WO2010005337A1 - Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина - Google Patents

Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина Download PDF

Info

Publication number
WO2010005337A1
WO2010005337A1 PCT/RU2008/000807 RU2008000807W WO2010005337A1 WO 2010005337 A1 WO2010005337 A1 WO 2010005337A1 RU 2008000807 W RU2008000807 W RU 2008000807W WO 2010005337 A1 WO2010005337 A1 WO 2010005337A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tornado
tower
confuser
axis
longitudinal
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000807
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Геннадий Ираклиевич КИКНАДЗЕ
Иван Александрович ГАЧЕЧИЛАДЗЕ
Валерий Григорьевич ОЛЕЙНИКОВ
Original Assignee
Kiknadze Gennady Iraklievich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kiknadze Gennady Iraklievich filed Critical Kiknadze Gennady Iraklievich
Priority to PCT/RU2008/000807 priority Critical patent/WO2010005337A1/ru
Priority to EP08876551.6A priority patent/EP2233738A4/en
Publication of WO2010005337A1 publication Critical patent/WO2010005337A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/02—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid
    • F03G6/04—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid gaseous
    • F03G6/045—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid gaseous by producing an updraft of heated gas or a downdraft of cooled gas, e.g. air driving an engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/132—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines creating a vortex or tornado effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/24—Heat transfer, e.g. cooling for draft enhancement in chimneys, using solar or other heat sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Definitions

