УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОСАДКА СТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2018 года по МПК C02F1/04 

Заявляемое техническое решение относится к устройствам очистки жидкости.

Известен испаритель содержащий сопло Лаваля последовательно скрепленное с улиткой турбины, разделяющей жидкость и пар, скрепленной валом с электродвигателем, соединенным с внешней энергосетью, и насосом осадка, соединенным трубопроводом с соплом Лаваля, компрессором и паровой полостью конденсатора, соединенного полостью охлаждения с улиткой турбины [1].

Однако, осадок сточной жидкости содержит 95% воды и выпарить осадок до 40% содержания воды, при котором осадок горит без подвода энергии, в одном сопле Лаваля невозможно.

Известен каскад испарителей, сопла Лаваля которого последовательно скреплены с улитками турбин, разделяющих жидкость и пар, скрепленных валами с электродвигателями, соединенными с внешней энергосетью, и насосом осадка, соединенным с соплом Лаваля через подогреватель, компрессорами и паровыми полостями конденсаторов, соединенных полостями охлаждения с улитками турбин. [2].

Однако, каскад испарителей содержит одинаковые по конструкции улитки турбин, компрессора, конденсаторы, насосы, турбины и электродвигатели, что удорожает устройство и ограничивает компактность.

- Диссипативные потери приводят к накапливанию пара в конденсаторах и остановке каскада.

- Последовательное соединение испарителей каскада без промежуточного подогрева приводит к увеличению числа испарителей.

- При запуске устройства необходим подогрев осадка от внешнего источника энергии. Технический результат заявленного решения состоит в том, что турбины, разделяющие жидкость и пар, скреплены валом с турбинами конденсата и пара, улитки которых последовательно скреплены между собой, с компрессором и паровой полостью конденсатора, соединенной с турбинами конденсата и пара, полость охлаждения которого соединена с улитками турбин и соплами Лаваля, отстойником осадка через насос и соплом Лаваля через подогреватель.

Устройство схематически изображено на фиг. 1

Устройство содержит турбины 1-8, разделяющие жидкость и пар, скрепленные валом 9 с электродвигателем 10, турбинами конденсата 11, пара 12 и насосом осадка 13, соединенным трубопроводом 14 с отстойником 15 осадка и трубопроводом 16, через полость охлаждения, конденсатора 17 и подогреватель 18 с соплом Лаваля 19, скрепленным с улиткой 20 турбины, скрепленной последовательно с улитками 21-27 турбин, компрессором 28 и паровой полостью конденсатора 17, соединенной трубопроводом 29 с турбиной пара и трубопроводом 30 с турбиной конденсата, соединенного полостью охлаждения трубопроводами 31-37 с улитками турбин 20-27 и трубопроводами 38-44 с соплами Лаваля 45-51, причем улитка турбины 27 соединена трубопроводом 52 с горелкой 53, а электродвигатель 10 и подогреватель 18, через разъем 54, соединены с внешней энергосетью 55.

При запуске устройства, замыкается разъем 54 и энергией внешней сети 55 подогреватель 18 разогревается, а электродвигатель 10 раскручивает валом 9 турбины 1-8, компрессор 28, турбины 11,12 и насос 13. При этом, насос 13 засасывает осадок из отстойника 15 и по трубопроводам 14 и 16, через полость охлаждения конденсатора 17 и подогреватель 18, подает в сопло Лаваля 19. При прохождении подогревателя, осадок нагревается до температуры входа в сопло Лаваля. В сопле Лаваля осадок разгоняется в сужающейся части сопла. При этом, статическое давление в жидкости понижается и в критическом сечении жидкость переходит в состояние насыщения и закипает. Компрессор 28 снижает статическое давление на срезе сопла и в расширяющейся части сопла кипящая жидкость движется в поле понижающегося статического давления и продолжает кипеть. При этом, увеличивается расход пара. Пар дробит жидкость на капли. Скорость парожидкостной струи увеличивается. Температура жидкости и пара снижаются. По выходе из сопла Лаваля, парожидкостная струя вращает турбину 1. Жидкость, двигаясь вдоль лопаток, снижает скорость вследствие трения и, под действием центробежной силы, разворачивается поперек лопаток, перпендикулярно оси турбины, и сбрасывается в улитку 20 турбины 1. Пар движется вдоль лопаток и поступает на вход компрессора 28. Лопатки турбины 1 сообщают жидкости окружную скорость и создают давление торможения достаточное для движения по трубопроводу 37, полости охлаждения конденсатора 17, трубопроводу 44 и в сужающейся части сопла Лаваля 45. Пар сжимается и перегревается в компрессоре 28 и конденсируется на трубах выпаренной жидкости и осадка в конденсаторе 17. При дальнейшем движении выпаренной жидкости, цикл повторяется и соответствует схеме:

При переходе от ступени каскада к следующей, концентрация сухого остатка в выпаренной жидкости увеличивается и после 8-й ступени сухой остаток и оставшаяся жидкость поступают в горелку 53, где сухой остаток сгорает и испаряет оставшуюся жидкость.

При выходе на рабочий режим, отключается разъем 54. При этом, подогрев жидкости происходит в конденсаторе теплотой конденсации пара. Диссипативные потери приводят к тому, что теплота конденсации выше теплоты охлаждения и весь пар сконденсировать не удается. По этой причине часть пара отводится из конденсатора по трубопроводу 29. Давление в конденсаторе выше атмосферного и пар срабатывает тепловую энергию на турбине 12. Конденсат по трубопроводу 30 подается в турбину 11 конденсата, где срабатывает тепловую энергию. Турбины 1-8 также вырабатывают энергию и подкручивают компрессор и насос, но энергии турбин устройства недостаточно. Электродвигатель 10 продолжает потреблять энергию из внешней сети.

Работа устройства иллюстрируется примером расчета,приведенном на отдельных листах.

Источники информации:

1. Ю.М. Примазон: Устройство опреснения. Авт. Св-во №1625829 A1 C02F 1/04

2. Ю.М. Примазон: Уст-во очистки жидкости. Авт. Св-во №2048443 C02F 1/04

Пример расчета

Исходные данные.

1. Расход осадка, G_OC. 1 кг/сек 2. Расход сухого остатка в осадке, G _C.O. 0,05 кг/сек 3. Степень парообразования в сопле Лаваля, Х 0,11 4. Температура насыщения на срезе сопла Лаваля, Т_НАС 65°С 5. К.п.д. сопла Лаваля, η_C 0,75 6. К.п.д. турбины, η_T 0,8 7. К.п.д. насоса, η_H 0,5 8. К.п.д. механический, η_м 0,95 9. К.п.д. компрессора адиабатический, η_S 0,5 10. Показатель адиабаты сухого пара, K 1,3 11. Газовая постоянная сухого пара, R 463 дж/кг 12. Диссипативные потери полного давления, ΔP_ДИСС 13 ата

Расходы воды и пара в соплах Лаваля.:

Расход воды на входе 1-го сопла Лаваля.

G_B1=G_OC-G_C.O.=1,0-0,05=0,95 кг/сек

Расход пара на срезе 1-го сопла Лаваля.

G_П1=G_B1*X=0,95*0,11=0,1045 кг/сек

Расход воды на входе 2-го сопла Лаваля

G_B2=G_B1-G_П1=0.95-0.1045-0,8455 кг/сек

Расход пара на срезе 2-го сопла Лаваля

G_П2=G_B2*X=0,8455*0,11=0,093 кг/сек

Расходы воды и пара в соплах Лаваля сведены в таблицу 1:

Расход воды на выходе каскада сопел Лаваля.

G_В.ВЫХ=G_B8-G_П8=0.42016-0.04622=0.374 кг/сек

Суммарный расход пара на срезах 8-ми сопел Лаваля.

G_П∑=0.576 кг/сек

Суммарный расход воды на срезах сопел Лаваля с 1-го по 7-е, поступающей в конденсатор. G_B∑1-7=4,2864 кг/сек

01. Принимается:

Нагревание воды и пара, вследствие диссипативных потерь, происходит в соответствии с теплоемкостями.

$$\frac{\Delta T_B}{\Delta T_{П}}=\frac{C_{PB}}{C_{РП}}=\frac{\mathrm{4,2}}{\mathrm{1,9}}=\mathrm{2,21};$$ Отсюда: [1]

Отношение прироста удельных энтальпий воды и пара

Прирост удельных энтальпий пара и воды

1. Течение в соплах Лаваля:

1-е приближение

02. Принимается:

Диссипативных потерь в соплах Лаваля нет. На срезах сопел Лаваля параметры течения соответствуют температуре насыщения 65°С.

