ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ВОЗДУХА
ELECTRICAL AIR CLEANER

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к системам очистки воздуха и газов, а именно к электрическим очистителям, и может быть использовано в быту и на производстве для очистки воздуха от частиц пыли, дыма, аэрозоля, запаха, пара, бактерий, плесени, клещей и вирусов, в медицине, детских садах, яслях, образовательных учреждениях, а также на предприятиях металлургической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, цементных заводах и других производствах, в том числе для очистки промышленных выбросов в атмосферу.
Уровень техники.
Авторы в течение многих лет разрабатывают и серийно производят электрические очистители воздуха (их еще называют электрофильтры) различных конструкций. Особую актуальность электрические очистители приобрели летом 2010 года при очистке воздуха от дыма.
Известны электрофильтры, опубликованные в источниках: RU2393022 с датой публикации 27.06.2010, RU87104 с датой публикации 27.09.2009, W02008/057262 с датой публикации 15.05.2008, US2007/027077 с датой публикации 25.10.2007, US2007/0046219 с датой публикации 01.03.2007, US2005/0200289 с датой публикации 15.09.2005, US7381381 с датой публикации 03.06.2008, US 6664741 с датой публикации 16.12.2003, US 4812711 с датой публикации 14.03.1989, US 6893618 с датой публикации 17.05.2005, US 7262564 с датой публикации 28.08.2007.
Основным недостатком указанных электрофильтров является относительно малая производительность и скорость воздушного потока.
Аналогом изобретения является электрический очиститель воздуха (патент РФ2144433 с датой публикации 20.01.2000). Очиститель содержит устройство электрического питания (далее в заявке - устройство питания), один коронирующий электрод, осадительные электроды. Коронирующий электрод выполнен в виде проволоки, каждый осадительный электрод выполнен в виде полосы, осадительные электроды расположены с образованием каналов для движения воздуха и в каждом канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод. Очиститель располагают в
потоке воздуха.
Недостатком аналога является невозможность самостоятельно создать воздушный поток через электрофильтр. Скорость принудительного воздушного потока невысока, в связи с чем низкая производительность. Концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель, высокая.
Другим аналогом изобретения является многосекционный электрофильтр (патент РФ 219873 5 с датой публикации 20.02.2003). Электрофильтр содержит устройство питания, коронирующие электроды, осадительные электроды. Каждый коронирующий электрод выполнен в виде проволоки, каждый осадительный электрод выполнен в виде полосы, осадительные электроды расположены с образованием каналов для движения воздуха и в каждом канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод. Электрофильтр располагают в потоке воздуха.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от осадительных электродов до коронирующего электрода одинаковы.
Недостатком аналога является невозможность самостоятельно создать воздушный поток через электрофильтр. Первая ступень очистителя создаваемым потоком ионов препятствует движению воздуха через очиститель. Скорость принудительного воздушного потока невысокая, производительность низкая, концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель, высокая.
Прототипом изобретения является электрический очиститель воздуха, описанный в патенте РФ 2393021 с датой публикации 27.06.2010. Электрический очиститель воздуха содержит корпус с отверстиями для прохода воздуха, устройство электрического питания (сокращенно - устройство питания), очистительный модуль; и очистительный модуль содержит коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды;
при этом коронирующий электрод, выполнен в виде стержня или проволоки, отталкивающие электроды выполнены в виде полос или полос с утолщениями на передних кромках; осадительные электроды выполнены в виде полос или полос с утолщениями на передних кромках;
и осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод;
а устройство электрического питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 кВ до 100 кВ, а также с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, и величину разности потенциалов определяют по зависимости:
P=pH,
где P - разность потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, кВ;
p - величина, принимающая значения от 1 кВ/см до 20 кВ/см;
Н - минимальное расстояние между отталкивающим электродом и осадительным электродом, см.
Выше приведены признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения.
Отталкивающие электроды прототипа выполнены в виде металлических полос или металлических полос с утолщениями на передних кромках; осадительные электроды также выполнены в виде металлических полос или металлических полос с утолщениями на передних кромках. Коронирующий электрод выполнен в виде металлического стержня или проволоки.
Недостатками прототипа являются:
i. Малое время работы электрического очистителя воздуха до момента замены или чистки осадительных электродов, особенно при сильном задымлении.
ii.Относительно малая скорость воздушного потока, создаваемого электрическим очистителем воздуха при работе.
iii. Относительно малая неоднородность электрического поля во время работы очистителя воздуха вблизи поверхности осадительного электрода.
iiii. Относительно высокая доля пыли, микроорганизмов, прошедших через очиститель.
Раскрытие изобретения.
Летом 2010 года жители многих российских регионов, в том числе и Москвы, пострадали от сильного задымления, вызванного лесными и торфяными пожарами. Согласно прогнозам, пожары и задымления могут повториться и в будущем.
В условиях сильного задымления авторы провели полномасштабные испытания электрических очистителей воздуха - прототипов настоящего изобретения. Место проведения испытаний г.Королев Московской области. В результате испытаний было установлено, что при сильном задымлении (ощущался отчетливый запах торфяного дыма) прототип требует очистки осадительных электродов, примерно, один раз в 5 дней. Это существенно усложняет эксплуатацию очистителя.
Поэтому были проведены работы по подбору осадительных электродов с существенно большей поверхностью для осаждения пыли и без существенного увеличения габаритов очистителя. Положительный результат принесла замена металлических осадительных электродов на пористые электропроводные электроды, изготовленные из углеродосодержащего пенополиуритана. Наружная поверхность такого электрода в десятки и сотни раз больше, чем поверхность рифленого металлического электрода, применяемого в прототипе. А качественного улучшения очистки удалось добиться, установив два очистительных модуля один за другим. Причем второй очистительный модуль с металлическими осадительными электродами (как у прототипа) предназначен для улавливания микрочастиц пыли (микрочастиц дыма), которые прошли через первый очистительный модуль с пористыми осадительными электродами.
Задачей изобретения является существенное увеличение времени работы очистителя до момента чистки осадительных электродов, повышение производительности и качества очистки воздуха от пыли, аэрозоля, дыма, пара, бактерий, клещей и вирусов с одновременным непревышением ПДК озона в очищенном воздухе.
Задача решается за счет того, что электрический очиститель воздуха содержит корпус с отверстиями для прохода воздуха, устройство электрического питания, очистительные модули, расположенные один за другим, по направлению движения воздуха;
и каждый очистительный модуль содержит коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды;
при этом коронирующий электрод выполнен в виде стержня или проволоки, отталкивающие электроды выполнены в виде полос или полос с утолщениями на передних кромках;
осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод;
а устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 кВ до 100 кВ, а также с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, и величину разности потенциалов определяют по зависимости:
P=pН,
где P - разность потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, кВ;
p - величина, принимающая значения от 1 кВ/см до 20 кВ/см;
Н - минимальное расстояние между отталкивающим электродом и осадительным электродом, см;
и у первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены в виде пористых электропроводных пластин или осадительные электроды выполнены с использованием пористых электропроводных пластин, а у второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены в виде полос или полос с утолщениями на передних кромках;
причем расстояние Y между коронирующим электродом второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля и ближайшим к нему осадительным электродом первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля определяют по формуле
Y=gD,
где g - величина, принимающая значения от 1.5 до 25;
D - расстояние между коронирующим электродом второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля и осадительным электродом этого же очистительного модуля (второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля), см.
