Спосіб акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь

1. Спосіб акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь, в якому для взаємодії з 3 ріння суміші від запальника поширюється в ударну трубу, яка протікає у високотурбулентному режимі за рахунок інтенсивної турбулізації потоку при русі по гвинтовій поверхні й у зазорах між стрижнями. Виникаюча хвиля стиску й струмінь продуктів згоряння через вихлопне сопло направляються на поверхню нагріву, яку треба очистити, руйнуючи відкладення й видаляючи їх із труб. Після зниження тиску в ударній трубі технологічний цикл повторюється. Ударні хвилі продуктів згоряння для газоімпульсного способу очистки зовнішніх теплообмінних поверхонь нагріву отримують і іншими подібними пристроями, що працюють на газоподібному паливі [А.с. №1309692 А1 СССР, МКП 4 F28 1/16, 7/00. Устройство для газоимпульсной очистки поверхностей нагрева/ А.П.Погребняк и др. (СССР). - №3758288/24-12; Заявлено 24.04.84.- 3 с.]. Виникаюча ударна хвиля й продукти згоряння через вихлопний кінець направляються на поверхню нагріву. Пристрій для газоімлульсного очищення поверхонь нагріву містить камеру згоряння, закриту з одного торця, патрубок для підведення газоповітряної суміші, періодично діючий запальник і полум'япроводи, що з'єднують камеру згоряння з патрубком для підведення газоповітряної суміші. Дані способи мають гарну ефективність і описані в літературі [Подымов В.Н., Северянин B.C., Щелоков Я.М. Прикладные исследования вибрационного горения. - Казань: Казанский университет, 1978. - 219 с.]. Недоліком газоімпульсного способу очистки зовнішніх теплообмінних поверхонь нагріву є те, що створювачі ударних хвиль мають складні схеми установки підпалу та горіння на рідкому легкозаймистому паливі і газоподібному паливі. При цьому надійність роботи установок на газоподібному паливі більш висока, так як не відбувається закоксовування елементів розпилу палива. Тому відсутність газоподібного палива в деяких випадках призводить до неможливості використання зазначених способів з їх механізмами очищення, наприклад для очищення утилізаційних котлів суднових енергетичних установок (СЕУ). Також відомо про спосіб очищення поверхонь нагріву на котлі ПК-40 електростанцій від жужільних відкладень шляхом пневмоімпульсного очищення, розроблений в УралВТИ [Лысков В. Я. и др. Пневмоимпульсная установка для очистки поверхностей нагрева котлов// Энергетик. - 1979. №4 - С. 21-22.]. Для створення хвиль стиску використовується стиснене повітря тиском 0,4...0,8 МПа, яким з накопичувальної ємності (ресивера) через швидкодіючі робочі клапани (ШРК) скидається в імпульсному режимі соплами на забруднені поверхні. Періодичність включення пневмоімпульсної установки становить 2...5 разів на добу залежно від режимів роботи котла і якості палива, яке спалюють. Тривалість імпульсу в основному залежить від швидкості наповнення ресивера повітрям і становить 25...50 с. Вирішальною складовою очищення для даних котлів з великими об'ємами шахт є ударна хвиля, яка створюється пневмоімпульсним генератором зі швидкодіючим робочим клапаном для видалення неміцних відкладень, конструкція якого представлена в патенті 86844 4 [А.с. №1064120 СССР, МКП З F28G 1/16. Пневмоимпульсный генератор для очистки поверхностей от отложений/ В.А. Кириллов, С.И. Гузенко и др. (СССР). - №3458081/29-12; Заявлено 24.06.82; Опубл. 30.12.83., Бюл. № 48.-4 с.]. Недоліком даного пневмоімпульсного способу очищення поверхонь нагріву від жужільних відкладень шляхом використання пневмоімпульсних генераторів для створення ударних хвиль є те, що ефективність цього способу низька для очищення міцних відкладень з міцністю шару на розрив 600...700 Па. Акустична складова імпульсу повністю відсутня через маленьку швидкість наповнення ресивера повітрям (25...50 с.). Даний спосіб не пристосований для очищення суднових утилізаційних котлів з малими конвективними об'ємами й більшими міцностями відкладень. Для видалення міцних відкладень в пневмоімпульсному генераторі використана складна схема електромагнітного клапана, який перекриває розвантажувальний канал в кришці корпуса, де спостерігається значне зусилля, що приводить до зменшення надійності роботи генератора і в цілому способу. Вплив на пилові відкладення для очищення трубчастих теплообмінних пакетів тільки завдяки акустичним коливанням з довжинами хвиль, які дорівнюють 0,8...11,0 діаметра труб теплообмінного пакета представлений в патенті [А.с. №1225316 А СССР, МКП 4 F28G7/00. Способ очистки трубчатых теплообменник пакетов от пылевых отложений/ В.В. Морозов, В.А. Сапронов, О.П. Литвин (СССР). -№3744107/24-12; Заявлено 24.05.84.3с.]