СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЕК ПАРА В ГРАДИРНЕ
METHOD OF VAPOUR DROPS DEPOSITION IN COOLING TOWER

Изобретение относится к области коагуляции аэрозолей, в частности к коагуляции капелек 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.
2
2
2
3
Степень и скорость очистки газа методом акустической коагуляции в основном определяются: 1) интенсивностью звука I; заметная коагуляция начинается при I~0,01 Вт/см и с дальнейшим увеличением I интенсифицируется; для практического применения необходима интенсивность I>0,1 Вт/см; 2) временем экспозиции, которое зависит от I (при I=1,0 Вт/см весь процесс коагуляции протекает в течение нескольких секунд); 3) частотой ƒ (на практике обычно применяют акустические колебания частоты 0,5-20 кГц); 4) исходной концентрацией аэрозоля (применение метода коагуляции рационально при концентрации ≥1-2 г/см, с увеличением концентрации эффективность коагуляции возрастает) [2].
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/см.
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 капелек пара в градирне, оборудованной резервуаром и оросительной системой, предусматривающий следующие операции: а) - размещают внутри градирни излучатели звука; б) - размещают усеченный круговой конус таким образом, чтобы звук отражался по всему объему градирни; в) - генерируют излучателями звук в направлении к боковой поверхности усеченного кругового конуса; г) - отражают звук от боковой поверхности усеченного кругового конуса по направлению к внутренней поверхности градирни; д) - создают отраженным звуком звуковое поле в виде стоячих волн в объеме внутренней полости градирни; е) - подают теплую воду в градирню по трубе для охлаждения на оросительную систему; ж) - производят охлаждение теплой воды холодным воздухом с последующим испарением в виде капелек пара; з) - осуществляют движение капелек пара через поле стоячих волн от оросительной системы на выход из градирни; и) - производят коагуляцию капелек пара в звуковом поле стоячих волн; к) - производят осаждение укрупненных капелек пара под действием собственного веса после коагуляции пара в виде струек воды в резервуар.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе акустическая коагуляция капелек пара осуществляется в стоячих волнах, сформированных из падающих и отраженных волн во внутренней полости градирни.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что коагуляция капелек пара известна [2]. Однако неизвестно, что стоячие волны можно создать с помощью звука в полости градирни излучателем звука, направленного на усеченный круговой конус, и отраженного звука в направлении внутренней полости градирни.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основное положение.
Основные положения физической сущности для осуществления способа коагуляции капелек пара в градирне (башенный охладитель).
1. Использование явления физического процесса акустической коагуляции капелек пара (капелек жидкости) в стоячей волне с последующим осаждением их в резервуар.
Покажем возможность использования коагуляции капелек пара (капелек жидкости) стоячими волнами.
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(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а, тождественно равно нулю; это имеет место при x, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πx/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 x, давление р пропорционально изменению смещения вдоль x, т.е. величине d a/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 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. 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.
В
Пусть в воздухе с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой U 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
K
B
Отношение амплитуд Х/U будет тем меньше, чем больше радиус капельки и чем выше частота.
2
Таким образом, для степени участия капельки в колебаниях жидкости определяющей является величина Rf.
K
B
Если принять значение Х/U=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 пара.
На фиг.1 изображена схема градирни с технологическими элементами;
на фиг.2 показана схема процесса коагуляции капелек пара в стоячей волне.
На фиг.1 изображено: 1 - градирня, 2 - усеченный круговой конус; 3 - труба для подачи теплой воды, 4 - оросительная система, 5 - струйки воды, 6 - капельки пара, 7 - отраженный звук, 8 - падающий звук, 9 - излучатель звука, 10 - генератор звука, например ГЗ-34, 11 - резервуар.
На фиг.2 изображено: 1 - градирня, 6 - капельки пара, 12 - звуковое поле в виде стоячих волн, 13 - коагулированные капельки пара 6 в звуковом поле стоячей волны.
Пример осуществления способа.
Располагают внутри градирни 1 (фиг.1) излучатели звука 9 (фиг.1), например громкоговорители типа ГД-10.
Устанавливают внутри градирни 1 в нижней ее части по центру основания над трубой 3 для подачи теплой воды усеченный круговой конус 2 (фиг.1) таким образом, чтобы звук 7 (фиг.1) отражался по всему объему градирни 1. В качестве материала для усеченного кругового конуса 2 используют любой звукоотражающий материал, например металл (стальной металлический лист), стекло и т.п. Размеры усеченного кругового конуса 2 выбирают из условия отражения угла падения и отражения звука в объеме градирни 1.
Генерируют излучателями звука 9 (фиг.1) падающий звук 8 в направлении к боковой поверхности усеченного кругового конуса 2. Звук 7 отражается (фиг.1) от боковой поверхности усеченного кругового конуса 2 по направлению к внутренней поверхности градирни 1 (фиг.2). Отраженным звуком 7 (фиг.1) создается звуковое поле в виде стоячих волн 12 (фиг.2) в объеме внутренней полости градирни 1 (фиг.1).
Подают теплую воду в градирню 1 (фиг.1) по трубе 3 для охлаждения на оросительную систему 4. Производят охлаждение теплой воды (фиг.1) холодным воздухом (не показано), подаваемым в градирню 1. Под действием холодного воздуха теплая вода охлаждается и в виде струек 5 поступает в резервуар 11. Капельки пара 6, поднимаясь вверх, от оросительной системы 4 на выход из градирни 1, попадают в звуковое поле в виде стоячих волн 12, где происходит их коагуляция. Укрупненные коагулированные капельки 13 пара под действием собственного веса в виде струек воды (не показано) осаждаются в резервуар 11 (фиг.1).
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.
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, 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).