УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ФИЛЬТРОВ ОТ САЖИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F01N3/02 B01D49/00 B03C3/04 

Изобретение относится к технике очистки дымовых фильтров от сажи. Преимущественная область применения очистка от сажи тонких фильтров большой площади, применяемых в заводских трубах, трубах ТЭЦ и ТЭС.

Известно устройство для очистки дымовых фильтров от сажи дизельных двигателей (ЕПВ N0327439, приоритет Франции 05.02.88, кл. F01N 3/02, B01D 49/00). Это устройство содержит соосно расположенные подводящую и отводящую выхлопные газы трубы, резонатор, очищаемый фильтр, а также источник СВЧ- энергии, электрически соединенный с резонатором. В резонаторе возбуждаются колебания типа TMOIp.

Также известно устройство, принятое за прототип изобретения, для очистки фильтров выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от сажи (ФРГ N3528445, кл. F01N 3/02, В03С 3/04). Это устройство содержит соосно расположенные подводящую и отводящую газы трубы, резонатор и очистительный фильтр, а также источник микроволновой энергии, электрически соединенный с резонатором, в пучности электрического поля которого размещен очищаемый фильтр.

Аналог и прототип не позволяют очищать плоские фильтры больших геометрических размеров с рабочей поверхностью несколько квадратных метров, так как для этого понадобились бы резонаторы размерами несколько метров. Эксплуатация таких резонаторов в местах их установки в трубах не экономична и затруднительна.

Техническим результатом изобретения является возможность очистки плоских и цилиндрических фильтров с рабочей поверхностью в несколько квадратных метров, например сажевые фильтры, устанавливаемые на заводских трубах и трубах ТЭЦ и ТЭС.

Этот результат достигается в двух технических решениях, связанных одним изобретательским замыслом, поэтому заявляются два варианта изобретения.

I вариант выполнения изобретения.

Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи содержит источник СВЧ- энергии, две линии передачи этой энергии, два согласованных перехода, согласованную нагрузку и замедляющую структуру. Вход замедляющей структуры через согласованный переход и линию передачи соединен с выходом генератора, а ее выход через второй согласованный переход и вторую линию передачи соединен с согласованной нагрузкой.

Замедляющая структура выполнена из металла плоской или цилиндрической формы, которая содержит многопроводную линию, выполненную из прямолинейных проводников равной длины и поперечного сечения, параллельных друг другу и расположенных друг от друга на расстоянии ширины одного проводника, размеры поперечного сечения проводников много меньше рабочей длины волны устройства; сосредоточенные, индуктивные, ленточные, петлевые диафрагмы, соединяющие каждая два соседних проводника, и установленные рядами вдоль многопроводной линии на равных расстояниях меньше четверти длины волны, и сосредоточенные, ленточные, индуктивные, петлевые связки, соединяющие проводники через один, и установленные рядами между диафрагмами на равных друг от друга и от рядов диафрагм расстояниях. Ширина многопроводной линии кратна половине длины поверхностной волны, распространяющейся по замедляющей структуре, кроме того, на крайних проводниках линии установлены экраны, высота которых не менее высоты диафрагм и связок.

Отличительными признаками изобретения являются наличие замедляющей структуры, ее особой формы выполнения, вторых линий передачи и согласованного устройства и согласованной нагрузки.

Описанная конструкция может быть выполнена плоской или цилиндрической формы требуемых размеров. Электрические соединения обеспечивают в замедляющей структуре режим бегущей волны, что обеспечивает равномерность электрического поля вдоль многопроводной линии со стороны, противоположной диафрагмам и связкам. Этой стороной замедляющая структура накладывается на плоскость фильтра и наводит в саже токи, которые ее разогревают до температуры 600^oC, при которой сажа начинает гореть в случае наличия притока кислорода.

Для обеспечения выгорания сажи толщиной в 1 мм в течение нескольких минут источник СВЧ-энергии должен обеспечить плотность мощности 20 50 кВт/м².

II вариант выполнения изобретения.

Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи содержит источник СВЧ- энергии, линию передачи этой энергии, согласованный переход, включенный последовательно, очищаемый фильтр, выполненный в виде трубы, и замедляющую структуру цилиндрической формы, внутри которой размещен фильтр, длина внешней окружности фильтра и внутренней окружности замедляющей структуры равны и кратны целому числу длин рабочей поверхностной волны, длина цилиндрической замедляющей структуры не менее длины фильтра и кратна половине длины рабочей поверхностной волны, вход замедляющей структуры соединен с согласующим устройством. Замедляющая структура выполнена из металла и содержит многопроводную линию, выполненную из соосных кольцевых проводников, расположенных параллельно друг другу на расстояниях, равных толщине кольца, которая как и ширина кольца много меньше рабочей длины волны. Длина внутренней окружности колец кратна целому числу длин поверхностных волн. Кроме того, устройство содержит сосредоточенные, индуктивные, ленточные диафрагмы, соединяющая каждая два соседних проводника, установленные рядами вдоль проводников на равных расстояниях меньше четверти длины волны, и сосредоточенные, индуктивные, петлевые связки, соединяющие проводники через один, установленные рядами между диафрагм на равных друг от друга и от рядов диафрагм расстояниях, кроме того на крайних проводниках линии установлены соосные кольцевые экраны, внешний диаметр которых не менее диаметра цилиндрической поверхности, описанной вокруг диафрагм и связок.

Отличительными признаками изобретения по этому варианту его исполнения являются: замедляющая структура и особая форма ее выполнения.

Диаметр замедляющей структуры, а следовательно, и диаметр фильтра могут иметь несколько метров. Таких же размеров может быть и длина трубы фильтра и замедляющей структуры. Один конец фильтра заглушен, а другой присоединяется к концу дымовой трубы. Поверхностная волна бежит по всей поверхности фильтра, установленного внутри замедляющей структуры, и наводит в саже, скопившейся в порах фильтра, токи, которые при достаточной мощности источника СВЧ-энергии (20 50 кВт/м²) разогревают сажу до температуры воспламенения (600^oC). При наличии в дыму кислорода или подводимого воздуха сажа выгорает и тем самым фильтр очищается от нее.

Конструкция предложенного устройства обладает по сравнению с аналогами рядом преимуществ:
размеры замедляющей структуры практически равны размерам фильтра (резонаторы в аналогах имеют размеры больше размеров фильтра);
менее металлоемка;
хорошо вписывается как внутри дымоходов, так и на концах дымоходных труб;
требует для разогрева сажи до температуры воспламенения меньше мощности источника СВЧ-энергии (вся мощность источника сосредоточена в тонком слое около замедляющей структуры, а значит, и в объеме фильтра, а не распределена в большом объеме резонатора).

На фиг. 1 представлен вид на замедляющую структуру со стороны диафрагм и связок (1 вариант).

На фиг. 2 изображен вид на замедляющую структуру сбоку в сечении С-С (фиг. 1) с устройствами согласования, передающими линиями, источником СВЧ- энергии и согласованной нагрузкой.

На фиг. 3 представлен вид с торца замедляющей структуры по сечению В-В (фиг. 2).

На фиг. 4 представлен вид с торца замедляющей структуры по сечению А-А (фиг. 2).

На фиг. 5 представлен вид сбоку на замедляющую структуру с фильтром и устройством возбуждения поверхностной волны по II варианту исполнения изобретения.

На фиг. 6 изображен вид сверху (по оси структуры) на замедляющую структуру по II варианту с устройством возбуждения, линией передачи и источником микроволновой энергии.

На фигурах введены обозначения:
1 замедляющая структура по I варианту;
2 согласующее устройство;
3 возбуждающий штырь (вибратор);
4 линия передачи;
5 источник СВЧ-энергии;
6 проводники линии передачи (по I варианту) замедляющей структуры;
7 кольцевые проводники линии передачи замедляющей структуры (по II варианту);
8 индуктивные диафрагмы;
9 индуктивные связки;
10 экраны, линейные по I варианту, и кольцевые по II;
11 очищаемый фильтр;
12 замедляющая структура (по II варианту);
13 согласованная нагрузка.

Замедляющие структуры по первому 1 и второму 12 вариантам исполнения изобретения выполняются из металла (латунь, нержавеющая сталь). Размеры структур поперек распространения поверхностной волны должны быть кратны половине длины поверхностной волны. Размеры замедляющей структуры 1 вдоль направления распространения поверхностной волны могут быть произвольные, заданные. Внутренний диаметр структуры 12 равен наружному диаметру очищаемого фильтра, а длина окружности этого диаметра должна быть кратна длине поверхностной волны.

