Устройство ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках
DEVICE FOR ULTRASONIC COAGULATION OF FOREIGN PARTICLES IN GAS FLOWS

Изобретение относится к области техники активного воздействия на газодисперсные системы, содержащие твердые или жидкие частицы различных размеров, выделяющиеся в процессе производств в различных отраслях (горнометаллургическая, химическая, теплоэнергетическая, пищевая) промышленности, а именно к устройствам для ускорения процесса очистки опасных для окружающей среды пылей и туманов, а также для отделения из газовых потоков полезных веществ, формируемых в виде частиц различного размера, в том числе и субмикронных.
На сегодняшний день особенно остро стоит проблема защиты населения и окружающей среды от воздействия частиц размером 2,5 мкм и менее. Считается доказанным наличие связи между уровнем загрязнения атмосферы тонкодисперсными аэрозолями небиологического происхождения и смертностью людей. Выполненные в последние годы токсикологические и эпидемиологические исследования выявили корреляцию между количеством тонкодисперсных частиц размером менее 2.5 мкм в воздухе и увеличением сердечнососудистых и респираторных заболеваний.
Негативное воздействие тонкодисперсных частиц обусловлено свойствами дыхательной системы человека и животных вводить тонкодисперсные аэрозоли непосредственно в кровоток и накапливать токсичный материала в органах человека.
Поэтому особую важность приобретает задача защиты жилых и рабочих помещений и находящихся в них людей от тонкодисперсных аэрозолей.
Осуществляется такая очистка пропусканием загрязненного частицами газа через устройства очистки, действие которых основано на использовании различных физических принципов воздействия на частицы и которые изготавливаются по различным конструктивным схемам.
Однако, существующие устройства очистки, в силу отсутствия эффективных принципов воздействия, не позволяют эффективно улавливать частиц размером менее 2.5 мкм, и имеют ряд сопутствующих недостатков, связанных, например, с малой пылеемкостью (НЕРА фильтры), образованием оксидов азота и озона, которые не менее вредны для окружающей среды и здоровья человека (электрофильтры) и т.д.
Наиболее эффективными являются устройства электрофизического воздействия на аэрозоли, обеспечивающее объединение взвешенных в газе твердых частиц или капелек влаги под действием акустических (в том числе и ультразвуковых) колебаний высокой интенсивности. Применение высокоинтенсивных ультразвуковых (УЗ) воздействий на мелкие частицы ускоряет процессы агломерации, объединяющие мелкие частицы, которые затем легче улавливать с помощью обычных устройств улавливания (сепараторов различного типа).
Поскольку акустические колебания высокой интенсивности опасны для человека, на практике используются ультразвуковые колебания (с частотой более 20 кГц), которые, даже при высокой интенсивности (более 130…150 дБ) являются безвредными для человека и окружающей среды. Поэтому процесс объединения мелких частиц в газовых потоках называется ультразвуковой коагуляцией, а реализующие его устройства - устройствами ультразвуковой коагуляции.
На практике наибольшее распространение получили устройства ультразвуковой коагуляции, выполненные по традиционным схемам [1, 2, 3], но дополненные устройствами УЗ воздействия на газовый поток.
Среди известных устройств ультразвуковой коагуляции частиц в газовых потоках наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и одним из наиболее эффективных устройств с применением ультразвуковых излучателей, является устройство по [4, прототип].
Устройство ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках, принятое за прототип, содержит патрубки ввода очищаемого газового и вывода потока очищенного газа, распределитель потока, коагуляционную камеру очистки, бункер для сбора частиц и два ультразвуковыми излучателя, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями.
В устройстве, принятом за прототип, осуществляется воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток при помощи ультразвуковых дисковых излучателей, выполненных, например, по [5]. При УЗ воздействии инородные частицы приобретают дополнительное колебательное движение, чаще сталкиваются друг с другом, объединяются в крупные агломераты, которые выпадают в бункер для сбора частиц. Ультразвуковые дисковые излучатели воздействуют на частицы упругими колебаниями, распространяемыми внутри технологического объема, по которому движется газовый поток.
