СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА ОТ КАПЕЛЬ ТУМАНА
METHOD FOR CLEANING THE GAS STREAM FROM MIST DROPLETS

Изобретение относится к области техники, предназначенной для очистки газового потока от содержащейся в нем капель тумана, и может быть использовано для рассеивания тумана на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.), где необходимо выполнение требований по прозрачности атмосферы и обеспечению дальности видимости, а также в устройствах фильтрации капельных дисперсий из газовых потоков. Кроме того, предлагаемый способ может быть использован и для очистки газовых потоков от капель жидкости в различных технологических процессах
Известно устройство для сепарации пара из газов, содержащее вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для входа и выхода охлаждающего агента и двумя решетками, на которых закреплены трубки. Для входа парогазовой смеси в корпусе смонтирована верхняя камера, а для выхода сепарированного конденсата и очищенного газа - нижняя камера (А.Г. Амелин. Теоретические основы образования тумана. М.: Химия, 1966 г., стр. 164).
В известном устройстве парогазовая смесь через верхнюю камеру проходит по трубам, охлажденным движущимся в межтрубном пространстве хладагентом. При соприкосновении с холодной поверхностью труб происходит охлаждение газа и конденсация на этой поверхности содержащегося в газе пара. Конденсируемая в трубах жидкость собирается в нижней камере и вытекает их нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный от конденсата газ выходит через патрубок нижней камеры. В известном устройстве производится конденсация и сепарация лишь той части паров газовой смеси, которой удается соприкоснуться с поверхностью труб за время нахождения смеси в трубе. Остальная же часть паров остается в составе выходящей из устройства смеси. Таким образом, для повышения степени очистки смеси от паров требуется увеличение габаритных размеров известного устройства. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена очистка смеси от аэрозолей.
Известны способы очистки газового потока от содержащейся в нем капель жидкости, применяемые для рассеивания туманов. Очистка производится путем формирования в тумане процессов искусственной конденсации паров воды путем добавления в область тумана специальных веществ (реагентов). Использование реагентов для рассевания тумана широко представлено в патентной литературе. (См., например, патенты №2357404 RU, №2061358 RU, №2175185 RU, US №2815928). Применение данных методов ограничивается переохлажденными туманами (туманами, образуемыми в условиях отрицательных температур окружающего воздуха). Теплые же туманы являются термодинамический устойчивыми, и с помощью реагентов инициировать процессы искусственной конденсации не удается, туман не рассеивается.
Известны способы очистки газа от содержащихся в нем капель жидкости путем электрического на него воздействия, основанные на использовании коронного разряда, формируемого специальными проводами, соединенными с высоковольтным источником питания, монтируемыми в области предполагаемого рассеивания тумана, (см., например, авторское свидетельство СССР №71260, МПК А01G 15/00, опубликованное 31.07.1948 г., патент США №3456880, МПК А01G 15/00, опубликованный 22.07.1969 г.). Основным недостатком описываемого способа является необходимость доставки коронирующих проводов в область предполагаемой очистки воздуха от содержащихся в нем капель жидкости и рассеивания тумана, что предопределяет большие затраты ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям. Более простой способ доставки электрических зарядов в атмосферу представлен в описании к авторскому свидетельству СССР №29675, МПК А01П 15/00, опубликованное в 1948 году. Описываемый способ способствует распространению ионизированного воздуха, т.е. электрически заряженных частиц в область предполагаемого воздействия, ускоряя тем самым процесс выпадения осадков. Воздух очищается от содержащихся в нем капель воды. Облако или туман рассеивается.