СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ ВОДЫ И ДЕГАЗАТОР Российский патент 2006 года по МПК B01D19/00 

Изобретение может быть использовано для дегазации подпиточной воды тепловых сетей и сетей горячего водоснабжения, питательной воды паровых котлов низкого давления, а также для дегазации других жидкостей.

Известен способ дегазации воды, по которому воду пропускают самотеком через насадку дегазатора, навстречу потоку воды через насадку пропускают атмосферный воздух, нагнетаемый в дегазатор под насадку вентилятором. Образовавшийся при дегазации выпар (влажный воздух с выделившимися в него из воды газами) отводят из дегазатора в атмосферу) (Кульский Л.А. Технология очистки природных вод. - Киев: Вища школа, 1986, с.226-227).

Недостатком известного способа является пониженное качество и экономичность дегазации воды из-за работы дегазатора с избыточным давлением воздуха в дегазаторе и постоянным его расходом на дегазацию. Дегазацию воды производят под избыточным давлением, которое обусловлено нагнетанием воздуха под насадку дегазатора и наличием гидравлического сопротивления насадки и трубопровода отводу выпара. Избыточное давление воздуха в дегазаторе ухудшает условия десорбции растворенных в воде газов, т.к. повышение давления приводит к увеличению поверхностного натяжения и вязкости жидкости, а значит, и к соответствующему снижению десорбции. Кроме того, при десорбции некоторых растворенных в воде газов, которые присутствуют и в нагнетаемом в дегазатор воздухе, повышение давления воздуха приводит к повышения парциального давления этого газа в воздухе и к соответствующему снижению качества дегазации из-за увеличения равновесной концентрации удаляемого газа в воде. Для достижения требуемого качества дегазации повышают расход воздуха, нагнетаемого в дегазатор, что приводит к понижению экономичности способа, поскольку требуются дополнительные энергетические затраты. Устройства, реализующие этот способ, требуют большого количества оборудования.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому, является способ дегазации жидкости, изложенный в Авторском свидетельстве №1431799 (SU).

Известный способ заключается в том, что на пути движения жидкости создают кавитационную зону. Газ из кавитационной зоны отводится в вакуумную систему.

В известном способе жидкость под давлением движется в дегазаторе между его стенкой и объемным телом. При обтекании этого тела возникают вихревые явления и происходит образование кавитационных пузырьков. Для обеспечения необходимой десорбции увеличивают поверхность раздела фаз. При приемлемых по условиям эффективности дегазации скоростях движения потока требуется существенное увеличение габаритов установки. Увеличение скорости движения потока приводит к снижению эффективности дегазации. Использование вакуумной системы усложняет использование известного способа.

Известен термический дегазатор, содержащий теплообменники, деаэрационную колонку, соединенную с патрубками подачи воды, теплоносителя, отвода паровоздушной смеси и дегазированной воды, многоступенчатый парогенератор, установленный в одном корпусе с деаэрационной колонкой и состоящий из последовательно установленных по ходу движения воды, подаваемой на дегазацию, циркуляционных контуров, имеющих теплообменники, к которым подводится теплоноситель (SU, А.С. №89164, С 02 F 1/20).

Недостатками термического дегазатора являются высокое содержание кислорода в дегазируемой воде, большие потери тепла с выпаром в атмосферу, потери конденсата греющего пара, а также то, что система регулирования расходом пара и расходом воды на дегазацию сложна и ненадежна в работе. К тому же в устройстве используется большое количество оборудования.

Известны также вакуумные дегазаторы, укомплектованные охладителями выпара, подогревателями химически очищенной воды и системами автоматического регулирования, использующие пар или перегретую воду (Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных котельных установок, 1969, с 209-212).

Недостатками вакуумных дегазаторов является то, что охладители выпара и подогреватели химически очищенной воды работают в агрессивной среде, подвергаются интенсивной коррозии и быстро выходят из строя. Система автоматического регулирования сложна в настройке и ненадежна в работе, а в котельных с водогрейными котлами пара нет и перегретая вода бывает только в зимние месяцы.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является дегазатор (RU 2171230, МПК C 02 F 1/20), который можно отнести к классу вакуумных. Он содержит цилиндрический корпус с патрубком подачи воды, патрубки отвода парогаза, коллектора отвода распыленной воды, снабженного перфорированной винтовой плоскостью, емкостью для накопления деаэрируемой воды, снабженной патрубком для ее отвода. В верхней части деаэратора размещен завихритель распыленной воды, состоящий из отражателя и системы пластинчатых направляющих, выполненных по винтовой линии на внутренней поверхности корпуса. Вода в цилиндрический корпус поступает через форсунку, установленную на патрубке, соединенном с пятой, размещенной в ванне, в которой расположен источник ультразвуковых колебаний. Таким образом, в известном решении сделана попытка увеличить степень дегазации жидкости за счет увеличения площади соприкосновения воды с разряженной атмосферой при колебаниях форсунки.

