Электрический очиститель воздуха
ELECTRIC AIR CLEANER

Изобретение относится к системам очистки воздуха и газов, а именно к электрическим очистителям, и может быть использовано на предприятиях металлургической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, цементных заводах и других производствах, в том числе для очистки промышленных выбросов в атмосферу, в медицине, детских садах, яслях, образовательных учреждениях, а также в быту для очистки воздуха (или других не взрывоопасных газов) от частиц пыли, аэрозоля, дыма, запаха, пара, бактерий, плесени, клещей и вирусов.
Уровень техники
Авторы имеют многолетний опыт проектирования, испытаний и серийного производства электрических очистителей воздуха (электрофильтров) различных конструкций. Ниже дана критика аналогов основанная на результатах проведенных авторами экспериментальных исследований.
Известны электрофильтры, опубликованные в источниках: W02008/057262, с датой публикации 15.05.2008, US2007/027077 с датой публикации 25.10.2007, US2007/0046219 с датой публикации 01.03.2007, MX PAO 1006037 с датой публикации 11.04.2008, 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 небольшая скорость воздушного потока и высокая концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель.
3
3
Так, в патенте US 7381381 приводятся такие данные: скорость потока воздуха порядка 1 м/с, концентрация озона 80-4000 мг/м. Заметим, что предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе - 30 мкг/м. Снижение электрического напряжения (далее в тексте заявки - напряжения) на коронирующем электроде, конечно, снижает выход озона, но сопровождается еще более существенным снижением скорости потока воздуха. За счет изменения условий и параметров разряда можно попытаться оптимизировать параметры таких устройств. В частности, переход от коронирующих электродов точечного типа (иголки) к одномерным (проволочным) позволил снизить выход озона и в определенной мере снизить остроту проблемы. Снижение выхода озона за счет снижения диаметра коронирующей проволочки сопровождается снижением ее ресурса и приводит к технологическим трудностям.
Прогресс в снижении выхода озона достигается в случае применения импульсов высокого напряжения специальной формы, как, например, это реализовано в патенте US 6664741 с датой публикации 16.12.2003. Увеличение зазора между коронирующими и осадительными (некоронирующими) электродами при допустимом с точки зрения пробоя (точнее, при неизменности степени однородности свечения и типа коронного разряда) одновременном повышении высоковольтного напряжения позволяет снизить концентрацию озона на выходе устройства, но при этом скорость потока воздуха существенно падает.
В устройстве US 4812711 с датой публикации 14.03.1989, при разрядном зазоре в 85 мм в устройстве с оригинальной конфигурацией электродной системы скорость потока воздуха составляет лишь 0.5 м/с. Определенный рост скорости потока (в несколько десятков процентов) можно получить в мультикаскадных конструкциях, когда воздух последовательно проходит через два (или более) сходных блока, как это реализовано, например, в патенте US 6893618 с датой публикации 17.05.2005 и патенте US 7262564 с датой публикации 28.08.2007.
Аналогом изобретения является двухзонный электрофильтр (патент РФ 2144433 с датой публикации 20.01.2000). Электрофильтр 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. Электрофильтр располагают в потоке воздуха.
Недостатком аналога является невозможность самостоятельно создать воздушный поток через электрофильтр. Скорость принудительного воздушного потока невысока, а концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель, высокая.
Также аналогом изобретения является электрофильтр (Авторское свидетельство СССР 611644 с датой публикации 23.05.1978). Электрофильтр содержит устройство питания, коронирующие электроды, осадительные электроды. Каждый осадительный электрод выполнен в виде волнообразной полосы, с возможностью поворота для изменения угла взаимодействия поверхности полосы с движущимся воздухом. Осадительные электроды расположены с образованием каналов для движения воздуха. Электрофильтр располагают в потоке воздуха.
Недостатком аналога является невозможность самостоятельно создать воздушный поток через электрофильтр. Скорости принудительного воздушного потока невысока, а концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель, высокая.
Другим аналогом изобретения является многосекционный электрофильтр (патент РФ 2198735 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. 1-я ступень очистителя создаваемым потоком ионов препятствует движению воздуха через очиститель. Скорость принудительного воздушного потока невысока, а концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель, высока.
Прототипом изобретения является электрический очиститель воздуха (заявка US2008/0030920 с датой публикации 07.02.2008), содержащий корпус с отверстиями для прохода воздуха, устройство питания, коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды; коронирующий электрод выполнен в виде проволоки, осадительный электрод содержит утолщение на передней кромке электрода и полосу, расположенную за утолщением, отталкивающий электрод выполнен в виде полосы, осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод.
Выше приведены признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения.
Недостатками прототипа являются:
i) малая поверхность осадительных электродов для осаждения частиц пыли, аэрозоля, дыма, пара, бактерий, плесени, клещей и вирусов. Далее, для простоты, в тексте будет идти речь об осаждении пыли, подразумевая и остальные вредные вещества;
ii) малая турбулизация потока воздуха вблизи поверхностей осадительных электродов. Турбулизация потока осуществляется только утолщениями на передних кромках электродов и изгибами полос;
iii) отсутствие генерации излучений в диапазоне длин волн от 0.1 мкм до 100 мкм;
iiii) низкая скорость воздушного потока, создаваемого при работе электрического очистителя воздуха за счет движения положительно заряженных ионов от коронирующего к осадительным электродам. Высокая концентрация озона в воздухе, прошедшем через очиститель. При повышении напряжения между коронирующими и осадительными электродами скорость потока воздуха может увеличиться и достигнуть величины 2-4 м/с, однако при этом существенно увеличится (на порядки выше ПДК) количество озона в очищенном воздухе, что недопустимо;
iiiii) во время работы очистителя воздуха создается однородное электрическое поле вблизи поверхности полосы. Это не способствует эффективному осаждению пыли и других загрязнений на поверхностях полос осадительных электродов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение производительности и качества очистки воздуха от пыли, аэрозоля, дыма, пара, бактерий, клещей и других загрязнений с одновременным не превышением ПДК озона в очищенном воздухе.
