КОМПАКТНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПЛОСКОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ЧИСТОЙ ЗОНЫ

Полезная модель может быть использована применительно к медицине, биологии, точной механике, радиоэлектронике и другим областям техники для создания плоских, настилающих ламинарных воздушных струй, обеспечивающих на рабочей поверхности чистую зону необходимого класса чистоты.
В настоящее время на производствах, требующих высокой чистоты широко используется технология "чистых комнат", которая позволяет контролировать состав и параметры среды в помещениях. Несмотря на то, что технология "чистых комнат" детально разработана и широко применяется, она очень дорогостоящая. Имеются также ограничения, накладываемые на состав и параметры окружающей среды, наличием в чистых помещениях обслуживающего персонала. Это с одной стороны накладывает ограничения на скорость и температуру чистой среды, а с другой стороны затрудняет получение сверхчистых сред из-за возмущений и загрязнений, вносимых обслуживающим персоналом. Весьма затруднено применение "чистых комнат" в передвижных госпиталях и в полевых условиях, а в условиях стихийных бедствий и катастроф - просто невозможно.
Одним из направлений совершенствования технологии "чистых комнат" является создание локальной гидродинамической защиты как медицинских, так и технологических объектов. Одним из способов создания локальных чистых зон являются боксы, куда через систему фильтров поступает очищенный воздух, а их рабочее пространство отделено от окружающей среды непроницаемыми стенками. Однако наличие стенок может существенно затруднять манипуляции, проводимые с защищаемым объектом, а в ряде случаев использование ламинарных боксов делается невозможным из-за наличия твердых стенок (например, при некоторых опытах с животными или в полевых условиях).
Часто для создания таких зон используют турбулентные струи очищенного воздуха (или нужного газа), диаметр которых значительно превышает площадь зоны, в которой необходимо обеспечить стерильность или определенный состав среды, т.к. турбулентная струя на своих краях интенсивно смешивается с окружающей средой. Из-за турбулентного перемешивания на краях только в центральной части турбулентной струи, у ее оси, есть область, куда не попадает неподготовленный воздух. По сути, чистой зоной здесь является зона у оси струи, но не вся струя. В случае же использования ламинарной струи для создания локальной чистой зоны решается проблема смешивания на краях чистого газа в струе с воздухом окружающей среды, т.к. ламинарная струя в каждом своем сечении представляет собой поток чистого воздуха, почти не смешивающийся с окружающей средой (смешение на уровне молекулярной диффузии).
Применение ламинарных струй для гидродинамической защиты объектов осложнено тем, что ламинарные струи при обычных условиях разрушаются в непосредственной близости от отверстия, из которого вытекают. Длина ламинарного участка струи определяется характеристиками потока на выходе в открытое пространство: профилем скорости и интенсивностью турбулентности.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в формировании плоской ламинарной струи чистого воздуха, обеспечивающей на рабочей поверхности настилающую воздушную зону заданной чистоты, и в расширении функциональных свойств установки за счет штатива, позволяющего установить формирующее устройство в определенном направлении, на заданной высоте и с нужным наклоном.
Эта задача определяет состав установки. Схема установки представлена на фиг. 1. Установка состоит из блока подготовки чистого воздуха 1, в котором размещаются вентилятор либо другое устройство подачи воздуха и пакет фильтров, очищающих воздух до необходимого класса чистоты, гибкий воздуховод 2, по которому воздух из блока подготовки поступает в формирователь воздушной струи 3, и штатив 4, позволяющий фиксировать формирователь на заданной высоте с нужным наклоном и совершать повороты в горизонтальной плоскости.
Отличительной частью полезной модели является устройство, формирующее воздушную струю.
