POMPA KAWITACYJNA cz. 1

STRONA 1/2

Urządzenie opatentowane w USA (patent Nr 5188090 - z 1993 r. i 5385298 z 1995
r.), a także w Kanadzie, Japonii i 11 europejskich krajach.

Wynalazca: inż. Jim Griggs

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. Poniższe informacje, ilustracje, zostały
zaczerpnięte ze stron

HTES

,

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.

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.

Animacja przedstawiająca powstawanie pęcherzyków pary podczas kawitacji w pompie kawitacyjnej

(hydrosonicznej) i ich implozji - animacja pochodzi ze strony

www.hydrodynamics.com

.

2

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

3

Kliknij tu, aby obejrzeć I film (3,09MB)

Kliknij tu, aby obejrzeć II film (2,82MB)

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

4

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.

Konstrukcje pompy kawitacyjnej przedstawione w patencie U.S. Nr 5,385,298

Rys. 2

5

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.

6

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).

7

Rys. 5.

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

8

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

9

Niektóre parametry produkowanych pomp dla przemysłu

Wymiary pompy w

cm

40,64×12,

7

40,64×25,

4

81,28×27,9

4

81,28×53,3

4

101,6×20,3

2

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

10

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.

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

na następnej

stronie

.

11