УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE AND METHOD OF SEPARATING MATERIALS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В настоящий момент в системах очистки газа и отделения частиц от потока газа используют фильтры, циклоны или электрические способы, такие как электрические фильтры или способ ионной продувки. Способы и устройства отделения частиц и капель от потока газа также известны из DE 1471620 A1 и DE 19751984 A1.
[0003] В очистителях воздуха, используемых сегодня, наблюдается отказ от традиционного способа использования фильтров для механического извлечения нежелательных частиц из воздуха. Недостатки таких систем фильтрации заключаются в том, что необходимо замедлить скорость потока воздуха, а фильтр требуется периодически снимать для очистки. Кроме того, трудно добиться эффективной очистки при помощи известных методов, если частицы имеют диаметр от одного до нескольких десятков нанометров.
[0004] Работа циклонов основана на уменьшении скорости потока газа, чтобы тяжелые частиц в потоке газа падали в сборник. Поэтому циклоны используются для отделения тяжелых частиц.
[0005] В электрических фильтрах частицы отделяются от газа на сборные пластины или внутренние поверхности труб. Скорость потока газа в электрических фильтрах в целом должна быть менее 1,0 м/с, при этом производителями рекомендовано значение 0,3-0,5 м/с.Низкая скорость потока газа обусловлена тем, что при высокой скорости частицы, осажденные на пластинах, выбрасываются, что значительно сокращает эффективность отделения. Работа электрических фильтров основана на электростатическом заряде частиц. Однако электрическая зарядка частиц размером в несколько нанометров представляет собой сложную задачу. Кроме того, не все материалы являются электрически заряженными. Низкая скорость потока газа требуется также в связи с этапом очистки сборных пластин. При очистке пластин поток направляют на пластины, позволяя сбросить собранные частицы. Задача заключается в том, чтобы минимально возможное количество частиц, снятое с пластин во время очистки, вернулось в поток газа. При низкой скорости газа можно добиться приемлемого пропускания частиц.
[0006] Кроме того, в электрических очистителях воздуха используются свойства зарядов в ионизируемом газе и электростатические средства для извлечения заряженных частиц из направленного потока воздуха. Этот способ извлечения улучшает эффективность не только в отношении общего количества извлекаемых частиц, но также и их типов. Как правило, в очистителе воздуха используются свойства положительно или отрицательно заряженных частиц, при этом электрическое поле взаимодействует с этими заряженными частицами. Заряженные частицы реагируют на электрическое поле и затягиваются в направлении ионного потока на сборную поверхность.
[0007] Например, в документе EP 1165241 B1 раскрывается способ и устройство для отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа, при этом в указанном способе поток газа направляют через сборную камеру, наружные стенки которой заземлены, а высокое напряжение направлено на кончики для выпуска ионов, установленные в сборной камере, что обеспечивает поток ионов от кончиков для выпуска ионов к сборной поверхности и отделение необходимых материалов от потока газа. Изобретение характеризуется тем, что сборная поверхность, проводящая электричество, электрически изолирована от наружных корпусов и что высокое напряжение постоянного тока со знаком, противоположным знаку высокого напряжения, направленного на кончики для выпуска ионов, направлено на сборную поверхность. Согласно одному варианту реализации изобретения, электрическая изоляция сделана из АБС-сополимера, а поверхность, проводящая электричество, содержит тонкий слой хрома на изоляционном слое. Кончики для выпуска ионов установлены кольцами, за счет чего сокращается расстояние между ними и сборной поверхностью. Таким образом, некоторые частицы, содержащиеся в медленном потоке газа, проходят не через ионные лучи, а через крепежную штангу и кончики для выпуска ионов.
[0008] В связи с описанным выше, становятся очевидными преимущества создания способа и системы, которые дополнительно увеличивают эффективность отделения. Необходимо обеспечить производство системы в промышленных масштабах.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Изобретение охарактеризовано признаками в независимых пунктах формулы. В зависимых пунктах формулы охарактеризованы конкретные варианты реализации изобретения.
