, повертають хвилі набігаючого вітру вгору. Будучи захопленими в верхній частині башти соплами конфузорів, ці струмені створюють імпульс, що сприяє відсмоктуванню повітря з башти. Таким чином, зовнішні площини башти виконують подвійну функцію. Використовується як їх енергопоглинаюча здатність, так і топологічні особливості, що дозволяють направляти вітрові потоки в заданому напрямку. Проведений порівняльний аналіз показує, що установка, яка патентується має істотні відмінні ознаки в порівнянні з прототипом, а сукупність цих ознак сприяє вирішенню поставленої у винаході задачі. За наявними у авторів відомостями запропонована сукупність відмінних ознак, що характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при створенні аеродинамічних геліостанцій. Схема пристрої, що патентується, ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 наведено загальний вигляд установки у фронтальному перерізі, на фіг. 2 - переріз башти установки по АА, на фіг. 3 - переріз башти по ВВ, на фіг. 4 - вигляд башти зверху. Аеротермоенергетична установка містить (фіг. 1) порожнисту башту 1 шестикутного перерізу і пірамідального профілю, встановлену на опорних колонах 2, і піднята її над основою 3 на висоту повітрозабірного отвору 4. Порожнина башти утворює вертикальний канал 5 змінного перерізу. У каналі по його центральній осі симетрії встановлено вітровий ротор 6 шнекового типу, зчленований з електрогенератором 7. Гвинтова лопать ротора 6 закріплена на валу 8 та виконана з тонкого алюмінієвого листа або з армованої тканиною пластмаси. Ротор центрований в каналі через підшипникові вузли 9 і 10 за допомогою траверс 11 по верхньому та нижньому кінцях вала 8. Башта має несучий каркас 12 виконаний з профілів, встановлених по ребрах піраміди. Всі грані башти мають покриття 13, за для якого використані металеві листи, зачорнені із зовнішнього боку. Башта 1 складається з двох поясів, площини яких мають різний нахил до горизонтального основи. Нижній пояс спирається на колони 2, починається від повітрозабірного отвору 4 і доходить до половини висоти башти, причому нахил нормалі його площин становить 50 до горизонту. На площинах пояса розміщений випарний колектор, що складається з системи випарних комірок 5 UA 116052 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 14, котрі закріплені на внутрішніх площинах граней нижнього пояса та повністю покривають їхню поверхню. комірки 14 (фіг. 1 та фіг. 2) мають прямокутну коробчатую форму, виконані з металу та донними площинами щільно в тепловому відношенні прилягають до матеріалу обшивки башти. Протилежні великі площини комірок перфоровані для вільного виходу пари в канал башти. Об'єм кожної комірки заповнений пористим матеріалом, наприклад мінеральною ватою, який просочується водою. Подача води в комірки здійснюється за допомогою системи капілярних трубок 15, що з'єднують кожну комірку з живильним закритим басейном 16. Трубки прокладені у вузьких зазорах поміж комірками. Басейн розміщений на основі 3. Вода в басейні поповнюється від магістрального водопроводу (не показаний). Верхній пояс (фіг. 1 та фіг. 3) спирається на нижній пояс башти, а нахил нормалі його площин становить 25° до горизонту. Зовнішні площини металевого покриття обох поясів зачорнені і є фотопоглинаючими. На внутрішніх поверхнях площин граней сухого колектора жорстко закріплені поздовжні металеві ребра 17, які служать для збільшення площі теплообміну між колектором і внутрішнім повітряним потоком. Таким чином сухий колектор є теплообмінником, технічної системою додаткового підігріву повітря. Повітрозабірний отвір 4 оснащений розтрубним екраном 18, захоплюючим низові вітрові потоки. В результаті інтенсивність надходжень повітряної маси всередину каналу збільшується. Вихідна ділянка башти оснащена конфузорними концентраторами 19 вітрового потоку, встановленими впритул на одній висоті (фіг. 1 та фіг. 4). Вони закріплені нижніми краями безпосередньо на площинах покриття 13 граней башти. Кожний конфузор орієнтований широким розтрубом вниз, до напрямних площин, а звуженим соплом 20 - вгору, і завдяки чому здатні