Задача решается за счет того, что электрический очиститель воздуха содержит корпус с отверстиями для прохода воздуха, устройство питания, коронирующий электрод, осадительные электроды, отталкивающие электроды;
коронирующий электрод, выполнен в виде стержня или проволоки, осадительный электрод содержит утолщение на передней кромке электрода и полосу, расположенную за утолщением, отталкивающий электрод выполнен из полосы или содержит утолщение на передней кромке электрода и полосу, расположенную за утолщением;
осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод;
и от прототипа изобретение отличается следующими признаками:
устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности электрических потенциалов (далее разности потенциалов) между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 до 100 кВ, а также с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, и величину разности потенциалов определяют по зависимости:
Р=рН,
где Р - разность потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, кВ;
р - величина, принимающая значения от 1 до 20 кВ/см;
Н - минимальное расстояние между отталкивающим электродом и осадительным электродом, см;
и в продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от осадительных электродов до коронирующего электрода одинаковы или расстояния различаются, причем отношение минимального из расстояний к максимальному из расстояний определяют по зависимости:
min
max
L/L=k,
где k - величина, принимающая значения от 0.5 до 0.9999;
min
L - минимальное из расстояний от осадительных электродов до коронирующего электрода;
max
L - максимальное из расстояний от осадительных электродов до коронирующего электрода;
кроме того, в продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях полосы осадительного электрода выполнены поперечные рифли или чередующиеся выступы и углубления, и в поперечном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях полосы осадительного электрода выполнены продольные рифли или чередующиеся выступы и углубления.
Техническими результатами изобретения являются:
i) повышение качества очистки воздуха от пыли, других вредных веществ и микроорганизмов (далее для упрощения текста будет упоминаться только пыль) за счет увеличения поверхности осадительных электродов для осаждения пыли без увеличения габаритов электродов и очистителя в целом. За счет создания участков на поверхностях полос осадительных электродов, которые препятствуют проскальзыванию пыли по поверхностям электродов. За счет эффективной турбулизации потока воздуха в каналах для движения воздуха и вблизи поверхностей осадительных электродов, что способствует осаждению частичек пыли на поверхности электродов. За счет свойств устройства питания по созданию электрического поля обеспечивающего направленное движение ионов и заряженных пылинок в направлении от коронирующего электрода к осадительным электродам, а также от отталкивающих электродов к осадительным электродам;
ii) генерация излучений в диапазоне длин волн от 0.1 до 100 мкм, что способствует уничтожению болезнетворных микроорганизмов;
iii) повышение скорости воздушного потока, создаваемого электрическим очистителем воздуха при работе за счет движения положительно заряженных ионов от коронирующего электрода к осадительным электродам с одновременным снижением концентрации озона и положительно заряженных ионов в воздухе, прошедшем через очиститель. Повышение скорости воздушного потока приводит к повышению производительности очистителя воздуха;
iiii) усиление неоднородности электрического поля во время работы очистителя воздуха вблизи поверхности полосы на рифлях или чередующихся выступах и углублениях.
Дополнительным техническим результатом может быть следующий. Поглощение излучений, исходящих из ультракороны в каналах для движения воздуха, с длиной волны, кратной геометрическим размерам рифлей, выступов и углублений и промежуткам между ними за счет наличия на поверхностях осадительных и/или отталкивающих электродов рифлей, чередующихся выступов и углублений.
В частном случае реализации изобретения в продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от отталкивающих электродов до коронирующего электрода одинаковы или расстояния различаются, причем отношение минимального из расстояний к максимальному из расстояний определяют по зависимости:
min
max
Z/Z=e,
где е - величина, принимающая значения от 0,25 до 0.9999;
min
Z - минимальное из расстояний от отталкивающих электродов до коронирующего электрода;
max
Z - максимальное из расстояний от отталкивающих электродов до коронирующего электрода.
В частном случае реализации изобретения в продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях полосы отталкивающего электрода выполнены поперечные рифли или чередующиеся выступы и углубления, кроме того, в поперечном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях полосы отталкивающего электрода выполнены продольные рифли или чередующиеся выступы и углубления.
В частном случае реализации изобретения в продольном сечении электрического очистителя воздуха угол между линиями, соединяющими, по кратчайшему расстоянию коронирующий электрод и крайние осадительные электроды, принимает значение из диапазона от 25° до 180°.
В частном случае реализации изобретения в продольном сечении электрического очистителя воздуха диаметр утолщения осадительного электрода определяют по зависимости:
yo
k
D=Dd,
где d - величина, принимающая значения от 5 до 1000;
k
D - диаметр коронирующего электрода в продольном сечении электрического очистителя воздуха;
yo
D - диаметр утолщения осадительного электрода в продольном сечении электрического очистителя воздуха.
Устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения на коронирующем электроде положительного по отношению к «земле» потенциала.
Устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения на коронирующем электроде положительного по отношению к осадительным электродам потенциала.
Устройство питания может быть выполнено с возможностью обеспечения на коронирующем электроде положительного по отношению к осадительным электродам и «земле» потенциала.
Устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом, достаточной для создания воздушного потока в направлении от коронирующего электрода к осадительным электродам, или, другими словами, устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительными электродами, достаточной для создания воздушного потока через электрический очиститель воздуха.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено продольное сечение электрического очистителя воздуха. Осадительные и отталкивающие электроды параллельны друг другу.
На фиг.2 представлено продольное сечение электрического очистителя воздуха. Осадительные электроды создают расширяющиеся каналы для движения воздуха.
На фиг.3 представлены два осадительных электрода, образующих канал для движения воздуха. В канале расположен один отталкивающий электрод.
На фиг.4 представлен осадительный электрод с рифлями на поверхности полосы. На рифлях расположено отложение пыли.
На фиг.5 представлен осадительный электрод с рифлями на двух больших поверхностях полосы. На рифлях расположены отложения пыли.
На фиг.6 представлен осадительный электрод с чередующимися выступами и углублениями на поверхности полосы.
На фиг.7 представлен осадительный электрод с чередующимися выступами и углублениями на двух больших поверхностях полосы. На поверхностях расположены отложения пыли.
На фиг.8 представлен отталкивающий электрод с чередующимися выступами и углублениями на двух больших поверхностях полосы электрода.
На фиг.9 представлено сечение Б-Б с осадительными и отталкивающим электродом. На поверхностях осадительных электродов расположены отложения пыли.
На фиг.10 представлено продольное сечение отталкивающего электрода. На больших поверхностях полосы расположены рифли различной формы.
На фиг.11 представлено поперечное сечение отталкивающего электрода. На больших поверхностях полосы расположены рифли различной формы.
На фиг.12 представлены продольные сечения трех отталкивающих электродов. На передних кромках электродов расположены утолщения различной формы.