[0010] Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа, при этом устройство содержит впуск для поступающего воздуха, подлежащего очистке, сборную камеру, выпуск для очищенного воздуха, источник напряжения с приводами, крепежную стойку, к которой присоединены кончики для выпуска ионов, причем устройство выполнено с возможностью подачи высокого напряжения на кончики для выпуска ионов, которые обеспечивают ионные лучи от кончиков для выпуска ионов к сборной поверхности, при этом сборная поверхность, проводящая электричество, электрически изолирована от наружной стенки сборной камеры посредством электрической изоляции, и устройство выполнено с возможностью подачи напряжения на кончики для выпуска ионов со знаком, который противоположен знаку напряжения, подаваемого на сборную поверхность, при этом кончики для выпуска ионов расположены непосредственно на поверхности крепежной стойки, имеющей длину, при этом кончики для выпуска ионов выступают из поверхности крепежной стойки в полость сборной камеры.
[0011] Различные варианты реализации первого аспекта изобретения могут иметь по меньшей мере одну особенность из приведенного ниже списка:
• сборная камера имеет цилиндрическую, эллиптическую или кольцевую форму
• крепежная стойка имеет цилиндрическую, эллиптическую или кольцевую форму
•диаметр цилиндрической крепежной стойки находится в диапазоне от 40 до 150 мм, предпочтительно от 80 до 120 мм, например 100 мм
• большая ось эллиптической крепежной стойки находится в диапазоне от 40 до 150 мм, предпочтительно от 80 до 120 мм, например 100 мм, и/или малая ось эллиптической крепежной стойки находится в диапазоне от 20 до 120 мм, предпочтительно от 50 до 100 мм, например 80 мм
• максимальный диаметр или максимальная большая ось сборной камеры находится в диапазоне от 200 до 1600 мм
• напряжение находится в диапазоне от 10 до 110 кВ, предпочтительно в диапазоне от 10 до 60 кВ
• ток находится в диапазоне от 50 до 5000 мкА, предпочтительно от 400 до 2300 мкА, например 1500 мкА
•длина кончика для выпуска ионов находится в диапазоне от 1 до 40 мм, предпочтительно от 5 до 20 мм.
• кончики для выпуска ионов расположены по спирали вокруг поверхности крепежной стойки
3
3
•объемный расход воздуха находится в диапазоне от 20 до 800 м/ч, например 200 м/ч
•скорость потока воздуха через полость находится в диапазоне от 0,3 до 2,5 м/с, например более 1,0 м/с
• множество кончиков для выпуска ионов ряда кончиков для выпуска ионов расположены на равном расстоянии друг от друга
• по меньшей мере часть кончиков для выпуска ионов расположены под углом в диапазоне от 40° до 50°, предпочтительно 45°, к поверхности крепежной стойки в направлении вниз, под углом в диапазоне от 40° до 50°, предпочтительно 45°, к поверхности крепежной стойки в направлении вверх или под углом в диапазоне от 80° до 100°, предпочтительно перпендикулярно, к поверхности крепежной стойки
• крепежная стойка содержит наружные поверхности, образующие закрытый корпус
• устройство выполнено с возможностью направления потока воздуха через полость между крепежной стойкой и сборной поверхностью
• по меньшей мере часть наружной стенки сборной камеры или по меньшей мере часть ленты, выполненной из электропроводящего материала (при этом лента окружает наружную стенку сборной камеры), заземлена.
[0012] Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа, при этом способ включает направление потока газа через сборную камеру; обеспечение полости для потока газа между крепежной стойкой и проводящей электричество сборной поверхностью, которая электрически изолирована от наружной стенки сборной камеры; обеспечение кончиков для выпуска ионов на поверхности крепежной стойки; создание высокого напряжения между кончиками для выпуска ионов и сборной поверхностью, обеспечение кончиков для выпуска ионов на поверхности крепежной стойки, имеющей длину и диаметр, при этом кончики для выпуска ионов выступают из поверхности крепежной стойки в полость сборной камеры, подачу на сборную поверхность высокого напряжения постоянного тока со знаком, который противоположен знаку высокого напряжения, подаваемого на кончики для выпуска ионов; отделение внутри сборной камеры по меньшей мере части материалов от потока газа.
