УЛЬТРАЗВУК И СИНЕРГЕТИКА - 4 (Аппарат плазменного подводного горения в кавитационном поле).

4 Аппарат плазменного подводного горения над кавитационным полем

КСВ и кавитация открывают путь для возрождения «заводов по сжиганию воздуха». Для того, чтобы более детально рассмотреть этот метод, вернемся к эксперименту Герца. Только теперь разместим один шар в воздухе над поверхностью воды (или любой другой жидкости), а второй погрузим на дно сосуда. Создадим, с помощью ультразвукового преобразователя, стоячую ультразвуковую волну и подадим переменный ток. Над поверхностью воды мы получим устойчивую неравновесную плазму – «плазму над водой». А в воде, при воздействии ультразвука, мы получим кавитационное поле.

Усовершенствуем нашу конструкцию, используя опыт работы с аппаратами погружного горения АПГ («Горелка в проруби» к.т.н. С.К.Жура; «Химия и жизнь», № 1, 1988г). Принцип действия таких аппаратов предельно прост. В жидкость, которую надлежит нагреть или испарить, погружена газовая горелка, но не вся, а лишь ее выхлопной патрубок. Газовое (или жидкое) топливо сгорает в жаровой трубе, факел пламени омывается воздухом, который несет в зону горения окислитель – кислород. А раскаленные продукты сгорания из выхлопного патрубка попадают в нагреваемую жидкость, барботируют через ее слой, отдавая свое тепло. Идее погружной горелки много десятков лет. Ее появление связанно с задачей интенсификации разделения однородных систем выпариванием.

На рис. 5 изображен аппарат погружного горения, горелка которого работает на природном газе. Газовоздушная смесь поджигается электрозапальником. Дымовые газы, барботируя через жидкость, поднимают ее уровень, и жидкость переливается через край. Из-за разности давлений в аппарате и внутри циркуляционной трубы во всем объеме происходит интенсивная циркуляция жидкости по замкнутому контуру. Исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а концентрированный удаляется через патрубок.

Заменим в данной конструкции газовую горелку на наше устройство для создания плазмы над водой, а также установим в воде, ниже жаровой трубы, ультразвуковой излучатель для создания мощного кавитационного поля. В итоге мы получим Аппарат Плазменного Подводного Горения (АППГ) с мощным кавитационным полем в зоне барботации продуктов сгорания через воду.

На рис. 6 изображен АППГ с ультразвуковым излучателем, создающим мощное кавитационное поле в зоне барботации продуктов сгорания через воду.

Сжигая реагенты, такая конструкция позволит «замораживать» продукты реакции в воде. Проще говоря, мы получим «плазму под водой». Через ультразвуковой распылитель в зону смешения либо непосредственно в плазму можно подавать реагенты в аэрозольном виде.

Данный метод позволяет высокоэффективно утилизировать пестициды, гербициды, вредные химические вещества, отходы производств, технологии утилизации которых сегодня в Украине нет. И здесь был бы очень полезен опыт, накопленный специалистами Харьковского института химического машиностроения и Киевского политехнического института, внесшими большой вклад в разработку оптимальных конструкций погружных горелок и аппаратов, а также в расширение области их применения.

Рис. 5 – Аппарат погружного горения с горелкой, которая работает на природном газе

Использование аппаратов подобной конструкции будет востребовано в качестве выпарных устройств в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, сахарной промышленности и многих других отраслях.

Очевидные преимущества данной конструкции позволят выпаривать агрессивные жидкости, сгущать растворы кристаллических солей и послужат стимулом для разработки новых устройств, в которых жидкость нагревается непосредственно продуктами сгорания.

Классические выпарные аппараты весьма металлоемки и потребляют много энергии. Одна выпарная установка, производительностью по выпаренной воде 100 т/час, потребляет за год 22000 тонн условного топлива. В целом же по стране годовой расход топлива на выпаривание составляет многие миллионы тонн. В предлагаемой технологии АППГ используется только электроэнергия, а это уже решение многих насущных энергетических проблем в Украине.

Преимущества АППГ по сравнению с выпарными аппаратами других типов совершенно очевидны:

1) высокая степень использования теплоты – до 95 %;

2) отсутствие котельной установки для выработки пара;

3) использование только электроэнергии и воздуха (газов);

4)_возможность максимально предельного концентрирования сточных вод для дальнейшего извлечения из них ценных компонентов;

5) возможность выпаривания агрессивных коррозионно-активных жидкостей;

6) возможность термической обработки суспензий и шламов, содержащих до 50 % и более твердой фазы;

7) сравнительная простота конструкции и эксплуатации;

8)_сравнительно низкие капитальные затраты – в 3–4 раза меньше, чем для обычных выпарных установок.

