VPT - Vortex Process Technology

Johan Kronholm, MSc, PhD
Research Manager, Watreco AB

Versio 201101

Esittely

Idea VPT:n takana on nesteen pyörre-liikkeeseen järjestäytymisen salliminen. Pyörre-liike on peruslaatuinen liike luonnossa. Sitä esiintyy galakseissa, tornadoissa, puroissa vuorilla sekä ihmisen verenkierrossa. Uniikki biomimeettinen muotoilu Watrecon pyörre generaattoreissa sallii tornadon äärimmäisen voiman valjastamisen teollisiin sovelluksiin.

Watreco pyörre-generaattorissa ei ole liikkuvia osia, se prosessoi nesteitä jatkuvasti ja vaatii minimaalisesti ylläpitoa.

Pyörre-generaattorin synnyn takana on Viktor Schauberger, itävaltalainen metsänhoitaja joka opiskeli läpi elämänsä luonnollista veden virtausta. Viime vuosisadan alkupuolella Schauberger keksi ekoystävällisiä, yhä käytössä olevia, vaihtoehtoja joillekkin kestämättömille menetelmille.

VPT - Vortex Process Technology

Watrecon pyörre-generaattori on kansainvälisen patentin suojaama. Se kykenee generoimaan hyvin selkeän pyörteen huomattavasti alhaisemmalla paine- tai virtaamatasolla kuin muita tekniikoita käyttäessä.

Kuten kuvassa 1 näkyy, pyörre-generaattori muokkaa nesteen virtaamaa kolmessa vaiheessa.

1.       Esimuokkaaja. Pyörre-generaattorin tuloaukko antaa esteettömän, ulospäin suuntautuvan, rengasmaisen liikkeen virtaamalle, kohti rajattujen kanavien rykelmää.

2.       Kanavat (kuvassa channels). Esimuokkauksen jälkeen neste suunnataan läpi kanava-setin. Jokaisessa kanavassa on pyörteen aikaansaama geometria. Jokainen kanava antaa suihkun joka virtaa tangentiaalisesti pyörre-kammioon.

3.       Pyörre-kammio(Kuvassa preformer). Pyörre-kammiossa kanavista tulleet pyörteet sidotaan yhteen, samalla periaatteella kuin köysi, joka koostuu pienemmistä langoista. Vahva ja vakaa pyörrevirtaus muodostuu pyörrekammion sisällä, aiheuttaen huomattavasti pienentyneen paineen pitkin akselia jonka ympärillä pyörre pyörii. Riippuen sovelluksesta, pyörrekammiolla voi olla eri muotoja. Torvi-muoto tuottaa hyvin selkeän pyörteen esteettömällä siirtymällä jättöpuolen putkitukseen. Munan muotoinen kammio ohuella ulostulolla aiheuttaa suihkulle laajan hajonnan, mikä on hyödyllistä sumutus/suihkutus-sovelluksissa tai kun suuri määrä vettä pitää sekoittaa.

Kuva 1 Watreco pyörre-generaattori, torvimuotoisella kammiolla.

Pyörrevirtaus aiheuttaa suuren nousun painegradientissa sekä leikkausvoimissa. Painegradientti on muutosta matalan ja korkean paineen välillä. Leikkausvoimat virtaavassa väliaineessa syntyvät kun virtausnopeus vaihtuu nopeasti lyhyellä matkalla.

Säteittäinen painegradientti pyörrekammiossa aiheuttaa voimakkaan alipaineen pyörimisakselilla. Vettä käytettäessä tämä alipaine pakottaa ilmakuplat (liukenematon kaasu) liikkumaan sisäänpäin kohti pyörimisakselia. Jos vedessä on tarpeeksi liukenematonta kaasua, näkyy läpinäkyvässä pyörregeneraattorissa pitkin pyörimisakselia"tyhjiö-säie". Jos painegradientti on tarpeeksi suuri, tapahtuu kavitaatio (kts. alla). Suuri painegradientti muuttaa kemiallista tasapainoa, aiheuttaen reaktioita jotka eivät tapahtuisi normaaleissa virtausolosuhteissa.

Pyörregeneraattorissa leikkausvoimat eivät vain esiinny lähellä seinämiä vaan myös nesteen sisällä itsessään, esim. kun kanavista tulevat suihkuvirtaukset sitoutuu yhteen. Leikkausvoimia on myös lähellä tyhjiösäiettä, pyörimisakselilla. Pyörregeneraattorin voimakas sekoituskyky aiheutuu suurista leikkausvoimista jotka taasen aiheuttavat pakotetun mutta silti järjestäytyneen konvektion virtaavassa väliaineessa. Painegradientin ja leikkausvoimien yhdistelmä aiheuttaa muodostumista, kertymistä tai rikkoutumista tietyissä olosuhteissa nesteen kiinteässä materiassa .

Kuva 2: Poikkileikkaus pyörre-generaattorista munanmuotoisella kammiolla.

Pyörrevirtausilmiöt

Kaasunpoisto

Makroskooppiset ja mikroskooppiset kaasukuplat vedessä vetäytyy alipaineen alueelle pyörre kammiossa. Alipaine aiheuttaa silloin niiden laajentumisen ja kerääntymisen isoiksi kupliksi jotka voidaan helposti poistaa generaattorin alavirrasta. Liukunemattomat kaasut eivät yleisesti altistu tälle prosessille. Aineet jotka kerääntyy kuplien pinnoille voivat seurata kuplia kohti pyörimis-akselia, kasaantua ja sen jälkeen hajaantua.

Sekoittaminen

Kun alipaine kammiossa laskee alle ympäröivän paineen, kaasut tai nesteet ajautuvat pyörrekammioon. Sisään imetty neste sekoittuu tehokkaasti kammiossa pyörivän väliaineen kanssa. Tämä prosessi on hyvin tehokas, esim veden ja ilman (tai muun kaasun) sekoittamisessa. Tai veden ja öljyn, tuottaen näin pysyviä emulsioita.

Kavitaatio

Paineen ollessa tarpeeksi alhainen pyörimis akselilla, muodostuu väliaineessa onteloita. Kun ne liikkuvat ylipaine-alueelle, ne räjähtävät nopeasti, tuottaen paineaaltoja sekä suuren määrän vapautuvaa lämpöä jo pienissä määrissä. Tätä kutsutaan kavitaatioksi, joka voi aiheuttaa mm. kalkin muodostumista.

Pyörre-käsitellyn veden ominaisuudet

Pyörre-käsitellyn veden ominaisuuksia on tutkittu vuonna 2010 ja 2011 Polymer Technology Group Eindhoven BV (PTG/e) toimesta. Kyseessä on riippumaton tutkimusinstituutti joka on osa Eindhoven University of Technology (TU/e)-yliopistoa. Näytteitä otettiin kunnallisesta vedestä Hollannissa, ennen ja jälkeen käsittelyn. Vedenkäsittely tehtiin standardilla Watreco pyörre-generaattorilla veden paineella 3,5 bar.

Viskositeetti

PTG/e totesi viskositeetin pienentyneen käsittelyn jälkeen. Ero oli välillä 3-17%, riippuen veden laadusta ja lämpötilasta. Kuten Albert Einstein jo todisti 1905, kaasukuplien olemassaolo vedessä vaikuttaa viskositeettiin. Kun kuplat (liukenemattomat kaasut) poistetaan, viskositeetin pienentyminen on odotettavissa.

Lämmönjohtavuus

Pyörre-käsittely muutti jään sulamiskäyttäytymistä. Lämmönvaraamiskyky oli 5% korkeampi jäälle ja 3% sulalle vedelle.

Sähkönjohtavuus

Tutkimuksen mukaan sähkönjohtavuus nousi 3% käsittelyn jälkeen. Tämä voi johtua joko muutoksista viskositeetissa tai ionien ja/tai varautuneiden partikkelien ominaisuuksen muuttumisesta.

Pinta jännitys

Vaikka viskositeetti pieneni niin pintajännityksessä ei havaittu muutoksia tässä tutkimuksessa.