DARMOWA ENERGIA - Pompa kawitacyjna

Urządzenie to służy do zamiany energii mechanicznej (jej źródłem może być silnik elektryczny, wiatrak itp.) na cieplną (zimna woda podawana do pompy wypływa w postaci pary lub gorącej wody i pary lub samej ciepłej wody). Pompa kawitacyjna (inne nazwy to: pompa hydrosoniczna, pompa implozyjna) została wynaleziona i opatentowana przez inż. Jima Griggsa.

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:

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.

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 światło zwane sonoluminescencyjnym.

Animacja przedstawiająca powstawanie pęcherzyków pary podczas kawitacji w pompie kawitacyjnej (hydrosonicznej) i ich implozji (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).

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 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. 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.

Rys. 3. Wymiary wirnika w calach: średnica 6" (15,24 cm), szerokość 9" (22,86 cm), szczelina między obudową a wirnikiem (zarówno w części cylindrycznej jak i płytami bocznymi) 0,1" (0,254 cm) - czyli niewielka i ma spory wpływ na parametry pompy, po 20 otworów (co 18 stopni) w 8 rzędach (głębokość większa lub równa średnicy otworu), 5000 obr/min, 0,5" (1,27 cm) rura doprowadzająca wodę.

Rys. 4. Wymiary wirnika w calach: średnica 10" (25,4 cm), szerokość 4" (10,16 cm), szczelina między obudową a wirnikiem 0,1" (0,254cm), po 24 otwory (co 15 stopni) w 4 rzędach (średnica otworu ok. 2 cm), 3450 obr/min, 0,75" (1,9 cm) rura doprowadzająca wodę, średnica wałka 1,75" (4,4 cm).

Wałek wykonany ze stali. Wirnik może być wykonany ze stali węglowej, nierdzewnej, aluminium lub kompozytów.

Patent podaje, że do napędu powyższych 2 pomp (rys. 3 i 4) można użyć silników elektrycznych o mocach 5-7.5 HP (1 HP (Horse Power) = 745,7 W = 1,055 KM).

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:

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 oficjalnie przez producenta na stronach www nie ma podanej sprawności, ale urządzenie to jest produkowane i sprzedawane (choć na razie głównie w USA).
Sam trochę postanowiłem poeksperymentować i zbudowałem taką pompę - o tym poniżej.

Na początek chciałem zaznaczyć, że pompa kawitacyjna to jedynie urządzenie zamieniające energię mechaniczną w ciepło, więc jeśli chcemy ogrzewać np. wodę do mycia to lepiej zastosować kolektor słoneczny, gdzie mamy naprawdę darmową energię cieplną (nie licząc ceny samego urządzenia).
Pompa kawitacyjna ma tą wadę, że do jej napędu jest potrzebna duża prędkość obrotowa - a to znaczy, że jeśli uszczelnienia nie będą poprawnie zrobione, będą się szybko zużywać i tracić szczelność. Jednak w profesjonalnym wykonaniu (produkowane modele) jest to urządzenie dość trwałe. Poza tym pompa taka ma wiele innych zastosowań. Jednak poniższy prototyp miał na celu jedynie sprawdzenie efektywności tego urządzenia i nie jest przewidziany do użytkowania w jakiś praktyczny sposób.

Zrobiona przeze mnie PK (rysunek powyżej), jest moim własnym projektem opartym o różne materiały jakie czytałem i nie jestem też specjalistą w tej dziedzinie, po prostu bazuje na informacjach z Internetu. Z tego względu proszę o potraktowanie poniższej konstrukcji jedynie jako takiego prototypu zbudowanego amatorsko.

Zamieszczone poniżej rysunki były wykonane na własny użytek, ale myślę że są wystarczająco jasne. Rysując plany tej pompy wzorowałem się na rys. 4 pompy (poprzednia strona) zmniejszając ją nieco (szerokość) do wymiarów, elementów jakie były by możliwe do wykonania u tokarzo-frezarza w mojej okolicy. Do napędu przewidywałem na początku, że będzie konieczny silnik ok. 2 kW, ale okazał się za słaby (szerzej o tym dalej).

Zamieszczam rysunki do ściągnięcia wykonane w AutoCAD'zie (można przeglądać w wersji 13, 14 lub 2000) w formacie *.dwg.

Poniżej do pobrania są rysunki w formacie *.gif. Osoby nie mające dostępu do AutoCAD'a mogą je skopiować do programu Word; następnie należy kliknąć prawym klawiszem myszy i wybrać "Formatuj rysunek". W otwartym oknie klikamy kartę "Układ" i zaznaczamy w "Stylu otaczania" opcję "Przed tekstem". Przechodzimy na kartę "Rozmiar" i w polach "Szerokość" i "Wysokość" rysunku wpisujemy wartości rozmiaru rysunku podane poniżej. Potwierdzamy OK. Po tych zabiegach rysunki powinny drukować się w skali 1:1. Przesuwamy ewentualnie rysunek na stronie myszką lub zmieniamy układ strony na poziomy (niektóre rysunki zajmują do czterech stron A4 - po wydrukowaniu ich w częściach można je skleić w jeden) sprawdzając widok w podglądzie wydruku. To samo można zrobić też w innych analogicznych do Worda edytorach tekstu.

Wymiary rysunków:
pkcala.gif - 25,2x34,2 cm
pkwalek.gif - 26,5x19,9 cm
pkwirnik.gif - 46,2x37,0 cm
pkpokr1.gif - 54,2x37,0 cm
pkpokr2.gif - 54,2x37,0 cm
pkpanprz.gif - 54,8x20,0 cm
pkpantyl.gif - 50,8x20,0 cm
pkzaslep.gif - 19,7x27,9 cm
pkkolo.gif - 26,5x19,9 cm

Zastosowane w pompie dodatkowe części:
Łożyska ze smarem 3 szt.: śr. zew=35mm, śr. wew=15mm, szerokość=11mm.
Uszczelniacze (zimeringi) 3 szt.: śr. zew=35mm, śr. wew=15mm, szerokość=7mm.
Pierścienie zabezpieczające (segery) 2 szt.: na wałek o śr. 15mm (w rowku śr. 14mm).
Uszczelniacze od pompy układu chłodzenia samochodu FSO 1500 (Fiat 125p) 2 szt.
Wszystkie części (powierzchnie styku) przed złączeniem smarować cienką warstwą silikonu (np. do silników samochodowych), także śruby łączące wirnik (te z łbem stożkowym) z wałkiem. Wałek z wirnikiem należałoby w miarę możliwości wyrównoważyć.

Do otworu wlotowego i wylotowego będą dołączone rurki miedziane o średnicy 15 mm, połączone np. na klej epoksydowy, ale lepiej nagwintować otwory i wykonać solidne połączenie. Pompa może być połączona z dowolnym zbiornikiem z wodą.

Koło pasowe cienki pasek klinowy, np. od FSO 1500 do napędu alternatora.

Na wałku tam gdzie zaznaczono chropowatość powierzchni (0,63) - chodziło mi tam oto aby te powierzchnie były szlifowane (nie wiem czy dobrze to oznaczyłem) - pracują one z uszczelniaczami i są bardzo ważne (szczególnie te poprzeczne do osi wałka).

Minimalna prędkość obrotowa (dla tej średnicy) to 3450 obr/min, jeśli nie będzie dobrze pracować to zwiększyć nawet do 6000 obr/min. Im mniejsza średnica tym większa prędkość obrotowa - prędkość obwodowa musi być odpowiednio duża.

Sprawność można będzie zmierzyć licząc energię dla silnika (napięcie, natężenie prądu, czas pracy) i energię pompy (dla danej ilości wody na podstawie zmiany temperatury w określonym czasie można obliczyć energię dostarczoną do wody), następnie porównać energię pobraną przez silnik z energią dostarczoną przez pompę do wody.

Jeśli ta konstrukcja się sprawdzi można ją ulepszyć zwiększając szerokość wirnika i stosując więcej rzędów otworów, otwór wylotowy może być wtedy u góry w płaszczyźnie osi otworów jednego z rzędów - woda wtedy będzie pompowana siłą odśrodkową do wylotu. Należało by zastosować klasyczne uszczelnienia bazujące na szczeliwie (sznur grafitowy o przekroju prostokątnym z zawartym smarem), zwiększyć średnicę wału (nie mogłem zdobyć innych uszczelnień ani szczeliwa, więc musiałem dostosować wałek do uszczelnień od pompy samochodowej). Można też wirnik zamocować klasycznie, na wpust. Z tego co wiem to należy przy budowie, projektowaniu trzymać się następujących reguł:

Jak powyższe warunki są spełnione to powinno wszystko działać, pozostałe elementy (uszczelnienia itp.) można zrobić na różne sposoby.

Do pompy należy wykonać odpowiedni uchwyt pasujący np. do odpowiednio dłuższych śrub łączących pokrywy.

Marzec 2003
Obecnie mam zbudowany już prototyp tej pompy, jednak napęd pasowy zupełnie nie zdał egzaminu - im większe obroty tym mocniej rosną opory ruchu wirnika, tak że nie udało mi się osiągnąć wymaganych obrotów (3450 obr/min), ponieważ pasek zaczyna się ślizgać (aż leci dym). Próbowałem też z przekładnią łańcuchową, ale też nie nadaje się - przy takich obrotach łańcuch wpada w silne drgania i spada. Nie mam odpowiedniego silnika by napędzać pompę bezpośrednio, ani na razie pieniędzy by wykonać odpowiednią przekładnię (np. na kilka pasków), więc na razie muszę wstrzymać się z eksperymentami. Jednak otrzymałem parę e-maili, że kilka osób buduje też tego typu urządzenia, a z przeprowadzonych prób wynika, że pompa działa (podgrzewa wodę). Na razie zamieszczam fotografie pompy przed zmontowaniem (na końcu strony). Pompa trzyma szczelność, brak przecieków, nie potrzeba dodatkowej pompy podającej wodę - siła odśrodkowa powoduje samoczynny przepływ wody. Wirnik został wykonany z aluminium, pozostałe elementy stalowe.