Удельная энтропия кипящей воды в критическом сечении сопла Лаваля [2]

$$S_Z^{\text{'}}=S_{НАС.65°С}^{\text{'}}+X*\left(S_{НАС.65°С}^{\text{'}\text{'}}-S_{НАС.65°С}^{\text{'}}\right)$$

=0,8933+0,11*6,9387=1,6566 кдж/кг*град, где:

$$S_{НАС.65°С}^{\text{'}}$$ - удельная энтропия кипящей воды на срезе сопла Лаваля

$$S_{НАС.65°С}^{\text{'}\text{'}}$$ - Удельная энтропия сухого насыщенного пара на срезе сопла Лаваля

Отсюда:

Температура воды на входах всех сопел Лаваля T_Z=132°С

Удельная энтальпия воды на входах всех сопел Лаваля $$I_Z^{\text{'}}$$=554,8 кДж/кг

Теоретическое изменение удельной энтальпии воды в соплах Лаваля:

$$\Delta I_{CT}^{\text{'}}=I_Z^{\text{'}}-I_{НАС.65°С}^{\text{'}}=\mathrm{554,8}-\mathrm{272,02}=\mathrm{282,78}\text{ кДж/кг}$$

Действительное изменение удельной энтальпии воды в соплах Лаваля.

$$\Delta I_{CД}^{\text{'}}={\eta }_{С}*-\Delta I_{CT}^{\text{'}}=\mathrm{0,75}*\mathrm{282,78}=\mathrm{212,085}\text{ кДж/кг}$$

Суммарные диссипативные потери удельной энтальпии воды в соплах Лаваля.

$$\Delta I_{C.ДИСС.\sum }^{\text{'}}=\Delta I_{CT}^{\text{'}}-\Delta I_{CД}^{\text{'}}=\mathrm{282,78}-\mathrm{212,085}=\mathrm{70,695}\text{ кДж/кг}$$

Диссипативные потери удельной энтальпии сухого насыщенного пара в соплах Лаваля.

Диссипативные потери удельной энтальпии воды в соплах Лаваля.

Нагрев сухого насыщенного пара.

Нагрев воды

Температура пара на срезе сопел Лаваля.

Температура воды на срезе сопел Лаваля.

Энтальпия сухого перегретого пара на срезе сопел Лаваля

2-е приближение

Удельная энтропия кипящей воды в критическом сечении сопла Лаваля.

Отсюда.: T_Z=146°С, Pz=4,2707 ата, $$I_Z^{\text{'}}=\mathrm{614,9}\text{ кдж/кг}$$

Изменение удельной энтальпии воды в соплах Лаваля.

03. Принимается:

1. Температура воды и осадка на выходе из полости охлаждения конденсатора равна температуре на входах сопла Лаваля

2 Температура конденсации принимается на 4°С выше Т_ОХЛ

3. Удельная работа адиабатического сжатия сухого перегретого пара в компрессоре

4. Удельная работа сжатия сухого перегретого пара в компрессоре

5. Удельная энтальпия сухого перегретого пара на входе в конденсатор.

6. Теплота конденсации.

7. Распологаемая теплота охлаждения конденсатора

Вследствие диссипативных потерь, распологаемая теплота охлаждения ниже теплоты конденсации. По этой причине часть пара из конденсатора отводится.

8. Недостаток теплоты охлаждения.

9. Расход отводимого пара

10. Расход конденсата.

11. Сжигание сухого остатка.

0.4 Принимается:

1 Теплотворная способность сгорания сухого остатка осадка равна теплотворной способности торфа

2 Давление в полости горения печи равно атмосферному

Рат.=1 ата

3 Вода в печи испаряется при 100°С

4 Температура дыма

Т_Д=200°С

5 Пар нагревается до температуры дыма

Теплота, выделившаяся при сгорании сухого остатка осадка.

Расход воды, которая нагревается и испаряется при сгорании сухого остатка

Расход воды на выходе 8-го сопла Лаваля. G_B8=0,371 кг/сек

Теплота подогрева осадка при запуске устройства

11. Работа турбин сопел Лаваля

Средняя скорость истечения парожидкостной струи из сопла Лаваля

05 Принимается:

1 Отношение скоростей пара и капель воды, W_П/W_B=1,5. Отсюда, [4] согласно закона сохранения количества движения

12 Мощность турбин сопел Лаваля:

0.6 Принимается:

1. Скорость выхода пара из турбины, W_Пвых=50м/сек

2 Скорость выхода воды из турбины, W_BВЫХ=10 м/сек

Суммарная мощность турбин сопел Лаваля, N_ТCЛ∑=139,83/квт

13. Паровая турбина

Исходные данные, G_ПОT=0,0093 кг/сек, Р_КД=4,76 ата, Ткд=150°С,

Критическая скорость звука:

Скорость истечения: Безразмерная скорость истечения:

0,21^0,2308=1-0,13*λ², 0,13λ²=0,3, λ=1,5253

Скорость истечения:

Мощность паровой турбины:

14. Сжатие воды между контурами:

Работа сжатия

Суммарная работа сжатия, N_СЖ.∑=18,3357 квт

15. Турбина конденсата:

Исходные данные, G_KH=0,5667 кг/сек, Р_кд=4,76 ата, W_ВЫХ=10 м/сек, η_Т=0,8

Скорость истечения.

Мощность турбины конденсата:

16. Суммарная мощность турбин:

17. Мощность компрессора:

18. Мощность насоса осадка:

19. Необходимая энергия при установившемся режиме работы:

20. Необходимая энергия при запуске:

21. Потребление энергии из внешней сети при установившемся режиме работы:

22 Потребление энергии из внешней сети при запуске:

Для сравнения приводится расчет потребления энергии испарительной установкой при выпаривании осадка до того же содержания воды в осадке.(Идеальный цикл).

Заключение по расчету:

В предложенном устройстве испарение воды происходит на скорости 232 м/сек. В испарительной установке на скорости 1 м/сек. Разница в габаритах соответствует разнице в скоростях испарения. - Кроме того, предложенное устройство при установившемся режиме работы, вдвое меньше потребляет энергии из внешней энергосети.

Источники информации:

1. С.Л. Ривкин. Теплофизические свойства воды и водяного пара. Москва, Энергия, 1980 г.

2. Reikenhof. Luftfahrttechnik Raumfahrttechnik. 10, №3, 71-75, 1964 Рейкенхоф Водяная ракета в качестве ускорителя при вертикальном старте Вопросы ракетной техники, №1, 1965 г.

3. М.Б. Равич Топливо и эффективность его использования. Москва, Наука, 1971 г.

4. Н.Т. Аладьев Расчет и экспериментальноисследование сопл с большими к.п.д., работающих на 2-х фазных средах. Теплофизика высоких температур, 1982 г., том 20,№3

Изобретение относится к устройствам очистки жидкости. Устройство очистки осадка сточной жидкости содержит турбины, разделяющие жидкость и пар, которые скреплены валом с турбинами конденсата и пара, улитки которых последовательно скреплены между собой, с компрессором и паровой полостью конденсатора, соединенного с турбинами конденсата и пара, полость охлаждения которого соединена с улитками турбин и соплами Лаваля, отстойником осадка через насос и соплом Лаваля через подогреватель. Изобретение обеспечивает мобильное устройство с улучшенной очисткой воды. 1 ил., 2 табл.

Устройство очистки осадка сточной жидкости, содержащее каскад испарителей, сопла Лаваля которого последовательно скреплены с улитками турбин, разделяющих жидкость и пар, скрепленных валами с электродвигателями, соединенными с внешней энергосетью, и насосом осадка, соединенным с соплом Лаваля через подогреватель, компрессорами и паровыми полостями конденсаторов, соединенных полостями охлаждения с улитками турбин, отличающееся тем, что турбины, разделяющие жидкость и пар, скреплены валом с турбинами конденсата и пара, улитки которых последовательно скреплены между собой, с компрессором и паровой полостью конденсатора, соединенного с турбинами конденсата и пара, полость охлаждения которого соединена с улитками турбин и соплами Лаваля, отстойником осадка через насос и соплом Лаваля через подогреватель.