В основе технологии — использование эффекта Рийке — физического явления, при котором в замкнутой или резонансной трубке при локальном тепловом воздействии самопроизвольно возбуждаются акустические колебания. При соблюдении условий теплоподвода и геометрии возникает устойчивое стоячее звуковое поле с направленными колебаниями газа (звуковыми волнами), включающее узлы давления и пучности скорости частиц.

Энергия вибраций воздействует на границу раздела фаз и препятствует закреплению твёрдых частиц, тем самым:

— устраняя механизмы первичной кристаллизации и осаждения;

— дестабилизируя зарождающийся либо неустойчивый налёт;

— вымывая потенциально оседающие элементы обратно в поток.

В 1859 году Рийке обнаружил любопытное явление: при нагревании металлической сетки, помещенной в нижней половине, вертикально расположенной открытой с обоих концов трубы, возникает громкий однотонный звук.

Качественная теория этого явления была дана Рэлеем, который показал, что прибор Рийке является фактически тепловым (термическим) автогенератором звука.

Частота основного собственного колебания определяется соотношением:

F осн = C/лямда = C/2*L  

Где:

C – скорость звука в воздухе.

лямда – длинна звуковой волны.

L – длинна трубы.

Рис. № 1. Тепловой автогенератор звука Рийке

Таким образом при нагревании металлической сетки, помещенной в нижней половине на уровне L/4, вертикально расположенной открытой с обоих концов трубы, возникает громкий однотонный звук.

Эксперимент

В эксперименте в качестве генерирующей трубы использовалась старая (СССР) стеклянная трубка лампы дневного света длинной 1 метр и диаметром 40 мм.

Рис. № 2. Тепловой автогенератор звука Рийке из стеклянной лампы дневного света.

Практические работы по эксперименту Рийке подтвердили это любопытное явление термической генерации звука.

Таким образом предлагается формировать в газопроводе звуковую волну, которая будет автоматически очищать стенки газопровода. Для этого предлагается в действующий газопровод сделать “врезку” теплового автогенератора звука Рийке.  Для возбуждения звуковой волны нагрев осуществлять не изнутри, а снаружи в специальном месте.

Описание “врезки” теплового автогенератора звука Рийке.

В конструктивном плане представляет собой керамический трубопровод с резонаторами с обоих сторон.  Предсказано Рийке и подтверждено моими экспериментами, что в стальной трубе возбудить звуковую волну достаточно проблематично. Резонаторы обеспечивают изменение давления, сечения и скорости газа для генерации звуковой волны.

Рис. № 3. “Врезка” теплового автогенератора звука Рийке.

Где:

— P1, S1, V1 – давление, сечение и скорость газа в генераторном канале.

— P2, S2, V2 – давление, сечение и скорость газа в расширительной зоне, в которой соблюдаются условия акустической генерации – P2> P1, S2> S1, V2 <V1.

— λ/4 – зона нагрева (возбуждения колебаний).

 При возникновении в трубе длинной λ стоячей звуковой волны на концах трубы всегда образуются узлы давлении P2> P1 (точнее, изменений давлений) и пучности смещений (а значит, и скоростей) частиц колеблющегося газа V2 <V1. Частота основного собственного колебания определяется соотношением:

F = C/2*L (Гц.)   

Где:

C – скорость звука в воздухе. L – длинна трубы.

Для работы теплового автогенератора необходимо, чтобы максимум теплоподвода в систему происходил в момент наибольшего сжатия газа в ней. Это так называемый критерий Рэлея, который равен λ/4.

Тепло в зону λ/4 можно подводить различными способами, например, путём теплообмена с кольцевым теплообменником, через который пропускается горячая вода или другими способами нагрева.  В любом случае на основании проведённых многочисленных экспериментов с возбуждением звуковых волн в трубах — существует строго пропорциональная зависимость значения расхода газа в генераторе от тепловой энергии, которую необходимо подводить в зону λ/4.

Сформированное низкочастотное акустическое поле частотой 100-200 герц в объёме движущегося энергоносителя на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» за счет создаваемых объёмных вибраций способствует предотвращению образования центров кристаллизации на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» и выносу их непосредственно в объем самого энергоносителя не только в пределах λ, но и далеко за пределами от самого источника. 

В первую очередь это с вязано с низкими, частотами, для которых трубопроводное технологическое оборудование не является преградой, а наоборот выступает в качестве направляющего туннеля для распространения.

Акустическое поле в объёме движущегося энергоносителя на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» за счет создаваемых объёмных вибраций способствует предотвращению образования центров кристаллизации на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» и выносу их непосредственно в объем самого энергоносителя.

Особенности и преимущества

Технические особенности:

— Частотный диапазон: 100–200 Гц

— Создание стоячей звуковой волны с максимумами давления и скоростей частиц газа;

— Распространение вибрационного воздействия по потоку за пределы собственной длины резонатора (эффект переноса).

Преимущества:

— Постоянная пассивная очистка без остановки системы;

— Способствует перемещению зарождавшихся частиц в основной поток газа;

— Нет механического контакта с трубопроводом — отсутствие износа;

— Не требует электродинамических излучателей, пьезоэлементов, динамиков и т.д.;

— Может быть встроен в существующие трубопроводы в виде сменного элемента (вставки генератора).

Области применения

— Газопроводы на коксохимических и металлургических предприятиях (доменный и коксовый газ);

— Трубопроводы райзеров;

— Рециркуляционные петли в теплообменных и рекуперационных системах;

— Каналы первичного и вторичного газоочистного оборудования.

Ограничения

— Сложность теплового расчёта зоны нагрева λ/4 для разных составов движущегося энергоносителя (нужна калибровка под фактический газ);

— Не устраняет отложения полностью, но значительно снижает/продлевает период их образования;

— Конструктивная сложность встраивания в существующие участки на действующих производствах (требуется капремонт или остановка линии);

— Потребность в источнике тепла — снижение эффективности при падении температуры газа.

Вывод

Технология термоакустической защиты с использованием автогенерации звука в газопроводе — перспективный, энергоэффективный и оригинальный подход к решению хронической задачи образования отложений в системах подачи коксового и доменного газа. Эффект Рийке обеспечивает доступный способ создания мощного звукового поля без использования электронных источников и механики. Возможность обслуживания в непрерывном режиме делает технологию особенно актуальной для металлургических производств и энергетических установок.