захоплювати повітряну масу і направляти її вздовж відпрацьованого потоку повітря, що виходить з каналу 5 башти. На зовнішніх площинах обох поясів башти (фіг. 1, фіг. 2 і фіг. 3) по краям похилих скатів башти встановлені реберні огорожі 21. Вони перетворюють скати у напрямні, які повертають струмені набігаючого на башту вітру вгору і направляють їх до розтрубів концентраторів 19. Описана установка, що патентується, працює наступним чином. В установці використовується поєднані енергія вітру та енергія сонця. Вітрова енергія надходить в канал 5 башти 1 через проріз отвору 4 під дією перепаду тисків між гирлом каналу і зрізом вихідного отвору башти (тяги), а також завдяки захопленню вітрового напору, котрий підсилюється завдяки дії розтрубного екрана 18, а сонячна енергія перетворюється в чисто теплову форму і витрачається на роботу фазового переходу (випаровування води). Базовим агентом масоенергопереносу по каналу є повітряний потік. Формування висхідного потоку всередині огородженого стінками башти 1 простору набагато більш імовірно, ніж на відкритих площадках, оскільки структура установки сприяє локальній концентрації теплової і кінетичної енергії. Зовнішні площини обох поясів башти виконують подвійну функцію. Використовується як їх енергопоглинаюча здатність, так і топологічні особливості, що дозволяють направляти вітрові потоки в заданому напрямку. Так, стартовим збудником тяги служить піддув від концентраторів 19 верхнього пояса, які отримують струмені, що утворені напрямними площинами з реберними огорожами 21, і мають протяжність по похилих скатах башти, повертають хвилі набігаючого вітру вгору. Будучи захопленими в верхній частині башти розтрубами конфузорів 19, ці струмені прискорюються на виході сопел 20 і створюють вертикальний тягловий імпульс, що сприяє відсмоктуванню повітря з каналу 5. Таким чином, зовнішні площини башти виконують подвійну функцію. Використовується як їх енергопоглинаюча здатність, так і топологічні особливості, що дозволяють направляти вітрові потоки в заданому напрямку. Збуджений висхідний потік в каналі 5 додатково стимулюється за двома параметрами (по швидкості течії і по густині носія) введенням розігрітого пара від пояса випарного колектора, далі, в кінці каналу, підігрівом від ребер 17 теплообмінника сухого колектора і злиттям базового потоку з більш швидкими струменями від концентраторів 19. Подача води у випарні комірки здійснюється осмотичним способом по трубках 15. Робота випарного колектора починається з подачі в закритий басейн 16 води з магістрального водопроводу. Оскільки трубки 15 виготовлені з матеріалу з хорошим коефіцієнтом зволоження (наприклад, із скла), то вода піднімається по них до рівня випарних комірок 14, де вбирається пористим наповнювачем. Шар пористого матеріалу наповнювача утримує воду, до якої передається тепло від зачернених пластин покриття. Інтенсивний приплив теплової енергії змушує воду випаровуватися. Пара надходить у простір повітряного каналу 5 башти через перфоровану бічну стінку кожної комірки 14. В результаті повітряний потік, що проходить під дією природної (трубної) тяги вгору, насичується гарячою парою. Цей процес не тільки підвищує густину потоку, але і його енергетичність. Дифузія пари в потік не гальмує його, оскільки сама пара має початковий імпульс, спрямований вгору, тобто вектор його руху збігається з 6 UA 116052 C2 5 10 15 напрямком течії повітряного потоку. Пройшовши зволожувальний колекторний пояс, повітря вступає в контакт зі стінками та ребрами 17 сухого колекторного пояса. За структурою і функціями пояс сухого колектора є прямим теплообмінником, технічною системою додаткового підігріву повітря, яка збирає теплову енергію сонячного випромінювання і кондуктивно передає її робочому повітряному потоку. Утилізована матеріалом верхнього поясу сонячна енергія додатково прогріває потік, підвищуючи його кінетичний потенціал. Високопотенційний потік, що утворюється, спрямовується в бік вихідного отвору башти 1, взаємодіючи по дорозі з вітроприймальними поверхнями ротора 6. При цьому значна частина енергії потоку передається