Известный дегазатор имеет те же недостатки, которые свойственны другим вакуумным дегазаторам, причем стоимость его значительно увеличена за счет использования ванны, в которой размещен источник ультразвуковых колебаний. При этом эффективность использования ультразвуковых колебаний чрезвычайно мала, так как при передаче ультразвуковых колебаний от пяты на форсунку они практически затухают. Таким образом, в известном дегазаторе так же, как и в остальных вакуумных дегазаторах, используется много вспомогательного оборудования, которое занимает большой объем.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является создание способа дегазации, не требующего ни вакуумирования, ни нагрева, на базе которого можно создавать компактные дегазаторы.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением (дегазатором), является создание компактного дегазатора, не требующего ни вакуумирования, ни нагрева.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе дегазации за счет того, что в нем, как и в известном способе, воду пропускают через кавитационную зону. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе реактор открыт сверху, вода в него поступает под давлением, равным атмосферному, и поступает самотеком в кавитационную зону, которую создают с помощью ультразвуковых колебаний, мощность которых обеспечивает создание в ней акустического затвора для газовых пузырьков, причем направление распространения ультразвуковых колебаний совпадает с направлением к открытому концу реактора.

В предлагаемом способе кавитационная зона образуется под воздействием на жидкость ультразвуковых колебаний, вызывающих акустическую кавитацию. Известно, что при низких интенсивностях акустического поля (около 0,3·10⁴ Вт/м²) образуются маленькие пузырьки диаметром около 0,1 мм, скапливающиеся обычно в узлах стоячей волны и сохраняющиеся здесь некоторое время. Ими являются выделившиеся газы, которые коагулировали в пузырьки. При повышении интенсивности ультразвукового поля в жидкости растворенные в ней газы начинают выделяться, сливаясь в пузырьки, которые под действием звукового давления поднимаются к поверхности жидкости. Зародышами кавитации также могут быть всегда присутствующие в жидкости недостаточно смоченные частицы, мелкие газовые полости. Газовые полости заполнены воздухом, растворенным газом или парами жидкости. Полости, образовавшиеся около ядер кавитации, увеличиваются в объеме, и возникают крупные газовые пузырьки, которые поднимаются к поверхности жидкости под действием гидростатических сил и акустического давления. Происходит дегазация жидкости. Акустическое давление дополнительно выполняет функцию акустического затвора, предотвращая попадание в дегазированную воду вместе с током воды небольших пузырьков, на которые действует небольшая подъемная сила.

Для реализации предлагаемого способа не требуется использования обычных приемов дегазации - вакуумирования, нагрева.

Поставленная задача решается в предлагаемом дегазаторе, реализующем охарактеризованный выше способ, за счет того, что он, так же, как и известный, содержит цилиндрический корпус с патрубком подачи воды, патрубком отвода воды, источник ультразвуковых колебаний. Но, в отличие от известного, в предлагаемом дегазаторе реактор выполнен в виде открытой с одного конца трубы, на участке внутренней стенки которой, соосно с ней установлен диффузор, проходное сечение которого расширяется к его торцам. Ультразвуковой излучатель установлен в трубе соосно с ней, с помощью устройства фиксации его положения, расположенным в области нулевых колебаний излучателя, излучающий конец которого направлен в сторону открытого конца трубы и помещен в часть диффузора, расширяющуюся в сторону закрытого конца трубы, образуя зазоры с его поверхностью. Патрубок подачи воды установлен между открытым концом трубы и диффузором с возможностью создания завихрения поступающей жидкости, а патрубок отвода воды установлен в области между плоскостью фиксации ультразвукового излучателя и диффузором, а второй его конец расположен не ниже уровня излучающего торца ультразвукового излучателя.

Конструкция дегазатора обеспечивает образование газовых пузырьков и выделение их в атмосферу, поэтому не требуется использования ни устройств нагрева жидкости, ни устройств для вакуумирования.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует дегазатор, в котором патрубок подачи воды установлен таким образом, что его ось симметрии не пересекается с осью симметрии реактора.

