HU216218B - Eljárás és berendezés a kavitációeffektus hasznosítására folyadékokban - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya eljárás a kavitációeffektűs hasznősításárafőlyadékőkban, amelynél a főlyadékőt kényszeráramlásban tartjűk, afőlyadékban gőzbűbőrékőkat képzünk, majd ezeket ütköztetésselszétrőbbantjűk, és a felszabadűló hőenergiával a főlyadékőtfelmelegítjük; és berendezés az eljárás főganatősítására. A találmányfeladata a kalőrimetrikűs hatásfők növelésére és a főlyamatfőkőzatmentes belső szabályőzására alkalmas megőldás kidőlgőzása. Atalálmány szerint ezt a feladatőt azzal őldják meg, hőgy a kavitációszónát követően a főlyadékőt legalább egyszeres spirálban áramőltatvaegy gőzbűbőréktól mentes fázisra és egy gőzbűbőrékban gazd g fázisrabőntják, a gazdag fázist a gőzbűbőrékban szegényedő fázis belsejébenáramőltatják, majd ütköztetik, az ütköztetést követően a hideg fázistlegalább részben elválasztják, visszaáramőltatják, és a kavitációszóna előtt és/vagy mögött visszakeverik a főlyadékba, míg a melegfázist tővábbvezetik, és hasznősítják. A találmány szerinti berendezéslényege az, hőgy egy kavitációs, egy szétválasztó- és együtköztetőzónára van felősztva, ahől a kavitációs zóna bemenete egykőnfúzőr (5), amely egy szivattyú nyőmócső kjára van kötve, akavitációs zónába kúpős időm (9), főgazőtt felületű és spirál alakúlapátőzással ellátőtt örvénytárcsa (10), valamint egy szabályőzókőrőng(11) van beépítve, a szétválasztózónában egalább egy hengerspirálkéntkiképzett betét van elrendezve, az ütköztetőzóna egy célszerűenaxiális irányban eltőlhatóan ágyazőtt ütközőrúddal van ellátva, ésegyrészt a kavitációs zóna elé és/vagy ögé van kerülővezetékkelvisszacsatőlva, másrészt közvetlenül vagy egy hasznősítórendszerenkeresztül a szivattyú szívócsőnkjával van összekötve. ŕ

Description

A találmány tárgya eljárás és berendezés a kavitációeffektus hasznosítására folyadékokban, ahol a folyadékot kényszeráramlásban tartjuk, a folyadékban gőzbuborékokat képzünk, majd ezeket szétrobbantjuk, és a felszabaduló hőenergiával a folyadékot felmelegítjük.

Kavitáció alatt egy, az áramló folyadékokban a folyadék nyomásesése okán a folyadék hőmérsékletétől függetlenül bekövetkező gőzbuborék-képződésből és a mikroszkopikus méretű gőzbuborékok robbanásszerű megszűnéséből álló spontán folyamatot értünk.

A kavitáció a folyadékközeggel dolgozó áramlástechnikai gépek egyes alkatrészeit - például a szivattyúk vagy turbinák járókerekeit, a hajócsavarokat - erozív hatása révén igen rövid idő alatt tönkreteszi. Ezért az ilyenek megvalósításakor már a tervezőtől elvárják, hogy az alkatrész mentén áramló folyadékban ne alakulhassanak ki kavitációs gócok.

Kavitációeffektus alatt viszont a szándékosan létrehozott kavitációt értjük, melynek célja az e folyamatból nyerhető hőenergia hasznosítása.

A már korábban ismert jelentés gyakorlati megvalósítására elsőként 743 111 számon lajstromoztak szabadalmat 1931-ben Franciaországban. Ennél a megoldásnál a hatásfok - a nyert hőenergia és a folyadék keringetéséhez szükséges energiafelhasználás - még nem volt kifejezetten kedvező.

A javasolt megoldás célja a keringetett folyadék minél nagyobb részéből gőzbuborékok képzése, minél kisebb energiabefektetés mellett.

A találmány feladata a hatásfok növelésére és adott esetben még a folyamat fokozatmentes belső szabályozására is alkalmas megoldás kidolgozása.

