Tepelný kavitační generátor

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného kavitačního generátoru, tedy zařízení pro výrobu tepelné energie s využitím řízené kavitace. Takovýto tepelný kavitační generátor obsahuje stator, v něm otočně uložený rotor a hřídel pro propojení rotoru s motorem pro pohon rotoru, přičemž vnitřní prostor statoru je vymezený vnitřním válcovým pláštěm, první deskovou stěnou a druhou deskovou stěnou a přičemž mezi vnějším pláštěm rotoru a vnitřním pláštěm statoru je prstencovitý meziprostor, do něhož ústí slepé dutinky vytvořené ve vnějším plášti rotoru.

Dosavadní stav techniky

Kavitace je vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí. Při hydrodynamické kavitaci je pokles tlaku důsledkem lokálního zvýšení rychlosti. Kavitační dutina je zpočátku vyplněna vakuem, později se vyplní párou okolní kapaliny nebo do ní mohou difundovat plyny z okolní kapaliny. Při vymizení podtlaku, který kavitaci vytvořil, její bublina kolabuje za vzniku rázové vlny. Kavitace vzniká například na lopatkách lodních šroubů, turbín, na čerpadlech a dalších zařízeních, která se velkou rychlostí pohybují v kapalině. Dle dosavadních poznatků dochází na plochách některých částí uvedených strojů v důsledku kavitace k mechanickému poškození, které způsobuje hluk a snižuje účinnost strojů.

Tento původně nežádoucí jev lze ale využít pro výrobu tepelné energie, přičemž vhodnou konstrukcí zařízení se eliminují nežádoucí destruktivní účinky a naopak se využije toho, že při kavi20 tační implozi, dochází k uvolnění velkého množství tepelné energie.

Podstata technického řešení

Technické řešení se týká tepelného kavitačního generátoru, který obsahuje stator, v něm otočně uložený rotor a hřídel pro propojení rotoru s motorem pro pohon rotoru, přičemž vnitřní prostor statoru je vymezený vnitřním válcovým pláštěm, první deskovou stěnou a druhou deskovou stě25 nou a přičemž mezi vnějším pláštěm rotoru a vnitřním pláštěm statoru je prstencovitý meziprostor, do něhož ústí slepé dutinky vytvořené ve vnějším plášti rotoru. Podle tohoto technického řešení je na straně první deskové stěny uspořádaný vtok pro přívod pracovní kapaliny do vnitřního prostoru statoru a na straně druhé deskové stěny je odtok pro odvod pracovní kapaliny z vnitrního prostoru statoru, přičemž v oblasti mezi prstencovitým meziprostorem a odtokem je uspořádaná plochá prstencovitá poloprepážka, která je souosá s osou otáčení rotoru a svým vnějším obvodem přiléhá k vnitřnímu válcovému plášti statoru.

S výhodou je vtok uspořádaný v první deskové stěně souose s osou otáčení rotoru.

Alternativně může být vtok uspořádaný v první deskové stěně v oblasti přiléhající k vnitřnímu válcovému plášti statoru nebo ve vnitřním válcovém plášti statoru v oblasti přiléhající k první deskové stěně.

Ve výhodném provedení technického řešení je šířka prstencovitého meziprostoru je v rozmezí 1,5 až 10 mm, nejlépe 2 až 3 mm.

Rovněž je výhodné, když je k vnější straně druhé deskové stěny připevněná tepelně-izolační deska.

Odtok může být propojený s čerpadlem pro odčerpávání pracovní kapaliny z meziprostoru do tepelného výměníku a / nebo topného okruhu pro vytápění budov.

Vtok může být propojený s čerpadlem pro vhánění pracovní kapaliny vtokem do meziprostoru.

Obzvláště výhodné je, když je tepelný kavitační generátor podle tohoto technického řešení opatřený řídicí jednotkou s frekvenčním měničem otáček, která je uzpůsobená pro propojení s moto-1 CZ 24957 Ul rem pro pohon rotoru, s regulačním ventilem pro regulaci tlaku přiváděné kapaliny, s čidlem pro měření teploty odváděné kapaliny a s čerpadlem pro odčerpávání kapaliny z meziprostoru.

Ve výhodném provedení tepelného kavitaČního generátoru podle vynálezu mají slepé dutinky válcovitý tvar o průměru 10 až 16 mm a hloubce 10 až 15 mm, zatímco rotor má průměr 120 až

240 mm, nejlépe 170 mm, a délku 50 až 120 mm, nejlépe 80 mm.

První desková stěna a i nebo druhá desková stěna má s výhodou kruhový tvar.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněn řez příkladným provedením tepelného kavitaČního generátoru podle tohoto technického řešení, na obr. 2 je schéma příkladu zapojení systému s tepelným kavitačním io generátorem podle tohoto technického řešení.

Popis příkladných provedení technického řešení

Jak je zřejmé z obr. 1, příkladné provedení tepelného kavitaČního generátoru 15 podle tohoto technického řešení zahrnuje stator 1, ve kterém je uspořádaný rotor 2. Rotor 2 je uložený na hřídeli 3, která je propojená s neznázorněným elektromotorem pro pohon rotoru 2. Vnější plášť rotoru 2 je opatřený soustavou slepých dutinek 5, které jsou v tomto příkladném provedení válcovité, radiální a s kruhovým rovným dnem. Jsou ale možné také jiné vnitřní tvary slepých dutinek 5, například půlkulovité nebo s kuželovým dnem a podobně. Vzájemná vzdálenost okrajů otevřených konců sousedních slepých dutinek je v tomto příkladném provedení přibližně rovna velikosti poloviny jejich poloměru až velikosti jejich průměru. Slepé dutinky 5 jsou radiálně směrem ven otevřené. Mezi válcovitým vnitřním pláštěm statoru 1 a vnějším pláštěm rotoru 2 se slepými dutinkami 5 je vytvořený prstencovitý meziprostor 4, do něhož je za provozu přiváděna kapalina, nejlépe voda, která se v generátoru 15 kavitační implozí intenzivně ohřívá a následně je odváděna odvodním potrubím do tepelného výměníku, případně do topného okruhu pro vytápění budov a objektů.

Vnitrní prostor statoru I je vymezený jednak vnitřním válcovitým pláštěm a jednak první deskovou stěnou 8 na jedné straně a druhou deskovou stěnou 9 na druhé straně, které jsou uspořádané s odstupem od rotoru 2. Druhou deskovou stěnou 9 prochází hřídel 3 k elektromotoru, přičemž je hřídel 3 v této oblasti opatřená těsněním 12, které brání průniku pracovní kapaliny do elektromotoru. V první deskové stěně 8 je vytvořený centrálně zaústěný vtok 6 pro přívod pracovní kapaliny do vnitřního prostoru statoru 1, resp. pro přívod pracovní kapaliny k prstencovitému meziprostoru 4. Je ale také možné uspořádat vtok 6 bočně, tedy v první deskové stěně 8 přilehle k vnitřnímu plášti statoru 1 nebo ve vnitřním plášti statoru 1, přilehle k první deskové stěně 8. Odtok 7 pracovní kapaliny z vnitřního prostoru statoru 1 je provedený ve válcovém vnitřním plášti statoru 1 v blízkosti druhé deskové stěny 9. K vnitřnímu plášti statoru 1 je připevněná prs35 tencovitá polopřepážka 10, která částečně předěluje vnitřní prostor statoru 1 na oblast s rotorem 2 a na oblast přiléhající k odtoku 7. Tak je za provozu pracovní kapalina díky této prstencovité polopřepážce 10 směrována z prstencovitého meziprostoru 4 radiálně směrem k hřídeli 3, obtéká vnitřní okraj prstencovité polopřepážky 10 a pak teprve se dostává do prostoru přiléhajícího k druhé deskové stěně 9 a k odtoku 7. V (neznázoměném) případě, že vtok 6 pro pracovní kapalinu není zaústěný do vnitřního prostoru statoru 1 centrálně, resp. je zaústěný bočně, může být výhodné uspořádat prstencovitou polopřepážku 10 také v oblasti mezi první deskovou stěnou 8 a čelem rotoru 2, které je k první deskové stěně 8 přivrácené.

K vnější straně druhé deskové stěny 9 je připevněná tepelně-izolační deska H, která brání úniku tepla do elektromotoru. K ní pak může být přisazena příruba 17 připojeného elektromotoru.

Na obr. 2 je znázorněno schéma příkladného zapojení systému s tepelným kavitačním generátorem 15 podle tohoto technického řešení. Motor 20 je připojený k tepelnému kavitačnímu generátoru 15. Z něj vystupuje potrubí 21 pro vedení ohřáté vody, které je pres troj čestný ventil 22 propojené jednak s tepelným výměníkem 23 pro ohřev vody pro systém 24 pro vytápění objektů

-2CZ 24957 Ul a jednak s tepelným výměníkem 25 pro ohřev vody pro systém 26 rozvodu teplé užitkové vody. Z tepelných výměníků 23 a 25 je zchlazená voda vedena vratným potrubí 27 pres vtok 6 zpět do tepelného kavitačního generátoru 15. Do vratného potrubí 27 je přes regulační ventil 29 zaústěný i přívod 28 studené vody pro doplňování vody do systému.

Regulační ventil 29 zajišťuje automatické doplňování pracovní kapaliny a reguluje, zejména udržuje tlak vody přiváděné do tepelného kavitačního generátoru Γ5 na hodnotě 0,1 - 0,9 bar.

Rozměry tepelného kavitačního generátoru podle tohoto technického řešení se mohou měnit podle požadovaného tepelného výkonu:

Příklad 1

Pohon elektromotorem o výkonu 5,5 kW

Stator: vnější 0 194 mm / tloušťka stěny 1 Omm / vnitřní plášť 0 174 mm;

Rotor: 0 vnějšího pláště 170 mm / délka 79 mm;

Slepé dutinky: 0 16 mm / hloubka 13 mm / rovné dno / 4 kruhové řady po 24 slepých dutinkách, tj. celkem 96 slepých dutinek;

Příklad 2

Pohon elektromotorem o výkonu 18 kW

Stator: vnější 0 245 mm/ tloušťka stěny 10 mm / vnitřní plášť 0 225 mm,

Rotor: 0 vnějšího pláště 220 mm / 80 mm,

Slepé dutinky: 0 16 mm / hloubka 13 mm / rovné dno / 4 kruhové řady po 24 slepých dutinkách, tj. celkem 96 slepých dutinek;

Samozřejmě jsou možné další varianty velikostí jednotlivých součástí tepelných kavitačních generátorů.

Vzdálenost druhé deskové stěny 9 od prstencoví té polopřepážky JO může být v rozmezí od 15 mm do 35 mm, nejlépe přibližně 25 mm. Obdobně vzdálenost první deskové stěny 8 čela rotoru 2, které je k ní přivrácené, může být v rozmezí od 5 mm do 30 mm, nejlépe 20 mm.

Průmyslová využitelnost

Tepelný kavitační generátor 15 podle vynálezu je flexibilní a je použitelný pro vytápění budov a objektů, případně pro ohřev užitkové vody. Nahrazuje topení uhlím, dřevem, biomasou, olejem, plynem, elektrickou energií nebo tepelnými čerpadly, a podobně.