HRP20110594A2 - Sustav i postupak za autonomnu proizvodnju fluida i električne energije - Google Patents

Abstract

Ovaj izum se odnosi na postupke i sustave za pumpanje ili prebacivanje fluida, te za kontinuiranu i autonomnu proizvodnju energije. Sastoji se od zatvorenih termodinamički sustava koji su serijski raspoređeni. Izum se temelji na otkriću načela autonomnog serijskog podtlaka i kompresije. Odnosno, to je ekspanzija plina koji daje rad potreban za crpljenje ili prebacivanje fluida iz jednog odjeljka u drugi.

Description

Prethodno stanje tehnike

Razne umjetne metode crpljenja koje danas postoje sve imaju jedan zajednički faktor, odnosno zahtijevaju mehanički, električni, solarni, hidrodinamički izvor energije ili energiju vjetra kako bi se mogla proizvesti hidraulička ili hidrodinamička energija potrebna za prijenos tekućine ili iz jedne točke u drugu. Postoje električne pumpe (potopne ili aksijalne s električnim motorom na površini) koje, kako i ime naznačuje, zahtijevaju električnu energiju kako bi se tekućina mogla crpiti iz jedne točke u drugu. Tu su i ručno pogonjene klipne crpke koje se koriste za crpljenje vode iz bušotina. Ove crpke zahtijevaju stalnu prisutnost ljudske radne snage kako bi mogle funkcionirati. Također postoje i Glockeman crpke koje također neprekidno rade, ali zahtijevaju pad ili prirodni izvor, kako bi mogle autonomno raditi.

Svi ti različiti sustavi crpki zahtijevaju vanjsku energiju; potrebno im je mehaničko gibanje u cilju dobave hidrauličke energije potrebne za premještanje tekućine. Dakle, oni su podložni mehaničkom trošenju dijelova, što znači da što se više koriste, to se više skraćuje njihov vijek trajanja. Ručne crpke koje su ugrađene u gotovo sve seoske bušotine u trećem svijetu ne traju jako dugo, jer se vrlo brzo istroše. Najbolje od tih crpki imaju poteškoća kod postizanja dubine od 100 m, i to čini ovu vrstu pumpa nepraktičnom u određenim područjima u kojima se podzemne vode nalaze na dubini većoj od 100 m. Rješenje za to je primjena sustava potopljenih crpki koje koriste solarne ploče, pa čak i električne generatore. Maksimalna količina protoka koju te ručne crpke mogu pumpati uvelike se smanjuje sa dubinom. Većina tih pumpi ima srednji protok od 750 litara na sat, što otežava pristup pitkoj vodi u selima. To dovodi do dugih redova. Stoga se ovi crpni sustavi ne mogu jednostavno primijeniti u većini zemalja u razvoju, osobito kada se radi o navodnjavanju ili učinkovitoj raspodjeli vode za piće.

Jedan od ključnih problema današnjeg doba je proizvodnja "zelene" energije. Danas se svi najkorišteniji sustavi za proizvodnju energije temelje se na fosilnim gorivima. Postoje elektrane koji zahtijevaju fosilna goriva za proizvodnju električne energije. Izgaranje tih goriva proizvodi ugljični dioksid i druge stakleničke plinove koji su odgovorni za globalno zagrijavanje. Ove elektrane koriste tzv. strojeve za izgaranje, koji kod pokretanja, okreću osovinu koja pokreće alternator koji generira električnu energiju.

Nuklearne elektrane koriste cijepanje goriva za zagrijavanje vode u paru koja je pod visokim tlakom usmjerena na turbinu koja se okreće. Okretanje ovih turbina zatim pogoni alternator koji proizvodi električnu energiju dok se rotira. Nuklearne elektrane ne proizvode stakleničke plinove, međutim emitiraju mnogo radioaktivnog otpada koji je vrlo teško kontrolirati. Nuklearne elektrane, bez obzira gdje su smještene, predstavljaju globalnu opasnost u slučaju nesreće poput one koja je zadesila nuklearnu elektranu u Černobilu. Njihov trošak ulaganja i vještine potrebne za upravljanje sa tim nuklearnim elektranama su značajni, te zbog toga mnogo zemalja diljem svijeta ne može ni sanjati o korištenju takve tehnologije.