A találmány szerint ezt a feladatot azzal oldjuk meg, hogy a kavitációs zónát követően a folyadékot spirálban áramoltatva egy gőzbuborékokban szegény és egy gőzbuborékokban gazdag fázisra bontjuk, a gazdag fázist a gőzbuborékokban szegény fázis belsejében áramoltatjuk, majd ütköztetéssel a gőzbuborékokat szétrobbantjuk, a kapott meleg folyadékfázist továbbvezetjük, és hasznosítjuk, míg a gőzbuborékokban szegény fázist legalább részben elválasztjuk, és a kavitációs zóna előtt és/vagy mögött visszakeverjük a folyadékba.

Az eljárás során az áramló folyadék nyomását az áramlási sebesség növelésével csökkentjük, turbulenciáját pedig legalább egyszeri perdítéssel és/vagy legalább egyszeri irányváltoztatással növeljük.

A felszabaduló hőenergia mennyiségét az áramlási sebesség növelése és/vagy a perdítés, és/vagy az irányváltoztatás mértékének, adott esetben az ütköztetés helyének módosításával szabályozzuk.

A berendezés lényege az, hogy a kavitációs zónája konfúzorból, terelőkúpból, fogazott felületű spirállapátozással ellátott örvénytestből és egy perdítőtárcsából van összeállítva, a kavitációs zóna mögött legalább egy hengerspirálként kiképzett forgatószalag és adott esetben egy axiális irányban eltolhatóan ágyazott ütközőrúd van elrendezve, a reaktornak a forgatószalag alatti belső tere egyrészt kerülővezetékkel a kavitációs zóna elé és/vagy mögé van visszacsatolva, másrészt közvetlenül és/vagy egy hasznosítórendszeren keresztül egy szivattyúba van bekötve.

A találmányt a továbbiakban a rajz segítségével részletesen ismertetjük. A rajzon az

1. ábra a reaktor kísérleti példányának félnézetfélmetszete, a

2. ábra az örvénytárcsa felülnézete, a

3. ábra a perdítőtárcsa felülnézete, a

4. ábra a reaktor gyakorlatban alkalmazott példányának félnézet-félmetszete, az

5. ábra fűtőrendszert kiszolgáló reaktor blokksémája, a

6. ábra vízmelegítő készülékbe épített reaktor blokksémája.

A rajzon pontvonallal az 1 reaktor szimmetriatengelyét rajzoltuk meg az axiális irány értelmezésére. Az axiális irány egybeesik az 1 reaktoron átömlő folyadék főáramának irányával - az irányváltoztatásokból és/vagy a perdítésekből adódó mellékmozgások irányát nem jelöljük. Ahol az 1 reaktor vagy más alkatrészek alsó és felső részéről beszélünk, ott mindig az áramló folyadék főáramának irányához viszonyítunk. (A főáram iránya a felső résztől az alsó felé mutat.)

Az 1. ábrán az 1 reaktor kísérleti példányának vázlatát tüntettük fel félnézet-félmetszetben.

Az 1 reaktor hengeres 2 házában két további alkatrész, a 3 osztóhenger és a 4 reaktorhenger van koaxiálisán elrendezve.

A 2 ház felső részében belépőcsonkként egy, a rajzon fel nem tüntetett szivattyú nyomócsonkjához vagy nyomóvezetékéhez belépőcsonkként csatlakoztatott 5 konfuzor és egy 6 fészek van kiképezve. Az 5 konfuzor felső részén egy 7 furatokból álló koszorú van kiképezve.

A 6 fészekben, az alsó peremére felerősített 8 tárcsa segítségével van a 9 kúpos idom, a 10 örvénytárcsa és a 11 perdítőtárcsa a 2 házzal koaxiálisán rögzítve.

A 9 kúpos idom gomba alakú testként van kiképezve, amelynek kalapja célszerűen tompaszögű kúp, tönkjének tengelymetszete pedig egy áramlástechnikai füvóka átömléséhez hasonló. A tönk zárósíkjában egy esetünkben kúpos 12 ülék van kialakítva.