Наиболее распространенный и часто применяющийся в фундаментальных исследованиях способ создания длинных плоских ламинарных струй - использование квадратного или прямоугольного канала, в начале которого устанавливаются устройства, снижающие уровень турбулентности, такие как решетки, хонейкомбы, сетки. После этого высота канала уменьшается до размера формируемой струи. Такое уменьшение высоты канала, вызывающее увеличение скорости потока, приводит к дополнительному снижению уровня турбулентности. Уменьшение высоты, то есть сужение канала может составлять несколько десятков раз. Затем суживающийся канал переходит в канал постоянного прямоугольного сечения, где на некоторой длине течение стабилизируется. Высота такого канала в начальном сечении при высоте плоской струи 0,1 м может измеряться метрами, так что компактной такая установка не получится. Для того чтобы на выходе плоского канала сформировался поток с близким к параболическому профилем скорости, что требуется для затягивания перехода к турбулентности, длина выходного участка при числах Рейнольдса порядка 10000 должна составлять десятки метров. Так, чтобы получить плоскую струю воздуха высотой 0,1 м, текущую со средней скоростью 2 м/с, потребуется плоский канал длиной 40 м, при этом канал должен быть прямолинейным. Такой способ создания воздушной ламинарной струи не представляется возможным использовать на каких-либо производствах.
Известно устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности (патент RU 73044 U1, 2007.12.12), состоящее из ресивера с относительно охлажденной средой расположенного на входе перед вертикальным выходным каналом, в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток с переменным по сечению гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сеток и прикрепления к узлам сетки нитей вытянутых вдоль потока, длины которых обратно пропорциональны локальной скорости формируемого ламинарного течения, на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия канала установлен засасывающий сформированную струю цилиндрический канал с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженный большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи.
Устройство весьма сложно и по своему описанию допускает лишь вертикальное, сверху вниз направление течения без возможности его позиционирования. Габариты установки относительно диаметра струи не определены. Каких-либо исследований, подтверждающих работоспособность устройства этого типа, в научной литературе не найдено. Такое множество недостатков не позволяет рассматривать данное устройство при решении практических задач.
Известно устройство для формирования ламинарных струй текучей среды (патент RU 2681618 С1, 2018.02.15). Устройство включает впускной канал, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды и выпускной канал, соединенные между собой по потоку текучей среды, при этом выпускной канал представляет собой круглый диффузор, диаметр выходного сечения которого больше его длины по меньшей мере в два раза, а на выходе диффузора установлена по меньшей мере одна сетчатая перегородка. Специально подобранные геометрия диффузора и сопротивление сетчатой перегородки обеспечивают сохранение потока текучей среды внутри диффузора ламинарным. Проходя через сетчатую перегородку, поток текучей среды выравнивается, а крупные пульсации исчезают. Такое устройство позволяет создать несмешивающуюся с окружающей средой круглую струю, длина которой составляет от 1,5 до 7 выходных диаметров диффузора при числах Рейнольдса от 1000 до 20000. При этом длина устройства составляет 1-3 диаметра струи, которую оно формирует. Заявленные характеристики экспериментально подтверждены на устройстве, формирующем ламинарную струю диаметром 0,12 м. Такой способ формирования позволяет создать только круглую струю, но не может быть использован для формирования плоской настилающей струи.
Известно устройство для создания плоской ламинарной струи газа в процессах нанесения покрытий на металлические полосы (патент RU 2562198 С2, 21.06.2012) Изобретение относится к устройству для создания потока газа, обеспечивающему создание плоской ламинарной струи газа и улучшение равномерности распределения газа по длине сопла. Такое устройство также общеизвестно под названием «воздушный нож». Устройство содержит трубку для выравнивания потока газа, содержащую патрубок, на котором закреплено сопло, подающий патрубок для ввода сжатого газа в предкамеру через отверстия, первую перегородку с отверстиями и вторую перегородку с отверстиями в выравнивающей трубке, которые расположены перпендикулярно изогнутой поверхности течения трубки. При этом трубка выполнена сужающейся и обеспечивает оптимизацию преобразования потока газа из турбулентного потока на одном конце в ламинарный поток на втором конце выравнивающей трубки.
Задачей устройства является создание равномерного по ширине сопла потока для обеспечения равномерности наносимого на полосу покрытия. Интенсивность турбулентности в потоке не ниже 2%, что явно не достаточно для формирования протяженного начального ламинарного участка.
