УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИСПЕРСНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к области неорганической химии и может быть использовано для сверхвысокой фильтрации воздуха с интегральной эффективностью Е≥99,99999% от дисперсных примесей размером d>0,01 мкм и улавливания молекулярных загрязнений в медицине и технологиях аэрации стерилизованным воздухом объектов микробиологического синтеза, при производстве лекарств и изделий микроэлектроники.
Уровень техники
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 данного устройства является неэффективная очистка воздуха от субмикронных дисперсных примесей с d<1 мкм.
Известно устройство для очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее сорбционные фильтры с гранулированным активированным углем (В. Страус, Промышленная очистка газов, Москва, Химия, 1981, глава Ш, 616 с.). Его недостатком является неэффективная очистка воздуха от субмикронных аэрозольных частиц.
Известно устройство для улавливания загрязняющих воздух органических дисперсных и молекулярных примесей, включающий источник ультрафиолетового излучения с длиной волны 185 нм для образование озона, канал для его введения в поток рабочего газа и каталитический преобразователь для разложения загрязняющих органических примесей (патент на изобретение РФ №2168053). Недостатком данного устройства является неэффективная очистка газов от дисперсных примесей в субмикронном диапазоне размеров.
2
Известно устройство для очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее механический фильтр грубой очистки, электроды для осуществления зарядки аэрозольных частиц в зоне плазменного разряда, электростатический рулонный фильтр и фотокаталитический фильтр с вкраплениями частиц диоксида титана (TiO) в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм для разложения органических примесей («Взгляд "DAIKIN" на чистоту и свежесть воздуха», «Мир Климата», январь 2004, №22, Журнал Ассоциации Предприятий Индустрии Климата России).
Недостатком устройства является ограниченная эффективность очистки воздуха от субмикронного аэрозоля.
Известно устройство для очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее механический фильтр грубой очистки, коронирующие электроды для образования окислительного газа типа озон и фотокаталитический фильтр с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором для окисление уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм и озона, выходной адсорбционный угольный фильтр для сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах активированного угля (Патент РФ №2259866).
Недостатком данного устройства является неэффективная очистка воздуха от субмикронных дисперсных частиц.
Известно устройство для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее вход и выход воздушного потока, 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, источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру. Диэлектрический волокнистый материал изготовлен из силикатных стеклянных, кварцевых или керамических волокон (патент РФ на полезную модель №136735).
Недостатком данного устройства является недостаточная очистка воздуха от субмикронных дисперсных частиц с Е<99.95%.
Известно устройство для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее вход и выход воздушного потока, механический фильтр грубой очистки, установленный на входе воздушного потока перед заземленным цилиндром, вдоль оси которого натянут коронирующий проволочный электрод для униполярной зарядки аэрозолей, цилиндрический электростатический фильтр, размещенный в центральной части корпуса и состоящий из цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, источник высокого напряжения, подключенный к цилиндрическому электростатическому фильтру и к коронирующему проволочному электроду, фотокаталический фильтр с диоксидом титана для стерилизации воздушной микрофлоры и сорбционный угольный фильтр молекулярных примесей, установленный перед выходом воздушного потока (патент РФ №2352382). В электростатическом фильтре используется материал из волокон полипропилена, полиэстера, натуральной шерсти, полиэтилентерефталата или целлюлозы.
Недостатком данного устройства ограниченная эффективность очистки воздуха с Е≤99,9% от дисперсных примесей с d>0,01 мкм.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для высокоэффективной фильтрации воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее вход и выход воздушного потока, механический фильтр грубой очистки, установленный на входе воздушного потока перед заземленным цилиндром, вдоль оси которого натянут коронирующий проволочный электрод для униполярной зарядки аэрозолей, цилиндрический электростатический фильтр, размещенный в центральной части корпуса и состоящий из цилиндрических высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, источник высокого напряжения, подключенный к цилиндрическому электростатическому фильтру и к коронирующему проволочному электроду, и сорбционный гранулированный фильтр озона и других молекулярных примесей, установленный перед выходом воздушного потока (патент РФ на полезную модель №141244, прототип). В электростатическом фильтре используется материал из неорганических силикатных, стеклянных, кварцевых или керамических волокон, а сорбционный фильтр собран из гранул гопталюма на основе оксидов марганца, меди и никеля для эффективного каталитического улавливания оксида углерода, озона и других молекулярных примесей (Патент РФ №2077946; Егорова Г.В., Вобликова В.А., Ткаченко С.Н. и др. Цементсодержащие катализаторы в реакциях разложения озона и окисления монооксида углерода и метана // Ж. Физической химии, 2003, т. 77, №11, с. 1966; Лунин В.В. Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. Москва, Изд-во МГУ, 1998, 480 с.).
