SK6520Y2

SK6520Y2 - Thermal cavitations' turbine

Info

Publication number: SK6520Y2
Application number: SK50068-2011U
Authority: SK
Inventors: Adolf Staubert
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2013-09-03
Also published as: SK500682011U1; CZ2011141A3

Abstract

Thermal cavitations' turbine comprises a stator and in him rotatable mounted a rotor (14), which is connected to an engine to a drive of the rotor (14). Between the outer shell of the rotor (14) and the inner shell of the stator is cylindrical inter space with a width within the range of 7 mm to 17 mm, in which mouth the blind tubes (18) formed in the outer shell of the rotor (14). That inter space is connected with a supply pipe for supplying of the working fluid and a tail pipe for withdrawal of the working fluid.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Technické riešenie sa týka tepelnej kavitačnej turbíny, teda turbíny na výrobu tepelnej energie s využitím riadenej kavitácie.The technical solution relates to a thermal cavitation turbine, i.e. a turbine for producing thermal energy using controlled cavitation.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Kavitácia je vznik dutín v kvapaline pri lokálnom poklese tlaku, nasledovaný ich implóziou. Pri hydrodynamickej kavitácii je pokles tlaku dôsledkom lokálneho zvýšenia rýchlosti. Dutina je spočiatku vyplnená vákuom, neskôr sa vyplní parou okolitej kvapaliny alebo do nej môžu difúndovať plyny z okolitej kvapaliny. Pri vymiznutí podtlaku, ktorý kavitáciu vytvoril, jej bublina kolabuje za vzniku rázovej vlny. Kavitácia vzniká napríklad na lopatkách lodných skrutiek, turbín, na čerpadlách a ďalších zariadeniach, ktoré sa veľkou rýchlosťou pohybujú v kvapaline. Podľa doterajších poznatkov dochádza na hladkých plochách niektorých častí uvedených strojov v dôsledku kavitácie k poškodeniu, ktoré spôsobuje hluk, znižuje účinnosť strojov a môže spôsobiť aj ich mechanickú deštrukciu.Cavitation is the formation of cavities in a liquid at a local pressure drop, followed by their implication. In hydrodynamic cavitation, the pressure drop is due to a local increase in velocity. The cavity is initially filled with vacuum, later filled with vapor of the surrounding liquid or gases from the surrounding liquid can diffuse into it. When the vacuum that created cavitation disappears, her bubble collapses to create a shock wave. Cavitation occurs, for example, on propeller blades, turbines, pumps, and other devices that move at high speed in a liquid. According to the prior art, on the smooth surfaces of some parts of the said machines, due to cavitation, damage occurs, which causes noise, reduces the efficiency of the machines and can also cause their mechanical destruction.

Autori predloženého technického riešenia však zistili, že je možné tento pôvodne nežiaduci jav využiť na výrobu tepelnej energie, pričom vhodnou konštrukciou zariadenia sa eliminujú nežiaduce účinky a naopak sa využije to, že pri zániku kavitácie implóziou, teda mikrovýbuchom, dochádza k uvoľneniu tepelnej energie.However, the inventors of the present invention have found that this initially undesirable phenomenon can be used to generate thermal energy, while the suitable design of the device eliminates the undesirable effects and, on the contrary, utilizes the release of thermal energy upon cavitation implication.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Na základe uvedených zistení bola navrhnutá tepelná kavitačná turbína, ktorá obsahuje stator a v ňom otočné uložený rotor, ktorý je spojený s motorom na pohon rotora. Medzi vonkajším plášťom rotora a vnútorným plášťom statora je valcovitý medzipriestor so šírkou v rozmedzí od 7 mm do 17 mm, do ktorého ústia slepé dutinky vytvorené vo vonkajšom plášti rotora, a uvedený medzipriestor je prepojený s prívodným potrubím na prívod pracovnej tekutiny a s odvádzacím potrubím na odvod pracovnej tekutiny, pričom prívodné potrubie je vybavené regulačným ventilom na automatický prívod vody a reguláciu tlaku tekutiny privádzanej do medzipriestoru na hodnotu 0,02 - 0,05 MPa. Stator je výhodne vyrobený z termostabilného plastu alebo z kovu a rotor je vyrobený z hliníkovej zliatiny.Based on the above findings, a thermal cavitation turbine has been proposed which comprises a stator and a rotatably mounted rotor therein which is coupled to a rotor drive motor. Between the rotor outer casing and the stator inner casing there is a cylindrical intermediate space having a width of 7 mm to 17 mm, into which the blind cavities formed in the outer rotor casing open, and said intermediate space is connected to a working fluid inlet and a discharge pipe. the supply line is equipped with a control valve for automatic water supply and regulation of the pressure of the fluid supplied to the interspace to the value of 0.02 - 0.05 MPa. The stator is preferably made of thermostable plastic or metal, and the rotor is made of aluminum alloy.

Z hľadiska účinnosti je výhodné, keď šírka medzipriestoru medzi vonkajším plášťom rotora a vnútorným plášťom statora je približne 12 mm, ďalej keď motor na pohon rotora pracuje s rýchlosťou 4 000 otáčok za minútu. K výstupnému potrubiu tiež môže byť pripojené čerpadlo na odčerpávanie tekutiny z medzipriestoru do tepelného výmenníka a/alebo vykurovacieho okruhu na vykurovanie budov.In terms of efficiency, it is preferred that the width of the interspace between the outer rotor housing and the stator inner housing is approximately 12 mm, further when the rotor drive motor operates at a speed of 4000 rpm. A pump may also be connected to the outlet pipe to pump fluid from the interspace to the heat exchanger and / or the heating circuit for building heating.

Výhodné je, ak valcovitý vnútorný povrch statora je hladký.Advantageously, the cylindrical inner surface of the stator is smooth.

Odvádzacie potrubie je výhodne vybavené snímačom na meranie teploty odvádzanej tekutiny.The drain line is preferably equipped with a sensor for measuring the temperature of the drain fluid.

Na zaistenie optimalizácie výkonu tepelnej kavitačnej turbíny podľa tohto technického riešenia je turbína výhodne vybavená riadiacou jednotkou s frekvenčným meničom otáčok, ktorá je prepojená s motorom na pohon rotora a reguláciu otáčok rotora, s regulačným ventilom na reguláciu tlaku privádzanej tekutiny, s termostatom, prípadne aspoň snímačom na meranie teploty odvádzanej tekutiny a s čerpadlom na odčerpávanie tekutiny z medzipriestoru. Na základe nastavených teplôt na termostate je počas prevádzky tepelnej kavitačnej turbíny automaticky regulovaný prívod tekutiny do medzipriestoru, tlak privádzanej tekutiny a počet otáčok motora a tým aj rotora.In order to optimize the performance of the thermal cavitation turbine according to the present invention, the turbine is preferably equipped with a frequency converter control unit which is connected to a rotor drive motor and rotor speed control, a control valve for supply fluid pressure control, a thermostat or at least a sensor. for measuring the temperature of the discharged fluid and with a pump for evacuating fluid from the interspace. Based on the set temperatures on the thermostat, the fluid supply to the interspace, the pressure of the fluid supplied and the number of revolutions of the motor and thus of the rotor are automatically regulated during operation of the thermal cavitation turbine.

Slepé dutinky majú výhodne valcovitý tvar, výhodne s priemerom približne 10 až 16 mm a hĺbku približne 10 až 15 mm.The blind hollows preferably have a cylindrical shape, preferably having a diameter of about 10 to 16 mm and a depth of about 10 to 15 mm.

