УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
DEVICE FOR COLLECTION OF AEROSOL PARTICLES

Изобретение относится к области выделения дисперсных частиц из газов или паров, например из воздуха, с использованием электростатического эффекта и может быть использовано для улавливания аэрозольных частиц из газовой среды.
Известен способ сбора сухих аэрозолей для контроля окружающей среды и устройство для его реализации. См. патент на изобретение 2314511 RU, опубликованный 10.01.2008 г. Способ предусматривает отбор сухих аэрозолей на субстрате, выполненном в виде формованных тонковолокнистых пластин с микропористой структурой из гидрофильного материала, имеющего более низкую теплоемкость, чем материал, из которого выполнен контейнер. Осаждение аэрозолей осуществляется посредством турбулентной диффузии аэрозольных частиц в субстрат из пограничного слоя, образующегося при движении турбулентных и конвективных потоков над субстратом вследствие градиента температур между субстратом и атмосферным воздушным потоком. Известный способ и устройство позволяют собирать только сухие аэрозоли и размером более 10 нм.
Известно устройство для улавливания аэрозолей с помощью волокнистых фильтров. См. патент на изобретение 2456057 RU, опубликованный 26.08.2012 г. Устройство содержит прямоугольный каркас с размещенной в пазу фильтрующей кассетой, выполненной из гофрированных решетчатого каркаса и прижимной решетки, между которыми установлен волокнистый фильтрующий материал. Устройство содержит также ряд признаков, направленных на повышение эффективности его работы. Устройство реализует сбор жидких аэрозолей из воздушного потока и отвод жидкости из волокнистого материала кассеты. В устройстве для обеспечения работы требуется прокачивать очищаемый поток газа с помощью дополнительных устройств, например вентилятора.
Известно устройство, описание которого представлено в патенте на изобретение 2130521. Фильтрующая маска, описанная в упомянутом патенте, содержит нетканое полотно из термопластичных непроводящих микроволокон, имеющих электрический заряд. Электрический заряд, локализованный на микроволокне, формирует в окружающем его пространстве электрическое поле, с помощью которого обеспечивается захват высокодисперсных частиц и повышается фильтрующая способность маски. Вместе с тем, как известно, напряженность электрического поля определяется плотностью электрических зарядов, локализованных на электроде, которая в свою очередь определяется емкостью электрода. В известном устройстве в качестве электрода, накапливаемого электрический заряд, используются микроволокна, емкость которых незначительна. Действие электрического поля осуществляется на незначительном расстоянии, что ограничивает его эффективность. Повышение же его эффективности путем уменьшения расстояния между электрически заряженными волокнами ведет к уменьшению ресурса его работы, т.к. пространство между волокнами быстро забивается собранными аэрозолями.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство с наклонными вращающимися трубами, установленными с зазором относительно друг друга, между которыми наложена большая разница потенциалов. См. Н.Ф. Олофинский. Электрические методы обогащения. Издание четвертое. Москва. «Недра». 1977, стр. 30-31, рис. 19, стр. 37-38, рис. 22. В данном устройстве реализован принцип цилиндрического конденсатора, способного на поверхности электрически заряженного электрода накапливать значительный электрически заряд и, как следствие, формировать в пространстве между электродами значительное электрическое поле и способного сепарировать мелкие частицы. Вместе с тем, известное устройство осуществляет лишь сепарацию частиц друг от друга в зависимости от их проводимости либо способности частиц электризоваться (приобретать электростатический заряд) при их движении и трении о поверхности вращающихся труб. Использование же известного устройства для очистки газовых потоков от аэрозольных частиц, которые в значительной своей части являются электрически нейтральными, затруднительно и малоэффективно. Так как несмотря на большое значение электрического поля, действующие на электрически нейтральные частицы силы незначительны. Они определяются в значительной степени неоднородностью электрического поля (градиент электрического поля) и значениями индуцированного на частицах дипольного момента. Существенное отклонение аэрозольных частиц от аэродинамического потока затруднительно, а уменьшение зазора между электродами ведет к снижению проходного сечения для очищаемого потока и затрудняет обеспечение надежной электрической изоляции между электродами.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности сбора аэрозолей.
10
Для достижения заявленной цели в устройстве для сбора аэрозольных частиц, содержащем установленный с зазором относительно электропроводной заземленной оболочки электрически заряженный электрод, выполненный в виде электропроводной оболочки с гладкой цилиндрической поверхностью с радиусом кривизны поверхности не менее нуля, электропроводная заземленная оболочка выполнена в виде сетки с размером ячейки не менее 0,1 мкм, а зазор между электропроводной заземленной оболочкой и наружной поверхностью электрода заполнен пористым неэлектропроводным гидрофобным материалом с удельным сопротивлением не менее 10 Ом/м и размером поперечного сечения открытых пор не менее 0,1 мкм.
