ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА И КАВИТАЦИОННЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)
CAVITATION POWER PLANT AND CAVITATION STEAM GENERATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетическим установкам, позволяющим переводить в парообразное состояние различные жидкие среды без использования различного вида котлов с нагревом жидкой среды путем сжигания топлива. В частности изобретение позволяет использовать свойство жидкой среды испаряться при резком понижении давления при формировании кавитационного режима течения жидкой среды, что позволяет использовать данную установку в различных технологических установках, в частности для получения пресной воды, особенно в районах, где отсутствуют источники питьевой воды как таковые, например на буровых морских платформах или в засушливых районах на берегу морей и океанов.
Известна энергетическая установка для опреснения воды, содержащая испаритель с внешним нагревателем опресняемой жидкости, по меньшей мере один рекуперационный теплообменник возврата в испаритель тепла, получаемого испаряемой жидкостью в рабочем процессе опреснения, нагнетатель пара из испарителя в конденсатор, каналы для подвода опресняемой жидкости к испарителю и каналы слива дистиллята и рассола (см. патент RU №2077488, кл. B01D 3/06, 20.04.1997).
Данное техническое решение достаточно просто конструктивно, но, однако, не обеспечивает рекуперации теплоты парообразования, которая сбрасывается через конденсатор и непроизводительно теряется. Кроме того, нагрев испаряемой жидкости посредством высокотемпературных источников тепла приводит к возникновению отложений солей на нагревательных поверхностях, что существенно усложняет эксплуатацию и снижает производительность данного типа дистилляционных опреснителей.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части, касающейся энергетической кавитационной установки, является энергетическая кавитационная установка, содержащая трубопровод подачи морской воды, насос подачи морской воды, первый и второй рекуперативные теплообменники, кавитационный парогенератор, паровой компрессор и трубопровод сброса рассола из установки (см. патент RU №2234354, кл. B01D 3/06, 20.08.2004).
Данная установка является достаточно трудоемкой в изготовлении и энергозатратной, поскольку предполагает для реализации сложную в изготовлении и эксплуатации установку. Кроме того, необходимость тонкой регулировки системы и, главное, невозможность получения опресненной воды, безопасной для бытового применения, что связано с тем, что по мере удаления солей и примесей из морской воды резко увеличивается концентрация гидроокислов дейтерия и трития, концентрация которых в морской воде даже до опреснения в несколько раз превышает их концентрацию в природной пресной воде.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части, касающейся кавитационного парогенератора, является кавитационная опреснительная установка, содержащая камеру испарения, расположенный в ней кавитатор, патрубок для ввода воды, выполненный в виде конфузора, и пароотводную трубку, при этом кавитатор снабжен стержнем, подключенным к источнику колебаний, а пароотводная трубка расположена внутри стержня, причем камера испарения и пароотводная трубка снабжены электродами (см. авторское свидетельство SU №952745, кл. B01D 1/26, 23.08.1982).
Данная установка позволяет переводить жидкую среду в парообразное состояние в режиме кавитационного течения, однако наличие привода колебаний вала, сквозь который проходит пароотводная трубка усложняет конструкцию устройства и увеличивает энергозатраты при эксплуатации установки.
Другим наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части, касающейся кавитационного парогенератора, является кавитационный генератор, содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и расположенным на боковой стенке корпуса патрубком отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал, введенный в камеру через одну из торцевых стенок корпуса и установленный на валу активатор, выполненный в виде диска, на боковых поверхностях которого на стойках установлены подвижные кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с зазором от торцевых стенок корпуса, на которых на стойках между подвижными кавитаторами установлены подобные им неподвижные кавитаторы (см. патент RU №2115176, кл. B01F 11/02, 10.07.1998).
Недостатком этой конструкции является малоэффективное использование периферийных зон емкости изделия, где благодаря высокому давлению от центробежных сил кавитация отсутствует.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструктивно простой и экономичной установки для получения парообразной фазы с возможностью получения пресной воды из морской воды.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности парообразования, снижение вредных для здоровья примесей трития и дейтерия в конденсате парообразной фазы и упрощение эксплуатации установки и кавитационных парогенераторов.
