Ультразвук в энергетике.

Ультразвуковые энергосберегающие технологии

Ультразвуковые технологии в энергетике

Прошло без малого двести лет с того времени, когда наукой были очерчены границы, за которыми никакая сила ничего уже не может выжать из тепловой машины больше того, что определено двумя параметрами – температурой источника и приемника тепла. Этот знаменитый термодинамический цикл мы знаем под именем Никола Леонард Сади Карно (1796–1832). Его единственный печатный труд под названием «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», увидевшей свет в 1824 году, оставил глубочайший след в науке. И, возможно, еще не до конца понят и используется человеком.

Последний абзац его работы звучит так: «В каждом случае суметь использовать должным образом удобства и экономичность, отделить наиболее важные условия от второстепенных, подходящим образом их сбалансировать, чтобы с наиболее простыми средствами достигнуть наилучших результатов, – таковы должны быть основные способности человека, призванного управлять и приводить в согласие между собой работы себе подобных, чтобы заставить их действовать на какое-либо полезное дело».

В этой статье мы попробуем рассмотреть вопросы, стоящие перед энергетикой, и возможные пути их решения с помощью одного из средств (инструментов) – мощного ультразвука.

2 Мощный ультразвук – что это такое?

Ультразвуковые колебания частотой 20–40 кГц и интенсивностью более 0,5 Вт/см² классифицируются как мощный ультразвук или «макрозвук».

Мощный ультразвук вызывает необратимые изменения в среде распространения и является средством активного воздействия на протекание тепломассообменных процессов в различных средах, на структуру и свойства твердых тел, на процессы их контактного взаимодействия и позволяет интенсифицировать технологические процессы получения и обработки материалов.

Мощный ультразвук может быть эффективно использован в разнообразных областях деятельности человека – энергетике, защите окружающей среды, добыче и переработке сырья, в технологиях получения материалов и веществ, биологии, медицине, химии и сельском хозяйстве. Использование мощного ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет значительно снизить себестоимость процессов или продукта, получать новые продукты или повысить качество существующих: интенсифицировать традиционные технологические процессы или стимулировать реализацию новых, способствовать улучшению экологической ситуации. Ультразвуковые технологии позволяют получать значительный экономический эффект при относительно набольших капиталовложениях.

Современные технологии позволяют изготавливать ультразвуковое оборудование различного технологического назначения. Набор оборудования сводится к следующему перечню: ультразвуковые генераторы мощностью 0,1–20 кВт с рабочей частотой 20–40 кГц; пьезокерамические и магнитострикционные преобразователи мощностью 0,05–16 кВт и более; газогидродинамические ультразвуковые излучатели; волноводные системы, в том числе с развитой излучающей поверхностью, обеспечивающие введение колебаний в газы, жидкости (в т.ч. агрессивные и высокотемпературные расплавы), твердые тела и гетерогенные системы. Во многих случаях возможна стыковка ультразвукового оборудования с уже действующим оборудованием и технологическими процессами.

Мощный ультразвук – уникальное, эффективное и экологически чистое средство интенсификации физикохимических процессов.

3 Тепловые процессы в ультразвуковом акустическом поле

Тепловые процессы, протекающие как с изменением, так и без изменения агрегатного состояния (конденсация, выпаривание, нагревание, охлаждение и др.) могут быть значительно интенсифицированы физическими воздействиями, в частности мощным ультразвуком. Общий принцип интенсификации конвективного теплообмена был разработан З.Ф.Чухановым, который указал, что наиболее выгодным режимом является турбулентный: в трубах и пограничном слое при внешнем обтекании тел. Турбулизация может быть достигнута как в результате увеличения скорости потока и его колебаний, так и в результате движения теплопередающей поверхности (ее вращения и колебания).

Основное сопротивление теплообмену при однофазном теплоносителе сосредоточено в пограничном слое. Поэтому, для интенсификации теплообмена, необходимо так воздействовать на пограничный слой, чтобы он оказался, возможно, более тонким или полностью разрушенным.

Задачи тепломассообмена в звуковом поле рассмотрены в работах В.Е.Накоряева, А.П.Бурдукова и др. В.М.Бузник систематизировал влияние колебательного движения среды на тепломассообмен при вынужденных колебаниях. Лемлих изучал влияние колебаний нагретых проволочек в воздухе на теплоотдачу. Им выдвинута гипотеза «растянутой пленки», согласно которой пограничный слой не перемещается вместе с колеблющейся проволочкой, а остается неподвижным в пределах ее амплитуды колебаний, что приводит к увеличению эффективной поверхности теплообмена.

Учеными наработана большая экспериментальная база исследования теплообмена в докавитационном и кавитационном режиме при акустическом воздействии. Доказано, что максимальное воздействие колебаний потока на конвективный теплообмен в каналах наблюдается на резонансных частотах. При этом теплоотдача вблизи пучности скорости стоячей волны максимальна, а вблизи узла – минимальна. Проведенная учеными огромная работа доказывает возможность интенсификации тепломассообменных процессов в разы, а в некоторых случаях и в десятки раз, под воздействием мощного ультразвука.

