УСТАНОВКА ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ МИКРОЧАСТИЦ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ И/ИЛИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ, И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ВЫПУСКНОЙ КОНТУР
INSTALLATION FOR FILTRATION OF MICROPARTICLES, CONTAINED IN GASEOUS COMBUSTION PRODUCTS, AND/OR EXHAUST GASES AND CORRESPONDING DISCHARGE CIRCUIT

Настоящее изобретение относится к установке для фильтрации микрочастиц, содержащихся в газообразных продуктах сгорания, отработавших газах и т.п., и к соответствующему выпускному контуру.
Как известно, газообразные продукты сгорания и отработавшие газы, выбрасываемые двигателями внутреннего сгорания и промышленными предприятиями или нагревательными системами различного типа (а также дымовыми трубами, промышленными дымоходами, мусоросжигательными заводами и т.п.), являются основными источниками атмосферного загрязнения.
На самом деле, газообразные продукты сгорания и отработавшие газы содержат мельчайшие частицы разного размера (которые, в целом, известны как микрочастицы), которые продолжают оставаться во извещенном состоянии в атмосфере, а следовательно, могут вдыхаться людьми, что может иметь крайне негативные последствия для здоровья.
В частности, известно, что мельчайшие частицы размером от 10 до 100 нм или даже менее 10 нм представляют исключительную опасность из-за их способности проникать в легкие и оседать в альвеолах, перенося с собой различные токсичные вещества.
Кроме этого концентрация в атмосфере мельчайших частиц, подобных упомянутым выше, является наибольшей, что увеличивает потенциальную опасность для людей.
На частичное устранение данных недостатков, в частности, направлено устройство, раскрытое в патентной заявке W02005/102535, поданной 22 апреля 2004 года за номером РСТ/IВ 2004/001388.
В вышеуказанной заявке фактически раскрывается устройство, содержащее кожух с перфорированной решеткой, которая имеет электрический потенциал с заранее заданной отрицательной величиной и которая расположена таким образом, чтобы она воздействовала на поток отработавших газов и газообразных продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу.
Отверстия решетки расположены определенным образом, так, чтобы их кромки образовывали множество заостренных продолжений или выступов, упрощающих излучение электронов при прохождении потока с целью отрицательного заряжания частиц в результате их взаимодействия с указанными электронами.
По потоку после решетки, внутри кожуха, находится множество взаимно параллельных металлических пластин, ориентированных в направлении движения потока таким образом, чтобы они образовывали параллельные каналы, пересекаемые частицами.
Пластины имеют попеременно положительные и отрицательные электрические потенциалы для того, чтобы они создавали электрическое поле, которое отклоняет частицы в направлении положительно заряженных пластин, на которых они накапливаются, предотвращая попадание частиц в атмосферу и позволяя их легко удалять за счет простого технического обслуживания указанной пластины.
Между тем, данное техническое решение имеет свои недостатки.
Фактически, со временем, у вышеуказанного устройства возникают недопустимые ограничения в плане эффективности и тонкости отсева загрязняющих микрочастиц (в частности, сверхмелких микрочастиц): во-первых, указанное устройство фактически продемонстрировало способность улавливать, а, следовательно, удалять частицы размером предпочтительно от 500 до 3000 нм, однако количество подобных частиц, которым удается пройти сквозь фильтр, остается весьма значительным.
Кроме этого, было установлено, что вышеуказанное устройство оказывается неэффективным для мельчайших частиц (размером от 10 до 100 нм или для сверхмелких частиц размером менее 10 нм), которые, как отмечалось ранее, представляют наибольшую опасность для здоровья людей.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы найти решение для вышеуказанных проблем, предложив установку, имеющую высокую эффективность фильтрации.
Таким образом, задача изобретения заключается в том, чтобы предложить выпускной контур, который позволяет осуществлять выбросы в окружающую среду газообразных продуктов сгорания и отработавших газов лишь после их эффективной фильтрации.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, которая позволяет эффективно удалять даже мельчайшие частицы, например, размером от 10 до 100 нм или менее 10 нм.
Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, которая обладает высоким фильтрационным ресурсом, без проведения частого техобслуживания или операций по очистке.
Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить фильтрационную установку, которая обладает высокой эксплуатационной надежностью.
Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить фильтрационную установку, которую можно легко изготовить с использованием имеющихся на рынке стандартных элементов и материалов.
Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить фильтрационную установку, которая имеет низкую себестоимость и безопасна в эксплуатации.
Данная цель, а также эти и другие задачи, которые станут более понятны далее, достигаются при помощи установки для фильтрации, перед их выбросом в окружающую среду, микрочастиц, находящихся в газообразных продуктах сгорания, отработавших газах и т.п., содержащей кожух, который может быть расположен вдоль выпускного контура для потока отработавших газов, газообразных продуктов сгорания и т.п., внутри указанного кожуха образован канал, по которому поток может следовать, попадая на перфорированную токопроводящую пластину, которая имеет отрицательный электрический потенциал и предназначена для излучения и рассеивания в указанном канале электронов, которые могут соединяться с частицами загрязнителя, переносимыми с потоком, и, по существу, являются микрочастицами, в результате чего частицы приобретают отрицательный заряд; в указанном канале, по потоку после указанной перфорированной пластины, находится по меньшей мере одна накопительная пластина, которая имеет положительный электрический потенциал и предназначена для притягивания и прочного удержания электрически заряженных частиц на указанной накопительной пластине, характеризуемой тем, что установка содержит по меньшей мере одну токопроводящую нить, которая имеет отрицательный электрический потенциал, обращена в сторону и находится вблизи от по меньшей мере одного соответствующего отверстия в указанной перфорированной пластине, являясь основным источником излучения и рассеивания электронов, которые могут соединяться с частицами, переносимыми с потоком, по существу, в непосредственной близости от места их прохождения через указанное отверстие.
Данная цель, а также эти и другие задачи, также достигаются при помощи выпускного контура для отработавших газов, газообразных продуктов сгорания, и т.п., предназначенного для их выброса в окружающую среду, оснащенного установкой для фильтрации микрочастиц, состоящих из частиц загрязнителя, переносимых с потоком отработавших газов, газообразных продуктов сгорания, и т.п., указанная установка содержит кожух, внутри которого образован канал, по которому поток может следовать, попадая на перфорированную токопроводящую пластину, которая имеет отрицательный электрический потенциал и предназначена для излучения и рассеивания в указанном канале электронов, которые могут соединяться с частицами загрязнителя, переносимыми с потоком, в результате чего частицы приобретают отрицательный заряд; в указанном канале, по потоку после указанной перфорированной пластины, находится по меньшей мере одна накопительная пластина, которая имеет положительный электрический потенциал и предназначена для притягивания и прочного удержания электрически заряженных частиц на указанной накопительной пластине, характеризуемого тем, что контур содержит по меньшей мере одну токопроводящую нить, которая имеет отрицательный электрический потенциал, обращена в сторону и находится вблизи от по меньшей мере одного соответствующего отверстия в указанной перфорированной пластине, являясь основным источником излучения и рассеивания электронов, которые могут соединяться с частицами, переносимыми с потоком, по существу, в непосредственной близости от места их прохождения через указанное отверстие.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут более понятны из описания трех предпочтительных, но не исключительных вариантов осуществления фильтрационной установки и контура по изобретению, изображенных в качестве неограничивающих примеров на прилагаемые чертежах.
На фиг. 1 схематически показана фильтрационная установка по первому варианту осуществления, вид в сечении вдоль осевой плоскости;
на фиг. 2 - пластина по первому варианту осуществления, вид в перспективе;
на фиг. 3 - вид с большим укрупнением, в перспективе, фрагмента установки по фиг. 1;
на фиг. 4 - вид сбоку фрагмента по фиг. 3;
на фиг. 5 - вид в перспективе пластины по второму варианту осуществления;
на фиг. 6 - вид в перспективе пластины по третьему варианту осуществления;
на фиг. 7 - возможное применение установки и контура по изобретению, вид в перспективе.
