УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ
DEVICE TO PROCESS AIR IN ELECTRIC DISCHARGE

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим воздействие электрического разряда на поток прокачиваемого воздуха с целью бактерицидной и химической его очистки в больничных палатах, бытовых помещениях, а также в помещениях пенитенциарных учреждений при отсутствии или недостаточной производительности вытяжной вентиляции.
Известно устройство роторного типа, предназначенное для воздействия неравновесной плазмы, возбуждаемой в униполярном барьерном разряде, на поток прокачиваемого воздуха без превышения ПДК на озон (патент РФ №2116244, МКИ С01В 13/11 от 27.07.98. Бюл №21).
Здесь электроразрядный промежуток образуется между острийными электродами, подключенными к высоковольтной клемме униполярного источника напряжения, и диэлектрическим барьером подвижного электрода, установленного на торце двухсекционной крыльчатки центробежного вентилятора. Съем электрических зарядов с поверхности барьера подвижного электрода осуществляется с помощью заземленных острийных электродов ножевого типа, установленных в диэлектрическом корпусе вентилятора в чередующемся порядке с высоковольтными электродами и имеющих минимально возможный зазор с поверхностью подвижного электрода.
Данная система электродов образует электроразрядный генератор (ЭРГ), обеспечивающий возбуждение в воздухе атмосферного давления стационарного диффузного тлеющего разряда в промежутках с высоковольтными электродами и однородного поверхностного разряда на заземленных электродах (Журавлев О.А., Ивченко А.В., Стрельников А.Ю. Барьерная корона постоянного тока с потенциальным электродом. / Тез. докладов XXXVI междун. (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. - М.: РФФИ, 2009. - С.201). Однородность распределения неравновесной плазмы в ЭРГ задает пределы регулирования процессов обработки потока воздуха в создаваемых экологических устройствах роторного типа (Журавлев О.А., Ивченко А.В. Униполярные плазменные генераторы роторного типа. / Сб. трудов V междун. симпозиума по теоретич. и прикладной плазмохимии. Т.2. Иваново: ИГХТУ, 2008. - С.514-517).
Обработка воздуха без превышения ПДК на озон достигается за счет прохождения через ЭРГ малой части расхода прокачиваемого вентилятором воздуха с последующим газодинамическим смешением потоков на выходе из устройства. Роль газодинамического смесителя потоков выполняет установленное на выходе из воздуховода вентилятора плохообтекаемое тело, турбулизирущее поток.
Недостатком этого устройства является неустойчивость режимов работы ЭРГ, связанная с непостоянством разрядных зазоров между острийными (высоковольтным и токосъемным) и подвижным электродами из-за возникающих вибраций как корпуса вентилятора, так и торца его ротора в виде двухсекционной радиальной крыльчатки.
Также к недостаткам устройства следует отнести его большие весогабаритные характеристики и недостаточную эксплуатационную безопасность, связанные с совмещением в одной конструкции функциональных узлов вентилятора и ЭРГ, запитывающихся от сетевого (≈220 В) и высокого (10-12 кВ) напряжений.
Известно также устройство роторного типа для электроразрядной обработки воздуха в малоразмерных замкнутых объемах (патент РФ №2173666, МКИ С01В 13/11 от 20.09.2001. Бюл. №26).
Здесь подвижный электрод-ротор, состоящий из дисков токопроводящего экрана и покрывающего его диэлектрического барьера, установлен непосредственно на вал электродвигателя. Для обеспечения прокачки воздуха через ЭРГ, а также проведения его обработки без превышения ПДК на озон диск диэлектрического барьера имеет периодические радиальные пазы, переходящие на периферии в лопасти радиальной крыльчатки центробежного вентилятора. Высота лопастей крыльчатки соответствует расстоянию, на котором находится внутренняя поверхность диэлектрического фланца корпуса генератора с установленными поочередно острийными высоковольтными и заземленными электродами.