Технический результат в предлагаемом устройстве реализуется за счет того, что поры в неэлектропроводном материале обеспечивают свободное прохождение очищаемого газового потока в области пространства действующего неоднородного электрического поля, между электропроводной заземленной оболочкой и электрически заряженным электродом, и пористый неэлектропроводный материал удерживает заземленную электропроводную оболочку с установленным зазором относительно электрода. Кроме того, выполнение электропроводной заземленной оболочки в виде сетки с размером ячейки не менее 0,1 мкм обеспечивает свободное прохождение очищаемого воздушного потока через всю конструкцию устройства. Что позволяет выполнить фильтр из набора предлагаемых устройств в виде различных (пространственных или в виде полотна) конструкций. Фильтры могут быть изготовлены путем соответствующей намотки (или пряжи) различной конструкции из нитей, которые выполнены по схеме предлагаемого устройства.
На рис. 1 представлена условная схема предлагаемого устройства.
10
Устройство содержит соединенный с источником электрического питания 1 электрод 2, выполненный в виде электропроводной оболочки с гладкой цилиндрической поверхностью с радиусом кривизны поверхности не менее нуля (с положительным радиусом кривизны). С зазором Δ относительно электропроводящей оболочки 2 установлена заземленная электропроводная оболочка 3. Заземленная электропроводная оболочка 3 может быть выполнена в виде сетки с ячейкой не менее 0,1 мкм. Зазор Δ между поверхностью электрода 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3 заполнен пористым материалом 4. Пористый материал 4 выполнен из гидрофобного диэлектрического материала с высоким значением удельного сопротивления, не менее 10 Ом/м, и размером поперечного сечения пор от 0,1 мкм до 1 мм. Для обеспечения надежной электрической изоляции электрод 2 может быть покрыт диэлектрической прокладкой 5 толщиной δ. Диэлектрическая прокладка 5 изготавливается из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости ε и высоким значением электрической прочности. Материалы с такими свойствами широко известны в производстве конденсаторов. При обеспечении гарантированной электрической изоляции между электродом 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3 с помощью пористого материала 4 диэлектрическую прокладку 5 можно и не устанавливать. Размеры зазора Δ определяются из условия достижения на его границе градиента электрического поля от электрически заряженной электропроводящей оболочки 2, значений, достаточных для эффективного захватывания и перемещения аэрозолей за время прохождения через поры очищаемого газа на расстояние, превышающее значение поперечного сечения пор. Размер ячейки электропроводной сетки и размер пор выбираются на стадии проектирования путем оптимизации конструктивных параметров устройства. Основное назначение пористого материала 5 - это удержание заземленной электропроводной оболочки 3 с установленным зазором Δ относительно слоя диэлектрического материала 5, нанесенного на электропроводящую оболочку 2. Поры в материале 4 и ячейки электропроводной сетки 3 должны обеспечивать свободное прохождение очищаемого газа в области пространства между электропроводной оболочкой 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3. Пористый материал 4 должен изолировать заземленную электропроводную оболочку 3 от возможности перетекания на землю электрических зарядов и в то же время должен оказывать минимальное ослабление электрического поля в пространстве между электропроводной оболочкой 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3. Чем меньше размер ячеек сетки 3, тем мощнее электрическое поле, окружающее пространство электропроводящей оболочки 2, но с другой стороны, уменьшение размера ячеек сетки ограничивает возможность поступления очищаемого газа в область пространства между электродом 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3. В значительной степени размер пор пористого материала 4 и размер ячейки сетки 3, также как и толщина δ диэлектрической прокладки 5, зазора Δ будут определяться технологическими возможностями. И прежде всего, технологическими возможностями нанесения минимальной толщины δ диэлектрического материала 5. Для применения предлагаемого устройства в виде нити значение толщины δ диэлектрической прокладки должно измеряться нанометровым диапазоном.