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, описание которого представлено в патенте РФ на изобретение №2376056 RU. Данный способ заключается в продвижении сформированного очищаемого газового потока через пористую с открытыми порами конструкцию. Известный способ обеспечивает высокую эффективность очистку воздуха от капель воды из сформированного газового потока. С помощью очищенного от капель воздуха напором движущегося газа вытесняется туман из контролируемой территории. Вместе с тем, известным способом очищаются от газового потока лишь только те капли, которые в процессе движения потока касаются поверхностей конструктивных элементов фильтрующего материала. Учитывая малые скорости движения воздушных масс через поры фильтрующего материала и малый размер капель, лишь незначительная часть мелкодисперсных капель вследствие турбулентных завихрений может попасть на тыльную часть обтекаемой поверхности. Теория инерционного осаждения, см., например, Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с, показывает, что частицы малого размера следуют в большей степени по линям тока движения воздуха и не соприкасаются с фронтальной (передней) частью обтекаемого тела. Капли природного тумана имеют малый размер, радиус капель тумана обычно колеблется от 1 до 30 мкм. Большинство же капель имеет радиус 5-15 мкм при положительной температуре воздуха и 2-5 мкм при отрицательной температуре (https://ru.wikipedia.org/wiki/Tyмaн). Таким образом, в известном способе значительная часть капель тумана обтекает конструктивные элементы пористого фильтрующего материала и выходит наружу в контролируемое пространство. Что снижает эффективность известного метода. Увеличение эффективности сепарации капель тумана путем уменьшения размера пор фильтрующего материала в значительной мере повышает аэродинамическое сопротивление устройства. Естественный воздушный поток его просто обтекает. А использование принудительного продвижения воздушного потока через фильтрующий материал, в котором уменьшен размер пор, повышает энергопотребление, что также снижает эффективность использования известного устройства.
Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности очистки газового потока от содержащихся в нем капель жидкости и, соответственно, повышение эффективности рассеивания тумана.
Для достижения заявленной цели в известном способе очистки газового потока от содержащихся в нем капель жидкости, заключающемся в продвижении его избыточным давлением через пористую с открытыми порами конструкцию, в процессе продвижения газового потока осуществляют перемещение пористой с открытыми порами конструкции в плоскости, пересекающей линии тока продвигаемого газового потока
Технический результат в предполагаемом изобретении достигается за счет того, что без сокращения площади свободной для прохождения воздушного потока на единицу площади поперечного сечения фильтрующего материала, без уменьшения размера пор фильтрующего материала, увеличивается вероятность столкновения конструктивных элементов фильтрующего материала с каплями жидкости, содержащимися в продвигаемом через фильтрующий материал газовом потоке.
Эффективность сбора капель воды можно определить, используя известное соотношение, в литературе определяемое как критерий Стокса. См., например, Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с
где λ - инерционный пробег капли в воздухе;
R - радиус конструктивного элемента пористого материала;
ρ - плотность воды;
0
ω - скорость движения очищаемого воздушного потока относительно конструктивных элементов пористого материала;
d - диаметр капли;
μ - динамическая вязкость воздуха.
tk
Теория инерционного осаждения [Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с.] определяет, что при малых значениях чисел S (у частиц малого размера и малой массы) частицы точно следуют по линям тока движения воздуха, не соприкасаясь с фронтальной (передней) частью обтекаемого тела. Лишь незначительная часть мелкодисперсных капель вследствие турбулентных завихрений может попасть на тыльную часть обтекаемой поверхности. Таким образом, для повышения вероятности столкновения капель тумана с поверхностью конструктивных элементов сетки, а, следовательно, для повышения эффективности сепарации капель необходимо повышать число Стокса. В предлагаемом техническом решении повышение числа Стокса обеспечивается за счет того, что повышается скорость движения конструктивных элементов пористого материала относительно очищаемого воздушного потока, так как в процессе очистки в дополнении к скорости перемещения воздушного потока добавляется еще и скорость перемещения пористой с открытыми порами конструкции.
Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.
