SK6520Y2 - Thermal cavitations' turbine - Google Patents

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 techniky

Technické riešenie sa týka tepelnej kavitačnej turbíny, teda turbíny na výrobu tepelnej energie s využitím riadenej kavitácie.

Doterajší stav techniky

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.

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.

Podstata technického riešenia

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.

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.

Výhodné je, ak valcovitý vnútorný povrch statora je hladký.

Odvádzacie potrubie je výhodne vybavené snímačom na meranie teploty odvádzanej tekutiny.

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.

Slepé dutinky majú výhodne valcovitý tvar, výhodne s priemerom približne 10 až 16 mm a hĺbku približne 10 až 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.

Prehľad obrázkov na výkresoch

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.

Príklady uskutočnenia

Ako je zrejmé z obrázkov 1 a 2, vonkajší plášť rotora 14 je vybavený sústavou slepých dutiniek 18, ktoré

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.

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.

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.

Rotor je výhodne vyrobený z ľahkej hliníkovej zliatiny a stator je z tepelne odolného plastu alebo z kovu.

Priemyselná využiteľnosť

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.

Claims (9)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tepelná kavitačná turbína, vyznačujúca sa tým, že obsahuje stator a v ňom otočné uložený rotor (14), ktorý je spojený s motorom na pohon rotora, pričom medzi vonkajším plášťom rotora (14) a vnútorným plášťom statora je valcovitý medzipriestor so šírkou v rozmedzí od 7 mm do 17 mm, do ktorého ústia slepé dutinky (18) vytvorené vo vonkajšom plášti rotora (14), a uvedený medzipriestor je prepojený s prívodným potrubím na prívod pracovnej tekutiny a odvázacím 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.

2. Tepelná kavitačná turbína podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že stator je vytvorený z termostabilného plastu alebo z kovu a rotor (14) je vyrobený z hliníkovej zliatiny.

3. Tepelná kavitačná turbína podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že šírka medzipriestoru medzi vonkajším plášťom rotora (14) a vnútorným plášťom statora je cca 12 mm.

4. Tepelná kavitačná turbína podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúca sa tým, že vnútorný povrch statora je hladký.

5. Tepelná kavitačná turbína podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúca sa tým, že motor na pohon rotora (14) je prispôsobený na pohon rotora rýchlosťou 4 000 otáčok za minútu.

6. Tepelná kavitačná turbína podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačuj úca sa tým, že odvádzacie potrubie je vybavené termostatom na meranie teploty odvádzanej tekutiny s možnosťou nastavenia teploty odvádzanej tekutiny, pričom termostat je prepojený s motorom na pohon rotora (14) a prispôsobený na vypnutie motora na pohon rotora (14) pri dosiahnutí uvedenej nastavenej teploty.

7. Tepelná kavitačná turbína podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačuj úca sa tým, že k výstupnému potrubiu je pripojené čerpadlo na odčerpávanie tekutiny z medzipriestoru do tepelného výmenníka a/alebo vykurovacieho okruhu na vykurovanie budov.

8. Tepelná kavitačná turbína podľa nárokov 5, 6a 7, vyznačujúca sa tým, že je vybavená riadiacou jednotkou s frekvenčným meničom otáčok, ktorá je prepojená s motorom na pohon rotora (14), s regulačným ventilom na reguláciu tlaku privádzanej tekutiny, so snímačom na meranie teploty odvádzanej tekutiny a čerpadlom na odčerpávanie tekutiny z medzipriestoru.

9. Tepelná kavitačná turbína podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúca sa tým, že slepé dutinky (18) majú valcovitý tvar, najlepšie s priemerom 10 až 16 mm a hĺbkou 10 až 5 15 mm.