  • TWES Torpedo Wipep Energy Systems
  • the well-known TWES are vertical cylindrical towers, inside of which a tornado-like (Torpedo Like) swirling current is formed. It arises due to air streams flowing into the inside of the tower through one or many side slits forming an arbitrary but constant for a given tower design, an angle with the local radius of the structure.
  • the slots in the tower are open on the windward side and closed on the leeward. Passing through the cracks, the wind flow acquires the tangential component of speed and spins inside the tower. A zone of reduced pressure is formed in the core of such a flow, which ensures the suction of additional air masses into the inside of the tower through its lower end, mounted on a special device - "blown out". The suction stream is fed to a turbine that converts its kinetic power into mechanical power.
  • Solar towers and TWES are known (see, for example, JP 59025091 A, EPl 873397 A2, EP 1878983 Al 5 EP 1890035 A2), in which, due to solar heating, they stimulate the occurrence of thermally induced air flow directed to the turbine or generate water vapor forming at operating temperatures in vertically located towers thermally induced flow.
  • the disadvantage of the tornado energy conversion methods proposed in the cited Patents and in earlier publications describing TWES methods and installations is the relatively high cost of kWh of converted energy in comparison with the energy produced by traditional methods. due to their low efficiency due to the inhibition of the flow flowing onto the large-sized structures of devices that convert the kinetic power of air flows, and the lack of conditions for the formation of a tornado-like flow in the flow interacting with the turbine in the proposed TWES or steam flows in solar towers.
  • These shortcomings cause the dissipation of energy in the process of its conversion and do not provide shockless and continuous motion of a continuous medium, necessary for the formation of a tornado-like quasipotential flow.
  • Closest to the proposed method is a method according to which, for energy conversion, the flow of a continuous medium is fed into a selected axially symmetric internal volume of confuser shape through two systems of guide channels providing the movement of the supplied medium along screw paths converging to the axis of symmetry of the selected volume, moreover, with using the first system of channels, a swirling flow is formed, giving the flows in the channels a torque and concentrating power in them due to the convergence of the flow.
  • the flow thus formed is directed to the zone of conversion of kinetic power to mechanical power, and using the second system of channels, a swirling flow is formed, the pressure is reduced in it, due to which the flow draws in a continuous medium flowing from the conversion zone and evacuates it outside the transducer (see WO 2004083628, 2004.09.30).
  • a device for converting the energy of continuous media streams containing confusion chambers is a device for converting the energy of continuous media streams containing confusion chambers, fixed channel systems placed symmetrically to the central axis of the device, the first of which is made with axes in the form of helical lines, a turbine coupled to an electric generator connected to the turbine by means of a central axis passing through the fairing and a support structure (see WO 2004083628, 2004.09.30).
  • a magnetothermal device comprising a rotor placed on the shaft with active elements mounted on the periphery, a thermal energy source and at least one magnetic system (see . SU 1793525 A, 02/07/93).
  • EP 1890035 A2 protects various versions of solar towers that use the heat of solar radiation to heat air, form its swirling stream, convert solar heat to steam, direct steam flow to a steam turbine and obtaining mechanical power.
  • RU 2183801 protects various versions of converters of solar energy into heat, based on the absorption of radiant energy by the surface of coated solid plates with a high coefficient of absorption or optically transparent liquids with fine particles of a similar material.
  • the solar combined power plant according to the patent RU 2285210 contains a primary conical concentrator, a flat insulating connecting circular washer, a central through hole of the primary conical concentrator, a tracking sensor, tracking sensor photocells, a tracking sensor partition, a circle-shaped hollow tube heater, photocells on the outer surface of the hollow tubular a circle-shaped heater, a secondary semi-paraboloid, 360 ° rotated, concentrator, thermocouples on the outside in orichnogo polupara- boloidnogo deployed through 360 °, a hub, an inlet and an outlet Hole ment circular tubular hollow teplonagrevatelya.
  • a disadvantage of the known device is the limited area of the illuminated surfaces for direct conversion of solar radiation energy into heat and electric energy and the lack of intensification of the lighting processes of heated surfaces and the intensification of heat transfer between the heated surface and the flowing stream of water, which leads to low conversion efficiency of solar radiation energy.
  • a converter of solar radiation energy into heat is a device containing a sealed enclosure with channels placed in it (see RU 2183801 Cl, 06/20/2002).
  • the disadvantages of the known device is the low conversion efficiency of solar radiation into heat due to the lack of heat transfer enhancers.
  • one sixth of the listed documents protects various versions of continuous medium blowers in the volume of the selected space.
  • Closest to the claimed device of the tornado blower is a blower that contains shaped blades having a helical surface. Narrow helical slotted channels formed by the lateral surfaces of the blades prevent air backflow.
  • the blades have an elevation angle of 70 ° ⁇ 80 ° on the outer diameter, and at least 55 ° on the inner diameter (see RU 2109173 Cl, 04.20.1998).
  • a disadvantage of the known solution is the impossibility of the formation of a whirlwind jet in the volume of the selected space and the control of velocity and pressure profiles in the flow.
  • a disadvantage of the known solution is the low conversion efficiency with its help of the power of swirling tornado-like flows, due to the high values of their azimuthal and longitudinal velocity components.
  • the technical result of the implementation of the proposed tornado energy converters is: - the creation of environmentally friendly sources of mechanical, electrical and / or other types of energy, completely independent of suppliers of organic and nuclear fuel;
  • the zone of the gradient field and the zone of the uniform field which allow optimization of the cooling rates of soft magnetic matter, the thickness of the working elements and their total mass, which are subjected to cooling and heating during energy conversion, which provides the attraction of the cooled part of the soft magnetic substance to the zone with the maximum value of the magnetic field and the use of the force of magnetic attraction for teaching mechanical energy and rotational guide vanes inside the tornado tower;
  • the technical result from the implementation of the method of tornado energy conversion of a continuous medium is achieved by the fact that a continuous medium from the surrounding space is fed along a plurality of trajectories into the axisymmetric region Qv having the shape of a confuser with a height of Z O ut and a radius of variable height
  • the regions Q ⁇ and Q K have input and output sections on the boundary surfaces ⁇ Q and ⁇ Q ⁇ , respectively, and the height and radius of the regions are chosen so that everywhere at the boundaries ⁇ Q AND ⁇ Q K AND inside the region Q ⁇ the following relations hold:
  • ⁇ a tornado-type supercharger mounted above a fixed guide vane, ⁇ a tornado turbine of at least one rigidly connected to the power shaft mounted along the symmetry axis of the tower, in an area with a radius Rivm ax and a longitudinal coordinate in which the equality of the longitudinal Uz and azimuthal velocity U ⁇ of the velocity component is achieved;
  • a tornado system for heating and cooling a working soft magnetic substance mounted along the symmetry axis of the tornado transducer and under the power movable disk, including: a tornado pump and a tornado turbine, at least one, for converting the energy of the tornado-like coolant jet;
  • the tornado axisymmetric confuser tower consists of at least one confuser with a radius R of variable height and represents the volume Qv open into the surrounding space in the zones of the tower having maximum and minimum radii, respectively, through these zones a continuous medium enters tower and flows out of it, while the tower has a height Z and has an internal boundary surface ⁇ Q , the shape of which corresponds to a quadratic hyperbole such that the geometric dimensions of the tower at any height and in any interior the transverse cross section are related by:
  • R 2 Z cpst, at the same time, the surface of the confuser tower, the outer boundary of the fairing, the stationary elements of the guiding apparatus with blades, the blades of the tornado blower, the blades of tornado turbines streamlined by a continuous medium inside the Qv region, I perform!
  • the ratio of the depth hc of the recesses, measured from the level of the initially smooth surface, to their longitudinal dimension L ⁇ réelle along the flow direction is in the range:
  • the axisymmetric fairing is mounted along the symmetry axis of the tornado tower, moreover, the fairing is a body of revolution, the projection of which onto the longitudinal radial plane (R, Z) has the shape of a quadratic hyperbola, defined by the relation:
  • . and Zj, k is the radius and height of the fairing, and the ratio of the maximum radius of the outer boundary surface of the fairing R n , p to the maximum radius of the tower R IN is in the range of:
  • the fairing has an opening, the center of which lies on the axis of symmetry of the tower and is coupled to the power disk.
  • the guide apparatus of the tornado tower contains blades, the shape of which is determined by the relations: in the longitudinal radial plane (R, Z): - along the radius of the tornado tower: Zj 1E
  • - tornado confuser tower consisting of at least two axisymmetric confusers: external and internal, while the external tornado tower confuser is made of optically transparent material, has a height Z ORT and an inner boundary surface ⁇ ORT , the shape of which corresponds to a quadratic a hyperbole such that the geometrical dimensions of the tower at any height Z J , O P T and in any of its internal transverse ith sections having a radius Ri, och are related by the relation:
  • ⁇ tornado system for heating and cooling a working soft magnetic substance installed along the symmetry axis of the tornado transducer and under the power movable disk, including: a tornado pump and a tornado turbine, at least one, for converting the energy of the tornado-like coolant jet; - supporting nodes and power structures installed on the foundation.
  • the axisymmetric confusers of the tornado tower have radii R of variable height, open to the surrounding space at the base of the tower in the zone with the maximum radius, and at the highest point of the tower, where the radius of the confusers is minimal, through these zones a continuous medium enters and flows out of the confuser assembly. respectively.
  • , c, longitudinal along the flow direction, are in the range:
  • the axisymmetric fairing is mounted along the symmetry axis of the tornado tower, and the fairing is a body of revolution, the projection of which onto the longitudinal radial plane (R, Z) has the shape of a quadratic hyperbola, defined by the relation:
  • the guide apparatus of the tornado tower contains blades, the shape of which is determined by the relations: in the longitudinal radial plane (R, Z):
  • the device contains a sealed enclosure with channels placed with it, while the enclosure is thermally insulated on all sides except for the side covered by one or more layers of optically transparent thermal insulation onto which the solar radiation flux falls, moreover, the metallic blackened outer surfaces of the channels receiving solar radiation are made either from smooth or from molded plates or pipes, and, inside, formed by the bulk passes the heat carrier heated by the heat of solar radiation, for which the outer surfaces of the channels and the surfaces of the optically transparent insulation facing the inside of the sealed enclosure are in the form of alternating sections of a curvilinear surface of the second order in the form of double-curvature depressions and initially smooth sections consisting of convex and concave parts of the recesses, and the conjugation of the recesses with the initially smooth surface areas is carried out using the convex parts of the recess the ramps of which have at all points of contact with a smooth surface and with the concave part of the surface of the recess common tangents,
  • the ratio of the depth hc of the recesses on the surface of the channels to their longitudinal size L ⁇ along the flow direction is in the range: 0.001 ⁇ h c / Uc ⁇ 0.3, the ratio of the longitudinal dimension Uc of the recess to the transverse dimension Luc of the recess is determined by the interval:
  • the converter contains a system of tornado cooling and heating of soft magnetic substance with a system for returning water to the external environment after using and lowering its temperature when mixing cooling and heating flows, and the energy and temperature characteristics of heating and cooling flows supplied from stationary nozzles to cooling and heating channels of this substance, located on a rotating disk of non-magnetic, insulating material, provide magnetic phase transitions in the selected magnetic the working substance, and the shape of the boundary surfaces of the nozzles and the associated movable channels receiving the coolant flows is determined by the relations: in the longitudinal radial plane (Z, R):
  • the “-” sign at the Z coordinate in the longitudinal radial plane (Z, R) indicates the direction of the swirling flow towards negative Z coordinate values in the selected version of the tornado transducer, that is, under the base of the tornado tower, and the “ ⁇ ” sign in the expression for ⁇ m in the azimuthal radial plane ( ⁇ , R) indicates the possibility of choosing any of the directions of rotation both counterclockwise: the "+” sign and clockwise: the "-" sign.
  • each fixed nozzle is associated with the spatial orientation of the axis of symmetry and the shape of the moving channels with soft magnetic substance, and in the system of cylindrical coordinates has the form: in the longitudinal radial plane (Z, R):
  • ⁇ M ⁇ VM ⁇ (U ⁇ , ⁇ , M / 2UR, ⁇ , M ) [(R
  • the sign " ⁇ " at the coordinate "Zj, m” in the expression for cost in the longitudinal radial plane (Z, R) indicates the possibility of choosing any direction of the outflow of the tornado-like flow either towards negative or positive values of the Z axis, and for the coordinate ⁇ m in the azimuthal radial plane ( ⁇ , R), the symbol “ ⁇ ” also indicates the possibility of choosing any of the directions of rotation as counterclockwise: (sign "+ “), and clockwise: (the” - "sign).
  • the converter uses either a heat pump or any natural source of low potential energy, for example, a collection of filtered, conditionally cold water from streams, rivers or freshwater lakes, and a collection of conditionally hot water of any origin, for example, water heated in solar collectors, water of geothermal sources or thermal waste of anthropogenic activity, such as, conditionally, hot water, cooled on a cooling tower, heat carrier, heated low potential the warmth of the torches of oil and gas processing and other low-potential sources.
  • a heat pump or any natural source of low potential energy for example, a collection of filtered, conditionally cold water from streams, rivers or freshwater lakes, and a collection of conditionally hot water of any origin, for example, water heated in solar collectors, water of geothermal sources or thermal waste of anthropogenic activity, such as, conditionally, hot water, cooled on a cooling tower, heat carrier, heated low potential the warmth of the torches of oil and gas processing and other low-potential sources.
  • the supercharger contains a fixed casing, a rotor with blades having a longitudinal dimension Z and a radius R varying along the axis of the supercharger, located in a fixed casing, the shape of the inner boundary surface of which in the cylindrical coordinate system is determined by the ratio:
  • Zf drone is the coordinate of the normal section of the axis of rotation of the supercharger by a plane through which a continuous medium flows into the inter-bladed space of the supercharger
  • k ⁇ r is the speed coefficient corresponding to the maximum value of the power transmitted by the supercharger blades to a tornado-like flow
  • V g ⁇ is the longitudinal velocity of the medium flowing into the supercharger
  • V 4 - the longitudinal velocity of the medium flowing out of the blower
  • the inner surface of the housing and the surface of the blades are made smooth or have shapes alternating original smooth surface portions and curved portions in the form of double curvature dimples consisting of a conjugate between a second order surfaces forming concave and convex ramps recesses, with the recesses mate with the originally smooth surface osusche- It is formed with the help of their convex slopes, which have common tangents at all points of conjugation with a smooth surface and with the surface of the concave part of the recess,
  • the turbine contains a fixed casing, a rotor with blades having a longitudinal dimension Z, and a radius R varying along the axis of the turbine, located in a fixed casing, the shape of the inner boundary surface of which, in a cylindrical coordinate system, determined by the ratio:
  • the turbine blades, the inner side surface of the casing and the outer surface of the rotor form inter-bladed channels communicating with the external environment at the ends of the turbine, while the shape and spatial orientation of these channels in the coordinate system associated with the axis of rotation of the turbine is determined by the ratio :
  • - ⁇ (r, Z u ⁇ ) is the azimuthal coordinate of the section of the turbine blades at a height of Z 0 , l (with a plane crossing the axis along the normal turbine rotation through the surface of which the continuous medium flows from the inter-blade channels of the turbine into the tower above the turbine,
  • -k ⁇ is the speed coefficient corresponding to the maximum value of the power transmitted by the tornado-like stream to the turbine blades.
  • the inner surface of the body, the surface of the blades and rotor interacting with a continuous medium are made either smooth or with a relief in in the form of sections of a smooth initial surface alternating with curvilinear sections in the form of double-curvature depressions, consisting of second-order conjugate surfaces that form convex and concave slopes of the recesses, and the recesses are conjugated with the initially smooth surface using their convex slopes, which have common tangents in all points of interfacing with a smooth surface and with the surface of the concave part of the recess, while the concave part of the recess is made smooth or with a fairing.
  • FIG. 1 Schematic diagram of the tornado energy converter (option t 1) that implements the proposed method.
  • FIG. 1 Schematic diagram of the tornado energy converter (option 2). implements the proposed method.
  • Fig.Z A fragment of a surface molded by a recess of double curvature.
  • FIG. 1 A fragment of the tornado tower of the Converter according to option 2.
  • FIG. 1 Scheme of the magnetic system of the magnetothermal energy converter.
  • FIG. 12 A fragment of a channel with soft magnetic substance.
  • a solar radiation converter 9, at least one for utilization of solar radiation in order to heat the coolant;
  • a solar radiation converter 10 at least one, for disposing of solar radiation, in order to obtain electrical energy.
  • the converter is equipped with a tornado magnetic heating and cooling system 17 of a soft magnetic working fluid, containing communications leading to the power disk 16, conditionally, hot 18 and, conditionally, cold 19 coolants; a system of fixed nozzles 20 (Fig. 1 1) supplying, conditionally, hot and, conditionally, cold coolants to the movable channels 21 (Fig.
  • tornado pump 22 coupled to a movable power disk 16, twisting coolant flows into a tornado jet entering the channels 16 located on the disk with magnetically soft material, the spatial orientation of which corresponds to the necessary and sufficient conditions for the formation of a tornado swirling flow; a tornado turbine 23 of at least one installed in the tornado cooling system 17 of the transducer 11 along the axis of its symmetry, for converting the power of the tornado jet formed in the tornado pump 22.
  • Ri 2 Zj copst, where Rj and Zj are the cylindrical coordinates of any i-th point on the boundary surface ⁇ .
  • the surfaces of the confuser tower 1, the outer boundary of the fairing 3, the stationary elements of the guide vane 4 with blades, the blades of the tornado-blower 7, the blades of the tornado-turbine 8, streamlined by a continuous medium inside the region Q, are smooth or have the form of alternating smooth and curved sections in the form of recesses 27 ( Fig. 3 and Fig. 12) of double curvature, consisting of mating surfaces of the second order, forming convex 28 (Fig. 3) and concave 29 (Fig.
  • the axisymmetric fairing 3 is mounted along the symmetry axis of the tornado tower 1, and the fairing 3 is a body of revolution, the projection of which on the longitudinally radial plane (R, Z) has the shape of a quadratic hyperbola, defined by the relation:
  • the fairing 3 has an opening through the center of which, lying on the axis of symmetry of the tower 1, passes the power shaft 5, connecting the volume of the tornado tower 1 and the volume of the power converter 1 1, while inside the tornado tower 1 the power shaft 5 is connected to the supercharger 7, and in the converter 11 - with a movable power disk 16, rotating in the gap of the magnetic system 12.
  • the stationary guide apparatus 4 of the tornado tower 1 contains blades, the shape of which is determined by the relations: in the longitudinal radial plane (R, Z):
  • R, Z and ⁇ are the cylindrical coordinates of the tornado tower 1
  • U is the flow velocity of the continuous medium
  • the indices are ⁇ , ⁇ , ⁇ , and R, ⁇ , "Z, ⁇ ", “IN” and “J” are the coordinates of points and velocity on the inner boundary surface ⁇ of the tornado tower 1 and at any J-th point of the "K-th" surface inside the selected region Q * ;, respectively.
  • the tornado energy converter of continuous medium energy contains a tornado axisymmetric confuser tower 31, consisting of at least two axisymmetric confusers: an external 32 and an internal 33, equipped with a receiver nicknames 34 of flows of continuous medium, fairing 35, fixed guide vanes 36 with blades placed around the axis of symmetry of the tower, rigidly connected with their external confuser surfaces and fairing 35 installed along the symmetry axis of tower 31; power rotating shafts - lower 37 and upper 38, the axis of symmetry of which coincide with the axis of symmetry of the tower 31; tornado blower 39, rigidly connected with the lower power shaft 37 and located above the stationary guide apparatus 36; tornado turbine 40 of at least one mounted along the symmetry axis of the tower and tightly connected with the upper power shaft 38.
  • a tornado axisymmetric confuser tower 31 consisting of at least two axisymmetric confusers: an external 32 and an internal 33, equipped with a receiver nicknames 34 of flows of continuous medium, fairing 35, fixed guide vanes 36 with blades placed around the axi
  • the tornado energy converter of continuous medium energy contains solar energy converters consisting of continuous medium heaters and converters of solar radiation directly into electrical energy: in the gap 41 between the optically transparent confuser 32 of the tornado tower 31 and the confuser 33 having a surface with a high absorption coefficient of solar radiation.
  • it is equipped with at least one converter 42 of solar energy, with the aim of heating the coolant, and at least one converter 43 for the disposal of solar radiation in order to obtain electrical energy.
  • the invention comprises a tornado magnetothermal transducer 44 of low potential heat and energy stored in a magnetic field, equipped with:
  • a magnetic system 45 with a gap 46 consisting of a magnet 47 (Fig. 1 1) creating a gradient magnetic field, and a magnet 48 (Fig. 1 1) creating a uniform magnetic field, located under the stationary guide apparatus 36 along the symmetry axis of the confuser tornado tower 31;
  • a movable power disk 49 carrying a soft magnetic working substance installed in the gap of the magnetic system 45, and a rigidly connected lower power rotating shaft 37 with a tornado supercharger 39 inside the tornado tower 31;
  • a tornado pump 51 coupled to a movable power disk 49, twisting coolant flows into a tornado jet entering the channels 49 located on the disk with magnetically soft material, spatial orientation which correspond to the necessary and sufficient conditions for the formation of a tornado-like swirling current;
  • the invention contains support nodes 53 and power structures 54 mounted on the foundation 55.
  • the tornado axisymmetric confuser tower 31 consists of an external 32 and an internal 33 confusers with a radius R of variable height and represents a volume Q ⁇ open to the surrounding space in the zones of the tower 31.
  • the external confuser of the tower has a height Zos and has an internal the boundary surface is ⁇ O s
  • the tower’s internal confuser has a height Z ⁇ s and has an internal and minimal boundary surface ⁇ s
  • R., ⁇ s and R, os are the radii of any ith point on the surface of the outer 32 and 33 inner axisymmetric confusers
  • Z, ⁇ s and Z, os are the height cylindrical coordinates i- that point on the surface of these confusers.
  • the outer one of the confusers is made of optically transparent material
  • the inner one is of a material with a high absorption coefficient of solar radiation, used to heat the medium in the space between the outer and inner confusers and, indirectly, inside the inner confuser 33.
  • the ratio of the depth hc of the recesses 27, measured from the level of the initially smooth surface, to their size L [, c, longitudinal along the direction of flow, are in the range:
  • the axisymmetric fairing 35 is mounted along the symmetry axis of the tornado tower 31, and the fairing 35 is a body of revolution, the projection of which onto the longitudinal radial plane (R, Z) has the shape of a quadratic hyperbola, defined by the ratio: where R. ⁇ , k and Zj, k is the radius and height of the fairing 35, and the ratio of the maximum radius of the outer boundary surface of the fairing R n , to the maximum radius tornado tower 31, is a value in the range:
  • the fairing 35 has an opening, the center of which lies on the axis of symmetry of the tower 31 and is coupled by the power shaft 37 with the power movable disk 49.
  • the stationary guide apparatus 36 of the tornado tower 31 contains blades, the shape of which is determined by the relations: in the longitudinal radial plane (R, Z):
  • the invention comprises a mechanical pump 76, supplying, conditionally, cold coolant to a cooling system of soft magnetic matter, a mechanical pump 77, supplying, conditionally, hot coolant, to a heating system of soft magnetic matter, a block of starting electric batteries 78, an assembly of electrical switching devices 79 for automated control of the converter; generators 80, converting the mechanical power taken by the turbine from the tidal stream into electrical power; a flywheel (not shown in the drawing) stabilizing the rotational movement of the superchargers associated with the power disk of the thermal converter.
  • the invention comprises a block of magnetomechanical suspension assemblies and bearing assemblies (not shown in the drawing) connecting the axes of the moving structural elements of the converter with mechanical converting mechanisms and / or electric generators.
  • the formed swirling flow is quasipotential and moving inside the axisymmetric region Qv along a channel or channels of confusor shape with a section decreasing from the entrance to the output section, it acquires acceleration, which increases the flow velocity and pressure drop between the medium in the outer space and the medium in the Qv region, thereby increasing the velocity U IN of the stream flowing into this region, compared to the speed of the stream flowing into the region Q ⁇ in the absence of a swirling jet formed with the help of a supercharger, concentrates kinetic power, the maximum of which is achieved in the zone of the region Qv–, having a radius and the longitudinal coordinate Z max , which determine the equality of the longitudinal component of the velocity U ⁇ , and the azimuthal velocity V ⁇ , has a zone for converting the kinetic power of the swirling flow into mechanical power.
  • a compression zone is located in the Qv region, step-up on this and, indirectly, on the output portion of the boundary surface ⁇ , Uout speed, with an increase Uosh velocity relative to the flow velocity U iN, vtek present to link between Qv ;, a ratio Ro ⁇ rr outlet portion to the radius transverse to the direction of influent flow inlet portion size Ztsv boundary surface ⁇ :
  • the energy of the flowing continuous medium and / or the heat of solar radiation, and / or the energy stored in the magnetic field of the permanent magnets 14 and 15 and in magnetically soft substances placed in the channels 21 are used.
  • the ratio of the depth hc of the recesses 27 to their longitudinal size Li ⁇ along the flow direction is in the range:
  • the ratio of the longitudinal dimension L L of the recess to the transverse dimension L of the recess is determined by the interval:
  • N) and ⁇ 0 ARC tg (U ⁇ , ⁇ / U R, v), respectively, moreover, the angle u, ⁇ is formed using a guide surface tangent to the axisymmetric surface ⁇ Q At any point, the coordinates Rj, v and Zj, v of which are in the intervals:
  • the tornado tower 31 is placed in an area whose landscape is free from plantings and buildings that interfere with the movement of air masses;
  • the continuous medium from the surrounding space enters along many trajectories into the axisymmetric region Q J : having the shape of a confuser, with a height of ZQ II ⁇ and a radius of variable height
  • Rou g or several confusers, nested one into the other, each of which has a volume QK, height Z Too, o ⁇ transaction And radius R, variable in height, varying in the interval:
  • the formation jets the merger of which in the axisymmetric region Qv provides a tornado-like swirl and radial convergence in the swirling flow resulting from the merger.
  • the formed swirl flow is quasipotential and moving inside the axisymmetric region Q ⁇ along the channel or channels of confusor shape with a section decreasing from the inlet to the outlet section, it acquires acceleration, increasing the flow velocity and pressure drop between the medium in the outer space and the medium in the region Q ⁇ , increasing over Due to this, the speed U IN of the stream flowing into the ego region, compared with the speed of the stream flowing into the region Qv in the absence of a swirling jet formed by the supercharger.
  • a converter of the kinetic power of the swirling flow into mechanical power is located in this zone, while the flow of a continuous medium passing through this zone, spinning, gives part of its kinetic power to the blades of the turbine 40, and slows down, therefore, to compensate for the deceleration of the flow into the space between the stationary guide surfaces and the zone of conversion of the kinetic power of the swirling flow into mechanical power in the region Q ⁇ have a compression zone, due to the installation of the tornado supercharger 39, step-up on this and, indirectly, on the output portion of the boundary surface ⁇ , Uo ⁇ p speed, with increasing speed Uou g Po U IN with respect to the flow rate flowing into the region Qv, bind to each other output relationship for this portion Ro ⁇ l radius transverse to the wearing of oi- to the direction of the inflowing flow to the dimensions of the input section Z JN of the boundary surface ⁇ according to the relation:
  • the energy of the flowing continuous medium and / or the heat of solar radiation, and / or the geothermal energy, and / or the energy of thermal waste of anthropogenic activity, and the energy stored in the magnetic field of permanent magnets and in soft magnetic materials are used, and the surfaces: the inner boundary ⁇ of the fairing 35, the movable and stationary elements of the guide apparatus 36, streamlined by a continuous medium inside the Q ⁇ region, shaped by double-curved recesses 27, which are curvilinear surfaces of the second order, alternating with sections of the initially smooth surface, and the recesses are conjugated with the initially smooth surface using the convex part 28 of their surface, the slopes of which have common tangents at all points of conjugation with a smooth surface and at all points of conjugation with 29 mentioned part surface of the recess, wherein the concave recess portion is made smooth or with a fairing 56.
  • the speed of a tornado-like swirling flow at the input section of the boundary ⁇ of the region Q and at any Kth point on the Jth surface inside this region is determined by the relations: + U z ,.,. To 2 + accordingly, in this case, the local altitude angle ⁇ réelle ⁇ and the local azimuthal angle ⁇ o (see Fig. 4) are determined by the relations:
  • the external confuser tornado tower 32 is made by It is poured from an optically transparent material in order to use the heat of solar radiation to heat the mass of a continuous medium enclosed in a gap 41 between the inner surface of the outer confuser 32 and the outer surface of the inner confuser 33 and to stimulate a thermally induced upward flow in this zone.
  • the outer surface of the inner confuser 33 is made of a material having a high absorption coefficient of solar radiation.
  • the flow of a continuous medium flowing into the gap 41 of the tornado tower 31 also acquires the structure of a tornado-like swirling current; it accelerates, energy is concentrated in it and pressure is reduced. Formed tornado-like flow sucks the mass of a continuous medium, slowed down as a result of interaction with the blades of the tornado turbine 40, and stabilizes the energy conversion process.
  • the above scheme is presented in figure 2.
  • the converter 9 or 42 of solar energy to heat contains a sealed housing 68, with channels 69 placed with it, while the housing is insulated from the bottom and sides by any heat-insulating material, and from the side onto which the solar radiation flux falls, it is covered with one or in several layers 70 of optically transparent thermal insulation, through which solar radiation enters the blackened metal surfaces of 71 channels 69 formed by smooth, or molded plates, or pipes of any section, inside which skip cabins coolant heated by the heat of solar radiation.
  • a relief is applied in the form of depressions 27 of double curvature and alternating initially smooth sections consisting of convex 28 and concave 29 parts of a curved surface alternating with these depressions, and the pair of depressions 27 with initially smooth surface areas is carried out using the convex parts of the recesses, the slopes of which are at all points of contact with a smooth surface and with the portion of the dimple surface common tangents, and a concave recess portion is made smooth or with a fairing.
  • Depth ratio h contender; recesses on the surface of the channels to their longitudinal dimension L L ⁇ along the flow direction is in the range:
  • the ratio of the longitudinal size of the Li ⁇ recess to the transverse dimension L of the recess is determined by the interval:
  • the operation of the solar energy to heat converter is based on illumination by the Sun through an optically transparent outer surface 70, the outer surface and 71 channels 69, which have a high absorption coefficient of solar radiation, which leads to heating of the surface and the liquid coolant in a limited channel 69.
  • the technical result of the invention is achieved only within the above ratios, which is confirmed by experiments and tests.
  • a tornado magnetothermal transducer, either 1 1 or 44 contains a magnetic system of either 12 or 45 (Fig. 1, Fig. 2, Fig.
  • a soft magnetic substance is placed in the movable channels of either 21 or 73 (FIG. 1, FIG. 2, FIG. 1) formed between a disk made of a non-magnetic heat-insulating material and a coaxial ring of the same material, having an external radius equal to the radius of the disk.
  • Soft magnetic substance is arranged in the form of plates with a height of hm and a thickness of ⁇ m vertically between the disk and the ring, acting as the side walls of the channels either 21 or 73, rotating together with the disk in a magnetic field.
  • the guiding apparatus by a hydraulic tornado system of either 17 or 50 (Fig. L, Fig.
  • All surfaces streamlined by the coolants inside the stationary tornado confuser either 74 or 75, including the surfaces of plates made of soft magnetic matter, have a relief in the form of alternating initially smooth sections and sections of a curvilinear surface of the second order in the form of recesses 27 of double curvature, consisting of conjugated convex 28 and concave 29 parts of the curved surface of the recesses mating with an initially smooth surface with the help of the convex part of the relief, the slopes of which have common tangents at all points of contact with the initially smooth surface and with the concave bottom part of the recess, while the concave part of the recesses is made smooth or has a fairing.
  • the ratio of the depth h c of the recesses to their longitudinal size Li ⁇ along the flow direction; are in the interval:
  • the ratio of the longitudinal dimension L LC of the depression to the transverse dimension L of the depression is determined by the interval:
  • the relief of depressions 27 applied to streamlined surfaces changes the structure of the boundary layer of the flow on the boundary surfaces, generates self-organization of tornado-like jets, sucking off part of the continuous medium concentrated in the zone of depressions on the streamlined surface, affecting the level of energy dissipation flow, and intensifying the exchange processes between the swirling jet and the surface.
  • the choice of the radii of curvature and the size of the curved sections of the streamlined surface is carried out on the basis of theoretical calculations confirmed in experimental studies, they provide the technology of their deposition on the surface and the self-organization conditions of the secondary tornado-like jets built into the flowing stream are fulfilled.
  • the flow of a continuous working medium is either directed to surfaces formed by recesses 27, or a relief of the indicated shape is applied to the surface of bodies moving in a medium of gases, liquids, or in their two-phase mixtures, while achieving a decrease in friction stresses on molded surfaces and intensifying mass and heat transfer processes between the energy exchange surface and the flows of a continuous medium.
  • the sign " ⁇ ” at the coordinate "Zj, m” in the expression for cst in the longitudinal radial plane (Z, R) indicates the possibility of choosing any direction of the outflow of the tornado-like flow either towards negative or positive values of the Z axis, and for the coordinate ⁇ m in the azimuthal radial plane ( ⁇ , R), the “ ⁇ ” sign also indicates the possibility of choosing any of the rotation directions as counterclockwise (“+” sign ) and clockwise, (“-” sign).
  • the magnetic systems are either 12 or 45 located, at least, at two opposite points along the diameter of the power disk, either 16 or 49 so that the cooling of the soft magnetic substance occurs in the magnetic field of the gradient magnet, either 15. or 48, using fixed nozzles of either 20 or 72 installed in the area occupying the space between the section with the minimum magnetic field strength HH n , j n and the section where the magnetic field strength is H- 0.95 H ,, liU , and the heating of the working fluid is ensured by motionless nozzles also installed and within the gradient magnet occupying the space from the zone with the magnetic field strength H ⁇ 0,95 H max and before the zone in which the magnetic field strength reaches a maximum and uniform H ⁇ H ma ⁇ -
  • the converter contains, for cooling soft magnetic matter, either a heat pump either 81 or 82 (Fig. 1, Fig. 2), or any natural source of low potential energy, for example, a collector, conditionally cold, water from streams, rivers or freshwater lakes, and a collector , conditionally hot, water of any origin, for heating soft magnetic substances, for example, water heated in solar collectors, water of geothermal sources or thermal waste of anthropogenic activity, such as, conditionally, hot water cooled in a cooling tower, heat gas and gas processing industries and other low potential sources.
  • a heat pump either 81 or 82 (Fig. 1, Fig. 2)
  • any natural source of low potential energy for example, a collector, conditionally cold, water from streams, rivers or freshwater lakes, and a collector , conditionally hot, water of any origin, for heating soft magnetic substances, for example, water heated in solar collectors, water of geothermal sources or thermal waste of anthropogenic activity, such as, conditionally, hot water cooled in a cooling tower, heat gas and gas processing industries and other
  • the converter either 1 1 or 44, contains a hydraulic system for tornado cooling and heating, or 17 or 50 (Fig. 1, Fig. 2) of a soft magnetic substance with these the theme of the return of water to the external environment after use and lowering its temperature when mixing the cooling and heating flows, moreover, the energy and temperature characteristics of the heating and cooling flows supplied from stationary nozzles are either 20 or 72 (Fig. 1) to the cooling and heating channels of this substance, located on a rotating power disk, either 16 or 49, of a non-magnetic, heat-insulating material, provide magnetic phase transitions in the selected magnetically soft substance.
  • the “-” sign at the Z coordinate in the longitudinal radial plane (Z, R) indicates the direction of the swirling flow towards its negative values in the selected version of the tornado transducer, that is, under the base of the tornado tower, and the “ ⁇ ” sign in the expression for ⁇ carte in the azimuthal radial plane ( ⁇ , R) indicates the possibility of choosing any of the directions of rotation: the sign "+” counterclockwise, the sign "- * 'clockwise.
  • the " ⁇ " sign indicates the direction of the swirling flow in the direction of either negative or positive values of the Z axis, and the direction of swirl
  • ⁇ réelle - defines the beginning of b- the angle between the direction of the velocity of the coolant and the radius of the power disk, while the guiding apparatus of the hydraulic system of tornado cooling and heating of soft magnetic matter is created so that the direction of the axis of symmetry of the coolant supplying coolant and nozzle channels is either 20 or 72 (Fig. 1 one ). and channels 21, or 73, containing soft magnetic substance, coincided and gave the coolant movement a spatial orientation defined by the angles: in the radially azimuthal plane (R, ⁇ ) - the local azimuthal angle XV
  • the method of converting energy stored in low potential heat fluxes, constant magnetic fields and soft magnetic materials, is implemented in the proposed device as follows.
  • the cooled mass of the soft-magnetic substance pushes the heated mass of the soft-magnetic substance from the magnetic system ⁇
  • Such a cycle provides the conversion of heat and energy stored in a magnetic field into mechanical power or other forms thereof.
  • the heating and cooling of the mass of soft magnetic matter is carried out by turbulent heat carrier flows or heat carrier flows with self-organizing tornado-like jets that flow around the surfaces of the layers of magnesium i of a soft substance, and the streamlined surfaces are made smooth or to intensify heating and / or cooling is formed by a relief in the form of alternating initially smooth sections and sections of a curved surface of the second order in the form of recesses 27 of double curvature, consisting x of the conjugate convex 28 and concave 29 parts, and the recesses are conjugated with the initially smooth surface using the convex part of the surface, the slopes of which have at all points of contact with the initially smooth surface and the concave bottom part of the recess surface, common tangents, while , the concave part of the recesses is smooth or with a fairing 56.
  • Tornado turbines 8, 23, 40 or 52 have the same blade profiles and design, contain a fixed casing, the role of which in the proposed invention is played by either the confuser tower 1, or the internal confuser 33, or the stationary confuser of the tornado pump 22, or the stationary confuser of the tornado pump 51.
  • a tornado turbine also contains a rotor 57 (Fig. 5) with blades 58 having a longitudinal dimension Zj and a radius R varying along the axis of the turbine, located in a movable housing, the shape of the inner boundary surface of which, in a system of cylindrical coordinates, is determined by the ratio:
  • the turbine blades 58, the inner side surface of the casing and the outer surface of the rotor 57 form interlobed channels 59 that communicate with the external medium at the ends of the turbine, while the shape and spatial orientation of these channels in the coordinate system associated with the axis of rotation of the turbine is determined by the ratio:
  • - ⁇ (r, z o ⁇ ) is the azimuthal coordinate of the cross section of the turbine blades 58 at a height z 0ll (by a plane intersecting along the normal the axis of rotation of the turbine, through the surface of which a continuous medium flows from the turbine blades 59 to the tower above the turbine,
  • -k ⁇ is the speed coefficient corresponding to the maximum value of the power transmitted by the tornado-like stream to the turbine blades.
  • the inner surface of the housing, the surface of the rotor 57 and the blades 58, streamlined with a continuous medium, are either made smooth or are formed by a relief in the form of sections of a smooth initial surface alternating with curved sections in the form of recesses 27 (FIG. 3) of double curvature, consisting of mating surfaces of the second order, forming convex 28 and concave 29 slopes of the recesses, and the recesses are conjugated with an initially smooth surface with by the power of their convex slopes, having common tangents at all points of conjugation with a smooth surface and with the surface of the concave part of the recess, while the concave part of the recess is made smooth or with a fairing 56.
  • the blades 58 of the tornado turbine perceive the pressure created in the formed tornado flow, mainly by the azimuthal and longitudinal velocity components, transmit the received force to the power shafts either 6, 38, 60, or 61, converting the kinetic power of the swirling flow into mechanical power, and power shafts 6, 38, 60, 61 are interfaced with electric power generators of either 80 or 83.
  • the tornado supercharger either 7, 39, 62, or 63, has the same blade profiles and design, contains a fixed casing, the role of which in the proposed invention is played either by the confuser tower 1, or the internal confuser 33, or the stationary confuser of the tornado pump 22, or the fixed kofu tornado pump 51.
  • the shape of the internal boundary surface of the housing is determined by the ratio:
  • the blades of the supercharger, the inner lateral surface of the housing and the surface of the rotor form channels that communicate at the ends of the supercharger with the external medium, and the shape and spatial orientation of the blades is determined in a cylindrical coordinate system associated with the axis of its rotation, by the ratio:
  • -z W is the longitudinal coordinate of the normal section of the axis of rotation of the supercharger by a plane through which a continuous medium flows into the inter-blade space of the supercharger
  • -zf is the coordinate of the normal section of the axis of rotation of the turbine by the plane through which the continuous medium flows from its inter-blade space
  • -k is the speed coefficient corresponding to the maximum value of the power transmitted by the blades of the supercharger to the generated tornado-like flow
  • V z ⁇ is the longitudinal velocity of the medium flowing into the blower
  • V p z - longitudinal velocity of the medium flowing out of the compressor and the inner surface of the housing and manufacture a surface-blades are smooth or have a form of alternating xia of the sections of the initial smooth surface and curved sections in the form of recesses 27 of double curvature, consisting of conjugated second-order surfaces that form convex 28 and concave 29 slopes of the recesses, and the recesses are conjugated with the initially smooth surface using their convex slopes having common tangent at all points of contact with a smooth surface and with the surface of the concave part of the recess, while the concave part of the recess
  • the operation of the tornado supercharger is provided by an autonomous energy source using low-grade heat sources or thermal waste from anthropogenic activities, for example, magnetothermal conversion of low-grade thermal energy and energy stored in a magnetic field.
  • the rotor 64 of the supercharger with blades 65 is mounted on the power shaft of either 5 or 37, connected with the power disk of the magnetothermal energy converter.
  • the purpose of the industrial use of the present invention is to create a family of new power plants that convert low-potential energy of renewable sources and low-grade waste of anthropogenic activity into various types of energy of industrial condition.
  • the conversion methods and devices proposed in the invention use a new class of continuum flows, which are quasipotential, axisymmetric radially converging tornado-like jets, providing resource-saving and aviuny, environmentally friendly, environmentally friendly, reliable and safe energy production due to the conversion of kinetic and thermal power of low-potential flows of continuous medium and solar radiation.
  • the tornado method of transformation is applicable in the domestic sphere and in other areas of economic activity of the company, including existing and newly created enterprises, expeditions, settlements, etc., in any of the regions of our planet, as well as at space stations and human landing on other planets in the future.
  • the method of tornado energy conversion of continuous medium, devices for its implementation is a set of technologies that allows decentralizing the supply of electric and thermal energy to the housing and communal and industrial sectors of the economy, as well as to remote and inaccessible regions of our planet, including polar zones, islands and highlands due to the use of the tornado method of continuous energy conversion, devices for its implementation, solar radiation energy converter ii, tornado supercharger turbine tornado, methods and devices for magnetically toteplovoro energy conversion.
  • the proposed method for tornado conversion of kinetic and low potential thermal power of a continuous medium and a device for its implementation are based on new methods of accumulation and practical use of environmental energy, primarily low potential energy, such as the energy of solar radiation stored in air, in water and in the ground under the influence of sunlight, wind energy, heat of geothermal origin, heat waste from human activities discharged into the environment, in the form of hot flue gases, heat waste oil and gas refineries, thermal and nuclear power plants, etc.
  • the invention allows to reduce the environmental impact of energy processes and significantly increase the efficiency, functional and the technical and economic efficiency of traditional energy using organic and nuclear fuels, including the return of low-grade heat to the energy production cycle, which is discharged by thermal and nuclear power plants into the atmosphere and / or reservoirs.
  • a tornado supercharger can be used to form swirling tornado-like jets, for example, in gas burners to increase fuel combustion efficiency, in shipbuilding for energy concentration of screw or propulsive propulsors, etc.
  • a tornado turbine can be used to convert the energy of swirling flows, for example, in dry cooling towers when a swirling air flow is formed in them due to the appropriate placement of heat exchangers, as well as in devices in which the flows have a significant swirl, etc.
  • the solar energy converter can be used to heat water or air, for example, for utility and industrial needs, etc.
  • tornado transformer of magnetothermal energy are the basis for creating electric power units, engines and propulsors, including for automobile and water transport, magnetothermal turbines, compressors, pumps for pumping liquids, combined electric machines, etc.
  • created as an example of the effectiveness of the proposed technology are created laboratory samples of magnetothermal converters of thermal energy into electrical and / or mechanical types thereof.
  • the properties of tornado magnetothermal converters are of particular value for providing energy to the industrial sector, robotics and human activities in extreme conditions.
  • tornado magnetic flux converters can be used in communications for pumping natural gas and oil, transported from the place of production to the places of processing and consumption.
  • direct solar radiation is used, or low-grade heat accumulated in water, air, soil, heated by the sun, wind energy or heat from geothermal sources, and where it is possible excessive enthalpy of the pumped medium.
  • Tornado jets known under the name TLJ, are abbreviated in English terms: Torpedo Lake Jet, a new flow discovered more than a quarter century ago in Russia when studying the features of the flow of gases, liquids or their mixtures of special forms of boundary surfaces. These currents are secondary tornado-like jets that are embedded in the creation of the necessary and sufficient conditions in the environment, locally changing its dynamic state. The unique features of this flow, manifested in a surprisingly low level of hydraulic losses during flow around surfaces and an equally surprisingly high level of the rate of boundary exchange of mass, heat, and momentum, cause an increased interest in the practical use of this phenomenon. Already, a number of different energy and transport units using TLJ - technology have been created and are being applied.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение направлено на создание экологически чистых источников механической и/или электрической видов энергии, не требующих применения органического или ядерного топлива; на увеличение эффективности низкопотенциальных источников тепла, включая тепловые отходы антропогенной деятельности на снижение вредных выбросов в атмосферу. Технический результат достигается тем, что предложенью способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, смерчевой преобразователь энергии (варианты), преобразователь солнечной энергии, способ магнитотеплового преобразования энергии, смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, смерчевой нагнетатель и смерчевая турбина, используют явление самоорганизации смерчеобразных струй и устройства для формирования рукотворных смерчей.

