ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
155
 
     
                 Рисунок 1- Принципиальная схема реализации гибридных                                                
                                      систем альтернативной энергетики 
 
      В зимнее время требуется большее количество тепловой энергии, поэтому система 
настраивается  на  максимальную  выработку  тепла  роторно-вихревым  теплогенератором. 
При  этом  и  сжатый  воздух  включается  в  систему  выработки  тепла  путем  подачи  его  в 
воздушную  вихревую  трубу.  В  этой  трубе  происходит  разделение  потока  воздуха  на 
холодный  и  горячий.  Горячий  поток  идет  в  систему  отопления,  а  холодный  поступает  в 
систему  отбора  тепла  от  водоема  с  низкотемпературным  градиентом  температуры  и 
возвращается  в  вихревую  трубу  несколько  нагретым,  где  повторяется  цикл  разделения 
потока  воздуха  с  положительным  тепловым  градиентом.  Кроме  того,  энергия  солнца  в 
дневное  время  аккумулируется  и  также  подается  в  систему  отопления.  Летом  ситуация 
меняется, необходимо больше холода, например для овощехранилища или холодильника. 
В  этом  случае  система  переводится  на  максимальную  выработку  холода.  При  этом 
роторно-вихревой теплогенератор отключается, а холодный поток воздуха из воздушной 
вихревой  трубы  подается  в  овощехранилище  или  холодильник.  При  этом  горячий  поток 
воздуха подается в систему теплообмена низкотемпературного тепла водоема, где отдает 
тепло и возвращается в вихревую трубу, где повторяется цикл разделения потока воздуха 
с отрицательным тепловым градиентом. 
     Как  видно  из  рисунка 1 в  зависимости  от  геологии  местности  и  климатических 
условий  можно  разработать  схемы  гибридных  систем  альтернативной  энергетики, 
максимально  удовлетворяющие  потребности  конкретного  потребителя  всеми  видами 
энергии без дополнительных преобразований, которые  всегда связаны с потерями. 
     Одним из преимуществ гибридных систем является возможность аккумулирование 
наиболее  выгодного  в  этом  отношении  вида  энергии.  Например,  аккумулировать 
тепловую  энергию  и  сжатый  воздух  значительно  дешевле,  чем  электрическую  энергию. 
Электрические аккумуляторы имеют высокую стоимость. 
Энергия 
горных 
потоков и рек 
Энергия 
ветра 
Энергия 
солнца 
Энергия движения 
транспортных 
средств 
Вихревая 
гидротурбина 
Вихревой 
ветродвигатель 
Компрессор 
Роторно-вихревой 
теплогенератор 
Вихревая 
труба 
Насос 
водяной 
Вихревой 
теплогенератор /5/ 
Низкотемпературная 
энергия водоемов 
Тепло 
Холод 
Сжатый 
воздух 
Электрическая 
энергия 
Холодная 
вода 
Энергия 
Архимедовых 
сил /6/ 
Отопление 
Пресная вода 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
156
    Чтобы  установки  альтернативной  энергетики  были  доступными  самым  широким 
слоям населения и чтобы они пользовались спросом, они должны быть дешёвыми. Само 
по  себе  создание  гибридных  систем  альтернативной  энергетики,  является  достаточно 
эффективным  средством  снижения  себестоимости  систем  альтернативной  энергетики  в 
целом.  Конечно  же,  дешевле  и  проще,  в  одной  установке  собирать  энергию  от  самых 
различных  источников,  нежели  на  каждый  вид  энергии  делать  свою  установку,  которая 
сначала  будет  преобразовывать  эту  энергию  в  электричество,  а  затем  это  электричество 
будет, где-то собираться, и где-то накапливаться в аккумуляторах.  
     Преобразование  в  электричество,  приводит  к  неизбежным  потерям  и  в 
электрогенераторе  и  в  преобразователе  и  в  аккумуляторе.  К  тому  же,  чтобы  установить 
электрогенератор  в  морскую  или  речную  воду,  его  нужно  очень  тщательно  защитить  от 
попадания  соли  и  влаги,  а  это  достаточно  непростая  и  дорогостоящая  задача.  С 
пневмокомпрессором  или  роторно-вихревым    теплогенератором,  таких  проблем  не 
возникает.  Его  не  нужно  ни  от  чего  защищать.  Если  вода  или  влага  и  будут  попадать  в 
пневмокопрессор, то они будут скапливаться в дренажной системе и никоим образом не 
повлияют на работу системы в целом. Кроме того, электрогенератору, для того чтобы он 
начал  работать,  нужна  определённая  скорость,  а  для  работы  пневмокомпрессора  вполне 
достаточно,  лишь  бы  скорость  была  больше  нуля.  Так,  например,  ветрокомпрессор,  в 
отличие  от  ветрогенератора,  уже  начинает  давать  энергию  после  того,  как  только 
ветроколесо начнёт вращаться. Что касается стоимости, то пневмокомпрессор  на порядок 
дешевле  электрогенератора  аналогичной  мощности.  Если  учесть  и  то,  что  для  привода 
ветрокомпрессора,  можно  использовать  и  возвратно-поступательное  движение,  то  от 
дорогостоящего  ветроколеса,  можно  будет  вообще  отказаться  и  заменить  его 
ветропарусом,  который,  под  воздействием  ветра  будет  создавать  колебательные 
движения. 
     Следующим путём снижения себестоимости установок альтернативной энергетики, 
является  создание  стандартных  модулей  и  агрегатов,  из  которых  и  будет  собираться 
система  в  целом,  в  зависимости  от  её  назначения.  Ещё  лучше,  если  в  качестве  этих 
модулей 
и 
агрегатов, 
применять 
серийно 
выпускаемые 
узлы 
и 
детали 
машиностроительного  производства.  Эти  узлы  и  детали  уже  отработаны,  испытаны  и 
проверены. Их стоимость значительно дешевле, нежели аналогичные изделия, сделанные 
на заказ. 
     Для  создания  стандартного  набора  агрегатов  альтернативной  энергетики,  можно 
было бы предложить следующие устройства: 
1.  Для  преобразования  источников  альтернативной  энергии  в  механическую  или 
тепловую энергию: 
а) Солнечный коллектор; 
б) Концентратор солнечной энергии; 
в) Соляной пруд; 
г) Вихревая гидротурбина; 
д) Роторно-вихревой теплогенератор; 
е) Гидротурбина; 
ж) Вихревой ветродвигатель; 
з) Ветропарус; 
и)Тепловой двигатель;  
к)Поплавковый привод морской волны; 
л) Гидродинамический привод морской волны. 
2. Для передачи механической или тепловой энергии: 
а) Механический привод;  
б) Электропривод; 
в) Пневмопривод; 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
157
г) Гидропривод; 
д) Теплоноситель;  
е) Вихревая тепловая труба; 
ж) Световод. 
3.  В качестве исполнительных агрегатов: 
а) Электрогенератор;  
б) Пневмонасос; 
в) Гидронасос; 
г) Пневмодвигатель; 
д) Гидродвигатель; 
е) Радиатор; 
ж) Теплообменник; 
з) Гидродинамический теплогенератор; 
и) Холодильный компрессор; 
к) Холодильный агрегат абсорбционного типа; 
л) Опреснитель. 
     Агрегаты, перечисленные в п. 1,2 и 3 можно сконструировать в виде стандартных 
модулей  или  блоков.  В  результате  этого,  из  одних  и  тех  же  агрегатов,  применяя  их  в 
различном сочетании, можно будет изготавливать сотни различных конструкций, самого 
различного назначения, и решать самые различные задачи. 
     Рациональное  использование  ландшафта  местности  и  её  климатических  условий, 
также  являются  очень  существенным  условием  снижения  стоимости  систем 
альтернативной энергетики в целом. 
     Научно-технической  фирмой  «КАВИС»  также  разработана  гибридная  система 
вихревых  и  роторно-вихревых  теплогенераторов  для  использования  энергии  движения  и 
вибрации  железнодорожного  транспорта  для  отопления  пассажирских  вагонов  и  нагрева 
нефти при транспортировании её в  цистернах  в зимних условиях.    
     Для  отопления  пассажирских  вагонов  используется  роторно-вихревой  и  вихревой 
теплогенераторы.  Первый  для  получения  тепловой  энергии  использует  привод  от 
колесных пар и энергию рекуперации при торможении состава. Второй преобразовывает 
энергию  вибрации  посредствам  гидроцилиндров  кинематичеки  встроенных  в  подвеску 
ходовой  части  пассажирского  вагона.  Основные  преимущества  этой  система  отопления 
является: 
- экологическая чистота; 
- простота конструкций теплогенераторов; 
- надежность; 
- высокая эффективность выработки тепловой энергии. 
- повышение комфортабельности за счет снижения вибрации вагона; 
     Конструкция  роторно-вихревого  и  вихревого  теплогенераторов  настолько  проста, 
что  их  производства  можно  организовать  на  базе  вагоноремонтного    завода  и  в 
перспективе  перевести  существующий  парк  вагонов  Республики  Казахстан  на 
экологически чистое и эффективное отопление и избавиться от угольной пыли и копоти.  
     Опытные  образцы  теплогенератора  с  приводом  от  электродвигателей  номинальной 
мощностью 7 и 11 кВт изготовлены и последний испытан в акридитованной лаборатории  
испытательного  центра  ТОО  «Центр  сертификации  продукции  и  услуг» (Протокол 
испытания № К15/2006 от 12 октября 2006 года). Испытания производились в сравнении с 
аналогичной  мощности  электроТЭНовым  котлом  производства  фирмы  «КЕЛЕТ». 
Испытания  показали,  что  эффективность  выработки  тепловой  энергии  роторно-вихревым 
теплогенгератором на 3-8% выше, чем у традиционного электроТЭНового котла. 
     Выводы 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
158
    
Разработанные гибридные системы альтернативной энергетики для промышленности 
и  транспорта  использующие  возобновляемые  источники  энергии  уже  сегодня  способны 
решить  экологические  проблемы  и  устранить  дефицит  энергии  в  отдаленных  от 
энергетических сетей районах Республики Казахстан, а также стимулировать дальнейшее 
развитие сельскохозяйственных, перерабатывающих и других энергоемких производств. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
1. Андреев Е.И., Смирнов А.П. и др. Естественная энергетика. С-Пб., НЕСТОР, 2000, 125 с.  
2. Андреев Е.И. Основы естественной энергетики.  С-Пб., Невская жемчужина,  2004,  584 с. 
3. Алексеенко  С.В.,  Куйбин  П.А.,  Окулов  В.Л.  Введение  в  теорию  концентрированных 
вихрей. М., 2003, 504 с. 
4. Потапов  Ю.С.,  Фоминский  Л.П.  Вихревая  энергетика  и  холодный  ядерный  синтез  с 
позиции теории движения. Кишенев, Черкассы, ЭКО-ПЛЮС, 2000,  387 с. 
5. Лысенко  В.С.  Предварительный  патент  РК  № 11877. Теплогенератор  и  устройство  для 
нагрева жидкости. 
6. Лысенко В.С. Предварительный патент РК № 13829. Теплоэлектростанция. 
7. Лысенко  В.С.  Альтернативные  тепловые  установки. //Новости  науки  Казахстана. 2001, 
№4, с.32-36. 
 
 
УДК: 621.224.001  
 
 Кулжабаев
 Бауржан Джамалбекович -  инженер  (Алматы, НТФ «КАВИС») 
 
ВИХРЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА 
 
     Основным  сдерживающим  фактором  развития  малой  гидроэнергетики  в  Республике 
Казахстан  является  отсутствие  технологичных  конструкций  гидротурбин  малой 
мощности.  Одним  из  перспективных  альтернативных  направлений  энергетики  является 
использование вихревого эффекта. 
     Вихревое движение, являющееся самым распространенным видом движения в природе 
(движение планет, звезд, атмосферные вихри, смерчи, торнадо, тайфуны), содержит в себе 
целый комплекс неизученных парадоксальных эффектов /1/. 
     Существует  два  основных  вида  спиралей:  цилиндрические  винтовые  и  спираль 
Архимеда.  Движение  по  цилиндрической  винтовой  спирали  складывается  из  двух 
взаимно-перпендикулярных  компонент – движение  вдоль  оси  спирали  и  движение  по 
окружности  витков  спирали.  Скорости  указанных  компонент  суммируются  как  векторы 
по теореме Пифагора. 
     При движении по спирали Архимеда радиус витков возрастает с числом витков. Если 
при  этом  возникает  поступательное  движение  вдоль  оси  спирали  Архимеда,  то  это  дает 
третий  вид  спирали – коническую.  По  такой  спирали  движется  вода,  вытекающая  из 
ванны в трубу и воздух в смерче и технических циклонах. 
     Конфигурация  потоков  в  вихревых  трубах,  технических  циклонах  и  других  вихревых 
устройств определяется геометрией стенок аппаратуры. 
     Одним  из  малоизученных  и  труднообъяснимых  с  теоретических  позиций  явлений  в 
вихревом  потоке  газа  или  жидкости  является  возникновение  обратного  осевого 
противотока  со  значительным  температурным  градиентом.  Например,  в  воздушных 
вихревых  трубах  температура  обратного  осевого  противотока  достигает  отрицательных 
температур,  а  периферийный  поток  воздуха  нагревается.  Причем  величина  градиента 
температур  зависит  от  геометрий  трубы,  давления,  расхода  и  влажности  подаваемого  в 
трубку воздуха /2/. 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
159
     Возникновение  обратного  осевого  противотока  в  вихревом  потоке  газа  или  жидкости 
объясняют  тем,  что  выход  периферийного  основного  потока  газа  или  жидкости 
ограничивается  специальными  устройствами,  что  создает  избыточное  давление, 
заставляющее газ или жидкость искать дополнительный выход из вихревой трубы. Такое 
объяснение  возникновения  встречного  осевого  противотока  в  вихревых  трубах  на 
сегодняшний день является общепринятым /2/.  
     Однако  специалисты  по  закрученным  струям,  широко  используемым,  например,  для 
создания  факелов  в  горелках  теплоэнергетических  установок,  отмечают,  что  противоток 
по  оси  закрученной  струи  возникает  и  при  отсутствии  стенок  аппарата.  Исследование 
профилей  скоростей  свободных  затопленных  струй  показывает,  что  обратное  осевое 
течение возрастает с увеличением степени крутки струи /3/. 
     Обратный противоток связан не столько с градиентом статического давления в струе, 
сколько  с  соотношением  тангенциальной  и  аксиальной  (осевой)  составляющих  её 
скорости /4/. Например,  струи,  сформированные  завихрителем  с  тангенциальным 
лопаточным  аппаратом,  при  угле  наклона  лопаток 40-45º имеют  в  приосевой  области 
большое разряжение, но не имеют обратных противотоков. 
     С другой стороны, как отмечено в /2/, всякий движущийся поток газа (или жидкости) 
имеет  две  температуры:  термодинамическую  Т,  определяемую  энергией  теплового 
движения  молекул  и  температуру  торможения  То,  которую  измеряют  неподвижным 
термометром, помещенным на пути потока. Эти температуры связаны соотношением /2/ 
  
                                      То = Т + V²/2Cр ,                                                     (1) 
 
где  Ср  - удельная теплоемкость газа (жидкости). 
     Второе  слагаемое  в  формуле (1) описывает  возрастание  температуры  вследствие 
торможения  потока  на  термометре.  Если  торможение  осуществлять  по  всему  сечению 
потока,  то  весь  газ  (жидкость)  нагревается  до  температуры  торможения    То.  При  этом 
кинетическая  энергия  потока  превращается  в  тепло.  Практически  это  подтверждается 
использованием тормозных устройств в вихревых трубах для нагрева воздуха и воды. 
      Преобразуя формулу (1), получают выражение /1/  
 
                                      Т = То - V²/2Cр ,                                                      (2) 
 
которое  показывает,  что  при  увеличении  скорости  потока V в  адиабатических  условиях 
термодинамическая температура уменьшается. 
     На это уменьшение температуры воды,  ускоряемой в сужающемся водоводе к турбине 
указывал  Л.  Гербранд /5/, предлагая  преобразовывать  тепло  воды  рек  в  кинетическую 
энергию потока, подаваемого к турбине гидростанции. 
     Действительно, еще раз переписав выражение (1) в виде 
 
                                     ∆V² =  2Cр  ( То – Т),                                                   (3) 
 
получают формулу /1/ для прироста кинетической энергии потока воды  
 
                                  ΔE = m ∆V²/2 = m Cр  ( То – Т),                                   (4) 
 
где   m – масса воды, прошедшей через водовод. 
     Закручивание  потока  жидкости  в  вихре  заставляет  часть  тепла,  которое  является 
внутренней  энергией  системы,  преобразовываться  в  кинетическую  энергию 
поступательного  движения  потока  вдоль  оси  вихря.  Тогда  вектор  скорости 
приобретаемого  поступательного  движения  оказывается  перпендикулярным  к  вектору 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
160
мгновенной  тангенциальной  скорости  вращательного  движения  частиц  в  потоке  и  не 
меняет  ее  величины.  При  этом  соблюдается  закон  сохранения  момента  количества 
движения потока /1/. 
     Но  закон  сохранения  импульса  системы  требует,  чтобы  при  приобретении  вихревым 
потоком  аксиального  импульса  какое-то  другое  тело,  находящееся  в  вихревом  потоке, 
одновременно  приобретало  такой  же  по  абсолютной  величине  импульс  в 
противоположном  направлении.  В  замкнутых  вихревых  трубах  обратный  импульс 
вынуждена  приобретать  осевая  часть  потока  газа  или  жидкости,  имеющая  меньшую 
тангенциальную скорость, чем периферийная. Если на пути вихревого потока поместить 
турбину,  то  последняя  будет  приобретать  дополнительный  импульс  в  аксиальном 
направлении.  Степень  использования  этого  импульса  будет  определяться  геометрией 
турбины.  
     Учитывая  вышесказанное,  разработана  вихревая  гидротурбина  (заявка  на 
инновационный патент РК № 2007/1323.1 от 02.11.2007г.), принципиальная схема которой 
представлена на рисунке 1. 
Вихревая гидротурбина  состоит из завихрителя 1, вихревой трубы 2, диффузора 3, 
турбины 4, сливной  емкости 5 и  подшипниковой  опоры 6, в  которой  вращается  вал 7 
жестко соединенный с турбиной 4. Подача воды в завихритель 1 осуществляется напорным 
водоводом 8 через  инжектор 9, а  отбор  воды  из  сливной  емкости 5 производится  по 
водоводу 10. 
 
Рисунок 1 – Принципиальная схема вихревой турбины 
 
          Турбина 4 выполнена  в  форме  конуса  со  спиральными  лезвиями  или  канавками, 
переходящими у основания в лопасти (на рисунке не показаны). 
      
Особенностью  турбины 4 является  то,  что  она  не  имеет  лопастей.  Спиральные 
лезвия  или  канавки  выполнены  по  коническим  винтовым  линиям  в  виде  штопора.  Эти 
лезвия или канавки ввинчиваются в вихревой поток воды,  не разрывая его и не создавая 
кавитации.  В  обычных  турбинах  лопасти  пересекают  поток  воды  и  разрывают  его.  При 
этом много энергии расходуется впустую на преодоление сил поверхностного натяжения 
и сцепления молекул воды. Это ведет и к потерям энергии и к появлению кавитационных 
явлений.  Последние  обуславливает  эрозию  металла  турбины  и  значительно  сокращают 
срок её эксплуатации. 
         Вихревая турбина работает следующим образом. Вода по водоводу 8 из горной реки 
под  напором  (зависящего  от    высоты  водозабора)  через  инжектор 9, где  ускоряется  и 
подается  в  завихритель 1, в  котором  она  приобретает  вихревое  движение  и  поступает  в 
2
8 
10 
1 
3 
4 
5 
6 
7 
9 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
161
вихревую  трубу 2 по  цилиндрической  спирали.  Вихревой  водяной  поток,  попадая  в 
сужающийся  зазор  между  стенками  вихревой  трубы 2 и  конической  турбиной 4,  
ускоряется  и  поступает  в  пазы  между  винтовыми  лезвиями  или  в  винтовые  канавки 
турбины 4. Здесь  поток  дополнительно  завихряется  и,  проходя  через  диффузор 3, 
разгоняет  турбину 4. Пройдя  пазы  между  винтовыми  лезвиями  или  винтовые  канавки, 
вода попадает на периферийные лопасти и отдает им оставшуюся кинетическую энергию 
и  под  собственным  весом  попадает  в  сливную  емкость 5. Из  нее  вода  выводится  по 
сливному водоводу 10 в горную реку или к следующей ниже турбине. 
         Крутящий  момент  с  вала 7 передается  через  кинематические  связи  известным 
устройствам для выработки электрической, тепловой энергии или для привода насоса или 
компрессора в зависимости от нужд потребителя. 
         Основными достоинствами предлагаемой турбины является: 
- Простота и технологичность конструкции; 
- Относительно низкие капиталовложения; 
- Эксплуатационная надежность; 
- Компактность; 
- Низкий объем гидротехнических работ; 
- Возможность сооружения локальных установок широкого диапазона мощностей. 
          Для  коммерческого  внедрения  предлагаемых  вихревых  гидротурбин  требуется 
проведение  комплексных  теоретических  и  экспериментальных  исследований  по 
оптимизации конструктивных и технологических параметров гидротурбины.    
          Выводы 

жүктеу/скачать 5,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: