CZ2011537A3 - Cerpací systém a zpusob cerpání - Google Patents

Abstract

Predkládaný vynález se týká zpusobu nepretržitého a autonomního cerpání nebo prepravování tekutin a zpusobu nepretržité a autonomní výroby energie a systému pro provádení techto zpusobu. Sestává ze sériového usporádání uzavrených termodynamických systému. Vynález je založen na objevu principu autonomního sekvencního klesání tlaku a stlacování. Rozpínání plynu dodává práci nezbytnou k cerpání nebo prepravování kapaliny z jednoho oddílu do druhého.

Description

ČERPACÍ SYSTÉM A ZPŮSOB ČERPÁNÍ

Oblast techniky

Různé umělé způsoby čerpáni, které dnes existuji, máji všechny jedno společné - totiž že k přepravě kapaliny z jednoho místa na druhé vyžadují konstantní zdroj energie například mechanické, elektrické, solární, větrné nebo hydrodynamické. Existují elektrická čerpadla (ponorná nebo osová s elektrickým motorem na povrchu), která k čerpání kapaliny z jednoho místa na druhé - jak už název napovídá vyžadují elektrickou energii. Také existují pístová čerpadla poháněná lidskou silou, která se používají k čerpání vody z vrtů. Tato čerpadla vyžadují ke svému provozu neustálý přísun lidské síly. Také existují čerpadla Glockemanova typu, která také pracují nepřetržitě, ale vyžadují spád nebo přirozený zdroj, aby mohla pracovat nezávisle.

Dosavadní stav techniky

Ξ čerpadly z dosavadního stavu techniky se pojí mnoho problémů. Například různé známé čerpací systémy vyžadují neustálé dodávání externí energie, neboť k vytváření hydraulické energie potřebné k přemisťování kapalin potřebují mechanický pohyb. Také vyžadují dodávky energie, která není vždy dostupná v blízkosti místa, kde má být čerpadlo nainstalováno.

93775a

Další problém spočívá v tom, že čerpadla jsou vystavena mechanickému opotřebování svých součástek, což znamená, že čím více jsou čerpadla používána, tím kratší je jejich provozní životnost. To platí zejména pro ruční čerpadla, jimiž jsou osazeny téměř všechny vrty ve vesnicích třetího světa a která nevydrží příliš dlouho, protože se poměrně rychle opotřebují.

Další problém spočívá v tom, že nej lepší z těchto čerpadel dosáhnou jen s obtížemi do hloubky 100 m, takže tato čerpadla nelze použít na určitých podložích, kde hladina spodní vody leží v hloubkách větších než 100 m. Proto je tam třeba uchýlit se k systému ponorných čerpadel využívajících solární panely nebo soupravy elektrických generátorů.

Další problém spočívá v tom, že maximální čerpací výkon těchto ručních čerpadel se s hloubkou značně snižuje. Většina těchto čerpadel má průměrný hodinový průtok 750 litrů, což zhoršuje dostupnost pitné vody ve vesnicích. Tvoří se dlouhé fronty. Tyto čerpací systémy nelze snadno využít ve většině rozvojových zemí, zejména jedná-li se o zavlažování nebo efektivní distribuci pitné vody.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález, vymezený v přiložených nárocích, se snaží vyřešit alespoň jeden z výše uvedených problémů a týká se čerpadla a způsobu čerpání.

Výše uvedené problémy, zejména problém dodávky externí energie, řeší vynález využitím principu postupného klesání tlaku nebo rozpínání, který jsou dále označován výrazem „autonomní sekvenční klesání tlaku, takže jakákoli kapalina v kontaktu se systémem může být čerpána teoreticky

93775a nezávisle, a tedy prakticky se sníženou spotřebou energie. V praxi toto čerpání probíhá s velmi malým přísunem energie, zejména pro zahájení.

Systém neobsahuje žádné ponorné čerpadlo ani mechanický píst a pro nepřetržitý provoz vyžaduje jen velmi malou dodávku externí energie, která je potřeba hlavně pro zahájení práce čerpadla.

Dále opotřebení čerpadla podle vynálezu je velmi malé, neboť uvnitř čerpadla nejsou prakticky žádné pohybující se části.

Navíc může být čerpadlo podle vynálezu používání k čerpání kapalin, zvláště vody, ležících v hloubkách přesahujících 10 m.

Přehled obrázků na výkresech Výkres 1/11

Tento výkres obsahuje obrázky 1 a 2. Obr. 1 představuje termodynamický systém se dvěma oddíly A a B, ve kterých jsou plyny s rozdílným tlakem. Tyto dva oddíly jsou odděleny pevnou zátkou 101 se zanedbatelnou hmotností, která je udržována na svém místě kolíkem 100. Obr. 2 představuje stejný systém s odstraněnými kolíky. Plyn v oddílu B se rozpíná, čímž dodává práci, která je schopna pohnout zátkou. V rovnovážném stavu je tlak plynu v obou oddílech stejný.

Výkres 2/11

Obr. 3 a 4 znázorňují systém jako na obr. 1 a 2 s tím rozdílem, že oba oddíly jsou propojeny trubkou 106 opatřenou ventilem, který umožňuje jejich izolování od sebe navzájem, nebo jejich vzájemné propojení. Zátka je zde nahrazena

93775a

- 4 - :: :··..:::.: :

• ••v · · · · · «* ·· ··· ··· «·· kapalinou schopnou zdvihnout trubku 106 podle toho, zda se plyn v oddílu B rozpíná či nikoli.

Výkres 3/11

Obr. 5 znázorňuje čerpadlo na principu sekvenčního klesání tlaku nebo stlačování, které se skládá z řady zařízeni znázorněných na výkrese 2/10 uspořádaných nad sebou.

Obr. 6 znázorňuje jiný způsob uspořádáni trubek umožňujících vzájemné propojení termodynamických oddílů.

Výkres 4/11

Obr. 7 znázorňuje hnací sloupec nutný k vytvoření tlaku, který aktivuje sekvenční klesání tlaku.

Výkres 5/11

Obr. 8 znázorňuje hnací sloupec spojený s čerpadlem na principu sekvenčního klesání tlaku.

Výkres 6/11

Obr. 9 znázorňuje uspořádání umožňující vyčerpáni jakékoli tekutiny ze studny.

Výkres 7/11

Obr. 10 znázorňuje systém umožňující teoreticky autonomní výrobu elektrické energie a prakticky autonomní po značně dlouhou dobu. Obsahuje zásobník, autonomní čerpadlo, turbínu, alternátor a sběrné potrubí.

Výkres 8/11

Obr. 12 znázorňuje horizontální uspořádání pro přepravu kapaliny na povrchu.

93775a

Výkres 9/11

Obr. 11 znázorňuje výrobnu energie pro teoreticky autonomní výrobu elektrické energie, v praxi autonomní po značně dlouhou dobu, s kombinací několika paralelně uspořádaných autonomních čerpadel.

Výkres 10/11

Obr. 13 znázorňuje čerpadlo využívající autonomní sekvenční stlačování.

Výkres 11/11

Obr. 14 znázorňuje rozdílový kompenzátor umožňující, aby byl pokles tlaku na povrchu předán do částí umístěných v hloubce.

Obr. 15 znázorňuje uspořádání čerpadla s vestavěnými rozdílovými kompenzátory.

Příklady provedení vynálezu

Autonomní sekvenční klesání tlaku

Princip sekvenčního klesáni tlaku je založen na skutečnosti, že plyn obsažený v neizolovaném uzavřeném systému může od okolního prostředí přijímat práci nebo naopak dodávat práci do okolního prostředí. Neizolovaný uzavřený termodynamický systém se systém, který si nevyměňuje hmotu s okolním prostředím, ale může si s okolním prostředím vyměňovat všechny druhy energie (například teplo, mechanickou sílu, pohyb, atd.).

Předkládaný vynález využívá situaci, kde se jedná o uzavřený systém, který dodává práci do okolního prostředí. Zde máme co do činění hlavně se stlačitelnými tekutinami.

93775a

Uvažujme případ stlačitelné tekutiny, například vzduchu, obsažené v trubici, která je izolována od vnějšího prostředí zátkou o zanedbatelné hmotnosti, která může klouzat bez jakéhokoli tření podél stěny trubice. Pokud se tlak v okolním prostředí sníží pod hodnotu tlaku uvnitř systému, posune se zátka v důsledku rozpínání stlačitelné tekutiny obsažené uvnitř systému. Systém pak dodává práci.

Obr. 1 znázorňuje dvě komory oddělené nepropustnou zátkou o zanedbatelné hmotnosti. Zátka je zajištěna dvěma kolíky 100, které udržují zátku v její poloze proti působení rozdílových tlaků. Nechť VI je objem a PÍ tlak v oddílu B a nechť Pex je tlak v oddílu A takový, že Pex << PÍ. Když se dva kolíky 100 vyjmou, je zátka 101 v důsledku rozpínání plynu tlačena nahoru, jak je znázorněno na obr. 2. To je výsledek práce plynu obsaženého v oddílu B.

Práce vykonávaná systémem vede ke zvětšeni 103 objemu, což odpovídá následující rovnici:

w = -P_exdV (rovnice 1), kde Pex je tlak v okolním prostředí a dV je změna 103 objemu.

Uvažujme tentýž experiment s tím rozdílem, že zátku, která může klouzat bez tření v důsledku rozpínání nebo expanze plynu, nahradíme zátkou 104, která je napevno připevněna ke stěně trubice svařováním nebo lepením. Tato zátka se tedy nemůže pohybovat, když se plyn rozpíná. Naplňme nyní oddíl B nestlačitelnou kapalinou 107. Prostrčme zátkou 104 mezi oddíly A a B trubku 10 6. Tato trubka 10 6 proniká do určité hloubky tak, aby se zabránilo jakékoli výměně plynů mezi oddílem B a oddílem A. Tento systém je tedy uzavřeným neizolovaným termodynamickým systéme, v němž je plovoucí zátka nahrazena nestlačitelnou kapalinou. Trubka

93775a

106, která prochází oběma oddíly, je izolována ventilem 105. Když je ventil 105 zavřený, jak je znázorněno na obr, 3, jsou oba oddíly A a B termodynamicky uzavřené a izolované.

Ponechme tlak Pex plynu v oddílu A nižší než tlak PÍ plynu 110 nad kapalinou v oddílu B. Když je ventil 105 zavřený, jsou oba oddíly od sebe izolovány, jak je znázorněno na obr. 3. Za těchto podmínek se v oddílu B nic neděje. Když se ventil 105 (pomalu) otevře, tak vzhledem k tomu, že tlak Pex v oddílu A je nižší než tlak plynu 110 v oddílu B, začne se tento plyn izotermicky rozpínat, což způsobí vystoupání kapaliny 107 v trubce 106, jak je znázorněno na obr. 4. Toto vystoupání kapaliny je doprovázeno zvětšením objemu plynu 110 v tomto oddílu. Toto zvětšení 108 objemu je výsledkem práce vykonávané plynem 110 v oddílu B. Toto zvětšení objemu v oddílu B, při němž nedochází k výměně hmoty, je doprovázeno poklesem tlaku PÍ plynu 110.

Celkovou práci vykonávanou plynem 110 při jeho rozpínání lze vyjádřit následujícím vztahem:

w = -Pdv - mgh = -P_exdV (rovnice 2), kde P je tlak plynu v oddílu B, dv je změna 108 objemu plynu 110 na obr. 4, m je hmotnost kapaliny, g je tíhové zrychlení a h je výška nebo hydrostatická výška 111 nestlačitelné kapaliny 107 v trubce 106. Pex je tlak vně oddílu B, který vládne v oddílu A, a dv je změna 103 objemu na obr. 2.

Podmínkou pro to, aby kapalina 107 zcela vyplnila trubku 106, je, aby práce dodávaná rozpínáním plynu 110 byla dostatečná k poskytnutí požadované práce, což přímo souvisí s velikostí tlaku Pex v oddílu A. V experimentálním zařízení znázorněném na obr. 3 a 4 je práce, která musí být dodána, aby kapalina 107 zcela vyplnila délku trubky 106, vyjádřena

93775a

- 8 následujícím vzorečkem, který byl stanoven při zohlednění experimentálních faktorů:

sin a _{w =} PPí ý KTV„_p (h+f) (rovnice 3).

Pl a VI jsou tlak a objem plynu 110 v původním stavu, tj . před otevřením kohoutku 105; p je hustota kapaliny 107; g je tíhové zrychlení; R je univerzální plynová konstanta; T je teplota plynu; Vt je celkový objem trubky 106; Vtsp je měrný objem trubky 106; o je úhel mezi systémem a horizontální rovinou.

Tlak plynu 110 v oddílu B, když je vykonávaná práce dostatečně velká na to, aby kapalina 107 vystoupala celou výšku trubky 106, je vyjádřen rovnicí popsanou v rovnici 4. Tento tlak je označován jako kritický tlak, Pc, při jehož překročení kapalina 107 přeteče z trubky do oddílu A. Je vyjádřen následujícím vztahem:

PgF _t ² sin a

PC - -V+V, (rovnice 4) .

Celková práce dodávaná izotermickou expanzní plynu 110 pak může být vyjádřena následujícím vztahem, který je řešením rovnice 3:

¹¹ l (h+h)

Siná (rovnice 5) .

93775a

- 9 Snížení tlaku plynu 110 v oddílu B v důsledku jeho expanze může být využito jako externí tlak jiným neizolovaným uzavřeným systémem podobným systému z obr. 3 a 4. To obnáší uspořádání těchto jednoduchých zařízení odpovídajících modelu popsanému v souvislosti s obr. 3 a 4 do série navrstvením na sebe, jak znázorňuje obr. 5. Toto zařízení se tedy skládá z řady termodynamických systémů, které jsou uzavřené a izolované, pokud jde o plyn uložený nad tekutinou v každém systému. Počet molů těchto plynů zůstává konstantní, protože nedochází k výměně hmoty s ostatními systémy. Z termodynamického hlediska se však nestlačitelná kapalina chová jako v otevřeném systému, protože existuje možnost přepravení kapaliny z jednoho systému do jiného. Rozpínání plynu obsaženého v uzavřeném a izolovaném systému dodá práci nezbytnou k přepravení kapaliny obsažené v otevřeném systému z jednoho systému do druhého.

V zařízení z obr. 5 způsobí snížení tlaku plynu v prvním systému 112 rozpínání systému 114 ležícího pod ním a toto „postupné nebo sekvenční rozpínání či klesání tlaku se bude šířit směrem k poslednímu systému 115 v závislosti na tom, jaký tlak byl vytvořen v prvním systému 112. Poslední systém 115 je spojen přímo trubkou 117 s okolním prostředím - vnějším systémem 116, který obsahuje kapalinu, nad níž je tlak P, což je ve většině případů atmosférický tlak nebo jiný tlak - pokud je tento vnější systém rovněž uzavřen od atmosféry. Tento tlak P je víceméně roven původním tlakům plynů v každém systému zařízení z obr. 5. Pokud je tlak aplikovaný na první systém 112 dostatečný na to, aby způsobil expanzi plynu obsaženého v posledním systému 115. Tato expanze zase způsobí snížení tlaku v systému 115. To způsobí rozdíl tlaku mezi okolním tlakem vnějšího systému 115, což povede k tomu, že kapalina

93775a

- 10 obsažená v systému 115 vystoupá uvnitř trubky 117. Příchod kapaliny do systému 112 zvýší tlak plynu v tomto systému a to způsobí další vystoupání kapaliny v systému 112 do systému ležícího nad ním. Toto stoupání bude sekvenčně pokračovat - používáme výraz „sekvenční proudění dokud kapalina nedorazí do prvního systému 113, kde zůstane uložena. Pokud je tlak v prvním systému udržován konstantní, bude toto sekvenční klesání tlaku následované sekvenčním prouděním pokračovat po značně dlouhou dobu, omezováno pouze nedokonalostmi v systému (zahřívání, vypařování, tvorba bublin, atd.).

Když je podtlak vytvořený v prvním systému 112 dostatečně velký na to, aby byl tlak v posledním systému 115 roven kritickému tlaku, může být tlak Pi plynu obsaženého v každém systému i vyjádřen či posouzen pomocí následující rovnice:

,ogc/v²sincr

Pi ₌ —Síj--/ dv <vt + dv) (rovnice 6) pg(ht² -himt² )*V_Up sin a Pi = —^Ρ|Κι => dv > vt + (rovnice 7) , kde dv je změna objemu vzduchu 110 při rozpínání, vt je objem trubky a himt je změna hloubky vody 109 v průběhu klesání tlaku.

Rovnice 6 a 7 jsou fyzikální modely změny tlaku vzduchu v průběhu rozpínání. Změna tlaku, když je dv menší nebo rovno objemu trubky, je popsána rovnicí 6 a, když je objem dv větší než boje trubky, tj. když kapalina přeteče z trubky a spadne do horního oddílu, je tlaku vzduchu 110 popsán rovnicí 7.

93775a

- 11 Když uplatňovaný pokles tlaku přesáhne fyzikální délku, blíží se rozdíl tlaku mezi výtokovou a nasávaci stranou nule. Systém se chová, jako kdyby zde nebyla žádná hydrostatická tlaková výška. Zjevná délka systému je kratší než fyzikální délka zařízení.

Je-li znám celkový počet systémů uspořádaných v řadě za sebou, je možné vypočítat podtlak PexR, který musí být vytvořen v prvním systému 112, aby bylo možno dosáhnout kritického tlaku Pc v posledním systému, a to pomocí následující rovnice:

pg(ht²-himt* fusing

Pex_R =

- pg(ht - himt,) sin a (rovnice 8).

Podmínka pro to, aby sekvenční proudění pokračovalo až k zásobárně, je závislá na rozdílu tlaků mezi tlakem nad kapalinou 116 a tlakem plynu v posledním systému 115. Tento rozdíl musí být dostatečně velký na to, aby způsobil vystoupání kapaliny 125 přes celou výšku trubky 117 a její přelití do posledního systému 115. Aby tento systém mohl pracovat nepřetržitě, je důležité poznamenat, že tlak plynu 110 musí být vyšší než tlak varu. Při nižších tlacích budou rozpuštěné plyny zplynovat a doplní rozdíl tlaku v systému umístěném vedle prvního systému. Plyny vycházející z kapalné fáze tedy zvýší tlak plynu nad kapalinou a to neumožní zahájit autonomní sekvenční klesání tlaku. Kritický tlak Pc a tlak Pex prvního systému musí být nevyhnutelně vyšší než tlak varu. V případě vody je tlak varu dokonce i při 50 stupních Celsia dostatečně nízký (0,123 bar) a pro všechny teploty v rozmezí mezi 5 a 140 stupni Celsia může být odhadnut pomocí následující rovnice:

93775a

- 12 . „ _._Q7 5120 Psut“ 13.7 “ ——— (rovnice 9), kde T je teplota na Rankinově teplotní stupnici a Psát je saturační tlak v atmosféře.

Zařízeni z obr. 5 je tedy schopno dosáhnout autonomního sekvenčního klesání tlaku následovaného autonomním sekvenčním prouděním. Tento postup se bude opakovat do nekonečna za předpokladu, že ve vnějším systému nedojde kapalina a že tlak vytvořený v prvním systému 112 bude udržován konstantní. Prakticky toho lze dosáhnout použitím vakuového čerpadla spojeného se systémem 112; prouděni bude nepřetržité. Použití vakuového čerpadla předpokládá použití energie z externího (elektrického či mechanického) zdroje.

K vytvoření podtlaku nezbytného v systému 112 k zajištění nepřetržitého provozu systému se tedy využije jedna z dobře známých vlastností mechaniky tekutin. Uvažujme zařízení podobné tomu, které je znázorněno na obr. 7. Skládá se z trubice naplněné kapalinou do výšky 119. Nad hladinou kapaliny je normální tlak, který může být roven okolnímu tlaku plynu ve vnějším prostředí. Trubice má vypouštěcí otvor 122 uzavřený ventilem 121. Když je ventil 121 otevřený, vytéká voda svou vlastní vahou ven z otvoru. Toto vytékání způsobí zvětšení objemu plynu 123 podobné rozpínání, ale rozpínání způsobenému vytékáním vody. Výsledkem je snížení tlaku plynu 123. Když se výčnělek 124 z obr. 7 připojí k prvnímu systému 112 z obr. 5, jak je znázorněno na obr. 8, způsobí pokles tlaku plynu 123 snížení tlaku v prvním systému 112 nutné pro zahájení autonomního sekvenčního klesání tlaku. Je-li dále tlak Pex v systému 112 roven tlaku popsanému rovnicí 8, bude autonomní sekvenční klesání tlaku následováno autonomním sekvenčním prouděním.

Proudění ven z otvoru 122 ustane při minimální výšce či hydrostatické výšce popsané následující rovnicí:

93775a

(rovnice 10), kde Patrn je vnější tlak, který odpovídá atmosférickému tlaku v systému otevřenému do atmosféry. Pokud se připojení výčnělku 124 provede ve spodní části 125 systému 112, zvýší sekvenční proudění hladinu kapaliny, která bude protékat výčnělkem 124 hnacího sloupce z obr. 7.

Výška tohoto hnacího sloupce musí být poměrně velká, aby když hladina kapaliny dosáhne minimální výšky nebo hydrostatické výšky Hmin, při které kapalina přestane vytékat z kohoutku 122, byl tlak Pex plynu roven tlaku PexR nutnému k zahájení autonomního sekvenčního klesání tlaku a autonomního sekvenčního proudění.

Autonomní sekvenční stlačování

Stejný systém, jaký byl popsán výše a který využívá princip autonomního sekvenčního klesání tlaku, může být použit k vytvoření autonomního sekvenčního stlačování. Aby se toho dosáhlo, je zapotřebí pouze ponoření čerpadla do dostatečně velké hloubky, což způsobí stlačení plynu obsaženého nad kapalinou. Klíčovým cílem je dosáhnout stlačení, aby vznikl rozdíl tlaku ve srovnání s vnějším tlakem či tlakem v okolním prostředí. Zároveň se tím, jak probíhá stlačování, a protože je kapalina otevřená do systému umístěného nad ni s nižším tlakem, dodá stlačený plyn práci, která způsobí vystoupání kapaliny v systému do horního oddílu. Plyn se stlačí vstupem kapaliny ponořenou částí. Vstup kapaliny do systému sníží objem vzduchu, tedy zvýší jeho tlak. Tlak stlačování je roven hydrostatickému

93775a

- 14 tlaku nebo hydrostatické výšce kapaliny, do které je čerpadlo ponořeno.

V systému autonomního sekvenčního stlačování není potřeba hnací sloupec. Rozdíl tlaků mezi systémem a okolním prostředím je dostatečný pro umožnění sekvenčního proudění, když je hloubka ponoření dostatečná k zahájení sekvenčního stlačování.

Oblasti použiti

Vrty a studny

Vynález může být použit v oblasti vodního hospodářství. Může nahradit všechny dosavadní systémy, které jsou dnes používány k získáváni vody. Systém může dosáhnout do hloubky přesahující několik set metrů. Zjednodušený nákres tohoto použití je znázorněn na obr. 9. Hnací sloupec odpovídá horní části studny. Hydrostatická výška tohoto hnacího sloupce musí být navržena tak, aby vyhovovala podmínce nezbytné k zahájení klesání tlaku a sekvenčního proudění, když se otevře kohoutek 128. Pokud je kapacita vodonosné vrstvy 129 využívané k získávání vody dostatečně velká, může se hydrostatická výška horní části 127 studny zvýšit, aby se dosáhlo dostatečného hydrostatického tlaku. Kohoutek 128 je možno nahradit řadou hydrantů, které umožní současné dodávání vody k velkému počtu jednotlivců. Koncepce čerpadla musí zohledňovat maximální průtok, který může daná vodonosná vrstva 1_29 dodávat, aby se zabránilo vyschnutí vrtu nebo studny. Výkon čerpadla musí být tedy nižší než maximální vydatnost přítoku do studny nebo vrtu. S tímto čerpadlem lze přímo naplnit věž stojící ve výšce H nad povrchem. Stačí pouze, aby čerpadlo vystoupalo ze studny do výšky, která umožní, aby se voda z kohoutku 128 vyprázdnila přímo do věže. Když není požadováno vytvořit zásobárnu vody, může

93775a

- 15 toto čerpadlo pracovat bez věže. Může vodu dodávat přímo do rozvodné sítě pro vesnici nebo město. Omezujícím faktorem bude vydatnost přítoku do vodonosné vrstvy.

Výroba elektřiny

Čerpadlo je také schopné vytvořit vodní elektrárnu ve formě smyčky, jak je znázorněno na obr. 10. Toto zařízení se skládá ze zásobníku 138 obsahujícího vodu 139. Uvnitř něj je nainstalováno čerpadlo 131 na principu autonomního sekvenčního klesání tlaku, které je ve své horní části překryto hnacím sloupcem 132 obsahujícím vodu. Hnací sloupec je spojen se zásobníkem sběrným potrubím 133. Ke konci tohoto sběrače je připojena turbína 134, která je připojena k elektrickému alternátoru. K alternátoru jsou připojeny elektrické kabely 136. Když se otevře ventil 140, proudí voda z hnacího sloupce 132 do sběrného potrubí 133 a roztáčí turbínu, která pohání alternátor, který vyrábí elektřinu. Snížení množství vody v hnacím sloupci způsobí rozpínání plynu 141 nad vodou. Toto rozpínání vytvoří podtlak, který aktivuje jevy klesání tlaku a sekvenčního proudění čerpadlem 131. Toto čerpadlo čerpá vodu ze zásobníku 138 a dodává ji do hnacího sloupce.

Elektrická energie vyráběná tímto systémem je popsána následujícími vztahy:

Pkw = pQhg (rovnice 13) , . _ Patrn - Pex h = H-Pg (rovnice 14), kde Q je průtok, h je efektivní hydrostatická výška spádu a H je hydrostatická výška 142 vody v hnacím sloupci vzhledem

93775a k hřídeli turbíny 134. Elektrárna tohoto typu může být v jakékoli velikosti od malé (postačující k napájení jednoho domu) po velkou (postačují k napájeni města). Podle rovnice 13 je elektrická energie závislá na hydrostatické výšce h spádu a na průtoku Q. Tyto dva parametry bude mít konstruktér pod kontrolou, takže bude možné zkonstruovat systém schopný generovat možné množství energie na základě přizpůsobení průtoku a hydrostatické výšky. Pro zvýšení průtoku Q je možné vzít v úvahu koncepci, která bude využívat několik paralelně uspořádaných čerpadel na principu autonomního sekvenčního klesání tlaku, jak je znázorněno na obr. 11. V takovém případě bude rovnice 13 nahrazena následující rovnici:

Pkw = pgh^.^ Q.

(rovnice 15), kde k je počet paralelně uspořádaných sekvenčních čerpadel a Qj je průtok každého čerpadla.

Potrubí pro přepravu kapalín

V rovnici popisující klesání tlaku v každém systému (rovnice 6) si všimněte významu vlivu sklonu na výkon čerpadla. Když se úhel blíži k nule, tj . k horizontální rovině, je podtlak ve všech termodynamických systémech, které tvoří čerpadlo, stejný. To znamená, že toto autonomní sekvenční klesání tlaku lze použít k přepravě kapaliny na dlouhé vzdálenosti bez dodávek externí energie. Tato vlastnost umožňuje využití vynálezu pro zavlažování rozsáhlých oblastí, rozvádění pitné vody v zastavěných oblastech a rovněž rozváděni jiných kapalin než vody. Hospodaření s vodními zdroji se tím usnadní. Obr. 12

93775a ·· ·* * ··* · ·* ·· · · · « ·

- 17 - : : :*·..:::.::

4··· · · ·· « » A ·· ···♦· znázorňuje uspořádání pro přechod z vertikální roviny do horizontální roviny.

Tvorba inženýrských staveb

Tyto principy mohou být použity k výstavbě autonomních veřejných kašen nebo inženýrských staveb nejrůznějšího druhu.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Čerpadlo vybavené systémem (112, 114,115) obsahujícím uzavřený plyn, který je v kontaktu s interní kapalinou, přičemž tlak zmíněného uzavřeného plynu může být snížen nebo zvýšen vzhledem k tlaku okolního prostředí vně zmíněného systému změnami hladiny zmíněné kapaliny, vyznačující se tím, že: zmíněné čerpadlo obsahuje několik dalších systémů (112, 114, 115), jejichž příslušná kapalná prostředí jsou souvisle propojena, takže stlačení nebo pokles tlaku plynu uzavřeného v jednom systému (112, 114, 115) způsobí postupné změny hladin kapaliny v ostatních systémech (112, 114, 115) následkem postupného zvyšování nebo snižování tlaku plynů obsažených v každém z těchto systémů (112, 114, 115), což umožní čerpání externí kapaliny, která je v kontaktu s interní kapalinou jednoho ze zmíněných systémů (112, 114, 115) .
2. 2. Čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že spočívá v uspořádání systémů (112, 114, 115) za sebou navrstvením těchto systémů (112, 114, 115) vertikálně na sebe.
3. 3. Čerpadlo podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že alespoň v jednom modulu je udržován snížený tlak pomocí vakuového čerpadla nebo hnacího vodního sloupce.
4. 4. Čerpadlo podle nároku 3, vyznačující se tím, že snížený tlak je vytvořen zařízením obsahujícím

   24 93775a

   - 19 sloupec, který obsahuje vodu a je uzavřen ventilem, který po otevření způsobí snížení tlaku.
5. 5. Čerpadlo podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vykazuje částečné ponoření do externí kapaliny, aby dodával tlak nezbytný k zahájení autonomního sekvenčního proudění.
6. 6. Zařízení pro výrobu elektřiny, vyznačující se tím, že obsahuje čerpadlo podle některého z nároků 1 až 5 a turbínu, která má být uváděna do pohybu kapalinou čerpanou zmíněným čerpadlem.
7. 7. Výrobní zařízení podle nároku 6, vyznačující sg tím, že obsahuje následující vybavení: zásobník obsahující vodu, jedno či více čerpadel podle některého z nároků 1 až 5, hnací sloupec a sběrné potrubí a turbínu.
8. 8. Použití čerpadla podle některého z nároků 1 až 5 alespoň k jednomu z následujících účelů: přeprava kapalin přes velké vzdálenosti, zásobování obyvatelstva pitnou vodou z vrtu nebo ze studny nebo přepravou po povrchu, budování a vytváření inženýrských nebo dekorativních staveb, výroba energie používané k pohybu vozidla po zemi, po moři nebo vzduchem.