СПОСОБ ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АГРЕГАТАХ, НАПРИМЕР В ГРАДИРНЯХ Российский патент 2005 года по МПК F28C1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к градирням, и может быть использовано в оборотных системах водоснабжения промышленных предприятий.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен брызгательный бассейн (см. патент Российской Федерации №2168133, МПК F 28 С 1/00, 2001), содержащий напорный коллектор с группами разбрызгивающих сопел в виде рядов, в нижней части которого подключены трубопроводы с эжекторами, на внутренней поверхности расширяющейся части каждого из которых выполнены винтообразные канавки, а сам эжектор установлен на поплавке и посредством гибкой гофрированной вставки соединен со стояком, кроме того, эжектор своей камерой смешивания соединен с пульсатором, а на дне бассейна установлены резонаторы Т-образной формы, состоящие из вертикальной упругой пластины, в нижней части закрепленной к постаменту, а в верхней части подвижно соединенной с пропеллером-поплавком, выполненным в виде спиралевидного вибратора.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения воды из-за снижения тепломассобмена во всем пространстве брызгательного бассейна, обусловленная отсутствием организованных естественных восходящих потоков воздуха. Организованное лишь над поверхностью зеркала воды бассейна взаимодействие воздуха с водой посредством эжекторов с целью образования волн и увеличения, тем самым, поверхности тепломассообмена является недостаточно эффективным в сравнении с охлаждающим эффектом, создаваемым организованным естественным потоком воздуха, взаимодействующим со всей испаряемой поверхностью падающих капель воды и поверхностью зеркала воды бассейна теплоообменных агрегатов, например градирен.

Известен способ понижения температуры воды в теплообменных агрегатах, например в градирнях, предусматривающий воздействие потоками воздуха на поверхность воды (см. Фарфоровский Б.С. Охладители циркуляционной воды тепловых электростанций. Л.: Энергия, 1972 г., с.45 п.4-1, с.70-76 п.4-7).

Недостатком известного способа является низкая эффективность тепломассообмена, обусловленная невысокой скоростью подаваемого в градирню воздуха, обеспечивающего отрыв относительно незначительного количества молекул воды с испаряемой поверхности (пленок, капель), что не позволяет интенсивно ее охлаждать. Повышение скорости подаваемого воздуха, например, за счет использования вентиляторов приводит к существенному удорожанию процесса и потерям воды в атмосферу за счет увеличения уноса мелких капель воды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного технического решения является создание такого способа, который позволял бы увеличить количество отрываемых молекул воды с испаряемой поверхности без увеличения скорости воздушных потоков и, тем самым, повысить интенсивность ее охлаждения при минимальных потерях воды в атмосферу.

Поставленная задача достигается тем, что в способе понижения температуры воды в теплоообменных агрегатах, например в градирнях, предусматривающем воздействие потоками воздуха на испаряемую поверхность воды, ее дополнительно подвергают высокочастотному акустическому воздействию с частотами, соответствующими или кратными частотам собственных тепловых колебаний молекул воды

ν_А=ν_стк·n;

ν_А=ν_стк/n,

где ν_А - частота акустических колебаний;

ν_стк - частота собственных тепловых колебаний

где i - среднее число межмолекулярных расстояний, пройденных молекулой или частицей до соударения;

L - расстояние между центрами молекул;

d - диаметр молекул;

k - постоянная Больцмана;

Т - термодинамическая температура воды;

m - масса молекулы;

n - целое число 1, 2, 3, 4, 5 и т.д.,

при этом с амплитудой колебательного смещения акустических волн, равной или превышающей величину межмолекулярного расстояния, при котором силы притяжения между молекулами воды ничтожно малы

А≥l,

где А - амплитуда колебательного смещения акустических волн;

l - расстояние между молекулами воды, при котором силы притяжения между ними ничтожно малы

l≈10^-9 м

(см. Трофимов Т.И. Физика в таблицах и формулах. М.: Дрофа, 2002 г., с.112).

Кроме того, по п.2, высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность можно осуществлять одновременно в двух взаимно пересекающихся направлениях, причем одно из них тангенциально к испаряемой поверхности.

