УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЗОДОРАЦИИ И БАКТЕРИЦИДНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ Российский патент 1998 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для воздействия электрического разряда на поток атмосферного воздуха с целью его бактерицидной и химической очистки, и может быть использовано для нормализации воздушной среды медицинских и бытовых помещений.

Многообразие источников вредных органических и неорганических соединений, возможности повышения бактерицидности воздуха в бытовых и медицинских помещениях требуют практической оценки как известных и широко применяемых систем воздухоочистки, так и создания новых технических решений.

Известные в настоящее время бытовые надплитные воздухоочистители достаточно эффективно очищают воздух от аэрозольных частиц (пыль, микрокапли масла), однако их возможности при очистке воздуха от органических соединений очень ограничены. Это связано с тем, что адсорбционная система очистки (адсорбент - активированный уголь) имеет малый ресурс, а регенерация адсорбента в домашних условиях и условиях медицинских учреждений практически невозможна.

Используемые для дезинфекции воздуха бактерицидные лампы УФ-излучения требуют постоянного контроля чистоты наружной поверхности стеклянной трубки, сохраняют опасность раскалывания колбы и загрязнения помещения парами ртути.

Бактерицидные лампы обычно требуют эвакуации людей из помещения и производят очистку воздуха в ограниченных объемах.

Известно устройство для очистки воздуха [1], содержащее отсек вентиляционного канала с электроразрядным генератором, образованным системой электродов нити-трубки. Электроды размещены внутри отсека перекрестно направленными группами не менее чем в двух параллельных плоскостях с образованием решетки. Трубчатые электроды состоят из диэлектрической (кварцевой) трубки с графитовым наполнителем. Электродная система запитывается от высоковольтного источника переменного тока, работающего с частотой 2-20 кГц. Воздушный поток, содержащий вредные ингредиенты, проходя через зону разряда, подвергается воздействию "активных центров", генерируемых в разряде (УФ-излучение, атомарный кислород, озон, электроны и др.). При этом обеспечивается стерилизация воздуха, а молекулы токсичных газообразных веществ распадаются (окисляются) на безвредные компоненты - воду и углекислый газ. Применение острийного электрода, выполненного в виде нити, привело к резкому снижению аэродинамического сопротивления для газовоздушного потока по сравнению с системой электродов барьерного разряда. Неоднородное электрическое поле разряда облегчило контакт всей массы газа, подлежащего обработке, с активной областью разряда. Увеличение скорости прокачки воздуха позволило организовать конвективное охлаждение электродов.

Основной недостаток устройства связан с высокой концентрацией озона на выходе. Это ограничивает области применения устройства безлюдными технологиями (промвентканалы). Расширение областей работы устройства требует введения катализаторов для сокращения времени разрушения озона на выходе. Однако каталитические дожигатели озона имеют сложную технологию изготовления, ограниченный ресурс работы. Их применение в воздухоочистителях требует введения системы контроля состояния катализатора, приводит к необходимости утилизации отработавших катализаторов. Это усложняет конструкцию устройства, повышает ее стоимость. Следующий недостаток вызван наличием "барьерного эффекта", который образуется при применении знакопеременного напряжения в системе электродов с диэлектрическим барьером и заключается в образовании неуправляемой фазы искрового канала разрядки диэлектрика в период изменения полярности электродов. Перегрев воздуха в канале искрового разряда приводит к наработке побочных плазмохимических продуктов, снижает надежность работы устройства.

Исключение указанных недостатков возможно в электроразрядных устройствах, где возбуждение разряда в промежутке с диэлектрическим барьером не требует применения источника знакопеременного напряжения, а обработка воздуха производится при минимальной концентрации озона.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для обработки газа в электрическом разряде [2], содержащее заключенные в корпусе с единым воздуховодным каналом, подключенные к униполярному источнику высокого постоянного напряжения неподвижные высоковольтный и дополнительный заземленный электроды и подвижный заземленный электрод с диэлектрическим барьером, совмещенный с крыльчаткой осевого вентилятора, получающих привод от электростатического двигателя. Применение в цепи питания устройства униполярного источника высокого постоянного напряжения позволило исключить "барьерный эффект", что привело к уменьшению количества оксидов азота или побочного канцерогенного вещества в выходном потоке ниже предельно допустимой концентрации.