Согласующее устройство 2 может быть выполнено в виде оголенного конца внутренней жилы кабеля, если линия передачи 4 выполнена из коаксиального кабеля или металлического вибратора 3 и изолированного от него отрезка волновода, закороченного с одной стороны, если линия передачи 4 выполнена из отрезка волновода. Вибратор 3 устанавливается в волноводе на расстоянии четверти длины волны источника СВЧ-энергии от его замкнутого конца (λ/4). Вибратор 3 соединяется со средней, крайней связкой 9 в I варианте исполнения изобретения и с любой средней во II варианте, а волновод соединяется с проводником 7 линии передачи замедляющей структуры.

Источником 5 СВЧ-энергии может служить магнетрон соответствующей мощности, равной площади рабочей поверхности фильтра, умноженной на плотность требуемой мощности для разогрева сажи до температуры 600^oC за требуемый отрезок времени.

Проводники 6 выполняются линейными, произвольного поперечного сечения в виде стержней или труб. Размеры поперечного сечения должны быть много меньше длины рабочей волны, а расстояния между ними в линии равны их ширине. Длина проводников должна быть не менее длины очищаемого фильтра, а ширина линии передачи, набранная из них, должна быть также не менее ширины фильтра.

Кольцевые проводники 7 выполняются в виде колец с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру очищаемого фильтра, сечение проводников 7 такое же, как проводников 6, расстояние между проводниками 7 в линии замедляющей структуры 12 такое же, как в структуре 1.

Индуктивные диафрагмы 8 выполняются из металлических лент и могут быть выполнены в виде прямоугольной петли. Индуктивность таких диафрагм рассчитывается по формуле

где l высота петли;
H ширина ленты;
d ширина петли (расстояние между проводниками 6 или 7);
Эта формула заимствована у Д.Е.Самсонова. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. М. Сов. радио, 1966.

Размеры диафрагмы много меньше длины волны, поэтому индуктивность от них не зависит.

Индуктивные связки 9 могут быть выполнены также из металлических лент. Их индуктивность больше индуктивности диафрагм 8 (см. Р.А.Силин, В.П.Сазонов. Замедляющие системы. М. Сов. радио, 1966).

Экраны 10 устанавливаются на крайних проводниках 6 и 7 и выполнены в виде пластин (I вариант) и колец (II вариант) шириной не менее толщины замедляющей структуры. Экраны отражают поверхностную волну, распространяющуюся поперек проводников 6 и 7, и поэтому стоят друг от друга на расстоянии, кратном половине длины поверхностной волны.

Замедляющая структура 12 выполнена цилиндрической из кольцевых проводников 7, диафрагм 8 и связок 9 и экранов 10.

Согласованная нагрузка 13 может быть выполнена из отрезка волновода, закороченного с одного конца, и клинообразного материала с большим омическим сопротивлением. На нагрузку может быть надет радиатор воздушного или водяного охлаждения.

Статика (I вариант).

Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи содержит источник 5 СВЧ- энергии, два согласованных устройства 2, две линии передачи 4 и замедляющую структуру 1. С одного конца замедляющей структуры к ней подсоединен через одно согласованное устройство и линию передачи источник СВЧ-энергии, а к другому концу замедляющей структуры через другое согласованное устройство и линию передачи согласованная нагрузка.

Очищаемый фильтр размещается на замедляющей структуре со стороны, противоположной подключенным к ней диафрагмам и связкам (на фиг. 2 снизу).

Статика (II вариант).

Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи содержит источник 5 СВЧ- энергии, линию передачи 4, согласованное устройство 2 и цилиндрическую замедляющую структуру 12, надетую на цилиндрический фильтр 11. Фильтр может быть выполнен из пористой керамики.

Источник СВЧ-энергии через линию передачи, согласованное устройство и одну связку подсоединен к замедляющей структуре. Один конец фильтра заглушен.

Динамика (I вариант).

Устройство работает следующим образом.