На фиг.13 и фиг.14 представлены продольные сечения отталкивающих электродов с утолщениями на передних кромках электродов, в срединной области полосы и на задней кромке электрода.
На фиг.15 представлены силовые линии электрического поля между коронирующим электродом, осадительным электродом и отталкивающим электродом.
На фиг.16 представлены силовые линии электрического поля у поверхности осадительного электрода.
На фиг.17 представлен чертеж, поясняющий определения терминам углубление и выступ.
На фиг.18 представлены результаты замеров объекта (пластины) на трехкоординатной машине. Дано пояснение способу построения срединной линии участка границы сечения.
На фиг.19 и 20 представлены чертежи, поясняющие термины выступ и углубление.
Осуществление изобретения
Ниже приведены определения терминам, использующимся в области электрической очистки воздуха.
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.
Электрический очиститель воздуха может быть использован на предприятиях металлургической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, цементных заводах и других производствах, в том числе для очистки промышленных выбросов в атмосферу, в медицине, детских садах, яслях, образовательных учреждениях, а также в быту для очистки воздуха (или других газов). Схема электрического очистителя воздуха представлена на фиг.1 и 2. К электрическим очистителям воздуха относятся аналоги, приведенные в заявке.
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 питания (см. позиция 13 на фиг.1) обеспечивает питание очистителя воздуха электрическим током от сети или автономно от аккумулятора электрической энергии. Устройство питания выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом.
Коронирующий электрод - электрод, создающий вблизи своей поверхности область с резко неоднородным электрическим полем (так называемую зону ионизиции 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 от десятков до сотен киловольт и чехол короны производит положительно заряженные ионы. 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 от десятков до сотен киловольт.
Осадительный электрод - электрод с нулевым потенциалом или с потенциалом противоположного знака по отношения к потенциалу коронирующего электрода.
Предназначен для того, чтобы на него оседали частички пыли, аэрозоля, дыма, плесени, запаха, пара, бактерии, клещи, вирусы и др. загрязнения.
Осадительный электрод выполняют в виде полосы. Его могут выполнять в виде полосы с утолщением на передней кромке электрода или в виде стержня. Как правили, разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 до 100 кВ.
Отталкивающий электрод - электрод, который предназначен для создания электрического поля, которое способствует движению ионов и частиц пыли и других загрязнений к поверхностям осадительных электродов.
Стержень - предмет удлиненной формы.
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.
Продольное сечение электрического очистителя воздуха параллельно поперечному сечению коронирующего 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.
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.
Если полоса выполнена постоянной толщины, то она имеет параметр - толщина полосы.
Если полоса выполнена с переменной толщиной, то она имеет параметр - максимальная толщина полосы.
Утолщение - то, что имеет наибольшую толщину.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха на передней кромке электрода может располагаться утолщение. Утолщение имеет наибольшее значение толщины, по сравнению со значениями толщин в других местах продольного сечения электрода. Утолщения обозначены позицией 55 на фиг.12.
Срединная часть электрода - часть электрода расположенная в его середине. В продольном сечении полоса электрода условно разделяется на три равные по протяженности части:
- прилегающая к передней кромке часть (или прилегающая к утолщению на передней кромке электрода);
- срединная часть полосы;
- прилегающая к задней кромке часть.
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.
Если рассматривать электроды в продольном сечении, то минимальное расстояние между электродами - минимальное расстояние между всевозможными точками на границах сечения отталкивающего и осадительного электродов.
Осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха и в каждом канале для движения воздуха между осадительными электродами расположен отталкивающий электрод (см. фиг.1, фиг.2, фиг.3). В общем случае, отталкивающие электроды могут находиться не в каждом канале.
Рифли - бороздки на поверхности. На границе продольного сечения видны поперечные рифли. На границе поперечного сечения видны продольные рифли.
Бороздки - углубления на поверхности.
Большие поверхности полосы осадительного электрода - две наибольшие поверхности полосы. Кроме этих поверхностей полоса может иметь поверхность задней кромки и поверхность передней кромки, а также поверхности боковых кромок.
Выступ на участке границы сечения - это часть участка границы сечения, которая имеет две общие точки 113 и 114 (см. фиг.19) со срединной линией 118 и совместно с прилегающей частью срединной линии (между точками 113 и 114) участка границы сечения охватывает часть 117 площади сечения.
Углубление на участке границы сечения - это часть участка границы сечения, которая имеет две общие точки 115 и 116 со срединной линией 118 и совместно с прилегающей частью срединной линии (между точками 115 и 116) участка границы сечения охватывает часть среды 99, прилегающей к сечению.
Другое определение углубления: углубление - выемка, впадина, понятие противоположное выступу.
Ширина выступа - кратчайшее расстояние между двумя общими точками для выступа и срединной линии 123 (см. фиг.20). Ширина выступа показана позицией 121 на фиг.20.
Высота выступа - кратчайшее расстояние от вершины выступа до срединной линии. На фиг.20 высота обозначена позицией 119. У выступа может быть одна вершина или несколько, одинаковых по высоте вершин. На фиг.20 представлен выступ, у которого одна вершина с высотой 119.
-12
Высота выступа может принимать значения от 10 до 0.25 от толщины (максимальной толщины) полосы.
Если высота выступа больше 0.25 от толщины полосы, то это утолщение не относится к полосе. Полоса с таким утолщением может называться профилем, фасонным профилем.
Вершина выступа - точка на выступе, у которой кратчайшее расстояние до срединной линии наибольшее по сравнению с расстояниями от всевозможных других точек на выступе до срединной линии.
Ширина углубления - кратчайшее расстояние между двумя общими точками для углубления и срединной линии 123 (см. фиг.20). Ширина углубления показана позицией 122 на фиг.20.
Глубина углубления - кратчайшее расстояние от нижней точки углубления до срединной линии. На фиг.20 глубина углубления обозначена позицией 120. У углубления может быть одна нижняя точка или несколько, одинаковых по глубине нижних точек. На фиг.20 представлено углубление, у которого одна нижняя точка с глубиной 120.
-12
Глубина углубления может принимать значения от 10 до 0.25 от толщины (максимальной толщины) полосы.
Если глубина углубления больше 0.25 от толщины полосы, то это углубление не относится к полосе. Полоса с таким углублением может называться профилем, фасонным профилем.
Нижняя точка углубления - точка на углублении, у которой кратчайшее расстояние до срединной линии наибольшее по сравнению с расстояниями от всевозможных других точек на углублении до срединной линии.
