УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ Российский патент 2001 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим воздействие электрического разряда на поток прокачиваемого воздуха с целью бактерицидной и химической его очистки в больничных палатах и бытовых помещениях при отсутствии или недостаточной производительности вытяжной вентиляции.

Известен плазмохимический генератор роторного типа, предназначенный для воздействия низкотемпературной плазмы, возбуждаемой в униполярном барьерном разряде, на поток прокачиваемого воздуха с целью его обеззараживания и очистки, а также для получения озона (патент РФ N 2034778, МКИ C 01 B 13/11 от 12.05.95, Бюл. N 13).

Устройство содержит соединенный с электродвигателем ротор, на торце которого расположены в чередующемся порядке высоковольтные и заземленные электроды ножевого типа, подключенные к клеммам униполярного источника постоянного напряжения. Электроды, расположенные на торце ротора, выполняют роль лопастей радиальной крыльчатки и обращены рабочими кромками к неподвижному плоскому заземленному экрану, имеющему диэлектрический барьер и осевое отверстие для подвода газа.

К недостаткам конструкции генератора можно отнести расположение системы ножевых электродов устройства на подвижном диэлектрическом роторе, ввиду чего усложняется их подключение к высоковольтному источнику питания и снижается эксплуатационная безопасность. Кроме того, во время работы из-за несовершенства ножевых электродов как крыльчатки вентилятора обрабатываемый воздух прокачивается с малой скоростью и на выходе из разрядного промежутка устройства оказывается сильно насыщенным озоном, из-за чего становится невозможной его эксплуатация в бытовых помещениях и больничных палатах без применения катализаторов.

Наиболее близким техническим решением, позволяющим производить очистку воздуха без превышения ПДК на озон, является устройство для дезодорации и бактерицидной обработки воздуха в электрическом разряде (патент РФ N 2116244, МКИ C 01 B 13/11 от 27.07.98, Бюл. N 21).

Здесь электроразрядный промежуток образуется между парой высоковольтных острийных электродов игольчатого типа, подключенных к высоковольтной клемме униполярного источника напряжения, и пленочным диэлектрическим барьером подвижного электрода, закрепленного на торце двухсекционной радиальной крыльчатки. Съем электрических зарядов с поверхности барьера подвижного электрода осуществляется с помощью пары заземленных токосъемных электродов ножевого типа, установленных в технологических приливах корпуса вентилятора в чередующемся порядке с высоковольтными электродами и имеющих минимально допустимый зазор с поверхностью. Данная система электродов образует электроразрядный генератор (ЭРГ).

Обработка воздуха без превышения ПДК на озон в устройстве достигается за счет регулирования с помощью диафрагмы-втулки соотношения долей расходов газовых потоков, проходящих через секции радиального вентилятора, в одной из которых расположен ЭРГ, с последующим газодинамическим смешением потоков на выходе из устройства. Роль газодинамического смесителя потоков выполняет установленное на выходе из воздуховода корпуса-улитки плохообтекаемое тело, снабженное выступающей турбулизирующей пластиной.

Недостатком этого устройства является неустойчивость работы электроразрядного генератора, связанная с непостоянством разрядных зазоров между токосъемными и подвижным электродами из-за возникающих вибраций как корпуса-улитки, так и торца двухсекционной радиальной крыльчатки. Кроме того, установка газодинамического смесителя в виде плохообтекаемого тела в общем воздуховоде устройства ухудшает характеристики вентилятора по воздухопроизводительности. Также к недостаткам устройства следует отнести его большие габаритные размеры, что ограничивает область применения устройства стационарными системами кондиционирования и вентиляции.

В основу изобретения поставлена задача создания компактной модели электроразрядного генератора, позволяющего производить обработку воздуха без превышения ПДК на озон в малоразмерных замкнутых объемах при повышении надежности работы устройства и улучшении его аэродинамических характеристик.

