УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОАГУЛЯЦИОННАЯ КАМЕРА

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области технологий очистки газов за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, а именно, к ультразвуковым камерам для коагуляции твердых и жидких частиц, выделяющихся в процессе производств в различных отраслях (горнометаллургическая, химическая, теплоэнергетическая, пищевая) промышленности.
В связи с необходимостью улавливания вредных или ценных материалов из газовой среды, возникает необходимость в разработке эффективных устройств для коагуляции частиц нано размеров из газовых потоков. В этом случае традиционные устройства улавливания аэрозолей оказываются не применимыми.
Возможным решением существующей технологической проблемы является укрупнение и последующее осаждение аэрозольных частиц под действием высокоинтенсивных (более 140 дБ) ультразвуковых колебаний (ультразвуковая коагуляция аэрозолей) [1].
Для повышения эффективности процесса коагуляции под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обычно используют специальные коагуляционные камеры.
Подавляющее большинство известных [2-3] камер для ультразвуковой коагуляции инородных частиц из газовых потоков представляют собой цилиндрические технологические объемы с узлами ввода загрязненного газа, устройствами вывода очищенного газа и устройствами удаления выпавших на поверхность (дно) технологического объема твердых или жидких частиц. Такие коагуляционные камеры снабжены излучателями звуковых или ультразвуковых колебаний. В качестве излучателей обычно применяются газоструйные акустические излучатели, обеспечивающие преобразование энергии сжатого газа в энергию ультразвуковых колебаний и способные обеспечить максимальное по интенсивности излучение среди всех источников, предназначенных для формирования колебаний в газовых средах.
В этом случае известные коагуляционные камеры характеризуются низкой эффективностью коагуляции, что обусловлено низким КПД газоструйных излучателей (менее 20…25%, в зависимости от используемой конструктивной схемы), необходимостью использования для их работы специальных компрессоров для создания и подачи сжатого газа.
Среди известных ультразвуковых коагуляционных камер наиболее близкой к предлагаемому техническому решению и одним из наиболее эффективных устройств для коагуляции с применением акустических излучателей является камера, принятая за прототип [4], включающая вертикально установленный технологический объем цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний (статическая и динамическая сирена, пневматический рупор, электромагнитный громкоговорителей и т.п.).
Для повышения эффективности коагуляции, в сравнении с известными устройствами, конструкция камеры в [4] выполнена таким образом, чтобы обеспечивались условия резонансного распространения ультразвуковых колебаний, т.е. в технологическом объеме реализовывался режим «стоячей волны». Изменение объема камеры и ее настройка в резонансный режим осуществляется перемещением цилиндрического стержня, расположенного вдоль оси камеры.
Известная коагуляционная камера обладает следующими недостатками:
- в коагуляционной камере со статической или динамической сиренами (газоструйными излучателями) возможно обеспечить высокую интенсивность излучения (мощность) только на низких рабочих частотах (до 10 кГц), поскольку на ультразвуковых частотах (более 20 кГц) диаметры выходных сопел и резонаторов излучателей становятся малыми (менее 1 мм), что ограничивает величины акустической мощности формируемых колебаний значениями, не превышающими 1…10 Вт [5]. По этой причине, коагуляция мелких частиц (с размерами менее 10 мкм) с применением ультразвуковых колебаний, создаваемых при помощи газоструйных излучателей, становится неэффективной;
- невозможность обеспечения режима «стоячей волны» при использовании газоструйных излучателей. Особенностью их работы является срыв генерации УЗ колебаний, связанный с тем, что в резонаторе свистка противодавление достигает столь большой величины течения, при котором сверхзвуковой режим истечения оказывается невозможным и торможение струи происходит без образования скачка уплотнения [6]. Частая, бессистемная повторяемость подобных «срывов» обуславливает невозможность генерирования стабильных (по фазе и частоте) гармонических ультразвуковых колебаний. Это не позволяет осуществлять ультразвуковое воздействие в максимально эффективном режиме - режиме стоячей волны с резонансным усилением колебаний.
Все перечисленные недостатки обуславливают низкую производительность процесса или требуют уменьшения скорости очищаемого потока, или приводят к необходимости увеличения размеров (и стоимости) камеры, т.е. снижают эффективность процесса коагуляции.