Указанная задача решается, а технический результат достигается в части энергетической кавитационной установки, как объекта изобретения за счет того, что энергетическая кавитационная установка содержит трубопровод подачи морской воды, насос подачи морской воды, первый и второй рекуперативные теплообменники, кавитационный парогенератор, паровой компрессор и трубопровод сброса рассола из установки, при этом установка дополнительно снабжена прямоточным устройством магнитной обработки морской воды, гидроциклоном, системой очистки пара, конденсатором пара, емкостью сбора пресной воды и гидроударной системой конденсации пара, выполненной в виде установленного в трубопроводе подачи сжатого пара из парового компрессора затвора и подключены к трубопроводу подачи сжатого пара через клапаны, установленные один перед затвором, а другой - за затвором по ходу в трубопроводе сжатого пара, камеры пониженного и камеры повышенного давления, при этом трубопровод подачи морской воды подключен через первый рекуперативный теплообменник к насосу подачи морской воды, который выходом через прямоточное устройство магнитной обработки морской воды, гидроциклон и расположенный в конденсаторе второй рекуперитавный теплообменник подключен к входу, выполненного с плазматроном кавитационного парогенератора, который выходом рассола подключен через первый рекуперативный теплообменник к трубопроводу сброса рассола из установки и выходом пара подключен через систему очистки пара к паровому компрессору, который выходом сжатого пара подключен к трубопроводу подачи сжатого пара с установленной на нем гидроударной системой конденсации пара с камерами пониженного и повышенного давления и затвором, причем камера пониженного давления подключена к входу в паровой компрессор, а камера повышенного давления подключена к конденсатору, который подключен входом к трубопроводу подачи сжатого пара и выходом - к емкости сбора пресной воды.
Указанная задача решается, а технический результат достигается в части кавитационного парогенератора, как объекта изобретения за счет того, что кавитационный парогенератор содержит камеру испарения, подключенную к патрубку подвода морокой воды, патрубку отвода рассола и пароотводной трубке, при этом камера испарения выполнена в виде винтовой спирали и снабжена плазматроном, подключенным через установленные в камере испарения анод и катод к источнику электрического тока, причем к камере испарения подключены дополнительные пароотводные трубки, все пароотводные трубки подключены к внутренней стенке камеры испарения вдоль нее по ходу потока в камере испарения морской воды, анод плазматрона выполнен в виде сетки, например никелевой, расположенной на входе в каждую пароотводную трубку и в виде внутреннего покрытия наружной стенки камеры, а катод плазматрона выполнен в виде катодных свечей с вольфрамовыми электродами, установленных через изоляторы на наружной стенке камеры испарения напротив входа в каждую пароотводную трубку.
Указанная задача решается, а технический результат достигается в части другого варианта выполнения кавитационного парогенератора, как объекта изобретения за счет того, что кавитационный парогенератор содержит корпус с внутренней рабочей камерой и расположенным на боковой стенке корпуса патрубком отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал, введенный в камеру через одну из торцевых стенок корпуса и установленный на валу активатор, выполненный в виде диска, на боковых поверхностях которого на стойках установлены подвижные кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с зазором от торцевых стенок корпуса, на которых на стойках между подвижными кавитаторами установлены подобные им неподвижные кавитаторы, при этом кавитационный парогенератор снабжен плазматроном, приводной вал выполнен полым для подвода через него в рабочую камеру морской воды и снабжен струенаправляющим диском, противоположная валу торцевая стенка в ее осевой области выполнена с патрубком отвода пара, снабженным расположенным в камере полым с пористыми стенками никелевым анодом плазматрона, пропущенным через выполненное в активаторе отверстие, а боковая стенка корпуса снабжена катодными свечами плазматрона с вольфрамовыми электродами, изолированными от внутренних стенок камеры, выполняющих функции анода.
На фиг.1 представлена блок-схема энергетической кавитационной установки.
На фиг.2 представлен первый вариант исполнения кавитационного парогенератора.
На фиг.3 представлен второй вариант исполнения кавитационного парогенератора.
