УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Полезная модель относится к каталитической очистке воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов и может быть использована в вытяжных вентиляционных системах закрытых помещений и боксов (лабораторных и медицинских шкафов, коровников, свинарников и других помещений для содержания животных и птиц, складов химических веществ и реактивов, гаражей, локомотивных депо, производственных цехов химических предприятий и т.п.).
Известно устройство и способ очистки токсичных вентиляционных выбросов из закрытых помещений (патент РФ №2172641, МКИ В01D 53/02, опубл. 27.08.2001, БИ №24), применяющие сорбционно-каталитическую фильтрацию загрязненного воздуха. Устройство содержит фильтрующий модуль, содержащий слои сорбента и катализатора. Достоинством применяемого катализатора на основе гопкалита позволяет работать устройству без дополнительного нагрева очищаемого воздуха. Недостатком данного технического решения является то, что применяемые в нем адсорбенты на основе активированного угля имеют ограниченные емкость и селективность сорбируемых веществ. Например, они практически не адсорбируют оксиды азота и пары воды, которые отравляют катализатор, что снижает срок службы устройства и увеличивает затраты на его обслуживание. Вредное воздействие паров воды на активность катализатора устраняется повышением температуры очищаемого воздуха, для чего устройство снабжено специальным блоком нагревания воздуха. Кроме того, необходимая степень очистки воздуха достигается только при невысоких скоростях его прохода через фильтр, что сказывается на надежности работы по очистке загрязненного воздуха и газов и размерах фильтра.
Известно устройство (патент РФ №2054123, МКИ F01N 3/28, опубл. 10.02.1996, БИ №4.) для очистки отходящих газов автомобиля, реализующее способ ускоренного выхода катализаторного блока отходящих газов на активный режим. Устройство представляет собой два последовательно расположенных по ходу очищаемого газа каталитических блока, первый из которых вспомогательный и подключен к электросети автомобиля с возможностью его нагрева проходящим через него электрическим током. Тем самым обеспечивается ускорение его срабатывания при запуске двигателя из холодного состояния. Недостаток такого устройства заключается в том, что оно существенно перегружает электросистему автомобиля, что затрудняет запуск двигателя и приводит к ускоренной разрядке аккумулятора. Другой его недостаток в том, что при пропускании очищаемых газов через вспомогательный нагретый катализаторный блок происходит нагревание газов, приводящее к снижению температуры вспомогательного катализаторного блока, и тем самым к недостаточно эффективной очистки отходящих газов. Кроме того, устройство не обладает необходимым быстродействием и для эффективной очистки загрязненного воздуха, в данном случае, необходим непрерывный нагрев такого устройства очистки, что требует дополнительных затрат энергии.
Наиболее близко к предлагаемому устройству является установка для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных и горючих компонентов (патент РФ №2277010, МКИ B01D 53/86, F01N 3/28, опубл. 2006.05.27), содержащая теплообменник; нагреватель; каталитический нейтрализатор, выход которого подсоединен к теплообменнику для предварительного подогрева вновь поступающих в теплообменник очищаемого воздуха или газов. Указанные компоненты установки соединены последовательно и помещены внутрь теплонакопительного устройства, представляющего собой емкость, заполненную теплонакопительным материалом, и снабженного датчиками температуры теплонакопительного материала и температуры очищенного воздуха или газа и системой нагрева, связанными с системой регулирования. При этом в устройство дополнительно введен блок регулирования и управления, входы которого соединены с датчиками температуры очищенного воздуха и теплоизолирующего материала, а выход - с системой нагрева теплоизолирующего материала и охлаждающим элементом, установленным между теплообменником и выходом. Устройство обеспечивает повышение мер противопожарной безопасности и хорошее быстродействие. Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает пожарную безопасность из-за выпуска в окружающее пространство раскаленных отходящих газов, а также по причине отсутствия эффективной теплоизоляции.
Задачей полезной модели является создание устройства для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов с меньшими габаритами при одновременном повышении пожарной безопасности и снижении затрат на его эксплуатацию.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в снижении габаритов и затрат на эксплуатацию устройства, а также в повышении его пожарной безопасности.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов, содержащее теплообменник, нагреватель, каталитический нейтрализатор, выход которого подсоединен к теплообменнику для предварительного подогрева вновь поступающего в теплообменник очищаемого воздуха или газов уже очищенными продуктами каталитической очистки, соединены последовательно по ходу очищаемых воздуха или газов и помещены внутрь теплонакопительного устройства, представляющего собой емкость, заполненную теплонакопительным материалом, и снабженного датчиками температуры теплонакопительного материала и температуры очищенного воздуха или газа и системой нагрева, связанными с системой регулирования. При этом в устройство дополнительно введены блок внешнего охлаждения очищенного воздуха и блок утилизации тепла, а теплонакопительное устройство оборудовано вакуумной теплоизоляцией, установленной на его внешней поверхности.