Размерность величины Y - сантиметры.
Признаки, отличающие изобретение от прототипа:
«Электрический очиститель воздуха содержит очистительные модули, расположенные один за другим, по направлению движения воздуха;
и каждый очистительный модуль содержит коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды;
при этом коронирующий электрод выполнен в виде стержня или проволоки, отталкивающие электроды выполнены в виде полос или полос с утолщениями на передних кромках; осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод;
а устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 кВ до 100 кВ, а также с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, и величину разности потенциалов определяют по зависимости:
P=pН,
где P - разность потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, кВ;
p - величина, принимающая значения от 1 кВ/см до 20 кВ/см;
Н - минимальное расстояние между отталкивающим электродом и осадительным электродом, см;
и у первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены в виде пористых электропроводных пластин или осадительные электроды выполнены с использованием пористых электропроводных пластин; причем расстояние Y между коронирующим электродом второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля и ближайшим к нему осадительным электродом первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля определяют по формуле
Y=gD,
где g - величина, принимающая значения от 1.5 до 25;
D - расстояние между коронирующим электродом второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля и осадительным электродом этого же очистительного модуля (второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля), см».
В частном случае реализации изобретения электрический очиститель воздуха может быть выполнен так, что у первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены из одной пористой электропроводной ленты.
Техническими результатами изобретения являются:
i. Существенное увеличение времени работы электрического очистителя воздуха до момента замены или чистки осадительных электродов за счет использования у первого очистительного модуля в качестве осадительных электродов пористых электропроводных пластин.
Наружная поверхность (поверхность электрода, соединенная с окружающим электрод воздухом) таких электродов в десятки или сотни раз больше, чем поверхность рифленых металлических осадительных электродов, применяемых в прототипе. Эксперименты (при сильном задымлении летом 2010 года) показали, что время работы заявленного электрического очистителя воздуха в разы больше, чем время работы прототипа. Так в одном из экспериментов прототип работал 5 дней до чистки осадительных электродов, а заявленный электрический очиститель воздуха работал 35 дней до чистки осадительных электродов. Время работы очистителя в 7 раз увеличилось. Были эксперименты, в которых разность во времени работы заявленного очистителя и прототипа составляла 10 раз и больше.
ii. Повышение скорости воздушного потока до 20% и выше, создаваемого электрическим очистителем воздуха при работе за счет использования двух очистительных модуля, расположенных один за другим на оптимальном расстоянии с одновременным непревышением ПДК озона в очищенном воздухе.
Экспериментально было подобрано расстояние Y между коронирующим электродом второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля и ближайшим к нему осадительным электродом первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля. Расстояние между очистительными модулями выбирают из рекомендуемого диапазона таким образом, чтобы обеспечить максимальный прирост скорости воздушного потока через электрический очиститель воздуха.
Если расстояние Y будет большим, чем максимальное значение рекомендуемого диапазона, то прироста скорости воздушного потока не будет. Если расстояние Y будет меньшим, чем минимальное значение рекомендуемого диапазона, то скорость воздушного потока через электрический очиститель воздуха будет резко падать.
iii. Существенное усиление неоднородности электрического поля во время работы очистителя воздуха вблизи поверхности пористого осадительного электрода.
На процесс прилипания пылинок к поверхности осадительного электрода сказывается процесс их поляризации в электрическом поле. Из-за наведения дипольного момента или квадрупольного момента появляются электрические силы, удерживающие пылинки на поверхности после ухода их заряда на осадительный электрод. Наличие сильно развитой пористости осадительного электрода первого очистительного модуля существенно увеличивает неоднородность электрического поля вблизи поверхности осадительного электрода и усиливает силу сцепления пылинок с поверхностью осадительного электрода.
iiii. Существенное снижение количества прошедшей (не осевшей на осадительных электродах) пыли, бактерий, спор и других вредных веществ. В экспериментах получен результат: снижение в 2-3 раза (при g=6.8, см. фиг.12) концентрации пыли на выходе заявленного очистителя воздуха, по сравнению с прототипом.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлено продольное сечение электрического очистителя воздуха. Очистительные модули 6 и 7 расположены один за другим по направлению движения воздуха.
На фиг.2 изображено поперечное сечение частного варианта электрического очистителя воздуха в месте расположения осадительных и отталкивающих электродов первого очистительного модуля. Осадительные электроды 14 выполнены из одной пористой электропроводной ленты. С помощью ленты сформировано 4 осадительных электрода, между ними расположено 3 отталкивающих электрода 15.
На фиг.3 изображено поперечное сечение частного варианта электрического очистителя воздуха в месте расположения осадительных и отталкивающих электродов первого очистительного модуля. Осадительные электроды 14 выполнены из одной пористой электропроводной ленты с возможностью ее наматывания на барабан 20. С помощью ленты сформировано 4 осадительных электрода, между ними расположено 3 отталкивающих электрода 15.
На фиг.4 представлен продольный разрез осадительного электрода, выполненного в виде пористой электропроводной пластины.
На фиг.5 представлен продольный разрез осадительного электрода, выполненного с использованием пористой электропроводной пластины и металлической полосы.
На фиг.6 представлена схема электрического очистителя воздуха. Коронирующие электроды 8 и 11 заземлены. На схеме показаны расстояния между электродами в составе очистительных модулей и расстояние между модулями.
На фиг.7 представлена схема электрического очистителя воздуха. Перед коронирующим электродом 11 расположен отражающий электрод 21. Электроды 8, 11 и 21 заземлены.
На фиг.8 представлен продольный разрез пористой электропроводной пластины (осадительного электрода очистительного модуля 6) с осевшей на ее поверхности пылью.
На фиг.9 представлен продольный разрез металлической полосы (осадительного электрода очистительного модуля 7) с осевшей на ее поверхности пылью.
На фиг.10 представлены силовые линии 39 электрического поля между коронирующим электродом 33, осадительным электродом 38 и отталкивающим электродом 42.
На фиг.11 представлены силовые линии 45 электрического поля вблизи осадительного электрода 38.
з
п
На фиг.12 представлен график 49 изменения величины V/V (отношение скорости воздушного потоку у заявленного очистителя к скорости воздушного потока у прототипа) от величины g, а также график 51 изменения концентрации озона С в очищенном воздухе у заявленного очистителе от величины g.
Осуществление изобретения
Термины и определения, касающиеся устройства и работы очистительного модуля 7, а также работы в целом электрического очистителя воздуха.
Часть используемых терминов опубликована 27.06.2010 г. в описании к патенту РФ 23 93 021.
Электрический очиститель воздуха - устройство, предназначенное для очистки воздуха в помещении: улавливания находящихся в воздухе частиц пыли, аэрозоля, дыма, плесени, запахов, пара, бактерий, клещей, вирусов и других загрязнений.