. При впливі акустичними коливаннями на відкладення пилу окремі об'єми відкладень приводяться в коливальний рух відносно один одного й поверхні труб. При впливі акустичними коливаннями з довжинами хвиль, які дорівнюють 0,8...11,0 діаметра труб теплообмінного пакета, здійснюється ефективне очищення теплообмінного пакета від відкладень пилу. Як джерело акустичних коливань використовувалась акустична сирена осьового типу, що працює на стисненому повітрі тиском 0,5 МПа. Генерація акустичних коливань у сирені такого типу відбувається за рахунок періодичного переривання струменя стисненого повітря. Недоліком наведеного способу є те, що при очищенні суднового утилізаційного котла, який працює на відпрацьованих газах від суднової енергетичної установки при спалюванні високосірчаних мазутів, різко зростає міцність аутогезійних сил відкладень, а як наслідок - утруднене очищення теплообмінної поверхні утилізаційного котла. Найбільш близьким по технічній сутності до винаходу є спосіб очищення зовнішніх поверхонь нагріву котла та пристрій для його здійснення, що включає вплив на відкладення не менш ніж двох послідовних імпульсів, які генеруються ударними хвилями в імпульсних камерах та подаються на кожну наступну поверхню нагріву в момент проходження через неї ударної хвилі від імпульса, поданого на попередню поверхню [А.с. № 1735707 А1 СССР, МКП 5 F28G7/00. Способ очистки наружных поверхностей нагрева котла и устройство для его осуществления/ В.В. Гладенко, Е.А. Голубов и др. (СССР). -№4772790/12; Заявлено 31.10.89; Опубл. 5 23.05.92., Бюл. №19- 4с.]. Пристрій для здійснення способу включав змішувач, запальник, колектор, з'єднувальні полум'япроводи з імпульсними камерами, які розташовані в декілька ярусів, командний пристрій, запорні механізми. Недоліком наведеного способу, як відмічалось раніше є те, що для створення імпульсів використовуються складні схеми підпалу та горіння газоподібного палива, також більші енергетичні витрати, особливо для малих конвективних об'ємів утилізаційних котлів СЕУ. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь, в якому при зміні механізму дії пневматичного імпульсу забезпечується повне видалення відкладень з теплообмінних поверхонь. Поставлена задача вирішується тим, що як джерело акустичних коливань використовують пневматичні імпульси, які створюються завдяки стисненому повітрю з тиском 0,3...1,0 МПа та різними типами вихідних профільованих сопел. Спосіб акустичного очищення містить утворення потрібної кількості пневматичних імпульсів, розподілених рівномірно по конвективному об'єму теплообмінника, для формування резонансноакустичного впливу на відкладення і їхнього транспортування по проточній частині теплообмінника. Механізм дії резонансно-акустичного імпульсу на відкладення, що використовує енергію стисненого газу, аналогічний принципу дії звичайної ударної труби, широко застосовуваної у фізичних дослідженнях. Спосіб акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь дозволяє впливати на відкладення наступними шляхами: динамічним напором потоку дискретних газових струменів, руйнування й видалення відкладень відбувається за рахунок кінетичної енергії струменя стисненого повітря; проходженням акустичної хвилі - скачка хвилі стиску, що рухається та зустрічає відкладення на шляху свого поширення; механічним струшуванням конструкції теплообмінної поверхні, при цьому відбуваються коливання теплообмінних труб, а руйнування й видалення відкладень відбувається за рахунок сил інерції, що перевищують сили зчеплення часток між собою й з поверхнею труби. Взаємодія ударних хвиль і супутніх резонансно-акустичних коливань із відкладеннями має складний характер. Ці резонансноакустичні імпульси можна забезпечити шляхом спрямовування ударних хвиль в малі конвективні об'єми. Падаючи на відкладення, ударна хвиля притерплює відбиття від твердої стінки й вільної поверхні шару відкладень. Відбиття хвилі стиску й одночасне перетворення її у хвилю розрядження відбувається за законами акустики, при цьому в малих об'ємах відбуваються резонансно-акустичні явища, які підвищують амплітуду імпульсу. Ефект дії резонансно-акустичного коливання в самому шарі відкладень підсилюється за рахунок пружної деформації твердої поверхні, на якій він розташований, та наявності газових пор, порожнин в шарі відкладень, які при періодичній різкій зміні амплітуди імпульсу руйнуються. Очищення поверхні 86844 6 відбувається при повному руйнуванні механічних зв'язків у шарі відкладень. Короткочасний вплив і знакозмінні навантаження, що виникають після резонансно-акустичного імпульсу, не викликають механічних руйнувань елементів котельного агрегату. Таким чином, пропозиція у порівнянні з прототипом дозволяє поліпшити вихідні характеристики способу акустичного очищення, такі як потужність і амплітуда імпульса, що дозволяє зменшити витрату стисненого повітря на 25...35% та добитися повного очищення, навіть розвинутих ребристих теплообмінних пакетів різного типу. У пропонованому способі акустичного очищення використовується мембранний генератор пневматичних імпульсів, що працює на стисненому повітрі, по якому виданий патент України [Патент України №30895 А, МПК 6 F15B21/12 Генератор пневматичних імпульсів/ А.В. Курілко, Г.В. Лисенко, B.C. Самохвалов, О-В. Пятак (Україна). №98063134; Заявлено 16.06.1998; Опубл. 15.11.2000, Бюл. №7. - 3 с.] і його модифікації з різними типами сопел. Генератор має високу швидкість спрацьовування, а отже, ефективний при очищенні поверхонь нагрівання, тому що чим менше час спрацьовування, тим швидше весь об'єм повітря імпульсне скидається на поверхню нагріву, яка очищається. Для створення резансноакустичного імпульсу, який взаємодіє з оброблюваною поверхнею, в генераторі настроюється потрібна скважність роботи, яка регулюється зміною часу наповнення пневмокамери до заданого тиску при подачі стисненого повітря. Для різних типів відкладень передбачено різні типи сопел, які мають різні профілі, для формування резонансноакустичного впливу, наприклад, сопло Лаваля для збільшення швидкісного напору, конфузорне сопло - для створення акустичної хвилі, сопла із прямокутним перетином - для створення широкої форми ударної волни. Профіль сопла залежить від властивостей відкладень, що утворяться при спалюванні певного виду палива в енергетичній установці. Дослідження способу акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь суднових і стаціонарних теплообмінників з малими конвективними об'ємами моделювалися й проводились на судновому утилізаційному котлі марки КУП 150 СИ в діапазоні параметрів, характерних для суднових енергетичних установок. На Фіг.1 зображено схему розміщення генераторів пневматичних імпульсів на прикладі очищення економайзерної поверхні утилізаційного котла КУП 150 СИ від зовнішніх відкладень (поперечний розріз котла). На Фіг.2 представлена тривимірна модель конвективної шахти з рівномірно розташованими дев'ятьма генераторами і еліптична область поширення ударної хвилі одного з них. У корпусі утилізаційного котла 1 розташована економайзерна поверхня 2. Дев'ять генераторів пневматичних імпульсів 3 рівномірно розташовані по ширині котла. Вихлопні профільовані сопла 4 введені через обшивку корпуса утилізаційного котла 1 в конвективну шахту. До генераторів пневматичних імпульсів підведені трубопроводи 5, на яких встановлені клапани 6. 7 86844 Спосіб акустичного очищення зовнішніх теплообмінних поверхонь на прикладі очищення економайзерної поверхні утилізаційного котла КУП 150 СИ, здійснюється таким чином. В об'єм утилізаційного котла 1, де розташована економайзерна поверхня 2, генератори пневматичних імпульсів 3 рівномірно подають пневматичні імпульси. Сопла 4 сполучаються з генератором пневматичних імпульсів 3, які відкриваються в певній послідовності при досягненні в генераторі робочого тиску повітря. Стиснене повітря з тиском 0,3...1,0 МПа підводиться до генератора 3 по трубопроводу 5 через клапан 6 для створення можливості відключення кожного генератора окремо. Конструкція генератора пневматичних імпульсів забезпечує створення хвиль стиску з рівнями звукового тиску до 150 дб, які розповсюджуються в еліптичному об'ємі з максимальним тиском в фронті хвилі. На Фіг.2 представлена тривимірна модель конвективної шахти в якій показано еліптичну область поширення ударної хвилі одного з генераторів 3. Це розташування гарантує формування резонансно-акустичного впливу на відкладення і їхнє транспортування по проточній частині газового тракту котла в напрямку до навколишнього середовища. Резонансно-акустичний імпульс видаляє відкладення, при цьому частина енергії витрачається на руйнування та видалення відкладень, а інша йде на транспортування їх в сумарному напрямку поширення імпульсу та газів Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 8 за межі об'єму, в якому розміщено поверхню нагріву. У процесі очищення повне видалення відкладень визначається числом імпульсів і залежить від тиску в генераторі та міцності відкладень. Розрахунки і моделювання пропонованого акустичного способу очищення теплообмінних пакетів дають змогу інтенсифікувати теплопередачу, поліпшити аеродинамічну характеристику утилізаційного котла. Внаслідок відсутності механічної передачі коливань підвищується надійність роботи теплообмінних пакетів. Характерним параметром ефективності очищення є зміна температури газів за поверхнею нагріву, яку очищають, до і після роботи генераторів пневматичних імпульсів. Залежно від ступеня забруднення температура газів за поверхнею нагріву знижується від 10 до 50°С з одночасним підвищенням теплозйома. Висока ефективність способу акустичного очищення досягається за рахунок ліквідації попередньо встановленого устаткування для очищення теплообмінних пакетів, а також малої вартості монтажу й експлуатації. Промислове застосування способу акустичного очищення зовнішніх поверхонь нагрівання суднових і стаціонарних теплообмінників передбачає зниження витрат палива котельного агрегату в середньому до 15%, так як 1 мм сажі еквівалентний приблизно 10% втрати ефективності (ККД) котельндгадгрегату, а 3 мм можуть знизити ККД до 50%. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601