Эта задача решена за счет того, что в устройстве для электроразрядной обработки воздуха подвижный электрод, состоящий из диска экрана и диэлектрического барьера, непосредственно установлен на вал электродвигателя, а диэлектрический барьер имеет периодические радиальные пазы, аэродинамически согласованные с крыльчаткой радиального вентилятора, расположенного на периферии диска-барьера, по углу установки и шагу решетки лопастей. Для этого радиальные пазы диэлектрического барьера согласованы с лопастями центробежной крыльчатки по шагу t_в = t_р = 360^o/z, где t_в - угловой шаг выступов, t_р - угловой шаг решетки лопастей, z - число лопастей крыльчатки, а угол установки лопастей крыльчатки определяется формулой (где C_R, C_V - радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости предварительно закрученного потока соответственно; V - окружная скорость входных кромок лопастей крыльчатки, i - угол атаки лопасти). Кроме того, центры радиальных выступов диэлектрического барьера переменной толщины смещены относительно входных кромок лопастей крыльчатки на угол Φ = 0,5×t_p, а угловая ширина радиальных пазов составляет 0,5×t_p≅ ΔΦ < t_p.
Периодическое изменение толщины барьера подвижного электрода формирует периодическую последовательность импульсов многолавинно-стримерных разрядов в зазорах с неподвижными электродами, в которых происходит бактерицидная и химическая очистка воздуха, а также создает дополнительную циркуляцию воздуха в устройстве и за счет перемешивания газа в моменты прерывания разряда, что снижает концентрацию нарабатываемого озона.

Конструкция электроразрядного устройства представлена на фиг. 1; на фиг. 2 представлен разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.

Генератор состоит из корпуса 1, на котором установлен с натягом электродвигатель 2. Вал электродвигателя 2 жестко связан с подвижным электродом, который образован металлическим диском-экраном 3 и диэлектрическим барьером переменной толщины 4. На диэлектрической крышке-фланце 5, прикрепленной к корпусу 1, расположены электроды 6 и 7, из которых острийный электрод 6 является высоковольтным, а ножевой электрод 7 является заземленным. Гальваническая связь электродов 6 и 7 с высоковольтным источником питания 8 осуществляется с помощью запресованных в крышку 5 металлических втулок 9, обладающих резьбой для установки неподвижных электродов. Причем металлический диск-экран 3 подвижного электрода гальванически не связан с источником питания 8.

Для предотвращения попадания озона из полости электроразрядного устройства к электродвигателю в корпусе 1 установлено уплотнение 10 в виде фетрового кольца.

Между высоковольтным электродом 6 и диэлектрическим барьером 4 образуется разрядный промежуток шириной δ, где возбуждается импульсный многолавинно-стримерный разряд. Заземленный электрод 7 установлен с минимальным зазором а относительно барьера переменной толщины 4, который выполнен в виде радиальных пазов с выступами 11. Таким образом барьер переменной толщины 4 формирует периодическую последовательность импульсов многолавинно-стримерного разряда и обеспечивает дополнительную циркуляцию воздуха внутри устройства, способствуя разбавлению наработанного озона в моменты прерывания разряда.

Регулировка зазоров δ и a между неподвижными и подвижным электродом осуществляется с помощью диэлектрических колпачков 12, установленных на нерабочих концах электродов 6, 7 и имеющих шлицы под отвертку.

Прокачка воздуха через устройство достигается выполнением на периферии барьера 4 центробежной крыльчатки 13. Крыльчатка 13 совместно с крышкой-фланцем 5, имеющей осевое отверстие и периферийные пазы-окна, образует центробежный вентилятор.

Устройство для обработки воздуха в малоразмерных объемах работает следующим образом. После подачи напряжения на электродвигатель 2 и начала вращения подвижного электрода включается источник высокого напряжения 8 и постоянное высокое напряжение через втулку 9 подается на острийный электрод 6. При достижении в промежутке напряженности поля E ≥ E_проб = 27 кВ/см, где E_проб - напряженность электрического поля пробоя воздушного промежутка при нормальных условиях (Разевиг В. Г., Соколова М.В. Расчет начальных и разрядных напряжений газовых промежутков. - М.: Энергоиздат, 1977. - 200 с.).