Danas, je puno truda okrenuto prema obnovljivim izvorima energije kao što su solarna energija, energija vjetra, geotermalna energija itd. Solarna energija koristi zrake sunca kako bi se aktivirale fotonaponske ploče koje na izlazu daju električnu energiju. To je izvor besplatne energije koja ne zagađuje, iako je cijena solarne opreme još uvijek pretjerana, ali sezonske ili klimatske promjene mogu utjecati na performanse fotonaponskih sustava. To ih čini pomalo neatraktivnim i neprimjenjivim za potrošnju energije u mjeri koja je potrebna u izgrađenim područjima. Energija vjetra se naširoko koristi u mnogim razvijenim zemljama, međutim, potreban je vjetar kako bi se stvorila ta energija. Međutim, vjetroenergetski sustavi nisu pod ljudskom kontrolom. Oni ovise o strujanju vjetra, te se mogu koristiti samo kao potpora drugim sustavima za proizvodnju energije. U slučaju energije vjetra, vjetar pokreće turbinu koja pak okreće alternator koji proizvodi električnu energiju.

Svi navedeni sustavi pretvaraju primljenu energiju u rotacijsko gibanje koje pokreće alternator, čime se proizvodi električna energija. Idealni slučaj je korištenje hidroelektrana koje koriste stalni pad vode za proizvodnju znatne količine energije. Brane hidroelektrana su najbolji sustavi, jer oni ne zagađuju, oni ne zahtijevaju dodavanje goriva i ne proizvode stakleničke plinove. Međutim, ove brane hidroelektrana moguće je graditi samo tamo gdje postoji prilično veliki prirodni pad vode, kako bi se omogućio njihov rad. Ta činjenica zemljopisno ograničava njihovo korištenje, odnosno mjesto gdje hidroelektrana može biti izgrađena. Hidroelektrane se mogu graditi u područjima gdje tehničke studije pokazuju da za njih postoji potencijal. Mnogi su zamislili ideju izgradnje hidroelektrane unutar zatvorene petlje, odnosno elektrana se sastoji od rezervoara na visini, dok se drugi spremnik nalazi dolje. Ideja je u tome da se uzrokuje pad vode od rezervoara na visini, te taj pad pogoni turbine za proizvodnju električne energije. Crpka bi bila instalirana u spremniku za prikupljanje na dnu, tako da voda može biti crpljenja i vraćana natrag u spremnik izgrađen na vrhu. Međutim, takav je sustav nemoguće ostvariti, jer već će turbina potrošiti dio od potencijalne energije pada vode zbog trenja, te drugo, ukupna energija dovedena u crpku nije 100% pretvorena u hidroenergiju za vraćanje vode u početni spremnik. Stoga je zatvoreni sustav hidroelektrane neizvediv. Zato je potrebno pronaći prirodni pad za dobivanje protoka.

Opis izuma

Predmetni izum će stoga riješiti problem dobave vanjske energije za pretvaranje u hidrauličnu energiju potrebnu za crpljenje ili transport fluida iz jedne točke u drugu. Izum se sastoji od postupka koji se temelji na načelima autonomnog serijskog podtlaka ili ekspanzije i kompresije i sustav omogućava da bilo koja tekućina u dodiru sa sustavom može biti crpljena autonomno i neprekidno. Sustav nema uronjenu crpku ili mehanički klip niti zahtijeva vanjski izvor energije kako bi mogao neprekidno biti u pogonu. S ovim gore navedenim značajkama, sustav rješava jedan od najvećih problema: potrebu korištenja vanjske energije.

Autonomni serijski podtlak

Načelo serijskog podtlaka temelji se na činjenici da plin koji se nalazi u ne-izoliranom zatvorenom sustavu može primiti rad od vanjske okoline ili može predati rad vanjskoj okolini. Neizolirani zatvoreni termodinamički sustav je sustav u kojem nema razmjene materijala s vanjskom okolinom, ali može izmjenjivati sve vrste energije s vanjskom okolinom (npr. toplina, mehanička sila, pomak, itd.). Predmetni izum, dakle iskorištava situaciju u kojoj je to zatvoreni sustav koji predaje rad vanjskoj okolini. Ovdje se uglavnom radi sa stlačivim fluidima. Razmotrimo slučaj stlačivog fluida, npr. zraka, sadržanog u cijevi koja je izolirana od vanjskog okoliša sa čepom zanemarive težina koji može klizati bez trenja duž stjenke cijevi. Ako je tlak vanjskog okoliša smanjen ispod tlaka koji je dobiven unutar sustava, čep će se premjestiti pod djelovanjem širenja stlačivog fluida koji se nalazi unutar sustava. Za sustav se tada kaže da dobavlja rad.

Slika 1 prikazuje dvije komore odvojene nepropusnim čepom zanemarive težine. Čep je osiguran sa dva klina [100] koji drže čep u položaju prema diferencijalnim tlakovima. Neka V1 i P1 budu volumen i tlak u odjeljku B i neka je Pex tlak u odjeljku A tako da je Pex <<P1. Kada se dva klina [100] uklone, čep [101] je pomaknut prema gore zbog širenja plina kao što je prikazano na slici 2. To je rezultat rada plina sadržanog u komori [B]. Rad koji sustav obavlja rezultira povećanjem volumena [103] koji odgovara jednadžbi:

[image] (Jednadžba 1)

Gdje Pex je tlak dobiven u vanjskoj okolini i dV je promjena volumena [103].

