УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к области неорганической химии и может быть использована для очистки воздуха от дисперсных примесей и его стерилизации от патогенной микрофлоры.
Известно устройство для очистки воздуха от дисперсных примесей, содержащее заземленный цилиндр вдоль оси которого натянута коронирующая проволока. Улавливание дисперсных примесей осуществляют путем униполярной зарядки аэрозольных частиц газовыми ионами в зоне коронного разряда и последующего их осаждения под действием внешнего электрического поля в цилиндрическом конденсаторе (В. Страус, Промышленная очистка газов, Москва, Химия, 1981, глава X, 616 с.).
Недостатком устройства является неэффективная очистка воздуха от субмикронных (размер <1 мкм) дисперсных примесей.
Известно устройство для очистки газовых выбросов от органических соединений, содержащее ионизатор газа с цилиндрическим конденсатором и коронирующим электродом для окисления молекулярных примесей в зоне коронного разряда (Патент РФ, №2174042, кл. B01D 53/32, опублик. 2001).
Недостатком устройства является неэффективная очистка воздуха от субмикронных дисперсных примесей.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее электростатический фильтр, размещенный в центральной части и состоящий из цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, коронирующий проволочный электрод, установленный вдоль оси цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток и источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру (Патент РФ, №2352382, кл. B01B 53/32, опублик. 2009)
Недостатком описанного устройства является неэффективная очистка воздуха при повышенных температурах (>100°C), поскольку в электростатическом фильтре пористый диэлектрический материал из органических волокон (полипропилен, натуральная шерсть, полиэстер, полиэтилентерефталат или целлюлоза) разрушается при температуре более 100°C, его недостаточная надежность и эффективность при очистки существенно загрязненного воздуха, так как по мере быстрого накопления фильтрата твердых и жидких частиц может возникать искровой пробой и термическое разрушение полипропиленовых волокон.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, заключается в повышении надежности и эффективности работы устройства путем обеспечения возможности увеличения электростатического осаждения униполярно заряженных дисперсных примесей при температуре очищаемого воздуха до 400-450°C.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающем электростатический фильтр, размещенный в центральной части и состоящий из цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, коронирующий проволочный электрод, установленный вдоль оси цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток и источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру, согласно полезной модели, в качестве диэлектрического волокнистого материала использованы силикатные стеклянные, кварцевые или керамические волокна, а вдоль оси цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток установлен дополнительный заземленный цилиндрический электрод, соединенный с заземленным коронирующим проволочным электродом, причем отношение диаметров электродов составляет D/d>10,
где: D - диаметр дополнительного заземленного цилиндрического электрода;
d - диаметр заземленного коронирующего электрода.
2
Использование электростатического фильтра с волокнистым диэлектрическим материалом, изготовленным из силикатных стеклянных, кварцевых или керамических волокон, поляризованных внешним электрическим полем, позволяет осуществлять высокоэффективное осаждение аэрозольных частиц, предварительно заряженных положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда при существенно более высоких температурах (до 400-450°C) по сравнению с прототипом (T<100°C). Волокна из силикатного стекла длительно выдерживают температуру воздушного потока более 500°C, из кварца - до 1000°C, а из керамики в зависимости от ее состава - от 850 до 2000°C. В известном устройстве используются материалы из органических волокон полипропилена, натуральной шерсти или полиэтилентерафталата, которые термически разрушаются при температуре воздуха более 100°C. Захват аэрозольных частиц происходит на поверхности и по объему минерального волокнистого фильтра за счет кулон-дипольного взаимодействия униполярно заряженных частиц и минеральных волокон, поляризованных внешним электрическим полем. Пылемаслоемкость минерального волокнистого материала составляет от 0,1 до 0,5 г/см, размер волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%.
2
В случае использования керамических волокон оптимальным по диэлектрической проницаемости, температурной стойкости (до 500°C и выше), газодинамическому сопротивлению и пылемаслоемкости является использование волокон из оксидной керамики на основе оксидов алюминия и/или кремния, а также из силикатного стекла или кварца (SiO 99%).
3
При фильтрации атмосферного воздуха с большой массовой нагрузкой дисперсных примесей (>50-100 мг/м) вследствие быстрого накопления фильтрата на волокнах возможно возникновение локальных искровых пробоев электростатического фильтра. Используемый минеральный волокнистый материал на основе силикатного стекла, кварца или оксидной керамики более устойчив к локальным электрическим пробоям по сравнению с материалом из полипропилена, натуральной шерсти или полиэтилентерефталата или целлюлозы для которого периодические искровые пробои приводят к существенному термическому разрушению его волокнистой структуры. В результате повышается надежность эксплуатации заявленного устройства по сравнению с прототипом.