Анализ возможностей устройства, принятого за прототип, позволил выявить следующие существенные недостатки:
1. Малая интенсивность УЗ воздействия из-за значительного расстояния между излучателями и высокого затухания УЗ колебаний в газовом потоке с инородными частицами.
2. Значительное дифракционное расхождение излучаемых колебаний, приводящие к снижению средней интенсивности (менее 130 дБ) УЗ колебаний в коагуляционной камере.
3. Неравномерность УЗ воздействия в различных зонах коагуляционной камеры за счет интерференционного наложения колебаний в объеме коагуляционной камеры и появления кроме зон эффективной коагуляции (вблизи излучателя) зон, в которых отсутствует коагуляция.
4. Невысокая эффективность (менее 50%) пылеулавливания частиц размером менее 2,5 мкм вследствие малого УЗ воздействия, действующего на частицы при необходимых для практического применения скоростях входящих потоков, обеспечивающих приемлемое гидравлическое сопротивление аппарата.
Все перечисленные недостатки обуславливают низкую эффективность работы прототипа при улавливании твердых частиц, особенно частиц малого размера (менее 2,5 мкм).
В предлагаемом техническом решении задача заключается в создании устройства, в котором устранены вышеперечисленные недостатки и которое отличается повышенной эффективностью реализации процесса коагуляции.
В предлагаемом устройстве ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках, содержащем патрубки ввода очищаемого газового и вывода потока очищенного газа, коагуляционную камеру очистки пылегазового потока, распределитель потока, бункер для сбора частиц и два ультразвуковых излучателя, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями, ультразвуковые излучатели выполнены в виде параллельно расположенных пластин, расстояния между пластинами выбраны равными длине волны УЗ колебаний в газовой среде очищаемого потока, увеличенными на значение толщины пластины, каждая из пластин механически и акустически связана с пьезопреобразователями, причем пластины одного из излучателей симметрично расположены между пластинами другого излучателя.
В предлагаемом устройстве ультразвуковой коагуляции нородных частиц в газовых потоках УЗ задача повышения эффективности коагуляции решается путем конструктивного совершенствования устройства для повышения его эффективности за счет создания специальных ультразвуковых излучателей и их взаимного размещения, обеспечивающих значительное повышение интенсивности УЗ воздействия на газовый поток с частицами и обеспечение равномерности во всех зонах воздействия для существенного повышения эффективности УЗ коагуляции..
Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой схематично изображено устройство ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках.
Устройство ультразвуковой коагуляции инородных частиц в газовых потоках содержит патрубок ввода 1 очищаемого газового потока, патрубок вывода 2 очищенного газового потока, коагуляционную камеру 3 очистки газового потока, распределитель потока 4, бункер 5 для сбора удаленных из газового потока частиц и два ультразвуковых излучателя 6 и 7, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями, ультразвуковые излучатели 8 и 9 выполнены в виде параллельно расположенных пластин. Пластины одного из излучателей 8 симметрично расположены между пластинами другого излучателя 9. Расстояния между всеми пластинами каждого из излучателей выбраны кратными длине волны УЗ колебаний λ в газовой среде очищаемого потока, увеличенными на значение толщины h пластины, каждая из пластин механически и акустически связана со своим пьезопреобразователем.
В целом устройство работает следующим образом. Во входной патрубок 1 поступает поток газа, содержащий высокодисперсные частицы. Далее, по ходу движения газа установлен распределитель потока 4, который обеспечивает равномерное распределение газодисперсного потока между пластинами двух излучателей 8 и 9 в объеме коагуляционной камеры 3. Распределенные высокодисперсные частицы поступают в область высокоинтенсивного резонансного ультразвукового воздействия -промежутки между пластинами ультразвуковых излучателей. При движении частиц вдоль колеблющихся пластин происходит высокоинтенсивное ультразвуковое воздействие на частицы и они, за очень короткое время (порядка 0,1 с), коагулируют друг с другом и осаждаются в бункере при выводе очищенного потока.