Такое расположение патрубка дает возможность поступления воды по касательной к внутренней стенке реактора, а это, в свою очередь, разделяет пути поступления воды в реактор и газовых пузырьков в атмосферу. Также такой прием приводит к замедлению скорости прохождения воды через область расположения излучателя. Следствием является увеличение эффективности дегазации.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует дегазатор, в котором ультразвуковой излучатель выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, соединенного с волноводной системой, снабженной нулевым буртом.

Использование конструкции ультразвукового излучателя на основе магнитострикционного преобразователя дает возможность получить значения мощности ультразвуковых колебаний до нескольких кВт.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует дегазатор, в котором ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезокерамического преобразователя, соединенного с волноводной системой, снабженной нулевым буртом.

Мощность излучателя на основе пьезокерамического преобразователя меньше, чем на основе магнитострикционного, поэтому его следует использовать для дегазации малых объемов воды.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 6 формулы изобретения, характеризует дегазатор, в котором устройство фиксации преобразователя выполнено в виде шайбы, диаметр которой меньше внутреннего диаметра трубы, закрепленной на стенке трубы и снабженной выемкой для установки в ней нулевого бурта ультразвукового преобразователя, обращенной в сторону открытого конца трубы.

Такая конструкция устройства фиксации позволяет "вывесить" ультразвуковой излучатель в реакторе с помощью нулевого бурта, помещенного в выемку шайбы. При такой установке излучателя потери ультразвуковой энергии будут минимальны.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 7 формулы изобретения, характеризует дегазатор, в котором излучающий конец ультразвукового преобразователя выполнен в виде усеченного конуса, причем основание конуса является торцом излучателя.

Широкий торец излучателя позволяет расширить зону кавитации.

Изобретение поясняется фиг.1, на которой схематически изображен пример выполнения дегазатора.

Дегазатор состоит из реактора 1, выполненного в виде трубы, верхний конец которой отрыт, и снабженного патрубком 2 подачи воды и патрубком 3 отвода воды. Патрубок подачи воды установлен таким образом, что его ось симметрии не пересекается с осью симметрии реактора. Такое расположение обеспечивает подачу воды в направлении по окружности и вниз самотеком. На участке между патрубками 2 и 3 на стенке трубы соосно с ней установлен диффузор 4. Ультразвуковой излучатель установлен в трубе соосно с ней. Он содержит магнитострикционный преобразователь 5, соединенный с волноводной системой 6, снабженной нулевым буртом 7 (фиг.2). Излучающий конец 8 волноводной системы выполнен в виде усеченного конуса, причем основание конуса является торцом излучателя. Излучающий торец излучателя направлен в сторону открытого конца трубы 1. Ультразвуковой излучатель закреплен в трубе устройством фиксации, выполненным в виде шайбы 9, диаметр которой меньше внутреннего диаметра трубы, установленной на стенке трубы и снабженной выемкой для установки в ней нулевого бурта 7 ультразвукового излучателя. Излучающий торец излучателя установлен в части диффузора 4, расширяющейся в сторону закрытого конца трубы, причем он не соприкасается с его поверхностями для того, чтобы не препятствовать току воды. Патрубок 3 отвода воды установлен выше уровня расположения устройства фиксации ультразвукового преобразователя, обеспечивая постоянное нахождение в воде магнитострикционного преобразователя, даже при прекращении подачи воды. Это дает возможность использовать ультразвуковой преобразователь без специальной системы охлаждения, с которыми такие типы преобразователей обычно работают. Второй конец патрубка 3 отвода воды расположен не ниже уровне излучающего торца преобразователя. При выполнении этого условия при работе дегазатора весь ультразвуковой излучатель находится в воде, а это является необходимым условием сохранения постоянства параметров работы ультразвуковой системы.

Рассмотрим реализацию способа дегазации воды на примере работы дегазатора.

Вода поступает в реактор 1 через патрубок 2. Ее давление равно давлению в реакторе, который открыт сверху. Это давление равно одной атмосфере. Вода в реакторе начинает движение по касательной к стенке, проливается вниз и проходит через диффузор 4, в котором установлен излучающий конец ультразвукового излучателя. Мощность ультразвукового излучателя обеспечивает не только появление кавитационных пузырьков, и их подъем вверх совместно с гидростатическими силами к границе раздела вода-воздух, но также обеспечивает создание акустического затвора, препятствующего попаданию пузырьков вместе с током падающей воды в дегазированную воду. Диффузор 4 с переменным сечением позволяет, во-первых, использовать излучатель, размер торца которого не меньше, чем диаметр потока; во-вторых, при прохождении воды через переменное сечение появляются дополнительные газовые полости, вызванные завихрениями воды, и, в-третьих, увеличивается гидростатическое давление, которое также усиливает эффективность кавитации. При прохождении воды через ультразвуковое поле появляются кавитационные пузырьки. При расширении пузырька концентрация газа в нем падает, и газ диффундирует из жидкости в пузырек. При повышении звукового давления пузырек сжимается, и происходит диффузия газа из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька, которая в стадии расширения больше, чем в стадии сжатия. В силу этого полной компенсации потоков не происходит; масса газа, заполнившая пузырек в процессе его расширения, превышает массу газа, ушедшего из пузырька при его сжатии, так что в целом за период ультразвуковой волны количество газа в пузырьке возрастает. Но ультразвуковая волна не только создает периодически чередующиеся области сжатий и разряжении, которые распространяются в среде с постоянной скоростью. Она оказывает и постоянное давление (радиационное давление) на встречающиеся на ее пути препятствия, в данном случае на газовые пузырьки, поднимая их вверх.

Таким образом видно, что использование предлагаемого способа значительно сокращает количество требуемого для его реализации оборудования. Дегазатор, реализующий предложенный способ, очень компактен, и не требует ни нагрева, ни вакуумирования.

Изобретение может быть использовано для дегазации подпиточной воды тепловых сетей и сетей горячего водоснабжения, питательной воды паровых котлов низкого давления, а также для дегазации других жидкостей. Для дегазации используют кавитационные пузырьки, создаваемые ультразвуковыми колебаниями, мощность которых создает акустический затвор для предотвращения их попадания в дегазированную воду. Дегазатор содержит реактор в виде трубы, верхний конец которой открыт. Патрубок подачи воды установлен таким образом, что его ось симметрии не пересекается с осью симметрии реактора. На стенке трубы соосно с ней установлен диффузор. Ультразвуковой излучатель установлен в трубе соосно с ней. Излучающий торец излучателя направлен в сторону открытого конца трубы. Ультразвуковой излучатель закреплен в трубе устройством фиксации в виде шайбы. Излучающий торец излучателя установлен в части диффузора, расширяющейся в сторону закрытого конца трубы. Технический результат состоит в повышении эффективности дегазации. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ дегазации воды путем пропускания воды в реакторе через кавитационную зону, отличающийся тем, что реактор открыт сверху, вода в него поступает под давлением, равным атмосферному, и поступает самотеком в кавитационную зону, которую создают с помощью ультразвуковых колебаний, мощность которых обеспечивает создание в ней акустического затвора для кавитационных пузырьков, причем направление распространения ультразвуковых колебаний совпадает с направлением к открытому концу реактора.2. Дегазатор, содержащий реактор с патрубком подачи воды, патрубком отвода воды и ультразвуковой излучатель, отличающийся тем, что реактор выполнен в виде открытой с одного конца трубы, на участке внутренней стенки которой соосно с ней установлена вставка, внутренняя полость которой выполнена в виде двух воронок, расширенные части которых образуют торцы вставки, ультразвуковой излучатель установлен в трубе соосно с ней с помощью устройства фиксации его положения, расположенного в области нулевых колебаний излучателя, излучающий конец которого направлен в сторону открытого конца трубы и помещен в полость вставки, обращенную в сторону закрытого конца трубы, образуя зазоры с ее стенками, причем патрубок подачи воды установлен между открытым концом трубы и диффузором с возможностью создания завихрения поступающей жидкости, а патрубок отвода жидкости установлен в области между плоскостью фиксации ультразвукового излучателя и вставкой, а второй его конец расположен не ниже уровня излучающего торца ультразвукового излучателя.3. Дегазатор по п.2, отличающийся тем, что патрубок подачи воды установлен таким образом, что его ось симметрии не пересекается с осью симметрии реактора.4. Дегазатор по п.2, отличающийся тем, что ультразвуковой излучатель выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, соединенного с волноводной системой, снабженного нулевым буртом.5. Дегазатор по п.2, отличающийся тем, что ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезокерамического преобразователя, соединенного с волноводной системой, снабженного нулевым буртом.6. Дегазатор по п.2, отличающийся тем, что устройство фиксации ультразвукового преобразователя выполнено в виде шайбы, установленной на стенке трубы и снабженной выемкой для установки в ней нулевого бурта ультразвукового преобразователя, обращенной в сторону открытого конца трубы.7. Дегазатор по п.2, отличающийся тем, что излучающий конец ультразвукового преобразователя выполнен в виде усеченного конуса, причем основание конуса является торцом излучателя.