Установка дополнительного заземленного цилиндрического электрода вдоль оси цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток позволяет увеличить эффективность улавливания положительно заряженных дисперсных примесей за счет их электростатического осаждения на отрицательно заряженной высоковольтной сетке в присутствии радиального электрического поля, созданного между дополнительным заземленным цилиндрическим электродом и цилиндрической высоковольтной сеткой, подключенной к источнику высокого отрицательного напряжения.
Диаметр дополнительного цилиндрического заземленного электрода существенно превышает диаметр коронирующего проволочного электрода (D/d>10), что исключает его коронирование вследствие существенного уменьшения напряженности электрического поля на его поверхности по сравнению с напряженностью электрического поля на поверхности коронирующего проволочного электрода. Это позволяет существенно уменьшить скорость образования и концентрацию озона в воздушном потоке при зарядке дисперсных примесей.
Полезная модель поясняется чертежом, где на Фиг.1. приведена схема устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных примесей. Описанная ниже схема устройства содержит вход воздушного потока - 1, электростатический фильтр - 2, состоящий из высоковольтной - 3 и заземленной - 4 цилиндрических соосных сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал - 5, коронирующий проволочный - 6 и дополнительный цилиндрический - 7 заземленные электроды, источник высокого напряжения 8, подключенный к высоковольтной цилиндрической сетке 3, микроамперметр - 9, выход воздушного потока - 10.
На схеме приняты также следующие обозначения: I - микроамперметр 9 для измерения тока коронного разряда между заземленным коронирующим проволочным электродом 6 и высоковольтной цилиндрической сеткой 3, d - диаметр заземленного коронирующего проволочного электрода 6, D - диаметр дополнительного заземленного цилиндрического электрода 7, N - длина коронирующего проволочного электрода 6, L - длина заземленного цилиндрического электрода 7, 2R - диаметр высоковольтной цилиндрической сетки, U≤10 кВ - потенциал от источника высокого напряжения 8; I - зона униполярной зарядки и осаждения частиц, распложенная между коронирующим проволочным электродом 6 и высоковольтной цилиндрической сеткой 3; II - зона осаждения заряженных частиц, распложенная между дополнительным цилиндрическим заземленным электродом 7 и высоковольтной цилиндрической сеткой 3. Диэлектрический волокнистый материал 5 изготовлен из силикатных стеклянных, кварцевых или керамических волокон в виде цилиндрического кольца.
Логарифм отношения диаметров высоковольтной цилиндрической сетки 3 и коронирующего проволочного электрода 6 составляет ln(2R/d)=5-7, где ln - натуральный логарифм. Коронирующий проволочный электрод 6 и заземленный цилиндрический электроды 7, соединенные механически и электрически, расположены вдоль оси высоковольтной цилиндрической сетки 3 и заземленной цилиндрической сетки 4.
Диаметр коронирующего проволочного электрода 6 варьируется от 150 до 300 мкм. Отношение длин дополнительного заземленного цилиндрического электрода 7 и проволочного коронирующего электрода 6 составляет L/N≥2 и зависит от величины объемного расхода фильтруемого воздуха. Отношение их диаметров D/d>10, что исключает коронирование дополнительного заземленного цилиндрического электрода 7 при потенциале U на высоковольтной цилиндрической сетке 3. Это позволяет существенно уменьшить скорость образования и концентрацию озона при униполярной зарядке дисперсных примесей.
Волокнистый материал 5, выполнен в виде цилиндрического слоя из диэлектрического материала непроводящих минеральных волокон диаметром от 10 до 200 микрон, установленного между высоковольтной цилиндрической сеткой 3 и 4. Волокнистый материал 5 поляризован внешним электрическим полем за счет создания разности потенциалов U между высоковольтной цилиндрической сеткой 3 и заземленной цилиндрической сеткой 4 с помощью источника высокого напряжения 8. Вектор напряженности внешнего электрического поля коллинеарен (параллелен или антипараллелен) вектору скорости воздушного потока через электростатический фильтр 2.
Устройство работает следующим образом.
-10
-1
Поток фильтруемого воздуха через вход 1 подается в зону I вдоль коронирующего проволочного электрода - 6 и высоковольтной цилиндрической сетки 3. Дисперсные частицы униполярно заряжают положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки Ct>2×10 (Ом.м.)×c. Положительные ионы создают в зоне коронного разряда при подачи высокого отрицательного напряжения U от источника высокого напряжения 8 на высоковольтную цилиндрическую сетку 3. Величину проводимости воздуха C, практически постоянную во внешней области коронного разряда между коронирующим проволочным электродом 6 и сеткой 3 (2R>>d), рассчитывают по формуле C=I×ln(2R/d)/2πNU, где I - ток коронного разряда, измеряемый с помощью микроамперметра 9. Среднее время униполярной зарядки дисперсных частиц оценивается по формуле t≈R/V, где V=Q/S - линейная скорость течения воздуха с объемным расходом Q через минеральный волокнистый материал 5 с площадью лобовой фильтрации S=2πR(L+N).