Кроме того, по п.3, высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность можно осуществлять преимущественно в направлении движения аэродинамических воздушных потоков градирни.

Кроме того, по п.4, испаряемую поверхность можно подвергать высокочастотному акустическому воздействию в фронтальном направлении с уровнем интенсивности ≥145 дБ, а тангенциальном с уровнем интенсивности ≥120 дБ.

Воздействие высокочастотных акустических колебаний на испаряемую поверхность частотами, соответствующими или кратными собственным тепловым колебаниям молекул воды, возбуждает резонанс и, тем самым, увеличивает амплитуду их собственных тепловых колебаний до запредельных значений, обусловленных разрывом или ослаблением межмолекулярных связей. Из физики известно (см. «Большой энциклопедический словарь» под ред. Прохорова А.М. М., научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., с.235 «Испарение»), что разрыв связей между молекулами жидкости, в частности воды, сопровождается понижением температуры. Энергия разрыва межмолекулярных связей при акустическом воздействии эквивалентна величине тепловой энергии с обратным знаком, способной обеспечить аналогичный разрыв. Таким образом, при ее не тепловом - динамическом разрыве или ослаблении межмолекулярных связей создается дефицит тепловой энергии численно равный q=2258,5 КДж на каждый килограмм испаренной влаги (воды) (см. Лосев К.С. Вода. Л.: Гидрометеоиздат, 1989 г., с.125, 126), что приводит к мгновенному понижению температуры расщепленных молекул на соответствующую данной энергии величину. Молекулы воды с разорванными или ослабленными связями легко захватываются и сносятся воздушными потоками градирни, где посредством диффузионного тепломассообмена в период их (молекул) автономного состояния существенно охлаждают воздушные потоки. Взаимодействуя с испаряемой поверхностью воды, охлажденные воздушные потоки, в свою очередь, интенсивно охлаждают ее (воду), продолжая одновременно захватывать (сносить) другие молекулы, межмолекулярные связи которых разорваны или ослаблены высокочастотным акустическим воздействием. Ввиду того, что температура молекул воды испаряемой поверхности по фронту высокочастотного акустического воздействия различна и имеет диапазон значений от T₁ до Т₂, высокочастотное акустическое воздействие необходимо осуществлять одновременно в соответствующем им диапазоне частот.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность с амплитудами колебательного смещения А, превышающими величину межмолекулярного расстояния, позволяет получать с высокой вероятностью, посредством резонансного наложения частот, амплитуды колебаний молекул воды порядка 10^-9 м и более, при которых силы взаимного притяжения между ними ничтожно малы или отсутствуют. Это существенно снижает затраты энергии на отрыв и снос молекул воды с испаряемой поверхности, увеличивая, тем самым, долю не теплового испарения, которое повышает охлаждающую эффективность воздушного потока градирни с минимальными скоростями, что, в свою очередь, существенно снижает потери воды в атмосферу.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность, осуществляемое одновременно в двух взаимно пересекающихся направлениях, причем одно из них тангенциально к испаряемой поверхности, в сочетании даже с низкодинамичными воздушными потоками существенно повышает интенсивность не теплового (например, акустического) испарения воды, и тем самым увеличивает охлаждающую способность градирни. Фронтальное высокочастотное акустическое воздействие осуществляют преимущественно для разрыва и снижения межмолекулярных связей молекул воды, тангенциальное преимущественно для сноса их с испаряемой поверхности и ламинизации движения автономных молекул в пределах каждой волны акустических колебаний. Данный эффект достигается тем, что область волны повышенного давления, подобно скребку сносит с испаряемой поверхности автономные молекулы воды, увлекая их перед собой. Область волны с пониженным давлением захватывает не только молекулы воды с ослабленными и разорванными связями, а также те молекулы испаряемой поверхности, амплитуды тепловых колебаний которых только увеличены. Таким образом, по эффективности своего воздействия на испаряемую поверхность область волны с пониженным давлением является определяющей в повышении испарительной и соответственно охлаждающей способности градирни.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность, осуществляемое преимущественно в направлении движения аэродинамических воздушных потоков градирни, существенно повышает их охлаждающую способность, которая обусловлена тем, что тангенциальная динамическая составляющая воздушного потока градирни дополняется и усиливается колебательным воздействием бегущих акустических волн, имеющих характер резкого, кратковременного, эквивалентного импульсному, изменения давления от максимума до минимума. Оторванные таким образом молекулы воды посредством энергии волны получают импульс направленной энергии, величина которой несколько упорядочивает движение молекул, снижая вероятность их взаимного столкновения и преждевременного схлопывания (конденсации), увеличивая, тем самым, время тепломассообмена между автономными молекулами и воздушным потоком. Чем больше автономные молекулы воды получат тепловой энергии от воздушного потока, тем меньше вероятность их обратного схлопывания а следовательно, тем выше охлаждающая эффективность градирни в целом.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность градирни в фронтальном направлении, осуществляемое с уровнем интенсивности ≥445 дБ, позволяет с высокой вероятностью разрушить и снизить межмолекулярные связи воды и, тем самым, создать условия для существенного повышения охлаждающей способности. Высокочастотное акустическое воздействие с уровнем интенсивности <145 дБ заметно снижает охлаждающую способность акустического воздействия.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность в тангенциальном направлении с уровнем интенсивности <120 дБ вызывает отрицательный эффект - преждевременное схлопывание (конденсацию) молекул воды и, тем самым, снижает охлаждающую способность градирни.