Схема электрического очистителя воздуха представлена на фиг.1.
Корпус электрического очистителя воздуха - оболочка, в которой расположены электроды, блок питания, автоматика управления. Корпус ограждает электроды, блок питания, автоматику управления от воздействия окружающей среды.
Устройство электрического питания (см. позиция 5 на фиг.1) обеспечивает питание очистителя воздуха электрическим током от сети или автономно от аккумулятора электрической энергии. Конструктивно может быть выполнено так же, как и у прототипа.
Очистительный модуль (сокращенно - модуль) - часть электрического очистителя воздуха, которая содержит коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды. Очистительный модуль выполняет функцию улавливания находящихся в воздухе частиц пыли, аэрозоля, дыма, плесени и др.
Очистительные модули могут располагаться один за другим. При этом воздух проходит сначала через первый модуль, а затем через второй. Модули могут располагаться один за другим по прямой линии, то есть располагаться в корпусе с прямой осевой линией, а могут располагаться в криволинейном корпусе (с поворотами, с осевым смещением одного модуля относительно другого) с криволинейной осевой линией.
Первый по направлению движения воздуха очистительный модуль - это очистительный модуль, воздух из которого поступает на вход второго по направлению движения воздуха очистительного модуля.
Второй по направлению движения воздуха очистительный модуль - это очистительный модуль, воздух в который поступает с выхода первого по направлению движения воздуха очистительного модуля.
Коронирующий электрод - электрод, создающий вблизи своей поверхности область с резко неоднородным электрическим полем (так называемую зону ионизации или чехол короны). Заряженные частицы, образующиеся в зоне ионизации и имеющие знак заряда, совпадающий с полярностью электрода, под действием электрического поля выносятся в область пониженной напряженности поля (внешняя область или область дрейфа), где ионизации нет, и дрейфуют в противоположном от электрода направлении, создавая ток короны. На коронирующем электроде положительный потенциал до сотен киловольт. Электрод выполняют в виде стержня или проволоки. В общем случае электрический очиститель воздуха может быть выполнен и так, что коронирующий электрод имеет иную форму (острия, острые кромки и т.п.) и может иметь отрицательного потенциал до сотен киловольт. Кроме того, коронирующий электрод может быть заземлен.
Осадительный электрод - электрод с разностью потенциалов относительно коронирующего электрода от 10 кВ до 100 кВ. Если этот потенциал отрицателен, то чехол короны коронирующего электрода производит положительно заряженные ионы. Если этот потенциал положительный, то чехол короны коронирующего электрода производит отрицательно заряженные ионы.
Предназначен для того, чтобы на него оседали частички пыли, аэрозоля, дыма, плесени, запаха, пара, бактерии, клещи, вирусы и др. загрязнения.
Электродом называют проводники, имеющие электронную проводимость (проводники 1-го рода).
У очистительного модуля 6 осадительные электроды выполнены в виде пористых электропроводных пластин (см. фиг.1). В частном случае реализации изобретения осадительные электроды могут быть выполнены из одной пористой электропроводной ленты (см. фиг.2).
Осадительные электроды у очистительного модуля 7 выполняют в виде полос. Также их могут выполнять в виде полос с утолщениями на передних кромках электродов или в виде стержней.
Говорят, что осадительный электрод выполнен в виде пористой электропроводной пластины в том случае, если электрод выполнен только из пористой электропроводной пластины.
Говорят, что оеадительный электрод выполнен с использованием пористой электропроводной пластины в том случае, если электрод выполнен не только из пористой электропроводной пластины, но и других материалов.
Отталкивающий электрод - электрод, который предназначен для создания электрического поля, которое способствует движению ионов и частиц пыли и других загрязнений к поверхностям осадительных электродов.
Продольное сечение электрического очистителя воздуха - сечение, ориентированное по направлению движения воздуха в очистителе и перпендикулярно коронирующему электроду.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха движение воздуха - в направлении от коронирующего электрода к осадительным электродам.
Продольное сечение электрического очистителя воздуха совпадает с продольным сечением осадительного электрода и отталкивающего электрода.
Поперечное сечение электрического очистителя воздуха - сечение, параллельное продольному сечению коронирующего электрода и перпендикулярное продольному сечению электрического очистителя воздуха.
Поперечное сечение электрического очистителя воздуха совпадает с поперечным сечением осадительного электрода и поперечным сечением отталкивающего электрода.
Пористая электропроводная пластина - это пластина, выполненная из пористого электропроводного материала.
Пластина - плоская полоса.
Пористая электропроводная лента - это лента, выполненная из пористого электропроводного материала.
Пористый - имеющий хорошо различимые поры, пустоты.
Полоса - тонкий длинный кусок, какого-либо материала.
Пористый электропроводный материал может быть изготовлен, в частности, из углеродосодержащего пенополиуритана, углеродосодержащего пенополистирола, углеродосодержащих вспененных пластмасс, из других материалов с добавлением электропроводных веществ. В качестве углеродного материала может быть использован графит, уголь, в том числе активированный уголь.
Пористый электропроводный материал также может быть изготовлен, в частности, из пенополиуритана, пенополистирола, вспененных пластмасс и из других материалов с осаждением на их поверхности молекул (частичек) углерода или другого электропроводного вещества.
3
Плотность (или ее еще называют кажущаяся плотность, так как в ячейках пенополиуретана содержится воздух) углеродосодержащего пенополиуритана от 15 до 57.5 кг/м.
3
Плотность (или ее еще называют кажущаяся плотность, так как в ячейках пенополистирола содержится воздух) углеродосодержащего пенополистирола от 11 до 35 кг/м и более.
3
Плотность (или ее еще называют кажущаяся плотность, так как в ячейках вспененной пластмассы содержится воздух) углеродосодержащего вспененных пластмасс от 100 до 1000 кг/м.
3
3
Таким образом, плотность пористого электропроводного материала может быть от 11 кг/м до 1000 кг/м.
Весовая доля углерода в пористом электропроводном материале от долей процентов до десятков процентов. В случае, когда токи, протекающие по пористому электропроводному материалу, малы (миллиамперы, микроамперы), то количество углерода в материале - доли процентов от общего веса материала.
В случае, когда токи, протекающие по пористому электропроводному материалу, относительно велики (амперы, десятки ампер), то количество углерода в материале - проценты - десятки процентов от общего веса материала.
Полоса - тонкий длинный кусок, какого-либо материала. Полоса имеет две большие поверхности, а также имеет меньшие поверхности (например, поверхность задней кромки полосы, поверхности боковых кромок полосы). Полоса может быть выполнена постоянной толщины или с переменной толщиной.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха на передней кромке металлического электрода может располагаться утолщение. Утолщение имеет наибольшее значение толщины, по сравнению со значениями толщин в других местах продольного сечения электрода.
Минимальное расстояние между электродами - минимальное расстояние из всевозможных расстояний между электродами.
Минимальное расстояние между отталкивающим и осадительным электродами - минимальное расстояние из всевозможных расстояний между электродами.
Осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в каждом канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод. В общем случае, отталкивающие электроды могут находиться не в каждом канале.