В частности, со ссылкой на фигуры, ссылочной позицией 1, в целом, обозначена установка для фильтрации микрочастиц перед их выбросом в окружающую среду, содержащая кожух 2, который может быть расположен вдоль выпускных контуров 3 для потока отработавших газов, газообразных продуктов сгорания и т.п.
Подобные отработавшие газы и газообразные продукты сгорания могут выбрасываться двигателями внутреннего сгорания и промышленными предприятиями А или нагревательными системами различного типа, а также дымовыми трубами, промышленными дымоходами, мусоросжигательными заводами и т.п.; в любом случае, как будет рассмотрено более подробно на последующих страницах, установка 1 способна воздействовать на указанный поток с целью удаления из него микрочастиц, т.е. как известно, спектра мелких частиц В (в твердом, а также в жидком состоянии, которые обычно являются активными загрязнителями), распыленными в потоке и переносимыми вместе с ним.
С самого начала следует отметить, что данное использование является предпочтительным применением установки 1 по изобретению, и что в остальной части настоящего описания на него будет постоянно даваться ссылка, при этом испрашиваемый здесь объем защиты допускает, с учетом конкретных потребностей, использование установки 1 для фильтрации потоков других газообразных веществ.
Внутри кожуха 2 образован канал 4, по которому поток может следовать, попадая на перфорированную токопроводящую пластину 5, которая имеет отрицательный электрический потенциал (величина которого, необязательно варьируемая со временем, может устанавливаться произвольно с учетом конкретных потребностей), таким образом, чтобы она могла излучать и рассеивать в канале 4 электроны, которые могут соединяться с частицами В загрязнителя, переносимыми с потоком, и, которые как отмечалось, по существу, являются микрочастицами.
В результате их соединения с электронами, частицы В приобретают отрицательный электрический заряд, позволяющий притягивать их и прочно удерживать на по меньшей мере одной накопительной пластине 6, которая расположена в канале 4, по потоку после перфорированных пластин 5 и которая с этой целью имеет положительный электрический заряд.
Следует отметить, что кожух 2 может быть выполнен в виде трубчатой втулки, которая может быть вставлена соосно в контур 3, либо может быть образован его частью. Между тем, в технических решениях, предлагаемых на прилагаемых фигурах исключительно в качестве примера, кожух 2, по существу, имеет форму параллелепипеда и расположен вдоль выпускного контура 3 для отработавших газов и газообразных продуктов сгорания, тем самым, заставляя их следовать по каналу 4 и проходить через перфорированную пластину 5, прежде чем они будут выброшены в атмосферу и, в любом случае, наружу.
Согласно изобретению фильтрационная установка 1 содержит по меньшей мере одну токопроводящую нить 7, которая имеет отрицательный электрический потенциал, необязательно равный потенциалу перфорированной пластины 5, и которая обращена в сторону по меньшей мере одного соответствующего отверстия 8 в перфорированной пластине 5 и находится вблизи указанного отверстия, определяя основной и преимущественный источник излучения и рассеивания электронов, которые могут соединяться с частицами В, переносимыми с потоком, по существу, вблизи от места их прохождения через отверстие 8.
Предпочтительно, с целью оптимизации направления электрически заряженных частиц В в сторону накопительной пластины 6, фильтрационная установка 1 по изобретению содержит по меньшей мере одну дефлекторную пластину 9, которая имеет отрицательный электрический потенциал (необязательно равный потенциалу нити 7 и/или перфорированной пластины 5); накопительная пластина 6 и дефлекторная пластина 9 расположены вдоль оси канала 4, по существу, взаимно параллельно, таким образом, чтобы они создавали внутри канала 4 электрическое поле и в итоге способствовали направлению и удержанию электрически заряженных частиц В на накопительной пластине 6.
В частности, как показано, например, на фиг. 1, фильтрационная установка 1 по изобретению содержит множество накопительных пластин 6 (например, три, как показано в качестве примера на фиг. 1) и дефлекторных пластин 9, которые расположены попеременно вдоль оси канала 4, по существу, взаимно параллельно, таким образом, чтобы они образовывали соответствующие промежутки 10, по которым, в свою очередь, проходит поток, переносящий заряженные частицы В.