Срединная линия участка границы сечения - это:
- линия (прямая, кривая второго порядка или линия другой формы), положение и форма которой относительно границы сечения задано при проектировании сечения объекта;
- линия (прямая, кривая второго порядка), построенная методом наименьших квадратов по результатам измерений участка границы сечения объекта, например, на трехкоординатной машине. На фиг.17 представлено сечение 112. На участке границы сечения между точками 97 и 98 два углубления 99 и 101 и два выступа 100 и 102. Окружающее объект (или сечение) пространство обозначено позицией 111. Линия 106 - срединная линия участка границы сечения между точками 97 и 98.
На фиг.18 срединная линия обозначена позицией 105, на фиг.19 срединная линия обозначена позицией 118, на фиг.20 срединная линия обозначена позицией 123.
На фиг.18 представлены точки 103 замеров участка границы сечения объекта 107, осуществленных на трехкоординатной машине. По результатам измерений участка границы сечения объекта методом наименьших квадратов построена срединная линия 105 участка границы сечения.
Линия 105 - линия, имеющая следующее свойство: сумма квадратов расстояний от точек замеров 103 до этой линии минимальна. Линия строится известным в математике методом наименьших квадратов.
Затем точки замеров соединили между собой прямыми. Получилась кривая 104. Относительно срединной линии 105 граница сечения образует выступ 108 и углубление 109. Позицией 110 (см. фиг.18) обозначена окружающая объект 107 среда.
Чередующиеся выступы и углубления на границе сечения - это когда по границе сечения за выступом следует углубление, за углублением следует выступ и т.д.
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.
На фиг.1 длина прямой линии 19 - это кратчайшее расстояние от электрода 5 до электрода 9.
Диаметр - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек фигуры. Диаметр коронирующего электрода в продольном сечении электрического очистителя воздуха (или в поперечном сечении коронирующего электрода) - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения электрода или максимальное из расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения электрода.
Диаметр утолщения осадительного электрода в продольном сечении электрического очистителя воздуха - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения утолщения осадительного электрода или максимальное из расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения утолщения электрода.
Диаметр утолщения отталкивающего электрода в продольном сечении электрического очистителя воздуха - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения утолщения отталкивающего электрода или максимальное из расстояний между всевозможными парами точек на границе сечения утолщения электрода.
Длина полосы - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек границы продольного сечения полосы.
Ширина - верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек границы поперечного сечения полосы.
Кромка - край чего-либо, в частности, край электрода.
Передняя кромка осадительного электрода - передний край осадительного электрода.
Задняя кромка осадительного электрода - задний край осадительного электрода.
Передняя кромка отталкивающего электрода - передний край отталкивающего электрода.
Задняя кромка отталкивающего электрода - задний край отталкивающего электрода.
Передняя - находящаяся впереди, спереди.
Далее дается пояснение чертежам, изображенным на фигурах.
На фиг.1 изображено продольное сечение электрического очистителя воздуха. Электрический очиститель воздуха содержит корпус 1, с отверстиями 2, 3 для прохода воздуха 4, коронирующий электрод 5. Коронирующий электрод выполнен в виде проволоки. Также очиститель воздуха содержит осадительные электроды 6, 7, 8 и 9, отталкивающие электроды 10, 11 и 12, а также устройство питания (устройство постоянного двуполярного напряжения) - 13. Коронирующий электрод может быть выполнен в виде стержня.
Коронирующий электрод соединен с устройством питания электрическим проводником 14. Осадительные электроды соединены с устройством питания электрическим проводником 16. Отталкивающие электроды соединены с устройством питания электрическим проводником 15. Осадительные электроды расположены в корпусе с образованием каналов для движения воздуха, например электроды 6 и 7 образуют канал 17, электроды 7 и 8 образуют канал 18 для движения воздуха.
В каждом канале между осадительными электродами расположены отталкивающие электроды, например, в канале 17 для движения воздуха между осадительными электродами 6 и 7 расположен отталкивающий электрод 10.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от осадительных электродов до коронирующего электрода одинаковы. Расстояние обозначено позицией 20. Другими словами поверхность коронирующего электрода равноудалена от поглощающих ионы поверхностей осадительных электродов.
Другим вариантом реализации изобретения может быть такой, при котором расстояния от осадительных электродов до коронирующего электрода различаются. Это способствует созданию неоднородности электрического поля между электродами.
Отношение минимального из расстояний к максимальному из расстояний определяют по зависимости
min
max
L/L=k, (1)
где k - величина, принимающая значения от 0.5 до 0.9999.
min
max
Так при L=50 мм и k=0.5 L=100 мм.
min
max
=
При L50 мм и k=0.750 L=66.67 мм.
min
max
=
При L50 мм и k=0.900 L=55.55 мм.
min
max
При L=40 мм и k=0.990 L=40.40 мм.
min
max
При L=42 мм и k=0.999 L=42.042 мм.
min
max
При L=45 мм и k=0.9999 L=45.0045 мм.
Корпус 1 содержит боковые стенки, и на внутренних поверхностях 25 боковых стенок закреплены торец проволочного коронирующего электрода, торцы осадительных (некоронирующих) электродов и торцы отталкивающих электродов, и на внутренней поверхности одной боковой стенки или на внутренних поверхностях каждой боковой стенки между коронирующим электродом 5 и осадительными электродами (например электродом 6, см. сечение А-А на фиг.1) расположен бортик 24, причем высота и толщина бортика составляют соответственно величины от 0.01 до 0.5 и от 0.001 до 0.1 от протяженности линии 20, соединяющей по кратчайшему расстоянию эмитирующую поверхность коронирующего электрода 5 и поглощающую ионы поверхность осадительного электрода.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от отталкивающих электродов до коронирующего электрода различны. В частности, на фиг.1 максимальное из расстояний от коронирующего электрода 5 до отталкивающих электродов 11 обозначено позицией 21. Это расстояние от коронирующего электрода 5 до отталкивающего электрода 11. Расстояния от электродов 10 и 12 до коронирующего электрода 5 меньше расстояния 21. Другим вариантом реализации изобретения может быть такой, при котором расстояния от отталкивающих электродов до коронирующего электрода одинаковы.