Применение ультразвука позволяет интенсифицировать процессы сушки и кристаллизации, растворения и экстракции, сорбации и выпаривания, а также значительно интенсифицировать химические процессы. Воздействие мощного ультразвука в диапазоне частот 20–40 кГц, интенсивностью 1–20 Вт/см² и более, производит в среде распространения резонансные колебания и турбулентность ультразвукового поля – необходимые условия тепломассообменных процессов.

4 Правильное и неправильное горение

Если спросить у химика о сегодняшней технологии сжигания топлива в факельных печах, он нам объяснит, что это технология «неправильная». «Правильной технологией сжигания» топлива, с точки зрения химика, будет реакция окисления углеводородного топлива кислородом на катализаторе. Об этой технологии мы поговорим в следующей главе, а сейчас рассмотрим возможность «исправить» процесс горения в факельной печи в «правильную сторону». Этот способ сжигания топлива широко распространен и в теплоэнергетике, и в самых различных техпроцессах – от нефтепереработки до стекловарения и металлургии.

Факельному сжиганию присущи серьезные недостатки. Газообразное и жидкое топливо сгорает в факельных печах при температуре 1200–1600 °С. Образуются горячие топочные газы, отдающие тепло рабочему телу – теплоносителю, либо веществу, подвергающемуся переработке. Однако далеко не всегда нужна температура более тысячи градусов. Чтобы получить топочные газы с умеренной температурой приходится сжигать топливо с большим избытком воздуха (α от 1,2 до 4) или же разбавлять горячий газ холодным воздухом. Но это еще не все потери: тепло теряется и в самой топке, и в теплообменнике, и в экономайзере. В результате коэффициент использования топлива получается удручающе низким – в среднем по всем отраслям k ≈ 0,4–0,5. Естественно, факельные печи усовершенствуются, принимаются меры для уменьшения потерь тепла. Но около половины драгоценного горючего – природного газа и мазута, тратится на нагрев атмосферы. Вывод ясен: необходимо кардинальное изменение технологии сжигания топлива.

Второй недостаток факельных печей – образование вредных для окружающей среды и человека веществ. Суммарная реакция окисления углеводородов выглядит довольно безобидно:

С_хН_у + О₂ → ХСО₂ + Y/2 Н₂О

Ее продукты – углекислота и вода. Но брутто-реакция скрывает радикальный характер факельного, «семеновского» горения. При высоких температурах в пламени образуются короткоживущие высокоактивные радикалы, протекают эндотермические реакции. С одной стороны, они крадут тепло и снижают и без того невысокий коэффициент топлива. А с другой стороны, приводят к образованию угарного газа и окислов азота:

СО₂ → СО + ½ О₂ , N₂ + ХО₂ → 2NО_х

Рассмотрим химические превращения, происходящие в пламени при наличии мощного ультразвукового поля, подавая топливо через «ультразвуковую горелку». Еще в 1985 году д.т.н. Г.С.Шимонаев в статье «Белое пятно планеты» («Химия и жизнь», № 12, 1985) описывает одно из важнейших достижений ИК-лазерной фотохимии – открытие многофотонного поглощения молекулами инфракрасного излучения в резонансном поле импульсного лазера. При настройке мощного монохроматического излучения на полосу поглощения молекулы она начинает поглощать фотоны и становится своеобразным аккумулятором – накапливает колебательную энергию, которая распределяется среди колебательных мод (молекулярных связей). Накопление продолжается до тех пор, пока эти энергетические запасы не превысят энергию межатомных связей. И тогда молекула распадается на несколько осколков – фрагментов.

Вероятность фотофрагментации молекул возрастает при воздействии излучения широкого частного диапазона – возбужденная резонансной частотой молекула приобретает способность поглощать энергию нерезонансного излучения, причем энергетический порог изначального возбуждения при воздействии широкого диапазона частот в десятки раз ниже, чем при воздействии монохроматического излучения.

Наложение мощного ультразвукового поля с амплитудой колебаний, соизмеримой с размером элементарных частиц горючей смеси, создает, аналогичные лазеру, эффекты, приводя к авторегулируемому химическому процессу.

5 Авторегулируемый химический процесс горения

Горение можно представить в виде авторегулируемого химического процесса с обратной фотонной связью. Вот как в самом общем виде выглядит такая модель:

прямая связь

обратная связь

Поясним эту схему. В ней есть все основные элементы, характерные для авторегулируемых процессов: управляемая (реакционная зона) и управляющая (зона предпламенных превращений) системы, связанные прямой и обратной связью. Применительно к распространению пламени, роль управляющей системы играет предпламенная зона, управляемой – фронт пламени. Прямая связь – это поток молекулярных осколков продуктов предпламенного превращения, обратная связь – излучение пламени. В предпламенной зоне и в пламени протекает одновременно множество параллельных и последовательно – параллельных реакций – с различной скоростью, с разной степенью разветвленности (рис. 1).

Оптимальны, с точки зрения эффективности горения, не реакции, которые приводят к максимальной скорости химического превращения горючей смеси в конечные продукты ее сгорания. А то, что оптимальные скорости при авторегулируемом химическом процессе, благодаря обратным связям, достигаются автоматически.