A 10 örvénytárcsa és a 11 perdítőtárcsa kialakítását a 2. és 3. ábra segítségével mutatjuk be a későbbiekben.

A 3 osztóhenger fenéklapja egy menetes 13 orsóval van egyesítve, nyitott felső végének pereme pedig ezzel a 13 orsóval van a 8 tárcsára felszorítva. A 3 osztóhenger palástja a fenéklappal szomszédos sávban a 2 ház fenéklépcsőjével van folyadék- és gáztömören megvezetve. A 3 osztóhenger palástján, célszerűen a 4 reaktorhenger fenéksíkja magasságában van egy 14 furatokból álló koszorú kiképezve. A 3 osztóhenger fenéklapján, célszerűen a 13 orsó szomszédságában van egy 15 furatokból álló második koszorú kiképezve.

A 4 reaktorhenger nyitott végének pereme a 13 orsóval van a 10 örvénytárcsára felszorítva, a 4 reaktorhenger és a 10 örvénytácsa közé pedig a 11 perdítőtárcsa van befogva. A 13 orsó egy, a 2 ház fenéklapjával egyesített menetes 16 bakon van keresztülhajtva.

A 4 reaktorhenger palástján egyrészt közvetlenül a nyitott pereme mentén egy első, 17 furatokból, másrészt

HU216218 A a fenéklapja mentén egy második, 18 furatokból álló koszorú van kiképezve. A 4 reaktorhenger fenéklapján pedig egy harmadik, 19 furatokból álló koszorú van kiképezve.

A 13 orsó furatában egy fordított állású kúpos fejjel ellátott 20 ütközőrúd van axiálís irányban eltolhatóan ágyazva. A 20 ütközőrúd axiálís helyzete egy, a rajzon nem szereplő állítószerkezettel van meghatározva.

A 4 reaktorhengerbe egy, a 18 furatokból álló koszorú síkja és a 20 ütközőrúd feje között elrendezett 21 osztógyűrű van beépítve. A 4 reaktorhenger belső palástján a 17 furatokból álló koszorú és a 21 osztógyűrű között egy nagy emelkedésű belső menetprofilként kiképzett 22 forgatószalag van rögzítve.

A 2 ház fenéklépcsőjén van a 3 osztóhenger fenéklapjával meghatározott gyűrűs térrel közlekedő 23 kilépőcsonk elrendezve.

A 2. ábrán a 10 örvénytárcsának az 1. ábrával egy állású felülnézetét tüntettük fel. A 10 örvénytárcsának két 24 válla van, amelyekkel az 1 reaktorba beépítve, a 9 kúpos idom kalapjának alsó síkjára van feltámasztva. A 10 örvénytárcsában egy koncentrikus 25 átömlőfurat van kiképezve.

A 24 vállak és a 9 kúpos idom között kialakuló belépőnyílásoktól egy-egy spirálvonal mentén a 25 átömlőfurathoz vezető, a 10 örvénytárcsa síkjából kiemelkedő - pozitív - 26 barázda van kiképezve. A 26 barázda két oldalán a folyadékáramlás értelmében hátrametszett 27 fogakból álló fogazat van.

Nagyobb átmérőknél a 10 örvénytárcsának kettőnél több 24 válla, belépőnyílásonként több 26 barázdája lehet, másrész a 9 kúpos idom kalapjának felszínén és a 6 fészek ezzel szemben fekvő belső palástján is kialakíthatók a csúcstól a kúppalást pereméig a 26 barázdákhoz hasonló alakú és fogazású, pozitív vagy negatív elemek.

A 3. ábrán a 11 perdítőtárcsának az 1. ábrával egyállású felülnézetét rajzoltuk meg. A 11 perdítőtárcsa külső átmérője kisebb vagy célszerűen - gépgyártás-technológiai illesztéssel - ugyanakkora, mint a 8 tárcsa belső átmérője. A 11 perdítőtárcsában egy koncentrikus 28 átömlés van kiképezve. A 28 átömlés körszelvény alakú résének átmérője célszerűen azonos a 25 átömlőfurat átmérőjével. A 28 átömlésben két, a 11 perdítőtárcsa síkjából azonos irányba kihajlított 29 szárny van körszimmetrikusan kiképezve. All perdítőtárcsának nagyméretű 28 átömlés esetében kettőnél több 29 szárnya is lehet.