Наиболее близким прототипом является способ управления профилем скорости в потоке текучей среды и устройство для его осуществления (патент RU 2035631 С1, 1992.06.17). Сущность изобретения заключается в том, что на входе в рабочую камеру создают ламинарный поток, ускоряют его за счет поджатия с помощью вкладыша и формируют распределение скоростей при последующем расширении потока в зазоре между поверхностью вкладыша и проницаемой перегородкой, с помощью которой на выходе из камеры дросселируют поток после расширения. Воздействуя на поток за счет изменения кривизны гибкой поверхности вкладыша, формируют профиль скорости выходного потока.
Хотя в описании не приведены какие-либо результаты экспериментального исследования такого способа формирования воздушного потока, этот способ взят за основу для применения в предлагаемой полезной модели.
Заявляемая полезная модель реализуется следующим образом. Блок подготовки воздуха включает стандартный воздушный вентилятор, работающий от сети переменного тока 220 В, и пакет НЕРА-фильтров 4-го и 14-го классов, помещенные в подвижный блок (поз. 1 на фиг. 1). Через гибкий воздуховод из ПВХ диаметром 100 мм (поз. 2 на фиг. 1) очищенный воздух через впускной канал поступает в формирователь воздушной струи (поз. 3 на фиг. 1), выполненный по схеме устройства для управления профилем скорости в потоке текучей среды (патент RU 2035631 С1, 1992.06.17), установленный на штатив (поз. 4 на фиг. 1), позволяющий перемещать формирователь по вертикали и горизонтали и изменять угол его наклона.
Формирователь представляет собой прямоугольный канал, состоящий из двух участков. На входном участке формирователя расположен ламинаризатор потока, состоящий из нескольких (двух или более) проницаемых перегородок, в качестве которых выбраны тканые мелкопористые сетки из металлических нитей толщиной 30-40 мкм с ячейками размером от 40 до 70 мкм, установленные на некотором расстоянии между ними. После ламинаризатора интенсивность турбулентности в потоке устанавливается на уровне 1%. Выходной участок формирователя служит для формирования заданного профиля скорости воздушного потока. На его более длинных стенках установлены выпуклые вкладыши, занимающие всю длину выходного участка. На входе и выходе участка натянуты такие же мелкопористые сетки, как в ламинаризаторе. Вкладыши установлены с образованием участка сужения со стороны входа и участка расширения в виде зазора между перегородкой и обращенными к ней поверхностями вкладышей. Форма поверхности вкладышей выбрана из условия безотрывности воздушного потока. Протекая между вкладышами, воздушный поток сначала поджимается. При этом его скорость увеличивается и выравнивается, а пульсации скорости уменьшаются. Эксперименты показали, что выбирая форму обращенной к перегородке поверхности вкладышей, можно не только обеспечить безотрывность потока, но и сформировать выпуклый однонаправленный профиль скорости после проницаемой перегородки.
Для измерения поля скорости потока текучей среды использован термоанемометр DISA 56С01 СТА, сигнал с которого передавался на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и обрабатывался. Точность измерений составляла 3-4%.
Профили скорости в вертикальном сечении воздушного потока в 100 мм после выходной сетчатой перегородки формирователя воздушной струи размером 230×100 мм для двух скоростных режимов показаны на фиг. 2. Профили интенсивности турбулентности u'/u (отношение среднеквадратичных пульсаций скорости к самой скорости) в этом же сечении воздушной струи для этих же скоростных режимов показаны на фиг. 3. Результаты измерений на режиме с большей скоростью обозначены на графиках круглыми значками, а с меньшей скоростью - треугольными.
Результаты экспериментальных измерений профилей скорости и интенсивности турбулентности за формирователем на разных скоростных режимах показывают, что сформированная воздушная струя имеет гладкий выпуклый профиль и практически не расходится. Интенсивность турбулентности в ядре струи сохраняется на уровне 1,5%.
Проведенные испытания опытного образца заявленной полезной модели подтверждают возможность получения при осуществлении полезной модели технического результата, состоящего в том, что заявляемая полезная модель - компактная установка для создания плоской локальной чистой зоны может быть реализована, и при этом характеризуется простотой реализации.