Недостатком устройства по прототипу является относительно низкая эффективность очистки воздуха с величиной Е<99,95% от дисперсных примесей размером d>0,01 мкм.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей с расширением его функциональных возможностей путем существенного повышения эффективности улавливания дисперсных примесей по сравнению с прототипом.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей путем существенного увеличения эффективности фильтрации дисперсных примесей размером d≥0,01 мкм до интегральной величины Е≥99,99999%.
Интегральная высокоэффективная очистка воздуха от дисперсных микропримесей определяется согласно ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка, а также ГОСТ Р РЕН 1822-2-2012 Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, НЕРА и ULPA.
Для достижения технического результата предложено Устройство для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее вход и выход воздушного потока, механический фильтр грубой очистки, установленный на входе воздушного потока перед заземленным цилиндром, вдоль оси которого натянут коронирующий проволочный электрод для униполярной зарядки аэрозолей, цилиндрический электростатический фильтр, размещенный в центральной части корпуса и состоящий из цилиндрической высоковольтной сетки и заземленного газопроницаемого цилиндрического электрода, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру и к коронирующему проволочному электроду, и сорбционный цилиндрический фильтр молекулярных примесей из пористых гранул гопталюма, установленный перед выходом воздушного потока, при этом заземленный газопроницаемый цилиндрический электрод выполнен в виде заземленного цилиндрического тонкопористого металлического мембранного фильтра, установленного соосно цилиндрическому электростатическому фильтру.
Использование заземленного газопроницаемого цилиндрического электрода в виде цилиндрического заземленного металлического мембранного фильтра, установленного соосно цилиндрическому электростатическому фильтру, позволяет осуществлять зарядку его поверхности и создавать электрическое поле внутри волокнистого материала электростатического фильтра с фильтрацией воздуха за счет кулондипольного взаимодействия униполярно заряженных дисперсных частиц и волокон, поляризованных внешним электрическим полем E(ф) (А.В. Загнитько, Фильтрация униполярно заряженных субмикронных аэрозолей волокнистыми фильтрами в присутствии внешнего электрического поля, Теоретические основы химической технологии, 2010, том 44, №5, с. 562). Электрическое поле Е(ф) возникает вследствие наличия электрического заряда на поверхности заземленного цилиндрического, металлического фильтра, знак которого противоположен знаку заряда униполярно заряженных дисперсных частиц в поле коронного разряда.
Электрическое поле заряженной поверхности цилиндрического, заземленного, металлического, мембранного фильтра частично проникает внутрь его тонкопористой мембранной структуры на расстояние не более (4-8)D(п) и поляризует ее, где D(п)≈5-15 мкм характерный диаметр ее пор. Кроме того, внутри тонкопористой мембранной структуры металлического фильтра осуществляется высокоэффективная фильтрация дисперсных примесей за счет их диффузионного захвата и эффекта зацепления, а также за счет зеркальных сил, обусловленных электростатическим взаимодействием зарядов дисперсных частиц с индуцированными их электрическими полями зарядами на металлической поверхности пор фильтра. В результате за счет электростатических эффектов увеличивается интегральная эффективность очистка воздуха от дисперсных примесей с d≥0,01 мкм цилиндрическим, металлическим фильтром более чем в 10-500 раз в зависимости от величины d и скорости фильтрации.