Недостатки устройства связаны с малым радиусом кривизны рабочей кромки высоковольтного электрода, выполненного в виде стержня. Это ограничивает уровень достижимых напряженностей E электрического поля в разрядном промежутке, снижает эффективность конверсионных процессов очистки воздуха. Высокая скорость химических реакций окисления ионизированных и диссоциированных молекул примесей, воды и кислорода достигается в воздухе, когда максимум распределения электронов по энергиям в разряде приходится на 6-7 эВ. Это соответствует электрическим полям в воздухе порядка E = 100 - 150 кВ/см и может быть достигнуто только в стримерной короне, горящей на острийном или игольчатом электроде. Следующий недостаток устройства заключен в конструкции воздуховодного канала, где применен осевой вентилятор, приводящий к формированию единого воздушного потока. Воздушный поток полностью проходит через электроразрядный промежуток, который образован на выходном участке воздуховодного канала между образующей подвижного электрода, выполненного в виде цилиндрического ротора, и расположенным параллельно ему стержневым высоковольтным электродом. Прохождение всего обрабатываемого газа через межэлектродный промежуток приводит к насыщению воздуха озоном, а размещение разрядного промежутка на выходном участке воздуховодного канала затрудняет применение газодинамических смесителей, обеспечивающих возможность снижения концентрации озона на выходе из устройства за счет разбавления его в потоке необработанного воздуха. Использование в устройстве электростатического двигателя усложнило конструкцию воздуховодного канала и привело к увеличению геометрических размеров воздухоочистителя.

В основу изобретения поставлена задача упростить конструкцию и сократить геометрические размеры устройства, повысить производительность обработки воздуха без превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) озона на выходе.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что устройство для дезодорации и бактерицидной обработки воздуха в электрическом разряде содержит заключенные в корпусе-улитке с единым воздуховодным каналом и подключенные к униполярному источнику постоянного высокого напряжения неподвижные высоковольтные и дополнительные заземленные электроды и подвижный электрод с диэлектрическим барьером, совмещенный с крыльчаткой радиального вентилятора. Согласно изобретению крыльчатка вентилятора имеет два соединенных с помощью торцевых диэлектрических диафрагм рабочих колеса с боковыми входными отверстиями в корпусе-улитке. Причем одно из входных отверстий содержит регулятор расхода воздуха, выполненный в виде подвижной втулки, а на выходе из воздуховодного канала размещен газодинамический смеситель потоков.

Неподвижные высоковольтные электроды игольчатого типа и заземленные электроды ножевого типа установлены попарно с одинаковым шагом в технологических приливах корпуса по периметру входного отверстия с втулкой. Электроды имеют возможность осевого перемещения и ориентированы перпендикулярно к поверхности подвижного электрода, который выполнен в виде плоского диска, лежащего на торцевой диафрагме соответствующего рабочего колеса, и закреплен с помощью технологического хвостовика в отверстии на оси крыльчатки.

Газодинамический смеситель потоков установлен на выходе из воздуховодного канала корпуса-улитки со стороны колеса крыльчатки с подвижным и неподвижными электродами и содержит плохообтекаемое тело с выступающей пластиной, имеющей пилообразный профиль на рабочей кромке.

Общий вид устройства приведен на фиг. 1; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлены вид Б на фиг. 1, сечение В-В и вид Г.

Устройство имеет электродвигатель, на вал 1 (фиг. 2) которого насажен хвостовик 2 крыльчатки радиального вентилятора, имеющей два рабочих колеса, соединенных с помощью торцевых диэлектрических диафрагм. Крыльчатка введена в корпус-улитку 3, который имеет два боковых входных отверстия (левое и правое, фиг. 2) и единый воздуховодный канал (фиг. 1), формирующий выходной поток. Правое входное отверстие находится в стенке 4, которая используется также для крепления корпуса-улитки 3 относительно вала 1 электродвигателя. Левое входное отверстие корпуса 3 имеет технологические приливы, которые содержат две пары электродов 5 и 6, 5 - высоковольтные электроды игольчатого типа, а 6 - токосъемные электроды ножевого типа. Электроды 5 выполнены в виде металлических шпилек, имеющих резьбу на верхней части. Электроды 6 закреплены на шпильках 7, также имеющих резьбовую часть. Резьба на шпильках 5 и 7 используется для крепления изоляционных колпачков 8 и позволяет регулировать высоту установки электродов 5 и 6 относительно поверхности подвижного электрода (ПЭ), включающего плоский металлический диск 9 с поверхностной диэлектрической пленкой 10. ПЭ с помощью технологического хвостовика на диске 9 закреплен в отверстии в хвостовике 2 на оси колеса крыльчатки вентилятора. Электроды 5 подключены к униполярному источнику высокого напряжения 11 и имеют отрицательную полярность, а электроды 6 через шпильки 7 заземлены. Левое входное отверстие в вентилятор имеет регулятор расхода воздуха 12, выполненный в виде подвижной втулки, установленной в отверстии технологического прилива в корпусе 3 с возможностью продольного перемещения и фиксации на заданном расстоянии a относительно плоскости ПЭ.

На выходе из воздуховодного канала в корпусе-улитке 3 (фиг. 3) установлен смеситель потоков в виде плохообтекаемого тела 13 с пластиной 14, имеющей пилообразный профиль высотой h на рабочей кромке (фиг. 3). Элементы 13 и 14 перекрывают выходное сечение на ширине ≤ 0,5b (см. фиг. 3) со стороны рабочего колеса с электроразрядным генератором (ЭРГ), образованным электродами 5 и 6 в воздушном промежутке с подвижным электродом 9, 10.

Устройство для обработки воздуха работает следующим образом.

После включения электродвигателя и достижения рабочего режима вращения крыльчатки вентилятора на выходе из воздуховодного канала корпуса-улитки 3 образуется единый турбулизированный газовый поток, который формируется из двух различающихся по уровню расхода частей. Малорасходный поток составляет ≈ 0,1 часть от основного и задается регулятором расхода 12, который перекрывает сечение в левом входном отверстии в вентилятор за счет изменения расстояния a от нижней кромки втулки до плоскости ПЭ. Кроме этого, регулятор расхода 12 обеспечивеат вынос прокачиваемого воздуха к плоскости ПЭ, создавая условия для прохождения малорасходного потока через межэлектродные промежутки 5-ПЭ, 5-6 ЭРГ. При подаче от источника 11 на электроды 5 ЭРГ постоянного высокого напряжения U ≥ U_з, где U_з - напряжение зажигания разряда в малорасходном потоке воздуха, в промежутках 5-ПЭ генератора возбуждается униполярный барьерный разряд, сопровождающийся индукционным разрядом в промежутке ПЭ-6. При возрастании высокого U на электродах 5 до U ≃ (2-3)U_з разряд в промежутке 5-ПЭ горит в режиме стримерной короны и на поверхности между электродами 5 и 6 возбуждается дополнительный газовый разряд - однородный поверхностный разряд. При этом плохообтекаемое тело 13 формирует перед собой застойную зону с вихревым рециркуляционным течением, где концентрация озона составляла по результатам измерений ≤ 6 ПДК. Пластина 14 с пилообразным профилем рабочей кромки обеспечивает турбулизацию выходной струи, создавая условия для эжекционного ввода в основной поток воздуха малорасходной части. При этом масштаб турбулентных образований и степень разбавления озона в выходном потоке определяются высотой h зубьев на пластине 14. Как показали измерения, уже при h = 5 мм концентрация озона в потоке на расстоянии ≈ 10 см ниже выходного сечения из воздуховодного канала снижалась до уровня ПДК для бытовых приборов (60 мкг/м³). При этом микробная обсемененность прокачиваемого воздуха на выходе из устройства была ниже фонового уровня в помещении от 1,6 до 3 раз.