Neka se razmotri isti pokus, ali umjesto da postoji čep koji može klizati bez trenja pod utjecajem širenja ili ekspanzije plina, možemo čep zamijeniti s čepom [104] koji se u potpunosti pričvršćuje na stjenku cijevi zavarivanjem ili lijepljenjem. Stoga se ovaj čep ne može pomicati kada se plin širi. Neka se sada odjeljak B ispuni sa nestlačivim fluidom [107]. Neka imamo cijev [106] koja prolazi kroz čep [104] između odjeljaka A i B. Navedena cijev [106] prodire do određene dubine kako bi se izbjegla bilo kakva razmjena plina između odjeljka B i odjeljka A. Ovaj sustav je dakle, zatvoreni neizolirani termodinamički sustav u kojem je plutajući čep zamijenjen sa nestlačivim fluidom. Cijev [106] koja prolazi kroz dva odjeljka je izolirana sa ventilom [105]. Kada je ventil [105] zatvoren kao što je prikazano na slici 3, dva odjeljka A i B su termodinamički zatvoreni i izolirani.

Neka se drži tlak Pex plina u prostoru A manji od tlaka P1 plina [110] dobivenog u odjeljku B iznad tekućine. Ako se ventil [105] drži zatvoren, dva odjeljka su stoga izolirani jedan od drugog kao što je prikazano na Slici 3. Pri takvim uvjetima, ništa se ne događa u odjeljku B. Ako je ventil [105] otvoren [polako], jer je tlak Pex u prostoru A manji od tlaka plina [110] u odjeljku B, taj plin će početi izotermnu ekspanziju koja će stoga uzrokovati da se tekućina [107] u odjeljku B podigne uz cijev [106] kao što je prikazano na slici 4. Ovo podizanje tekućine prati povećanje volumena plina [110] u odjeljku. Ovo povećanje volumena [108] je rezultat rada koji obavlja plin [110] iz odjeljka B. Porast volumena bez razmjene materijala u odjeljku B je stoga uzrokovan sa padom tlaka P1 plina [110].Ukupni rad koji obavlja plin [110] tijekom ekspanzije, se dakle, izražava sljedećim odnosom:

[image] (Jednadžba 2)

Gdje je P tlak plina u odjeljku B, dv je promjena volumena [108] plina [110] sa slike 4, m je masa tekućine, g je ubrzanje zbog gravitacije i h je visina [111] nestlačive tekućine [107] u cijevi [106]. Pex je tlak izvan odjeljka B koji je postignut u odjeljku A, dV je promjena volumena [103] sa slike 2. Uvjet da tekućina [107] u potpunosti ispuni cijev [106] je da je rad dobavljen putem ekspanzije ili širenja plina [110] dovoljan da osigura traženi rad. To je izravno povezano sa veličinom tlaka Pex u odjeljku A. U eksperimentalnom uređaju prema slici 3 i slici 4 rad koji mora biti dobavljen da tekućina [107] u potpunosti ispuni duljinu cijevi [106] je opisan donjom formulom koje je zasnovana uz uzimanje u obzir eksperimentalnih faktora:

[image] (Jednadžba 3)

P1 i V1 su tlak i volumen plina [110] u početnom stanju, to jest prije otvaranja ventila [105], ρ je gustoća tekućine [107], g je ubrzanje zbog gravitacije, R je univerzalna plinska konstanta, T je temperatura plina, Vt je ukupni volumen cijevi [106]; Vtsp je specifični volumen cijevi [106]; α je kut između sustava i horizontalne ravnine.

Tlak plina [110] u odjeljku B, kada je obavljeni rad dovoljno velik da se tekućina [107] uspne do pune visine cijevi [106] je opisan jednadžbom 4. Taj tlak je poznat kao kritični tlak, Pc, iznad kojeg će se tekućina [107] prelijevati iz cijevi u odjeljak A. Izražava se sljedećim izrazom:

[image] (Jednadžba 4)

Ukupni rad dobiven izotermnom ekspanzijom plina [110] se stoga izražava sa dolje navedenim odnosom, što je rješenje jednadžbe 3:

[image] (Jednadžba 5)