Description

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, СМЕРЧЕВОЙ НАГНЕТАТЕЛЬ И ТУРБИНА
Область техники
Изобретения относятся к области аэрогидродинамики, энергетики и магнитных технологий, а точнее, к формированию смерчеобразных закрученных потоков газов, жидкостей и/или их двухфазных смесей и комплексному преобразованию их кинетической и тепловой мощности.
Предшествующий уровень техники
В периодической научной и патентной литературе представлены патенты и предложения, касающиеся комплексного преобразования и использования мощности низкопотенциальных источников, в том числе, возобновляемых источников, путём объединения их в единые системы. Однако нет предложений об использовании:
- комплексных способов смерчевого и магнитотеплового преобразования низкопотенциальной энергии сплошной среды в механическую и/или электрическую энергию,
- смерчевых устройств для преобразования энергии солнечной радиации в тепло и дальнейшего использования этого тепла для смерчевого и магнитотеплового производства энергии или других целей,
- смерчевых воздушных, гидравлических и магнитотепловых устройств - преобразователей низкопотенциальной кинетической, тепловой энергии и энергии магни тного поля в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции, объединённых в единый энергопреобразующий комплекс.
Существуют предложения, касающиеся использования энергии природных явлений, таких как потоки солнечной радиации, ветра, геотермальных вод, морских и океанических приливов и отливов, течения малых и крупных рек, объединяемых в комплексные системы, преобразующие энергию.
Однако известные предложения не используют смерчевые способы и устройства, концентрирующие в смерчеобразных закрученных струях низкопотенциальную энергию перечисленных природных явлений. Например, практически не используются: - способы и устройства для формирования самоорганизующихся квазипотенциальные смерчеобразных струй с целью наиболее эффективного преобразования сконцентрированной в них энергии в энергию полноценной кондиции,
- потоки со встроенными в их течение смерчеобразными струями и смерчевая интенсификация тепло и массообмена между низкопотенциальными тепловыми потоками и обтекаемыми поверхностями, существенно превосходящая эффективность традиционных способов интенсификации тепло и массообмена.
Среди известных предложений близкими к предлагаемому изобретению являются изобретения: GB N 16709, 1887; US N428057, 1890; SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, JP 59025091, RU 2020304, RU 2023216, RU 2040127, RU 2044248, SG 47069, RU 2059881, EP 0839309, EP 9291 1873 EP 96927047, US 6,006,823, US 61 19987, RU 2109173 C1,RU 2109227, RU 2167338, RU 2172904, RU 2183801 , RU 2199025, RU 2199024, RU 2210840; RU 2210839; WO 03004868; EP 03012638; EP 1458972; WO 2004048871 ,WO 2004083651, WO 2004083628; US 2004/0240984 Al , EP 1606512, PCTTRU 2005/ 000096, EP1873397 A2, EP 1878983 Al, EP 1890035 A2, CN 1888359.
Условно первая часть перечисленных документов: RU2059881 , WO03004868 - 2003-01 -16, EP 03012638 - 2003-03-06, EP 1458972 - 2004-09-22, WO 2004083628 - 2004- 09-30, US 2004/0240984 Al , EP 1606512 - 2005-12-21 защищает различные способы смерчевого преобразования энергии потоков газов и жидкостей, например, ветра и воды, а также указывает на необходимые и достаточные условия формирования нового типа течений сплошной среды - смерчеобразных квазипотенциальных радиально сходящихся закрученных струй. Условия формирования этих струй основаны на анализе точных решений нестационарных уравнений гидродинамики (уравнения Навье - Стокса и неразрывности); в перечисленных документах, - патентах и научных публикациях, эти струи применены для создания разнообразных статических аппаратов, формирующих смерче- образные закрученные течения в вязких сплошных средах. Известен способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию, носящий название TWES (Тоrпаdо Wiпd Епеrgу Sуstеms). Известные TWES представляют собой вертикальные башни цилиндрической формы, внутри которых формируется смерчеобразное (Тоrпаdо Likе) закрученное течение. Оно возникает, за счёт потоков воздуха, вте-кающих во внутрь башни через одну или множество боковых щелей, образующих произвольный, но постоянный для данной конструкции башни, угол с локальным радиусом сооружения.
Например, в цитированных работах в одной из предлагаемых башен щели в башне открыты с наветренной стороны и закрыты с подветренной. Проходя сквозь щели, поток ветра приобретает тангенциальную составляющую скорости и закручивается внутри башни. В ядре такого потока образуется зона пониженного давления, что обеспечивает всасывание дополнительных масс воздуха во внутрь башни через её нижний торец, установленный на специальное устройство - "поддувало". Подсасываемый поток подают на турбину, преобразующую его кинетическую мощность в механическую. Закрученный поток над турбиной в виде смерчеобразной струи, устремляясь к выходу из башни, уносит с собой массу среды, попавшую в башню, пройдя турбину и поэтому замедлившуюся (см., например, Роwеr соеffϊсiепt оf Тоrпаdо-Туре Wiпd Тurbiпеs / Rапgwаllа А.А. Нsu CT.// Jоurпаl Епеrgу. 1983. v.7, No 6, р. 735-737; Реrfоrmапсе оf Тоmаdо Туре Wiпd Тurbiпеs with rаdiаl Suррlу / Нsu CT. H. Idе. // Jоurпаl Епеrgу, v. 7, No 6, 1983, р. 452-453.).
Авторы цитируемых работ и другие исследователи (см., например, "On Vоrtсх Wiпd Роwеr" / So R. M. С.// Jоurпаl оf Fluids Епgiпееriпg, 1978, v.ЮО, р. 79-82) ошибочно считают, что поле скорости и давления в TWES характеризуется распределениями скорости и давления, известными для вихря Бюргерса ("А mаthеmаtiсаl mоdеl illustrаtiпg thе thеоrу оf turbulепсе" / Вurgеrs J.М. // Аdvапсеs Аррl. Месhап. 1948, v.l . р. 157-199). Однако, реализация этого способа в модельных устройствах не подтвердила это предположение и указала на серьёзные потери, вызванные отсутствием условий для прямой сшивки линий тока в струях, втекающих через щели внутрь торнадо-башни, с линиями тока формируемого смерчеобразного течения (см., например, Iпvеstigаtiопs оf thе Тоrпаdо Wiпd Епеrgу Sуstеm / А. Мitсhеll, // Рublishеr: Аmеriсап Sоlаr Епеrgу Sосiеtу, Juпе 1985).
Известны солнечные башни и TWES, (см., например, JP 59025091 A, EPl 873397 A2, EP 1878983 Al5EP 1890035 A2), в которых за счёт солнечного подогрева стимулируют возникновение термоиндуцированного потока воздуха, направляемого на турбину или генерируют водяной пар, образующий при рабочих температурах в вертикально расположенных башнях термоиндуцированное течение.
Помимо этого, недостатком способов смерчевого преобразования энергии, предложенных в цитированных Патентах и в более ранних публикациях, описывающих способы и установки TWES, является относительно высокая стоимость кВтч преобразованной энергии по сравнению с энергией производимой традиционными способами, обу- словленная их низкой эффективностью из-за торможения потока, натекающего на крупногабаритные конструкции устройств, преобразующих кинетическую мощность потоков воздуха, и отсутствие условий для формирования смерчеобразного течения в потоке, взаимодействующем с турбиной в предлагаемых TWES или потоков пара в солнечных башнях. Перечисленные недостатки обуславливают диссипацию энергии в процессе её преобразования и не обеспечивают безударное и безотрывное движение сплошной среды, необходимое для формирования смерчеобразного квазипотенциального течения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, согласно которому для преобразования энергии поток сплошной среды подают в выбранный аксиально- симметричный внутренний объём конфузорной формы по двум системам направляющих каналов, обеспечивающих движение подаваемой среды по винтовым траекториям, сходящимся к оси симметрии выбранного объёма, причём, с помощью первой системы каналов формируют закрученное течение, придавая потокам в каналах вращательный момент и концентрируя в них мощность за счёт сходимости течения. Сформированный таким образом поток направляют в зону преобразования кинетической мощности в механическую мощность, а с помощью второй системы каналов формируют закрученный поток, понижают в нём давление, за счёт чего поток всасывает сплошную среду, истекающую из зоны преобразования, и эвакуирует её за пределы преобразователя (см. WO 2004083628, 2004.09.30).
Недостатками известного способа смерчевого преобразования энергии являются:
- существенные потери мощности потока сплошной среды, натекающего на башню и используемого для преобразования энергии, обусловленные торможением течения граничными поверхностями преобразующего аппарата, размещёнными на его пути, например, потоков ветра, натекающего на граничные поверхности смерчевых (торнадо) башен, в которых концентрируют и преобразуют кинетическую мощность ветра, а также потоков других газообразных или жидких сред;
- отсутствие условий для безотрывного и безударного течения сплошной среды па входе во внутрь башни, которые должны быть соблюдены для реализации способа, осложняющие сооружение предлагаемых смерчевых преобразователей энергии. Так, при преобразовании энергии ветра в башне, сопротивление её конструкций потоку ветра вызывает существенное снижение скорости воздуха Uro на входе в неё и, как следствие, существенно уменьшает преобразуемую мощность N потока ветра, зависящую от величины скорости UiN втекающей сплошной среды, возведённой в куб (N ~ UIN 3). Эта универсальная закономерность проявляется в процессах преобразования энергии спло-шной среды, находящейся в любом агрегатном состоянии, и является причиной низкой эффективности смерчевого способа преобразования энергии в преобразователях со статическим направляющим аппаратом. В солнечных башнях потери обусловлены турбулентными процессами в термовосходящем потоке водяного пара.
Перечисленные недостатки и высокая цена преобразованной энергии в случае TWES, послужили основанием для снижения практического интереса к этому, безусловно, важному направлению производства энергии за счёт возобновляемых источников.
Условно вторая часть перечисленных документов RU2059881, WO03004868, EP03012638, EP1458972, WO2004083628, US2004/0240984 Al , EP1606512 защищает различные варианты устройств для смерчевого преобразования энергии внешней сплошной среды. Предложения, содержащиеся в этих документах, основаны на использовании статического направляющего аппарата, создающего совместно с конструкциями смерчевой башни сопротивление натекающему потоку, что снижает скорость на входе в смерчевую башню и резко уменьшает эффективность преобразования энергии.
Наиболее близким к предлагаемым преобразователям энергии (вариантам) является устройство для преобразования энергии потоков сплошных сред, содержащее конфу- зорные камеры, системы неподвижных каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину, сопряжённую с электрогенератором, связанным с турбиной посредством центральной оси, проходящей через обтекатель, и опорную конструкцию (см. WO 2004083628, 2004.09.30).
Недостатками известного устройства являются:
- высокая цена преобразуемой энергии, обусловленная большими объёмами смерчевых конфузорных камер и других конструктивных элементов, и трудоёмкость их сооружения из-за необходимости обеспечения высокой точности форм и пространственной ориентации формируемого смерчеобразного течения;
- низкая эффективность преобразования энергии, вызванная снижением скорости втекающего в камеру потока сплошной среды, по сравнению со скоростью потока в отдалении от камеры, что обусловлено сопротивлением её форм и поверхностей, встречающих натекающее течение; этот недостаток особенно ярко проявляется при преобразо- вании медленных потоков среды, например, потоков слабого ветра. В самом деле, эффект торможения потока ветра граничными поверхностями камер, резко снижает уровень преобразования мощности потока, так как величина преобразованной мощности зависит о г величины возведённой в куб скорости среды, втекающей в башню.
Условно третья часть перечисленных документов: UK No 16709, 1887; US No 428057, 1890, SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, RU 2167338, RU 2199025, RU 2199024, RU 2210839, RU 2210840 защищает различные варианты магнитотепловых преобразователей энергии, основанные на теории магнетизма и использовании традиционных способов тепло и массообмена.
Известны способы преобразования магнитной и тепловой энергии в энергию движения путём выполнения рабочего тела из магнитно-мягких веществ, обладающих свойством приобретать при охлаждении в диапазоне температур, близким к комнатным, ферромагнитные свойства и переходить в парамагнитное состояние при нагреве. Другими словами, эти вещества имеют низкие температуры Tc (точка Кюри) магнитного фазового перехода. Практически во всех перечисленных предложениях есть указание на возможность использования известного феномена притяжения магнитов друг к другу для превращения магнитной энергии в энергию движения, однако, технические решения способа по организации магнитных полей и обеспечению магнитотеплового процесса преобразования магнитной и тепловой энергии в механическую энергию, отсутствуют. Этим и объясняется отсутствие действующих магнитотепловых преобразователей энергии, несмотря на столь длительный период, прошедший с момента опубликования указанных выше предложений.
Наиболее близким к заявленному способу является Патент, авторы которого считают задачей изобретения "существенное изменение и расширение функциональных возможностей работы магнитотеплового устройства за счёт способа организации его работы, позволяющего, в частности, создать эффективные автономные двигатели и генераторы различного типа и назначения с использованием только низкопотенциальиых природных источников энергии независимо от погодных условий и времени суток" (см. RU 2199025 Cl , 20.02.2003).
Известный способ основан на использовании энергии различных форм магнитных фазовых превращений и тепла с последующим их преобразованием в энергию движения рабочего тела, в качестве которого используется магнитно-мягкое вещество с ферромаг- нитными свойствами, обладающее спонтанной намагниченностью в точке Tc фазового перехода и зависимостью величины намагниченности от температуры. Помещая рабочее тело в поляризующее магнитное поле, в замкнутом объёме которого под атмосферным давлением находится парожидкостная смесь низкокипящей рабочей жидкости, авторы переводят рабочее тело из парамагнитного в ферромагнитное состояние, вследствие чего рабочее тело под действием магнитных сил перемещается в направлении их действия из зоны с минимальным значением индукции магнитного поля в зону, в которой значение магнитной индукции максимально.
Недостатками этого известного способа являются:
- отсутствие указаний на возможные источники нагрева и охлаждения и способа использования этих источников при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов, адекватных задаче преобразования энергии. Кроме общего утверждения о необходимости нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества в способе нет указаний, позволяющих за относительно малые времена контакта с греющим и охлаждающим теплоносителями, обеспечить:
- магнитные фазовые превращения в рабочем магнитно-мягком веществе,
- необходимую скорость движения рабочих элементе и
- приемлемую удельную мощность преобразователя.
Предложения авторов не могут считаться эффективными, поскольку основным их недостатком, как и в предложениях других Патентов, являются трудности реализации нестационарного нагрева и охлаждения рабочих элементов традиционными методами при использовании любого теплоносителя. В первую очередь, этот недостаток присущ газообразным теплоносителям со сравнительно невысокой температурой (среда с низким тепловым потенциалом), которые за время контакта с теплоносителями должны обеспечить в массе рабочих элементах магнитные фазовые превращения: парамагнетик- ферромагнетик- парамагнетик. Такой процесс в предлагаемом изобретении может быть лишь умозрительным, поскольку фиксированный объём системы, в котором размещается магнитно-мягкое вещество, ограничивает возможности использования низко- потенциальных теплоносителей, а потому отсутствие в Патенте вариантов организации системы нагрева и охлаждения рабочего тела не позволяют отличить этот способ от других предложений, преследующих аналогичные цели. Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю магнитно тепловой энергии в механическую и/или другие её виды, является магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему (см. SU 1793525 А, 07.02.93).
Недостатки известного устройства:
-отсутствие указаний о размещении вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле, форме и количестве рабочих элементов, участвующих в создании результирующего момента силы в направлении их движения, обусловленных величиной планируемой мощности преобразования магнитной энергии в механическую или в другие её виды;
-отсутствие указаний о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле и связи характеристик нестационарного теплообмена с планируемой мощностью преобразования магнитной энергии в механическую или в другие её виды;
-использование жёстко закрепленных на корпусе оптических линз для фокусировки солнечного излучения на поверхность рабочих элементов, что делает неэффективным работу генератора и актуальным вопрос о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле;
-использование в качестве рабочего вещества железо-родиевого сплава, что ограничивает потребительскую ценность предлагаемого устройства.
Условно четвёртая часть перечисленных документов JP 59025091 , EP 1878983 Al , EP 1873397 A2, EP 1890035 A2 защищает различные варианты солнечных башен, использующих тепло солнечной радиации для нагрева воздуха, формирования его закрученной струи, преобразования солнечного тепла в пар, направления потока пара на паровую турбину и получения механической мощности.
Недостатками солнечных башен являются:
-их неработоспособность в пасмурные дни в сумрачное время суток и ночью;
-необходимость регулярной очистки поверхности зеркал от пыли и песка;
-необходимость предотвращения "накипи" на парообразующих поверхностях и на лопастях паровой турбины. Условно пятая часть перечисленных документов RU 2023216, RU 2109227, RU
2172904, RU 2183801, RU 2285210 защищает различные варианты преобразователей солнечной энергии в тепло, основанные на поглощении лучистой энергии поверхностью твёрдых пластин с покрытием, обладающим высоким коэффициентом поrлащения или оптически прозрачных жидкостей с мелкодисперсными частицами из аналогичного материала.
Известна комбинированная солнечная энергоустановка, преобразовывающая и одновременно концентрирующая солнечную энергию для нагрева воды и получения электрической энергии ( RU 2285210 С, 10.10.2006).
Солнечная комбинированная энергоустановка по патенту RU 2285210 содержит первичный конический концентратор, плоскую изоляторную соединительную круговую шайбу, центральное сквозное отверстие первичного конического концентратора, датчик слежения, фотоэлементы датчика слежения, перегородки датчика слежения, полый трубчатый теплонагреватель в форме круга, фотоэлементы на внешней поверхности полого "трубчатого теплонагревателя" в форме круга, вторичный полупараболоидный, развернутый на 360°, концентратор, термоэлементы на внешней стороне вторичного полупара- болоидного, развернутого на 360°, концентратора, входное и выходное отверс тия кругового трубчатого полого теплонагревателя.
Недостатком известного устройства является ограниченность площадей освещаемых поверхностей для прямого преобразования энергии солнечной радиации в тепло и электрическую энергию и отсутствие интенсификации процессов освещения нагреваемых поверхностей и интенсификации теплообмена между нагреваемой поверхностью и обтекающим потоком воды, что обуславливает низкую эффективность преобразования энергии солнечной радиации.
Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю энергии солнечной радиации в тепло является устройство, содержащее герметичный корпус, с размещенными в нем каналами (см. RU 2183801 Cl, 20.06.2002).
Недостатками известного устройства является низкая эффективность преобразования солнечного излучения в тепло из-за отсутствия интенсификаторов теплообмена.
Условно шестая часть перечисленных документов защищает различные варианты нагнетателей сплошной среды в объём выбранного пространства. Наиболее близким к заявленному устройству смерчевого нагнетателя является нагнетатель, который содержит профилированные лопасти, имеющие винтовую поверхность. Узкие винтовые щелевые каналы, образованные боковыми поверхностями лопастей, препятствуют обратному истечению воздуха. Лопасти имеют на наружном диаметре угол подъема 70° ÷ 80°, а на внутреннем не менее 55° (см. RU 2109173 Cl, 20.04.1998).
Недостатком известного решения является невозможность формирование смерчеоб- разной струи в объёме выбранного пространства и управления профилями скорости и давления в потоке.
Условно седьмая часть перечисленных документов защищает различные варианты турбин, преобразующих мощность потоков сплошной среды в механическую энергию.
Наиболее близким к заявленному устройству смерчевой турбины является турбина, содержащая корпус и размещенные в корпусе на валу лопатки, принимающие поток (см. SU 1662172 А, 27.10.1996).
Недостатком известного решения является невысокая эффективность преобразования с её помощью мощности закрученных смерчеобразных потоков, обусловленная высокими значениями их азимутальной и продольной компонент скорости.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом реализации предлагаемого способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды является:
- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;
- существенное повышение эффективности преобразования энергии внешней среды в выбранном осесимметричном объёме за счёт формирования в нём самоорганизующейся смерчеобразной струи, структура, величина скорости и поле давления в которой увеличивают скорость её потоков, втекающих в выбранный объём, независимо от агрегатного состояния и состояния движения среды за пределами этого объёма. Это обеспечивается возможностью управлять перепадом давления между внешней средой и закрученным потоком в башне и регулировать скорость Uоuт её потока, истекающего из осе- симметричного объёма. Описанная возможность резко повышает мощность (N ~ Uоuт3) преобразуемой энергии; - уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счёт нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны. В потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;
-существенное повышение КПД, функциональной и технико-экономической эффективности традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, за счёт превращения в энергию полноценной кондиции части энергии низкопотенциальных тепловых отходов, сбрасываемых тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоёмы;
- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды за счёт повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности;
- снижение количества органического топлива, используемого в бытовой и промышленной сферах;
- снижение уровня выбросов в атмосферу и водоёмы углекислого газа (CO2). тепловых бытовых и промышленных отходов;
- снижение кавитационного износа и предотвращение разрушения гидравлических механизмов и устройств, применяемых в смерчевых преобразователях энергии и в традиционных энергосистемах, таких как гидронасосы, гидротурбины и др.;
- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Техническим результатом реализации предлагаемых смерчевых преобразователей энергии (варианты) является: - создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;
-повышение эффективности преобразования энергии внешней среды за счёт создания смерчевых башен с подвижными направляющими лопатками внутри их объёма, например, смерчевыми нагнетателями, приводимыми в движение, например, с помощью магнитотеплового привода, использующего низкопотенциальные потоки тепловой энергии, например, теплоносители, нагреваемые или охлаждаемые с помощью солнечной радиации, обеспечивающие использование магнитотеплового преобразования энергии;
- уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счёт нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны; в потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;
- увеличение скорости потока среды, истекающей из смерчевых башен, за счёт использования смерчевых технологий на граничных поверхностях башен, направляющею аппарата, обтекателя, лопаток смерчевого нагнетателя и смерчевой турбины, на других обтекаемых поверхностях, а также за счёт вращения нагнетателя с помощью магнитотеплового преобразователя низкопотенциальной энергии;
- понижение внутри смерчевых башен давления, компенсирующего сопротивление её конструкций натекающему потоку, путём формирования в сплошной среде, наполняющей башню, закрученного течения, независимого от состояния внешней среды, натекающей на башню, например, в воздухе, при преобразовании энергии ветра, а также в других газообразных или жидких средах;
- повышение степени защиты окружающей среды при использовании преобразователей энергии сплошной среды за счёт утилизации тепловых отходов производственной деятельности и отсутствия вредных отходов и выбросов. Техническим результатом реализации предлагаемого способа магнитотеплового преобразования энергии являются:
- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива, создание электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, магни- тотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещённых электрических машин и др.;
- увеличение эффективности низкопотенциальных источников тепла, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, за счёт организации смерчевого способа нагрева и охлаждения, адекватного задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов:
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы, и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества;
- увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элемен тами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счёт придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерче- образных струй, встроенных в потоки теплоносителей;
- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счёт повышения скорости перемещения платформы с магнитно- мягким веществом;
- уменьшение времени магнитных фазовых превращений в рабочем магнитно- мягком веществе;
- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счёт ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;
- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико- экономической эффективности традиционной энергетики за счёт возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы.
Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя магнитоте- пловой энергии являются:
- увеличение эффективности используемых низкопотенциальных источников тепла за счёт организации смерчевых потоков теплоносителей, адекватных задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов;
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества;
- увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счёт придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчс- образых струй, встроенных в потоки теплоносителей;
- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счёт повышения скорости перемещения платформы с магнитно- мягким веществом;
- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счёт ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;
- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико- экономической эффективности традиционной энергетики за счёт возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы;
- увеличение уровня концентрации мощности низкопотенциальных тепловых источников, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, и превращения этой мощности в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции за счёт использования явления самоорганизации смерчеобразных течений и маrнитотенловых эффектов, сопровождающих фазовые превращения в магнитных телах и жидкостях;
- увеличение эффективности магнитной системы за счёт создания двух зон распределения магнитного поля: зоны градиентного поля и зоны однородного поля, позволяющих обеспечить оптимизацию скоростей охлаждения магнитно-мягкого вещества, толщины рабочих элементов и их суммарную массу, подвергающихся охлаждению и нагреву в процессе преобразования энергии, что обеспечивает притяжение охлаждённой части магнитно-мягкого вещества к зоне с максимальным значением напряжённости магнитного поля и использование силы магнитного притяжения для получения механической энергии и вращения направляющего аппарата внутри смерчевой башни;
- увеличение за счёт смерчевых технологий скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей путём придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчеобразных струй, встроенных в потоки теплоносителей и существенно увеличивающих скорость обмена теплом между потоком и поверхностью;
- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора конфигурации теплообменных каналов и использования смерчевого способа охлаждения;
- повышение уровня защиты окружающей среды за счёт практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов.
Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя солнечной энергии, для её преобразования в тепло, является:
- увеличение коэффициента поглощения тепловой энергии на поверхности солнечных коллекторов за счёт использования явления самоорганизации смерчеобразных вихревых структур;
- увеличение теплопередачи от поверхности, принимающей солнечную энергию, в поток сплошной среды - теплоносителя;
- повышение автономности предлагаемого преобразователя по сравнению с известными установками такого типа;
- повышение уровня защиты окружающей среды за счёт практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов. Техническим результатом реализации предлагаемого смерчевого нагнетателя является:
-возможность управления процессом смерчевого преобразования энергии за счёт изменения интенсивности смерчеобразного течения, формируемого нагнетателем внутри смерчевой башни;
-повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счёт повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;
-повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Техническим результатом реализации предлагаемой смерчевой турбины является:
- высокоэффективное преобразование энергии смерчеобразных струй, генерируемых в смерчевых башнях;
- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счёт повышения эффективности использования низкопотенци- ального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;
- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.
Технический результат от реализации способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды достигается тем, что сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Qv, имеющую форму конфузора, высотой ZOuт и переменным по высоте радиусом
RIN ≥ R ≥ RОUТJ или нескольких конфузоров, числом "К" вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём Qк высоту Zк,ouт и переменный по высоте радиус Rι,к, изменяющийся в интервале:
Rк,IN ≥ Rj,K ≥
Figure imgf000018_0001
, при этом, области Q∑ и QK имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ∑QК, соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ΣQК И внутри области Q∑ выполнялись соотношения:
RIN2 Z1N = Ri,∑2 Zi(∑ = Rоит2 Zouг= сопst∑, i=0,l ,2,3,...р Rι,к2 Zj,к = сопstк, J= 0, 1 ,2,3,... s где Z, R, ψ - цилиндрические координаты, центр которых расположен в точке пересечения с основанием выбранной осесимметричной области продольной оси её симметрии, индекс "IN" присвоен цилиндрическим координатам ZIN, RIN, ΨIN, принадлежащим входному участку граничной поверхности ΣQ, а индекс "i,∑" указывает на его принадлежность любой i-той точке области Q∑ ограниченной поверхностью ΣQ, индекс 'OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоιιт, Rоuт, ψоuт, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности ΣQ, индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки на поверхности ΣQК К-ТОГО конфузора внутри объёма Qv, ограниченного поверхностью ΣQ, индексы "Σ" и "К", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность "сопst∑" объёму Q∑, заключённому внутри граничной поверхности Σ, а "сопstк" объёму Qк ограниченному граничной поверхностью ΣQК конфузора внутри области Q∑, , при этом, траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q∑ под местным азимутальным, углом ψо∑, определяющим внутри области Q∑, равно как и внутри конфузоров Qк, начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу RIN, И местными высотными углами αо∑ и <XO,∑QK ПО отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счёт выбранной пространственной ориентации этих поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Q∑, равно как и в конфузорах Qк обеспечивает радиальную сходимость и смерчеобразную закрутку потока сплошной среды, поступающей в эти области, при этом формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q∑, равно как и в конфузорах Qк, увеличивая за счёт этого скорость U iN потока, втекающего в эту область, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность течения, максимум которой достигается в области Q∑, в зоне, имеющей радиус R∑maχ и продольную координату Z∑max, в которой дости- гается равенство продольной компоненты скорости Uz, и азимутальной скорости Uψ, причём, высоты ZKQ выбирают так, что бы продольная координата этой зоны превосходила бы продольные координаты любого "К-того" конфузора внутри неё : Zvmav > ZQК , располагают на этой высоте зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, передаваемую на вал турбины, учитывают замедление и потерю закрутки в смерчеобразном потоке, прошедшим эту зону и передавшим часть своей кинетической мощности лопастям турбины, компенсируют замедление потока, располагая в области Q∑, в пространстве между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, зону компрессии, повышающую на этом участке и, опосредованно, на входном участке граничной поверхности ΣQ, скорость UIN, а на выходном участке граничной поверхности ΣQ, скорость Uоιгr, причём, повышение скорости Uоιгι по отношению к скорости UIN потока, втекающего в область Q∑, связывают между собой отношением радиуса выходного участка Rоιιт к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Zцs граничной поверхности ΣQ:
UIN / Uоuт = Rouт/n ZIN , где "п" определяется в интервале: l<n< 20, а радиусы RIN И RОUТ области Qv определяются в интервале:
1,5< R|N/Roш < 7,5, используют для формирования закрученного потока энергию натекающей сплошной среды, тепло солнечной радиации и/или любого низкопотенциального источника тепла и энергию, запасённую в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких веществах, причём поверхности: внутренней границы ΣQ, обтекателя, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата, обтекаемых сплошной средой внутри области Q>:, формуют углублениями двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой частью поверхности углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем. Отношение глубины hс углублений к их продольному вдоль направления потока размеру LLГ находятся в интервале:
0,001≤ hc /LLC< 0,2, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/Lвc < l ,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,05 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперёк потока, соответственно.
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ΣQ области Q и в любой J -той точке на поверхности К-того конфузора внутри этой области, определяется соотношениями:
Figure imgf000021_0001
+ Uz,.ι,к2 + Uк,.,.к2)0'5, соответственно, при этом, местный азимутальный угол ψо и местный высотный угол αоv определяются соотношениями: ψо = аrс tg (UΨ,L / UR,Σ) и оtоi; = аrс соs (UZ,IN / Ur,ιм) соответственно, причём, угол αод; образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности ΣQ В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:
3,5Roш < Ri v< 4,5ROιrг и 0.08 Zоιгι < Zj ∑≤ 0.05Z«,,,,
а высотные углы щ,∑Oкi под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричными поверхностями ∑к имеют координаты Rj,к и Z.ι,к определяемые в интервалах:
3,5Rк, оιл ≤ Rι,к ≤4,5R к, оuт и Z к, опт ≤ Zj,к ≤ Z к, он ι ,
что обеспечивает формирование в выбранной области Qj; смерчеобразного квазинотен- циального закрученного потока с компонентами скорости UR, Uχ и l)ψ, определяемыми внутри области соотношениями: вдоль радиуса области Q^: UR = - Co(t)Rj.v во входном сечении на границе ΣQ : UR = - Co(t) R IN , во входном сечении любого К-того конфузора на границе ∑к: UR,.I,K = - C<ι(t) R.ι,к
вдоль продольного размера области Q ∑: Uz = 2 Co(t) Zj,v в любой J-той точке внутри любого "К-того" конфузора: U/,.ι,к = 2 Co(t) Z,ι,к-; по азимуту области Q: Uj,т = (Г0(t) / R i£) [1 - exp(-C,,(t) R j.v 2 / 2v) |, на границе Σ: UΨ∑ = (Г0(t) / 2πR,N) [1 - exp(-C0(t) R|N 2 / 2v)], в любой J-той точке "К-того" конфузора: Uψ∑ = (Гo(t) / 2π Rj) [1 - exp(-Co(t) Rj2 / 2v)], здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj ∑ области Qv, включая точку R|\ на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (UR(O / R;χ), при этом, Co(t) и Гo(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости Uц\ потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nош ~ Uоuт3 ПPИ балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 1 ) достигается тем, что он содержит: - смерчевую осесимметричную конфузорную башню, снабжённую:
— приёмниками потоков сплошной среды,
~ внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,
— неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с её внешней конфузорной поверхностью и обтекателем,
— силовыми вращающимися валами, нижним и верхним, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни, г
— смерчевым нагнетателем, установленным над неподвижным направляющим аппаратом, ~ смерчевой турбиной, по крайней мере, одной, жёстко связанной с силовым валом, установленной по оси симметрии башни, в зоне, имеющей радиус Rivmах и продольную координату
Figure imgf000023_0001
в которой достигается равенство продольной Uz и азимутальной скорости Uψ компонент скорости;
- преобразователи солнечной энергии;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, расположенный под неподвижным направляющим аппаратом, имеющий общую ось симметрии со смерчевой башней, оснащённый:
~ магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и смерчевым нагнетателем в смерчевой башне,
— смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя;
- опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте; причём, смерчевая осесимметричная конфузорная башня состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Qv, открытый в окружающее пространство в зонах башни, имеющих максимальный и минимальный радиусы, соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню и истекает из неё, при этом, башня обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность ΣQ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:
R2Z= сопst, при этом, поверхности конфузорной башни, внешней границы обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин, обтекаемых сплошной средой внутри области Qv, выполняю!- ся гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны на ней, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений и гладкой поверхности осуществляется с помощью выпуклых скатов углублений, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Отношение глубины hс углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру Lι с находится в интервале:
0,001< hc /LLC< 0,5, отношение продольного размера Lц; углубления к поперечному размеру Lщ: углубления определяется интервалом:
0,25< Llx-/Lвc≤ l ,25 при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений вдоль и поперёк потока, соответственно.
Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно- радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
RJ,F 2ZJ,F =const, J = 0,1,2,3,...п , где R,j,|. и Zj,к радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя Rn,p к максимальному радиусу башни RIN составляет величину в интервале:
0,03 < (Rn,F /R 1N) < 0,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни и сопряжён с силовым диском.
Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z): - вдоль радиуса смерчевой башни: Zj1E
Figure imgf000025_0001
- в любой J-той точке поверхности любого "K-тoгo"кoнфyзopa внутри смерчевой башни:
Figure imgf000025_0002
0,1 ,2,3,....n;K=0, 1,2,3, m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
-по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ∑ = аrс tg (Uψ,∑/ URХ),
-в любой J-той точке поверхности любого "К-того" конфузора: ψ
Figure imgf000025_0003
/R K,J)2 - 1] , J = 1,2,3,....п; K=0,l ,2,3,...m, где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индeкcы"Σ","IN","пpиcвoeны координатам внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и её входному участку, соответственно, индексы "J, К" присвоены координатам любой J-той точки поверхности любого "К-того" конфузора, а индексы "Ψ,Σ","R,Σ" и "Z,Σ, присвоены компонентам азимутальной, высотной и радиальной скорости, соответственно.
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 2) достигается тем, что он содержит:
- смерчевую конфузорную башню, состоящую, по крайней мере, из двух осесим- метричных конфузоров: внешнего и внутреннего, при этом, внешний конфузор смерчевой башни изготовлен из оптически прозрачного материала, имеет высоту ZОРТ и внутреннюю граничную поверхность ∑ОРТ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте Z J,OPT и в любом её внутреннем поперечном i-том сечении, обладающим радиусом Ri,oιч, связаны соо тношением:
R i.ОРТ Z j.ОРТ = СОПStоР T» где сопstорт является общей для всех точек на внутренней поверхности внешнего конфузора, а внутренний конфузор изготовлен из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, служащего для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, во внутреннем конфузоре, при этом, солнечное излучение направляют на оптически прозрачный конфузор напрямую, и/или с помощью концентраторов солнечной радиации в виде зеркал, и/или с помощью концентраторов, выполненных на оптически прозрачной граничной поверхности ∑ОРТ внешнего конфузора в виде углублений, при этом, углублениям при- дают форму поверхности двойной кривизны второго порядка, а обтекаемые формируемым смерчеобразным потоком поверхности: конфузоров, внутреннего обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин внутри области Q выполняют гладкими или формуют чередующимися гладкими участками исходной поверхности и криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений с гладкими участками поверхности осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, причём, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем, а башня снабжена:
— приёмниками потоков втекающей сплошной среды,
— внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,
— неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещёнными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с обтекателем и поверхностью конфузоров;
- преобразователи солнечной энергии, состоящие из:
— системы нагрева сплошной среды, заключённой между граничной оптически прозрачной поверхностью внешнего конфузора и поглощающей солнечное тепло поверхностью внутреннего конфузора,
— солнечных нагревателей теплоносителя,
— солнечных батарей для прямого преобразования солнечной радиации в электричество;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, оснащённый:
— магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и обтекателем смерчевого преобразователя и нагнетателем в смерчевой башне, ~ смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя; - опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте.
Осесимметричные конфузоры смерчевой башни имеют переменные по высоте радиусы R, открыты в окружающее пространство у основания башни в зоне, имеющей максимальный радиус, и в высшей точке башни, где радиус конфузоров минимален, через эти зоны сплошная среда поступает в конфузорную сборку и истекает из неё, соответственно.
Отношение глубины hс углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L|,c находятся в интервале:
0,001< hc /L|X< 0,5, отношение продольного размера L^c углубления к поперечному размеру Lιи углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/Lвc < l ,25 , при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95.
Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно- радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
RI,F2ZJ,F =const, J = 0,1 ,2,3,- • • п, где R,ι,μ и Z.ι,к - радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя RП,F К максимальному радиусу башни R1^, составляет величину в интервале: o,oз<(Rn,F / R ,N) < o,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни, сквозь которое проходит силовой вал, связывающий ротор нагнетателя с силовым диском смерчевого преобразователя низкопотенциального тепла в механическую мощность. Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
- вдоль радиуса смерчевой башни: Zj.v Ri∑ 2=const,
- в любой J -той точке любого
"К-того" конфузора: Z к,jR
Figure imgf000028_0001
,2,3, m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
-по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ∑ = аrс tg (Uψ,∑ / UR,V), -в любой точке внутри смерчевой башни, включая любой "К- тый" конфузор: ψ = ψΣ + (Uт,Σ/ 2UR,Σ)f(R1N /R iд:)2 - l] , i = 0,1 ,2,3,....п; где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","IN" и "i,"-кoopдинaты в объёме смерчевой башни, а "Ψ,Σ","R,Σ"- скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и в в любой i-той точке " внутри выбранной области Q∑,.
Технический результат от реализации преобразователя солнечной энергии достигается тем, что устройство содержит герметичный корпус, с размещенными с нем каналами, при этом, корпус теплоизолирован со всех сторон кроме стороны, покрытой одним или несколькими слоями оптически прозрачной тепловой изоляции, на которую падает поток солнечной радиации, причем металлические зачернённые наружные поверхности каналов, принимающие солнечное излучение, выполнены либо из гладких, либо из формованных пластин, или труб, причём, внутри образованных каналов пропускают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации, для чего наружным поверхностям каналов и поверхностям оптически прозрачной изоляции, обращенной во внутрь герметичного корпуса, имеют форму чередующихся участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны и исходно гладких участков, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, причем, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Отношение глубины hс углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру Lιχ находится в интервале: 0,001 < hc /Uc < 0,3, отношение продольного размера Uc углубления к поперечному размеру Luс углубления определяется интервалом:
0,25 ≤ Uс/Lвс≤ U5 при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,05 < f < 0,5, а отношение глубины hс углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру dс находится в интервале:
0,01 < hc/dc < 0,5, при расположения углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95.
Технический результат от реализации способа магнитотеплового преобразования энергии, запасённой в постоянных магнитных полях, в магнитно-мягких веществах и низкопотенциальных тепловых потоках достигается тем, что магнитно-мягкое вещество плотностью р, теплопроводностью λ, теплоёмкостью С и намагниченностью σ(T,B), зависящей от температуры T и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее магнитное поле, создаваемое магнитной системой, в котором индукция поля изменяется в заданном направлении X от минимального до максимального значений, формируя градиент поля dВ/dХ≠О, и магнитом в которой магнитное поле однородно, (dB/dX)=0 и имесi максимальную для выбранного постоянного магнита напряжённость В = Bllιax, при этом, слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ= рs/р в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещённых на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью ps, охлаждают в зоне, где dВ/dХ≠О, и нагревают в зоне, где dB/dX=0, добиваясь магнитного фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлаждённой массы магнитно-мягкого вещества mxoл к зоне, где индукция магнитного поля максимальна, и выталкивание из этой зоны нагретой массы магнитно-мягкою вещества mгop, перешедшей в парамагнитное состояние, чем достигают непрерывности подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dВ/dХ ≠О, обеспечивая либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, преобразующее мощность магни тного притяжения в механическую мощность или в другие её виды, при этом нагрев и ох- лаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в них самоорганизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магнитно-мягкого вещества, причём обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом, вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем.
Технический результат от реализации смерчевого преобразователя магнитогепло- вой энергии достигается тем, что преобразователь содержит магнитную систему с набором постоянных магнитов, обладающих разной напряжённостью магнитного поля, и магнитопроводов, размещённых так, что напряжённость магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряжённости магнитного поля в его конце, магнитно-мягкое вещество, размещённое в каналах, образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, равного с диском внешнего радиуса, причём, магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой h,м и толщиной δм вертикально между диском и кольцом, исполняя роль боковых стенок каналов, вращающихся вместе с диском в магнитном поле градиентного магнита, преобразователь снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Zj и соответствующем этой координате, радиусе Rj выполняется равенство: ZiRi = сопstр, при этом, направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел, подвижных лопаток и обтекателя, причём, на начальном участке лопаток боковые стенки каналов с рабочим магнитно-мягким веществом являются составной частью их поверхности, при этом все поверхности, обтекаемые внутри неподвижного смерчевого конфузора, условно холодным, и, условно горячим, теплоносителями, в том числе, поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.
Преобразователь содержит систему смерчевого охлаждения и нагрева магнитно- мягкого вещества с системой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения её температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причём энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся диске из немагнитного, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком рабочем веществе, причём форма граничных поверхностей сопел и сопряжённых с ними подвижных каналов, принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
-
Figure imgf000031_0001
, J = 0,1 ,2,3...п; M = 0,1,2,3...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
ΨМ
Figure imgf000031_0002
1,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,...m; знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных значений координаты Z в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть, под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможность выбора любого из направлений вращения как против часовой стрелки: знак "+", так и по часовой стрелке: знак "-".
Пространственная ориентация оси симметрии каждого неподвижного сопла сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвижных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
(±Z.,,мR.,,м 2 ) = const, J = 0,1,2,3,....п, M = 0,1 ,2,3,....m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
ΨM = ΨVM ± (UΨ,∑,M / 2UR,Σ,M)[(R|N,M 2/RJ,M 2) - 1 ] . J = l,2,3,....n; M = 0, 1 ,2,3,.... m, знак "±" у координаты "Zj,м" в выражении для сопst в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знaк"±" также указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки: (знак "+"), так и по часовой стрелке: (знак "-").
Магнитные системы расположены, по крайней мере, в двух оппозитных точках по диаметру диска так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита с помощью неподвижных сопел, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H~HmjП и участком, где напряжённость магнитного поля составляет H- 0,95H,llilv, а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряжённостью магнитного поля H- 0,95 Hmax и до зоны, в которой напряжённость магнитного поля однородна и достигает максимума H ~ Hmax.
Для охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества в преобразователе используется либо тепловой насос, либо любой природный источник низкопотенциалыюй энергии, например, сборник отфильтрованной, условно холодной, воды ручьёв, рек или пресноводных озёр, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, например, вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие, как, условно, горячая вода, охлаждаемая па градирне, теплоноситель, нагреваемый низкопотенциальным теплом факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низко потенциальные источники.
Отношение глубины hc углублений к их продольному вдоль направления потока размеру Lu; находятся в интервале:
0,001< hc /Lьc < 0,3, отношение продольного размера Lu; углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< L LC/LBC < 1 .25 Технический результат от реализации смерчевого нагнетателя достигается тем, что нагнетатель содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус R, размещённый в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого в системе ци-линдрических координат определяется соотношением:
ZbоdуiRbоdу = constbody» причём, лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с внешней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением:
Figure imgf000033_0001
где:
-i'гZj' - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни, f(f,Zi,t) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом нагнетателя на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zjn, а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z, г с - радиус нагнетателя,
