АППАРАТ УЛАВЛИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОВОГО ПОТОКА

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к устройствам разделения двухфазных потоков, состоящих из газа и твердых частиц.
В связи с необходимостью улавливания вредных или ценных материалов из газовой среды, возникает необходимость в разработке эффективных устройств выделения мелких твердых частиц различных размеров (в т.ч. наночастиц) из потока газовой смеси. В случае необходимости улавливания твердых частиц нанометрового диапазона традиционные центробежные и инерционные устройства улавливания аэрозолей оказываются не эффективными.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока по патенту [1], принятый за прототип.
Известное устройство содержит тангенциальный закручиватель первичного пылегазового потока с конической отбойной шайбой, камеру сепарации цилиндро-конической формы, винтообразный закручиватель вторичного пылегазового потока, выхлопную трубу, тангенциальный раскручиватель с патрубком вывода очищенного газа и бункер для сбора частиц.
В прототипе пылесборный бункер размещен в нижней части камеры сепарации. Закручивателяь первичного потока с отбойной шайбой обеспечивает осевой ввод запыленного газа. Размещенный в верхней части корпуса закручиватель вторичного потока обеспечивает периферийный ввод запыленного газа, а осевой патрубок отвод очищенного газа.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность (менее 50%) пылеулавливания частиц размером менее 1 мкм вследствие малого центростремительного ускорения, действующего на частицы, при скоростях входящих потоков, обеспечивающих приемлемое гидравлическое сопротивление аппарата.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель, направлено на устранение недостатка прототипа.
Для повышения эффективности процесса сепарации твердых наночастиц предложено обеспечить укрупнение наночастиц воздействием высокоинтенсивных (более 135 дБ) ультразвуковых колебаний (ультразвуковая коагуляция аэрозолей) [2].
В предлагаемом улавливателе решается задача конструктивного совершенствования устройства и повышения его эффективности за счет применения ультразвуковых дисковых излучателей, в качестве которых использованы изгибно-колеблющиеся диски, механически и акустически связанные с пьезоэлектрическими преобразователями.
Ультразвуковые дисковые излучатели воздействуют на частицы упругими колебаниями, распространяемыми внутри технологического объема, по которому движется пылегазовый поток. Это приводит к их взаимным колебаниям и объединению [3]. Объединяясь, агломераты частиц увеличивают свою массу, вследствие чего легче сепарируются под действием центростремительных ускорений, действующих на них в аппарате.
Ультразвуковые излучатели выполнены определенной формой и расположены таким образом, что бы обеспечить условия равномерного распространения ультразвуковых колебаний в объеме камеры сепарации с уровнем звукового давления не ниже 135 дБ, но не выше определенного уровня, при котором начинается процесс разрушения агломератов частиц. Верхний уровень звукового давления зависит от свойств и размеров сепарируемых частиц.
Сущность технического решения заключается в том, что известный аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока, содержащий тангенциальный закручиватель первичного пылегазового потока с конической отбойной шайбой, камеру сепарации цилиндро-конической формы, винтообразный закручиватель вторичного пылегазового потока, выхлопную трубу, тангенциальный раскручиватель с патрубком вывода очищенного газа и бункер для сбора частиц снабжен двумя ультразвуковыми излучателями, выполненными в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. С тыльной стороны излучателей, установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметром основания, равным диаметру излучателя, дополненные расходящимися конусами с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя и углом раскрытия в 90 градусов. Один из ультразвуковых дисковых излучателей установлен соосно вертикальной оси аппарата в нижней части закручивателя первичного пылегазового потока через концентрирующий усеченный конус. Второй излучатель установлен соосно первому на внешней торцевой поверхности раскручивателя, соединенного с выхлопной трубой концентрирующим усеченным конусом. При этом внешний диаметр дополненных расходящихся конусов отражателей соответствует внешнему диаметру концентрирующих усеченных конусов, а расстояние между излучателями выбрано из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний в объеме аппарата до уровня звукового давления не ниже 135 дБ.
Излучатели выполнены в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. Такая конструкция излучателей позволяет излучать колебания каждым участком диска в одной фазе, приводящее к большему выходу энергии, поскольку волновое сопротивление изгибно-колеблющегося излучателя лучше согласуется с волновым сопротивлением газа. Также такого рода конструкция излучателя позволяет получить более равномерное распределение амплитуды колебаний по поверхности излучателя.
Пьезоэлектрический преобразователь, продольно колеблющийся вдоль акустической оси, акустически связанный с совершающим изгибные колебания излучателем дисковой формы питается ультразвуковым электронным генератором.
С тыльной стороны излучателей установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов, диаметр основания центральных конусов равен диаметру излучателя, дополненные расходящимися конусами с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя. При этом внешний диаметр дополненных расходящихся конусов отражателей соответствует внешнему диаметру концентрирующих усеченных конусов и углом раскрытия в 90 градусов.
Применение отражателей описанной формы обеспечивает формирование ультразвуковых колебаний с двух поверхностей излучателя
Таким образом, обеспечивается равномерное распределение звукового давления внутри камеры сепарации, для эффективной коагуляции.
Камера сепарации, позволяет увеличить время пребывания твердых частиц в центробежном и ультразвуковом поле, тем самым улучшает эффективность процесса коагуляции частиц и способствует расслоению пылегазовой смеси, повышая эффективность их улавливания.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг.1-4.