При защите объекта от тумана, в потоке натекающего на защищаемый объект тумана, который необходимо очистить от содержащихся в нем капель воды, устанавливают устройство, содержащее пористую с открытыми порами конструкцию, которая смонтирована с возможностью ее перемещения в плоскости, например, путем монтажа ее в пазах каркаса устройства. Пористая с открытыми порами конструкция может быть изготовлена с использованием широко представленных на рынке фильтрующих материалов, включая металлы (из пучка беспорядочно уложенных тонких стальных проволок), полимеры (например, пенополиуретан http://www.rnasvent.ru/tovari/filtromatt/polipropilenrectikulirovanni/ppi-polinazell-10.html.), керамические материалы, стекловолокно, угольное волокно и прочих закрепленных в каркасе материалов. Пористость фильтрующего материала определяется на этапе проектирования устройства, в зависимости от его назначения и требований к степени фильтрации. Пористость материала определяется из условий обеспечения свободного прохождения тумана через устройство за счет динамического напора естественного ветрового потока.
Устройство устанавливают таким образом, чтобы плоскость, в которой с возможностью перемещения смонтирована пористая с открытыми порами конструкция, пересекала струю подлежащего очистке потока набегающего тумана. Для очистки потока тумана от капель воды включают механизм, который обеспечивает перемещение пористой с открытыми порами конструкции в плоскости ее монтажа. В качестве такого механизма перемещения пористой с открытыми порами конструкции может быть использован любой механизм, например, вибратор. Набегающий поток тумана W (см. рис. 1), содержащий взвешенные в воздухе капли воды, под действием избыточного давления, образованного скоростным напором струи подлежащего очистке потока набегающего тумана, проходит через поры фильтрующего материала пористой с открытыми порами конструкции, которую перемещают в плоскости, пересекающей движущийся очищаемый воздушный поток. Для усиления динамического напора ветрового потока при необходимости преодоления повышенного аэродинамического сопротивления пористой с открытыми порами конструкции, каркас устройства может быть выполнен в виде динамических отражателей, направляющих естественный ветровой поток из окружающего пространства на пористую с открытыми порами конструкцию. Размер динамических отражателей выбирается на стадии проектирования и может составлять не более 30% линейного размера устройства. Отражатели устанавливаются под острым углом β к направлению ветрового потока. Усиление динамического напора ветрового потока может быть обеспечено также и путем использования вентилятора.
Содержащиеся в очищаемом воздушном потоке капли воды, проходя сквозь пористую с открытыми порами конструкцию, контактируют с пересекающими его линии тока волокнами фильтрующего материала и осаждаются на их поверхности. По мере укрупнения капель они под действием гравитационных сил и инерционных сил от перемещений фильтрующего материала выводятся из устройства. Очищенный от капель поток вытесняет туман из контролируемой территории и обеспечивает выполнение задачи рассеивания тумана в окрестности защищаемого объекта.
При использовании предлагаемого способа в устройствах фильтрации капельных дисперсий из газовых потоков и для очистки газовых потоков от капель жидкости в различных технологических процессах, реализация работы предлагаемого способа аналогична. В данных устройствах очистки для формирования избыточного давления достаточно предусмотреть специальное техническое средство для продвижения газового потока (например, вентилятор) и соединить его с газопроводом очищаемого газа.
Эффективность очистки предлагаемым способом обеспечивается за счет того, что повышается относительная скорость между каплями тумана и элементами движущейся пористой с открытыми порами конструкции, что увеличивает вероятность столкновения капель тумана с конструктивными элементами пор
На рис. 1 представлена примерная схема устройства, позволяющего реализовать предлагаемый метод для выполнения задачи по очистке воздушного потока от капель и защите контролируемой территории от натекающего на нее тумана. Устройство включает в себя пористую с открытыми порами конструкцию, выполненную в виде стоящих друг напротив друга стоек 1, между которыми установлены перегородки 2 с закрепленными в зазоре между ними δ лентами фильтрующего материала 3. Перегородки 2 установлены друг над другом под углом α к горизонту.