2
В зонах I и II вектор скорости воздушного потока изменяет свое направление течения на 90° и фильтруется через электростатический фильтр 2 с скоростью лобовой фильтрации V=Q/2πR(L+N). Униполярно заряженные частицы улавливаются на поверхности и в объеме электростатического фильтра 2. Напряженность внешнего электрического поля рассчитывают по формуле плоского конденсатора. Захват аэрозольных частиц происходит на поверхности и по объему минерального волокнистого фильтра за счет кулон-дипольного взаимодействия униполярно заряженных частиц и минеральных волокон, поляризованных внешним электрическим полем. Пылемаслоемкость минерального волокнистого материала составляет от 0,1 до 0,5 г/см, размер волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%.
Создание зоны II позволяет существенно увеличить эффективность очистки воздуха от дисперсных микрозагрязнений, так как в ней положительно заряженные дисперсные частицы дополнительно осаждаются на поверхности отрицательно заряженной высоковольтной цилиндрической сетки 3 в присутствии радиального электрического поля между цилиндрическим электродом 7 и высоковольтной цилиндрической сеткой 3.
3
В зоне I воздушный поток насыщают озоном (O), который образуется при коронировании коронирующего проволочного электрода 6 и является сильным окислителем. В результате имеет место непрерывная стерилизация электростатического фильтра 2 и очистка волокон волокнистого материала 5 от фильтрата органических и неорганических дисперсных частиц в процессе их озонирования.
-5
-4
Кинетика процесса разложения органических примесей существенно зависит от концентрации озона. Его содержание в воздушном потоке составляет от 10 до 10 по объему в зависимости от расхода воздуха и величины напряжения коронирующего проволочного электрода 6.
В результате имеет место высокоэффективная очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной микрофлоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы). При температуре до 400-450°C эффективность очистки воздуха составляет 99% для дисперсных частиц размером более 0,01 мкм при малом сопротивлении (<250 Па), имеет место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной микрофлоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) озоном. Конкретное значение эффективности и сопротивления устройства зависит от типа волокнистого материала 5, объемного расхода и температуры воздуха.
Устройство эффективно работает при температуре воздушного потока до 500°C. При T>500°C существенно возрастает скорость коррозии коронирующего проволочного электрода 6, что не позволяет обеспечить надежную эксплуатацию заявленного устройства при столь высокой температуре.
Пример работы устройства при температуре воздушного потока 300°C.
Диаметр коронирующего проволочного электрода 6 из вольфрама d=200 микрон, его длина N=4 см; диаметр дополнительного заземленного цилиндрического электрода 7 из нержавеющей стали D=5 мм, его длина L=11 см; диаметр высоковольтной сетки 3 из нержавеющей стали 2R=10 см.
2
2
2
3
Цилиндрический диэлектрический волокнистый материал толщиной 12-13 мм, был выполнен из кварцевых (SiO 99%) волокон диаметром 15-150 мкм. Площадь его лобовой фильтрации и начальное сопротивление составляли около 470 см и 40 Па при скорости течения воздуха 1 см/с через 1 см в нормальных условиях. Объемный расход фильтруемого воздуха Q=(10-10,5) м/час и лобовая скорость фильтрации V≈6 см/с в нормальных условиях.
-10
-1
Отрицательное напряжение U коронного разряда высоковольтной цилиндрической сеткой 3 и коронирующим проволочным электродом 6 варьировали от 8 до 10 кВ. Параметр униполярной зарядки частиц Ct=3×10 (Ом.м.)×c. Напряженность внешнего электрического поля, поляризующего волокна материала 5, составляла E=7-8 кВ/см.
3
Испытания проводились на модельных аэрозольных частицах иодида калия (KI) диаметром 0,1-0,2 мкм с массовой концентрацией около 0,1 г/м. Частицы выбранного диапазона размеров являются наиболее проникающими через электростатический фильтр.
В результате было установлено, что при температуре 350°C эффективность очистки воздуха составляла около 99,5% от аэрозольных частиц KI размером 0,1-0,2 мкм при сопротивлении 500-550 Па.
Прототип при температуре 300°C не обеспечивает очистку воздуха вследствие термического разрушения волокон полипропилена или полиэстера. Таким образом, в отличие от прототипа, в разработанном устройстве имеет место высокоэффективная фильтрация дисперсных частиц и стерилизация воздуха от микроорганизмов и бактерий при существенно более высокой температуре.