Предпочтительно фильтрационная установка 1 по изобретению содержит по меньшей мере одну первую токопроводящую нить 7, которая имеет отрицательный электрический потенциал и которая обращена в сторону и расположена вблизи отверстия 8 и находится по потоку после пластины 5 (а следовательно, после отверстия 8), и по меньшей мере одну вторую токопроводящую нить 7, которая имеет отрицательный электрический потенциал и которая обращена в сторону и расположена вблизи от отверстия 8 и находится по потоку перед пластиной 5 (а, следовательно, перед отверстием 8).
Поэтому испрашиваемый здесь объем защиты включает в себя технические решения, в которых по меньшей мере одна нить 7 расположена только по потоку после (либо только по потоку спереди от) пластины 5 (по существу, как это показано на фиг. 5), а также (предпочтительно) технические решения, в которых по меньшей мере одна нить 7 расположена по потоку перед пластиной 5 и по меньшей мере одна нить 7 расположена по потоку после нее.
Более конкретно, по предпочтительному техническому решению, используемому в качестве неограничивающего примера применения изобретения, пластина 5 содержит множество отверстий 8 (как это, в частности, показано на прилагаемых фигурах), каждое из которых обращено в сторону и расположено вблизи по меньшей мере одной соответствующей токопроводящей нити 7, имеющей отрицательный электрический потенциал.
Еще более конкретно, а также со ссылкой на предпочтительное техническое решение, фильтрационная установка 1 содержит множество нитей 7 переменной длины, которые обращены в сторону и расположены вблизи от каждого из отверстий 8, как это показано в качестве примера на прилагаемых фигурах.
Поэтому на практике совокупная масса отработавших газов или газообразных продуктов сгорания, следующих по каналу 4, принудительно пропускается через одно из отверстий 8 в перфорированной пластине 5, рядом с которым находится множество нитей 7, способных рассеивать в непосредственной близости от них огромное количество электронов; установка 1 по изобретению обладает исключительно высокой эффективностью, поскольку поток отработавших газов и газообразных продуктов сгорания принудительно пропускается через область, в которой происходит наибольшее излучение электронов, что обеспечивает соединение указанных электронов с очень большим количеством частиц В загрязнителей А.
По одному из технических решений, представляющих значительный практический интерес, которое не ограничивает применяемость изобретения, каждая нить 7 предпочтительно изготовлена из металлического материала и является многожильной, кроме этого у каждой нити 7 имеются первые неподвижные концы 7а, которые неподвижно жестко прикреплены к перфорированным пластинам 5 (различными способами, один из которых будет рассмотрен подробно в последующих абзацах), а с противоположной стороны - вторые свободные концы 7b, которые разнесены от пластины 5 и предпочтительно расположены в виде клина, что обеспечивает оптимальное излучение и рассеивание электронов (на самом деле, за счет, по существу, ориентированной формы нитей 7).
По вариантам осуществления, изображенным на прилагаемых фигурах исключительно в качестве примера, каждое из отверстий 8 имеет, по существу, круглую форму и пересекается диаметральным ребром 11; поэтому неподвижные концы 7а каждой нити 7 могут быть прикреплены именно к указанным ребрам 11 соответствующих перфорированных пластин 5.
Предпочтительно фильтрационная установка 1 по изобретению содержит направляющий элемент, который, в свою очередь, расположен вблизи от отверстия 8 и имеет иной электрический потенциал, по сравнению с электрическим потенциалом нитей 7 (например, равный потенциалу Земли), таким образом, чтобы задавать электронам, излучаемым нитями 7 (и соединяющимися с частицами В загрязнителя) определенную траекторию движения, которая, фактически, следует в направлении указанного элемента.