Цилиндрический, металлический, мембранный фильтр для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных примесей размером более 0,01 мкм изготовлен по технологии автора согласно патентам РФ №2038922 и 2044090. Его фильтрационные и газодинамические характеристики описаны в статьях: Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Очистка природного газа многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Газовая промышленность, 2001, №1, с. 65; Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Газодинамическое сопротивление при высокоскоростной очистке газов многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Теоретические основы химической технологии, 2002, Т. 36, №4, с. 353.
Мембранная тонкопористая структура фильтра с открытой пористостью (45-55)% получена путем спекания металлического порошка в защитной атмосфере с восстановителем, в качестве которого использовался водород. Разработанный металлический фильтр предназначен для высокоэффективной фильтрации дисперсных примесей с d>0,01 мкм за счет их диффузионного осаждения, зацепления и электростатических эффектов с интегральной величиной Е>99.995% по наиболее проникающим дисперсным частицам с d≈0,1-0,3 мкм при скорости фильтрации менее 15 см/с.
2
Пылемаслоемкость диэлектрического волокнистого материала электростатического фильтра составляет от 0,1 до 0,5 г/см, диаметр полидисперсных волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%. В результате предварительной высокоэффективной очистки воздуха с величиной Е>99.5% по дисперсным частицам с d≥0,01 мкм путем их униполярной зарядки и последующего осаждения на волокнах электростатического фильтра, поляризованных внешним электрическим полем, существенно снижается массовая нагрузка аэрозольных частиц и скорость забивки дисперсными примесями цилиндрического заземленного металлического высокоэффективного фильтра с мембранной тонкопористой структурой. Это обуславливает длительность его эксплуатации и непрерывность процесса сверхвысокой очистки воздуха с Е≥99,99999% по дисперсным примесям размером d≥0,01 мкм. Сверхвысокая интегральная эффективность очистки воздуха от дисперсных микропримесей определяется согласно ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка, а также ГОСТ Р РЕН 1822-2-2012 Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, HEPA и ULPA.
Как и в прототипе, в процессе высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных примесей осуществляется стерилизация уловленной, воздушной микрофлоры озоном. Оксиды азота, которые образуются в зоне коронного разряда, усиливают бактерицидные свойства озона (Лунин В.В. Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. Москва, Изд-во МГУ, 1998, 480 с.).
2
Как и в прототипе, сорбционный фильтр молекулярных примесей из каталитических гранул гопталюма выполнен в виде цилиндрической кольцеобразной кассеты с пористым носителем катализатора, содержащего оксиды марганца, меди и никеля. Удельная площадь поверхности пор составляет не менее 80 м/г (Патент РФ №2077946; Егорова Г.В., Вобликова В.А., Ткаченко С.Н. и др. Цементсодержащие катализаторы в реакциях разложения озона и окисления монооксида углерода и метана // Ж. Физической химии, 2003, т. 77, №11, с. 1966; Лунин В.В. Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. Москва, Изд-во МГУ, 1998, 480 с.).
3
Как и в прототипе, в зоне коронного разряда имеет место не только униполярная зарядка дисперсных микрозагрязнений, но и предварительная очистка воздуха от молекулярных примесей за счет их озонирования. Заключительная очистка воздуха от молекулярных примесей осуществляется на развитой поверхности пор гетерогенного катализатора. Процессы улавливания и разложения различных молекулярных примесей на поверхности пор гранулированного гопталюма происходят с поглощением озона. В результате содержание озона в очищенном воздухе не превышает предельно допустимых концентраций (<0,1 мг/м).
