СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ПАРА В ГРАДИРНЕ Российский патент 2008 года по МПК F28C1/00 

Изобретение относится к области коагуляции аэрозолей, в частности к коагуляции пара в градирне теплоэлектроцентралей.

Известны способы охлаждения теплой воды, стекающей с высоты мелкими струйками, за счет испарения [1].

Недостаток данного способа заключается в появлении пара с последующим выбросом его в атмосферу.

Наиболее близким по технической сущности является способ акустической коагуляции - процесса сближения и укрупнения взвешенных в газе жидких капелек под действием акустических колебаний звуковых и ультразвуковых частот [2]. В результате коагуляции происходит осаждение взвешенных в газе (аэрозоли) жидких капелек.

Малый размер частиц аэрозоля является причиной их большой подвижности: частицы участвуют в броуновском движении, увлекаются конвективными течениями. При наложении звукового поля возникают дополнительные силы, способствующие коагуляции: взвешенная в газе частица вовлекается в колебательное движение, на нее действует давление звукового излучения, вызывая ее дрейф, она увлекается акустическими течениями.

Акустическая коагуляция практически применяется для осаждения промышленных пыли, дыма и тумана. Звуковое поле создается при этом обычно сиренами или свистками.

Степень и скорость очистки газа методом акустической коагуляции в основном определяются: 1) интенсивностью звука I; заметная коагуляция начинается при I˜0,01 Вт/см² и с дальнейшим увеличением I интенсифицируется; для практического применения необходима интенсивность I>0,1 Вт/см²; временем экспозиции, которое зависит от I (при I=1,0 Вт/см² весь процесс коагуляции протекает в течение нескольких секунд); 3) частотой f (на практике обычно применяют акустические колебания частоты 0,5 - 20 кГц); 4) исходной концентрацией аэрозоля (применение метода коагуляции рационально при концентрации ≥1-2 г/см³, с увеличением концентрации эффективность коагуляции возрастает) [2].

Недостаток данного способа (в случае применения современных методов возбуждения звуковых колебаний - сиренами или свистками) заключается в том, что акустическая коагуляция осуществляется интенсивностью звука I>0,1 Вт/см².

Задача - осаждение пара в градирне и повышение КПД теплоэлектроцентрали за счет сокращения потребления энергии на собственные нужды и снижения выброса пара в атмосферу.

Технический результат достигается тем, что способ осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром, оросительной системой, предусматривающий следующие операции: а) - производят размещение динамических громкоговорителей по окружности внутри градирни над оросительной системой; б) - подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара; в) - возбуждают падением струек технической воды в резервуар звук и направляют его вверх в градирню; г) - генерируют навстречу друг другу звук динамическими громкоговорителями, расположенными диаметрально противоположно по окружности градирни, д) - суммируют по амплитуде одинаковые частоты, возбуждаемые падением струек технической воды, в резервуар в звуковом диапазоне частот с частотам, генерируемых динамическими громкоговорителями; е) - создают стоячие звуковые волны в пространстве между динамическими громкоговорителями, ж) - производят коагуляцию пара в стоячих звуковых волнах, расположенных между динамическими громкоговорителями; е) - производят осаждение капелек пара, в виде струек воды, в резервуар под действием собственного веса после процесса коагуляции.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе акустической коагуляции пара в градирне используют суммарные звуковые колебания, с одной стороны - это колебания, генерируемые динамическими громкоговорителями, диаметрально расположенными по окружности в градирне, а с другой стороны - звук, создаваемый падением струек воды в резервуар.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция капелек жидкости (пара) известно (используются сирены и свистки с интенсивностью более 0,1 Вт/см²) [2]. Однако неизвестно, что в пространстве градирни можно создать стоячие звуковые волны с помощью динамических громкоговорителей и произвести коагуляцию пара (капелек воды) в стоячих волнах с последующим осаждением их в резервуар (поэтому нет необходимости создавать интенсивности звука более 0,1 Вт/см²).

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Основные положения

Основные положения физической сущности для осуществления способа акустической коагуляции пара в градирне (башенный охладитель):

1. Использование явления физического процесса акустической коагуляции пара (капелек воды) стоячей волной с последующим осаждением их в резервуар.