Таким образом, в общем случае в продольном сечении электрического очистителя воздуха расстояния от отталкивающих электродов до коронирующего электрода одинаковы или расстояния различаются, причем отношение минимального из расстояний к максимальному расстояний определяют по зависимости:
min
max
Z/Z=e, (2)
где е - величина, принимающая значения от 0.25 до 0.9999;
min
Z - минимальное из расстояний от отталкивающих электродов до коронирующего электрода;
max
Z - максимальное из расстояний от отталкивающих электродов до коронирующего электрода.
min
max
Так при Z=60 мм и е=0.25 Z=240 мм.
min
max
При Z=60 мм и е=0.7 Z=85.71 мм.
min
max
При Z=60MM И е=0.9 Z=66.67 мм.
min
max
При Z=45 мм и е=0.99 Z=45.46 мм.
min
max
При Z=48 мм и е=0.999 Z=48.048 мм.
min
max
При Z=55 мм и е=0.9999 Z=55.0055 мм.
Устройство питания 13 выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом 40 кВ (из диапазона от 10 до 100 кВ).
Кроме того, устройство питания 13 выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между отталкивающим электродом и осадительным электродом, и величину разности потенциалов определяют по зависимости:
Р=рН, (3)
где р - величина, принимающая значения от 1 до 20 кВ/см.
При Н=1 см и р=1 кВ/см Р=1 кВ;
При Н=1 см и р=5 кВ/см Р=5 кВ;
При Н=1 см и р=10 кВ/см Р=10 кВ;
При Н=1 см и р=20 кВ/см Р=20 кВ;
При Н=0.5 см и р=1 кВ/см Р=0.5 кВ;
При Н=0.5 см и р=5 кВ/см Р=2.5 кВ;
При Н=0.5 см и р=10 кВ/см Р=5 кВ;
При Н=0.5 см и р=20 кВ/см Р=10 кВ.
Другим вариантом реализации изобретения может быть следующий. Устройство питания 13 выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом 100 кВ.
Также вариантом реализации изобретения может быть следующий. Устройство питания 13 выполнено с возможностью обеспечения разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом 10 кВ.
В продольном сечении (см. фиг.1) электрического очистителя воздуха угол 23 между линиями 22 и 19, соединяющими по кратчайшему расстоянию коронирующий электрод 5 и крайние осадительные электроды 6 и 9 принимает значение 150° из диапазона от 25° до 180°.
В продольном сечении (см. фиг.2) электрического очистителя воздуха угол 23 между линиями, соединяющими по кратчайшему расстоянию коронирующий электрод 5 и крайние осадительные электроды 26 и 27 принимает значение 140° (из диапазона от 25° до 180°). Осадительные электроды расположены таким образом, что создают расширяющиеся каналы в направлении движения воздуха, а это способствует увеличению скорости потока воздуха в каналах.
Также в продольном сечении электрического очистителя воздуха угол между линиями, соединяющими по кратчайшему расстоянию коронирующий электрод и крайние осадительные электроды, принимает значение 25°.
Другой вариант компоновки устройства: в продольном сечении электрического очистителя воздуха угол между линиями, соединяющими по кратчайшему расстоянию коронирующий электрод и крайние осадительные электроды, принимает значение 90.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха диаметр электрода 5 принимает значения от 0.01 до 1.5 мм. Этот диапазон толщин проволоки коронирующего электрода проверен экспериментально. На практике предпочтительным может быть выполнение коронирующего электрода с диаметром от 0.05 до 0.5 мм.
При этом в продольном сечении электрического очистителя воздуха диаметр утолщения осадительного электрода определяют по зависимости:
yo
k
D=Dd, (4)
где d - величина, принимающая значения от 5 до 1000.
Чем больше величина d в формуле (3), тем больше может быть разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом.
Осадительный электрод 28 (см. фиг.3) содержит утолщение 29 на передней кромке электрода и полосу 30, расположенную за утолщением 29. В продольном сечении электрического очистителя воздуха диаметр коронирующего электрода равен 0.1 мм, а диаметр утолщения осадительного электрода равен 5 мм (величина d=50).
Отталкивающий электрод 31 содержит утолщение 32 на передней кромке электрода и полосу 33, расположенную за утолщением. В продольном сечении электрического очистителя воздуха диаметр утолщения, расположенного на передней кромке отталкивающего электрода, составляет величину от 2 до 0.1 диаметра утолщения, расположенного на передней кромке осадительного электрода.
Диаметр утолщения, расположенного в срединной части или на задней кромке осадительного электрода, не превышает диаметра утолщения, расположенного на передней кромке осадительного электрода.
Диаметр утолщения, расположенного в срединной части или на задней кромке отталкивающего электрода, не превышает диаметра утолщения, расположенного на передней кромке отталкивающего электрода.
Позицией 81 на фиг.3, 4, 5, 6 обозначен турбулентный воздушный поток, в том числе у вблизи поверхности осадительного электрода.
На фиг.4 представлен выносной элемент I с фиг.3.
Позицией 83 обозначено осаждение пыли на поверхности электрода.
На фиг.5 представлен выносной элемент II с фиг.3.
В продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях 34 и 35 полосы осадительного электрода выполнены поперечные рифли 36. В продольном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.5) полоса осадительного электрода выполнена с переменным значением толщины по длине сечения.
На фиг.6 представлен выносной элемент III с фиг.3. В продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях полосы осадительного электрода выполнены чередующиеся выступы и углубления.
На фиг.7 представлен выносной элемент IV с фиг.3. В продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях 37 и 38 полосы осадительного электрода выполнены чередующиеся выступы 40 и углубления 39.
На фиг.8 представлен выносной элемент V с фиг.3. В продольном сечении электрического очистителя воздуха на больших поверхностях 44 и 45 полосы отталкивающего электрода 33 выполнены чередующиеся выступы 47 и углубления 48.
Таким образом, в продольном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.8) полоса отталкивающего электрода выполнена с переменным значением толщины по длине сечения.
Позицией 46 обозначена срединная линия рассматриваемого участка границы сечения. Относительно срединной линии выполняют замеры профилей рифлей, выступов и углублений.
В поперечном сечении, в частности, в сечении Б-Б на фиг.3 электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях 34 и 35 полосы осадительного электрода выполнены продольные рифли 41 (см. фиг.9). На поверхности электрода и, в том числе, на поверхностях рифлей находится пыль 83.
Таким образом, в поперечном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.9) полоса осадительного электрода выполнена с переменным значением толщины по длине сечения.
В поперечном сечении электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях 37 и 38 полосы осадительного электрода выполнены чередующиеся выступы 42 и углубления 43 (см. фиг.9).