Реакции каталитической очистки загрязненных воздуха и газов от токсичных компонентов протекают с экзотермическим тепловым эффектом, что приводит к нагреванию теплонакопительного материала и, следовательно, очищенного воздуха или газов до высоких температур (350-450°С). Охлаждение очищенного воздуха или газов до температур окружающей среды во внутреннем теплообменнике невозможно, так как для этого необходимо увеличить приток загрязненных воздуха или газов, что ограничено производительностью катализатора. Дополнительно установленный блок внешнего охлаждения охлаждает высокотемпературные продукты каталитической очистки до температуры окружающей среды и тем самым повышает пожарную безопасность устройства. Конструктивно блок внешнего охлаждения может быть оформлен в виде сухой градирни (драйкуллера), системы чиллер - фанкоил и других типов охлаждающих аппаратов.
С целью повышения энергоэффективности предлагаемое устройство также дополнено блоком утилизации тепла, в который горячие очищенные воздух и газы подаются как непосредственно из теплообменника, установленного внутри теплонакопительной емкости, так и из блока внешнего охлаждения. В первом варианте охлажденный очищенный воздух может использоваться непосредственно в системах отопления и бытовых калориферах, во втором варианте - в бойлерах, паровых котлах, печах и других нагревательных аппаратах.
Несмотря на то, что теплонакопительный материал (например, кварцевый песок) может служить теплоизоляцией, особенно, в период выхода катализатора на активный режим, значительные теплопотери увеличивают время подготовки к работе устройства для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов и приводят к дополнительным затратам энергии на нагрев катализатора и теплонакопительного материала. Поэтому в целях энергосбережения теплонакопительное устройство дополнительно оборудуют эффективной вакуумной теплоизоляцией, практически исключающей какие-либо потери тепла в окружающую среду. По сравнению с обычными теплоизоляционными материалами, например, минеральной ватой и стекловолокном, имеющими значения коэффициентов теплопроводности в пределах 0,035-0,048 Вт/(м·К), вакуумные изоляционные панели обладают более низкими коэффициентами теплопроводности, равными 0,004-0,011 Вт/(м·К). В качестве высокотемпературных наполнителей в вакуумных изоляционных панелях используют аэрогель кремнезема, аэросил, силикагель, диатомит, перлит, вермикулит. Применение вакуумных теплоизоляционных панелей позволяет уменьшить толщину теплоизоляции в 10 раз, что позволяет сократить габаритные размеры устройства для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов, расширить области применения в малообъемных помещениях, снизить теплопотери в окружающую среду и повысить пожарную безопасность.
На чертеже показана блок-схема заявляемого устройства для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных компонентов, содержащего:
1 - теплообменник;
2 - нагреватель;
3 - каталитический нейтрализатор;
4 - блок внешнего охлаждения;
5 - блок утилизации тепла;
6 - вакуумная теплоизоляция;
7 - теплонакопительный материал;
8 - датчик температуры теплонакопительного материала;
9 - датчик температуры очищенного воздуха или газов;
10 - теплонакопительное емкость;
11 - нагревательный элемент.
Устройство работает следующим образом (на примере очистки воздуха лабораторного вытяжного шкафа от токсичных компонентов). По подаваемому заблаговременно по отношению ко времени начала лабораторных работ сигналу (например, от блока управления приточно-вытяжной вентиляции) поток воздуха (без токсичных компонентов) из лабораторного помещения поступает в вытяжной шкаф и далее в теплообменник 1, нагреватель 2, каталитический нейтрализатор 3, рубашку теплообменника 1, блок внешнего охлаждения 4 и удаляется в атмосферу. Одновременно включается нагревательный элемент 11 и датчики 8 температуры теплонакопительного материала 7. Теплонакопительное устройство 10 работает в режиме накопления тепла и температура материала 7 растет. После достижения температуры материала 7 уровня активации катализатора (например, 350°С для катализаторов платиновой группы металлов) нагревательный элемент 11 отключается общей системой регулирования (или снижается мощность подаваемого в него электропитания), а очистительное устройство переходит в режим ожидания поступления загрязненного воздуха. По сигналу внешнего газоанализатора, фиксирующего наличие токсичных примесей в воздухе вытяжного шкафа, включается нагреватель 2 и датчик 9 контроля температуры очищенного воздуха. Устройство начинает работать в режиме очистки воздуха, загрязненного токсичными компонентами. По мере увеличения количества тепла, выделяемого в каталитическом нейтрализаторе 3, система регулирования уменьшает мощность тока, поступающего в нагревательные элементы 7 так, чтобы температура материала 6 не превышала в процессе работы 350-450°С. Очищенный воздух, нагретый до вышеуказанных температур, частично охлаждается в теплообменнике 1 (например, для кожухотрубных теплообменников до 200-300°С), далее поступает в блок внешнего охлаждения 4, где (в случае применения пластинчатых теплообменников) охлаждается до 30-40°С, затем подается в систему отопления лабораторных помещений. Часть чистого воздуха может подаваться непосредственно в блок утилизации тепла, в качестве которого используются лабораторные сушильные шкафы, а затем в атмосферу.
Таким образом, для предлагаемого устройства характерно улучшение технических характеристик и повышение пожарной безопасности при снижении затрат на его эксплуатацию. Устройство быстрее выходит на активный режим очистки загрязненного воздуха и газов за счет снижения теплопотерь высокоэффективной вакуумной теплоизоляцией, более экономично и энергоэффективно в результате применения блока утилизации тепла и обладает повышенной пожарной безопасностью как в результате применения блока внешнего охлаждения, так и в результате оборудования теплонакопительной емкости вакуумной теплоизоляцией.