Рис. 6 – Аппарат Плазменного Подводного Горения с ультразвуковым излучателем,

создающим мощное кавитационное поле в зоне барботации продуктов сгорания через воду:

1 – выход парогазовой смеси; 2 – электрод; 3 – плазма; 4 – жаровая труба; 5 – область кавитации;

6 – погружной ультразвуковой преобразователь; 7 – выход концентрированного раствора; 8 – подача исходного раствора; 9 – конденсатосборник; 10 – подача воздуха; 11 – ультразвуковой распылитель;

12 – подача реагентов; 13 – электрокабель; 14 – циркуляционная труба

Но есть в АППГ и недостатки, и основной из них – это новизна применения комплексно-сопряженных волн, а как исторически сложилось, все новое у нас внедряется очень трудно и долго. Необходимо решать вопросы повышения экономичности АППГ путем утилизации тепла выходящей из аппарата парогазовой смеси. Этим теплом можно нагревать подаваемые в аппарат растворы или воду для технологических нужд производства.

Внешняя простота конструкции и процесса обманчива. Необходимо решить множество задач, связанных с химическим взаимодействием продуктов сгорания и растворов, через которые они проходят, с термическим разложением растворенных органических веществ, их окислением и карбонизацией, с фазовыми превращениями в этих условиях, с необходимостью преодолевать гидростатическое давление жидкости, с интенсификацией теплообмена, с чисто конструктивными и малоизученными особенностями погружного плазменного горения.

Надеюсь, в недалеком будущем АППГ найдут самое широкое применение в химической промышленности – для выпаривания растворов серной, соляной, фосфорной, азотной кислот; для концентрирования сульфата натрия, хлористого магния, сульфата алюминия, железного купороса и других солей. Важной областью применения АППГ станет термическая обработка промышленных и бытовых сточных вод (рис. 7). Технология АППГ откроет пути решения задач по переработке фильтрата полигонов захоронения отходов. Хотя слово «фильтрат» не способно в полной мере охарактеризовать ту зловонную, неопределенного цвета «жижу», содержащую в себе всю периодическую таблицу Д.И.Менделеева в различных ее сочетаниях, вытекающую с пятого полигона захоронения отходов города Киева. Данная технология позволит решать вопросы по предотвращению сброса фосфатов и ПАВ в наши реки и озера, в том числе и на таких мощных сооружениях, как Бортническая станция аэрации г.Киева. Не решаемых технических задач здесь нет. Есть только нежелание их решать и невежество чиновников, ответственных за данную проблематику.

Сточные воды упариваются до предельной концентрации, позволяющей отделять в отстойнике с мешалкой маточный раствор от шлама. Шлам из отстойника поступает на дальнейшую переработку для извлечения ценных компонентов, а маточный раствор возвращается в аппарат для дальнейшего упаривания.

Рис. 7 – Технологическая установка с АППГ термической обработки сточных вод

Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство, все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.

Никола Тесла, 1892г.

5 Однопроводная система освещения

Продолжая тему экологически безопасных, природоохранных технологий хотелось бы обратить внимание технических специалистов на возможности применения КСВ и мощного ультразвука для создания эффективных систем дымо- и пылеуловителей, электрофильтров, озонаторов, питания и очистки кварцевых чехлов ультрафиолетовых ламп в системах обеззараживания воды и стоков. Но подробнее мы остановимся на вопросе, который мало кто себе задает: «Куда деваются использованные электролампочки и вредные вещества (в частности, ртуть), находящиеся внутри этих ламп?». Ведь системы учета, приема и утилизации отработанных электроламп просто не существует.

По данным немецких ученых только в 2009 году в Германии бесследно исчезло огромное количество так называемых «экономных» электролампочек и в окружающую среду попало около трех тонн ртути. В Украине вопрос утилизации ртутных ламп даже не упоминается, естественно и проблема не существует. Хотя это огромная экологическая беда. В конце концов, эта ртуть оказывается в питьевой воде и продуктах питания. Наши же «зеленые» обращают внимание только на те проблемы, за которые «щедро проплачивает заказчик», их мало интересует здоровье детей и внуков.

А решение этой проблемы было найдено более 120 лет тому назад. Оказывается, лампам, с перегоревшей нитью накала, можно дать «вторую жизнь», и они будут превосходно работать до физического разрушения корпуса лампы, радуя нас своим светом.

Сделаем короткую экскурсию в историю создания электролампочки. Сэр Уильям Крукс, который задолго до Эдисона создал электрическую лампу накаливания, поместив электрически разогретую нить накала в вакуумную колбу, провел множество экспериментов в попытке провести электричество через газы в стеклянных сосудах в самых разных условиях – от атмосферного давления до максимальной разреженности, какой мог добиться, и получил необычные результаты. Он использовал ток высокого напряжения, который получал с помощью устаревшей катушки индуктивности. Аналогичные опыты с вакуумными трубками проводил и Гесслер. Используя их опыт Н.Тесла предполагал, что когда он попробует получить те же эффекты с помощью КСВ в закрытых стеклянных сосудах, результаты будут совершенно отличны от тех, что получили Крукс и Гесслер. И он не ошибся. Тесла создал четыре совершенно новых вида осветительных приборов, работающих на принципе электрического возбуждения молекул газа:

1. лампы с твердым нагревательным элементом;

2. лампы, наполненные люминофорами;

3. лампы с разреженными газами;

4. лампы, в которых газы светятся при обычном, атмосферном давлении.