[0013] Различные варианты реализации второго аспекта изобретения могут иметь по меньшей мере одну особенность из приведенного ниже списка:
поток газа направляют через полость между поверхностью крепежной стойки и сборной поверхностью
поток газа направляют вдоль поверхности крепежной стойки
на поток газа воздействуют электрическим полем в полости между кончиками для выпуска ионов и сборной поверхностью, при этом весь материал, содержащийся в газе, проходит через полость
в способе используют напряжение в диапазоне от 10 до 100 кВ, предпочтительно напряжение в диапазоне от 10 до 60 кВ,
в способе используют диаметр крепежной стойки в диапазоне от 40 до 150 мм
в способе используют ток в диапазоне от 50 до 5000 мкА, предпочтительно от 400 до 2300 мкА, например, 1500 мкА,
3
3
поток газа направляют через полость с объемным расходом воздуха в диапазоне от 20 до 800 м/ч, например 200 м/ч
поток газа направляют через полость со скоростью от 0,5 до 2,5 м/с, например более 1,0 м/с.
[0014] В конкретных вариантах реализации изобретения достигаются значительные преимущества. Предложена система и способ отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа. В конкретных вариантах реализации настоящего изобретения также может быть улучшено отделение материалов от потока газа. В частности, можно достичь высокой эффективности отделения.
[0015] Неожиданно было установлено, что увеличение диаметра крепежной стойки, а вместе с тем и увеличение локальной скорости потока в полости, не уменьшает эффективность отделения по сравнению с другими системами. По всей видимости, влияние увеличенного электрического поля и тока в полости между крепежной стойкой и сборной поверхностью важнее, чем влияние высокой скорости потока газа. Например, устройство согласно конкретным вариантам реализации изобретения с использованием крепежной стойки диаметром 100 мм, напряжения 60 кВ и тока 1400 мкА обеспечивает высокую эффективность отделения, например, для частиц размером свыше 50-200 мм. Эффективность отделения можно улучшить примерно с 70% до примерно 80% за счет конкретных вариантов реализации изобретения. Необходимое количество кончиков для выпуска ионов можно расположить непосредственно на поверхности крепежной стойки. На поток газа воздействует электрическое поле в полости между кончиками для выпуска ионов и сборной поверхностью, при этом весь материал, содержащийся в газе, проходит через полость. Поток газа через кольца за пределами электрического поля отсутствует.В соответствии с конкретными вариантами реализации, эффективность отделения также можно улучшить для частиц и/или капель, диаметр которых составляет от 1 до 10 нанометров или до 20 нанометров, или до нескольких десятков нанометров. В частности, система в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения также повышает эффективность отделения частиц и/или капель диаметром менее 10 нанометров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] На ФИГУРЕ 1 изображен схематический вид устройства для отделения материалов в соответствии по меньшей мере с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения, и
[0017] на ФИГУРЕ 2 изображен схематический вид крепежной стойки в соответствии по меньшей мере с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Настоящее изобретение относится к устройству для отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа, при этом такое устройство содержит камеру, расположенную внутри корпуса, имеющего впуск и выпуск для потока воздуха. Корпус имеет поверхность, служащую в качестве сборной поверхности. В корпусе по существу в центре предусмотрена стойка с цилиндрическим или эллиптическим телом. На поверхности цилиндрического или эллиптического тела предусмотрен ряд кончиков для выпуска ионов для направления ионных лучей к сборной поверхности. Стойка соединена с источником питания, позволяющим кончикам для выпуска ионов генерировать электрические поля в виде ионных лучей, излучаемых из кончиков для выпуска ионов. Корпус и стойка изолированы друг от друга и могут быть присоединены к отдельным источникам питания, чтобы они могли иметь разные заряды в целях направления электрических полей. Как правило, стойка по меньшей мере частично представляет собой цилиндрическое тело, имеющее поверхность, определенную диаметром в поперечном сечении и длиной тела. Размеры стойки определяют площадь поперечного сечения полости между стойкой и сборной поверхностью. Локальную скорость потока воздуха в полости можно увеличить за счет увеличения диаметра стойки. Кроме того, чем больше площадь поверхности, тем больше кончиков для выпуска ионов можно расположить на корпусе, тем самым увеличив генерируемые электрическое поле и ток, окружающий тело. Таким образом, обеспечивается большее воздействие электрического поля на частицы, содержащиеся в потоке воздуха, которые заряжаются и затем направляются на сборную поверхность для удаления. Высокая плотность электрического поля, создаваемого внутри камеры, повышает эффективность извлечения частиц за счет извлечения большего количества частиц из быстрого потока воздуха. Кроме того, все частицы в потоке воздуха должны пройти через полость между стойкой и сборной поверхностью.