Модель авторегулируемого горения довольно хорошо (качественно) объясняет основные закономерности распространения пламени. Скорость его (пламени) распространения в различных горючих тем больше, чем ближе по своему строению фрагменты молекул, попадающиеся из предпламенной зоны в зону пламени, и частицы, которые излучают. Это и понятно: при сходном химическом строении частиц в молекулярных осколках легко протекает резонансное поглощение излучения пламени, надежнее становятся управляющие прямые и обратные связи.

Такой подход позволяет легко и просто объяснить, почему так быстро сгорают легкие ненасыщенные углеводороды, например, этилен и ацетилен: мелкие фрагменты в предпламенной зоне; частицы близкого строения и в реакционной, и в предпламенной зонах; надежные управляющие связи авторегулируемого процесса. Понятно, что многоатомные углеводороды предварительно нужно «нарубить» (например, с помощью мощного ультразвука) на мелкие фрагменты, что требует затрат энергии и времени, – поэтому и ниже скорость нормального распространения пламени. Эта скорость примерно одинакова при сжигании различных многоатомных углеводородов, которые образуют в предпламенной зоне близкие по своему строению фрагменты.

Рис. 1

Отклонение состава горючей смеси за пределы оптимального (обеднение ее или обогащение) приводит к ослаблению интенсивности излучения. При этом в зону пламени начинают поступать крупные, многоатомные фрагменты, время их превращения в пламени возрастает, скорость горения падает. При достаточно большом отклонении от стехиометрии пламя уже неспособно «переваривать пищу», «плохо пережеванную» в предпламенной зоне, связи автоматического управления ослабевают и рвутся, пламя угасает.

Сжигание газообразного, жидкого и твердого топлива, с наложением мощного ультразвукового поля, позволит более рационально использовать его энергию и сделать шаг к более «правильному» горению.

6 Ультразвук в процессах каталитического горения – «самое правильное горение»

В химии, нефтехимии и нефтепереработке девять из десяти новейших технологических процессов – каталитические. О возможностях катализа свидетельствует такой простой пример: реакция 2СО + О₂ = 2СО₂ без катализатора идет при температуре более 600 °С, а в присутствии катализатора она уже начинается при температуре 90 °С. Реакции окисления углеводородного топлива кислородом идут несравненно быстрее и полнее на катализаторе, чем в обычных условиях без применения катализаторов. И идея – сжигать топливо каталитическим методом – родилась в Институте катализа Сибирского отделения АН СССР под руководством академика Г.К.Борескова еще в восьмидесятые годы прошлого столетия. Вместо топки, вместо традиционной факельной печи – каталитический реактор. На каталитическую поверхность подается жидкое, газообразное или твердое топливо (в дисперсном, пылевидном состоянии) и окислитель (воздух, кислород). На первой стадии активный кислород катализатора активирует молекулу углеводорода; образуется сложный комплекс карбонатно-карбоксилатных структур. Детали механизма этих реакций до конца неизвестны, поэтому в общем виде они сформулированы так:

С_хН_у + К – О → [С_хН_у – О – К]

катализатор комплекс

Комплекс непрочен, он распадается, но не на изначальные составные части, а на конечные продукты окисления – углекислоту и воду. Остается вернуть катализатору утерянный им кислород. Этот процесс происходит на второй стадии процесса. Катализатор реагирует с кислородом воздуха, который в качестве окислителя подается в реактор. На этом («своего рода единичный акт») цикл каталитического горения заканчивается. Каталитические процессы высокоселективны, соответственно, окисление углеводородов приводит только к двум конечным продуктам – углекислоте и воде. Процесс интенсивно идет при умеренных температурах (400–700 °С), исключая возникновение свободных радикалов, что означает устранение экологической опасности.

Ученые показали нам еще один «козырь» этого метода: сжигание топлива в кипящем слое катализатора. Теплопроводность кипящего слоя очень велика и примерно равна теплопроводности серебра. Поэтому, при низких температурах в реакторе тепло передается ничуть не медленнее, чем в факельной печи. Теоретические расчеты и эксперименты показывают, что коэффициент использования тепла в каталитическом генераторе может достигать 85–95 % – значительно уменьшая габариты и металлоемкость аппаратов, и это в отсутствии огромных экономайзеров и утилизаторов тепла, построенных на современных ТЭЦ и ГРЭС. Наложение мощного ультразвукового поля, с оптимальными параметрами, позволяет стабилизировать и интенсифицировать процесс каталитического горения. Мощный ультразвук позволяет создавать псевдоожиженный (кипящий) слой с необходимыми характеристиками, решить вопросы восстановления катализаторов, более эффективную теплопередачу в теплообменниках.

Теоретически, можно говорить о назревающем перевороте в теплоэнергетике, но практически, при всех разговорах об энергетических проблемах и кризисе в отрасли – это никому не нужно и энергетиками не востребовано. Хотя, использование каталитических генераторов является весьма перспективным для теплоснабжения домов, получения горячей воды и энергетического пара, нефтепереработки, сушки и полукоксования низкосортных углей, сушки зерна и пр.