Smanjenje tlaka plina [110] u odjeljku B kao rezultat njegove ekspanzije se može iskoristiti pomoću vanjskog tlaka od strane drugog neizoliranog zatvorenog sustava sličnog sustavu sa slika 3 i 4. To se odnosi na slaganje ovih jednostavnih uređaja prema modelu izloženom na slikama 3 i 4 u seriju pomoću njihovog slaganja jedan povrh drugog kao što je prikazano na slici 5. Ovaj uređaj se stoga sastoji od niza termodinamičkih sustava koji su zatvoreni i izolirani u odnosu na plin pohranjen iznad tekućine svakog sustava. Broj mola tih plinova ostaje konstantan, jer ne postoji razmjena materijala sa drugim sustavima. Međutim, sa termodinamičkog stajališta, nestlačiva tekućina ponaša se kao otvoreni sustav, jer postoji mogućnost da se tekućina premješta iz jednog sustava u drugi. Stoga je ova kombinacija sustava između tekućine i plina ključna za rad cijelog sustava kao što je prikazano na slici 5. Ekspanzija plina koji se nalazi u zatvorenom i izoliranom sustavu će dati rad potreban za transport tekućine koja se nalazi u otvorenom sustavu iz jednog sustava u drugi.

Kod uređaja sa slike 5, ako se niži tlak primjenjuje na plin u prvom sustavu [112] to će uzrokovati ekspanziju sustava [114] koji se nalazi ispod njega, a ta "serijska ili slijedna ekspanzija ili podtlak" će se širiti sve do zadnjeg sustava [115] koji je ovisan o tlaku koji je postignut u prvom sustavu [112]. Posljednji sustav [115] je izravno povezan sa cijevi [117] sa vanjskim okolišem (vanjskim sustavom) [116] koji sadrži tekućinu iznad koje je tlak P koji u većini slučajeva može biti atmosferski tlak ili drugi tlak ako je taj vanjski sustav također zatvoren prema atmosferi. Taj tlak P je manje ili više jednak početnim tlakovima plinova svakog uređaja u sustavu sa slike 5. Ako je tlak koji je primijenjen na prvi sustav [112] dovoljan da uzrokuje ekspanziju plina sadržanog u zadnjem sustavu [115]. Navedena će ekspanzija zauzvrat dovesti do smanjenja tlaka u sustavu [115]. To će stvoriti razliku tlaka između okolišnjeg tlaka vanjskog sustava [115], a posljedica toga će biti da se tekućina sadržana u sustavu [115] podiže unutar cijevi [117]. Dolazak tekućine u sustav [112] će povećati tlak plina u tom sustavu, a to će nadalje uzrokovati daljnje podizanje tekućine u sustavu [112] prema sustavu koji se nalazi iznad. Taj porast će se nastaviti sekvencijalno - pojam angažiran predstavlja "serijski tok" sve dok tekućina dosegne prvi sustav i tamo se počne sakupljati [113]. Ako tlak u prvom sustavu ostaje konstantan, ovaj serijski podtlak nakon kojeg slijedi serijski tok neće nikada završiti.

Kada je podtlak koji se stvara u prvom sustavu [112] dovoljno velik da je tlak u posljednjem sustavu [115] jednak kritičnom tlaku, tlak Pi plina sadržanog u svakom sustavu može se opisati i vrednovati pomoću sljedeće jednadžbe:

[image] (Jednadžba 6)

Gdje i je razina sustava, gledano prema dolje, a Pex je apsolutni tlak koji je primijenjen na prvi sustav.

Za podtlak Pex stvoren u prvom sustavu [112] maksimalan broj n termodinamičkih sustava koji mogu biti spojeni u seriju tako da tlak plina u zadnjem sustavu bude jednak kritičnom tlaku Pc se računa korištenjem slijedeće jednadžbe:

[image] (Jednadžba 7)

Prema jednadžbi 7, broj sustava koji mogu biti postavljeni u seriju teži konstanti kada kut α teži prema 90 stupnjeva, to jest prema okomitom položaju. Veličina n je ograničena sa kvadratom volumena cijevi, ili drugim riječima, masom m tekućine zbog rada (- mgh) koji mora biti isporučen kako bi se postiglo podizanje razine vode u cijevi.

Međutim, ako kut α teži prema nuli, ukupni broj sustava n teži prema beskonačnosti, što znači da ako je ovaj sustav postavljen u horizontalnoj ravnini, odnosno ako je postavljen duž površine tla, duljina sustava teži u beskonačnost. To znači da je ovaj sustav idealan kao cjevovod za transport tekućina iz jedne točke u drugu. Dakle, gubitak tlaka zbog trenja je zanemariv, te se može smatrati da je nula pogotovo jer su ti gubici ograničeni samo na gubitke uzduž cijevi [106] svakog sustava, te se ti padovi tlaka ne zbrajaju. To znači da uređaj može biti velike dužine kao što je prikazano na slici 5. Izgled cijevi nema utjecaja na sustav. Cijevi mogu biti različitih oblika kao na primjer one sa slike 6.