Расстояние от коронирующего электрода до осадительного электрода - кратчайшее расстояние между всевозможными точками на поверхности коронирующего электрода и всевозможными точками на поверхности осадительного электрода.
Расстояние от коронирующего электрода до осадительного электрода - кратчайшее расстояние в продольной плоскости электрического очистителя воздуха между всевозможными точками на границе сечения коронирующего электрода и всевозможными точками на границе осадительного электрода. Минимальное из этих расстояний по совокупности всех осадительных электродов - разрядный зазор.
Кромка - край чего-либо, в частности, край электрода.
Передняя кромка осадительного электрода - передний край осадительного электрода
Передняя - находящаяся впереди, спереди.
Ниже приведем описание конструкции заявленного электрического очистителя воздуха.
Электрический очиститель воздуха содержит корпус 1 (см. фиг.1) с отверстиями 2, 3 для прохода воздуха. Направление движения воздуха показано стрелками 4. Кроме того, электрический очиститель воздуха содержит устройство электрического питания 5, два очистительных модуля 6 и 7 (выделенные на фиг.1 пунктирными линиями), расположенные один за другим, по направлению 4 движения воздуха, то есть очистительный модуль 7 расположен за очистительным модулем 6.
Первый, по направлению движения воздуха, очистительный модуль 6 содержит коронирующий электрод 8, осадительные электроды 9, отталкивающие электроды 10. Отталкивающие электроды 10 выполнены в виде металлических полос с утолщениями.
У очистительного модуля 6 осадительные электроды выполнены в виде пористых электропроводных пластин (см. фиг.1). В частном случае реализации изобретения осадительные электроды могут быть выполнены из одной пористой электропроводной ленты (см. фиг.2).
Коронирующий электрод 8, осадительные электроды 9 и отталкивающие электроды 10 соединены посредством электрических проводов с устройством питания 5.
Осадительные электроды 9 в составе модуля соединены между собой посредством электрических проводов.
Отталкивающие электроды 10 в составе модуля также соединены между собой посредством электрических проводов.
Пористые электропроводные пластины изготавливаются из пористого электропроводного материала, в частности, углеродосодержащего эластичного пенополиуретана или углеродосодержащей твердой электропроводной пластмассы.
Коронирующий электрод 8 выполнен в виде стержня или проволоки.
Осадительные электроды 9 расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами 9 расположен отталкивающий электрод 10.
На фиг.2 изображено поперечное сечение частного варианта электрического очистителя воздуха в месте расположения осадительных и отталкивающих электродов. Осадительные электроды 14 выполнены из одной пористой электропроводной ленты. Пористая электропроводная лента закреплена в устройствах крепления ленты, в частности, в зажимах 16 и 17. Лента огибает ролики 18. Посредством зажимов 16 и 17, а также роликов 18 ленту натягивают в электрическом очистителе воздуха. Ролики могут быть заменены гладкими стержнями.
Отталкивающие электроды 15 выполнены в виде металлических полос.
На фиг.3 изображено поперечное сечение еще одного частного варианта электрического очистителя воздуха в месте расположения осадительных и отталкивающих электродов. Осадительные электроды 14 выполнены из одной пористой электропроводной ленты. Пористая электропроводная лента закреплена на барабанах 19 и 20 с возможностью перематывания с одного барабана на другой. Во время работы такого очистителя воздуха часть ленты, которая выполняла роль осадительных электродов и содержащая пыль, наматывается на барабан 20. А чистая без пыли часть ленты сматывается с барабана 19 и занимает место осадительных электродов.
Пористую электропроводную ленту изготавливают из пористого электропроводного материала, в частности, углеродосодержащего эластичного пенополиуретана.
Второй, по направлению движения воздуха, очистительный модуль 7 (см. фиг.1) содержит коронирующий электрод 11, осадительные электроды 12, отталкивающие электроды 13. У очистительного модуля 7 осадительные электроды 12 выполнены в виде металлических полос с утолщениями на передних кромках.
Отталкивающие электроды 13 выполнены в виде металлических полос с утолщениями.
Коронирующий электрод 11, осадительные электроды 12 и отталкивающие электроды 13 соединены посредством электрических проводов с устройством питания 5.
Осадительные электроды 12 в составе модуля соединены между собой посредством электрических проводов.
Отталкивающие электроды 13 в составе модуля также соединены между собой посредством электрических проводов.
Коронирующий электрод 11 выполнен в виде стержня или проволоки.
Осадительные электроды 12 расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами 12 расположен отталкивающий электрод 13.
В частном варианте реализации электрического очистителя воздуха коронирующие электроды 8 и 11 двух модулей соединены между собой посредством электрических проводов. Осадительные электроды 9 и 12 двух модулей также соединены между собой посредством электрических проводов. Отталкивающие электроды 10 и 13 двух модулей соединены между собой посредством электрических проводов.
Устройство питания выполнено с возможностью подачи на электроды двух очистительных модулей 6 и 7 постоянного двуполярного напряжения.
Устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле от 10 кВ до 100 кВ.
Например, устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле 30 кВ (из диапазона от 10 кВ до 100 кВ).
Другим вариантом реализации изобретения может быть следующий. Устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле 100 кВ.
Также вариантом реализации изобретения может быть следующий. Устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле 10 кВ.
Разность потенциалов выше 100 кВ может привести к снижению производительности (количеству задержанной пыли в единицу времени). С увеличением разности потенциалов необходимо увеличивать расстояние от коронирующего электрода до осадительных электродов в модуле. А это приводит к уменьшению скорости потока воздуха через очиститель.
Разность потенциалов ниже 10 кВ может привести к повышению концентрации озона в очищенном воздухе, а также к снижению производительности.
В частном случае реализации изобретения устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения различных значений разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 и во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7.
Так, устройство питания может быть выполнено таким образом, что значение разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 больше, чем значение разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7. Возможные значения разности потенциалов в двух модулях приведены ниже в таблице 1.
Таблица 1
Разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле, кВ
Разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле, кВ
35
30
40
20
45
35
50
30
55
35
Это может привести к снижению выхода озона при сохранении производительности.
В другом частном случае реализации изобретения устройство питания может быть выполнено таким образом, что значение разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 меньше, чем значение разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7. Возможные значения разности потенциалов в двух модулях приведены ниже в таблице 2.
Таблица 2
Разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле, кВ
Разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле, кВ
35
40
40
50
45
55
50
60
55
95
Это может привести к увеличению степени очистки воздуха от пыли, повысить компактность устройства при сохранении производительности.
Кроме того, устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле 0.75 кВ.
Величину разности потенциалов определяют по зависимости:
P=pН,
где Р - разность потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, кВ;
p - величина, принимающая значения от 1 кВ/см до 20 кВ/см;
H - минимальное расстояние между отталкивающим электродом и осадительным электродом, см.
Устройство электрического питания может быть выполнено с возможностью обеспечения на коронирующем электроде каждого очистительного модуля:
- положительного по отношению к «земле» потенциала;
- положительного по отношению к осадительным электродам потенциала;
- положительного по отношению к осадительным электродам и «земле» потенциала.