Снижение концентрации озона в ЭРГ достигается за счет смешения обработанного и насыщенного озоном воздуха с воздухом окружающей среды в период погасания разряда при прохождении под острийными высоковольтным и заземленным электродами радиальных пазов на рабочей поверхности подвижного электрода. Роль интенсификатора газодинамического смешения потоков выполняют стойки окон в корпусе генератора, находящиеся на выходе из вентилятора.
К недостаткам устройства следует отнести наличие опасности закорачивания сетевой цепи питания электрического двигателя и высоковольтной цепи ЭРГ. Кроме этого малая производительность вентилятора приводит к увеличению времени циркуляционного обмена воздуха внутри помещения для получения среды с заданным уровнем концентрации озона.
Следует также отметить, что наличие пазов на рабочей поверхности подвижного электрода и связанный с ними режим периодического погасания-возбуждения униполярной барьерной короны повышает вероятность искрообразования. Это снижает ресурс работы диэлектрической подложки и создает условия для генерации в воздухе не менее опасных компонентов, например окислов азота.
Близким техническим решением, позволяющим производить бактерицидную и химическую обработку воздуха и исключающим закорачивание сетевой и высоковольтной цепей вентилятора и ЭРГ, является устройство роторного типа в виде электростатического двигателя (А.с. №644020 СССР, М. Кл. Н02N 1/08 от 25.01.79. Бюл. №3).
Ротор электростатического двигателя имеет цилиндрическую форму и состоит из внутреннего тонкостенного токопроводящего кольца и покрывающего его наружного диэлектрического кольца, играющего роль высокоомного барьера подвижного электрода, установленного на торцах лопастей крыльчатки осевого вентилятора. Острийные электроды ножевого типа установлены в сквозных прорезях диэлектрического цилиндра, играющего роль статора, и ориентированы под острым углом к касательной поверхности окружности подвижного электрода. Угол наклона электродов лежит в пределах 8-12°.
Внутренняя поверхность статора между электродами выполнена со скосами от внутреннего радиуса электрода к внешнему, что способствует увеличению объема обрабатываемого газа. При подаче постоянного высокого напряжения чередующейся полярности на электроды статора на их рабочих кромках возбуждаются разноименные коронные разряды барьерного типа, обеспечивающие перенос соответствующего знака зарядов на поверхность подвижного электрода. Возникающие силы электростатического взаимодействия электродов с зарядами на подвижном электроде приводят к вращению ротора с включением в работу осевого вентилятора и ЭРГ, производящего обработку воздуха в промежутке между рабочей поверхностью подвижного электрода и внутренней поверхностью статора.
Отсутствие воздуховодного канала не позволяет регулировать процесс смешения потоков, затрудняет определение количественных показателей эффективности обработки воздуха.
Основной недостаток устройства обусловлен неустойчивостью разряда в ЭРГ в связи с наличием неуправляемого процесса изменения знака зарядовых структур на подвижном электроде при прохождении их под электродами с противоположной полярностью. Инициирование перезарядки является здесь случайным процессом. Его развитию способствует биполярность применяемого источника высокого напряжения и одинаковая величина промежутков между рабочей кромкой электродов и поверхностью диэлектрического барьера. Потеря устойчивости разряда и его искровая форма приводят к снижению надежности работы устройства из-за нарастания эрозионных процессов на поверхности диэлектрического барьера, периодического спада крутящего момента электростатических сил двигателя, а также локального перегрева воздуха в объеме ЭРГ с возможностью наработки окислов азота в формируемом озоно-воздушном потоке.
Данные недостатки исключены в устройстве-прототипе для обработки газа в электрическом разряде, выполненном на основе электростатического двигателя с барьерной короной постоянного тока (А.с. №1756267 СССР, М. Кл. С01В 13/11 от 23.08.92. Бюл. №31).
Электростатический двигатель устройства содержит ротор с закрепленной на валу крыльчаткой осевого вентилятора и установленным на торцах ее лопастей цилиндром подвижного электрода, состоящего из внутреннего токопроводящего кольца и покрывающего его диэлектрического кольца, играющего роль высокоомного барьера электрода. На этом же валу установлен перфорированный диск с протяженным диэлектрическим цилиндром воздуховода и поверхностной пленкой-барьером с односторонней металлизацией, создающих подвижный электрод основного разрядного промежутка устройства с установленным параллельно образующей стержнем неподвижного высоковольтного электрода.