Dakle, znajući ukupan broj serijski sustava postavljenih, moguće je izračunati podtlak PexR koji mora biti stvoren u prvom sustavu [112] kako bi se mogao postići kritični tlak Pc u posljednjem sustavu, korištenjem sljedeće jednadžbe:

[image] (Jednadžba 8)

Uvjet za nastavak serijskog toka što se tiče spremnika ovisi o razlici tlakova između tlaka iznad tekućine [116] i tlaka plina unutar posljednjeg sustava [115]. Ova razlika mora biti dovoljno velika da uzrokuje podizanje tekućine [125] do pune visine cijevi [117], te da se prelijeva u posljednji sustav [115].

Stoga, kako bi ovaj sustav neprekidno radio, važno je imati na umu da tlak plina [110] mora biti iznad tlaka ključanja. Ispod ovoga tlaka, otopljeni plinovi će gazificirati i nastati će razlike tlaka u sustavu uz prvi sustav. Plinovi koji dolaze iz tekuće faze će stoga povećati tlak plina iznad tekućine, a ovo neće dopustiti da se aktivira autonomni serijski podtlak. Kritični tlak Pc i tlak prvog sustava Pex u svakom slučaju mora biti iznad tlaka ključanja. U slučaju vode, tlak ključanja čak i na 50 stupnjeva Celzija je dovoljno nizak (0,123 bara) i može se procijeniti za sve temperature u rasponu od 5 do 140 stupnjeva Celzijevih pomoću sljedeće jednadžbe:

ln psat= 13.7 - [image] (Jednadžba 9)

Gdje je T temperatura na Rankinovoj ljestvici i Psat je tlak zasićenja u atmosferama.

Uređaj sa slike 5 je stoga sposoban za autonomni serijski podtlak nakon čega slijedi autonomni serijski tok. Ova operacija će biti trajna, pod uvjetom da vanjskom sustavu ne ponestane tekućine i pod uvjetom da se podtlak koji se stvara u prvom sustavu [112] održava konstantnim. U praktičnom smislu, koji se može postići pomoću vakuum crpke spojene na sustav [112] protok će biti kontinuiran. Korištenje vakuum crpke znači korištenje energije iz vanjskog (električnog ili mehaničkog) izvora.

Stoga je to jedno od dobro poznatih svojstava mehanike fluida koje će se koristiti za stvaranje podtlaka koji je potreban u sustavu [112] kako bi se osigurao neprekinuti rad sustava ili trajni rad sustava. Razmotrimo uređaj kao što je onaj opisan na slici 7. On se sastoji od cijevi ispunjene tekućinom do određene visine [119]. Iznad slobodne površine tekućine se dobije normalni tlak koji može biti jednak okolišnjem tlaku plina vanjske okoline. Cijev ima odvodni otvor [122] koji zatvara ventil [121]. Kada je ventil [121] otvoren, voda teče iz otvora pod djelovanjem vlastite težine. Ovaj tok uzrokuje povećanje volumena plina [123], slično ekspanziji, ali prisilnoj ekspanziji zbog protoka vode. Posljedica toga je da to smanjuje tlak plina [123]. Ako je produžetak [124] sa slike 7 spojen na prvi sustav [112] sa slike 5 kao što je prikazano na slici 8, podtlak plina [123] će stvoriti smanjenje tlaka koje je potrebno u prvom sustavu [112] za aktiviranje autonomnog serijskog podtlaka. Nadalje, ako je ovaj tlak Pex na sustav [112] jednak tlaku opisanom sa jednadžbom 8, autonomni serijski podtlak će biti nastavljen autonomnim serijski tokom.

Protok kroz otvor [122] će prestati kod minimalne visine opisane sa sljedećom jednadžbom:

[image] (Jednadžba 10)

Gdje je Patm vanjski tlak koji odgovara atmosferskom tlaku u sustavu koji je otvoren prema atmosferi. Ako je spajanje produžetka [124] izvedeno na osnovici [125] sustava [112], serijski tok će povećati razinu tekućine koja će stoga protjecati kroz produžetak [124] pobudnog stupca sa slike 7.

Visina ovog pobudnog stupca treba biti prilično visoka, tako da kada razina tekućine dosegne minimalnu visinu Hmin kod koje tok na otvoru [122] prestane, tlak plina Pex je jednak tlaku PexR potrebnom za aktiviranje autonomnog serijskog podtlaka i autonomnog serijskog toka.