- нулевого потенциала относительно земли (коронирующий электрод заземлен).
Опишем еще несколько вариантов реализации устройства питания. Устройство питания 5 (см. фиг.1) выполнено с возможностью обеспечения у каждого очистительного модуля разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом 40 кВ. Кроме того, устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов Р между отталкивающим электродом и осадительным электродом (см. описание к патенту РФ 2393021, опубликованному 27.06.2010 г.) в каждом очистительном модуле:
При H=1 см и p=1 кВ/см P=1 кВ;
При H=1 см и p=5 кВ/см P=5 кВ;
При H=1 см и p=10 кВ/см P=10 кВ;
При H=1 см и p=20 кВ/см P=20 кВ;
При H=0.5 см и p=1 кВ/см P=0.5 кВ;
При H=0.5 см и p=5 кВ/см P=2.5 кВ;
При H=0.5 см и p=10 кВ/см P=5 кВ;
При H=0.5 см и p=20 кВ/см P=10 кВ.
В частном случае реализации изобретения устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения различной разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 и во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7. Так в очистительном модуле 6:
При H=0.9 см и p=1 кВ/см P=0.9 кВ;
При H=0.9 см и p=5 кВ/см P=4.5 кВ;
При H=0.9 см и p=10 кВ/см P=9 кВ;
При H=1 см и p=20 кВ/см P=20 кВ;
При H=1.6 см и p=1 кВ/см P=1.6 кВ;
При H=1.6 см и p=5 кВ/см P=8 кВ;
При H=1.7 см и p=10 кВ/см P=17 кВ;
При H=1.8 см и p=20 кВ/см P=36 кВ.
Так в очистительном модуле 7:
При H=1.1 см и p=1 кВ/см P=1.1 кВ;
При H=1.1 см и p=5 кВ/см P=5.5 кВ;
При H=1.1 см и p=10 кВ/см P=11 кВ;
При H=1.2 см и p=20 кВ/см P=24 кВ;
При H=1.9 см и p=1 кВ/см P=1.9 кВ;
При H=1.9 см и p=5 кВ/см P=9.5 кВ;
При H=1.9 см и p=10 кВ/см P=19 кВ;
При H=1.9 см и p=20 кВ/см P=38 кВ.
Если разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 больше разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7, то это позволит увеличить время работы модуля 7 и/или уменьшить время работы модуля 6.
Если разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом в первом, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 6 меньше разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом во втором, по направлению движения воздуха, очистительном модуле 7, то это позволит увеличить время работы модуля 6 и/или уменьшить время работы модуля 7.
Варьирование разностью потенциалов между отталкивающими электродами и осадительными электродами в модуле 6 и модуле 7 позволит подобрать их режим работы таким образом, чтобы время до чистки осадительных электродов в модуле 6 и модуле 7 было одинаково. Это увеличит время работы всего устройства в целом и упростит эксплуатацию устройства.
У конкретной конструкции заявленного электрического очистителя воздуха расстояние Y между коронирующим электродом 11 второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 7 и ближайшим к нему осадительным электродом 9 первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 6 равно 13.6 см. При этом расстояние между коронирующим электродом 11 второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 7 и ближайшим к нему отталкивающим электродом 10 первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 6 было больше и составляло величину 13.8 см.
Величину Y определяют по формуле
Y=gD, cм
где g - величина, принимающая значения 6.8 (из диапазона от 1.5 до 25);
D - расстояние между коронирующим электродом 11 второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 7 и осадительным электродом 12 этого же очистительного модуля 2.0 см.
Именно такие значения Y, g и D при экспериментах показали максимальный прирост скорости воздушного потока.
Основным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что электрический очиститель воздуха состоит из двух очистительных модулей 6 и 7. Первый, по направлению движения воздуха, очистительный модуль 6 - с пористыми электропроводными электродами, а второй, по направлению движения воздуха, очистительный модуль 7 - с металлическими (алюминиевыми) осадительными электродами. Расположены модули один за другим на оптимальном расстоянии, обеспечивающем максимальное увеличение скорости потока воздуха через электрический очиститель воздуха.
Если стоит задача максимально облегчить устройство, то целесообразно все отталкивающие электроды, а также осадительные электроды модуля 7 выполнить из электропроводной пластмассы, в частности углепластика или электропроводной резины.
На фиг.4 представлен продольный разрез осадительного электрода, выполненного в виде пористой электропроводной пластины. Позицией 30 обозначена закрытая пора. Она не соединена с окружающим электрод воздухом и на ее поверхности не оседает пыль. Позицией 29 обозначена открытая пора. Она соединена с окружающим электрод воздухом и на ее поверхности оседает пыль.
На фиг.5 представлен продольный разрез осадительного электрода, выполненного с использованием пористой электропроводной пластины 31 и металлической полосы 32. Через полосу 32 на пористую пластину 31 может подаваться напряжение.
Опишем работу модуля 6 с пористыми электропроводными осадительными электродами.
Задачей изобретения является существенное увеличение времени работы очистителя до момента чистки осадительных электродов, повышение производительности и качества очистки воздуха от пыли, аэрозоля, дыма, пара, бактерий, клещей и вирусов с одновременным непревышением ПДК озона в очищенном воздухе.
Задача решается за счет использования всей совокупности признаков независимого пункта формулы изобретения. Достижение заявленных технических результатов подтверждено экспериментально.
Предлагаемое в изобретении расположение очистительных модулей и осадительных электродов в них позволяет обеспечить достаточно высокое значение скорости потока (2.4 м/с и более) для разрядного зазора в каждом очистительном модуле от 1.5 см до 10 см. При этом не будет превышено ПДК озона в воздушном потоке.
Осадительные электроды в очистительном модуле 6 выполнены в виде пористых электропроводных пластин и поверхность каждой пластины (поверхность, соединенная с окружающей средой), в том числе и поверхность открытых пор, является местом для осаждения пыли и других вредных веществ.
Осадительные электроды в очистительном модуле 7 выполнены в виде металлических полос и поверхность каждой полосы является местом для осаждения пыли и других вредных веществ.
Осадительный электрод очистительного модуля 6, выполненный в виде пористой электропроводной пластины, имеет в десятки - сотни раз большую поверхности для осаждения пыли, чем осадительный электрод очистительного модуля 7, выполненный в виде металлической полосы.
Коронирующий электрод в каждом очистительном модуле может иметь потенциал относительно земли, а может быть и заземлен (см. фиг.6 и фиг.7).
Далее рассмотрим вариант, когда коронирующий электрод положителен относительно осадительных электродов, то есть корона положительна.
-
+
+
На группу осадительных (некоронирующих) электродов 9 очистительного модуля 6 и осадительных электродов 12 очистительного модуля 7 подается отрицательное (относительно коронирующих электродов 8 и 11) напряжение U, а на коронирующие электроды - положительное напряжение U(относительно земли) или коронирующие электроды заземляются (U = 0), как показано на фиг.6 и фиг.7.