Дополнительные разрядные промежутки устройства создаются в электростатическом двигателе размещенными в прорезях диэлектрического цилиндра статора ножевыми электродами, установленными под острым углом к касательной поверхности окружности соответствующего подвижного электрода с образованием воздушного зазора.
Высоковольтный электрод основного разрядного промежутка и ножевые электроды статора электростатического двигателя подключены к единому униполярному источнику высокого напряжения через регулировочные резисторы. При этом ножевые электроды статора, разделяясь на высоковольтные и заземленные, подключены поочередно к высоковольтной клемме источника напряжения, а заземленные электроды имеют минимально допустимый промежуток относительно поверхности подвижного электрода. Основной и дополнительные разрядные промежутки размещены в едином корпусе, продуваемом воздушным потоком осевого вентилятора в виде закрепленной на валу ротора крыльчатки с лопастями, находящейся в канале диэлектрического цилиндра - статора электростатического двигателя.
Решаемая здесь задача газоразрядной обработки всего прокачиваемого через корпус воздушного потока без разбавления его спутным потоком необработанного воздуха приводит к усложнению конструкции устройства, увеличивает гидравлическое сопротивление тракта воздуховода, сужает области применения из-за возможности превышения ПДК на озон и окислы азота в выходном сечении корпуса.
К недостаткам электростатического двигателя устройства следует отнести малую производительность обработки воздуха в разрядных зазорах ножевых электродов, обусловленную отсутствием принудительной прокачки газа через промежуток между рабочей поверхностью подвижного электрода и внутренней поверхностью статора. Кроме этого установленный на валу ротора перфорированный диск с протяженным диэлектрическим цилиндром воздуховода имеет значительное гидравлическое сопротивление, снижающее скорость воздушного потока осевого вентилятора.
В основу изобретения поставлена задача создания на основе электростатического двигателя единой модели электроразрядного генератора-вентилятора, позволяющего производить обработку воздуха без превышения ПДК на озон и окислы азота в малоразмерных замкнутых объемах при повышении производительности прокачки воздуха через ЭРГ и улучшении его перемешивания с основным потоком газа, а также обеспечении устойчивости горения разряда, определяющем уровень надежности работы устройства в целом.
Данная задача решена за счет того, что в устройстве для обработки воздуха в электрическом разряде, содержащем ротор, на валу которого закреплена крыльчатка осевого вентилятора, с установленным на торцах ее лопастей цилиндром подвижного электрода, внутреннего токопроводящего кольца и покрывающего его диэлектрического кольца, играющего роль высокоомного барьера подвижного электрода, а также диэлектрический цилиндр статора, в прорезях которого под острым углом к касательной поверхности окружности ротора размещен ряд ножевых электродов, ротор имеет дополнительную крыльчатку, находящуюся у торца диэлектрического кольца подвижного электрода, при этом внутренняя поверхность статора на ширине лопастей крыльчатки имеет цилиндрическую форму и образует проточную часть периферийного осевого вентилятора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг.1, где изображено заявляемое устройство; на фиг.2 показан чертеж сечения А-А на фиг.1, а на фиг.3 дан увеличенный фрагмент Б сечения проточной части ЭРГ с лопастью периферийного осевого вентилятора.