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, где:
1 - вход воздушного потока в устройство с защитной сеткой;
2 - механический фильтр грубой очистки,
3 - заземленный цилиндр;
4 - коронирующий проволочный электрод;
5 - цилиндрический электростатический фильтр;
6 - цилиндрическая высоковольтная сетка;
7 - цилиндрический заземленный металлический высокоэффективный фильтр;
8 - диэлектрический волокнистый фильтрующий материал, расположенный между сеткой 6 и поверхностью фильтра 7;
9 - сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей из каталитических гранул гопталюма;
10 - микроамперметр для измерения тока коронного разряда;
11 - цилиндрический заземленный корпус;
12 - выход воздушного потока;
13 - источник высокого напряжения, подключенный к фильтру 5 и к электроду 4;
14 - внешняя заряженная тонкопористая поверхность фильтра 7;
D - внутренний диаметр заземленного цилиндра 3;
d(к) - диаметр коронирующего проволочного электрода 4;
I - микроамперметр тока коронного разряда между электродами 3 и 4;
Q - объемный расход фильтруемого воздуха;
U≤10 кВ - постоянное положительное напряжение от источника 13.
Осуществление полезной модели
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей. Устройство содержит вход 1 воздушного потока с расходом Q, через механический фильтр грубой очистки воздуха 2 в цилиндрический конденсатор, состоящий из заземленного цилиндра 3, вдоль оси которого натянут проволочный коронирующий электрод 4, установленный в центральной части корпуса 11 цилиндрический электростатический фильтр 5, состоящий из цилиндрической высоковольтной сетки 6 и заземленного газопроницаемого электрода, в качестве которого используется внешняя заряженная тонкопористая поверхность 14 металлического цилиндрического высокоэффективного фильтра 7 с тонкопористой мембранной структурой, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал 8, сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей из каталитических гранул гопталюма 9, установленный перед на выходом 12, микроамперметр 10 для измерения тока коронного разряда между электродами 3 и 4, цилиндрический заземленный корпус 11 и выход очищенного воздушного потока 12. К электростатическому фильтру 5 и коронирующему проволочному электроду 4 подключен источник 13 высокого напряжения U≤+10 кВ.
Логарифм отношения диаметров заземленного цилиндра 3 и коронирующего проволочного электрода 4 составляет ln[(D/d(к)]=6-7, где ln - натуральный логарифм.
Диаметр коронирующего проволочного электрод 4 из вольфрама варьируется от 100 до 250 мкм.
Электростатический фильтр 5, выполнен из слоя диэлектрического материала непроводящих минеральных волокон 8 диаметром от 10 до 200 микрон, установленного между цилиндрической сеткой 6 и внешней тонкопористой поверхностью 14 цилиндрического металлического фильтра 7 для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных примесей с d≥0,01 мкм. Фильтр 7 установлен соосно фильтру 5, который поляризован внешним электрическим полем E(ф) за счет создания разности потенциалов U между высоковольтной сеткой 6 и заземленным заряженным фильтром 7 с помощью источника напряжения 13. Вектор напряженности электрического поля E(ф) коллинеарен вектору скорости воздушного потока через электростатический фильтр 5.
2
Соотношение компонент гранул гопталюма составляет % масс.: закись-окись марганца 7-20; оксид никеля 30-50; оксид меди 3-10; талюм 30-40 (моно и диалюминат кальция). Удельная площадь поверхности пор составляет не менее 80 м/г (патент РФ №2077946; Егорова Г.В., Вобликова В.А., Ткаченко С.Н. и др. Цементсодержащие катализаторы в реакциях разложения озона и окисления монооксида углерода и метана // Ж. Физической химии, 2003, т. 77, №11, с. 1966; Лунин В.В. Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. Москва, Изд-во МГУ, 1998, 480 с.).
Использование заземленного газопроницаемого цилиндрического электрода в виде цилиндрического заземленного металлического мембранного фильтра, установленного соосно цилиндрическому электростатическому фильтру, позволяет осуществлять зарядку его поверхности и создавать электрическое поле внутри волокнистого материала электростатического фильтра с фильтрацией воздуха за счет кулондипольного взаимодействия униполярно заряженных дисперсных частиц и волокон, поляризованных внешним электрическим полем E(ф) (А.В. Загнитько, Фильтрация униполярно заряженных субмикронных аэрозолей волокнистыми фильтрами в присутствии внешнего электрического поля, Теоретические основы химической технологии, 2010, том 44, №5, с. 562). Электрическое поле E(ф) возникает вследствие наличия электрического заряда на поверхности заземленного цилиндрического металлического фильтра, знак которого противоположен знаку заряда униполярно заряженных дисперсных частиц в поле коронного разряда.