Дезодорационные возможности устройства определялись по степени снижения концентрации примесей в воздушном потоке за вентилятором при выключенном и включенном источнике высокого напряжения ЭРГ. Измерения показали, что при включенном ЭРГ устройство снижает концентрацию молекул фенола, формальдегида и пропана в потоке в 5 - 10 раз. При выключении ЭРГ концентрация молекул указанных примесей снижалась в потоке на более чем в 2 раза.

Использование: воздействие электрического разряда на поток атмосферного воздуха для его бактерицидной и химической очистки. Устройство имеет электродвигатель, на вал которого насажен хвостовик крыльчатки радиального вентилятора, имеющий два рабочих колеса, соединенных с помощью торцевых диэлектрических диафрагм. Крыльчатка введена в корпус-улитку, который имеет два боковых входных отверстия (левое и правое) и единый воздуховодный канал, формирующий выходной поток. Правое входное отверстие находится в стенке, которая используется также для крепления корпуса-улитки относительно вала электродвигателя. Левое входное отверстие корпуса имеет технологические приливы, которые содержат две пары электродов: высоковольтные электроды игольчатого типа и токосъемные электроды ножевого типа. Электроды закреплены на металлических шпильках, имеющих резьбу в верхней части. ПЭ с помощью технологического хвостовика на диске закреплен в отверстии на оси колеса крыльчатки вентилятора. Высоковольтные электроды подключены к униполярному источнику высокого напряжения и имеют отрицательную полярность, а токосъемные электроды заземлены. Левое входное отверстие в вентиляторе имеет регулятор расхода воздуха, выполненный в виде подвижной втулки, установленной в отверстии технологического прилива в корпусе с возможностью продольного перемещения и фиксации на заданном расстоянии a относительно плоскости ПЭ. На выходе из воздуховодного канала в корпусе-улитке установлен смеситель потоков, включающий плохообтекаемое тело с выступающей пластиной. Устройство позволяет повысить производительность обработки воздуха и упростить конструкцию. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для дезодорации и бактерицидной обработки воздуха в электрическом разряде, содержащее корпус с единым воздуховодным каналом и входным боковым отверстием, неподвижные высоковольтный электрод и электроды ножевого типа и подвижный электрод с диэлектрическим барьером, совмещенный с крыльчаткой вентилятора, отличающееся тем, что крыльчатка радиального вентилятора имеет два рабочих колеса, соединенных с помощью торцевых диэлектрических диафрагм, при этом соосно с входным отверстием с противоположной стороны корпуса выполнено второе входное отверстие, в котором установлен регулятор расхода воздуха в виде подвижной втулки, а на выходе из воздуховодного канала размещен смеситель потоков, причем неподвижный высоковольтный электрод выполнен игольчатым и подключен к униполярному источнику постоянного высокого напряжения, а электроды ножевого типа заземлены. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным неподвижным высоковольтным электродом, причем высоковольтные электроды и заземленные электроды ножевого типа установлены попарно с одинаковым шагом в технологических приливах по периметру входного отверстия с втулкой, имеют возможность осевого перемещения и ориентированы перпендикулярно поверхности подвижного электрода, который выполнен в виде соосного с крыльчаткой плоского диска, лежащего на торцевой диэлектрической диафрагме в соответствующем входному отверстию рабочем колесе и закреплен с помощью технологического хвостовика в отверстии на оси крыльчатки. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что на выходе из воздуховодного канала в корпусе-улитке установлен смеситель потоков в виде плохообтекаемого тела с выступающей пластиной, имеющей пилообразный профиль на рабочей кромке.