При реализации вышеуказанных мер удается существенно поднять напряжение между коронирующими и осадительными электродами, обеспечить разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом в каждом очистительном модуле от 10 кВ до 100 кВ. Свыше 100 кВ поднимать напряжение нецелесообразно - растут габариты и растет угроза пробоя. Ниже 10 кВ опускать напряжение нецелесообразно - уменьшается скорость потока и/или растет концентрация озона.
Для примера, коронирующие электроды 8 и 11 заземлены, на осадительные электроды 9 и 12 подается постоянное напряжение - 30 кВ.
Другой пример. На коронирующие электроды 8 и 11 подается напряжение +15 кВ, на осадительные электроды 9 и 12 подается постоянное напряжение -15 кВ.
Разность потенциалов, в приведенных примерах, между коронирующим электродом и осадительным электродом равна 30 кВ (из диапазона от 10 кВ до 100 кВ).
Снизить угрозу пробоя и сохранить режим ультракороны, имеющий низкий выход озона, без проявлений каких-либо признаков стримерного режима короны или иных свечений возможно за счет расположения одного или нескольких изолирующих бортиков на внутренних поверхностях боковых стенок (как это сделано в прототипе).
Заявленный электрический очиститель воздуха работает следующим образом.
Работа очистительного модуля 6 и очистительного модуля 7 принципиально ничем не отличается. Поэтому ниже опишем работу очистительного модуля 6 и укажем на особенности совместной работы очистительных модулей.
При подаче отрицательного потенциала на группу осадительных электродов с диаметром утолщения осадительного электрода, более чем в 5 раз большим диаметра коронирующего электрода 33 (см. фиг.10), вблизи коронирующего электрода создается напряженность электрического поля, достаточная для осуществления процессов ударной ионизации, в то время как в остальной части разрядного промежутка поле невелико.
Напряженность поля на границе 34 области ионизации 35 (в частности, критическая напряженность) определяется условием равенства коэффициентов ударной ионизации и прилипания и составляет для сухого воздуха 24.5 кВ/см. Границу 34 области ионизации еще называют границей чехла. Визуально это проявляется в виде светящейся области объемной ионизации (чехла) вокруг коронирующего электрода 33, где в зоне ионизации происходит девозбуждение атомов и ионов газа. Эти процессы сопровождаются излучением как в видимой, так и в более коротковолновой части спектра, что и создает светящийся ореол вокруг коронирующего электрода. В области 35 электроны движутся с границы 34 в направлении поверхности коронирующего электрода 33, а положительно заряженные ионы 36 движутся от границы 34 в направлении поверхности осадительного электрода 37. В предлагаемом устройстве реализуется разновидность короны, когда свечение чехла однородно и отсутствуют пульсации тока (так называемая ультракорона). Режим ультракороны достаточно естественен для электроотрицательных газов (в данном случае воздуха) для положительной короны (т.е. при положительном потенциале коронирующего электрода относительно осадительного электрода) и характеризуется сравнительно низким выходом озона. При этом диаметр чехла (чехла короны), где идут процессы ионизации, только в несколько раз превышает диаметр проволочки, используемого в предлагаемом устройстве, что существенно меньше разрядного промежутка.
2
2
+
Необходимый уровень первичных электронов на границе области объемной ионизации достигается за счет фотоионизации из-за засветки жестким УФ-излучением, возникающим из-за взаимодействия электронов, ускоренных в резко возрастающем поле, с молекулами и ионами чехла и поверхностью электрода. Несмотря на высокое значение падения потенциала в чехле, основной массе электронов не удается набрать энергию, превышающую нескольких десятков эВ, из-за частых неупругих столкновений при атмосферном давлении воздуха. Жесткое УФ-излучение, генерирующее фотоэлектроны, играет существенную роль и в очистке воздуха от болезнетворных микроорганизмов. Экспериментальные исследования спектров излучения положительной короны демонстрируют ряд ярких линий в области длин волн 0.1-0.4 мкм, включая наиболее яркие из-за возбуждения первой положительной системы молекулы N азота и второй отрицательной системы иона азота N .
Положительно заряженные ионы 36 (т.е. той же полярности, что и коронирующий электрод 33), под действием поля выносятся в область пониженной напряженности, где ионизации нет, и дрейфуют к противоположному (осадительному) электроду 38, создавая ток короны. Силовые линии поля на фиг.10 обозначены позицией 39. Электроны 40, появившиеся в зоне ионизации, устремляются к коронирующему электроду 33, находящемуся под более положительным потенциалом, и замыкают ток. Таким образом, область ионизации и дрейфа положительных ионов разделены в пространстве, но процессы ионизации и дрейфа ионов осуществляются одновременно.
Движение ионов во внешней униполярной области коронного разряда, замыкающих ток на осадительные (некоронирующие) электроды, приводит к возникновению направленного воздушного потока (ветра [1]) из-за передачи импульса движения ионов 36 молекулам воздуха. Из общих энергетических соображений следует примерно линейная зависимость скорости воздушного потока (ветра) от корня квадратного из тока разряда. Нарушение режима ультракороны может существенно снизить нарастание скорости ветра с ростом тока.
Скорость и полный поток существенно зависят от конструкции электродной системы. При фиксированном напряжении на разрядном промежутке полный поток воздуха растет с увеличением суммарного проходного сечения каналов для движения воздуха между осадительными электродами и довольно сложным образом зависит от числа и расположения коронирующих электродов и осадительных электродов.
Максимальный ток ультракороны (и соответственно скорость потока воздуха) достигается при одном коронирующем электроде, которому «видны» все утолщения осадительных (некоронирующих) электродов, на которые течет ток. Причем максимальная скорость воздушного потока достигается при равноудаленности осадительных электродов от коронирующего электрода. При разноудаленности осадительных электродов от коронирующего электрода растет неоднородность электрического поля, что способствует очистке воздуха от пыли и других загрязнений. Диаметр коронирующего электрода играет существенную роль в работе электрического очистителя воздуха. С уменьшением диаметра коронирующей проволочки (по крайней мере, до ⌀0.03 мм) происходит некоторый рост тока и скорости воздушного потока, причем выход озона снижается.
Устойчивость ультракороны несколько возрастает, если позволить некоронирующим электродам иметь некоторый отрицательный потенциал:
+
-
-
-|U-U|≤U≤0,
+
где U - напряжение на коронирующих электродах;
-
U - напряжение на осадительных электродах.
Это также снижает концентрацию ионов вблизи устройства и благоприятно сказывается снижением электризации пластмассовых деталей. Более кардинальное снижение концентрации аэроионов обеспечивает металлическая или слабопроводящая сетка, рамка или решетка на входе электрического очистителя воздуха и на его выходе. Сетки устанавливают на входных и/или на выходных отверстиях. Рамки устанавливают по периметру входных и/или выходных отверстий (отверстий для прохода воздуха 2 и 3, см. фиг.1).