Таким образом, в поперечном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.9) полоса осадительного электрода 28 выполнена с постоянным значением толщины по длине сечения, хотя на ее поверхности выполнены выступы и углубления.
И в поперечном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.9) на бóльших поверхностях 44 и 45 полосы отталкивающего электрода выполнены чередующиеся выступы 49 и углубления 50. Пыль на поверхность отталкивающего электрода не оседает.
Таким образом, в поперечном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.9) полоса отталкивающего электрода выполнена с переменным значением толщины по длине сечения.
На фиг.10 представлено продольное сечение электрического очистителя воздуха и на бóльших поверхностях 51 и 52 полосы отталкивающего электрода выполнены поперечные рифли 53 различной формы.
И в поперечном сечении электрического очистителя воздуха (см. фиг.11) на бóльших поверхностях 51 и 52 полосы отталкивающего электрода выполнены продольные рифли 54 различной формы.
Как указывалось выше, осадительный электрод содержит утолщение на передней кромке электрода и полосу, расположенную за утолщением (см. фиг.1,2, 3 и 12).
На фиг.12 представлены продольные сечения осадительных электродов с различными формами утолщений на передних кромках электродов. Такую же форму могут иметь и отталкивающие электроды. На каждом сечении обозначены точки, между которыми заключены характерные участки продольного сечения. На фиг.12 утолщение обозначено позицией 55, а полоса за утолщением позицией 56.
На участке границы сечения между точками 58 и 61 (включая точки 57 и 62) расположена граница продольного сечения утолщения. Причем между точками 57 и 62 расположена передняя часть границы продольного сечения утолщения. Между точками 57 и 58 расположен участок задней части границы продольного сечения утолщения. Между точками 61 и 62 также расположен участок задней части границы продольного сечения утолщения.
Вся поверхность осадительного электрода является поглощающей ионы поверхностью. Поверхность между точками 58 и 61 (включая точки 57 и 62) утолщения осадительного электрода является поглощающей ионы поверхностью утолщения.
Вся граница сечения является границей поверхности, поглощающей ионы.
На участке границы сечения между точками 58 и 61 (включая точки 59 и 60) расположена граница продольного сечения полосы электрода. Причем между точками 59 и 60 расположена граница задней кромки полосы. Между точками 58 и 59, а также между точками 60 и 61 расположены участки бóльших поверхностей границы продольного сечения полосы электрода.
Поверхности между точками 58 и 59, а также между точками 60 и 61 являются поглощающими ионы бóльшие поверхности полосы. Торцевая поверхность полосы также во время работы поглощает ионы.
Пунктирная линия между точками 58 и 61 обозначает границу между утолщением и полосой, расположенной за полосой.
Утолщение может быть расположено и в срединной части электрода.
На фиг.13 представлено продольное сечение осадительного электрода с утолщением 63 на передней кромке электрода, с утолщением 64 в срединной части электрода и с утолщением 65 на задней кромке электрода. Между утолщениями 63 и 64 расположена полоса 66, а между утолщениями 64 и 65 расположена полоса 67. Стрелкой 80 обозначено направление движения воздуха в продольном сечении электрического очистителя воздуха.
На фиг.14 представлены элементы (участки) продольного сечения осадительного электрода.
Между точками 68 и 69 расположен участок задней части границы продольного сечения утолщения, расположенного на передней кромке электрода.
Между точками 79 и 78 также расположен участок задней части границы продольного сечения утолщения, расположенного на передней кромке электрода.
Другими словами, между точками 68 и 69, а также между точками 79 и 78 расположены участки задней части границы продольного сечения утолщения, расположенного на передней кромке электрода.
Между точками 70 и 71, а также между точками 77 и 76 расположены участки передней части границы продольного сечения утолщения, расположенного в срединной части электрода.
Между точками 71 и 72, а также между точками 75 и 76 расположены участки задней части границы продольного сечения утолщения, расположенного в срединной части электрода.
Между точками 68 и 79 расположена передняя часть границы продольного сечения утолщения, расположенного на передней кромке электрода. Как правило, эта часть границы продольного сечения направлена в сторону коронирующего электрода.
Между точками 73 и 74 расположена задняя часть границы продольного сечения утолщения, расположенного на задней кромке электрода.
Между точками 69 и 70, а также между точками 78 и 77 расположены участки бóльших поверхностей границы продольного сечения полосы, расположенной между утолщениями 63 и 64.
Между точками 72 и 73, а также между точками 75 и 74 расположены участки бóльших поверхностей границы продольного сечения полосы, расположенной между утолщениями 65 и 64.
Количество осадительных электродов от 4 до 100.
от
Количество отталкивающих электродов N определяется по формуле
от
o
N=N-1,
o
где N - количество осадительных электродов
Устройство питания содержит трансформатор, умножитель напряжения, выпрямитель.
Ниже приведены геометрические размеры электродов малогабаритного электрического очистителя воздуха.
Толщина полосы осадительного электрода, расположенной за утолщением, принимает значения из диапазона от 0.5 мм до 5 мм.
Длина полосы осадительного электрода, расположенной за утолщением на передней кромке электрода, принимает значения из диапазона от 10 мм до 100 мм.
Ширина полосы осадительного электрода, расположенной за утолщением на передней кромке электрода, - от 50 мм до 500 мм.
Толщина полосы отталкивающего электрода, расположенной за утолщением, принимает значения из диапазона от 0.5 мм до 5 мм.
Длина полосы отталкивающего электрода, расположенной за утолщением на передней кромке отталкивающего электрода, принимает значения из диапазона от 5 мм до 80 мм.
Ширина полосы отталкивающего электрода, расположенной за утолщением на передней кромке отталкивающего электрода, - от 50 мм до 500 мм.
Геометрические размеры электродов электрического очистителя воздуха, применяемого в промышленности, могут быть существенно больше.
На величине от 10 до 100% длины бóльшей поверхности границы продольного сечения полосы расположены поперечные рифли и/или чередующиеся выступы и углубления.
На величине от 10 до 100% длины бóльшей поверхности границы поперечного сечения полосы расположены продольные рифли и/или чередующиеся выступы и углубления.
Наличие на поверхностях полосы рифлей или чередующихся выступов и углублений приводит к увеличению площади поверхности полосы.
2
Например, полоса имеет длину 50 мм, ширину 200 мм. Тогда площадь двух больших поверхностей гладкой полосы составит 20 000 мм.