B
З
В
З
3
Устройство для обработки воздуха в электрическом разряде содержит вал 1 ротора, установленный на двух опорах качения 2, которые находятся на двух фланцах 3, 4 с отверстиями, закрепленных по нижним торцам в основании 5 и имеющих в верхней части стяжку 6, играющую также роль ручки для переноса устройства. На валу 1 ротора закреплена крыльчатка 7 осевого вентилятора с установленным на торцах ее лопастей цилиндром подвижного электрода, состоящим из внутреннего тонкостенного токопроводящего кольца 8 и наружного диэлектрического кольца 9. В состав ротора входит также дополнительный ряд лопастей крыльчатки 10, находящейся у торца диэлектрического кольца 9 подвижного электрода. Ножевые электроды 11 и 12 установлены поочередно в сквозных прорезях диэлектрического цилиндра статора 13. Они ориентированы под острым углом 8-12° к касательной поверхности окружности подвижного электрода и различаются величиной промежутка с поверхностью данного электрода. Электроды 11, имеющие промежуток h, являются высоковольтными, а чередующиеся с ними электроды 12 с промежутком h являются заземленными. Соотношение размеров промежутков отвечает условию h=(5-6)h. При этом промежуток h не должен превышать 0,2-0,25 мм.
Диэлектрический цилиндр статора 13 имеет два участка, отличающихся профилем внутренней поверхности. На участке с электродами 11, 12 внутренняя поверхность статора 13 выполнена со скосами от внутреннего радиуса электрода к внешнему, определяя геометрию рабочих камер ЭРГ, а на участке крыльчатки 10 внутренняя поверхность статора имеет цилиндрическую форму, ограничивающую высоту лопастей крыльчатки, и образует проточную часть периферийного осевого вентилятора, обеспечивающего прокачку воздуха через ЭРГ.
P
Кроме этого на валу 1 ротора на участке между торцом цилиндра статора 13 и выходным фланцем 4 установлена крыльчатка 14 дополнительного осевого вентилятора, на торцах лопастей которой находится тонкостенный диэлектрический цилиндр-воздуховод 15, перекрывающий цилиндрическую часть статора 13 с гарантированным воздушным зазором h.
В
З
З
В
Устройство для обработки воздуха в электрическом разряде работает следующим образом. При подаче на электроды 11 постоянного высокого напряжения и достижении напряжения зажигания коронного разряда вал 1 совместно с установленными на нем крыльчатками 7 и 14 ротора начинает вращаться. Вращение ротора происходит в основном за счет действия электростатических сил отталкивания между высоковольтными электродами и находящимися перед ними в промежутке h участками диэлектрического барьера 9 подвижного электрода с одноименным поверхностным зарядом. Дополнительный крутящий момент создается за счет действия электростатических сил притяжения между заземленными электродами 12 с наведенным (индуцированным) зарядом и проходящей под ними в зазоре h поверхностью диэлектрического барьера, переносящей одноименный с высоковольтными электродами 11 поверхностный заряд. Возбуждающийся в промежутках h индуцированный газовый разряд обеспечивает равномерное снятие поверхностного заряда с движущегося диэлектрического барьера. Также однородный режим горения разряда характерен для униполярной короны барьерного типа, возбуждаемой на электродах 11 в промежутке h. Реализуемые в заявляемом устройстве газовые разряды не приводят к инициированию неуправляемых искровых процессов перезарядки поверхности подвижного электрода, что является основой для повышения крутящего момента двигателя и надежности работы установки без превышения ПДК на озон и окислы азота.
Введение в состав ротора дополнительной крыльчатки 10 обеспечивает повышение производительности прокачки воздуха через ЭРГ, а постановка на вал ротора крыльчатки 14 дополнительного осевого вентилятора с диэлектрическим цилиндром-воздуховодом 15 создает условия для эффективного смешения обработанного газа с потоком прокачиваемого воздуха без образования локальных зон в потоке с превышением уровня ПДК на озон. Кроме этого, цилиндр 15 воздуховода, перекрывая цилиндрическую часть статора с ножевыми электродами, способствует повышению безопасности эксплуатации установки.
Р
З
В
Величины промежутков h и h выбираются из условия отсутствия касания между соответствующими движущимися и неподвижными элементами конструкции устройства. Ограничение на величину промежутка h связано с приемлемостью уровня высокого напряжения устройства, определяющего условия работы униполярного коронного разряда как в электростатическом приводе вентиляторов, так и в электроразрядном генераторе воздухоочистителя.