Выполнение излучателя в виде параллельно расположенных пластин обеспечивает формирование изгибных ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. Ультразвуковое воздействие каждого из излучателей обеспечивает равномерное высокоинтенсивное излучение и повышение эффективности коагуляции частиц. Размещение пластин одного излучателя между пластинами другого излучателя при выполнении условия, что расстояние между колеблющимися пластинами двух излучателей кратно половине длины волны УЗ в газовом потоке, обеспечивает резонансное усиление колебаний, которое обеспечивает дополнительное увеличение скорости коагуляции.
Для работы каждого излучателя используют пьезоэлектрические преобразователи, питаемые синхронно работающими ультразвуковыми электронными генераторами.
Количество пластин каждого из излучателей и их размеры определяются размерами коагуляционной камеры и, соответственно производительностью аппаратов. Кроме того, размеры пластин излучателей могут быть выбраны из условия обеспечения резонансной частоты излучателей, которая может выбираться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Например, для коагуляции высокодисперсных частиц (размером менее 1 мкм) наиболее эффективно использование УЗ колебаний высокой частоты (более 30…50 кГц), а для обеспечения максимальной производительности при коагуляции частиц с размером более 2,5 мкм наиболее эффективно применение УЗ колебаний пониженной (но не воспринимаемых человеком) частоты (18 кГц).
Практические конструкции предлагаемого устройства УЗ коагуляции могут быть реализованы на базе имеющихся ультразвуковых аппаратов серии «Соловей» различных мощностей [6].
Практическая реализация предложенного устройства в лабораторных условиях позволила установить, что при предложенном размещении пластин излучателей в зазоре между ними формируются ультразвуковые колебания с интенсивностью до 160... 170 дБ. При таком УЗ воздействии создаются условия для возникновения интенсивных акустических микропотоков и вихрей, способствующих коагуляции дисперсных частиц и осаждению их агрегатов.
Проведенные предварительные исследования предлагаемого устройства позволили выявить следующие преимущества:
- увеличенная не менее, чем в 100 раз производительность процесса коагуляции;
- малое время ультразвукового воздействия (менее 0,1 сек), необходимое и достаточное для коагуляции частиц, обеспечиваемых большими коагуляционными установками при временах воздействия не менее 1 сек;
- высокая эффективность (более 90%) для коагуляции частиц микронного и субмикронного диапазонов;
- отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании для отделения образовавшихся в результате коагуляции агрегатов частиц от газового потока;
- возможность создания по предложенной конструктивной схеме устройств УЗ коагуляции различных по размерам частиц с необходимой производительностью.
Практическая реализация предлагаемого технического решения запланирована к реализации ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» в 2019 году.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №19-19-00121.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Ультразвуковая коагуляционная камера [Текст]: патент ПМ 102197 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Шалунова К.В.; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU).
2. Устройство электрофизического воздействия на аэрозоли [Текст]: патент на ИЗ 2430509 РФ: МПК A01G 15/00 (2006.01) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Хмелев М.В., Лебедев А.Н, Шалунова К.В., Галахов А.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
3. Улавливатель дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 133432 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / B01D 45/12 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
4. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 131307 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель -Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
5. Ультразвуковая колебательная система для газовых сред: патент ПМ 132000 РФ МПК В06В 1/00 (2006.01) / Хмелев В.Н., Галахов А.Н., Шалунов А.В., Нестеров В.А., Голых Р.Н.; правообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
6. Каталог ультразвуковых аппаратов для газовых сред [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://u-sonic.com/catalog/apparaty_dlya_uskoreniya_protsessov_v_gazovykh_sredakh/, свобоный - (09.10.2019).