2
Если на поверхность полосы нанести рифли (как показано на фиг.5) с размерами: ширина рифля 0.5 мм, глубина 1 мм, протяженность 200 мм (равная ширине полосы), расстояние между рифлями 0.5 мм. Тогда количество рифлей на двух поверхностях полосы будет 100 штук. Общая поверхность боковых стенок рифлей составит 40 000 мм, что вдвое превышает поверхность гладкой полосы. Если глубина рифлей растет, то увеличивается и поверхность боковых стенок рифлей, а значит и общая поверхность полосы.
Работает электрический очиститель воздуха следующим образом. Задачей изобретения является повышение производительности и качества очистки воздуха от пыли, аэрозоля, дыма, пара, бактерий, клещей и вирусов с одновременным не превышением ПДК озона в очищенном воздухе.
Задача решается за счет использования всей совокупности признаков независимого пункта формулы изобретения. Достижение заявленного эффекта подтверждено экспериментально. Усиление эффекта, в частных вариантах реализации изобретения, может быть достигнуто за счет использования дополнительных признаков, приведенных в зависимых пунктах формулы изобретения и описании.
Предлагаемая в изобретении компоновка электродов позволяет обеспечить достаточно высокое значение скорости потока (2.2 м/с и более) для разрядного зазора от 3 до 50 см. При этом не будет превышена ПДК озона в воздушном потоке. Важную роль играет использование единственного коронирующего электрода в виде проволоки или стержня и размещения группы осадительных (некоронирующих) электродов равноудаленно от этого коронирующего электрода, как, например, изображено на фиг.1, или размещение осадительных электродов на различных расстояниях от коронирующего электрода, с удовлетворением условия (1).
Осадительные электроды содержат полосы, формирующие направленный поток воздуха, и поверхности полос (в частности, большие поверхности) являются местом для осаждения пыли и других вредных веществ.
+
-
Корона положительная. На коронирующий электрод подается положительное напряжение U, а на группу осадительных (некоронирующих) электродов - отрицательное (относительно земли) напряжение U. При реализации вышеуказанных мер удается существенно поднять напряжение между коронирующим и осадительными электродами, обеспечить разность потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом от 10 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.
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 24 (см. фиг.1) на внутренних поверхностях боковых стенок.
Заявленный электрический очиститель воздуха работает следующим образом. При подаче положительного потенциала на коронирующий электрод 91 с диаметром, более чем в 5 раз меньшим диаметра утолщения осадительного электрода (см. фиг.15), 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 94 области ионизации 82 (в частности, критическая напряженность) определяется условием равенства коэффициентов ударной ионизации и прилипания и составляет для сухого воздуха 24.5 кВ/см. Границу 94 области ионизации еще называют границей чехла. Визуально это проявляется в виде светящейся области объемной ионизации (чехла) вокруг коронирующего электрода 91, 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 82 электроны движутся с границы 94 в направлении поверхности коронирующего электрода 91, а положительно заряженные ионы 84 движутся от границы 94 в направлении поверхности осадительного электрода 87. 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) при положительном потенциале коронирующего электрода (т.е. положительной короны) 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 84 (т.е. той же полярности, что и коронирующий электрод 91), под действием поля выносятся в область пониженной напряженности, где ионизации нет, и дрейфуют к противоположному (осадительному) электроду 87, создавая ток короны. Силовые линии поля на фиг.15 обозначены позицией 86. Электроны 95, появившиеся в зоне ионизации, устремляются к коронирующему электроду 91, находящемуся под 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 84 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 ∅ 0.05 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)/2<U≤0.
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 с 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 изображено на фиг.1) 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 кромки осадительного электрода относительно диаметра коронирующего электрода увеличивает устойчивость ультракороны.
Как известно, основной реакцией синтеза озона является трехтельная реакция
2
3
O+О+М=О+М,
2
где О - молекула кислорода;
О - атомарный кислород;
2
2
r
2
М - любой компонент воздуха (N, O, А, СO, О и др.);
2
3
компоненты реакции O, О, М, О 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. 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.
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. Заметим, что этот локальный минимум отличается от описанного в [2] монотонного снижения выхода озона с ростом температуры при существенном прогреве проволочки коронирующего электрода.
Промышленные сотовые озоновые фильтры (тонкостенные металлические соты, покрытые специальными катализаторами), установленные на выходе воздушного потока, снижают концентрацию озона на 10-20%, причем снижение скорости потока составляет соответственно 7-18%. Более существенный аспект их применения заключается в другом: происходит снижение примерно в 5-2 раза предельной установившейся концентрации озона в помещении при непрерывной работе электрического очистителя воздуха, причем бóльшая цифра относится к маленьким помещениям, а меньшая - к бóльшим, 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.
В процессе работ над изобретением был разработан и изготовлен опытный образец электрического очистителя воздуха, у которого разрядный промежутком 20 (см. фиг.1) составлял 42 мм, коронирующий проволочный электрод имел диаметр 0.15 мм, количество осадительных (некоронирующих) электродов - шесть, количество отталкивающих электродов - пять, угол 23 (см. фиг.1) составлял 90°.
3
Достигнутая в опытном образце средняя по выходному сечению скорость потока воздуха выше 2.2 м/с с концентрацией озона существенно ниже 30 мкг/м демонстрирует в рамках заявленного изобретения вариант компромисса между скоростью воздушного потока, наработкой озона и ресурсом (временем жизни) проволоки коронирующего электрода.
Заявленный очиститель воздуха может быть успешно использован как в бытовых, так и в промышленных электрофильтрах. Принципиально важным преимуществом заявленного очистителя воздуха по сравнению с аналогами на hepo-фильтрах является, кроме уже отмеченных выше, эффективности очистки от пыли и болезнетворных микроорганизмов, бесшумности и экономичности, сохранение высокой степени очистки воздуха от пыли и микроорганизмов размером 0.1 мкм и менее. В разрядном промежутке положительные ионы заряжают частицы, что заставляет их при движении вместе с потоком газа 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. 15 и 16). На фиг.15 позицией 86 показаны силовые линии электрического поля между коронирующим электродом 91 и осадительным электродом 87. Положительные ионы 84 и положительно заряженные частички пыли 85 движутся по силовым линиям электрического поля в направлении от электрода 91 к электроду 87. Между осадительным электродом 87 и отталкивающим электродом 88 также формируется электрическое поле, силовые линии которого обозначены позицией 89. Это электрическое поле воздействует на электрическое поле между электродом 91 и электродом 87, искривляет его в сторону осадительного электрода.