Покажем возможность использования акустической коагуляции пара (капелек воды) стоячими звуковыми волнами, созданными в пространстве градирни.

1. Наличие постоянного звука в градирне, распространяющегося вверх от резервуара.

2. Источником звука является падение с высоты в резервуар капелек воды и струек охлажденной жидкости.

3. Генерирование звуковой частоты в пространство градирни излучателями звука - динамическими громкоговорителями.

4. Создание стоячих звуковых волн в пространстве между динамическими громкоговорителями, расположенными диаметрально противоположно по внутренней окружности градирни.

5. Использование явления физического процесса акустической коагуляции пара (капелек воды) стоячими звуковыми волнами с последующим осаждением их в резервуар.

Обоснование способа.

1. Волны и колебательная скорость.

Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид [3].

Частным решением уравнения (1) является

где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; ω = угловая частота; t - время.

Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х.

Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости

Следовательно, амплитуда колебательной скорости

Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.

Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.

2. Интерференция волн. Стоячие волны.

Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.

Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.

Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде

Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение

из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πх/λ) обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πх/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.

Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение

Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.

3. Давление в стоячей волне.

Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине d а/dx. Дифференцируя выражение (7) по х, получим

Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [3].

4. Акустическая коагуляция.

Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьеркнесса [5]. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.

Брандт и Фройнд [6] и Бранд и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.

Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.

На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.

5. Коагуляция пара (капелек воды) в стоячей волне.

Пусть в воздухе с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой U_B и частотой f, находится капелька жидкости с радиусом R и плотностью ρ.

Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на капельку,

где Δυ - разность скоростей капелек и воздуха.

Согласно формуле (10) скорость капельки

Движение капельки описывается дифференциальным уравнением

или

Общее решение этого уравнения имеет вид [2]

Непериодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.

Таким образом, амплитуда колебания капельки равна

Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением

Отношение амплитуд Х_K/U_B будет тем меньше, чем больше радиус капельки и чем выше частота.

Таким образом, для степени участия капельки в колебаниях жидкости определяющей является величина R²f.

Если принять значение Х_K/U_B=0,8 за границу, до которой капельки еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения

получим

Величина Z определяет степень участия капельки в колебаниях жидкости.

Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих звуковых волн с целью коагуляции капелек воды с последующим осаждением их в осадок.

Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коагуляция капелек.

На фиг.1 изображена схема градирни с технологическими элементами; на фиг.2 изображена схема расположения в градирне излучателей звука - динамических громкоговорителей; на фиг.3 показана схема формирования стоячей волны между двумя излучателями звука - динамическими громкоговорителями, диаметрально расположенными в градирне, и коагуляционный процесс в стоячей волне пара (капелек жидкости).

На фиг.1 изображено: 1 - градирня, 2 - пар (капельки воды), 3 - труба для подачи нагретой воды в градирню для охлаждения, 4 - оросительное устройство, 5 - падение струек воды в резервуар, наполненный охлажденной водой, 6 - резервуар - генератор звука (звук создается за счет взаимодействия падающих струек воды с поверхностью воды, находящейся в резервуаре), 7 - генератор звуковых частот (например, генератор типа Г3-34), 8 - излучатели звука - динамические громкоговорители (например, громкоговоритель типа 10ГД18).

На фиг.2 изображено: 1 - градирня, 8 - излучатели звука - динамические громкоговорители, 9 - стоячая звуковая волна (фрагмент), сформированная между двумя излучателями звука, динамическими громкоговорителям, диаметрально расположенными в градирне.

На фиг.3 изображено: 2 - пар (капельки воды), 8 - излучатели звука - динамические громкоговорители, 9 - стоячая звуковая волна (фрагмент), сформированная между двумя излучателями звука, динамическими громкоговорителям, диаметрально расположенными в градирне, 10 - движение пара (капелек воды).

Пример осуществления способа.

Первая операция. Производят размещение динамических громкоговорителей 8 (фиг.1) по окружности внутри градирни 1 (фиг.1) над трубой 3 (фиг.1) и оросительной системой 4 (фиг.1).

Вторая операция. Подают техническую нагретую воду через трубу 3 (фиг.1) на оросительное устройство 4 (фиг.1) для охлаждения холодным воздухом, в результате чего выделяется пар (капельки воды) 2 (фиг.1).

Третья операция. Возбуждают падением струек 5 (фиг.1) технической воды в резервуар 6 (фиг.1) звук (в широком диапазоне звуковых частот) и направляют его в верх в градирню 1 (фиг.1).

Четвертая операция. Генерируют звук навстречу друг другу от излучателей звука - динамических громкоговорителей 8 (фиг.1 и фиг.2) (диаметрально расположенных громкоговорителей по окружности градирни).

Пятая операция. Суммируют по амплитуде одинаковые частоты, возбуждаемые падением струек 5 (фиг.1) технической воды в резервуар 6 (фиг.1) в звуковом диапазоне частот с частотами, генерируемых излучателями звука - динамическими громкоговорителями 8 (фиг.3), расположенными диаметрально противоположно по окружности градирни 1 (фиг.1).

Шестая операция. Создают стоячие звуковые волны 9 (фиг.3) (показана суммарная амплитуда одинаковых частот, генерируемых излучателями звука - динамическими громкоговорителями 8 (фиг.3), и струйками воды 5 (фиг.1) при падении их в резервуар 6 (фиг.1)) в пространстве между динамическими громкоговорителями 8 (фиг.3), расположенными диаметрально противоположно по внутренней окружности градирни 1 (фиг.2).

Седьмая операция. Производят коагуляцию капелек воды 2 (фиг.3) (движущихся капелек воды вверх 10 (фиг.3) в градирне 1 (фиг.1) в стоячих звуковых волнах 9 (фиг.3) (используя параметры: звуковое давление и колебательную скорость в стоячей волне 9 (фиг.3).

Восьмая операция. Производят осаждение в резервуар 6 (фиг.1) укрупненных капелек воды 11 (фиг.3) после процесса коагуляции в стоячих звуковых волнах 9 (фиг.3) в виде струек 12 (фиг.3) под действием собственного веса.

Источники информации

1. Краткий политехнический словарь. - М.: Гостехиздат.1956. - С.246.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия. 1979. - С.161-162 /ПРОТОТИП/.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497. /ПРОТОТИП/.

4. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353,549(1891).

5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).

6. Brandt., Ü ber das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall- und Ultraschallfrequenzen, Kolloid / Zs., 76, 272 (1936).

7. Brandt O., Hiedenmann E., Ü ber das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).

Изобретение относится к области коагуляции пара в градирне теплоэлектроцентралей. Способ осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром, оросительной системой включает следующие операции: производят размещение динамических громкоговорителей по окружности внутри градирни над оросительной системой; подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара; возбуждают падением струек технической воды в резервуар звук и направляют его вверх в градирню; генерируют навстречу друг другу звук динамическими громкоговорителями, расположенными диаметрально противоположно по окружности градирни; суммируют по амплитуде одинаковые частоты, возбуждаемые падением струек технической воды в резервуар в звуковом диапазоне частот к частотам генерируемых динамическими громкоговорителями; создают стоячие звуковые волны в пространстве между динамическими громкоговорителями, производят коагуляцию пара в стоячих звуковых волнах, расположенных между динамическими громкоговорителями; производят осаждение капелек пара, в виде струек воды, в резервуар под действием собственного веса после процесса коагуляции. Изобретение позволяет повысить КПД теплоэлектроцентрали за счет сокращения потребления энергии на собственные нужды и снижения выброса пара в атмосферу. 3 ил.

Способ осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром, оросительной системой, предусматривающий следующие операции:

а) производят размещение динамических громкоговорителей по окружности внутри градирни над оросительной системой; б) подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара; в) возбуждают падением струек технической воды в резервуар звук и направляют его в верх в градирню; г) генерируют навстречу друг другу звук динамическими громкоговорителями, расположенными диаметрально противоположно по окружности градирни; д) суммируют по амплитуде одинаковые частоты, возбуждаемые падением струек технической воды в резервуар в звуковом диапазоне частот с частотами, генерируемыми динамическими громкоговорителями; е) создают стоячие звуковые волны в пространстве между динамическими громкоговорителями, ж) производят коагуляцию пара в стоячих звуковых волнах, расположенных между динамическими громкоговорителями; е) производят осаждение капелек пара в виде струек воды в резервуар под действием собственного веса после процесса коагуляции.