Энергетическая кавитационная установка содержит трубопровод 1 подачи морской воды, насос 2 подачи морской воды, первый 3 и второй 4 рекуперативные теплообменники, кавитационный парогенератор 5, паровой компрессор 6 и трубопровод 7 сброса рассола из установки. Установка дополнительно снабжена прямоточным устройством 8 магнитной обработки морской воды, гидроциклоном 9, системой 10 очистки пара, конденсатором пара 11, емкостью 12 сбора пресной воды и гидроударной системой 13 конденсации пара, выполненной в виде установленного в трубопроводе 14 подачи сжатого пара из парового компрессора 6 затвора 15 и подключенных к трубопроводу 14 подачи сжатого пара через клапаны 16 и 17, установленные один 16 перед затвором 15, а другой 17 - за затвором 15 по ходу в трубопроводе 14 сжатого пара, камеры 18 пониженного и камеры 19 повышенного давления. Трубопровод 1 подачи морской воды подключен через первый рекуперативный теплообменник 3 к насосу 2 подачи морской воды, который выходом через прямоточное устройство 8 магнитной обработки морской воды, гидроциклон 9 и расположенный в конденсаторе пара 11 второй рекуперитавный теплообменник 4 подключен к входу, выполненного с плазматроном кавитационного парогенератора 5, который выходом рассола подключен через первый рекуперативный теплообменник 3 к трубопроводу 7 сброса рассола из установки и выходом пара подключен через систему 10 очистки пара к паровому компрессору 6, который выходом сжатого пара подключен к трубопроводу 14 подачи сжатого пара с установленной на нем гидроударной системой 13 конденсации пара с камерами пониженного 18 и повышенного 19 давления и затвором 15, причем камера 18 пониженного давления подключена к входу в паровой компрессор 6, а камера 19 повышенного давления подключена к конденсатору 11, который подключен входом к трубопроводу 14 подачи сжатого пара и выходом - к емкости 12 сбора пресной воды.
Кавитационный парогенератор 5 по первому варианту его исполнения содержит камеру испарения 20, подключенную к патрубку 21 подвода морской воды (вход в кавитационный парогенератор), патрубку 22 отвода рассола (выход рассола из кавитационного парогенератора) и пароотводной трубке 23 (выход пара из кавитационного парогенератора). Камера испарения 20 выполнена в виде винтовой спирали и снабжена плазматроном, состоящим из анода 24 и катода 25, подключенных к источнику электрического тока (не показан) и установленных в камере испарения 20. К камере испарения 20 подключены дополнительные пароотводные трубки 26. Все пароотводные трубки 23 и 26 подключены к внутренней стенке 27 камеры испарения 20 вдоль нее по ходу потока в камере испарения 20 морской воды, анод 24 плазматрона выполнен в виде сетки, например никелевой, расположенной на входе в каждую пароотводную трубку 23 и 26 и в виде внутреннего покрытия наружной стенки 28 камеры 20, а катод 25 плазматрона выполнен в виде катодных свечей с вольфрамовыми электродами, установленных через изоляторы на наружной стенке 28 камеры испарения 20 напротив входа в каждую пароотводную трубку 23 и 26.
Таким образом, катодные свечи являются важными элементами кавитационного парогенератора 5. Вольфрамовый электрод катодной свечи навинчивается на медный сердечник, обеспечивающий высокую электропроводность и теплоотдачу, что повышает надежность работы вольфрамового электрода, фарфорового изолятора и катодной свечи в целом.
Кавитационный парогенератор 5 по второму варианту его исполнения содержит корпус 29 с внутренней рабочей камерой 30 и расположенным на боковой стенке 31 корпуса 29 патрубком 32 отвода из нее жидкости (выход рассола из кавитационного парогенератора), размещенный в камере 30 приводной вал 33, введенный в камеру 30 через одну из торцевых стенок корпуса 29 и установленный на приводном валу 33 активатор 34, выполненный в виде диска, на боковых поверхностях которого на стойках установлены подвижные кавитаторы 35, перекрывающие рабочую камеру 30 с зазором от торцевых стенок корпуса 29, на которых на стойках между подвижными кавитаторами 35 установлены подобные им неподвижные кавитаторы 36. Кавитационный парогенератор 5 снабжен плазматроном, состоящим из анода 24 и катода 25, подключенных к источнику электрического тока (не показан). Приводной вал 33 выполнен полым для подвода через него в рабочую камеру морской воды (вход в кавитационный парогенератор) и снабжен струенаправляющим диском 37, противоположная валу торцевая стенка в ее осевой области выполнена с патрубком 38 отвода пара (выход пара из кавитационного парогенератора), снабженным расположенным в камере 30 полым с пористыми стенками никелевым анодом (анод 24) плазматрона, пропущенным через выполненное в активаторе 34 отверстие, а боковая стенка 31 корпуса 29 снабжена катодными свечами (катод 25) плазматрона с вольфрамовыми электродами, изолированными от внутренних стенок камеры, выполняющих функции анода 24.