Zfр - координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя, кωр- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку, Vг±~ продольная скорость среды втекающей в нагнетатель, V4, - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя, при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавливаются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуще- ствляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Технический результат при реализации смерчевой турбины достигается тем, что турбина содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z, и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилинд-рических координат, определяется соотношением:
ZbоdуiRbоdу = СОПSt, причём, лопасти турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора образуют межлопастные каналы, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом, форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:
φ(r,z) =
Figure imgf000034_0001
где :
-r,z,φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни
-φ(r,Z-,п) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом турбины на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения турбины, при этом, сплошная среда втекает в межлоиастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zjn, причём, ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z, -φ(r,ZuШ)- азимутальная координата сечения лопастей турбины на высоте Z0,l( плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов турбины в башню над турбиной,
-rc - радиус турбины,
-kω- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.
Внутренняя поверхность корпуса, поверхности лопастей и ротора, взаимодействующих со сплошной средой выполнены либо гладким, либо с рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности чередующихся с криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариан т 1 ), реализующего предложенный способ.
Фиг.2. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариант 2). реализующего предложенный способ.
Фиг.З. Фрагмент поверхности, формованной углублением двойной кривизны.
Фиг.4. Годограф скорости.
Фиг.5. Смерчевая турбина — вид сбоку.
Фиr.6. Смерчевая турбина - вид спереди .
Фиг.7. Смерчевой нагнетатель - вид сбоку.
Фиг.8. Смерчевой нагнетатель - вид спереди.
Фиг 9. Фрагмент смерчевой башни преобразователя по варианту 2.
Фиг.10. Преобразователь солнечной энергии.
Фиг. 1 1. Схема магнитной системы преобразователя магнитотепловой энергии.
Фиг. 12. Фрагмент канала с магнитно-мягким веществом.
Варианты осуществления изобретения
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 1 , фиг. 1 ) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 1, по крайней мере, одну, снабжённую приёмниками 2 потоков сплошной среды, обтекателем 3, неподвижным направляющим аппаратом 4 с лопаткам, размещёнными вокруг оси симметрии башни 1 , жёстко связанными с её внешней конфузорной поверхностью и обтекателем 3, силовыми вращающимися валами: нижним 5 и верхним 6, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 1 ; смерчевым нагнетателем 7, по крайней мере, одним, установленным по оси симметрии башни 1 над неподвижным направляющим аппаратом 4 и жестко связанным с нижним силовым валом 5, смерчевой турбиной 8, по крайней мере, одной, установленной по оси симметрии башни 1, жёстко связанной с верхним силовым валом 6.
Кроме того, содержит преобразователь солнечной радиации, 9, по меньшей мере, один, для утилизации солнечной радиации с целью нагрева теплоносителя; преобразователь солнечной радиации 10, по меньшей мере, один, для утилизации солнечной радиации, с целью получения электрической энергии.
Смерчевой преобразователь содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 1 1 для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии и энергии запасённой в магнитном поле, оснащённый магнитной системой 12 (фиг.l и фиг.1 1 ) с зазором 13 (фиг.1 ), состоящей из магнита 14 (фиг. 1 1), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 15 (фиг. 11), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 4 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 1 ; силовым подвижным диском 16, несущим магнитно-мягкое рабочее тело, установленным в зазор магнитной системы 12, и жёстко связанным нижним силовым вращающимся валом 5 со смерчевым нагнетателем 7 внутри смерчевой башни 1. Преобразователь оснащен смерчевой системой 17 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего тела, содержащей коммуникации, подводящие к силовому диску 16, условно, горячий 18 и, условно, холодный 19 теплоносители; системой неподвижных сопел 20 (фиг. 1 1) подающих, условно, горячий и, условно, холодный теплоносители в подвижные каналы 21 (фиг. 12) с размещённым в них магнитно-мягким рабочим телом; смерчевым насосом 22, сопряжённым с подвижным силовым диском 16, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 16 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчеобразного закрученного течения; смерчевой турбиной 23, по меньшей мере, одной, установленной в системе смерчевого охлаждения 17 преобразователя 11 по оси его симметрии, для преобразования мощности смерчеобразной струи, сформированной в смерчевом насосе 22.
Преобразователь содержит опорные узлы 24 и силовые конструкции 25, установленные на фундаменте 26. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 1 состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Qr, открытый в окружающее пространство в зонах башни 1 , через которые сплошная среда поступает в башню в зоне, имеющей максимальный радиус
Figure imgf000037_0001
, и истекает из неё в окружающее пространство в зоне с минимальным радиусом R111J11 , при этом, башня 1 обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни 1 на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:
Ri2Zj= сопst, где Rj и Zj цилиндрические координаты любой i-той точки на граничной поверхности Σ.
Поверхности конфузорной башни 1, внешней границы обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4 с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя 7, лопастей смерчевых турбин 8, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких и криволинейных участков в виде углублений 27 (фиг.З и фиг.12) двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 (фиг.З) и вогнутые 29 (фиг.З) скаты, причём сопряжение углублений 27 с участками гладкой поверхности 30 осуществляется с помощью выпуклых скатов 28 углублений 27, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутые 29 скаты углубления выполнены гладкими или с обтекателем.
Отношение глубины hс углублений 27 (фиг.З и фиг.12), отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности 30, к их продольному вдоль направления потока размеру L ι. с находятся в интервале:
0,01< hc /LLC< 0,5, отношение продольного размера L|,c углубления 27 к поперечному размеру Lц( этого углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/LBГ ≤ 1 ,25 при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95.
Осесимметричный обтекатель 3 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 1 , причем, обтекатель 3 представляет собой тело вращения, проекция которого на про- дольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
RJ,F 2ZJ,F =const, J = 0,1*2,3,...п, где Rj1K И Z,I,F радиус и высота обтекателя 3, а отношение максимального радиуса R,,,к внешней граничной поверхности обтекателя 3 к максимальному радиусу RIN башни 1 составляет величину в интервале:
0,03<(Rn,F / R IN) < 0,3.
Обтекатель 3 имеет отверстие, через центр которого, лежащий на оси симметрии башни 1 , проходит силовой вал 5, связывающий объём смерчевой башни 1 и объём преобразователя 1 1 мощности, при этом внутри смерчевой башни 1 силовой вал 5 сопряжён с нагнетателем 7, а в преобразователе 11 -с подвижным силовым диском 16, вращающимся в зазоре магнитной системы 12.
Неподвижный направляющий аппарат 4 смерчевой башни 1 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе∑:
Figure imgf000038_0001
- в любой J-той точке поверхности " К-того " конфузора: Zj,к Rj,к2=const, J = 0,1,2,3, ....п; K = 0,1 ,2,3,...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ:
Figure imgf000038_0002
аrс tg (Uψ,∑/ UR,V), -в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: ψ = ψv + (Uт,Σ/ 2UR,Σ)[(RIN /R к,j)2 - l] , J = 1,2,3,....п; K=0,1 ,2,3...m, где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни 1, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ", "IN" и "J" -координаты точек и скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни 1 и в в любой J-той точке "К-той" поверхности внутри выбранной области Q*;, соответственно.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 2, фиг,2) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 31 , состоящую, по крайней мере, из двух осесимметричных конфузоров: внешнего 32 и внутреннего 33, снабжённую приём- никами 34 потоков сплошной среды, обтекателем 35, неподвижным направляющим аппаратом 36 с лопатками, размещёнными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с их внешними конфузорными поверхностями и обтекателем 35, установленным по оси симметрии башни 31; силовыми вращающимися валами - нижним 37 и верхним 38, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 31 ; смерчевым нагнетателем 39, жестко связанным с нижним силовым валом 37 и расположенным над неподвижным направляющим аппаратом 36; смерчевой турбиной 40, по крайней мере, одной, установленной по оси симметрии башни и жёстко связанной с верхним силовым валом 38.
Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды содержит преобразователи солнечной энергии, состоящие из нагревателей сплошной среды и преобразователей солнечной радиации непосредственно в электрическую энергию: в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 смерчевой башни 31 и конфузором 33, имеющим поверхность с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения. Кроме того снабжен по меньшей мере, одним преобразователем 42 солнечной энергии, с целью нагрева теплоносителя, и по меньшей мере, одним преобразователем 43 для утилизации солнечной радиации с целью получения электрической энергии.
Изобретение содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 44 низкопо- тенциального тепла и энергии, запасённой в магнитном поле, оснащённый:
- магнитной системой 45 с зазором 46, состоящей из магнита 47 (фиг.1 1 ), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 48 (фиг.1 1 ), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 36 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 31 ;
- подвижный силовой диск 49, несущий магнитно-мягкое рабочее вещество, установленный в зазор магнитной системы 45, и жёстко связанным нижним силовым вращающимся валом 37 со смерчевым нагнетателем 39 внутри смерчевой башни 31 ;
- смерчевой системой 50 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего вещества, установленной по оси симметрии смерчевой башни под неподвижным направляющим аппаратом 36 и жёстко связанный с силовым вращающимся валом 37;
- смерчевым насосом 51, сопряжённым с подвижным силовым диском 49, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 49 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчсоб- разного закрученного течения;
- смерчевой турбиной 52 в системе смерчевого охлаждения, по меньшей мере, одной, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя, используемою для нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества.
Изобретение содержит опорные узлы 53 и силовые конструкции 54, установленные на фундаменте 55. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 31 состоит из внешнего 32 и внутреннего 33 конфузоров с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Q∑, открытый в окружающее пространство в зонах башни 31. имеющих максимальные радиусы Rιs,maχ и Ros,max соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню 31 и истекает из башни в зоне с минимальными радиусами Ros,min Rιs.тiιъ при этом, внешний конфузор башни обладает высотой Zоs и имеет внутреннюю граничную поверхность ΣOs, а внутренний конфузор башни обладает высотой Zιs и имеет внутреннюю и минимальный граничную поверхность ∑ιs, причём, форма граничных поверхностей соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры конфузоров башни 31 на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношениями: сопst ι.оs, i = 0.1 .2.3.. .п, где R., ιs и R, оs радиусы любой i-той точки на поверхности внешнего 32 и внутреннего 33 осесимметричных конфузоров, а Z, ιs и Z, os - высотные цилиндрические координат ы i- той точки на поверхности этих конфузоров. Внешний из конфузоров изготовлен из оптически прозрачного материала, а внутренний - из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, используемой для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, внутри внутреннего конфузора 33. Солнечное излучение направляют на оп тически прозрачный конфузор 32 напрямую с помощью традиционных концентраторов солнечной радиации, и/или выполненных на поверхности конфузора 32 в виде углублений 27, имеющих поверхность второго порядка двойной кривизны. Граничные поверхности: конфузоров 32 и 33, обтекателя 35, неподвижных элементов направляющего аппарата 36, лопастей смерчевого нагнетателя 39, смерчевой турбины 40, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков исходной поверхности и криволинейных участков в виде углублений участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов 28, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью 30 и с поверхностью вогнутых скатов углубления 29, выполненной гладкой или с обтекателем.
Отношение глубины hс углублений 27, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L[,c находятся в интервале:
0,001< hc /LLc< 0,5, отношение продольного размера Lιχ углубления к поперечному размеру Lнс углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/Lвc < l,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f ≤ 0,95.
Осесимметричный обтекатель 35 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 31 , причём, обтекатель 35 представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
Figure imgf000041_0001
где R.ι,к и Zj,к радиус и высота обтекателя 35, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя Rn,к к максимальному радиусу
Figure imgf000041_0002
смерчевой башни 31 , составляет величину в интервале:
0,03<(RП,F / R IN) < 0,3-
Обтекатель 35 имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни 31 и сопряжён силовым валом 37 с силовым подвижным диском 49.
Неподвижный направляющий аппарат 36 смерчевой башни 31 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе∑: ZvRv =const,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Z к,j R
Figure imgf000042_0001
J = 0,1 ,2,3,....п; К = 0,1 ,2,3,...m; в азимутально-радиальной плоскости (*F,R)
- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ: ψi = аrс tg (Uψ,∑:/ UR,I:).
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной облас ψ = ψv + (UΨ,r/ 2UR,Σ)[(RIN/R к,.ι)2 - l] , J = 1 ,2,3,....п; K=O, 1 , 2,3... m, где R, Z и ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни I 5 U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ", "IN" и "J" -координаты и скорости внутри смерчевой башни 1 и в в любой J-той точке любого "К-того" конфузора.
Изобретение содержит механический насос 76, подающий, условно, холодный теплоноситель в систему охлаждения магнитно-мягкого вещества, механический насос 77, подающий, условно, горячий теплоноситель в систему нагрева магнитно-мягкого вещества, блок пусковых электрических аккумуляторов 78, узел электрических коммутирующих устройств 79 для автоматизированного управления работой преобразователя; генераторы 80, преобразующие механическую мощность, отбираемую турбиной у смерчеоб- разного потока в электрическую мощность; маховик (на чертеже не показан), стабилизирующий вращательное движение нагнетателей, связанных с силовым диском магнитоте- плового преобразователя.
Изобретение содержит блок магнитно-механических узлов подвеса и узлов подшипников (на чертеже не показан), связывающих оси движущихся конструктивных элементов преобразователя с механическими преобразующими механизмами и/или электрогенераторами.
Технический результат предложенного изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом преобразователе (вариант 1) следующим образом:
- сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Q∑, имеющую форму конфузора, высотой Zоuт и переменным по высоте радиусом:
RIN > R > Rоuт, или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём QK высоту Zк,ouт и переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале: RK,IN ≥ R ≥ Rк,onт, при этом, области Q∑ и Qк имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ΣQК, соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ΣQК И внутри области Q выполнялись соотношения:
RIN2 Z|N = R|,∑ 2 Zιд: = Rоuт2 Z<χл = сопst v, Rj,к2 Zj,к = сопst j где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам
Figure imgf000043_0001
RЦN,ΨIN, указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоuт, Rouт,ψoιιт, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ , индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки в объёме К- того конфузора, ограниченного поверхностью Σ, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность каждой "сопst" объёму, заключённому внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "K- той" поверхности внутри области Q∑, соответственно, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность каждой "сопst" либо объёму Qv. либо любому объёму QK- Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q∑ под местным азимутальным, углом ψо. определяющим внутри области Q∑ начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу R|N, и местными высотными углами αо∑ по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счёт выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесим- метричной области Qv обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь внутри осесимметричной области Qv по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Qv, увеличивая за счёт этого скорость UIN потока, втекающего в эту область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Q∑ в отсутствии в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Qv-, имеющей радиус и продольную координату Zmax, определяющих равенство продольной компоненты скорости Uχ, и азимутальной скорости Vψ, располагают зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность. При прохождении этой зоны, поток сплошной среды теряет закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины, и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Qv располагают зону компрессии, повышающую на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ, скорость Uоuт, причём повышение скорости Uош по отношению к скорости UIN потока, втекающего в область Qv;, связывают между собой отношением радиуса выходного участка Rоιrr к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Zцv граничной поверхности Σ:
UlN / UоiJТ = Rθll r/n Z]N , где "п" определяется в интервале: l<n< 20, а радиусы Rцу и Rоιи области Qv определяются в интервале:
1,5< R,N/Rouт < 7,5.
Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или энергию, запасённую в магнитном поле постоянных магнитов 14 и 15 и в магнитно-мягких веществах, размещённых в каналах 21. Поверхности: внутренней границы Σ обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4, обтекаемых сплошной средой внутри области Qv, формуют углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности 28 и 29 второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причём сопряжение углублений 27 с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом, вогнутая 29 часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Отношение глубины hс углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру Liχ находятся в интервале:
0,001< hc /L,x< 0,12, от ношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/Lвc < l,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперёк потока, соответственно.
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ∑ области Q и в любой К-той точке на J- той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями:
Figure imgf000045_0001
соответственно, при этом, местный высотный угол щ∑ и местный азимутальный угол ψо определяются соотношениями: αо∑ = аrс соs (UZ,IN / UΣ,|N) и ψ0 = аrс tg (UΨ,∑ / UR,v), соответственно, причём, угол щ,∑ образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности ΣQ В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:
3,5Rom < Ri,∑< 4,5Roυτ и 0.08 Zош < ZiД< 0.05ZOιгг,
а высотные углы αo,∑0к> под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричным поверхностями ∑к имеют координаты R,ι,к и Z,j,к определяемые в интервалах:
3,5Rк, опт ≤ RJ,K ≤4,5R к, оuт и Z к, опт ≤ Z,ι,к ≤ Z к, опт,
что обеспечивает формирование в выбранной области Q^ смерчеобразного квазипотен- циального закрученного потока с компонентами скорости UR, Uχ и U«ι», определяемыми внутри области соотношениями:
- вдоль радиуса области Q
- на границе Σ : URД; = - Q(t) R IN ,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: UR,J,K= - Co(t) R.ι,к, - вдоль продольного размера области Q
- на границе Σ: UZ,IN = 2 C0(t) Z|N ,
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uz,j,к = 2 Co(t) Zj,к;
-по азимуту области Q
- на границе Σ: UΨΣ = (Г0(t) / 2πR,N) [1 - exp(-C0(t) RIN2 / 2v)], —в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uψ∑ = (Гo(t) / 2π Rк) [1 - exp(-Q(t) RR-2 / 2v)], здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj,к области Q, включая точку Rцv па граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (UR,∑(t) /Rц\), при этом, Co(t) и Г(>(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости Uιм потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nouт~UoiJT3 ПPИ балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями.
Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом устройстве по варианту 2 следующим образом:
- смерчевую башню 31 размещают в местности, ландшафт которой свободен от насаждений и застройки, создающих помехи движению воздушных масс;
- на поверхность оптически прозрачного конфузора 32 направляют солнечное излучение напрямую или с помощью концентраторов, создавая на поглощающей поверхности внутреннего конфузора 33 градиент температур, направленный от входного отверстия в башне к её выходному отверстию;
- нагревают солнечным теплом сплошную среду, находящуюся в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, обеспечивая термоиндуцированное, ускоряющееся смерчеобразное течение, для которого внутренний поглощающий конфузор 33 служит обтекателем, при этом выходное от- верстие внутреннего конфузора 32 расположено ниже выходного отверстия конфузора 33 с оптически прозрачной поверхностью;
- в зоне над выходным отверстием внутреннего конфузора 33 в смерчеобразном потоке, сформированном в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, понижается динамическое давление и происходит подсос среды из объёма внутреннего конфузора 33;
- за счёт этого сплошная среда из окружающего пространства поступает по множеству траекторий в осесимметричную область QJ:, имеющую форму конфузора, высотой ZQIIТ и переменным по высоте радиусом
RIN > R > Rоu г, или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём QK высоту Zк,oιιт И переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале:
Figure imgf000047_0001
Области Qj; И QK имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ΣQК, соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ∑QК И внутри области Q выполнялись соотношения:
RlN ZIN = Rl,2_ Z|,r = RоiJТ ZoUT= СОПStv.,
Rк,j 2 Zк,j = сопstк, где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам ZIN, RIN, ΨIN, указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоιm Rоιгьψоιrь указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, индекс "J,K" для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ, обозначает положение любой J -той точки внутри К- того конфузора, ограниченного поверхностью ∑к, индексы "Σ" и "К". присвоенные постоянным "сопst∑" и сопstк, указывают на принадлежность каждой "сопst" объёму, заключённому внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "K- той" поверхности внутри области Q∑, соответственно. Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Qi; под местным азимутальным, углом ψо, определяющим внутри области Qv начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу Rц\, и местными высотными углами αоv по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечиваю! за счёт выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Qv обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь внутри осесимметричной области Q∑ по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q∑, увеличивая за счёт этого скорость UIN потока, втекающего в эгу область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Qv в отсутствии в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя. Концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Qv, имеющей радиус Rmax и продольную координату Zmax, определяющих равенство продольной компоненты скорости Uz, и азимутальной скорости Uψ. Располагают в этой зоне преобразователь кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, при этом, поток сплошной среды при прохождении этой зоны, терясг закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины 40, и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Q∑ располагают зону компрессии, за счёт установки смерчевого нагнетателя 39, повышающего на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ, скорость Uоιп, причём повышение скорости Uоu г пo отношению к скорости UIN потока, втекающего в область Qv, связывают между собой выбором отношения радиуса выходного участка Rоιл к поперечным по оi- ношению к направлению втекающего потока размерам входного участка ZJN граничной поверхности Σ согласно соотношения:
U|N / UоiJТ = RθlJ |/n Z|N , где "п" определяется в интервале: l≤n< 20, а радиусы
Figure imgf000048_0001
и Rоuг области Qv определяются в интервале:
1 ,5< R,N/Roш < 7,5.
Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или геотермальную энергию, и/или энергию тепловых отходов антропогенной деятельности, и энергию запасённую в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких материалах, при этом поверхности: внутренней границы Σ обтекателя 35, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата 36, обтекаемых сплошной средой внутри области Q^, формуюι углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Отношение глубины hс углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру L| с находятся в интервале:
0,001 < hc /LLC< 0,12, отношение продольного размера LLС углубления 27 к поперечному размеру Lв(j углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/Lвc< l,25, при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений 27 вдоль и поперёк потока, соответственно.
Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ∑ области Q и в любой К- той точке на J- той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями:
Figure imgf000049_0001
+ Uz,.,.к2 +
Figure imgf000049_0002
соответственно, при этом, местный высотный угол αо∑ и местный азимутальный угол ψo (cм. фиг. 4) определяются соотношениями:
Ot0V = аrс соs (Uz,iN / UΣJN) и ψ0 = аrс tg (\JΨχ I UR^), соответственно, причём, угол αo,∑ образуют с помощью направляющей поверхност и, касающейся осесимметричной поверхности ΣQ В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:
3,5ROuт < Ri,£< 4,5Roш и 0.08 Z(Пгι < Zj,v< 0.05ZO(П, а высотные углы αo,∑OK5 под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричным поверхностями ∑к имеют координаты Rι,к и Zj,к определяемые в интервалах:
3,5RK, опт < Ri,к <4,5R к, оuт и 0.08Z к, опт < Zj,к < 0.05Z к, опт,
что обеспечивает формирование в выбранной области Q∑ смерчеобразного квазипотем- циального закрученного потока с компонентами скорости UR, UZ, И Uψ, определяемыми внутри области соотношениями:
- вдоль радиуса области Q на границе Σ : URД; - - C<ι(t) R IN , в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: UR,I,K = - Co(t) R.ι,к,
- вдоль продольного размера области Q на границе Σ: U/,IN = 2 Co(t) ZIN , в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uχ,,ι,к = 2 Co(t) Z.ι,к;
- по азимуту области Q: на границе Σ: UΨΣ - (Г0(t) / 2πR,N) [1 - exp(-C0(t) R|N 2 / 2v)J, в любой J-той точке любого "К-того" конфузора внутри выбранной области Q: Uψ∑ - (Гo(t) / 2π R j) [1 - exp(-Co(t) Rj2 / 2v)J, здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причём, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj,к области Q, включая точку RIN на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (UR,∑(t) /RIN), при этом, Co(t) и Гo(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости UIN потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nouj~Uoιιт3 при балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
Одной из реальных возможностей эвакуации является создание преобразователя, оснащённого двумя, встроенными одна в другую, конфузорными смерчевыми башнями 31 и конфузорным обтекателем 35. Внешняя конфузорная смерчевая башня 32 изготав- ливается из оптически прозрачного материала с целью использования тепла солнечной радиации для нагрева массы сплошной среды, заключённой в зазоре 41 между внутренней поверхностью внешнего конфузора 32 и внешней поверхностью внутреннего конфу- зора 33 и стимулирования в этой зоне термоиндуцированного восходящего течения. С такой же целью внешняя поверхность внутреннего конфузора 33 изготавливается из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения.
Системы каналов, по которым во внутрь смерчевой башни поступает масса сплошной среды, сходятся к оси симметрии башни, формируя смерчеобразный поток. При этом, поток сплошной среды, направляемый во внутренний конфузор приобретает за счёт формы каналов смерчеобразного закрученного течения.
За счёт конфузорной формы башни 31, по мере продвижения закрученного течения к выходу из башни, в потоке концентрируется кинетическая мощность, внесённая в башню потоком из внешней среды. Максимум этой мощности достигается внутри башни в зоне преобразования давления и кинетической мощности при условии равенства между собой азимутальной Uψ и продольной Uz компонент скорости смерчеобразного течения.
2C0Zmax = Г0/2πRmax[l - ехр ( - C0Rmaχ2/2v)j
ПОТОК СПЛОШНОЙ среды, втекающий в зазор 41 смерчевой башни 31 также приобретает структуру смерчеобразного закрученного течения; ускоряется, в нём концентрируется энергия и понижается давление. Сформированный смерчеобразный поток отсасывает массу сплошной среды, замедлившуюся в результате взаимодействия с лопастями смерчевой турбины 40, и стабилизирует процесс преобразования энергии. Описанная выше схема представлена на фиг.2.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Преобразователь либо 9, либо 42 солнечной энергии в тепло содержит герметичный корпус 68, с размещенными с нем каналами 69, при этом, корпус теплоизолирован со стороны дна и боковых сторон любым теплоизоляционным материалом, а со стороны, на которую падает поток солнечной радиации, покрыт одним или несколькими слоями 70 оптически прозрачной тепловой изоляции, сквозь которую солнечное излучение попадает на металлические зачернённые поверхности 71 каналов 69, образованных гладкими, или формованными пластинами, или трубами любого сечения, внутри которых пропус- кают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации. На освещаемые Солнцем поверхности оптически прозрачной тепловой изоляции и на поверхности каналов, обтекаемые теплоносителем, наносят рельеф в виде углублений 27 двойной кривизны и чередующихся с этими углублениями исходно гладких участков, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности, причём сопряжение углублений 27 с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, а вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Отношение глубины hс; углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру LLС находится в интервале:
0,001 ≤ ЬС/LLС ≤ 0,3, отношение продольного размера Liχ- углубления к поперечному размеру Lщ углубления определяется интервалом:
0,25 ≤ Uс/Lвс≤ 1,25 при расположения углублений на поверхности с плотностью f. находящейся в интервале:
0,05 < f < 0,5, а отношение глубины hс углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру dс находится в интервале:
0,01 < hc/dc < 0,5, при расположения углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95.
Работа преобразователя солнечной энергии в тепло основана на освещении Солнцем через оптически прозрачную внешнюю поверхность 70, внешней поверхност и 71 каналов 69, обладающих высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, что приводит к нагреву поверхности и жидкого теплоносителя в ограниченном сю канале 69. На освещаемые Солнцем поверхности и на поверхности, обтекаемые теплоносителем нанесены углубления 27, увеличивающие количество тепла, передаваемое теплоносителю. Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями. Смерчевой магнитотепловой преобразователь либо 1 1, либо 44, содержит магнитную систему либо 12, либо 45 (фиг.l, фиг.2, фиг.l 1), магнитное поле в которых создаётся набором постоянных магнитов, обладающих разной напряжённостью магнитного поля, и магнитопроводы, размещённые так, что напряжённость магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряжённости магнитного поля в его конце. Магнитно-мягкое вещество, размещено в подвижных каналах либо 21 , либо 73 (фиг.l, фиг.2, фиг.l 1) образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, имеющий внешний радиуса, равный радиусу диска. Магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой hм и толщиной δм вертикально между диском и кольцом, выполняя роль боковых стенок каналов либо 21, либо 73, вращающихся вместе с диском в магнитном поле. Преобразователь либо 1 1, либо 44 снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу, у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Zj и соответствующем этой координате, радиусе R,- выполняется равенство: ZiRj = const|>. Направляющий аппарат гидравлической смерчевой системой либо 17, либо 50 (фиг. l , фиг.2) нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг. 11), обтекателя либо 74, либо 75 и подвижных лопаток нагнетателя либо 17, либо 76. Начальный участок лопаток состоит из рабочего магнитно-мягкого вещества и является составной частью направляющих поверхностей, формирующих в насосе смерчеобразный закрученный поток, обтекающий установленную на оси симметрии насоса смерчевую турбину либо 62, либо 63, вращение которой возвращает часть энергии, затраченной на организацию охлаждения. Все поверхности, обтекаемые теплоносителями внутри неподвижного смерчевого конфузора либо 74, либо 75, в том числе, поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.
Отношение глубины hc углублений к их продольному вдоль направления потока размеру Liχ; находятся в интервале:
0,001< hc /LLC < 0,l, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< L LC/Lвc < l, чем увеличивают скорость обмена теплом и массой между слоями магнитно-мягкого материала и теплоносителем.
Рельеф углублений 27, наносимый на обтекаемые поверхности, как установлено в теоретических и экспериментальных исследованиях, изменяет на граничных поверхностях структуру пограничного слоя потока, порождает самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих часть сплошной среды, сосредоточенной в зоне расположения углублений на обтекаемой поверхности, влияя на уровень диссипации энергии потока, и интенсифицируя обменные процессы между закрученной струёй и поверхностью. Выбор радиусов кривизны и размеров криволинейных участков обтекаемой поверхности осуществляют на основании теоретических расчетов, подтвержденных в экспериментальных исследованиях, обеспечивают технологию их нанесения на поверхности и выполнение условий самоорганизации вторичных смерчеобразных струй, встроенных в обтекающее течение. Поток сплошной рабочей среды либо направляют на поверхности, формованные углублениями 27, либо рельеф указанной формы наносят на поверхность тел, движущихся в среде газов, жидкостей или в их двухфазных смесях, достигая при этом уменьшения напряжений трения на формованных поверхностях и интенсифицируя процессы массо- и теплообмена между энергообменной поверхностью и потоками сплошной среды.
Во вращающиеся каналы либо 21 , либо 73 (фиг. 1 1) от системы, либо 17, либо 50 (фиг.1 , фиг.2), смерчевого охлаждения и нагрева рабочего вещества подаётся теплоноситель, поступающий во вращающиеся каналы либо 21, либо 73 из неподвижно расположенных сопел либо 20, либо 72, пространственная ориентация оси симметрии каждого из которых сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвиж- ных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
(±Zj,мR,)Л,2 ) = const, J = 0,1 ,2,3,....п, M = 0,1 ,2,3,....ms в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R): ψм = Ψi:м ± (Uч',∑,м / 2UR,Σ,Iи)[(RiN,м2/Rj,м2) - l], J = 1 ,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,....m, знак "±" у координаты "Zj,м" в выражении для сопst в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знaк"±" также указывает па возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки (знак "+"), так и по часовой стрелке, (знак "-").
Магнитные системы либо 12, либо 45 расположены, по крайней мерс, в двух оп- позитных точках по диаметру силового диска либо 16, либо 49 так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита либо 15. либо 48, с помощью неподвижных сопел либо 20, либо 72, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H-Hn, jn и участком, где напряжённость магнитного поля составляет H- 0,95 H ,,liU, а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, также установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряжённостью магнитного поля H~ 0,95 Hmax и до зоны, в которой напряжённость магнитного поля однородна и достигает максимума H~Hmaχ-
Преобразователь содержит для охлаждения магнитно-мягкого вещества либо тепловой насос либо 81, либо 82 (фиг.l, фиг.2), либо любой природный источник низкопотенциальной энергии, например, сборник, условно холодной, воды ручьёв, рек или пресноводных озёр, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, для нагрева магнитно-мягких веществ, например, вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие, как, условно, горячая вода, охлаждаемая в градирне, тепло факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низко потенциальные источники.
Преобразователь либо 1 1 , либо 44, содержит гидравлическую систему смерчевого охлаждения и нагрева либо 17, либо 50 (фиг.l , фиг.2) магнитно-мягкого вещества с сие- темой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения её температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причём энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг.l 1), в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся силовом диске либо 16, либо 49, из немагнитною, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком веществе. Форма граничных поверхностей сопел либо 20, либо 72 и сопряжённых с ними подвижных каналов либо 21, либо 73 (фиг.l 1 ), принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
Figure imgf000056_0001
J = 0,1 ,2,3...п; M = 0,1 ,2,3...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
Ψм=ψi;м ±(UΨ,j;,м / 2URД:,м)[(R,N,м2/Rj,м2) -Ib J = 1 ,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,... m; знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных её значений в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть, под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможнос ть выбора любого из направлений вращения: знак "+" против часовой стрелки, знак "-*' по часовой стрелке.
Протекающие через каналы либо 21 , либо 73 (фиг.l 1) потоки теплоносителей формируются в смерчеобразную струю, которая автомодельно отсасывает теплоноситель из каналов с охлаждаемым и нагреваемым магнитно-мягким веществом, причем пространственную ориентацию, геометрические размеры и форму неподвижных сопел либо 20, либо 72 и каналов либо 21 , либо 73 определяют на основе точных решений основных нестационарных уравнений гидродинамики, описывающих квазипотенциальные, ради- алыιо сходящиеся закрученные течения вязкой жидкости, имеющие в цилиндрических координатах вид: в продольно-радиальной плоскости (R,Z): ±ZjRj2 = const, i =0,1 ,2,3,....п; в азимутально-радиальной плоскости (R,Ψ): ψ = ψo ± (UFΨ /2UкR) [(RF.sм2/Ri,sм2) - l] , i =0,1,2,3,...п; знак "± "указывает направление закрученного течения в сторону либо отрицательных, либо положительных значений оси Z, и на направление закрутки, а Ψо - определяет начал ь- ный угол между направлением скорости теплоносителя и радиусом силового диска, при этом, направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества создают так, чтобы направление осей симметрии подающих теплоноситель в охлаждаемые и нагреваемые каналы сопел либо 20, либо 72 (фиг. 1 1 ). и каналов либо 21 , либo73, содержащих магнитно-мягкое вещество, совпадали и придавали движению теплоносителя пространственную ориентацию, определяемую углами: в радиально-азимутальной плоскости (R,Ψ) - местным азимутальным углом ЧV
Ψ0 = arc tg(UF,R/ Uh>), в продольно-азимутальной плоскости (R,Z) - местным высотным углом αо:
O0 = аrс COS(UFZ / UΣ,F) = агс cos(UF,z /UΣ.F)=arc cos[UF,A / (UF,Ψ 2 + UFz2 + Um2)0Λ|, придающим потоку сплошной среды закрутку по отношению к вертикальной оси Z, где U«R, U»л, U(iψ - радиальная, продольная и азимутальная составляющие скорости центростремительного смерчеобразного потока, соответственно, а UОР- полная скорость закрученного течения, равная
U oк =(UoΨ 2 + Uoz2 + UOR2)0'5
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Способ преобразования энергии, запасённой в низкопотенциальных тепловых потоках, постоянных магнитных полях и в магнитно-мягких материалах, реализуется в предложенном устройстве следующим образом.
Магнитно-мягкое вещество плотностью р, теплопроводностью λ, теплоёмкост ью С и намагниченностью σ(T,B), зависящей от температуры T и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее поле магнитной системы либо 12, либо 45 (фиг.l , фиг.2), в котором индукция поля изменяется в заданном направлении X от минимального до максимального значений, формируя градиент индукции поля dВ/dХ≠О, причём, конфигурация поля содержит примыкающую к этой зоне зону, в которой магнитное иоле однородно, то есть, (dB/dX)=O и имеет максимальную для выбранного постоянного магнита ИНДУКЦИЮ В = Bn,ax-
Слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ= рs /р в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещённых на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью ps, охлаждают в зоне, где dВ/dХ≠О, и нагревают в зоне, где dB/dX= 0, добиваясь магни т- ного фазового перехода этого вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлаждённой массы магнитно-мягкого вещества mXOJ, к зоне, где индукция магнитного поля максимальна. Охлаждённая масса магнитно-мягкого вещества выталкивает из магнитной системы нагретую массу магнитно-мягкого вещества Ш|θp, перешедшую в парамагнитное состояние, чем обеспечивается непрерывное г ь подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dВ/dХ ≠О, и либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, размещённого на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала.
Такой цикл обеспечивает преобразование мощности тепла и энергии, запасённой в магнитном поле, в механическую мощность или в другие её виды. При этом нагрев и охлаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в их течение самоорг анизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магни i но- мягкого вещества, причём обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом, вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Смерчевые турбины 8, 23, 40 или 52 (фиг.1 , фиг.2) имеют одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержат неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняет либо конфузорная башня 1 , либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 51.
Смерчевая турбина содержит также ротор 57 (фиг.5) с лопастями 58, имеющими продольный размер Zj и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в не- подвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
ZbоdуiRbоdу = СОПSt, причём, лопасти 58 турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора 57 образуют межлопастные каналы 59, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом, форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:
φ(r,z)
Figure imgf000059_0001
где
-r,z,φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии смерчевой башни 1 или 31 или неподвижных конфузоров 22 или 51 (фиг.l , фиг.2);
-φ(r, ) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 58 (фиг.5 и фиг.6) и текущим радиусом турбины на плоскос ти, пересекающей эти лопасти, и по нормали - ось вращения турбины, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы 59 через плоскость, пересекающую лопасти 58 при продольной координате z = Zjn, причём, ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z,
-φ(r,zoШ)— азимутальная координата сечения лопастей 58 турбины на высоте z0ll( плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины, через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов 59 турбины в башню над турбиной,
-г c - радиус турбины,
-kω- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.
Внутренняя поверхность корпуса, поверхности ротора 57 и лопастей 58, обтекаемых сплошной средой, изготавливаются либо гладким, либо формуются рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности чередующихся с криволинейными участками в виде углублений 27 (фиг.З) двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с но- мощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.
Лопасти 58 смерчевой турбины воспринимают напор, создаваемый в сформированном смерчеобразном потоке, в основном, азимутальной и продольной компонентами скорости, передают принимаемое усилие на силовые валы либо 6, либо 38, либо 60, либо 61 , преобразуя кинетическую мощность закрученного течения в механическую мощность, причём силовые валы 6, 38, 60, 61 сопряжены с генераторами электрической мощности либо 80, либо 83.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Смерчевой нагнетатель либо 7, либо 39, либо 62, либо 63 имеют одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержат неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняют либо конфузорная башня 1 , либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный коιιфуюр смерчевого насоса 51. содержит неподвижный корпус, ротор 64 с лопастями 65, имеющими продольный размер Zымiу, и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус Rьod>,i. причём, форма внутренней граничной поверхности корпуса, в системе цилин-дрических координат, определяется соотношением:
Zbody,iRbody,i = СОПSt.
Лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с вне-шней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением:
Figure imgf000060_0001
где
-r,z,f - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни,
-f(r,Zm) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 65 и текущим радиусом нагнетателя г на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы 66 через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zjn, а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z,
-г с - радиус нагнетателя,
-zш -продольная координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя,
-zfр, - координата нормального сечения оси вращения турбины плоскостью, через поверхность которой сплошная среда вытекает из её межлопастного пространства, -к,,,- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку, Vz±- продольная скорость среды втекающей в нагнетатель У zр - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавлива-ются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
Работа смерчевого нагнетателя обеспечивается автономным источником энергии, использующим низкопотенциальные источники тепла или тепловые отходы антропогенной деятельности, например, магнитотепловое преобразование низкопотенциалыιой тепловой энергии и энергии, запасённой в магнитном поле. В этом варианте ротор 64 нагнетателя с лопастями 65 устанавливается на силовой вал либо 5, либо 37, связанный с силовым диском преобразователя магнитотепловой энергии.
Подключая коллекторы 67 системы охлаждения маrнитотеплового преобразователя к неподвижным соплам либо 20, систем нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества на силовом диске, непрерывно с высокой скоростью подающим теплоноси тель в движущиеся каналы с магнитно-мягким веществом, вызывают в этом веществе фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, за счёт чего вращают в гради- ентном поле магнита 47 силовой диск либо 16, либо 49 и преобразуют кинетическую мощность закрученной смерчеобразной струи внутри смерчевой башни либо 1 , либо 31 , либо внутри неподвижных конфузоров 22 или 51 в механическую мощность.
Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.
Промышленная применимость
Целью промышленного использования предлагаемого изобретения является создание семейства новых энергетических установок, преобразующих низкогютенциаль- ную энергию возобновляемых источников и низкопотенциальных отходов антропогенной деятельности в различные виды энергии промышленной кондиции. Способы преобразования и устройства, предлагаемые в изобретении, используют новый класс течений сплошной среды, представляющих собой квазипотенциальные, осесимметричные ради- ально-сходящиеся смерчеобразные струи, обеспечивающие ресурсосбережение и авю- номное, экологически чистое, надежное и безопасное производство энергии за счёт преобразования кинетической и тепловой мощности низкопотенциальных потоков сплошной среды и солнечной радиации. Смерчевой способ преобразования применим в бытовой сфере и в других направлениях хозяйственной деятельности общества, в том числе, на существующих и вновь создаваемых предприятиях, в экспедициях, поселениях и т.н., в любом из регионов нашей планеты, а также на космических станциях и при высадке Человека на другие планеты в будущем. Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройства для его осуществления (варианты), представляет собой комплекс технологий, позволяющий децентрализовать подачу электрической и тепловой энергии в жилищно-коммунальный и промышленный секторы экономики, а также в отдаленные и труднодоступные регионы нашей планеты, включая полярные зоны, острова и высокогорные районы за счёт использования способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройств для его осуществления, преобразователя энергии солнечной радиации, смерчевого нагнетателя, смерчевой турбины, способов и устройств для магни- тотепловоrо преобразования энергии. Предлагаемые способ смерчевого преобразования кинетической и низкопотенциальной тепловой мощности сплошной среды и устройства для его осуществления основаны на новых способах аккумулирования и практическою использования энергии окружающей среды, в первую очередь, низкопотенциальной энср- гии, такой, как энергия солнечного излучения, запасаемая в воздухе, в воде и в грун те под воздействием солнечных лучей, энергия ветра, тепла геотермального происхождения, тепловых отходов хозяйственной деятельности человека, сбрасываемых в окружающую среду, в виде горячих дымовых газов, тепловых отходов нефтедобывающих и газоперерабатывающих производств, тепловых и атомных электростанций и др. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить экологическое воздействие энергетических процессов и существенно повысить КПД, функциональную и технико-экономическую эффективность традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, в том числе, вернуть в цикл энергопроизводства низкопотенциальное тепло, сбрасываемое тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/ или водоемы.
Смерчевой нагнетатель может быть использован для формирования закрученных смерчеобразных струй, например, в газовых горелках для повышения эффективности сгорания топлива, в судостроении для концентрации энергии винтовых или пропульсивных движителей и др.
Смерчевая турбина может быть использован для преобразования энергии закрученных потоков, например, в сухих градирнях при формировании в них закрученного течения воздуха за счёт соответствующего размещения теплообменников, а также в устройствах, в которых потоки имеют существенную закрутку и др.
Преобразователь солнечной энергии помимо задач изложенных в предлагаемом изобретении может быть использован для нагрева воды или воздуха, например, для коммунальных и промышленных нужд и др.
Способ и смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии являются базой для создания электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, в том числе, для автомобильного и водного транспорта, магнитотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещенных электрических машин и др. Примером эффективности действия предлагаемой технологии являются созданные лабораторные образцы магнитотепловых преобразователей тепловой энергии в электрическую или/и механическую её виды. Свойства смерчевых магнитотепловых преобразователей представляют особую ценность для обеспечения энергией промышленной сферы, робототехники и деятельности человека в экстремальных условиях. Например, смерчевые магнитотспловыс преобразователи могут использоваться в коммуникациях для перекачки природного газа и нефти, транспортируемых от места добычи к местам переработки и потребления. В част- ности, используется прямое солнечное излучение, или низкопотенциальное тепло, аккумулированное в воде, воздухе, грунте, нагреваемыми солнцем, энергия ветра или тепло геотермальных источников, а там, где это возможно избыточная энтальпия перекачиваемой среды.
Смерчеобразные струи, известные под названием TLJ, - по аббревиатуре английских терминов: Тоrпаdо Lаkе Jеt, представляют собой новое течение, обнаруженное более четверти века назад в России при исследовании особенностей обтекания газами, жидкостями или их смесями специальных форм граничных поверхностей. Эти течения представляют собой вторичные смерчеобразные струи, встраивающиеся при создании необходимых и достаточных условиях в окружающуюся среду, локально изменяя её динамическое состояние. Уникальные особенности этого течения, проявляющиеся в удивительно низком уровне гидравлических потерь при обтекании поверхностей и столь же удивительно высоком уровне скорости пограничного обмена массой, теплом и импульсом, обусловливают повышенный интерес к практическому использованию этого явления. Уже в настоящее время создан и применяется ряд различных энергетических и транспортных агрегатов, использующих TLJ - технологию. Так, например, созданы опытные и серийные авиационные газотурбинные двигатели и стационарные энергетические газовые турбины с существенно повышенным уровнем охлаждения лопаток, опытные урановые тепловыделяющие элементы, энергетические котлы различного назначения и другое оборудование, использующие эти течения. Все перечисленные агрегаты и оборудование приобрели явные и существенные функциональные и технико-экономические преимущества по сравнению с аналогами традиционного типа. Помимо этого смерчевые технологии позволили интенсифицировать массообмен в процессах кипения и конденсации, существенно снизить кавитационное разрушение поверхности, уменьшит акустические эффекты в этих процессах и понизить износ поверхности в парах трения металла по металлу или металла по неметаллической поверхности.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды характеризуется тем, что сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Q∑, имеющую форму конфузора, высотой Zоι ι и переменным по высоте радиусом