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого улавливателя дисперсных частиц;
на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б по фиг.1;
на фиг.4 - разрез В-В по фиг.1.
Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока состоит из цилиндро-конической камеры сепарации 1, размещенного в нижней части пылесборного бункера 2 и закручивателя первичного потока 3 с отбойной шайбой 4, который обеспечивает осевой ввод восходящего запыленного газа. К закручивателю первичного потока присоединен концентрирующий усеченный конус 12, на большем основании которого, соосно вертикальной оси аппарата, установлен первый ультразвуковой дисковый излучатель 8. В верхней части камеры сепарации размещен закручиватель вторичного потока 5 винтообразной формы, который обеспечивает периферийный ввод нисходящего запыленного газа. В верхней части закручивателя вторичного потока 5, соосно камере сепарации установлена выхлопная труба 6 для отвода очищенного газа. К выхлопной трубе 6 через усеченный конус 13 присоединен тангенциальный раскручиватель 7 с патрубком вывода очищенного газа. Второй ультразвуковой дисковый излучатель 9 установлен соосно первому на внешней торцевой поверхности раскручивателя 7.
С тыльной стороны дисковых излучателей 9 и 8 установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов 10 с углом раскрытия в 90 градусов, диаметр основания центральных конусов равен диаметру излучателя. Центральные конуса 10 дополнены расходящимися конусами 11 с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя 9. При этом внешний диаметр дополненных расходящихся конусов 11 отражателей соответствует внешнему диаметру концентрирующих усеченных конусов 12 и 13. Угол раскрытия расходящихся конусов 11 отражателей 90 градусов.
Расстояние между излучателями выбрано из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний в объеме аппарата до уровня звукового давления не ниже 135 дБ.
Ультразвуковые излучатели 8 и 9 выполнены в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями.
Вихревой пылеуловитель работает следующим образом.
Пылегазовый поток входит через патрубок закручивателя вторичного потока 5 под углом к оси аппарата и, закручиваясь (см. фиг.1), двигается вниз в камере сепарации 1. Навстречу ему снизу через закручиватель 3 подается первичный запыленный газ, который закручивается в ту же сторону, что и нисходящий вторичный поток.
Вторичный нисходящий закрученный вторичный поток отбрасывает дисперсные частицы к внутренней стенке камеры сепарации 1. Наталкиваясь на отбойную шайбу 4, разворачивается и взаимодействует с первичным восходящим потоком, исходящим из закручивателя 3.
Частицы пыли, обладающие большей инерцией, отделяются от вторичного потока при его повороте у отбойной шайбы 4 и вылетают в бункер 2 через зазор между камерой сепарации 1 и отбойной шайбой 4.
Частицы пыли с малым удельным весом, оставшиеся во вторичном пылегазовом потоке, после поворота перемещаются из общего вихря, образованного первичным и возвращенным восходящим вторичным закрученным потоком, в периферийный нисходящий вторичный поток. Под действием центробежной силы частицы отбрасываются к внутренней стенке камеры сепарации и вылетают в бункер 2. Тем самым происходит рециркуляция наиболее мелких частиц из центрального вихря в периферийный вторичный поток. Благодаря этому повышается эффективность пылеулавливания. Очищенный от пыли газ движется к центру камеры сепарации 1 и затем выходит через выхлопную трубу 6 из аппарата.
Одновременно с подачей запыленного газа происходит воздействие на взвешенные наночастицы. Процесс коагуляции осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими сторонами дисковых излучателей 8 и 9, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Таким образом, обеспечивается равномерность акустического (ультразвукового) воздействия по всему диаметру технологического объема с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя. Расстояние между дисковыми излучателями выбрано из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний в объеме аппарата до уровня звукового давления не ниже 135 дБ.
Для определения эффективности предложенного аппарата для улавливания наночастиц и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию ультразвуковых дисковых излучателей позволяет повысить эффективность улавливания наночастиц размером 30-50 нм с 50% до 98% за счет реализации процесса коагуляции.
3
Уровень звукового давления в 135 дБ, является достаточным для коагуляции наночастиц в камере сепарации при расходе запыленного газа не менее 500 м/час, но не должен превышать определенного уровня, при котором начинается процесс диспергирования агломератов частиц.
Разработанный ООО «Центр ультразвуковых технологий» аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока прошел лабораторные и технические испытания, и был практически реализован в действующей установке. Мелкосерийное производство планируется начать в 2013 году.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Вихревой пылеуловитель: пат. №34398 Рос. Федерация: МПК7 B01D 46/00/ Кошовец Николай Владимирович (UA), Азаров Николай Иванович (UA), Невечеря Анатолий Андреевич (UA), Балакин Лев Андреевич (UA), Кияшко Виктор Касьянович (UA), Носач Ванадий Алексеевич (UA); ЗАО "Северодонецкий ОРГХИМ" - №2003102104/20; заявл. 28.01.2003; опубл. 10.12.2003. - прототип.
2. Хмелев В.Н.. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей (монография) Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 235 с.
3. Shalunov A.V. Ultrasonic Oscillating System for Radiators of Gas Media [Текст] / A.V.Shalunov, A.N.Lebedev, S.S.Khmelev, N.V.Kuchin, A.V.Shahmova // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2008. - Novosibirsk: NSTU, 2008. - pp.226-271.