Proces riadenej kavitácie v tepelnej turbíne podľa tohto technického riešenia nepoškodzuje jej časti, ale v dôsledku pôsobenia kavitácie dochádza k samočisteniu rotora a potrubia, takže sa nevytvárajú usadeniny vodného kameňa.The process of controlled cavitation in a thermal turbine according to the present invention does not damage parts thereof, but due to cavitation the rotor and the pipe are self-cleaned so that scale deposits are not formed.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na obr. 1 je v čiastočnom reze znázornený bokorys rotora tepelnej turbíny podľa tohto technického riešenia a na obr. 2 je znázornený nárys rotora z obr. 1.In FIG. 1 is a partial cross-sectional side view of a heat turbine rotor according to the present invention; and FIG. 2 is a front elevational view of the rotor of FIG. First

Príklady uskutočneniaEXAMPLES

Ako je zrejmé z obrázkov 1 a 2, vonkajší plášť rotora 14 je vybavený sústavou slepých dutiniek 18, ktoréAs can be seen from Figures 1 and 2, the outer housing 14 of the rotor 14 is provided with a set of blind cavities 18 which

SK 6520 Υ2 sú v tomto príkladnom uskutočnení valcovité, radiálne a vybavené plytkým kužeľovitým dnom. Možné sú ale aj iné vnútorné tvary slepých dutiniek 18, napríklad polguľovité a podobne. Vzájomná vzdialenosť okrajov otvorených koncov susedných slepých dutiniek sa v tomto príkladnom uskutočnení približne rovná veľkosti ich polomeru až veľkosti ich priemeru. Slepé dutinky 18 sú v radiálnom smere otvorené. Tepelná turbína podľa vynálezu zahŕňa valcovitý stator, do ktorého je otočné uložený skôr uvedený valcovitý rotor 14, pričom medzi vnútorným plášťom statora a vonkajším plášťom rotora 14 so slepými dutinkami 18 je vytvorený medzipriestor, do ktorého je počas prevádzky privádzaná tekutina, najlepšie voda, ktorá je v turbíne ohrievaná a následne odvádzaná odvádzacím potrubím do tepelného výmenníka, prípadne do vykurovacieho okruhu na vykurovanie budov a objektov. V prívodnom potrubí je zabudovaný regulačný ventil, ktorý zaisťuje automatické dopĺňanie kvapaliny, a ktorým je regulovaný, najmä udržovaný tlak vody privádzanej do medzipriestoru na hodnote 0,02 - 0,05 MPa (0,2 - 0,5 bar). Rotor 14 je spojený s elektrickým motorom, podľa výhodného uskutočnenia je rotor 14 poháňaný týmto elektrickým motorom rýchlosťou približne 4 000 otáčok za minútu.SK 6520-2 in this exemplary embodiment are cylindrical, radial and provided with a shallow conical bottom. However, other internal shapes of the blind cavities 18 are also possible, for example hemispherical and the like. In this exemplary embodiment, the distance between the edges of the open ends of adjacent blind cavities is approximately equal to the size of their radius to the size of their diameter. The blind tubes 18 are open in the radial direction. The heat turbine according to the invention comprises a cylindrical stator in which the aforementioned cylindrical rotor 14 is rotatably mounted, wherein an intermediate space is formed between the inner casing of the stator and the outer casing of the blind cavity rotor 18 into which fluid is supplied during operation. heated in the turbine and subsequently discharged through a discharge pipe to a heat exchanger or to a heating circuit for heating buildings and objects. A regulating valve is provided in the supply line, which ensures automatic filling of the liquid and by which it is controlled, in particular the pressure of water supplied to the interspace is maintained at a value of 0.02-0.05 MPa (0.2-0.5 bar). The rotor 14 is coupled to an electric motor, in a preferred embodiment, the rotor 14 is driven by the electric motor at a speed of about 4,000 rpm.