A találmány szerinti kísérleti berendezés működése a következő:

Az 1 reaktorba belépő folyadék az 5 konfüzorban axiálís irányban gyorsulva ütközik a 9 kúpos idom palástjára, miközben áramlási iránya körülbelül 60°-kal változik, majd a 6 fészekben újabb, csaknem 180°-os irányváltással lép a 10 örvénytárcsa terébe. Itt a 26 barázdák között áramolva tovább gyorsul, miközben a 27 fogakkal ütközve nyomása lökésszerűen, fokról fokra sorozatosan tovább csökken. A folyadék a 10 örvénytárcsa 25 átömlőfuratában a 9 kúpos idom tönkje mentén egy harmadik, körülbelül 120°-os irányváltással lép a 4 reaktorhengerbe.

A harmadik irányváltás közben a 11 perdítőtárcsa 29 szárnyai megforgatják a folyadékrészecskéket az áramlási irányuk mint tengely körül, végül az áramló folyadék nyomását a 9 kúpos idom tönkjében lévő 12 ülék is lökésszerűen csökkenti.

A találmány szerinti eljárás szempontjából tehát az 1 reaktor működésmódjának lényege az áramló folyadék nyomásának egyrészt - a sebességnövekedés okozta - egyenletes jellegű, másrészt pedig - az irányváltások és az ütközések sorozata okozta - lökésszerű, pulzáló változása. Ennek eredményeként a folyadékban jelentős mértékű, szinte az egész tömegére kiterjedő kavitáció jön létre. Következésképpen a 4 reaktorhengerbe egy homogén folyadék-gőzbuborék elegy lép. A továbbiakban ezt az elegyet választjuk szét egy gőzbuborékokban szegény és egy gőzbuborékokban gazdag fázisra, majd a gazdag fázis buborékjait felrobbantjuk. A fázisátalakulás közben hő keletkezik, mely a folyadék hőmérsékletét megemeli.

A 4 reaktorhengerben a folyadék-gőzbuborék elegyet a 22 forgatószalag egy centrifugához hasonlóan megforgatja. A forgómozgás hatására ébredő centrifugális erő a sűrűbb folyadékrészecskéket a 4 reaktorhenger palástjához kényszeríti, míg a gőzbuborékok zöme a kialakuló vastag falú folyadékcső belsejében marad. Természetesen a folyadékban is maradnak gőzbuborékok.

A koaxiálisán lefelé áramló gőzbuborékok a 20 ütközőrúd kúpos fejével, pontosabban annak a folyadék főáramára merőleges tetősíkjával ütköznek, visszaalakulnak folyadékká, amelyet az eközben keletkező hő felhevít. A hő kisebb része a palást mentén áramló folyadékfázíst és az 1 reaktort melegíti.

Az ütköztetett gőzbuborékok mennyiségét, azaz a keletkező hő mennyiségét a 20 ütközőrúd állásmagasságának módosításával fokozatmentesen szabályozhatjuk.

A 4 reaktorhenger palástja és a 20 ütközőrúd között az ütköztetést követően egy újabb kétfázisú rendszer áramlik tovább. Belül koncentrikusan egy gőzbuborékoktól mentes forró folyadék, kívül egy gőzbuborékokat tartalmazó hideg folyadék. Ezeket a 21 osztógyűrű mechanikusan elválasztja, és a forró folyadékot a 19 furatokból álló koszorún keresztül a 3 osztóhenger és a 4 reaktorhenger közötti, kerülővezetékként működő térbe vezeti. Innen a forró folyadék a 15 furatokból álló koszorún át a 2 ház gyűrűs terébe lép, majd a 23 kilépőcsonkon távozik az 1 reaktorból.