При прохождении под электродом 6 выступа 11 барьера 4 (фиг. 2) его поверхность заряжается поверхностным зарядом с плотностью
σ = C_б×U_б, (1)
где C_б= ε×ε_o/d - удельная электрическая емкость поверхности барьера 4, ε - диэлектрическая проницаемость материала (ε_o= 8,65×10^-12 Ф/м), d - толщина диэлектрика (Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электронике. - М: Радио и связь, 1989. - С. 160-167).

Таким образом, напряжение потенциального барьера определяется толщиной диэлектрика
U_б= σ/C_б. (2)
Толщина d диэлектрика подобрана так, что при d = d₂ (выступ 12, см. фиг. 2) напряженность поля E становится равной E_проб и между электродом 6 и выступом 11 зажигается импульсный многолавинно-стримерный разряд (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - С. 505-512).

В объеме этого разряда происходит бактерицидная и химическая очистка воздуха.

В следующий момент за счет движения подвижного электрода участок барьера с толщиной d и с зарядом σ выносится из разрядного промежутка, а на его место поступает участок диэлектрика толщиной d₁, причем d₁ < d₂. Напряженность поля E уменьшается и становится менее E_проб. Разряд погасает и образуется пауза со временем τ_п= L/υ, где L - ширина впадины на радиусе установки высоковольтного электрода 6, υ - линейная скорость движения барьера, определяемая числом оборотов двигателя 2. За время паузы τ_п обработанный и насыщенный озоном воздух за счет циркуляции вытесняется из разрядного промежутка и разбавляется окружающим газом. При этом поступивший из приосевого пространства воздух конвективно охлаждает высоковольтный электрод 6.

Поверхностный заряд σ на выступе барьера 11 разряжается с помощью заземленного электрода 7 с образованием диффузионного разряда тлеющего типа, который также используется для обработки воздуха (Журавлев О.А., Заикин А.П., Шимаров В.П. Моделирование фаз развития протяженных электроразрядных структур на диэлектрической подложке. // Деп. в ВИНИТИ от 01.11.91. N 4233-B91). Охлаждение электрода 7 аналогично охлаждению электрода 6. Таким образом, вслед за впадиной радиального паза к высоковольтному электроду 6 приходит новый выступ 11 барьера 4, свободный от поверхностных зарядов, и вышеописанный цикл повторяется снова.

Возможна также организация аналогичного режима работы устройства, когда в начале при прохождении под электродом 6 участков диэлектрического барьера 4 с толщиной d₁ напряженность поля E ≥ E_проб. В этом случае происходит зарядка поверхности радиальных пазов диэлектрического барьера 4. Однако при прохождении данных участков поверхности барьера 4 под заземленным электродом 7 величины напряженности поля E = U_б/a (значение U_б вычисляется по формуле (1) при d = d₁) оказывается недостаточным для образования индукционного разряда и впадина остается заряженной. Отсюда при последующих циклах прохождения поверхности радиальных пазов под высоковольтным электродом 6 напряженность поля E оказывается меньше E_проб из-за наличия на поверхности одноименных зарядов. Таким образом, на установившемся режиме работы устройства также генерируется периодическая последовательность импульсов многолавинно-стримерного разряда, связанных с поверхностью выступов 11.

Устройство для электроразрядной обработки воздуха производит бактерицидную и химическую очистку в режиме самопрокачки, создавая устойчивую циркуляцию воздуха как внутри устройства, так и в замкнутом объеме помещения за счет наличия барьера переменной толщины 4 и центробежной крыльчатки 13. Причем радиальные пазы на пленочном барьере 4 аэродинамически согласованы с лопастями крыльчатки 13 по углу установки и шагу решетки. Угол установки лопастей крыльчатки β_вх определяется из условия безотрывного обтекания решетки при наличии на входе предварительной закрутки потока, возникающей за счет воздействия барьера переменной толщины