Электрическое поле заряженной поверхности 14 цилиндрического заземленного металлического мембранного фильтра 7 частично проникает внутрь его тонкопористой мембранной структуры на расстояние до (4-8)D(п) и поляризует ее, где D(п)≈5-15 мкм характерный диаметр ее пор. Кроме того, внутри тонкопористой мембранной структуры металлического фильтра осуществляется высокоэффективная фильтрация дисперсных примесей за счет их диффузионного захвата и эффекта зацепления, а также за счет зеркальных сил, обусловленных электростатическим взаимодействием зарядов дисперсных частиц с индуцированными их электрическими полями зарядами на металлической поверхности пор фильтра. В результате за счет электростатических эффектов увеличивается интегральная эффективность очистка воздуха от дисперсных примесей с d≥0,01 мкм цилиндрическим металлическим фильтром более чем в 10-500 раз в зависимости от величины d и скорости фильтрации.
Цилиндрический металлический мембранный фильтр 7 для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных примесей размером более 0,01 мкм изготовлен по технологии автора согласно патентам РФ №2038922 и 2044090. Его фильтрационные и газодинамические характеристики описаны в статьях: Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Очистка природного газа многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Газовая промышленность, 2001, №1, с. 65; Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Газодинамическое сопротивление при высокоскоростной очистке газов многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Теоретические основы химической технологии, 2002, Т. 36, №4, с. 353. Мембранная тонкопористая структура фильтра с открытой пористостью (45-55)% получена путем спекания металлического порошка в защитной атмосфере с восстановителем, в качестве которого использовался водород. Разработанный металлический фильтр предназначен для высокоэффективной фильтрации дисперсных примесей с d>0,01 мкм за счет их диффузионного осаждения, зацепления и электростатических эффектов с интегральной величиной Е>99.995% по наиболее проникающим дисперсным частицам с d≈0,1-0,3 мкм при скорости фильтрации менее 15 см/с.
2
Пылемаслоемкость диэлектрического волокнистого материала 8 электростатического фильтра 5 составляет от 0,1 до 0,5 г/см, диаметр полидисперсных волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%. В результате предварительной высокоэффективной очистки воздуха с величиной Е>99.5% по дисперсным частицам с d≥0,01 мкм путем их униполярной зарядки и последующего осаждения на волокнах электростатического фильтра, поляризованных внешним электрическим полем, существенно снижается массовая нагрузка аэрозольных частиц и скорость забивки дисперсными примесями цилиндрического заземленного металлического высокоэффективного фильтра с мембранной тонкопористой структурой. Это обуславливает длительность его эксплуатации и непрерывность процесса сверхвысокой очистки воздуха с Е≥99,99999% по дисперсным примесям размером d≥0,01 мкм. Сверхвысокая интегральная эффективность очистки воздуха от дисперсных микропримесей определяется согласно ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка, а также ГОСТ Р РЕН 1822-2-2012 Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, НЕРА и ULPA.
Общая эффективность очистки воздуха фильтром 7 с заряженной поверхностью 14 за счет диффузионного осаждения дисперсных частиц с d≥0,01 мкм, их зацепления и электростатического захвата составляет Е>99,995% при скорости фильтрации не более 15 см/с.
2
Пылемаслоемкость диэлектрического волокнистого материала электростатического фильтра 5 составляет от 0,1 до 0,5 г/см, размер волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%. В результате предварительной высокоэффективной очистки воздуха с величиной Е>99.5% по дисперсным частицам с d≥0,01 мкм путем их униполярной зарядки и последующего осаждения на волокнах электростатического фильтра, поляризованных внешним электрическим полем Е(ф), существенно снижается массовая нагрузка дисперсных примесей и скорость забивки аэрозольными частицами цилиндрического заземленного металлического высокоэффективного фильтра 7. Это обуславливает длительность его эксплуатации и непрерывность процесса сверхвысокой очистки воздуха с Е≥99,99999% по дисперсным примесям размером d≥0,01 мкм. Сверхвысокая интегральная эффективность очистки воздуха от дисперсных микропримесей определяется согласно ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка, а также ГОСТ Р РЕН 1822-2-2012 Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, НЕРА и ULPA.