A 21 osztógyűrű a gőzbuborékokat tartalmazó hideg folyadékot a 18 furatokból álló koszorún keresztül a 3 osztóhenger és a 4 reaktorhenger közötti hengeres, szintén kerülővezetékként működő térbe vezeti. Itt ismét egy osztályozódás játszódik le. A gőzbuborékokban gazdagabb, könnyebb fázis a hengeres térben felfelé áramlik, és a 17 furatokból álló koszorún át visszajut a 4 reaktorhengerbe. A gőzbuborékokban szegényebb, nehezebb fázis pedig a 14 furatokból álló koszorún keresztül az 1 reaktorba lépő folyadékhoz keveredik.

A 4. ábrán a találmány szerinti 1 reaktor gyakorlatban alkalmazott kivitelének részletes összeállítási rajzát tüntettük fel. Az 1-3. ábrákon szereplő hivatkozási jeleket akkor is használjuk, ha a jelölt alkatrész konkrét

HU216218 A felépítése eltérő ugyan, de a rendeltetése vagy a működése azonos. Az eltéréseket ismertetjük.

Az 1 reaktor 2 házában ennél a változatnál csak egyetlenegy alkatrész, a 4 reaktorhenger van koaxiálisán elrendezve. A 9 kúpos idom kalapja és tönkje két különálló összeszerelt alkatrész. A kalap kettős kúpként van kialakítva. A 21 osztógyűrű tengelyirányban elnyújtott felépítésű, továbbá egy 30 csőből és négy körszimmetrikusan elrendezett, egyenes 31 terelőlapból van összeállítva. A 21 osztógyűrű a 32 kettős átömlőbetétre van feltámasztva. A 23 kilépőcsonk a 32 kettős átömlőbetét axiális furatához van koaxiálisán csatlakoztatva.

A gyakorlatban alkalmazott kiviteli változat működése a homogén folyadék-gőzbuborék elegy előállításában és ennek szétválasztásában a kísérleti példányéval azonos.

Megállapításunk szerint a hőfejlesztéshez, azaz a gőzbuborékok felrobbantásához teljesen elegendő a gőzbuborékokat a 21 osztógyűrű 30 csövének belső falával és a 30 cső külső fala mentén a 31 terelőlapokkal ütköztetni.

A gőzbuborékoktól mentes forró folyadék a 32 kettős átömlőbetét axiális csatornáján és az ehhez csatlakoztatott 23 kilépőcsonkon keresztül távozik az 1 reaktorból.

A gőzbuborékokat tartalmazó hideg folyadékot a 21 osztógyűrű 31 terelőlapjainak külső szélei vezetik a kettős átömlőbetét axiális csatornájából nyíló radiális furatain és a 4 reaktorhenger 18 furatokból álló koszorúján keresztül a 2 ház és a 4 reaktorhenger közötti, kerülővezetékként működő hengeres térbe. Innen a hideg folyadék a 17 furatokból álló koszorún át kerül vissza a 4 reaktorhengerbe.

Az 1 reaktor 4. ábrán bemutatott változatánál lemondtunk a hőteljesítmény belső, fokozatmentes szabályozásáról. Ennek oka az a meggondolás, hogy egyrészt az ilyen szabályozás automatizálása komoly műszaki ráfordítást igényelne, másrészt a fűtőrendszerekkel szemben támasztott követelmények megengedik a hőmérsékletet két adott határérték között tartva az 1 reaktor szakaszos üzemeltetését. Ebben az esetben pedig az 1 reaktor az előre beállított optimális feltételek között dolgozhat.

Az 5. ábrán a találmány szerinti berendezés fűtőrendszert kiszolgáló kiviteli példájának blokksémáját mutatjuk be. A berendezés villamos motorral egybeépített szivattyújának nyomóvezetéke van az 1 reaktor belépőcsonkjára kötve. A fűtőrendszer előremenő 34 melegvezetéke az 1 reaktor kimenetével, míg visszatérő 35 hidegvezetéke a 33 szivattyú szívócsonkjával van összekapcsolva. A 34 melegvezeték és a 35 hidegvezeték egy 36 áthidalással van összekötve.