Замедляющую структуру 1 устанавливают на очищаемый фильтр со стороны подводящей дым трубы. Включают дымоход. После повышения давления дыма выше определенного уровня из-за загрязнения фильтра сажей автоматически или вручную включают источник 5 СВЧ- энергии. Поверхностная волна начнет распространяться вдоль проводников 6 от одного конца замедляющей структуры к другому концу. При этом волна наводит в саже токи, которые ее разогревают до температуры 600^oC, и при наличии в дыму кислорода или подведенного воздуха происходит сгорание сажи и очистка от нее фильтра. Давление в подводящей дым трубе снижается, что является сигналом к отключению источника 5. Нагрузка 13 служит для предотвращения образования в замедляющей структуре 1 стоячей волны, которая ухудшает равномерность амплитуды вдоль фильтра и его очистку.

Динамика (II вариант).

Заглушают один торец фильтра. Устройство устанавливают на конец дымовой трубы. При повышении давления в дымовой трубе, из-за загрязнения фильтра 11, включают источник 5 СВЧ-энергии. Поверхностная волна начинает распространяться вдоль боковой поверхности фильтра и наводить в саже токи, которые ее разогревают до температуры воспламенения. При наличии в дыме кислорода или специально подведенного в этот момент воздуха сажа выгорает и фильтр очищается. После понижения давления в трубе источник 5 отключают.

Использование: используется при очистке от сажи тонких фильтров большой площади, применяемых в заводских трубах, трубах ТЭЦ и ТЭС. Сущность изобретения: устройство содержит источник СВЧ- энергии, замедляющую структуру, линию передачи, согласованные устройства и согласованную нагрузку. Вход замедляющей структуры через согласованное устройство и линию передачи соединен с выходом источника СВЧ-энергии. Выход замедляющей структуры соединен с согласованной нагрузкой. Во втором варианте исполнения изобретения устройство для очистки фильтров содержит источник СВЧ-энергии, замедляющую структуру цилиндрической формы, согласованный переход и линию передачи. Источник энергии возбуждает замедляющую структуру через линию передачи, согласованный переход и вибратор. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи, содержащее источник СВЧ-энергии, линию передачи этой энергии и согласованный переход, включенные последовательно, отличающееся тем, что в него дополнительно введены вторая линия передачи, второй согласованный переход, согласованная нагрузка и замедляющая структура, причем согласованный переход подсоединен к одному концу замедляющей структуры, а к ее другому концу подсоединены последовательно второй согласованный переход, вторая передающая линия и согласованная нагрузка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замедляющая структура выполнена из металла плоской или цилиндрической формы, которая содержит многопроводную линию, выполненную из прямолинейных проводников равной длины и поперечного сечения, параллельных друг другу и расположенных друг от друга на расстоянии ширины одного проводника, которая много меньше рабочей длины волны, сосредоточенные, индуктивные, ленточные, петлевые диафрагмы, соединяющие каждая два проводника, рядом расположенные и установленные рядами вдоль многопроводной линии на равных расстояниях меньше четверти длины волны, и ленточные, сосредоточенные, индуктивные, петлевые связки, соединяющие проводники через один, установлены рядами между рядов диафрагм на равных друг от друга и от рядов диафрагм расстояниях, ширина многопроводной линии кратна половине длины поверхностной волны, распространяющейся по замедляющей структуре, на крайних проводниках линии установлены экраны, высота которых не менее высоты диафрагм и связок. 3. Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи, содержащее источник СВЧ-энергии, линию передачи этой энергии и согласованный переход, включенные последовательно, и очищаемый фильтр, выполненный в виде трубы, отличающееся тем, что в него дополнительно введена замедляющая структура цилиндрической формы, длина ее окружности кратна целому числу длин рабочей поверхностной волны, а ее вход соединен с согласующим устройством. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что замедляющая структура выполнена из металла и содержит многопроводную линию, выполненную из кольцевых проводников, соосных и параллельно расположенных на расстояниях друг от друга, равных их ширине, которая много меньше длины поверхностной волны, длина окружностей колец кратна целому числу длин поверхностных волн структуры, ширина многопроводной линии кратна половине длины поверхностной волны, сосредоточенные, индуктивные, ленточные диафрагмы, соединяющие каждая два соседних проводника и установленные рядами вдоль проводников на равных расстояниях меньше четверти длины волны, и ленточные, сосредоточенные, индуктивные, петлевые связки, соединяющие проводники через один, установлены рядами между диафрагм на равных друг от друга и от рядов диафрагм расстояниях, кроме того, на крайних проводниках линии установлены кольцевые экраны, внешний диаметр которых не менее диаметра цилиндрической поверхности, описанной вокруг диафрагм и связок.