[0019] На ФИГУРЕ 1 изображен схематический вид устройства отделения материалов по меньшей мере в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения. Устройство 1 предназначено для отделения материалов в виде частиц и/или капель от потока газа. Главным образом, устройство предназначено для отделения частиц и/или капель, диаметр которых составляет от одного нанометра до нескольких десятков нанометров. Устройство содержит впуск 2 для поступающего воздуха 3, подлежащего очистке, сборную камеру 4, выпуск 6 для очищенного воздуха 7, источник напряжения с приводами и крепежную стойку 9, к которой присоединены кончики 10 для выпуска ионов. Металлическая лента (не изображена), окружающая наружную стенку сборной камеры, заземлена. Крепежная стойка 9 содержит наружные поверхности, образующие закрытый корпус. Устройство 1 выполнено с возможностью направления потока воздуха через полость 14 между крепежной стойкой 9 и сборной поверхностью 12. Кроме того, устройство 1 выполнено с возможностью подачи высокого напряжения на кончики 10 для выпуска ионов, которые обеспечивают ионные лучи 11 от кончиков 10 для выпуска ионов к сборной поверхности 12.
[0020] Сборная поверхность 12, проводящая электричество, электрически изолирована от наружной стенки 5 сборной камеры 4 посредством электрической изоляции. Электрическая изоляция может, например, крепиться к наружной стенке 5 сборной камеры 4 посредством креплений (не изображены). Электрическая изоляция может быть стеклянной, пластиковой, акрилонитрил-бутадиен-стиреновой (АБС) или состоять из аналогичного вещества, изолирующего высокое напряжение.
[0021] Кроме того, устройство 1 выполнено с возможностью подачи напряжения на кончики 10 для выпуска ионов со знаком, противоположным знаку напряжения, подаваемого на сборную поверхность 12. Другими словами, напряжение постоянного тока со знаком (положительным на фигуре), противоположным знаку высокого напряжения, подаваемого на кончики 10 для выпуска ионов (отрицательным на фигуре), подается на поверхность 12, проводящую электричество. Таким образом, напряжения являются противоположными, т.е. положительное для кончиков 10 для выпуска ионов и отрицательное для поверхности 12, проводящей электричество, или отрицательное для кончиков 10 для выпуска ионов и положительное для поверхности 12, проводящей электричество. Как правило, напряжение кончиков 10 для выпуска ионов по существу равно напряжению сборной поверхности 12, но также можно использовать напряжения другой величины. Преимущества равного напряжения заключается в простоте структуры центров высокого напряжения. Кроме того, при равных напряжениях достигаются более высокие результаты очистки.
кол
кол
[0022] Кончики 10 для выпуска ионов расположены непосредственно на поверхности 13 крепежной стойки 9, имеющей длину L и диаметр D, при этом кончики 10 для выпуска ионов выступают из поверхности 13 крепежной стойки в полость 14 сборной камеры 4. Размеры крепежной стойки 9 определяют площадь поперечного сечения полости 14 между стойкой и сборной поверхностью. Таким образом, для заданного объемного расхода воздуха применение результатов уравнения непрерывности позволяет увеличить локальную скорость потока воздуха через полость 14 с повышением диаметра крепежной стойки.
кол
кол
кол
[0023] На ФИГУРЕ 2 изображен схематический вид крепежной стойки по меньшей мере в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения. Диаметр D крепежной стойки 9 может находиться, например, в диапазоне от 40 до 150 мм. В частности, диаметр D крепежной стойки может составлять, например, 40 мм, 100 мм или 150 мм. Соотношение между диаметром D и максимальным диаметром сборной камеры может составлять, например, 1:3. Крепежная стойка 9 может, например, содержать 48 кончиков 10 для выпуска ионов. Длина кончика 10 для выпуска ионов может находиться, например, в диапазоне от 2 до 15 мм. В частности, длина кончика 10 для выпуска ионов может составлять 5 или 10 мм. На ФИГУРЕ 2 кончики для выпуска ионов расположены на равном расстоянии относительно друг друга. В соответствии с конкретными вариантами реализации, кончики 10 для выпуска ионов расположены по спирали вокруг поверхности 13 крепежной стойки 9.