Autonomna serijska kompresija

Također, isti sustav kao što je gore opisano koristeći princip autonomnog serijskog podtlaka se može koristiti stvaranjem autonomne serijske kompresije. Da bi se to postiglo, sve što je potrebno je da je crpka uronjena dovoljno duboko da uzrokuje kompresiju plina koji se nalazi iznad tekućine. Ključni cilj je stvoriti kompresiju, tako da postoji razlika u odnosu na vanjski ili okolišnji tlak. Istovremeno se odvija kompresija, a jer je tekućina otvorena prema sustavu koji se nalazi iznad njega na nižem tlaku, komprimirani plin će predati rad koji će uzrokovati uspinjanje tekućine u sustavu u odjeljak iznad. Plin se komprimira do ulaza tekućine preko potopljenog dijela. Ulaz tekućine u sustav, stoga smanjuje volumen zraka i posljedično povećava tlak. Tlak kompresije jednak je hidrostatskom tlaku ili stupcu tekućine u kojoj je crpka uronjena. Slika 13 pokazuje crpku koja djeluje u načinu autonomne serijske kompresije. Ukupni rad koji je primljen i predan od strane plina je opisao sljedećim odnosom

[image] (Jednadžba 11)

Gdje je Ph hidrostatski tlak na mjestu potopljenom u tekućinu, dvh je volumen komprimiranog plina, P je tlak plina nakon ekspanzije, dv je volumen dobiven od plina dok on ekspandira, i dV ukupna promjena volumena plina kada je sadržan u izoliranom sustavu na koji se primjenjuje Ph.

Rješavanje jednadžbe 11 daje sljedeći izraz koji opisuje tlak plina tijekom aktivacije autonomne serijske kompresije u svakom sustavu u funkciji hidrostatskog tlaka Ph. Ona predstavlja tlak potreban da bi se tekućina podizala do pune visine cijevi ht:

[image] (Jednadžba 12)

U sustavu autonomne serijske kompresije ne postoji potreba za pobudnim stupcem. Razlika tlaka između sustava i vanjskog okoliša je stoga dovoljna da bi dozvoli serijski tok kada je dubina uranjanja dovoljna za aktiviranje serijske kompresije. Jednadžba 12 vrijedi kad je tlak kompresije ispod ili jednak 1 bar. Iznad toga, pretpostavka da kompresija slijedi savršen plinski zakon više ne vrijedi. Učinci realnih plinova, uključujući druge parametre, trebaju se uzeti u obzir.

Područje primjene

Bušotine i izvori vode

Ovaj izum može primijeniti u području vode. On može zamijeniti sve sustave za crpljenje koji se danas koriste za proizvodnju vode. Dubina koju sustav može dosegnuti je više od nekoliko stotina metara. Pojednostavljenje ove primjene je opisanu na slici 9. Pobudni stupac odgovara stupcu vode u bunaru. Visina stupca ovog pobudnog stupca mora biti odabrana da zadovolji uvjet potreban za pokretanje podtlaka i serijskog toka kada je slavina [128] otvorena. Ako je kapacitet vodonosnika [129] za proizvodnju vode dovoljno velik, visine stupca zdenca [127] se može povećati kako bi se dovoljan tlak stupca.

Slavina [128] se može zamijeniti sa nizom hidranata, tako da istovremeno može biti posluženo mnogo osoba. Konstrukcija ove crpke treba voditi računa o maksimalnom protoku koji vodonosnik [129] može dostaviti kako bi se izbjeglo isušivanje bušotine ili izvora. Isporuka crpke stoga mora biti ispod najvećeg protoka kod kojeg voda teče u bušotinu ili izvor. S ovom crpkom, toranj visine H iznad tla može biti izravno ispunjen. Sve što je potrebno je da crpka izlaze iz izvora do visine koja omogućava da slavina [128] prazne vode izravno u toranj. Osim želje da stvori pričuva vode, crpka može raditi i bez navedenog tornja. Ona može dovoditi vodu izravno u mrežu za distribuciju vode za selo ili grad. Ograničavajući čimbenik će u tom slučaju biti stopa priljeva vode u vodonosnik.