3
Как и в прототипе, стерилизация уловленной, воздушной микрофлоры осуществляется озоном. Механизм инактивации воздушной микрофлоры осуществляется путем воздействия озона на оболочку микроорганизмов с проникновением озона внутрь микробной клетки. Противовирусное действие озона обусловлено разрушением вирусных частиц и его влиянием на способность вируса связываться с клеточными рецепторами. В результате довольно быстро погибают возбудители ангины, дифтерии, различные плесени и т.п. Эффективность стерилизующего действия озона зависит от его концентрации, экспозиции, температуры, влажности, вида микроорганизма и исходной обсемененности обеззараживаемого воздуха. Озон в низких концентрациях (около 0,2 мг/м3) не очень эффективен для уничтожения бактерий, поэтому в заявленном устройстве, как и в прототипе, концентрация озона составляет от 1 до 10 мг/м.
-10
-1
2
Устройство работает следующим образом. Поток фильтруемого воздуха Q пропускают последовательно через механический фильтр грубой очистки 2 и заземленный цилиндр 3 вдоль его центрального коронирующего проволочного электрода 4, в котором дисперсные примеси с d≥0,01 мкм униполярно заряжаются положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки Ct>2×10 (Ом.м.)×с. Величину электрической проводимости воздуха С, практически постоянную во внешней области коронного разряда цилиндрического конденсатора 3, рассчитывают по формуле С=I×ln[(D/d(к)]/2πLU, где I - ток коронного разряда, измеряемый с помощью микроамперметра 10, L - длина заземленного цилиндра 3 (Электрические явления в газах, ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва-Ленинград, 1947, 808 с). Время униполярной зарядки дисперсных частиц определяется по формуле t=L/V, где V=Q/S - линейная скорость течения воздуха с объемным расходом Q через цилиндр 3 с площадью поперечного сечения S≈πD/4.
Положительные ионы создают в зоне коронного разряда при подачи высокого напряжения U от высоковольтного источника напряжения 13 на коронирующий проволочный электрод 4.
Униполярно заряженные частицы улавливаются на поверхности и в объеме электростатического фильтра 5, поляризованного внешним электрическим полем Е(Ф), вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока V. Напряженность поляризующего электростатический фильтр 5 внешнего электрического поля определяют по формуле плоского конденсатора.
3
Как и в прототипе, в зоне цилиндрического конденсатора с заземленным цилиндром 3 и центральным коронирующим проволочным электродом 4 воздушный поток насыщают озоном, который образуется при коронировании проволочного электрода 4 и является сильным окислителем. Кинетика процесса разложения молекулярных примесей существенно зависит от концентрации озона. Его содержание в воздушном потоке составляет 1-10 мг/м в зависимости от расхода воздуха и величины напряжения коронирующего проволочного электрода 4. В результате имеет место непрерывная стерилизация электростатического фильтра 5 высокоэффективного фильтра 7 от уловленных патогенных микропримесей (микроорганизмы, бактерии и вирусы) с их непрерывной очисткой от фильтрата органических дисперсных частиц в процессе их озонирования.
На выходе из устройства воздушный поток пропускают через сорбционный фильтр из гранул гопталюма 9 для высокоэффективного улавливания молекулярных примесей и адсорбции озона, а также для реактивации гопталюма от фильтрата примесей за счет их озонирования. Высокоэффективная очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной микрофлоры существенно уменьшает массовую нагрузку дисперсной фазы на катализатор сорбционного фильтра 9, что поддерживает непрерывность процесса очистки.
3
В результате эффективность очистки воздуха составляет Е≥99,99999% для дисперсных частиц размером более 0,01 мкм. Как и в прототипе, эффективность удаления молекулярных примесей превышает 90%, имеет место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной микрофлоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) озоном. Его содержание на выходе не превышает 0,1 мг/м и ниже ПДК.
