Geometrią w pożeracze energii

Kiedy słyszymy słowo „wentylator”, przed oczami staje nam niewielkie urządzenie, które chłodzi nas w upalne dni. W domu, biurze, w osiedlowym sklepiku. Tymczasem wentylatory to jedne z najbardziej uniwersalnych urządzeń, jakie znamy. Używane niemal w każdej gałęzi przemysłu: od energetycznego, przez hutniczo-górniczy, po chemiczny. – Ich zadaniem jest wprawić w ruch jakieś medium – tłumaczy dr hab. inż. Przemysław Moczko, prof. Politechniki Wrocławskiej. – Może to być powietrze, gaz procesowy, spaliny, mieszanina powietrza i materiału, który chcemy transportować. Na przykład w przemyśle drzewnym używa się wentylatorów do pneumatycznego transportu trocin.

Wentylatory promieniowe (takie jakie znamy z domów, z łopatkami) sprawdzają się w najbardziej wymagających i złożonych instalacjach. Największe z nich to potężne urządzenia – średnica ich wirników dochodzi do 6 m, a waga do 10 t. Takie urządzenie muszą pożerać ogromne ilości energii. I pożerają. W KGHM wentylatory, które wtłaczają powietrze do górniczych szybów, a potem je stamtąd wypompowują, zużywają ok. 30 proc. całej energii, jakiej potrzebują kopalnie kombinatu.

Żeby jeszcze lepiej zrozumieć, jak energochłonne są te urządzenia, wystarczy uzmysłowić sobie, że jeden wentylator o mocy 2 MW zużywa przez godzinę tyle energii, ile średnio przez rok gospodarstwo domowe. W Unii Europejskiej wszystkie wentylatory zużywają w sumie powyżej 300 TWh rocznie. Ta gigantyczna ilość pobieranej energii daje wentylatorom trzecie miejsce w grupie najbardziej energochłonnych urządzeń – po napędach mechanicznych i oświetleniu. W tej sytuacji zmniejszenie zużycia energii nawet o 1 proc. oznacza ogromne oszczędności.

– Wentylatory są zaprojektowane do określonych parametrów pracy i rodzaju medium, które wprawiają w ruch, i tylko przy tych warunkach osiągają największą sprawność, czyli najkorzystniejszy stosunek energii pobranej do wydanej – tłumaczy prof. Moczko. – Każda zmiana obniża sprawność. Problem w tym, że urządzenia nie pracują przez cały czas w tych samych warunkach, np. w kopalniach zapotrzebowanie na powietrze nie jest przez cały czas jednakowe. W cyklu dziennym wentylatory mogą pracować w innych warunkach podczas zmian, w cyklu tygodniowym mniej powietrza można tłoczyć w soboty i niedziele. Dlatego regulacja jest konieczna.

Powszechnie stosuje się metodę znaną nam z naszych domowych urządzeń, czyli zmianę prędkości obrotowej wirnika. To bardzo dobra metoda, która pozwala dostosować parametry do potrzeb. Ale nie jest to rozwiązanie idealne. Przede wszystkim z powodu kosztów. W przypadku potężnych wentylatorów przemysłowych do zmiany potrzebne jest dodatkowe urządzenie, czyli przemiennik częstotliwości, który sporo kosztuje. Im większy wentylator, tym więcej. – Zaproponowana przez nas metoda regulacji pozwala na rezygnację z obecnych metod sterowania – mówi prof. Moczko. – Jest tańsza, a jednocześnie zapewnia równie elastyczną regulację.

Co zaproponowali naukowcy z Politechniki Wrocławskiej? Zamiast regulacji prędkości obrotowej wirnika – zmianę jego geometrii. – Istotą wynalazku jest zmiana długości łopatki, a tym samym zmiana średnicy zewnętrznej wirnika – tłumaczy profesor. – Aby umożliwić regulację, łopata wirnika została podzielona na część stałą, położoną bliżej osi wirnika, oraz część ruchomą, która porusza się wzdłuż części stałej. Zmiana zewnętrznej średnicy wirnika pozwala na efektywną regulację natężenia przepływu medium. Przy czym nasze rozwiązanie pozwala zmieniać średnicę wirnika również podczas pracy, dzięki czemu regulacja wentylatora jest płynna.

Rozwiązanie wydaje się proste, ale w prostocie siła. Mimo to, choć zostało poddane eksperymentalnym badaniom weryfikacyjnym (w tym celu zbudowano egzemplarz wentylatora testowego), traktowane jest z dużą ostrożnością. – Rozwój wentylatorów promieniowych w pewnym momencie się zatrzymał – łumaczy prof. Moczko. – Powszechnie uznano, że dotychczas wypracowane rozwiązania są wystarczające, a ponieważ wentylatory to urządzenia krytyczne, których awaria może wstrzymać cały proces produkcyjny, do nowych pomysłów podchodzi się z dużą rezerwą. Naszym zadaniem jest teraz przekonanie zainteresowanych, że można taniej, ale równie skutecznie i bezpiecznie.

Dla wyjątkowo ostrożnych przygotowano prostszą wersję, w której końcówki łopatek wirnika są przestawiane podczas postoju wentylatora, co powinno skutecznie rozwiać wszelkie obawy. ©Ⓟ

______________________________________________

Ekspansja na światowe rynki

Gdzie chronić innowacyjne rozwiązanie: tylko w Polsce, w Europie czy na świecie? Odpowiedź na to pytanie zależy od strategii rynkowej dla danego wynalazku, choć istotny jest też aspekt finansowy. Ochrona wyłącznie w Polsce to najmniejsze koszty, ale również ograniczenie ochrony tylko do naszego kraju. Zatem nie będzie można ścigać naruszenia w innym państwie, w którym wynalazek może być wytwarzany lub wprowadzany do obrotu. Z kolei ochrona międzynarodowa to proces długotrwały i kosztowny.

Ciekawym rozwiązaniem jest wybranie ochrony poprzez patent europejski o jednolitym skutku – system ten działa dokładnie od roku. Poprzez patent jednolity możliwe jest uzyskanie ochrony jednocześnie w 17 krajach członkowskich Unii Europejskiej. Pewna niedogodność polega na tym, że Polska, podobnie jak Chorwacja czy Hiszpania, nie jest objęta tym systemem i wciąż są wymagane walidacje patentu europejskiego. Patent jednolity pozwala na minimalizację kosztów ochrony patentowej na terytorium większości UE i daje możliwość centralnego ścigania naruszeń przed wyspecjalizowanym Jednolitym Sądem Patentowym. Jedocześnie postępowanie o unieważnienie takiego patentu, w razie przegranej, prowadzi do jednoczesnej utraty ochrony na terytorium wszystkich 17 państw. Zatem każdy przypadek należy rozpatrywać indywidualnie.

Opisywany wynalazek dotyczący wentylatora promieniowego to rozwiązanie o dużym potencjale, które można zastosować w każdym zakątku świata. Wyróżnia go prosta konstrukcja i wysoka sprawność. Wstępne badanie stanu techniki urzędu patentowego jest pozytywne, są więc duże szanse na uzyskanie patentu w Polsce. Jeśli wynalazek ma być chroniony za granicą, należy pamiętać, aby taką procedurę rozpocząć w okresie 12 miesięcy od zgłoszenia wynalazku do urzędu patentowego. ©Ⓟ