Autonomna proizvodnja struje

Ova crpka je riješila problem nemogućnosti izvođenja zatvorenih hidroelektrana kao što je opisano u gore navedenom poglavlju koje se bavi prethodnim stanjem tehnike. Budući da pumpa ne zahtijeva vanjsku energiju kako bi se podigla voda do bilo koje visine iznad površine zemlje, stoga je u mogućnosti stvoriti sustav proizvodnje hidroenergije u obliku petlje kao što je prikazano na slici 10. Ovaj uređaj se sastoji od spremnika [138] s vodom [139]. Crpka za autonomni serijski podtlak [131] je instalirana u njemu i pokrivena na gornjoj strani ​​sa pobudnim stupcem [132] s vodom. Pobudni stupac je spojen na cijev za prikupljanje [133]. Na kraju ove cijevi za prikupljanje spojena je turbina [134] koja je nadalje spojena na električni alternator. Električni kabeli [136] su spojeni na alternator. Kada je ventil [140] otvoren, voda iz pobudnog stupca [132] se ulijeva u cijev za prikupljanje [133] i okreće turbinu koji zatim pogoni alternator za proizvodnju električne energije. Smanjenje količine vode u pobudnom stupcu uzrokuje ekspanziju plina [141] iznad vode. Ova ekspanzija, dakle stvara podtlak koji aktivira pojavu podtlaka i serijski tok kroz crpku [131]. Navedena crpka crpi vodu iz rezervoara [138] i dostavlja je na pobudni stupac. Trajni protok, se dakle dobiva neprestanom vrtnjom turbine [134].

Dizajn sustava mora zadovoljiti uvjete potrebne da zatvorena hidro elektrana bude u pogonu. Električna energija dobivena od strane takvog sustava je opisana sljedećim odnosima:

[image] (Jednadžba 13)

[image] (Jednadžba 14)

Gdje Q je protok, h je stvarna visina vodenog stupca i H je visina [142] vode u pobudnom stupcu u odnosu na vratilo turbine [134]. Ova vrsta elektrane može biti izgrađena u bilo kojoj veličini počevši od male veličine (dovoljne za napajanje kućanstva) da velike veličine (dovoljne za napajanje grada). Prema jednadžbi 13, električna energija je ovisna o visini vodenog stupa h i o protočnoj količini Q. Ova dva parametra će biti pod kontrolom konstruktora, tako da će biti moguće konstruirati sustav koji je sposoban generirati moguće količine snage pomoću podešavanja protočne količine i visine vodenog stupa. Radi povećavanja protočne količine Q moguće je razmotriti konstrukciju koja koristi nekoliko autonomnih serijskih podtlačnih crpki spojenih paralelno kako je prikazano na slici 11. Kod takve izvedbe, jednadžba 13 postaje:

[image] (Jednadžba 15)

Gdje je k broj serijskih crpki postavljenih u paralelu i Qj je protok svake crpke.

Cjevovod za transport tekućina

U jednadžbi koja opisuje podtlak u svakom sustavu (jednadžba 6), potrebno je uočiti važnost utjecaja koji ima nagib na djelovanje crpke. Kada kut α teži prema nula, to jest prema horizontalnoj ravnini, podtlak u svim termodinamičkim sustavima koji su povezani sa crpkom je jednak. To se temelji na činjenici da se ovaj autonomni serijski podtlak može koristiti za transport tekućina na ogromne udaljenosti, bez unošenja vanjske energije. Ovo svojstvo će omogućiti izum koji će se primjenjivati za navodnjavanje velikih područja. Za distribuciju pitke vode u naseljenim mjestima i drugih tekućina koje nisu povezane s vodom. Upravljanje vodnim resursima će na taj način biti pojednostavljeno. Slika 12 prikazuje konfiguraciju za prebacivanje iz vertikalne ravnine u vodoravnu ravninu.

Stvaranje umjetničkih dijela

Prikazani principi se mogu koristiti za stvaranje autonomnih javnih fontana i umjetničkih djela svih vrsta.

Opis crteža

List 1/10:

Ovaj list sadrži sliku 1 i 2. Slika 1 je termodinamički sustav s dva odjeljka A i B u kojima se nalaze plinovi na različitim tlakovima. Dva odjeljka su odvojeni fiksnim čepom [101] zanemarive težine koji se drži u tom položaju sa klinom [100]. Slika 2 je isti sustav sa uklonjenim klinovima. Plin u odjeljku 2 ekspandira, te daje koji se može pokretati čep. U ravnoteži, tlak u dva odjeljka je isti.

List 2/10

Slike 3 i 4: prikazuju sustav kao što je opisano na slikama 1 i 2, osim što su dva odjeljka u komunikaciji putem cijevi [106] koja je opremljena ventilom koji omogućava cijevima da budu izolirane ili smještene kontaktu jedna s drugom. Ovdje je čep zamijenjen tekućinom koja se može podizati u cijevi [106] u ovisnosti od tome da li plin u odjeljku B ekspandira.

List 3/10

Slike 5  prikazuje serijsku crpku sa podtlakom ili kompresijom koja se sastoji od niza posloženih uređaja kako su opisani na listu 2/10.

Slike 6 prikazuje drugi način smještaja cijevi kako bi se omogućilo da termodinamički odjeljci komuniciraju jedni s drugima.

List 4/10

Slike 7: prikazuje pobudni stupac potreban za stvaranje podtlaka koji aktivira serijski podtlak.