Medzipriestor medzi vonkajším plášťom rotora 14 a vnútorným plášťom statora je v príkladnom uskutočnení široký 12 mm. Voda nachádzajúca sa v medzipriestore zaleje aj slepé dutinky. Počas prevádzky v dôsledku otáčania rotora 14 a v dôsledku regulovaného tlaku privádzanej vody sa vo vode vytvárajú riadené kavitačné dutinky. Vytvorené dutinky sa pôsobením odstredivých síl uvoľňujú z povrchu rotora, resp. zo slepých dutiniek, a vzájomnými nárazmi v medzipriestore zanikajú. Pri tomto zániku riadených kavitačných dutín dochádza k mikrovýbuchu-implózii, uvoľňovaná tepelná energia potom ohrieva vodu v medzipriestore až na teplotu asi 90 °C.In the exemplary embodiment, the interspace between the outer casing of the rotor 14 and the inner casing of the stator is 12 mm wide. The water in the interspace will also flood the blind tubes. During operation, controlled cavitation cavities are formed in the water due to the rotation of the rotor 14 and due to the regulated pressure of the feed water. The cavities formed are released from the rotor surface by centrifugal forces. from blind cavities, and by mutual impact in the interspace disappear. This disappearance of the controlled cavitation cavities leads to a microblast-implosion, the released thermal energy then heats the water in the interspace up to about 90 ° C.

Vzhľadom na to, že pri kavitácii ničením molekúl vody môže dochádzať k stratám tekutiny, teda vody, je vhodné zabezpečiť automatické doplňovanie vody do systému pri udržiavaní optimálneho tlaku vody 0,02 - 0,05 MPa (0,2 - 0,5 bar) a tým zabezpečovať optimálne prevádzkové podmienky.Since cavitation by destruction of water molecules can result in the loss of liquid, ie water, it is advisable to ensure automatic water supply to the system while maintaining an optimal water pressure of 0.02 - 0.05 MPa (0.2 - 0.5 bar) thus ensuring optimal operating conditions.

Rotor je výhodne vyrobený z ľahkej hliníkovej zliatiny a stator je z tepelne odolného plastu alebo z kovu.The rotor is preferably made of a lightweight aluminum alloy and the stator is of heat-resistant plastic or metal.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Tepelná kavitačná turbína podľa tohto technického riešenia je flexibilná a je použiteľná na vykurovanie budov a objektov, prípadne na ohrev úžitkovej vody. Nahrádza kúrenie uhlím, drevom, biomasou, olejom, plynom, elektrickú energiu alebo tepelné čerpadlá a podobne.The thermal cavitation turbine according to this technical solution is flexible and can be used for heating buildings and objects or for the heating of domestic water. It replaces heating with coal, wood, biomass, oil, gas, electricity or heat pumps and the like.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Thermal cavitation turbine comprising a stator and a rotatably mounted rotor (14) coupled to a rotor drive motor, wherein a cylindrical intermediate space having a width in the range of between the outer casing of the rotor (14) and the inner casing of the stator is from 7 mm to 17 mm, into which openings (18) formed in the outer casing of the rotor (14) and said intermediate space are connected to a working fluid supply line and a working fluid discharge line, the supply line being provided with a control valve for automatic water supply and pressure control of the fluid supplied to the interspace to a value of 0.02-0.05 MPa.

Thermal cavitation turbine according to claim 1, characterized in that the stator is made of thermostable plastic or metal and the rotor (14) is made of an aluminum alloy.

Thermal cavitation turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the width of the interspace between the outer casing of the rotor (14) and the inner casing of the stator is about 12 mm.

Thermal cavitation turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the inner surface of the stator is smooth.

Thermal cavitation turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotor drive motor (14) is adapted to drive the rotor at a speed of 4000 rpm.

Thermal cavitation turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the discharge line is provided with a thermostat for measuring the temperature of the discharged fluid with the possibility of adjusting the temperature of the discharged fluid, the thermostat being connected to a motor to drive the rotor (14). a motor for driving the rotor (14) at said set temperature.

Thermal cavitation turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that a pump is connected to the outlet pipe for pumping fluid from the interspace into the heat exchanger and / or the heating circuit for building heating.

Thermal cavitation turbine according to claims 5, 6 and 7, characterized in that it is equipped with a frequency converter control unit which is connected to a rotor drive motor (14), a control valve for controlling the pressure of the supplied fluid, with a sensor for measuring the temperature of the discharged fluid and a pump for evacuating fluid from the interspace.

Thermal cavitation turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the blind tubes (18) have a cylindrical shape, preferably with a diameter of 10 to 16 mm and a depth of 10 to 5 15 mm.