Технологически предлагаемое устройство может быть изготовлено путем нанесения последующих друг за другом покрытий на электропроводную оболочку 2, выполненную в виде гладкой выпуклой поверхности. Сначала наносится слой диэлектрического материала 5 толщиной δ, поверх которого наносится слой пористого материала 4, поверхность которого оплетается электропроводной сеткой 3.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче от высоковольтного источника питания 1 на электропроводящую оболочку 2 напряжения на поверхности электропроводящей оболочки 2 накопится электрически заряд. Электрический заряд в области пространства, прилегающего к электропроводной оболочке 2, в зазоре между электропроводящей оболочкой 2 и заземленной оболочкой 3 формирует неоднородное электрическое поле, значение которого пропорционально величине заряда и обратно пропорционально квадрату расстояния от электрода. Электрическое поле индуцирует на поверхности аэрозолей электрический дипольный момент. Аэрозоли вследствие индуцированного дипольного момента втягиваются неоднородным электрическим полем в сторону увеличения его градиента, т.е. к внешней электропроводящей оболочке 2. Силовые линии электрического поля перпендикулярны поверхности электропроводящей оболочки 2. Так как поверхность оболочки 2 гладкая, выпуклая, силовые линии равномерно исходят с поверхности, и частота их уменьшается по мере удаления от нее. Наличие заземленной электропроводной оболочки 3 обеспечивает равномерное распределение силовых линий в окружающем поверхность оболочки 2 пространстве, в порах пористого материала 4, и повышает эффективность сбора аэрозольных частиц. Таким образом, предложенная конструкция устройства обеспечивает свободное прохождение очищаемого газового потока через пористый материал 4, в котором сформировано неоднородное электрическое поле. Отклонения аэрозолей от аэродинамического потока, вызванные действующим неоднородным электрическим полем, вследствие незначительного значения поперечного сечения пор, достаточны для осаждения аэрозолей на стенках пор. Так как поверхность электропроводящей оболочки 2 покрыта слоем изоляции 5, аэрозоли не будут получать электрически заряд и будут удерживаться в порах пористого неэлектропроводного материала 4. При переполнении пор и превышении аэродинамического сопротивления устройства наперед заданного значения проводят очистку устройства от накопившихся аэрозолей и представляют устройство к повторному применению. При сборе жидких аэрозольных частиц собираемые в порах капельки будут сливаться, укрупняться и стекать вниз под действием сил гравитации. Для этих целей пористый неэлектропроводный материал 4 выполняется гидрофобным.
Как известно, значение накопленного электрического на электроде 2 заряда определяется напряжением источника и емкостью электрода.
Q=С×U,
где С - емкость электрода; U - подаваемое на электрод напряжение.
См., например, В.И. Меркулов. Основы конденсаторостроения. Учебное пособие. Томск 2001. http://www.enin.tpu.ru/lib/EICT_OCB.pdf., стр. 11, Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники, том 3, стр. 87. При выполнении электрода 2 и заземленной электропроводящей оболочки 3 в виде цилиндров
где
ε - относительная диэлектрическая проницаемость пористого материала 4 и диэлектрической прокладки 5;
l - длина электрода;
D - внутренний диаметр заземленной электропроводящей оболочки 3;
d - наружный диаметр электрода 2.
При уменьшении зазора между электродом 2 и заземленной электропроводящей оболочкой 3 (δ+Δ) значение внутреннего диаметра электропроводящей оболочки 3 D стремится к значению наружного диаметра электрода, d. Следовательно, емкость электрода 2 будет стремиться к очень большому значению. Соответственно, значение накопленного заряда может иметь сколь угодно большое значение, определяемое технологическими возможностями нанесения минимальной толщины δ покрытий из диэлектрических материалов. В описании изобретения АС 1825819 SU, опубликованном 07.07. 1993 года, описывается формирование пленки диэлектрика из титаната бария толщиной 5 мкм. См. http://www.findpatent.ru/patent/182/1825819.html. Учитывая развитие технологии, возможно достижение толщин наносимого диэлектрика и нанометрового диапазона, что позволит выполнить предлагаемое устройство в виде тонкой нити, которая послужит основой для создания фильтрующих элементов, изготавливаемых известными способами изготовления конструкционных деталей из нитей. См., например, http://www.armocom.ru/index.php/news/18-vpervye-raketnaya-tekhnologiya-nityanoj-namotki-dlya-izgotovleniya-sredstv-individualnoj-bronezashchity. Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет сформировать в окружающем пространстве между электродом 2 и заземленной электропроводной оболочкой 3, заполненном пористым материалом 4, мощное неоднородное электрическое поле, через которое беспрепятственно может проходить поток очищаемого газа. Действующее на содержащиеся в очищаемом газе аэрозоли неоднородное электрическое поле отклоняет аэрозоли от аэродинамического потока и обеспечивает их удержание на поверхности пор.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществить свободное прохождение очищаемого газа в области пространства между электродом и заземленной электропроводной оболочкой и обеспечить повышение эффективности очистки газовых потоков от содержащихся в них аэрозольных частиц.