С ростом приложенного напряжения растет ток короны и соответственно скорость воздушного потока. Однако при этом появляются стримеры и иные хорошо видимые в темноте светящиеся неоднородности, а режим ультракороны может перейти в положительную стримерную корону или в другую форму разряда. Оказалось, что первопричина этих явлений связана наличием границы чехла короны из-за конечности длины проволочки и наличия стенок. За счет видоизменения условий вблизи этой границы (например, организацией одной или нескольких изолирующих перегородок на внутренних поверхностях боковых стенок корпуса, как у прототипа) удается существенно увеличить диапазон напряжений (и токов), когда сохраняется режим ультракороны. Устойчивость ультракороны (максимальный ток) зависит также от конструкции осадительных электродов, их взаимного расположения. Устойчивость ультракороны сравнительно низка для конструкции осадительного электрода на основе металлической сетки и высока для системы типа параллельных стержней, параллельных полос, полос с утолщениями. Причем увеличение диаметра утолщения на передней кромке осадительного электрода относительно диаметра коронирующего электрода увеличивает устойчивость ультракороны.
Как известно, основной реакцией синтеза озона является трехтельная реакция
2
3
O+O+M=O+M,
2
где O - молекула кислорода;
О - атомарный кислород;
2
2
2
М - любой компонент воздуха (N, O, Аr, СO, О и др.).
2
2
Компоненты реакции O, О, M, O могут быть и в колебательно и электронно-возбужденных состояниях.
2
Следовательно, наработка озона будет меньше в тех условиях, когда низка эффективность наработки атомарного кислорода, т.е. снижена скорость диссоциации O и эффективны процессы ухода атомарного кислорода.
В итоге выход озона зависит от распределения электрического поля в разряде, различных фотопроцессов, от скорости протекания достаточно большого количества прямых и обратных химических реакций в объеме разряда и на поверхностях электродов. Сравнение при сопоставимом токе короны различных форм коронного разряда показало, что выход озона сравнительно низок только для режима ультракороны, причем с заметным снижением при увеличении разрядного промежутка ультракороны. За счет выбора материала электродов возможно снижение выхода озона в несколько раз.
Другая возможность снижения выхода озона связана с зависимостью скорости химических реакций от температуры. Поскольку наиболее интенсивно наработка атомарного кислорода происходит в чехле короны, достаточно прогревать только коронирующую проволочку. Действительно оказалось, что при сравнительно небольшом прогреве проволочки выход озона снижается. В зависимости от условий разряда и параметров коронирующей проволочки снижение составляет 1.6-2 раза, причем оптимум шириной порядка ±5 градусов находится в диапазоне температур от 40 до 120°С, в зависимости от материала коронирующей проволочки. Заметим, что этот локальный минимум отличается от описанного в [2] монотонного снижения выхода озона с ростом температуры при существенном прогреве проволочки коронирующего электрода.
Снизить концентрацию озона можно применив промышленные сотовые озоновые фильтры (тонкостенные металлические соты, покрытые специальными катализаторами). Установленные на выходе воздушного потока, они снижают концентрацию озона на 10-20%, причем снижение скорости потока составляет соответственно 7-18%. Более существенный аспект применения фильтров заключается в другом: происходит снижение примерно в 2-5 раза предельной установившейся концентрации озона в помещении при непрерывной работе электрического очистителя воздуха, причем большая цифра относится к маленьким помещениям, а меньшая - к большим, где предельная установившаяся концентрация, скорее всего, и так будет ниже ПДК. Важно и то, что устройство с таким озоновым фильтром можно использовать для снижения содержания озона в помещениях, где его приток обусловлен другими устройствами, например вентиляторами, приточной вентиляцией.
В процессе работ над изобретением был разработан и изготовлен опытный образец электрического очистителя воздуха, состоящий из первого (верхнего по потоку) очистительного модуля 6 с пористыми электропроводными осадительными электродами и второго (нижнего по потоку) очистительного модуля 7, идентичного с первым, за исключением того, что осадительные электроды были металлическими. Модули имели по десять осадительных (некоронирующих) электродов.
В модуле 6 осадительные электроды были выполнены виде пористых электропроводных пластин из углеродосодержащего пенополиуритана (см. фиг.7). В модуле 7 осадительные электроды были выполнены металлическими (из алюминиевого сплава) с утолщениями на передних кромках электродов (см. фиг.7).
Осадительные электроды в модулях 6 и 7 расположены параллельно друг другу на расстоянии 1.27 см. Между осадительными электродами располагались отталкивающие электроды.
В каждом очистительном модуле экспериментального образца заявленного устройства было расположено по девять коронирующих электродов (в виде проволочек) и по десять осадительных электродов.
Расстояние (промежуток) 24 (см. фиг.6) между коронирующим электродом 8 и передними кромками осадительных электродов 9 в первом очистительном модуле составляло 2.0 см. Коронирующий проволочный электрод имел диаметр 0.1 мм.
Протяженность 48 (см. фиг.6) осадительного электрода 9 составляла 3.7 см. Расстояние (промежуток) 22 (см. фиг.6) между коронирующим электродом 11 и передними кромками осадительных электродов 12 во втором очистительном модуле также составляло 2.0 см. Коронирующий проволочный электрод имел диаметр 0.1 мм.
Протяженность осадительного электрода 12 составляла 3.7 см.
Расстояние 23 варьировалось с целью определения оптимального расстояния.
В экспериментах участвовал прототип. По своей конструкции он был идентичен второму очистительному модулю с металлическими осадительными электродами.
Промежуток между коронирующим электродом и передними кромками
осадительных электродов у прототипа составлял 2.0 см. Коронирующий проволочный электрод имел диаметр 0.1 мм.
Протяженность осадительного электрода у прототипа составляла 3.7 см. Скорость воздушного потока (скорость ветра) у заявленного очистителя был примерно на 20% выше, чем у прототипа за счет использования двух очистительных модуля, расположенных один за другим на оптимальном расстоянии. Об оптимальном расстоянии расскажем ниже.
Выход озона у заявленного очистителя и прототипа были примерно одинаковы и не превышали ПДК озона в очищенном воздухе (для воздуха рабочей зоны).
Заявленный электрический очиститель воздуха (содержащий очистительный модуль с пористыми осадительными электродами) работал в экспериментах примерно в 7 раз дольше без замены (или чистки) по сравнению с прототипом при сходных условиях эксперимента.
2
Величина аккумулированной пыли на поверхности пористого электрода достигла в среднем примерно 0.7 мг/см. Однако такой очистительный модуль пропускает достаточно много мелкой пыли (размером менее 2 мкм) - до 25% частиц, хотя более крупную пыль чистит с эффективностью порядка 98%. Для эффективной очистки от прошедшей мелкой пыли (с существенно меньшей массой) и предназначен второй очистительный модуль с металлическими осадительными электродами.
Расстояние Y (позиция 23 на фиг.6) между коронирующим электродом 11 второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 7 и ближайшим к нему осадительным электродом 9 первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля 6, которое обеспечило максимальное повышение производительности (скорости потока воздуха), составляло величину порядка 13.6 см. Это в 6.8 раза превышает расстояние от коронирующего электрода 11 до осадительного электрода 12. При таком расстоянии достигнуто увеличение скорости ветра примерно на 20%.
Расстояние между коронирующим электродом и осадительным электродом у очистительного модуля 6 обозначено позицией 24 на фиг.6.