Эксперименты показали, что процесс очистки улучшается при турбулизации потока, создаваемой, например, за счет рифлей или чередующихся выступов и углублений на больших поверхностях полосы (см. фиг.3-8) или за счет имеющегося утолщения на передней кромке осадительного электрода (см. фиг.1-3) и добавления аналогичного утолщения на передней кромке и в срединной части полосы отталкивающего электрода. Эффект 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.
Увеличение поверхности осадительных электродов снижает концентрацию пыли в очищенном воздухе. Однако увеличение поверхности за счет увеличения длины полосы осадительного электрода приводит к росту сопротивления движению воздуха в устройстве и, как следствие, к уменьшению скорости потока через электрический очиститель воздуха. Поэтому в изобретении увеличение площади поверхности полос осадительных электродов достигается за счет нанесения продольных и поперечных рифлей (а также выступов и углублений) поверхности полос.
На процесс прилипания пылинок 92 сказывается процесс их поляризации в электрическом поле 90 (см. фиг.16). Из-за наведения дипольного момента 93 или квадрупольного момента 96 появляются электрические силы, удерживающие пылинки на поверхности после ухода их заряда на осадительный электрод. Наличие рифлей (а также выступов и углублений) на поверхности полос осадительного электрода увеличивает неоднородность электрического поля вблизи поверхности и усиливает силу сцепления пылинок с поверхностью.
Кроме того, неоднородность электрического поля вблизи поверхности полос осадительных электродов способствует снижению концентрации ионов 84 в потоке очищенного воздуха, поскольку в неоднородном электрическом поле ионы более эффективно притягиваются к поверхности осадительного электрода.
Силовые линии электрического поля 90 (см. фиг.16) замыкаются на края углублений и рифлей, а также на вершины выступов, что и увеличивает неоднородность электрического поля вблизи поверхности полосы.
Эффективная мера борьбы с избытком озона и наличием ионов в очищенном воздухе следующая.
Электрический очиститель воздуха выполняют таким образом, что за входными отверстиями на корпусе расположена сетка или решетка из проводящего материала, электрически связанная непосредственно или через сопротивление с устройством постоянного двуполярного напряжения, выполненного с возможностью обеспечения разности потенциалов между сеткой и осадительным электродом до 0.8 величины разности потенциалов между коронирующим электродом и осадительным электродом.
Кроме того, на выходе из электрического очистителя воздуха перед выходными отверстиями корпуса расположен сотовый озоновый фильтр.
Наличие вышеуказанных озоновых фильтров и сеток также способствует повышению эффективности улавливания пыли. Например, при их наличии глубина очистки воздуха от пыли в герметичном помещении при работе заявленного устройства возрастает в несколько раз.
Таким образом, технические результаты изобретения достигаются. Конструкция электрического очистителя воздуха обеспечивает повышение качества очистки воздуха от пыли, других вредных веществ и микроорганизмов за счет увеличение поверхностей осадительных электродов. Поверхность осадительных электродов увеличивается за счет расположения на больших поверхностях полос рифлей и/или выступов и углублений. Увеличение поверхности полос достигнуто без увеличения габаритов электродов и очистителя воздуха в целом. Созданы участки на поверхностях полос осадительных электродов за счет рифлей, выступов и углублений, которые препятствуют проскальзыванию пыли по поверхностям электродов. Кроме того, созданы участки на поверхностях полос осадительных электродов за счет рифлей, выступов и углублений, которые эффективно турбулизируют поток воздуха в каналах для движения воздуха и вблизи поверхностей осадительных электродов. А это способствует эффективному осаждению частичек пыли на поверхности электродов. Эффективность осаждения также достигается за счет свойств устройства питания по созданию электрического поля, обеспечивающего направленное движение ионов (а также заряженных пылинок и других частиц) в направлении от коронирующего электрода к осадительным электродам, а также от отталкивающих электродов к осадительным электродам.
За счет свойств устройства питания осуществляется генерация излучений в диапазоне длин волн от 0.1 до 100 мкм, что способствует уничтожению болезнетворных микроорганизмов. Но для предотвращения выхода таких излучений за пределы каналов для движения воздуха за счет переотражений целесообразно увеличить поглощающие свойства поверхности, осуществив следующие действия: в продольном сечении электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях полосы осадительного электрода выполнены поперечные рифли глубиной от 0.1 до 100 мкм или чередующиеся выступы и углубления с высотой выступа от 0.1 до 100 мкм и глубиной углубления от 0.1 до 100 мкм; в поперечном сечении электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях полосы осадительного электрода выполнены продольные рифли с глубиной от 0.1 до 100 мкм или чередующиеся выступы и углубления с высотой выступа от 0.1 до 100 мкм и глубиной углубления от 0.1 до 100 мкм.
Кроме того, в продольном сечении электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях полосы отталкивающего электрода выполнены поперечные рифли глубиной от 0.1 до 100 мкм или чередующиеся выступы и углубления с высотой выступа от 0.1 до 100 мкм и глубиной углубления от 0.1 до 100 мкм; в поперечном сечении электрического очистителя воздуха на бóльших поверхностях полосы отталкивающего электрода выполнены продольные рифли с глубиной от 0.1 до 100 мкм или чередующиеся выступы и углубления с высотой выступа от 0.1 до 100 мкм и глубиной углубления от 0.1 до 100 мкм.
Блок питания, конструкция и взаимное расположение электродов обеспечивают повышение скорости воздушного потока, создаваемого электрическим очистителем воздуха при работе за счет движения положительно заряженных ионов от коронирующего электрода к осадительным электродам с одновременным снижением концентрации озона и положительно заряженных ионов в воздухе, прошедшем через очиститель. Снижению концентрации положительно заряженных ионов в воздухе способствует неоднородность электрического поля вблизи поверхностей осадительных электродов. Неоднородность поля, в большей степени, достигается наличием на поверхности полос осадительных электродов рифлей, углублений и выступов. Повышение скорости воздушного потока приводит к повышению производительности очистителя воздуха.
Немаловажным является и то, что в каналах для движения воздуха за счет наличия на поверхностях осадительных и/или отталкивающих электродов рифлей, чередующихся выступов и углублений обеспечивается поглощение исходящих из ультракороны излучений с длинами волн, кратными их геометрическим размерам и расстояниям между ними.
Электрический очиститель воздуха может быть выполнен таким образом, что содержит датчик движения, который включает очиститель воздуха, когда в помещении появляется человек, животное или происходит какое-либо движение.
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 Appl., 1990, v. 26(3), pp.542-549.