Czerwiec 2003
Dodaję kilka fotografii. Silnika elektrycznego na 3450 obr/min do bezpośredniego napędu nie zdobędę - w USA częstotliwość prądu jest 60Hz i dlatego silniki szybciej tam się obracają - u nas przy 50Hz silniki (bezkomutatorowe, asynchroniczne) kręcą się maksymalnie z prędkością 3000 obr/min. Z braku pieniędzy nie mam możliwości zbudowania innej przekładni do PK czy nabycia odpowiedniego silnika. Aby pompa była odpowiednia do warunków w Polsce (silników) powinna mieć większą średnicę, by można uzyskać odpowiednią prędkość obwodową wirnika.

Styczeń 2005
W międzyczasie pompą zainteresowali się panowie z Instytutu Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej badający m.in. zjawisko kawitacji. Wypożyczyłem im ją nieodpłatnie w zamian za wyniki badań. Okazało się przewidywany prze ze mnie silnik jest za słaby, zastosowali o mocy 4kW. Trochę to trwało - bo mają tam również zajęcia dydaktyczne. Pompę udało się rozkręcić do ok. 4000 obr/min (mogą tam sobie regulować częstotliwość prądu, a więc i obroty). Jednak uszczelnienia straciły swoją szczelność - PK zasysała powietrze i były przecieki. Jeśli będę miał jakieś szczegóły to zamieszczę na stronie. Pompa jest obecnie rozbierana i przerabiane są uszczelnienia, ponowne próby mają ruszyć wkrótce.

Październik 2005
Na razie uzyskałem takie informacje z Politechniki Poznańskiej:
Maksymalne sprawności są rzędu 0,99+/-0,03, osiągane są przy prędkości obrotowej silnika ok. 2800 obr./min. Sprawność była wyznaczana jako stosunek mocy uzyskanej do mocy dostarczonej. Moc uzyskana, brana pod uwagę, to ilość ciepła w watach, jaką udało się wytworzyć przy danym natężeniu przepływu wody oraz danej prędkości obrotowej silnika. Moc dostarczona, to z kolei moc czynna prądu elektrycznego, wyrażona w watach, jaką zużyto do napędu silnika elektrycznego urządzenia przy danej prędkości obrotowej (danej częstotliwości prądu zasilającego silnik) i danym natężeniu przepływu wody.

Tak więc podany wyżej współczynnik sprawności jest bliski jedności (100%).

Wynika z tego, że urządzenie to nie nadaje się raczej do ogrzewania np. domku jednorodzinnego - znacznie bardziej skomplikowana w porównaniu od grzałki elektrycznej, w wykonaniu amatorskim kłopoty z uszczelnieniami itp. Jednak pk znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, bo sprawność bliska 100% to wynik bardzo dobry, a odznacza się kilkoma przydatnymi właściwościami. Ostatnio zaczyna się stosować pompy kawitacyjne (hydrosoniczne) w produkcji biodiesla.

I połowa roku 2006
Na obecnym etapie badający pompę w Politechnice Poznańskiej stanęli przed ciekawym problemem dotyczącym zachowania się wody po przejściu przez urządzenie. Okazało się, ze woda na wyjściu z "pompy hydrosonicznej" zmienia swoje właściwości. Badano wartość napięcia powierzchniowego, porównując to jakie woda ma przed urządzeniem z tym jakie ma po przejściu przez pracującą "pompę". Wartość napięcia powierzchniowego na wyjściu z urządzenia okazała się wyższa, niż być powinna z punktu widzenia temperatury wody. W tej chwili próbuje się opracować badania, które mogłyby dać odpowiedź na pytanie, jak to się dzieje, że napięcie powierzchniowe wody zmienia się inaczej niż wynikałoby to z samej tylko zmiany temperatury wody. Z wykonanych obliczeń wynika, że zjawiska występujące wewnątrz urządzenia w trakcie jego pracy, w jakiś sposób rekompensują straty energii związane z zamianą energii elektrycznej na ciepło. Badający obecnie nie wiedzą co jest przyczyna takiego stanu rzeczy, ale wydaje się im, że jakiś udział ma w tym zmiana własności wody jako ośrodka, w którym zjawisko kawitacji zachodzi. Ich zdaniem nie powinno się rozpatrywać pompy jako osobnego urządzenia, ponieważ jego integralną częścią musi być zespół napędowy. Sugerują, że lepiej mówić o sprawności całego agregatu (silnik i pompa), ponieważ nie wiadomo (poza silnikiem) jaki udział w stratach energii maja poszczególne elementy układu.