Способ осаждения пара в градирне
Владельцы патента RU 2295684:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (RU)
Изобретение относится к коагуляции пара в градирне теплоэлектроцентралей. Способ осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром и оросительным устройством, заключается в том, что в градирне устанавливают по меньшей мере одну обойму с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, расположенными параллельно друг другу, подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара, возбуждают падением струек технической воды в резервуар шум в звуковом диапазоне частот и направляют его вверх в градирню, осуществляют преобразование низкочастотного шума в ультразвук по меньшей мере одним акустическим преобразователем из четвертьволновых резонаторов формируют ультразвуковые стоячие волны на длине участка, равной длине акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов, производят коагуляцию капелек пара в ультразвуковых стоячих волнах, производят осаждение капелек технической воды под действием собственного веса после коагуляции пара в виде струек воды в резервуар. Изобретение позволяет повысить КПД теплоэлектроцентрали за счет сокращения потребления энергии на собственные нужды и снижения выброса пара в атмосферу. 3 ил.
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 промышленной 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); 2) временем экспозиции, которое зависит от I (при I=1,0 Вт/см 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 в способе осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром, оросительным устройством и технологической тропинкой, предусматривается следующее: а) производят на технологической тропинке в градирне по меньшей мере одну обойму с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, расположенными на заданном расстоянии параллельно друг другу; б) подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара; в) возбуждают падением струек технической воды в резервуар шум в звуковом диапазоне частот и направляют его вверх в градирню; г) осуществляют преобразование низкочастотного шума в ультразвук по меньшей мере одним акустическим преобразователем из четвертьволновых резонаторов; д) формируют ультразвуковые стоячие волны на длине участка равной длине акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов; е) производят коагуляцию капелек пара в ультразвуковых стоячих волнах; ж) производят осаждение капелек технической воды под действием собственного веса после коагуляции пара в виде струек воды в резервуар.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе акустической коагуляции пара в градирне используют ультразвуковые колебания, преобразованные из низкочастотного шума градирны. Излучателем колебаний является составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, который размещается в пространстве между резонаторами.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция капелек жидкости (пара) известно [2]. Однако неизвестно, что ультразвук можно создать с помощью акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов при работе градирни, с созданием стоячих волн, коагуляции капелек жидкости и осаждением их в резервуар.
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. Наличие постоянного шума в градирне, распространяющегося вверх от резервуара.
2. Источником низкочастотного шума является падение с высоты в резервуар капелек и струек охлажденной жидкости.
3. Преобразование низкочастотного шума в ультразвук.
4. Преобразование низкочастотного шума в ультразвук осуществляется двумя акустическими преобразователями из четвертьволновых резонаторов, расположенными на заданном расстоянии параллельно друг другу в обойме.
5. Формирование ультразвуковых стоячих волн осуществляется на длине участка, равной длине акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов.
6. Использование явления физического процесса акустической коагуляции пара (капелек жидкости) стоячей волной с последующим осаждением их в резервуар.
Покажем возможность использования акустической коагуляции пара (капелек жидкости) ультразвуковыми стоячими волнами в обойме.
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 выражение 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, в которых Cos(2πx/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 da/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 [2].
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 основаны от части 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. В начале 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 жидкости) в стоячей волне.
Пусть в воздухе с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой UB 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]
Не периодический 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 ХK/UB 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 ХK/UB=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 волн с целью коагуляции капелек 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 обойм с акустическим преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов на технологической тропинке; на фиг.3 показана схема размещения акустических преобразователей шума из четвертьволновых резонаторов в обойме и коагуляционный процесс в стоячей волне пара.
На фиг.1 изображено: 1 - градирня, 2 - технологическая тропинка, 3 - оросительное устройство, 4 - резервуар, 5 - шум, 6 - падение струек воды в резервуар, 7 - труба для подачи теплой технической воды для охлаждения, 8 - обойма с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, 9 - пар, 10 - выброс пара из градирни;
На фиг.2 изображено: 1 - градирня, 2 - технологическая тропинка, 8 - обойма с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, 11 - первый акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 12 - второй акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов.
На фиг.3 изображено: 8 - обойма с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, 9 - пар, 11 - первый акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 12 - второй акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 5 - направление распространения звука от падения струек воды в резервуар, 14 - осаждение капелек воды после коагуляции пара в стоячей ультразвуковой волне в виде струек воды, 15 - звуковое давление в стоячей волне, 16 - колебательная скорость в стоячей волне.
Пример осуществления способа.
Первая операция. Устанавливают на технологической тропинке 2 (фиг.1) в градирне 1 по меньшей мере одну обойму 8 (фиг.1) с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, расположенными на заданном расстоянии параллельно друг другу;
Вторая операция. Подают техническую теплую воду через трубу 7 (фиг.1) на оросительное устройство 3 (фиг.1) для охлаждения холодным воздухом, в результате чего выделяется пар 9 (фиг.1).
Третья операция. Возбуждают падением 6 струек технической воды (фиг.1) в резервуар 4 (фиг.1) шум 5 (фиг.1. и фиг.3) в звуковом диапазоне частот и направляют его вверх в градирню 1(фиг.1).
Четвертая операция. Осуществляют преобразование низкочастотного шума в ультразвук по меньшей мере одним акустическим преобразователем из четвертьволновых резонаторов 11 и 12 (фиг.3), расположенными на заданном расстоянии параллельно друг другу в обойме 8 (фиг.3).
Пятая операция. Формируют ультразвуковые стоячие волны на длине участка, равной длине акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов 11 и 12 (фиг.3).
Шестая операция. Производят акустическую коагуляцию в ультразвуковых стоячих волнах, используя параметры: звуковое давление 15 в стоячей волне и колебательную скорость 16 в стоячей волне (фиг.3) путем движения капелек пара 9 (фиг.3) из пучности волны давления 15, в пучность колебательной скорости 16.
Седьмая операция. Производят осаждение капелек воды под действием собственного веса после коагуляции пара в виде струек воды 14 (фиг.3) в резервуар 4 (фиг.3).
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. ИЛ. - 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 С.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., Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall- und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936).
7. Brandt O., Hiedenmann E., Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).
Способ осаждения пара в градирне, оборудованной резервуаром и оросительным устройством, заключающийся в том, что в градирне устанавливают, по меньшей мере, одну обойму с акустическими преобразователями шума из четвертьволновых резонаторов, расположенными параллельно друг другу, подают техническую воду на оросительное устройство для охлаждения холодным воздухом с выделением пара, возбуждают падением струек технической воды в резервуар шум в звуковом диапазоне частот и направляют его вверх в градирню, осуществляют преобразование низкочастотного шума в ультразвук, по меньшей мере, одним акустическим преобразователем из четвертьволновых резонаторов формируют ультразвуковые стоячие волны на длине участка, равной длине акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов, производят коагуляцию капелек пара в ультразвуковых стоячих волнах, производят осаждение капелек технической воды под действием собственного веса после коагуляции пара в виде струек воды в резервуар.