Морская вода по трубопроводу 1 насосом 2 подается через первый рекуперативный теплообменник 3, и прямоточное устройство 8 магнитной обработки морской воды в гидроциклон 3. После воздействия на морскую воду магнитного поля омагниченная вода становится более структурированной, чем вода обычная. В ней увеличивается скорость химических реакций и кристаллизации растворенных веществ, интенсифицируются процессы адсорбции, улучшается коагуляция примесей и выпадение их в осадок. В результате магнитной обработки растворенные известковые соединения кристаллизуются. Магнитная обработка воды так же влияет на электрокинетический потенциал и агрегативную устойчивость взвешенных частиц, ускоряя их осаждение. Эти процессы (удаление исходных взвесей и продуктов кристаллизации) реализуются в гидроциклоне 3, из которого свободная от физических примесей вода слегка подогревается в расположенном в конденсаторе пара 11 втором рекуперативном теплообменнике 4, после чего поступает в кавитатационный парогенератор 5, снабженный плазматроном для формирования плазменного пламени в электростатическом поле, которое вместе с острыми кавитационными процессами обеспечивает интенсивное образование пара относительно низкой температуры (до 60°С), освобожденного от примесей тяжелой воды. Такое освобождение осуществляется за счет захвата ионов дейтерия, трития и их производных вольфрамовыми катодами, расположенными на периферии рабочей камеры 30 или камеры испарения 20 (в зависимости от варианта исполнения кавитационного парогенератора 5) в зоне высокого давления потока воды, на удалении от центральной зоны, обеспечивающей отвод пара из кавитационного парогенератора 5 в систему 10 очистки пара.
Очищенный пар поступает в паровой компрессор 6 и под повышенным давлением (до 6 ати) поступает по трубопроводу 14 сжатого пара в гидроударную систему 13 конденсации пара с камерами пониженного 18 и повышенного 19 давления и затвором 15.
Отличительной особенностью участка конденсации пара является использование эффекта изотермического гидравлического удара в потоке пара, обеспечивающего повышение давления перед затвором 15 и понижение давления (вакуум) за ним. Повышение давления на напорной стороне затвора в трубопроводе 14 сжатого пара и понижение его на стороне низкого давления за затвором 15 осуществляется за счет нестационарных, ударных явлений. Принцип использования таких явлений состоит в следующем. На начальном этапе работы пар свободно движется по трубопроводу 14 сжатого пара со скоростью U. В некоторый момент закрывается затвор 15, вызывая ударную волну, бегущую навстречу течению, за фронтом которой давление составляет
P=ρ·U·c,
где ρ - плотность паровоздушной смеси в трубке конденсатора, U - скорость потока до торможения, с - скорость звука в паровоздушной смеси.
Скорость течения в этот момент равна нулю.
После достижения ударной волной парового компрессора 6 или запорного элемента на трубопроводе 14 сжатого пара, если он на нем установлен, волна отражается. Одновременно с закрытием затвора 15 открываются клапаны 16 и 17. При этом часть пара высокого давления из области перед затвором 15 переходит в камеру 19 повышенного давления, которое поддерживается в камере 19, а другая часть пара из зоны пониженного давления за затвором 15 переходит в камеру 18 пониженного давления. После этого клапаны 16 и 17 закрываются, а затвор 15 открывается и в трубопроводе 14 восстанавливается свободное движение пара. В камере 19, которая конструктивно может находиться в конденсаторе пара 11 благодаря высокому давлению и низкой температуре, происходит конденсация пара.
Из камеры 18 пониженного давления пар возвращается на вход парового компрессора 6, а из камеры 19 повышенного давления пар направляется в конденсатор пара 11, где происходит окончательная конденсация пара под охлаждающим действием свежей морской воды из гидроциклона 9. Из конденсатора пара 11 дистиллят (пресная вода) направляется в емкость 12 сбора пресной воды. При необходимости дистиллят из емкости 12 может быть направлен на повторную очистку в параллельную цепочку, начинающуюся с кавитационного парогенератора (не показано).
Вода из кавитационного парогенератора 5, не обратившаяся в пар (рассол), поступает в сепаратор 39 и оттуда частично в первый рекуперативный теплообменник 3, где нагревает морскую воду, а частично возвращается в кавитационный парогенератор 5 для повторной обработки.
Принципиальное значение имеют конструкции кавитационных парогенераторов 5.