Более конкретно, по первой конструктивной модификации направляющий элемент, по существу, состоит из по меньшей мере одной металлической укрывной пленки (например, из меди), которая может быть помещена на по меньшей мере одну (или обе) соответствующую поверхность 5а перфорированной пластины 5 (полностью или частично закрывая ее); за счет этого на практике можно заставлять электроны, излучаемые нитями 7а, двигаться по определенной траектории, ведущей к перфорированной пластине 5, а поскольку поверхность 5а расположена на другой осевой высоте по сравнению со свободными концами 7b нитей 7, электроны, излучаемые последними, следуют по траектории, которая имеет первый участок, проходящий перпендикулярно направлению движения потока отработавших газов и газообразных продуктов сгорания, после чего направление становится перпендикулярным пластине 5 (и поверхности 5а, на которую помещена пленка, притягивающая электроны), а следовательно, параллельным направлению движения потока.
По второй конструктивной модификации направляющий элемент, по существу, состоит из металлической сетки, которая расположена параллельно компоновке, находящейся рядом с пластиной 5, и к которой соответственно могут притягиваться электроны, излучаемые нитями 7 (и пластиной 5).
Если нити 7 расположены только по потоку после пластины 5 или только по потоку перед платиной 5, соответственно, то металлическая сетка может быть расположена только по потоку после или только по потоку перед указанной пластиной 5; а если нити 7 расположены как по потоку после, так и по потоку перед пластиной 5, то установка по изобретению содержит одну металлическую сетку, либо две металлические сетки, предпочтительно расположенные по потоку после или по потоку перед указанной пластиной 5.
По другой конструктивной модификации (изображенной в качестве примера на фиг. 6), каждое из отверстий 8 имеет приподнятую цилиндрическую границу 12, которая выступает от кромки отверстий 8.
По данной конструктивной модификации направляющие элементы образованы укрывным слоем, расположенным сверху каждой границы 12, осевая протяженность указанной границы 12 больше длины нитей 7 (как это фактически видно из фиг. 6) таким образом, чтобы определенная траектория, по которой следуют электроны, излучаемые нитями 7, имела по меньшей мере один участок, проходящий, по существу, параллельно направлению движения (и направленный таким же образом) с целью увеличения времени взаимодействия между электронами, притягиваемыми к верхней части границы 12, и указанным потоком отработавших газов и газообразных продуктов сгорания и способствования соединению электронов с частицами В загрязнителя.
По другой конструктивной модификации, которая не ограничивает способы реализации установки 1 по изобретению и в любом случае не выходит за испрашиваемый здесь объем защиты, каждое из отверстий 8 имеет форму звезды таким образом, чтобы она образовывала множество ориентированных лапок, дополнительно способствующих излучению и рассеиванию электронов.
Контур для отработавших газов, газообразных продуктов сгорания и т.п., чтобы позволить им выходить в окружающую среду, снабжен установкой 1 для фильтрации частиц В загрязнителя, содержащихся в отработавших газах, газообразных продуктах сгорания и т.п. Указанная установка 1 содержит кожух 2, внутри которого образован канал 4, по которому поток может следовать, попадая на перфорированную пластину 5, имеющую отрицательный электрический потенциал, для излучения и рассеивания в канале 4 электронов, которые могут соединяться с частицами В загрязнителя, переносимыми с потоком, передавая им отрицательный электрический заряд.
Внутри канала 4, по потоку после перфорированной пластины 5, находится по меньшей мере одна накопительная пластина 6, имеющая положительный электрический потенциал, которая предназначена для притяжения и прочного удержания электрически заряженных частиц В.
Согласно изобретению выпускной контур 3 содержит по меньшей мере одну токопроводящую нить 7, которая имеет отрицательный электрический потенциал и которая обращена в сторону и находится вблизи по меньшей мере одного соответствующего отверстия 8 в перфорированной пластине 5, являясь основным источником излучения и рассеивания электронов, которые могут соединяться с частицами В, переносимыми с потоком, после прохождения через отверстие 8.
Установка по изобретению функционирует следующим образом.
Установка 1 может быть расположена вдоль выпускного контура 3 (или совпадать с его частью), предназначенного для выброса в атмосферу отработавших газов и газообразных продуктов сгорания, содержащих частицы В различных загрязнителей (обычно известных как микрочастицы).
Отработавшие газы или газообразные продукты сгорания, следующие по каналу 4, попадают на перфорированную пластину 5 и проходят через отверстия 8, рядом с которыми, как это показано, находятся нити 7, являющиеся основным и преимущественным источником излучения электронов (которые также излучаются пластиной 5, поскольку оба эти элемента имеют отрицательный электрический потенциал).