RIN ≥ R ≥ RОUТ, или нескольких конфузоров, числом "К" вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём Qк высоту Zк,oιiт и переменный по высоте радиус R,ι,к» изменяющийся в интервале:
Figure imgf000065_0001
, при этом, области Qv и QK имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ΣQК, соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ΣQК И внутри области Q∑ выполнялись соотношения:
RIN ZIN = Rj,∑ Zi,Σ = Rouт ZOцт= сопst∑, i=0,l ,2,3,...p Rι,к2 Z.ι,к = сопstк, J= 0, 1 ,2,3,... s где Z, R, ψ - цилиндрические координаты, центр которых расположен в точке пересечения с основанием выбранной осесимметричной области продольной оси её симметрии, индекс "IN" присвоен цилиндрическим координатам ZIN, RIN, ΨIN, принадлежащим входному участку граничной поверхности ΣQ, а индекс "i,∑" указывает на его принадлежность любой i-той точке области Q∑ ограниченной поверхностью ΣQ» индекс "OUT'", присвоенный цилиндрическим координатам Zouт» Rоιιт, ψоιгr, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности ΣQ, индекс "J, К" обозначает положение любой J-той точки на поверхности ΣQ« К-ТОГО конфузора внутри объёма Q∑, ограниченного поверхностью ΣQ, индексы "Σ" и "К", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность "сопst∑" объёму Q∑, заключённому внутри граничной поверхности Σ, а "сопstк" объёму Qк ограниченному граничной поверхностью ΣQК конфузора внутри области Q∑, , при этом, траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q∑ под местным азимутальным, углом ψо∑, определяющим внутри области Q∑, равно как и внутри конфузоров Qк, начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу И местными высотными углами αо∑ и αo,∑Qк по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счёт выбранной пространственной ориентации этих поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Qv, равно как и в конфузорах Qк обеспечивает радиальную сходимость и смерчеобразную закрутку потока сплошной среды, поступающей в эти области, при этом формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q∑, равно как и в конфузорах Qк, увеличивая за счёт этою скорость UIN потока, втекающего в эту область, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность течения, максимум которой достигается в области Qx, в зоне, имеющей радиус R∑mах и продольную координату Z∑max, в которой достигается равенство продольной компоненты скорости Uz, и азимутальной скорости Uψ. причём, высоты ZКQ выбирают так, что бы продольная координата этой зоны превосходила бы продольные координаты любого "К-того" конфузора внутри неё : Zv,max > ZQК - располагают на этой высоте зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, передаваемую на вал турбины, учитывают замедление и потерю закрутки в смерчеобразном потоке, прошедшим эту зону и передавшим часть своей кинетической мощности лопастям турбины, компенсируют замедление потока, располагая в области Qv,, в пространстве между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, зону компрессии, повышающую на этом участке и, опосредованно, на входном участке граничной поверхности ΣQ, скорость UIN, а на выходном участке граничной поверхности ΣQ, скорость Uоιrг, причём, повышение скорости Uош по отношению к скорости UIN потока, втекающего в область Q∑, связывают между собой отношением радиуса выходного участка Rоuт к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Z|\ граничной поверхности ΣQ:
U|N / UоiГI = Rоil |/П ZiN , где "п" определяется в интервале: l<n< 20, а радиусы RIN И RОIП области Qv определяются в интервале:
1,5< R|N/ Rоuт < 7,5, используют для формирования закрученного потока энергию натекающей сплошной среды, тепло солнечной радиации и/или любого низкопотенциального источника тепла и энергию, запасённую в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких веществах, причём поверхности: внутренней границы ΣQ, обтекателя, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата, обтекаемых сплошной средой внутри области Qv, формуют углублениями двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой частью поверхности углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
2. Способ по п.l, в котором отношение глубины hс углублений к их продольному вдоль направления потока размеру LLС находятся в интервале:
0,001< hc /LLC< 0, 2, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< LuЛ_вc < l ,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперёк потока, соответственно.
3. Способ по п.2, в котором скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ΣQ области Q и в любой J -той точке на поверхности К-того конфузора внутри этой области, определяется соотношениями:
Figure imgf000067_0001
+ Uz,.,,к2 + UR,.,,K 2)"-S, соответственно, при этом, местный азимутальный угол ψо и местный высотный угол αоv определяются соотношениями: ψо = аrс tg (UΨ,∑ / UR,v.) И αоi: = аrс соs (UZ,IN / UГ.,IN) соответственно, причём, угол αo,∑ образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности ΣQ В любой точке, координаты Rj,- и Zj,- которой находятся в интервалах:
3,5ROцт < Ri,∑< 4,5Rouт и 0.08 Zоuт < Zj,v< 0.05Z0Ii1,
а высотные углы αo,∑0к, под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричными поверхностями ∑к имеют координаты Rj,к и Zj.к определяемые в интервалах:
3,5Rк, опт ≤ RJ,K ≤4,5R к, ош и Z к,oιгι ≤ Zj,к ≤ Z к, оιrr,
что обеспечивает формирование в выбранной области Qv смерчеобразного квазипотсн- циального закрученного потока с компонентами скорости UR, UZ И Uψ, определяемыми внутри области соотношениями: вдоль радиуса области Q ∑: UR = - Co(t)Rj.v во входном сечении на границе ΣQ : UR = - O>(t) R IN , во входном сечении любого К-того конфузора на границе ∑к: UR,J,K = - Co(t) R,ι,к
вдоль продольного размера области Q ∑: Uχ = 2 Cц(t) Zu∑ в любой J-той точке внутри любого "К-того" конфузора: Uадк = 2 Co(t) Zj,к-; по азимуту области Q: UJ,Ψ = (Г0(t) / R L∑) [1 - exp(-C,,(t) R i.- 2 / 2v) |, на границе Σ: \JΨZ = (Г0(t) / 2πR,N) [1 - exp(-C0(t) RIN 2 / 2v)|, в любой J-той точке "К-того" конфузора: Uψ∑ = (Гo(t) / 2π Rj) [1 - exp(-Co(t) Rj2 / 2v)|, здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причём, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj.∑ области Q∑, включая точку R|N па граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (UR(t) / Ri.∑), при этом, Co(t) и Г<ι(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости UIN потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально N(HH ~ Uоuт3 при балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.
4. Смерчевой преобразователь энергии (вариант 1) характеризуется тем, что содержит:
- смерчевую осесимметричную конфузорную башню, снабжённую:
— приёмниками потоков сплошной среды,
— внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,
— неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с её внешней конфузорной поверхностью и обтекателем,
— силовыми вращающимися валами, нижним и верхним, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни,
— смерчевым нагнетателем, установленным над неподвижным направляющим аппаратом,
— смерчевой турбиной, по крайней мере, одной, жёстко связанной с силовым валом, установленной по оси симметрии башни, в зоне, имеющей радиус Rιsmах и продольную координату ZNmax, в которой достигается равенство продольной U/ и азимутальной скорости Uψ компонент скорости;
- преобразователи солнечной энергии;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, расположенный под неподвижным направляющим аппаратом, имеющий общую ось симметрии со смерчевой башней, оснащённый:
— магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и смерчевым нагнетателем в смерчевой башне,
— смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым под- вижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя; - опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте; причём, смерчевая осесимметричная конфузорная башня состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Q, открытый в окружающее пространство в зонах башни, имеющих максимальный и минимальный радиусы, соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню и истекает из неё, при этом, башня обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:
R2Z= сопst, при этом поверхности конфузорной башни, внешней границы обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны на ней, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений и гладкой поверхности осуществляется с помощью выпуклых скатов углублений, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
5. Преобразователь по п.4, в котором отношение глубины hс углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру Li,c находятся в интервале:
0,001< hc /L,.c< 0,5, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lц<.: углубления определяется интервалом 0,25< Liχ/Lвc ≤ 125, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале 0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений вдоль и поперёк потока, соответственно.
6. Преобразователь по п.4, в котором осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
RI,F 2ZJ,Ь =const, J = 0,l,2,Зv-.n, где Rj,к и Z.I,F радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя RП,F К максимальному радиусу башни
Figure imgf000071_0001
составляет величину в интервале 0,03<(RПiк / R IN) ≤ 0,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симмет рии башни и сопряжён с силовым диском.
7. Преобразователь по п.4, в котором направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
- вдоль радиуса смерчевой башни на границе∑:
Figure imgf000071_0002
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Z кjR 1 ,2,3 m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
- по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψv = аrс tg (Uψ,v / UK,Ϊ;),
- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: ψ
Figure imgf000071_0004
m, где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","IN" и "K,J""Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ", присвоенные координатам указывают на их принадлежность внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни, и любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q, а иидек- cы"Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ присвоенные скоростям, соответствуют значениям азимутальной, высотной и радиальной скорости соответственно.
8. Смерчевой преобразователь энергии (вариант 2) характеризуется тем, что содержит смерчевую конфузорную башню, состоящую, по крайней мере, из двух осссим- метричных конфузоров внешнего и внутреннего, при этом, внешний коыфузор смерчевой башни изготовлен из оптически прозрачного материала, имеет высоту Zоιч и внутреннюю граничную поверхность ∑ОРТ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте Z ,,o\>\ и и любом её внутреннем поперечном i-том сечении, обладающим радиусом R j,opт связаны соотношением R j.оιч 2Z j.орι - сопstорт, где сопstорт является общей для всех точек на внутренней поверхности внешнего конфузора, а внутренний конфузор изготовлен из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, служащего для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, внутри внутреннего конфузора, при этом солнечное излучение направляют на оптически прозрачный конфузор напрямую, и/или с помощью концентраторов солнечной радиации в виде зеркал, и/или с помощью концентраторов, выполненных на оптически прозрачной граничной поверхности ∑ОРТ внешнего конфузора в виде углублений, при этом, углублениям придают форму поверхности двойной кривизны второго порядка, а обтекаемые формируемым смерчеобразным потоком поверхности: конфузоров, внутреннего обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин, внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков исходной поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений с гладкими участками поверхности осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, причём, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем, а башня снабжена:
- приёмники потоков втекающей сплошной среды,
- внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,
- неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещёнными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с обтекателем и поверхностью коифузоров;
- преобразователи солнечной энергии, состоящие из:
- системы нагрева сплошной среды, заключённой между граничной оптически прозрачной поверхностью внешнего конфузора и поглощающей солнечное тепло поверхностью внутреннего конфузора;
- солнечных нагревателей теплоносителя; — солнечных батарей для прямого преобразования солнечной радиации в электричество;
- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, оснащённый:
— магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,
— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,
— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и обтекателем смерчевого преобразователя и нагнетателем в смерчевой башне,
— смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя;
- опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте; причём, осесимметричные конфузоры смерчевой башни имеют переменные по высоте радиусы R, открыты в окружающее пространство у основания башни в зоне, имеющей максимальный радиус и в высшей точке башни, где радиус конфузоров минимален, через эти зоны сплошная среда поступает в конфузорную сборку и истекает из неё, соответственно.
9. Преобразователь по п. 8, в котором отношение глубины hс: углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру Li с находятся в интервале:
0,001< hc /L,χ< 0,5, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:
0,25< LLC/LBC < 1 ,25 , при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,1 < f < 0,95.
10. Преобразователь по п.8, в котором осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело враще- ния, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:
RJ,P2ZJ,F =const, J = 0,1,2,3,.-. п, где Rj,к И ZJ,K — радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя RПiк к максимальному радиусу башни
Figure imgf000074_0001
составляет величину в интервале:
0,03<(Rn,к / R IN) < 0,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни, сквозь которое проходит силовой вал, связывающий ротор нагнетателя с силовым диском смерчевого преобразователя низкопотенциального тепла в механическую мощность.
1 1. Преобразователь по п.8, в котором направляющий аппарат смерчевой башни содержи! лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):
- вдоль радиуса смерчевой башни:
Figure imgf000074_0002
- в любой J-той точке любого "К-того" конфузора: Z к,.ιR к,,ι2=const, J = 0,1 ,2.3. п;
K=0,1.2,3 m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):
-по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ∑; = аrс tg (Uψ,i;/ UR,I;), -в любой точке внутри смерчевой башни, включая любой "К- тый" конфузор: ψ = ψ∑ + (UΨi∑/ 2URi∑)[(R,N /R i,i:)2 - 1 ] , i = 0,1 ,2,3 п; где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","IN" и "i,"-кoopдинaты в объёме смерчевой башни, а "Ψ,Σ'\"R,Σ '- скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и в в любой i-той точке " внутри выбранной области Q∑,.
12. Преобразователь солнечной энергии характеризуется тем, что содержи т герметичный корпус, с размещенными с нем каналами, при этом, корпус теплоизолирован со всех сторон кроме стороны, покрытой одним или несколькими слоями оптически прозрачной тепловой изоляцией, на которую падает поток солнечной радиации, причем металлические зачернённые наружние поверхности каналов, принимающие солнечное излучение, выполнены либо из гладких, либо из формованных пластин, или труб, причём. внутри образованных каналов пропускают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации, для чего наружным поверхностям каналов и поверхностям оптически прозрачной изоляции, обращенной во внутрь герметичного корпуса, имеют форму чередующихся участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны и исходно гладких участков, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, причем, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем, а отношение глубины hс углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру Lu; находится в интервале: 0,001 < hc /LLC < 0,3, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Lιк, углубления определяется интервалом: 0,25 < LLС/LВС ≤ 1,25 при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале: 0,05 < f < 0,5, а отношение глубины hс углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру dс находится в интервале: 0,01 < hc/dc ≤ 0,5, при расположения углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале: 0,1 < f < 0,95.
13. Способ магнитотеплового преобразования энергии, запасённой в постоянных магнитных полях, в магнитно-мягких материалах и низкопотенциальных тепловых потоках характеризуется тем, что магнитно-мягкое вещество плотностью р, теплопроводностью λ, теплоёмкостью С и намагниченностью σ(T,B)> зависящей от температуры T и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее магнитное поле, создаваемое магнитной системой, в которой индукция поля изменяется в заданном направлении X от минимального до максимального значений, формируя градиент поля dВ/dХ≠О, и магнитом в которой магнитное поле однородно, (dB/dX)=0 и имеет максимальную для выбранного постоянного магнита напряжённость В = Bmax, при этом, слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ= рs /р в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещённых на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью рs, охлаждают в зоне, где dВ/dХ≠О, и нагревают в зоне, где dB/dX=0, добиваясь магнитного фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлаждённой массы магнитно-мягкого вещества mxoл к зоне, где индукция магнитного поля максимальна, и выталкивание из этой зоны нагретой массы магнитно-мягкого вещества mlop, перешедшей в парамагнитное состояние, чем достигают непрерывности подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dВ/dХ ≠О, обеспечивая либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, преобразующее мощность магнитного притяжения в механическую мощность или в другие её виды, при этом нагрев и охлаждение массы маi - нитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в них самоорганизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магнитно-мягкого вещества, причём обтекаемые поверхности выполняют гладкими или формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второю порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхнос i и углубления, общие касательные, при этом, вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем.
14. Смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии характеризуется тем, что содержит магнитную систему с набором постоянных магнитов, обладающих разной напряжённостью магнитного поля, и магнитопроводов, размещённых так, что напряжённость магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряжённости магнитного поля в его конце, рабочее вещее ι во, размещённое в каналах, образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, равного с диском внешнего радиуса, причём, магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой hм и толщиной δм вертикально между диском и кольцом, выполняя роль боковых стенок каналов, вращающихся вместе с диском в магнитном поле градиентного магнита, при этом преобразователь снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричноrо неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Z, и соответствующем этой координате, радиусе Rj выполняется равенство: Zj
Figure imgf000077_0001
сопstр, при этом, направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел, подвижных лопаток и обтекателя, причём, на начальном участке лопаток боковые стенки каналов с рабочим магнитно-мягким веществом являются составной частью их поверхности, при этом, все поверхности, обтекаемые внутри неподвижного смерчевого конфузора, условно холодным, и, условно горячим, теплоносителями, в том числе, поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.
15. Преобразователь по п. 14, который содержит систему смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества с системой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения её температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причём энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся диске из немагнитного, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно- мягком веществе, причём форма граничных поверхностей сопел и сопряжённых с ними подвижных каналов, принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
-
Figure imgf000077_0002
0,1 ,2,3...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R): ψм = Ψ∑м ± (Uтдм / 2URAM)I(RIN1M2ZRJ1M2) - ! ] , J = 1 ,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3, m; знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных значений координаты Z в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможность выбора любого из направлений вращения как против часовой стрелки - знак "+", так и по часовой стрелке - знак "-";
16. Преобразователь по п. 14, в котором пространственная ориентация оси симметрии каждого неподвижного сопла сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвижных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):
(±Z.UiR.uи2) = const, J = 0,1,2,3,....п, M = 0,1,2,3,....m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R): ψм = Ψ∑м ± (UΨ,∑,м / 2UR,i:,м)[(R,N,м2/Rj,м2) - l] , J = 1 ,2,3,....п; M = 0, 1 ,2,3,....m, знак "±" у координаты "Zj,м" в выражении для сопst в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смер- чеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знaк"±" также указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки (знак "+"), так и по часовой стрелке, (знак "-").
17. Преобразователь по п. 14, в котором магнитные системы расположены, по крайней мере, в двух оппозитных точках по диаметру диска так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита с помощью неподвижных сопел, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H~HmjП и участком, где напряжённость магнитного поля составляет H~ 0,95Hmax, а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряжённостью магнитного поля H~ 0,95 Hmax и до зоны, в которой напряжённость магнитного поля однородна и достигает максимума H ~ Hmax.
18. Преобразователь по п. 14, в котором для охлаждения и нагрева магнитно- мягкого вещества в преобразователе используется либо тепловой насос, либо любой природный источник низкопотенциальной энергии, например, сборник отфильтрованной, условно холодной, воды ручьёв, рек или пресноводных озёр, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, например, вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие, как, условно, горячая вода, охлаждаемая на градирне, теплоноситель, нагреваемый низ- копотенциальным теплом факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низко потенциальные источники.
19. Преобразователь по п. 14, в котором отношение глубины hc углублений к их продольному вдоль направления потока размеру LLС находятся в интервале:
0,001 < hc /LLt < 0,3, отношение продольного размера LLС углубления к поперечному размеру Li^ углубления определяется интервалом: 0,25< L ι.c/Lвc< l ,25.
20. Смерчевой нагнетатель характеризуется тем, что содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
ZbоιlуiRbоdу = СОПStbоdу? причём, лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с внешней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением:
Figure imgf000079_0001
где
-r,zj- текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни f(r,Zjlt) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом нагнетателя на плоскости, пересекающей эти ло-пасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лоrιасги при продольной координате Z = Zjn, а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z, г с - радиус нагнетателя,
Zfр — координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через по-верхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя, kωp- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку,
V1 ± - продольная скорость среды втекающей в нагнетатель?
V1P - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя, при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей выполнены гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряженных между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
21. Смерчевая турбина характеризуется тем, что содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z, и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:
ZbоdуiRbоdу = СОПSt, причём, лопасти турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора образуют межлопастные каналы, сообщающиеся с внешней средой в горцах турбины, при этом, форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:
Figure imgf000080_0001
где
-r,z,φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни, φ(r,Z;a) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом турбины на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения турбины, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zjn, причём, ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z, φ(r,Z0U()- азимутальная координата сечения лопастей турбины на высоте Z0llt плocкoc-τью,пepeceкaющeй по нормали ось вращения турбины через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов турбины в башню над турбиной, г с - радиус турбины, kω- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины, при этом внутренняя поверхность корпуса, поверхности лопастей и ротора, взаимодействующих со сплошной средой выполнены либо гладким, либо с рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности чередующихся с криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.
PCT/RU2008/000807 2008-12-29 2008-12-29 Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина WO2010005337A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000807 WO2010005337A1 (ru) 2008-12-29 2008-12-29 Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина
EP08876551.6A EP2233738A4 (en) 2008-12-29 2008-12-29 CONVERTER AND ENERGY CONVERSION METHOD AND TORQUE FLOW PUMP AND TURBINE THEREFOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000807 WO2010005337A1 (ru) 2008-12-29 2008-12-29 Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010005337A1 true WO2010005337A1 (ru) 2010-01-14