Изобретение поясняется чертежами - фиг.1, 2, 3. Позиция 1 (см. фиг.1, 2) - линия температуры воды в стенде; позиция 2 (см. фиг.1, 2) - линия охлаждающей эффективности воздушного потока; позиция 3 (см. фиг.1, 2) - линия охлаждающей эффективности при совместном воздействии воздушного потока и высокочастотного акустического воздействия; позиция а, б (см. фиг.1) - пики охлаждающей эффективности при частотах 25,2 кГц и 50,4 кГц, кратных расчетному значению. Позиция 1а, 2а (см. фиг.3) - линия тангенциального и фронтального высокочастотного акустического воздействия, соответственно.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Также проводились эксперименты по акустическому понижению температуры воды при t=38°С (см. фиг.1, поз.1) на стенде, имитирующем тепломассобменные процессы градирни, в котором воздействие на испаряемую поверхность воздушным потоком (см. фиг.1, поз.2) дополнялось высокочастотным акустическим воздействием с частотами 16,0 кГц; 22,4 кГц; 25,2 кГц; 28,0 кГц; 32,0 кГц; 42,0 кГц; 45,0 кГц; 50,4 кГц; 54,0 кГц (см. фиг.1, поз.3).

В результате эксперимента выявлено, что максимальные пики охлаждающей эффективности приходятся на частоты 25,2 кГц и 50,4 кГц (см. фиг.1, поз. а, б ), которые приблизительно кратны расчетному значению тепловых колебаний молекул воды, причем суммарная охлаждающая эффективность нарастает с ростом частоты, кратной тепловым колебаниям молекул воды (см. фиг.1). Однако использование акустических излучателей, работающих в диапазоне супервысоких частот экономически не целесообразно ввиду их высокой стоимости и относительно небольшого ресурса работы.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность с амплитудами колебательного смещения А≥10^-9 м позволило получить стабильные значения охлаждающей эффективности на частоте 25,2 кГц, что расширяет возможности использования данного диапазона частот и, тем самым, повышает экономический эффект от использования акустического воздействия.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность в двух взаимно пересекающихся направлениях: фронтальном и тангенциальном, обеспечило поддержание суммарной охлаждающей эффективности на уровне =8°С при скорости воздушного потока 0,2 м/сек; ν=25,2 кГц и =10°С при скорости воздушного потока 0,2 м/сек; ν=50,4 кГц, при этом охлаждающая эффективность воздушного потока составила только ΔT₁≈2°С (см. фиг.2). Дальнейшее снижение скорости воздушного потока приводит к снижению суммарной охлаждающей эффективности.

Эксперименты по наложению воздействий аэродинамического воздушного потока и тангенциально направленного высокочастотного акустического воздействия (попутное воздействие) позволили получить приращение суммарной охлаждающей эффективности на 2,5°С. Встречное воздействие повысило суммарную охлаждающую эффективность на каждой из кратных частот в среднем на 1,7°С. Боковое по отношению к аэродинамическому потоку высокочастотное акустическое воздействие позволило получить дополнительное приращение суммарной охлаждающей эффективности на каждой из кратных частот в среднем около 2°С.

В результате эксперимента, отраженного на фиг.3, по определению минимально достаточного уровня интенсивности высокочастотного акустического воздействия в фронтальном и тангенциальном направлениях установлено, что снижение интенсивности высокочастотного акустического воздействия при частоте 25,2 кГц в фронтальном направлении <145 дБ приводит к существенному снижению охлаждающей эффективности, что согласуется с данными (см. «Маленькая энциклопедия «Ультразвук»», под ред. Голямина И.П. М.: Советская энциклопедия, 1979 г., с.339). Высокочастотное акустическое воздействие в тангенциальном направлении в сочетании с воздушным потоком показало, что пороговые значения интенсивности акустического воздействия в данном направлении несколько снижены и составляют 120 дБ. Высокочастотное акустическое воздействие с интенсивностью <120 дБ существенно снижает охлаждающую эффективность акустического воздействия.

Изобретение относится к градирням и может быть использовано в оборотных системах водоснабжения промышленных предприятий. Способ понижения температуры воды в теплоообменных агрегатах предусматривает воздействие потоками воздуха на испаряемую поверхность воды, причем поверхность воды дополнительно подвергают высокочастотному акустическому воздействию с частотами, соответствующими или кратными частотам собственных тепловых колебаний молекул воды

ν_А=ν_стк·n;

ν_А=ν_стк/n,

где ν_A - частота акустических колебаний;

ν_стк - частота собственных тепловых колебаний

где i - среднее число межмолекулярных расстояний, пройденных молекулой или частицей до соударения;

L - расстояние между центрами молекул;

d - диаметр молекул;

k - постоянная Больцмана;

Т - термодинамическая температура воды;

m - масса молекулы (частицы);

n - целое число 1, 2, 3, 4, 5 и т.д.,

при этом с амплитудой колебательного смещения акустических волн, равной или превышающей величину межмолекулярного расстояния, при котором силы притяжения между молекулами воды ничтожно малы

А≥1,

где А - амплитуда колебательного смещения акустических волн;

l - расстояние между молекулами воды, при котором силы притяжения между ними ничтожно малы

l≈10^-9 м.

Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность осуществляют одновременно в двух взаимно пересекающихся направлениях, причем одно из них тангенциально к испаряемой поверхности. Высокочастотное акустическое воздействие на испаряемую поверхность осуществляют преимущественно в направлении движения аэродинамических воздушных потоков градирни. Испаряемую поверхность подвергают высокочастотному акустическому воздействию фронтально с уровнем интенсивности ≥145 дБ, а тангенциально с уровнем интенсивности ≥120 дБ. Изобретение позволяет повысить интенсивность охлаждения воды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ понижения температуры воды в теплоообменных агрегатах, например в градирнях, предусматривающий воздействие потоками воздуха на испаряемую поверхность воды, отличающийся тем, что поверхность воды дополнительно подвергают высокочастотному акустическому воздействию с частотами, соответствующими или кратными частотам собственных тепловых колебаний молекул воды

ν_А=ν_стк·n

ν_А=ν_стк/n

где ν_A - частота акустических колебаний;

ν_стк - частота собственных тепловых колебаний,

где i - среднее число межмолекулярных расстояний, пройденных молекулой или частицей до соударения;

L - расстояние между центрами молекул;

d - диаметр молекул;

k - постоянная Больцмана;

Т - термодинамическая температура воды;

m - масса молекулы (частицы);

n - целое число 1, 2, 3, 4, 5 и т.д.,

при этом с амплитудой колебательного смещения акустических волн, равной или превышающей величину межмолекулярного расстояния, при котором силы притяжения между молекулами воды ничтожно малы

А≥l,

где А - амплитуда колебательного смещения акустических волн;

l - расстояние между молекулами воды, при котором силы притяжения между ними ничтожно малы,

l≈10^-9 м.