При установке кавитационного парогенератора 5 в соответствии с первым вариантом его исполнения морская вода поступает в выполненную в виде винтовой спирали камеру испарения 20. Во вращающейся жидкости развиваются значительные центробежные силы, формируется градиент давления в радиальном направлении. Благодаря резкому падению давления в приосевой зоне со стороны внутренней стенки 27 камеры испарения 20 морская вода вскипает и кавитационные пузырьки, наполненные паром интенсивно выбрасываются в указанную приосевую зону камеры испарения 20, из которой через пароотводные трубки 23 и 26 и систему 10 очистки пара последний отсасывается паровым, предпочтительно безмаслянным, компрессором 6 и направляется в конденсатор пара 11 через гидроударную систему 13 конденсации пара. Благодаря градиенту давления в камере испарения 20 пламя, образованное катодами 25 и анодами 24 плазматрона, будет располагаться почти строго по радиусу камеры испарения 20 в сторону центра вращения.
Весьма важными элементами кавитационного парогенератора 5 являются катодные свечи (катоды 25), расположенные на наружной стенке 28 камеры испарения 20. Вольфрамовый электрод в виде наконечника навинчивается на медный сердечник, обеспечивающий высокую электропроводность и теплоотдачу, что повышает надежность работы вольфрамового электрода, установленного в фарфоровом изоляторе. На внутренней стенке 27, в том числе на входе в пароотводные трубки 23 и 26 и на наружной стенке 28 в камере испарения 20, размещены выполненные из сетки аноды 24 и в наружной стенке 28 установлены катодные свечи (катоды 25) с вольфрамовыми электродами.
Подключенные к источнику электрической энергии анод 24 и катод 25 вызывает электрический ток ионов воды. По мере увеличения напряжения сначала на катоде 25 выделяется водород, затем на катоде 25 возникает объемно-диффузный разряд, эффективность которого регулируется (в частности) цветом его свечения, а температура плазмы может достигать ~10000К, при этом выделяется тепло. Вольфрамовый электрод катода 25 в момент, когда идет выделение энергии, покрыт светящейся оболочкой из плазмы. Здесь возникают условия для протекания химических и ядерных реакций. Происходят здесь и другие процессы, типичные для обычного электролиза, например образование молекул водорода. При электролизе воды достаточно часто происходит захват электрона непосредственно ядром тяжелого водорода - дейтерия с образованием особой элементарной частицы динейтрона (двойного нейтрона). Живут они очень не долго, но при этом успевают попасть в кристаллическую решетку вольфрама с образованием изотопа вольфрама - 184, что позволяет устранить из воды элементы тяжелой воды.
При установке кавитационного парогенератора 5 в соответствии со вторым вариантом его исполнения морская вода поступает в выполненную рабочую камеру 30 через полый приводной вал 33. Струенаправляющим диском 37 подогретая морская вода отбрасывается на периферию к боковой стенке 31 корпуса 29. При взаимодействии морской воды с неподвижными 36 и подвижными 35, приведенные во вращение приводным валом 33 кавитаторами, морская вода приводится во вращение в рабочей камере 30 с формированием зоны пониженного давления в приосевой зоне рабочей камеры 30. Во вращающейся жидкости развиваются значительные центробежные силы, формируется градиент давления в радиальном направлении. Благодаря отмеченному выше резкому падению давления в приосевой зоне морская вода вскипает и кавитационные пузырьки, наполненные паром интенсивно выбрасываются в указанную приосевую зону рабочей камеры 30. «Холодный» пар из кавитирующей зоны проходит через пористый никелевый анод 24, где задерживаются ионы дейтерия и его производных (пар свободен от тяжелой компоненты и слегка подогрет горящей плазмой), патрубок 38 отвода пара и далее через систему 10 очистки пара последний отсасывается паровым компрессором 6 и направляется в конденсатор пара 11 через гидроударную систему 13 конденсации пара. Благодаря градиенту давления в рабочей камере 30 пламя, образованное катодами 25 и анодом 24, расположенным по оси рабочей камеры 30 и выполненным из пористого никеля, будет располагаться почти строго по радиусу рабочей камеры 30. В остальном происходящие в кавитационном парогенераторе 5 процессы аналогичны описанным выше.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике при обработке различных жидких сред, преимущественно для опреснения преимущественно морской воды и очистки природных вод от разнообразных загрязнителей.