Как и Крукс, Тесла пропускал токи частотой 10–20 кГц через газы, под разным давлением, от самого низкого, до атмосферного – и получал такой свет, который своей яркостью превосходил все ранее достигнутые результаты. В своих лампах он заменял воздух другими газами, в том числе и парами ртути, и отмечал полученный при этом цвет и другие особенности.

Отмечая разнообразие цветов, которыми светились различные газы и даже воздух под разным давлением, Тесла заподозрил, что не вся энергия излучается в виде видимого света, а какая-то ее часть дает «черный» свет. Проверяя эту гипотезу, он заполнял лампы сульфидом цинка и другими люминофорами. В этих экспериментах, проводившихся в 1889 году, Тесла положил основание современному люминисцентному освещению, которое считают изобретением гораздо поздних лет. Именно он придумал использовать теряемый ультрафиолетовый и невидимый черный свет, превращением его в видимый свет посредством люминофоров. Тесла первый придумал неоновую лампу и даже изгибал ее в виде букв и геометрических фигур, как делают в современной неоновой рекламе (сохранились фото того времени).

В начале 1890 года Тесла обнаружил, что токи в виде КСВ настолько отличаются своими свойствами от токов обычной индукционной или искровой катушки, что лампы светятся от них также, а то и лучше, соединяясь с питающим трансформатором лишь одним проводом, а цепь возврата тока проходит прямо через пространство – «землю».

Данную систему освещения он назвал «однопроводной системой освещения» и использовал ее в течение многих лет для освещения своих лабораторий.

Однопроводная система освещения основана на использовании звукоэлектромагнитных волн и является, в сущности, резонансным колебательным контуром, состоит из задающего генератора и резонансного силового трансформатора. В современном исполнении это небольшой электрошкаф, работающий в автоматическом режиме и недорогой в обслуживании.

Однопроводная система освещения доведена специалистами нашей лаборатории до практического применения и может использовать люминисцентные, дуговые, а также лампы накаливания, отслужившие свой срок в обычных осветительных сетях; также прекрасно работают и «перегоревшие экономные лампы» с парами ртути. Главное, чтобы вакуумная колба была не разрушена.

Однопроводная система освещения значительно продлевает срок работы ультрафиолетовых (кварцевых) ламп, используемых в системах обеззараживания воздуха или воды.

Безопасная, эффективная, энергосберегающая однопроводная система освещения может уже сегодня использоваться для освещения улиц и парков, территорий и производственных площадей предприятий, для освещения автомагистралей, железнодорожных путей и станций, аэродромов и мн. др. Технических препятствий для этого нет.

Работая с лампами с одним проводящим проводом и с лампами, заполненными воздухом с частичным вакуумом, Тесла обнаружил, что газ лучше проводит ток, чем медный провод. Газ является отличным проводником, способным переносить электрические импульсы любой частоты, какую мы можем генерировать. При достаточно высокой частоте можно создать необычную систему распределения, которая должна заинтересовать газовые компании. Газ, текущий по металлическим трубам – где металл будет изолятором, а газ проводником – мог бы питать лампы и другие устройства.

Электроэнергию на базе КСВ можно эффективно использовать для питания силовых электродвигателей, но решение этого вопроса еще находится на стадии опытных работ и система является еще не совершенной для практического применения. Научно-Производственная Лаборатория «Ультра Звуковые Технологии» ищет заинтересованных в энергосбережении потребителей для совместной доработки данной технологии до практического внедрения.

Закончить эту статью я хотел бы цитатой из книги В.Д.Русанова и А.А.Фридмана «Физика химически активной плазмы» (издательство «Наука»):

Техническая революция, имевшая место в середине ХХ века, охватившая электронику, энергетику, вычислительную технику, информационные технологии… почти не затронула основные производства, обеспечивающие цивилизацию металлом, энергоносителями, различными химическими полупродуктами. Технология, применяемая в настоящее время в металлургии, химии, в различных областях энергетики, сформировались на базе научных концепций начала ХХ или даже конца ХIX столетия. Дальнейшее развитие промышленной базы на этом пути, вероятно, невозможно.

Естественным выходом из сложившейся ситуации, очевидно, должен быть переход на новые технологические решения.

Эти решения из круга тех, о которых я здесь рассказывал, а инструменты для этого есть – это комплексно-сопряженные волны и мощный ультразвук.

Рекомендуемая литература:

1 Тесла Н. Статьи. – Самара, изд. дом «Агни», 2008.

2 Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. – М.: Мир, 1976.

3 Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: Мир, 1979.

4 Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980.

5 Алабовский А.Н. Выпарные аппараты погружного горения – Киев: Вища школа, 1980.

6 Удыма П.Г. Аппараты с погружными горелками – М.; Машиностроение, 1973.

7 Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. – М.: Машино-строение, 1984. – 280 с.

8 Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. – М.: Иностр. лит., 1957. – 727 с.

23.05.2010