Устройство эффективно работает при температуре воздушного потока до 300-350°С. При Т>400-500°С существенно возрастает скорость коррозии коронирующего проволочного электрода 4 и мембранной структуры фильтра 7, что не позволяет обеспечить длительную надежную эксплуатацию заявленного устройства при столь высокой температуре.
Пример.
2
Механический фильтр грубой очистки 2 был изготовлен из пористого никеля. Его газодинамическое сопротивление составляло менее 1 Па при скорости течения воздуха 40 см/с через 1 см.
-10
-1
Диаметр цилиндра 3 составлял D=8 см. Диаметр коронирующего проволочного электрода 4 из вольфрама d(к)=150 микрон. Положительное напряжение коронного разряда варьировалось от 7 до 9 кВ. Параметр униполярной зарядки дисперсных примесей в зоне коронного разряда Ct=3×10(Ом.м.)×с.
2
2
Цилиндрический электростатический фильтр 5, толщиной 10-12 мм, был выполнен из кварцевых (SiO 99% масс.) волокон диаметром 20-150 мкм. Его начальное газодинамическое сопротивление составляло около 35-при скорости течения воздуха 1 см/с через 1 см. Напряженность электрического поля, поляризующего волокна электростатического фильтра 5, составляла E(ф)≈7 кВ/см.
Высокоэффективный фильтр 7 с внешним диаметром 7 см был изготовлен из порошка спеченного никеля с размером пор мембранной структуры около 10 мкм и толщиной 3 мм. Эффективность улавливания наиболее проникающих частиц диаметром 0,2-0,3 мкм составляла более 99,95 при скорости менее 15 см/с за счет эффекта диффузионного осаждения и зацепления. Измеренное значение эффективности заряженных аэрозольных частиц в заявленной конструкции составляло более 99,995% по наиболее проникающим дисперсным частицам с d≈0,2-0,3 при скорости очистки менее 15 см/с за счет механической фильтрации, обусловленной диффузионным захватом и зацеплением, и электростатических эффектов.
3
4
2
Сорбционный фильтр 9 в виде цилиндрического кольца шириной 14-15 мм был выполнен из гранул гопталюма с катализатором следующего массового состава %: MnO (7-20); CuO (3-10); NiO (30-50) и талюм (30-40) с удельной площадь поверхности пор около 85 м/г.
3
3
3
Объемный расход фильтруемого воздуха составлял 24 м/час при нормальных условиях. Испытания проводились на модельных аэрозольных частицах йодистого калия (КГ) диаметром ≈0,1-0,3 мкм с массовой концентрацией до 1 г/м. Частицы выбранного диапазона размеров являются наиболее проникающими через волокнистый электростатический фильтр 5 и фильтр 7. Кроме того, они не окисляются и не разлагаются на воздухе при температуре более 500°С. Наряду с улавливанием дисперсной фазы воздух очищался от газообразных примесей оксида углерода с концентрацией около 10 мг/м.
3
В результате было установлено, что при температуре (20-70)°С и скорости течения воздуха 12-14 см/с через электростатический фильтр 5 и фильтр 7 эффективность очистки воздуха составляла Е≥99,99999% от наиболее проникающих дисперсных частиц KI размером 0,1-0,3 мкм, а эффективность удаления газообразного оксида углерода из воздушного потока превышала 90%. Кроме того, в процессе озонирования имела место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы). Содержание озона и оксида углерода на выходе было ниже ПДК (<0,1 и<1 мг/м, соответственно).
Прототип обеспечивает очистку воздуха от дисперсных примесей с эффективностью Е<99,9% по размеру более 0,01 мкм.
3
Таким образом, в отличие от прототипа, в разработанном устройстве имеет место высокоэффективная фильтрация дисперсных частиц размером d≥0,01 мкм с эффективностью Е≥99,99999%, величина которой более чем в 10 превышает значение Е по прототипу. Это позволяет использовать данное устройство для высокоэффективной очистки воздуха с инактивацией, как и в прототипе, воздушной микрофлоры в системах локальной вентиляции.