ротору, створюючи завдяки топологічним особливостям його поверхні, обертовий момент, який передається на вал 8. З вала ротора перетворена енергія надходить на вал електрогенератора 7, де перетворюється в електричну форму. Таким чином, спільна робота всіх поясів та вузлів установки технічно здійснює можливість синергетичного поєднання на одному енергоносії (повітрі) термодинамічного, кінетичного, аеродинамічного і чисто теплового потенціалів. Тобто, не сумарну їхню дію, а стимулюючу взаємодію збуджуваних потенціалами процесів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 Аеротермоенергетична установка, що містить порожнисту витяжну башту, розміщену на основі, в якій виконані повітрозабірні отвори, робочий орган, встановлений всередині башти, сонячні колектори, розташовані на зовнішній поверхні башти та додаткові засоби для збільшення площі енергопоглинаючих площин колекторів, яка відрізняється тим, що башта має шестикутний переріз і пірамідальний профіль та встановлена на опорних колонах, які піднімають її над основою на висоту повітрозабірного прорізу, який оснащений розтрубним екраном, захоплюючим низові вітрові потоки, башта має несучий каркас, виконаний з профілів, встановлених по ребрах піраміди, всі площини башти мають обшивку, виконану з металевих листів, зачернених із зовнішнього боку, порожнину башти утворює вертикальний канал змінного перерізу, всередині каналу по всій його довжині і по центральній осі симетрії на валу встановлений робочий орган, виконаний у вигляді вітрового ротора шнекового типу з гвинтовою лопаттю, зчленований з електрогенератором, ротор центрується в каналі за допомогою підшипникових вузлів, розкріплених траверсами по верхньому і нижньому кінцях вала, лопать ротора виконана з тонкого алюмінієвого листа або з армованої пластмаси, башта складається з двох поясів, площини яких мають різний нахил до горизонту, нижній пояс спирається на колони і доходить до половини висоти башти, причому нахил нормалі його площин до горизонту становить 50°, верхній пояс спирається на нижній пояс, а нахил нормалі його площин до горизонту становить 25°, на площинах граней нижнього пояса розміщений випарний колектор, що складається з системи випарних комірок, які закріплені на внутрішніх площинах граней і повністю покривають їхню поверхню, комірки мають прямокутну коробчасту форму, виконані з металу і донними гранями щільно в тепловому відношенні прилягають до матеріалу обшивки башти, протилежні великі грані комірок перфоровані для вільного виходу пари в канал башти, об'єм кожної комірки заповнений пористим теплостійким матеріалом, який просочується водою, подача води в випарні комірки здійснюється за допомогою системи капілярних трубок, що прокладені в зазорах між комірками і з'єднують кожну комірку окремо з закритим басейном, при цьому вода в ємкість басейну подається напряму з магістрального водопроводу, на внутрішніх поверхнях площин верхнього поясу жорстко закріплені поздовжні металеві ребра, які створюють сухий колектор і служать для збільшення площі теплообміну між металом і робочим повітряним потоком, на зовнішніх площинах обох поясів башти по вертикальних реберних виступах скатів башти встановлені напрямні пластинчасті огорожі, вихідна ділянка башти оснащена конфузорними концентраторами вітрового потоку, які закріплені нижніми краями на площинах покриттяграней башти, причому кожен конфузор направлений широким розтрубом вниз до напрямних площин, а звуженим соплом - вгору. 7 UA 116052 C2 8 UA 116052 C2 9 UA 116052 C2 10 UA 116052 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Dzenzerskyi Viktor Oleksandrovych, Tarasov Sergii Vasyliovych, Buriak Oleksandr Afanasiiovych

Автори російською

Дзензерский Виктор Александрович, Тарасов Сергей Васильевич, Буряк Александр Афанасьевич

МПК / Мітки

МПК: F03D 9/00, F03D 1/04, F03G 6/04, F24J 2/42, F03G 6/06

Мітки: аеротермоенергетична, установка

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/13-116052-aerotermoenergetichna-ustanovka.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Аеротермоенергетична установка</a>

Подібні патенти