Family

ID=41507265

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000807 WO2010005337A1 (ru) 2008-12-29 2008-12-29 Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2233738A4 (ru)
WO (1) WO2010005337A1 (ru)

Citations (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US428057A (en) 1890-05-13 Nikola Tesla Pyromagneto-Electric Generator
JPS5925091A (ja) 1982-08-04 1984-02-08 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd トルネ−ド式風力発電装置
US4504196A (en) * 1982-12-20 1985-03-12 Lay Joachim E Rotary turboengine and supercharger
SU1295027A1 (ru) 1985-10-05 1987-03-07 К.К.Брбошко Магнитно-тепловой двигатель
SU1341377A1 (ru) 1985-02-13 1987-09-30 А. П. HnKo. iaiiMVK Магнитно-тепловой двигатель
SU1793525A1 (ru) 1990-06-25 1993-02-07 Univ Turkmensk Магнитотепловое устройство
RU2020304C1 (ru) 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред
RU2023216C1 (ru) 1992-06-23 1994-11-15 Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" Солнечный тепловой коллектор
RU2040127C1 (ru) 1989-09-19 1995-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара Мишень ускорителя заряженных частиц
RU2044248C1 (ru) 1993-07-01 1995-09-20 Акционерное общество "Фирма БАСЭРТ" Теплообменная труба с оребрением
RU2059881C1 (ru) 1992-05-28 1996-05-10 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Способ преобразования энергии потоков сплошных сред и устройство для его осуществления
SU1662172A1 (ru) 1988-08-30 1996-10-27 В.М. Кофман Центростремительная турбина
RU2073111C1 (ru) * 1992-12-31 1997-02-10 Рудольф Анатольевич Серебряков Вихревая ветроустановка
RU2109227C1 (ru) 1991-11-06 1998-04-20 Аллан Джеймс Еоменс Устройство сбора лучистой энергии
RU2109173C1 (ru) 1995-09-05 1998-04-20 Иван Иванович Попков Осевой нагнетатель
EP0839309A1 (en) 1995-07-19 1998-05-06 Vida, Nikolaus Method and apparatus for controlling the boundary or wall layer of a continuous medium
RU2167338C1 (ru) 2000-11-22 2001-05-20 Бедбенов Владимир Степанович Магнитотепловое устройство
RU2172904C2 (ru) 1999-11-16 2001-08-27 Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения Устройство для утилизации солнечной энергии
RU2183801C1 (ru) 2000-12-25 2002-06-20 Исачкин Анатолий Федорович Солнечный коллектор
WO2003004868A2 (en) 2001-07-05 2003-01-16 Vida, Nikolaus Tornado-type wind turbine
RU2199025C1 (ru) 2001-12-28 2003-02-20 Темерко Александр Викторович Способ работы магнитотеплового устройства
RU2199024C1 (ru) 2001-12-06 2003-02-20 Темерко Александр Викторович Магнитотепловое устройство
RU2210839C1 (ru) 2002-04-09 2003-08-20 Темерко Александр Викторович Электрохимическая магнитотепловая энергогенерирующая система
RU2210840C1 (ru) 2002-04-09 2003-08-20 Темерко Александр Викторович Электроэнергетическая система
WO2004048871A2 (en) 2002-11-25 2004-06-10 Nikolaus Vida Method and device for generating mixtures of fluids in a boundary layer
WO2004083651A1 (en) 2003-03-19 2004-09-30 Nikolaus Vida Three dimensional surface structure for reduced friction resistance and improved heat exchange
WO2004083628A1 (en) 2003-03-21 2004-09-30 Nikolaus Vida Tornado-type wind or water turbine
RU2285210C1 (ru) 2005-03-15 2006-10-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Солнечная комбинированная концентрирующая энергоустановка
CN1888359A (zh) 2006-07-18 2007-01-03 侯国华 风能太阳能互补发电观光塔
EP1873397A2 (en) 2006-06-30 2008-01-02 United Technologies Corporation High temperature molten salt solar receiver
EP1878983A1 (en) 2005-05-06 2008-01-16 Guradoor, S.L. Thermoelectric solar plant
EP1890035A2 (en) 2006-08-04 2008-02-20 Solucar, Investigacion Y Desarrollo (Solucar R&D), S.A. Solar Concentrator plant

Patent Citations (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US428057A (en) 1890-05-13 Nikola Tesla Pyromagneto-Electric Generator
JPS5925091A (ja) 1982-08-04 1984-02-08 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd トルネ−ド式風力発電装置
US4504196A (en) * 1982-12-20 1985-03-12 Lay Joachim E Rotary turboengine and supercharger
SU1341377A1 (ru) 1985-02-13 1987-09-30 А. П. HnKo. iaiiMVK Магнитно-тепловой двигатель
SU1295027A1 (ru) 1985-10-05 1987-03-07 К.К.Брбошко Магнитно-тепловой двигатель
SU1662172A1 (ru) 1988-08-30 1996-10-27 В.М. Кофман Центростремительная турбина
RU2040127C1 (ru) 1989-09-19 1995-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара Мишень ускорителя заряженных частиц
SU1793525A1 (ru) 1990-06-25 1993-02-07 Univ Turkmensk Магнитотепловое устройство
RU2109227C1 (ru) 1991-11-06 1998-04-20 Аллан Джеймс Еоменс Устройство сбора лучистой энергии
US6006823A (en) 1992-03-31 1999-12-28 Kiknadze; Gennady Iraklievich Streamlined surface
RU2020304C1 (ru) 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред
SG47069A1 (en) 1992-03-31 1998-03-20 Nikolaus Vida Dr Streamlined surface
RU2059881C1 (ru) 1992-05-28 1996-05-10 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Способ преобразования энергии потоков сплошных сред и устройство для его осуществления
RU2023216C1 (ru) 1992-06-23 1994-11-15 Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" Солнечный тепловой коллектор
RU2073111C1 (ru) * 1992-12-31 1997-02-10 Рудольф Анатольевич Серебряков Вихревая ветроустановка
RU2044248C1 (ru) 1993-07-01 1995-09-20 Акционерное общество "Фирма БАСЭРТ" Теплообменная труба с оребрением
US6119987A (en) 1995-07-19 2000-09-19 Nikolaus Vida Method and apparatus for controlling the boundary or wall layer of a continuous medium
EP0839309A1 (en) 1995-07-19 1998-05-06 Vida, Nikolaus Method and apparatus for controlling the boundary or wall layer of a continuous medium
RU2109173C1 (ru) 1995-09-05 1998-04-20 Иван Иванович Попков Осевой нагнетатель
RU2172904C2 (ru) 1999-11-16 2001-08-27 Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения Устройство для утилизации солнечной энергии
RU2167338C1 (ru) 2000-11-22 2001-05-20 Бедбенов Владимир Степанович Магнитотепловое устройство
RU2183801C1 (ru) 2000-12-25 2002-06-20 Исачкин Анатолий Федорович Солнечный коллектор
US20040240984A1 (en) 2001-07-05 2004-12-02 Kiknadze Gennady Iraklievich Method of conversion of continuous medium flow energy and device for conversion of continuous medium flow energy
WO2003004868A2 (en) 2001-07-05 2003-01-16 Vida, Nikolaus Tornado-type wind turbine
EP1458972A2 (en) 2001-07-05 2004-09-22 Vida, Nikolaus, Dr. Tornado-type wind turbine
RU2199024C1 (ru) 2001-12-06 2003-02-20 Темерко Александр Викторович Магнитотепловое устройство
RU2199025C1 (ru) 2001-12-28 2003-02-20 Темерко Александр Викторович Способ работы магнитотеплового устройства
RU2210839C1 (ru) 2002-04-09 2003-08-20 Темерко Александр Викторович Электрохимическая магнитотепловая энергогенерирующая система
RU2210840C1 (ru) 2002-04-09 2003-08-20 Темерко Александр Викторович Электроэнергетическая система
WO2004048871A2 (en) 2002-11-25 2004-06-10 Nikolaus Vida Method and device for generating mixtures of fluids in a boundary layer
WO2004083651A1 (en) 2003-03-19 2004-09-30 Nikolaus Vida Three dimensional surface structure for reduced friction resistance and improved heat exchange
WO2004083628A1 (en) 2003-03-21 2004-09-30 Nikolaus Vida Tornado-type wind or water turbine
EP1606512A1 (en) 2003-03-21 2005-12-21 Vida, Nikolaus, Dr. Tornado-type wind or water turbine
RU2285210C1 (ru) 2005-03-15 2006-10-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Солнечная комбинированная концентрирующая энергоустановка
EP1878983A1 (en) 2005-05-06 2008-01-16 Guradoor, S.L. Thermoelectric solar plant
EP1873397A2 (en) 2006-06-30 2008-01-02 United Technologies Corporation High temperature molten salt solar receiver
CN1888359A (zh) 2006-07-18 2007-01-03 侯国华 风能太阳能互补发电观光塔
EP1890035A2 (en) 2006-08-04 2008-02-20 Solucar, Investigacion Y Desarrollo (Solucar R&D), S.A. Solar Concentrator plant

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BURGERS, J.M.: "A Mathematical Model Illustrating the Theory of Turbulence", ADV. APPL. MECH., vol. 1, 1948, pages 157
HSU, C.T.; IDE, H.: "Performance of Tornado Type Wind Turbines with Radial Supply", ENERGY, vol. 7, no. 6, pages 452
RANGWALLA, A.A.; HSU, C.T.: "Power Coefficient of Tornado-Type Wind Turbines", ENERGY, vol. 7, no. 6, 1983, pages 735
See also references of EP2233738A4
SO, R.M.C.: "On Vortex Wind Power", J FLUIDS ENG., vol. 100, 1978, pages 79

Also Published As

Publication number Publication date
EP2233738A4 (en) 2013-09-25
EP2233738A8 (en) 2016-01-13
EP2233738A1 (en) 2010-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8801359B2 (en) System and method for extracting power from fluid using a Tesla-type bladeless turbine
CN101893021B (zh) 一种产生有序流的装置
US7663262B2 (en) System and method for converting wind into mechanical energy for a building and the like
KR102146473B1 (ko) 조합된 냉각, 가열, 동력, 압력, 일 및 물을 위한 호모폴라 dc 발전기를 갖는 테이퍼식 나선형 가스 터빈
CN103388560A (zh) 大气压差风力高效集成发电装置及高效集成方法
WO2011072489A1 (zh) 多功能能源系统优化集合
RU106309U1 (ru) Гибридная альтернативная энергетическая установка
JP2009209917A (ja) 各種エネルギ保存サイクル合体機関
CN109296499B (zh) 一种微型风力发电叶片以及使用该发电叶片的发电机
KR101174291B1 (ko) 토네이도형 풍력발전장치
CN1152606C (zh) 电磁致热器
RU2386857C1 (ru) Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, смерчевой преобразователь энергии (варианты), преобразователь солнечной энергии, способ магнитотеплового преобразования энергии, смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, смерчевой нагнетатель и смерчевая турбина
WO2010005337A1 (ru) Преобразователь и способ преобразования энергии, смерчевой нагнетатель и турбина
CN102808737B (zh) 一种上拽式狭管聚风发电系统
CN204806698U (zh) 十炉共沸除碳灭霾聚能反应炉
US10859066B2 (en) Sub-terranean updraft tower (STUT) power generator
CN203655548U (zh) 一种低温型有机朗肯循环空气热源温差发电装置
CN202690152U (zh) 一种热管动力装置
CN203098160U (zh) 可控旋式菲涅尔透镜阵列真空磁悬浮风电系统
CN201513292U (zh) 气流发电装置
Marat et al. Theoretical and experimental researches on development of new construction of wind-driven generator with flux concentrator
JP2015218640A (ja) 各種エネルギ保存サイクル合体機関
CN202900539U (zh) 一种上拽式狭管聚风发电系统
Shishkin et al. Vortex wind power plant
CN216922331U (zh) 一种新型转轮发电装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08876551

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2008876551

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008876551

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE