Pompa kawitacyjna

tematy pokrewne: pompa kawitacyjna | kawitacja | silnik potapowa | wirowy-generator-ciepla

Pompa kawitacyjna - zwana poprawniej przepływową pompą kawitacyjną - to rodzaj pompy ślimakowej, która wykorzystuje zjawisko kawitacji do przetłaczania bardzo lepkich płynów. Wywołane przez obrót specjalnej konstrukcji ślimaka, strefy kawitacji płynu "popychają" kolejne porcje płynu wzdłuż ślimaka i jednocześnie powodują powstanie stref dużego podciśnienia, do których są "zassysane" kolejne porcje płynu.

Rotorem w tego rodzaju pompach jest stalowa helisa, pokryta bardzo twardym i gładkim materiałem (chromem lub spiekami ceramicznymi). Rotor ten jest umieszczony w rurze, wewnątrz której znajduje się, gruba, helikalna uszczelka. Skok helisy wypełnienia gumowego jest równy dokładnie połowie skoku helisy rotora. Rotacja stalowej helisy powoduje powstanie stref kawitacji, które przemieszczają się cały czas wzdłuż jej osi i wymuszają opisany wyżej mechanizm pompowania płynu.

Pompy kawitacyjne charakteryzuje stosunkowo małe zużycie energii i długi czas eksploatacji, pod warunkiem ścisłego przestrzegania zasad jej użytkowania. W pompie tej rolę środka smarującego odgrywa właściwie sam pompowany płyn. Musi on więc spełniać pewne kryteria, takie jak odpowiedni zakres dopuszczalnej lepkości (dostosowany do określonego rodzaju pompy). Płyn nie może zawierać zbyt wielu zanieczyszczeń, które mogą uszkadzać rotor i gumowe wypełnienie. Nie wolno też tej pompy uruchamiać przed zalaniem jej pompowanym płynem.

Pompy tego rodzaju są stosowane głównie w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym (do pompowania past, pomadek, kremów itp.).

Poniższe informacje, ilustracje, zostały zaczerpnięte ze strony Hydro Dynamics oraz z opisu patentu U.S. Nr. 5385298.

Pompa hydrosoniczna jest prostym, trwałym i "czystym ekologicznie" urządzeniem. Zanim przedstawię zasadę jej działania i konstrukcję, omówię kilka doświadczeń, zjawisk fizycznych, które pomogą zrozumieć o co w tym chodzi.

W jaki sposób można doprowadzić ciecz (np. wodę) do wrzenia? Można to zrobić na dwa sposoby:

  • Podgrzewając ciecz, aż osiągnie temperaturę wrzenia.

  • Obniżając ciśnienie, co spowoduje obniżenie temperatury wrzenia (np.: umieszczając wodę w szczelnym pojemniku z którego wypompowywujemy powietrze, możemy doprowadzić ją do wrzenia w temperaturze pokojowej)

Podczas przepływu cieczy w rurze jej prędkość jest największa w środku jej przekroju i stopniowo maleje jak zbliżamy się ku jej ściankom, natomiast ciśnienie (statyczne) jest najmniejsze w środku i rośnie wraz ze spadkiem prędkości.

Podczas przepływu wody w rurach słychać czasami różne trzaski i inne dźwięki. Często jest to wynikiem kawitacji, czyli powstawania w cieczy pęcherzyków pary w strefie zmniejszonego ciśnienia i nagłe ich znikanie (implozja) w strefie większego ciśnienia.

Pompa kawitacyjna schemat 1

Spójrzmy na rys.1a i b. Przez rurę płynie woda z dużą prędkością natrafiając na nagłe zwężenie przekroju, przeszkodę, za którą powstaje nagły spadek ciśnienia (czyli obniża się także temperatura wrzenia cieczy), co powoduje powstawanie pęcherzyków pary, które powiększają się dotąd, aż znajdą się w strefie zwiększonego ciśnienia w pobliżu ścianek rury gdzie następuje nagłe ich znikanie; podobne zjawiska powstają przy przepływie wody z dużą prędkością przez kolanka, trójniki, dyfuzory. Czas implozji takiego bąbla pary to tysięczne części sekundy, co powoduje, że w punkcie jego zniknięcia następuje wzrost ciśnienia nawet do 100÷1000 MPa. Ponieważ w takim przypadku jak na rys.1 a, b pęcherzyki pękają głównie w pobliżu ścianki, rura będzie podlegać stopniowemu niszczeniu (ze względu na tak wysokie ciśnienie). Zjawisko kawitacji może powodować także niszczenie wirników pomp, a nawet śrub okrętowych dużych statków. 

Kawitacja może zachodzić również w przypadku oddziaływania fal dźwiękowych - ultradźwięków (kawitacja akustyczna) - do jej powstania jest potrzebny pewien próg natężenia ultradźwięków, niższy w cieczy zagazowanej (powstają pęcherzyki gazowe - pseudokawitacja), a wyższy w cieczy odgazowanej (kawitacja akustyczna właściwa). Kawitacja akustyczna powoduje m.in. rozbijanie ciał stałych, czyszczenie, inicjowanie i przyspieszanie reakcji chemicznych. Te fale dźwiękowe powstają również w pompie kawitacyjnej - stąd jej inna nazwa pompa hydrosoniczna. Gdy bąble kawitacyjne (w przypadku kawitacji akustycznej) się zapadają może być wydzielane intensywne światło zwane sonoluminescencyjnym.

Pompa kawitacyjna schemat 2
Animacja przedstawiająca powstawanie pęcherzyków pary podczas kawitacji w pompie kawitacyjnej (hydrosonicznej) i ich implozji - animacja pochodzi ze strony www.hydrodynamics.com

W naturze zjawisko kawitacji wykorzystały do polowania w swoich szczypcach raki pistoletowe. Dzięki kawitacji udało się również przesuwać próbówkę z wodą oświetlając ją promieniem lasera, co wykorzystano do konstrukcji mikropomp pompujących wodę (pompa bez części ruchomych oświetlana laserem). 

Ciekawy opis zjawiska kawitacji na stronie http://www.myzlab.prv.pl w dziale "Ciekawostki".

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA POMPY KAWITACYJNEJ

Pompa kawitacyjna budowa 1

Pompa kawitacyjna budowa 2

Podczas badań nad przepływem wody w rurach Jim Griggs zauważył podwyższenie jej temperatury, które było większe niż mogłoby dawać tarcie i rozchodzące się fale uderzeniowe oraz dźwięki wewnątrz rury. Wynikiem tych badań było zbudowanie i opatentowanie pompy kawitacyjnej (zwanej też hydrosoniczną). Pompa ta była badana w NASA, gdzie potwierdzono wyniki uzyskane przez Griggsa. Wynalazek ten był też prezentowany w wielu programach TV, między innymi w emitowanym także w Polsce (w 1 lub 2 programie TVP - w 1998 lub 1999 roku) programie BBC poświęconym najnowszym odkryciom naukowym pt.: "Fantastyczna przyszłość".

Pompa składa się z wirnika w postaci walca, na którego bocznej powierzchni nawiercone są otwory. Walcowa (w postaci krótkiej rury) obudowa zamknięta jest dwoma talerzowymi pokrywami, w których osadzone są łożyska i uszczelnienia wału wirnika. W pokrywach, obudowie znajdują się otwory: wlotowy i wylotowy, przez które przepływa woda (lub inna ciecz). Wirnik jest takiej wielkości, aby między obudową i bocznymi pokrywami była pewna niewielka przerwa. Do pompy kawitacyjnej tłoczona jest woda (przez zwykłą pompę do wody, np. od instalacji centralnego ogrzewania). Gdy wirnik zaczyna się obracać woda wypływa pod wpływem siły odśrodkowej z jego otworów (prędkość obrotowa powinna być odpowiednio duża), w których wytwarza się niskie ciśnienie - następuje obniżenie temperatury wrzenia wody i powstają tysiące małych pęcherzyków pary; woda wyrzucana z jednego otworu wpada do następnego i tak w kółko. W pracujących pompach zaobserwowano, że pęcherzyki nie ulegają implozji przy powierzchni wirnika (nie niszczą go), lecz głównie w otworach wirnika, w samej wodzie. Powoduje to, że cała energia implozji bąbla pary i wzrostu punktowego ciśnienia (do 100÷1000 MPa) jest przejmowana przez wodę, w postaci wzrostu temperatury. Ponieważ w pompie powstaje i zanika tysiące pęcherzyków, woda bardzo szybko zwiększa swoją temperaturę tak, że wrze i z pompy wypływa para lub (w zależności od prędkości podawania wody do pompy) ciepła woda. Pompę można wykorzystać do ogrzewania, destylacji (np. zamiana słonej wody na pitną), szybkiej pasteryzacji, produkcji różnych związków chemicznych (na wejście podajemy dwa różne związki, a na wyjściu otrzymujemy trzeci powstały w wyniku ich reakcji pod wpływem temperatury), do produkcji papieru, mieszania różnych substancji (np. płynu z płynem, płynu z gazem), rafinacji ropy naftowej, itp.

Pompa kawitacyjna może być napędzana dowolnym źródłem energii mechanicznej, np. silnikiem elektrycznym, wiatrakiem (bezpośrednio z wału na dole przy podstawie wieży, masztu wiatraka). Należy tak dobrać wielkość wirnika pompy i prędkość obrotową silnika napędzającego, by osiągnąć odpowiednią prędkość obwodową wirnika. Można zastosować przekładnię (dowolną), lepiej jednak aby silnik napędzał pompę bezpośrednio - mniejsza złożoność i większa niezawodność.

Pompa kawitacyjna jest urządzeniem o niewielkich rozmiarach, prostej i trwałej konstrukcji. Nie ma tu spalania, grzałek elektrycznych. Jest bezpieczna i przyjazna dla środowiska. Niezwykle prosta w obsłudze - wystarczy włączyć przycisk - całą pracą steruje układ elektroniczny (możliwość utrzymywania stałej temperatury z dokładnością 1°C). Nie ma spalania - brak zagrożenia wybuchem, szkodliwych gazów, popiołów. Ponieważ najgorętszym elementem jest woda (ciepło jest generowane wewnątrz płynu - czyli tam gdzie jest potrzebne; wszystkie części mają zawsze trochę niższą temperaturę - mała różnica temperatur) oraz ze względu na czyszczące działanie kawitacji nie osadzają się zanieczyszczenia (kamień) na elementach pompy, tak jak to ma miejsce w bojlerze, piecu c.o. itp.

Energia wytwarzana przez pompę kawitacyjną jest przewidywalna. Mimo że należy rozpatrzyć wiele czynników to najbardziej kluczowymi elementami wpływającymi na ilość wytwarzanej energii cieplnej są: prędkość obrotowa wirnika, liczba otworów na wirniku, odległość pomiędzy wirnikiem a obudową i bocznymi talerzami. Dla danej średnicy wirnika, jego szerokości i pewnej liczby otworów przy stałych obrotach (obr/min) zachodzą następujące zależności:

  • Jeśli  o X % wzrasta liczba otworów (stałe wymiary - średnica i głębokość otworów) przy jednoczesnym wzroście szerokości wirnika - ilość energii cieplnej wzrośnie również o X %, np.: pompa z wirnikiem o średnicy 12" (30.48 cm), 1" (2.54 cm) szerokości, zawierającym 36 otworów, prędkości obrotowej 3600 obr/min będzie dawać 25 500 BTU (British Thermal Junit - brytyjska jednostka cieplna, 1 BTU = 1055,06 J = 252 cal = 0,000293012 kWh; 25 500 BTU = 26 904 030 J = 6 426 000 cal = 7,472 kWh). Jeśli szerokość wzrośnie do 2" (5.08 cm) i liczba otworów do 72, otrzymamy 51 000 BTU (wzrost o 100%) = 14,944 kWh.

  • Kiedy wzrośnie średnica i/lub prędkość obrotowa - zwiększa się prędkość obwodowa wirnika - to na wyjściu BTU wzrośnie odpowiednio: wirnik 12" (30,48 cm) × 1" (2,54 cm), 36 otworów, 10 800 obr/min, prędkość obwodowa 172,4 m/s - otrzymamy 2 680 000 BTU = 2 827 560 800 J = 785,272 kWh (przy 3600 obr/min było 25 500 BTU).

  • Dwa wirniki o różnych średnicach i różnych prędkościach obrotowych z równą liczbą otworów będą dawały tą samą energię, jeśli ich prędkości obwodowe są równe. Wirnik 12" (30,48 cm) przy 3600 obr/min (180 ft/sec = 54,8 m/s) będzie dawał tą samą energię co wirnik 24" (60,96 cm) przy 1800 obr/min (180 ft/sec = 54,8 m/s).

Schematy 2 instalacji do ogrzewania domku jednorodzinnego

Pompa kawitacyjna schemat ogrzewania 1

 

Pompa kawitacyjna schemat ogrzewania 2

Niektóre parametry produkowanych pomp dla przemysłu

Wymiary pompy w cm

40,64×12,7

40,64×25,4

81,28×27,94

81,28×53,34

101,6×20,32

101,6×27,94

Obr/min

3 600

3 600

1 800

1 800

1 800

1 800

Wytwarzana energia w kWh (tys. BTU)

112 (381)

225 (770)

520 (1775)

932 (3182)

1865 (6365)

2454 (8375)

Przy podawanych danych przyjąłem następujące dane 1 BTU = 0,000293012 kWh, 1 Mechanical Horsepower HP = 745,7 W.

Jak na początku wspomniano, przemiana energii mechanicznej w cieplną następuje z bardzo wysokim współczynnikiem sprawności. Oficjalnie mówi się, że prawie 100% energii mechanicznej jest zamieniane w energię cieplną, jednak w wielu publikacjach krążących w Internecie podaje się, że otrzymywać można średnio 110-130% energii w postaci ciepła (przy prawidłowo zbudowanej pompie) - jednak jak to z informacjami podawanymi w Internecie mogą być mało wiarygodne, wystarczy wspomnieć jakie niesamowite informacje krążyły na temat Sagwey'a przed jego premierą (że potrafi latać, że ma napęd antygrawitacyjny itp.), który okazał się jedynie dość niekonwencjonalnym pojazdem elektrycznym. 
Dane na temat sprawności były podawane w TV i podobno potwierdzono je w NASA. W internecie udało mi się znaleźć następującą informacje:
- w 1994 przeprowadzono szczegółowe śledztwo w tej sprawie, nadzorował to oficer śledczy Jed Rothwell - przez 20 minut zużyto 4.8 kWh energii elektrycznej na wejściu wytwarzając 19050 BTU energii cieplnej co odpowiada 5.58 kWh, czyli 117% energii wejściowej, faktycznie nawet więcej jeśli uwzględni się, że na silniku elektrycznym występują straty (dostarczona energia mechaniczna jest trochę mniejsza od pobranej energii elektrycznej); 
- urządzenie Griggsa badał profesor Keizios, dziekan honorowy "Department of Mechanical Engineering at Georgia Institute of Technology", który był prezydentem "American Society of Mechanical Engineers". Nadzorował on projekt aparatury mierzącej pobieraną i wytwarzaną energię przez pompę Griggsa - maksymalną sprawność jaką udało się uzyskać w warunkach laboratoryjnych to 1,6 (czyli 60% więcej niż włożyliśmy energii; specjalne wykonanie pompy, izolacja cieplna itp.).
Można by pomyśleć "wspaniale, można zbudować samonapędzającą się maszynę", niestety jest pewien problem - urządzenia przetwarzające energię cieplną w mechaniczną mają małą sprawność (duże straty). Użytkownicy w USA ogrzewania opartego na pompie kawitacyjnej podobno płacą średnio o 30% mniejsze rachunki za prąd, w porównaniu do ogrzewania elektrycznego.

Przykładowe produkty:

Generator ciepła małej mocy WTG S 1,8kW

Wirowy generator ciepła WTG 1S 5,5kW

Wirowy generator ciepła WTG 2S 11kW

Wirowy generator ciepła WTG 3S 15kW

Wirowy generator ciepła WTG 4S 22kW

Wirowy generator ciepła WTG 5S 30kW

Wirowy generator ciepła WTG 6S 45kW

Wirowy generator ciepła WTG 7S 75kW

Generator ciepła dużej mocy WTG 8S 90kW

hosted by: www.ekologika.com.pl