List 5/10

Slika 8: prikazuje pobudni stupac i crpku za stvaranje serijskog podtlaka zajedno ugrađene.

List 6/10

Slika 9 prikazuje konfiguraciju koja omogućava da bilo koja tekućina bude dobivena u bušotini

List 7/10

Slika 10 opisuje sustav koji omogućava autonomnu proizvodnju električne energije. Sastoji se od spremnika, autonomne crpke, turbine, alternatora i cijevi za prikupljanje.

List 8/10

Slika 12 prikazuje horizontalnu konfiguraciju za transport tekućine na površini.

List 9/10

Slika 11 opisuje postaju za autonomnu proizvodnju električne energije kao kombinaciju nekoliko autonomnih paralelno postavljenih.

List 10/10

Slika 13 prikazuje crpku koja koristi autonomnu serijsku kompresiju.

Claims (19)

1. Postupak crpljenja fluida, naznačen time da je zasnovan na načelima autonomne serijske depresije i/ili kompresije, te na sustavu koji omogućava da se fluid autonomno crpi.

2. Postupak crpljenja fluida prema zahtjevu 1 naznačen time da nema potopljenu crpku ili mehanički klip.

3. Postupak crpljenja prema zahtjevima 1 i 2, naznačen time da se koristi situacija da se širenje ili ekspanzija plina koji se nalazi u zatvorenom sustavu koji daje rad prema okolišu, te navedeni plin može imati sniženi tlak ili povišeni tlak u odnosu na tlak okoliša.

4. Postupak crpljenja prema zahtjevima 1 i 2, naznačen time da depresija ili kompresija koje nastaju u jednom odjeljku sustava koji se smatra jednim modulom uzrokuje da fluid prolazi u drugi odjeljak navedenog modula.

5. Postupak crpljenja fluida prema zahtjevima 1, 2, 3 i 4, naznačen time da se sastoji u organiziranju jednostavnih uređaja ili modula u seriji tako da se slažu jedan povrh drugoga.

6. Postupak crpljenja prema zahtjevima 1, 2, 3, 4 i 5, naznačen time da broj n uređaja postavljenih sa gorenje strane ovisi o kutu α između sustava i horizontalne ravnine.

7. Postupak crpljenja prema zahtjevima 4 i 5, naznačen time da n je funkcija kvadrata volumena cijevi, ako je α jednako 90 stupnjeva.

8. Postupak crpljenja prema zahtjevima 4 i 5, naznačen time da n teži beskonačnost ako je α jednak nuli, odnosno za vodoravne ravnine.

9. Postupak crpljenja fluida prema zahtjevima 1, 2, 3 i 4, naznačen time da se podtlak može držati konstantnim pomoću vakuumske pumpe.

10. Postupak crpljenja vode pomoću serijskog toka prema zahtjevima 1, 2, 3 i 4, naznačen time da podtlak stvara uređaj koji se sastoji od stupca koji sadrži vodu i koji se zatvara sa ventilom koji, kada je otvoren, stvara podtlak, te se taj isti podtlak može prenijeti na druge, udaljenije, odjeljke putem cijevi.

11. Postupak crpljenja vode prema zahtjevima 1, 2, 3 i 4, naznačen time da pobudni stupac može biti zamijenjen sa djelomičnim uranjanjem sustava u tekućinu u svrhu dobivanja tlaka potrebnog za aktiviranje autonomnog serijskog toka.

12. Sustav za crpljenje fluida prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10, naznačen time da navedeni fluid može pogoniti turbinu.

13. Uporaba sustava za crpljenje fluida prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10 naznačena time da je za dobivanje hidroelektrične ili hidrodinamičke energije.

14. Sustav za crpljenje u svrhu proizvodnje hidroelektrične energije prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7, 10 i 13, naznačen time da se sastoji od slijedeće opreme: spremnika koji sadrži vodu, jedne ili više autonomnih serijskih crpki, pobudnog stupca i kolektorske cijevi, te turbine.

15. Uporaba sustava za crpljenje fluida prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10, naznačena time da se serijska crpka može koristiti za transport fluida na velike udaljenosti.

16. Uporaba crpnog sustava prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10 naznačena time da je za dobavu pitke vode iz bušotine ili zdenca ili za površinski transport.

17. Uporaba crpnog sustava prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10 naznačena time da je za navodnjavanje u području poljoprivrede.

18. Uporaba crpnog sustava prema zahtjevima 1, 2, 3, 4, 7 i 10 naznačena time da je za građevinske svrhe i stvaranje umjetničkih djela ili ukrasnih predmeta.

19. Uporaba sustava prema zahtjevu 13, naznačena time da se proizvedena energija koristi za pokretanje vozila na kopnu, moru ili u zraku.