При необходимости, в случае недостаточной жесткости ленты фильтрующего материала могут быть обрамлены сеткой (на рис. 1 не показано). Ленты фильтрующего материала могут быть выполнены из любых представленных на рынке фильтрующих материалов, включая металлы (из пучка беспорядочно уложенных тонких стальных проволок), полимеры (например, пенополиуретан http://www.masvent.ru/tovari/filtromatt/polipropilenrectikulirovanni/ppi-polinazell-10.html.), керамические материалы, стекловолокно, угольное волокно и пр. Пористость фильтрующего материала определяется на этапе проектирования устройства, в зависимости от его назначения и требований к степени фильтрации. Пористость материала определяется из условий обеспечения свободного прохождения тумана через устройство за счет динамического напора естественного ветрового потока.
Перегородки 2, могут быть выполнены из любого материала. Основное требование к перегородкам-непроницаемость для сепарируемой жидкости. Шаг перегородок выбирается путем экспериментального подбора в зависимости от пористости фильтрующего материала, его толщины и допустимого его переувлажнения. При толщине упомянутого выше фильтрующего материала 25 мм делать шаг перегородок более 500 мм нецелесообразно. Поры нижних слоев при скорости потока более 3 м/сек, при шаге перегородок 500 мм, забиваются водой, капли выносятся потоком наружу, что свидетельствует о снижении эффективности работы устройства. Угол наклона перегородок α для обеспечения устойчивого стекания накопленной влаги составляет не менее 3°. Для повышения надежности вывода сепарированной жидкости из устройства перегородки 2 могут быть установлены под острым углом γ по направлению к одной из стоек. Угол наклона γ также должен составлять не менее 3°. При этом, по краю перегородки выполнена канавка 4 для отвода сепарируемой жидкости.
Пористая с открытыми порами конструкция смонтирована в каркасе 5 с возможностью ее вертикального перемещения, например, в пазах 6 и закреплена на вибростоле 7. Вибростол 7 может быть выполнен аналогично известных схем вибростолов, см., например, https://market.strojdom55.ru/oborudovanie/vibrostol-1400h700, включающих в себя закрепленные на установленном на упругих опорах 8 столе 7 вибраторов 9.
При необходимости усиления динамического напора ветрового потока каркас 5 может быть выполнен в виде динамических отражателей, направляющие естественный ветровой поток из окружающего пористую с открытыми порами конструкцию пространства для прохождения его через ее поперечное сечение. Размер динамических отражателей выбирается на стадии проектирования и может составлять не более 30% линейного размера устройства. Отражатели устанавливаются под острым углом β к направлению ветрового потока.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Предлагаемое устройство устанавливается между набегающим потоком тумана и защищаемым объектом. Включаются вибраторы 9 вибростола 7. Закрепленная на вибростоле 7 пористая с открытыми порами конструкция совершает вертикальные колебательные движения и перемещает ленты фильтрующего материала 3 в плоскости, пересекающей надвигающийся на защищаемый объект поток тумана W. Набегающий поток тумана W, содержащий взвешенные в воздухе капли воды, под действием избыточного давления, образованного скоростным напором, проходит через поры фильтрующего материала 3, волокна которого совершают возвратно-поступательное движение в плоскости, пересекающей движущийся очищаемый воздушный поток. Содержащиеся в очищаемом воздушном потоке капли воды контактируют с пересекающими его линии тока волокнами фильтрующего материала и осаждаются на их поверхности. По мере укрупнения капель они под действием гравитационных сил и инерционных сил от вибрационных перемещений фильтрующего материала, стекают вниз к перегородке 2 и далее по канавке 4 выводятся из устройства. Очищенный от капель поток вытесняет туман из контролируемой территории и обеспечивает выполнение задачи рассеивания тумана в окрестности защищаемого объекта.
Предложенное техническое решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам, обеспечивает увеличение вероятности столкновения капель тумана с конструктивными элементами фильтрующего материала, что увеличивает вероятность их сепарации от проходящего воздушного потока без увеличения аэродинамического сопротивления, что повышает эффективность устройства и позволяет достичь цели предполагаемого изобретения.