Расположение нитей 7 вблизи отверстий 8 (по потоку перед и/или по потоку после них) обеспечивает прохождение всей массы отработавших газов или газообразных продуктов сгорания, образующих поток, через ту часть пространства, где происходит наиболее сильное излучение электронов, что позволяет значительному количеству частиц В соединяться с электронами, приобретая отрицательный электрический заряд (как уже отмечалось, данный эффект усиливается наличием направляющего элемента, который позволяет произвольно задавать траекторию движения электронов).
По потоку после пластины 5 отрицательно заряженные частицы В подвергаются воздействию электрического поля, создаваемого накопительной пластиной 6 (имеющей положительный заряд), которая обращена в сторону дефлекторных пластин 9 (имеющих отрицательный заряд); вследствие этого частицы В выпадают и осаждаются, прочно удерживаясь на накопительных пластинах 6 до выброса отработавших газов и газообразных продуктов сгорания наружу, тем самым уменьшая или полностью исключая выбросы в атмосферу микрочастиц любого размера, обеспечивая значительно более высокую эффективность отсева, чем у фильтрационных устройств известного типа.
На самом деле высокая эффективность фильтрации, обеспечиваемая вышеуказанным способом, позволяет эффективно использовать установку 1 даже для отсева мельчайших частиц В, например размером от 10 до 100 нм или даже микрочастиц сверхмелкого размера, т.е. менее 10 нм, что позволяет добиться результатов, которые совершенно невозможно получить с применением известных фильтрационных узлов.
Кроме этого следует отметить, что операции по очистке/обслуживанию фильтрационной установки 1 исключительно просты и непродолжительны, поскольку для удаления накопившихся микрочастиц достаточно проведения периодической очистки открытых поверхностей накопительной пластины 6.
В этой связи также следует отметить, что исключается вероятность отделения частиц В после их сцепления с накопительной пластиной 6, поэтому операции по очистке можно проводить крайне редко, что дополнительно способствует экономии времени и денежных средств.
В ходе практической эксплуатации было установлено, что фильтрационная установка и контур по изобретению позволяют полностью решить поставленную задачу, поскольку наличие по меньшей мере одной токопроводящей нити, имеющей отрицательный электрический потенциал, являющейся основным источником излучения и рассеивания электронов, расположенной таким образом, чтобы она была обращена в сторону и находилась вблизи от по меньшей мере одного соответствующего отверстия в перфорированной пластине, которая также имеет отрицательный электрический потенциал, для излучения и рассеивания электронов, которые, в свою очередь, могут соединяться с частицами загрязнителя, предавая им в итоге отрицательный электрический заряд, способствующий их сцеплению с накопительной пластиной, имеющей положительный электрический потенциал, позволяет получить установку и контур, обладающие высокой эффективностью фильтрации.
Поэтому изобретение в представленном виде допускает различные модификации и вариации, все из которых входят в объем, определяемый прилагаемой формулой изобретения; а любые детали могут быть заменены другими технически равноценными аналогами.
Например, установка 1 может иметь любое произвольное количество перфорированных пластин 5, которые, например, могут быть расположены последовательно внутри канала 4 (за которыми находятся соответствующие пластины 6, 9).
Кроме этого внутренние стенки кожуха 2 могут быть закрыты листом изоляционного материала (который, соответственно, находится между указанными стенками и указанными пластинами 6, 9).
В изображенных типовых вариантах осуществления индивидуальные параметры, приведенные для конкретных примеров, можно взаимозаменять другими параметрами из других типовых вариантов осуществления.
На практике используемые материалы, а также размеры могут быть любыми в зависимости от потребностей и уровня техники.
Если для технических признаков в любых из пунктов формулы изобретения указаны ссылочные позиции, то данные ссылочные позиции используются исключительно для упрощения понимания пунктов формулы изобретения и не устанавливают каких-либо ограничений при трактовании отдельных элементов, обозначенных, например, подобной ссылочной позицией.