Ezekbe a vezetékekbe rendre egy-egy 37, 38 és 39 zárószelep van beépítve. A 36 áthidalásba van a fűtőrendszer 40 kiegyenlítőtartálya bekötve. A fűtött térben elhelyezett 41 termosztát és a 34 melegvezetékbe épített, biztonsági 42 kettős termosztát a fűtőrendszer 43 vezérlőautomatikájába van villamosán bekötve. A 43 vezérlő automatika kimenete a 33 szivattyú motorjával van villamosán összekapcsolva. Az 1 reaktor a 4. ábrán bemutatottal azonos. A fűtőrendszerbe épített fűtőtesteket, szelepeket stb. nem rajzoltuk meg.

A berendezés működésének lényege az, hogy a 37 és 38 zárószelepeket zárva, a 39 zárószelepet nyitva tartjuk induláskor addig, ameddig az 1 reaktor állandósult üzemállapotba nem kerül. Ekkor a 37 és 38 zárószelepeket nyitjuk, a 39 zárószelepet zárjuk, és ezzel működésbe helyezzük az egész fűtőrendszert.

A 6. ábrán a találmány szerinti berendezés 44 vízmelegítő készülékbe épített változatát tüntettük fel. Ennek a felépítése mindössze abban tér el az 5. ábrán bemutatottétól, hogy 33 szivattyúja búvárszivattyú, a 35 hidegvezetéke pedig a 44 vízmelegítő készülékbe van bekötve. A két berendezés működése teljesen azonos.

A találmány szerinti megoldás legfontosabb - a gyakorlatban igazolt - előnye az, hogy egy átlagos hőszigetelésű lakóház belső hőmérsékletét - 20-22 °C külső hőmérséklet mellett - az épületgépészeti szabványban előírt 18-24 °C között lehet tartani 1,0-1,5 C°W/m³ fajlagos villamosenergia-felhasználás mellett.

Claims (4)

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Eljárás a kavitációeffektus hasznosítására folyadékokban, amelynél kényszeráramlásban tartott folyadékban, kavitációs zónában gőzbuborékokat képzünk, majd szétrobbantjuk őket, és a felszabaduló hőenergiával a folyadék felmelegítjük, azzal jellemezve, hogy a kavitációs zónát követően a folyadékot spirálban áramoltatva egy gőzbuborékokban szegény és egy gőzbuborékokban gazdag fázisra bontjuk, a gőzbuborékban gazdag fázist a gőzbuborékokban szegény fázis belsejében áramoltatjuk, majd ütköztetéssel a gőzbuborékokat szétrobbantjuk, a kapott meleg folyadékfázist továbbvezetjük, és hasznosítjuk, míg a gőzbuborékokban szegény fázist legalább részben elválasztjuk, és a kavitációs zóna előtt és/vagy mögött visszakeverjük a folyadékba.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az áramló folyadék nyomását az áramlási sebesség növelésével csökkentjük, turbulenciáját pedig legalább egyszeri perdítéssel és/vagy legalább egyszeri irányváltoztatással növeljük.

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a felszabaduló hőenergia mennyiségét az áramlási sebesség növelése és/vagy a perdítés, és/vagy az irányváltoztatás mértékének, adott esetben az ütköztetés helyének módosításával szabályozzuk.

4. Berendezés az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás végrehajtására, azzal jellemezve, hogy reaktora (1) van, melynek kavitációs zónája konfüzorból (5), terelőkúpból (8), fogazott felületű spirállapátozással ellátott örvénytestből (10) és perdítőtárcsából (11) van összeállítva, a kavitációs zóna után legalább egy hengerspirálként kiképzett forgatószalag (22), és adott esetben egy axiális irányban eltolhatóan ágyazott ütközőrúd (20) van elrendezve, a reaktornak (1) a forgatószalag (22) alatti belső tere egyrészt kerülővezetékkel a kavitációs zóna elé és/vagy mögé van visszacsatolva, másrészt közvetlenül és/vagy hasznosítórendszeren keresztül szivattyúba (33) van bekötve.