Расстояние между коронирующим электродом и осадительным электродом у очистительного модуля 7 обозначено позицией 22 на фиг.6.
з
п
На фиг.12 представлен график 49 изменения величины V/V (отношение скорости воздушного потока у заявленного очистителя к скорости воздушного потока у прототипа) от величины g, а также график 51 изменения концентрации озона в очищенном воздухе у заявленного очистителе от величины g.
Величина g показывает во сколько раз расстояние 23 больше расстояния 22 (см. фиг.6).
По результатам экспериментов авторы рекомендуют величину g принимать от 1.5 до 25. При таком значении g увеличение скорости уже заметно и составляет примерно от 3 до 20%.
График 49 пересекает ось g в точке 1.35.
График 49 может проходить и ниже оси g, что показывает на то, что скорость воздушного потока у заявленного очистителя может быть и меньше, чем у прототипа.
Размещение дополнительного отражательного электрода 21 (см. фиг.7) перед коронирующим электродом 11 второго очистительного модуля 7 на расстоянии от 2 до 50 диаметров коронирующего электрода позволило уменьшить расстояние Y между задней кромкой осадительного электрода первого очистительного модуля 6 и коронирующим электродом второго очистительного модуля 7 практически без снижения производительности исследованного образца воздухоочистителя.
з
п
На фиг.12 представлен график 50 (пунктирная линия) изменения величины V/V (отношение скорости воздушного потоку у заявленного очистителя к скорости воздушного потока у прототипа) от величины g при наличии отражательного электрода 21 с диаметром 2 мм.
График 50 пересекает ось g в точке 1.0.
Полученные данные демонстрируют преимущества заявленного изобретения, заключающееся в существенном увеличении времени работы электрического очистителя воздуха до момента замены или чистки осадительных электродов (в существенном увеличение ресурса или времени работы без обслуживания).
Принципиально важным преимуществом заявленного очистителя воздуха по сравнению с прототипом является повышение (по сравнению с прототипом примерно в 2-3 раза) степени очистки воздуха от пыли и микроорганизмов размером порядка 0.3 мкм и менее. В разрядном промежутке положительные ионы заряжают частицы, что заставляет их при движении вместе с потоком смещаться под действием электрического поля и диффузии к осадительным электродам и прилипать к ним. Классический вариант воздухоочистителя реализуется при размещении отталкивающих электродов с положительным относительно осадительных электродов потенциалом (см. фиг.1). В результате возрастает роль направленного к осадительному электроду дрейфового движения пылинок в электрическом поле (см. фиг.10 и 11). На фиг.10 позицией 39 показаны силовые линии электрического поля между коронирующим электродом 33 и осадительным электродом 38. Положительные ионы 36 и положительно заряженные частички пыли 41 движутся по силовым линиям электрического поля в направлении от электрода 33 к электроду 38. Между осадительным электродом 38 и отталкивающим электродом 42 также формируется электрическое поле, силовые линии которого обозначены позицией 43. Это электрическое поле воздействует на электрическое поле между электродом 33 и электродом 38, искривляет его в сторону осадительного электрода.
У первого, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены в виде пористых электропроводных пластин. Частички пыли оседают практически на всей сильно разветвленной поверхности электрода. На фиг.8 позицией 25 показаны траектории движения пылинок вблизи осадительного электрода очистительного модуля 6. Позицией 26 показана осевшая на электроде пыль. После эксперимента визуально было установлено, что пыль осела на всю поверхность электрода, в том числе, и на поверхность пор. Позицией 4 показано направление воздушного потока в электрическом очистителе воздуха.
У второго, по направлению движения воздуха, очистительного модуля осадительные электроды выполнены в виде металлических полос с утолщениями на передних кромках электродов. Частички пыли оседают практически на всей поверхности электрода 12. На фиг.9 позицией 27 показаны траектории движения пылинок вблизи осадительного электрода очистительного модуля 7. Позицией 28 показана осевшая на электроде пыль. Позицией 4 показано направление воздушного потока в электрическом очистителе воздуха.
Эксперименты показали, что процесс очистки улучшается при турбулизации потока, создаваемой, например, за счет рифлей или чередующихся выступов и углублений на больших поверхностях полосы и за счет имеющегося утолщения на передней кромке осадительного электрода, как у прототипа.
Поверхность пористых электропроводных пластин (осадительных электродов очистительного модуля 6) формируется неровностями и порами, что также турбулизирует поток.
Эффект улучшения очистки воздуха от пыли за счет турбулизации потока связан с ростом эффективности процессов зарядки пылинок и увеличением вклада диффузионной составляющей потока пылинок на осадительный электрод, поскольку коэффициент турбулентной диффузии пылинок существенно превышает коэффициент обычной диффузии.
На процесс прилипания пылинок 44 к осадительному электроду 38 (см. фиг.11) оказывает большое влияние процесс поляризации пылинок в электрическом поле вблизи электрода 38 (см. фиг.11). На фиг.11 позицией 45 показаны силовые линии этого электрического поля. Из-за наведения дипольного электрического момента у пылинок 44 или квадрупольного момента у пылинок 46 появляются электрические силы, удерживающие пылинки на поверхности после ухода их заряда на осадительный электрод. Наличие пор и неровностей на поверхности осадительного электрода 38 увеличивает неоднородность электрического поля вблизи поверхности и усиливает силу сцепления пылинок с поверхностью.
Кроме того, неоднородность электрического поля вблизи поверхности пористой электропроводной пластины осадительного электрода 38 способствует снижению концентрации ионов 47 в потоке очищенного воздуха, поскольку в неоднородном электрическом поле ионы более эффективно притягиваются к поверхности осадительного электрода 38.
Силовые линии 45 электрического поля (см. фиг.11) вблизи поверхности электрода 38 замыкаются на края углублений (пор) или на вершины выступов, что и увеличивает неоднородность электрического поля вблизи электрода 38.
Заявленный очиститель воздуха может быть успешно использован как в бытовых, так и в промышленных электрофильтрах.
В общем случае, в устройстве очистительных модулей может быть более двух. В частности, три, четыре и более. В этом случае появляется возможность повысить эффективность очистки воздуха от пыли, вирусов размером 0.01-0.1 мкм и менее.
Таким образом, в изобретении достигнуто существенное увеличение времени работы электрического очистителя воздуха до момента замены или чистки осадительных электродов; повышение скорости воздушного потока до 20% и выше; существенное усиление неоднородности электрического поля во время работы очистителя воздуха вблизи поверхности пористого осадительного электрода; существенное снижение количества прошедшей через очиститель (не осевшей на осадительных электродах) пыли, бактерий, спор и других вредных веществ.
Литература
[1]. Robinson M. A history of the electric wind. Am. J. Phys., 1962, v. 30(5), pp.366-372.
[2]. Toshikazu Ohkubo, Syunsaku Hamasaki, Yukiharu Nomoto, Jen-Shin Chang, Takayoshi Adachi. The effect of corona wire heating on the downstream ozone concentration profiles in an air-cleaning wire-duct electrostatic precipitator. IEEE Tr. Industry Appi, 1990, v. 26(3), pp.542-549.