В основу ультразвуковой коагуляционной камеры, предназначенной для эффективной коагуляции аэрозолей положены излучатели, обеспечивающие преобразование энергии продольных колебаний пьезоэлектрического преобразователя в изгибные колебания титановых дисков и отражатели, обеспечивающие формирование условий для резонансного усиления колебаний в технологическом объеме.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель - направлено на устранение недостатков существующих устройств. В предлагаемом техническом решении представлена ультразвуковая камера для коагуляции инородных частиц в газовых потоках, при работе которой действительно повышается эффективность коагуляции (производительность, возможность коагуляции нанодисперсных аэрозолей).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой коагуляционной камере, включающей вертикально установленный технологический объем цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний, в качестве излучателя предложен изгибно колеблющийся диск, механически и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем. В верхней и нижней частях технологического объема установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами от торцевых поверхностей цилиндрического объема, дополненные усеченными расходящимися конусами с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов и внешними диаметрами, соответствующими диаметру технологического объема и углом раскрытия в 90 градусов. Излучатель ультразвуковых колебаний размещен перед верхним центральным отражающим конусом.
Конструкция предлагаемой ультразвуковой коагуляционной камеры поясняется на фиг.1.
Ультразвуковая коагуляционная камера включает вертикально установленный технологический объем 1 цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний 2, в качестве излучателя использован изгибно колеблющийся диск, механически и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем 3. В верхней и нижней частях технологического объема установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов 4 с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами от торцевых поверхностей цилиндрического объема, дополненные усеченными расходящимися конусами 5 с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов, внешними диаметрами, соответствующими диаметру технологического объема и углом раскрытия в 90 градусов. Для обеспечения условий резонансного распространения ультразвуковых колебаний в технологическом объеме положение излучателя относительно верхнего центрального отражателя может изменяться. Удаление скоагулировавших частиц осуществляется через отверстия 6 в нижнем отражателе, а очищенный газ удаляется через отверстие в нижнем отражателе.
Работает ультразвуковая коагуляционная камера следующим образом. Воздействие на взвешенные инородные частицы, подаваемые с потоком запыленного газа, в процессе коагуляции осуществляется колебаниями, создаваемыми обеими сторонами плоского излучателя, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.
Таким образом, обеспечивается равномерность акустического (ультразвукового) воздействия по всему диаметру технологического объема с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя как минимум вдвое.
Разработанное устройство имеет следующие технические характеристики: для формирования акустических колебаний в камере диаметром 500 мм использован излучатель в виде изгибно-колеблющейся дисковой пластины диаметром 250 мм. Совершая колебания на 3 и 5 модах в частотном диапазоне от 20 до 30 кГц излучатель обеспечивает в коагуляционной камере формирование ультразвуковых колебаний с интенсивностью более 150 дБ. Материал излучателя - титановый сплав; материал отражателя - металл.
Для определения эффективности предложенной ультразвуковой камеры для коагуляции и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию системы очистки отходящих газов в виде цилиндрического технологического объема источника УЗ колебаний и отражателей, обеспечивающих резонансный режим распространения и усиления колебаний обеспечивается повышение эффективности существующей системы очистки до 99,5% (с 82%) за счет реализации возможности улавливания частиц нанометрового размера.
3
Уровень звукового давления в 150 дБ, является достаточным для коагуляции аэрозолей в камере при расходе запыленного газа не менее 15 м/час;
Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая коагуляционная камера прошла лабораторные и технические испытания и была практически реализована в действующей установке. Мелкосерийное производство устройств планируется начать в 2011 году.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Хмелев В.Н.. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей (монография) Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 235 с.
2. Авторское свидетельство №380336.
3. Авторское свидетельство №912231.
4. Авторское свидетельство №1291189. - прототип
5. Ультразвуковой газоструйный излучатель [Текст]: пат. 1789301 Рос. Федерация: МПК 5 В06 В1/20 / Митин А.Г., Хмелев В.Н. (Россия), Опубликовано: 23.01.1993.
6. Источники мощного ультразвука [Текст] / под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1967. - 265 с.