3
[0024] Поток поступает через кольцевую полость 14 сборной камеры 4 во время использования изображенной крепежной стойки 9 в устройстве 1 в соответствии с ФИГУРОЙ 1. Объемный расход воздуха может составлять, например, приблизительно 200 м/ч. Скорость потока воздуха через полость 14 может находиться в диапазоне от 0,5 до 2,5 м/с, например 1,5 м/с.
[0025] Все частицы и/или капли, содержащиеся в потоке воздуха, проходят через полость 14 между сборной поверхностью 12 и поверхностью 13 крепежной стойки 13. Затем все частицы и/или капли проходят через ионные лучи 11, что улучшает процесс очистки воздуха.
[0026] Следует понимать, что варианты реализации раскрываемого изобретения не ограничены определенными конструкциями, этапами способа или материалами, раскрываемыми в настоящей заявке, и включают их аналоги, которые повсеместно используются специалистами в данной области техники. Также следует понимать, что термины, используемые в настоящей заявке, применяются в целях описания конкретных вариантов реализации и не носят ограничительный характер.
[0027] Ссылка в тексте настоящей заявки на один вариант реализации или какой-либо вариант реализации означает, что определенная особенность, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом реализации, включены по меньшей мере в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте реализации» или «в каком-либо варианте реализации» в разных местах настоящей заявки не обязательно ссылаются на один и тот же вариант реализации. Если дается ссылка на числовое значение с указанием термина «приблизительно» или «по существу», то также раскрывается точное числовое значение.
[0028] В настоящей заявке множество изделий, элементов конструкции, составных элементов и/или материалов может быть предоставлено в виде общего списка в целях удобства. Однако такие списки следует рассматривать таким образом, как если бы каждый элемент списка обозначался как отдельный и уникальный элемент. Таким образом, отдельные элементы такого списка не считаются фактическими эквивалентами какого-либо другого элемента этого списка исключительно на основании их присутствия в общей группе, если отсутствуют указания об обратном. Кроме того, различные варианты реализации и пример настоящего изобретения могут приводится в настоящей заявке вместе с альтернативами его различных элементов. Считается, что такие варианты реализации, примеры и альтернативы рассматриваются не как фактические эквиваленты руг друга, а как отдельные и независимые варианты реализации настоящего изобретения.
[0029] Помимо этого, описанные особенности, конструкции и характеристики можно объединить любым удобным способом в один или более вариантов осуществления. В дальнейшем описании предоставляются различные конкретные сведения, например, примеры длины, ширины, формы и т.д., с тем чтобы обеспечить полное понимание вариантов реализации изобретения. Однако специалисты в данной области техники поймут, что изобретение можно осуществить без каких-либо конкретных сведений или при помощи других способов, элементов, материалов и т.д. В других примерах известные конструкции, материалы или операции не изображены или не описаны подробно с тем, чтобы не мешать пониманию настоящего изобретения.
[0030] Упомянутые ранее примеры демонстрируют принципы настоящего изобретения в одном или более частных видах применения, однако специалисту в данной области техники будет понятно, что различные изменения формы, вида применения или осуществления могут быть выполнены без изобретательской мысли и без отхода от принципов и концепций изобретения. Поэтому изобретение не носит ограничительный характер, за исключением формулы, приведенной ниже.
[0031] Глаголы «содержать» и «включать» используются в настоящем документе в качестве неисчерпывающих ограничений, которые не исключают не указанных особенностей, а также не требуют их обязательного наличия. Признаки, описанные в зависимых пунктах формулы, являются взаимно объединяемыми, если не указано иное. Кроме того, считается, что использование единственного числа по тексту документа не исключает множественного числа.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0032] По меньшей мере некоторые варианты реализации настоящего изобретения находят промышленное применение в очистителях воздуха и/или для очистки воздуха. В частности, они находят применение в изоляторах в больницах, операционных, на заводах, производящих микросхемы, и в воздухозаборниках помещений, где выполнятся утилизация биологического оружия. Разумеется, настоящее изобретение также может применяться в очистке жилых и офисных помещений.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 устройство для отделения материалов
2 впуск
3 поступающий воздух
4 сборная камера
5 наружная стенка
6 выпуск
7 очищенный воздух
9 крепежная стойка
10 кончики для выпуска ионов
11 ионные лучи
12 сборная поверхность
13 поверхность
14 полость
кол
L длина
кол
D диаметр
СПИСОК ССЫЛОК
Патентная литература
EP 1165241 B1