где C_R, C_V - радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости предварительно закрученного потока соответственно; V = 2π×n×R_вх/60 - окружная скорость входных кромок крыльчатки 13 (здесь n - частота вращения подвижного электрода 3, 4 [об/мин], R_вх - входной радиус установки лопастей решетки); i = ±2^o - угол атаки лопасти (Терещенко Ю.М. Аэродинамика компрессорных решеток. - М.: Машиностроение, 1979. - 118). Значение C_R определяется из условия неразрывности потока
C_R= Q/(2π×R_вх×H), (4)
где Q - расход воздуха через устройство, H - ширина воздушного тракта устройства, образованного между поверхностью подвижного электрода 3, 4 и крышкой-фланцем 5. Величина C_V зависит как от высоты выступов 11 барьера 4, так и от ширины радиальных пазов и лежит в пределах
C_V = (0,3-0,5)•V. (5)
На практике определение значения C_V производится экспериментально. Для обеспечения работы лопастей крыльчатки в условиях невозмущенного потока при прохождении газа через радиальные пазы барьера переменной толщины 4 угловой шаг выступов барьера принят равным шагу решетки лопастей крыльчатки
t_в = t_р = 360^o/z, (6)
где z - число лопастей крыльчатки.

Причем центры радиальных выступов 11 смещены относительно входных кромок лопастей крыльчатки 13 на угол
Φ = 0,5×t_p, (7)
а угловая ширина радиальных пазов барьера 4 определяется неравенством
0,5×t_p≅ Φ < t_p. (8)
Отсюда значение ширины впадины на уровне высоковольтного электрода 6
L = R_ввэ× ΔΦ, (9)
где R_ввэ - радиус установки высоковольтного электрода 6, а длительность паузы при запирании разрядного промежутка:
τ_п= L/υ = 30ΔΦ/π×n. (10)
При выбранных значениях угла смещения радиальных выступов (Φ = 0,5×t_p и угловой ширины пазов 0,5×t_p≅ ΔΦ) турбулентный след потока, возникающий при движении выступов 11 не попадает на соседние лопасти крыльчатки, из-за чего все ее элементы работают в невозмущенном потоке, в связи с этим эффективность вентилятора возрастает. При значении ΔΦ = t_p периодические пазы смыкаются между собой и эффект периодической генерации импульсов многолавинно-стримерного разряда пропадает.

Создавая разрежение в приосевой области крыльчатка 13 совместно с выступами 11 прокачивает воздух из осевого отверстия в крышке-фланце 5 в периферийные пазы-окна.

При испытании модели генератора со следующими параметрами: частота вращения вала n = 1500 об/мин, δ = 3×10^-3 м, а зазор a = 5•10^-4 м, подложка 4 - лавсановая пленка с диэлектрической проницаемостью ε = 2-3, толщиной d = 150•10^-6 м, число лопастей крыльчатки 13 - z = 36, Φ = 10^°, ΔΦ = 5^°. Входные кромки лопастей крыльчатки вентилятора были расположены на радиусе R_вх = 0.15 м при ширине воздушного тракта H = 0,01 м. Расход воздуха через вентилятор составлял Q = 150 м³/ч (Q = 0,417 м³/с). В этом случае окружная скорость перемещения входных кромок лопастей крыльчатки составила V = 23,6 м/с, радиальная составляющая абсолютной скорости потока - C_R = 4,4 м/с, а окружная составляющая абсолютной скорости потока у входа в крыльчатку по данным измерений - C_V = 9,3 м/с. Оптимальный угол установки лопастей крыльчатки расчитывался по формуле (3) и составил При изготовлении модели генератора величина установочного угла β_вх была принята 15^o. В рабочем тракте устройства разряд возбуждается при напряжении U = 3 кВ, а при рабочем напряжении U = 12 кВ частота следования импульсов составила 3 кГц при частоте модуляции 900 Гц. Испытания проводились с одиночными высоковольтным острийным и дополнительным ножевым электродами. Однако возможна попарная установка большего числа неподвижных электродов, значение которого ограничено условием электрической прочности межэлектродного пространства. В процессе работы устройства было исключено появление искровых разрядов и концентрация озона на выходе из устройства за счет разбавления в моменты прерывания разряда составляла 60 мкг/м³, что соответствует уровню среднесуточного ПДК (Нормативные данные по предельно допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды. Справочные материалы. - С-Пб: Буревестник, 1994. - 236 с.).

Применение диэлектрического барьера пеоеменной толщины формирует образование импульсных многолавинно-стримерных разрядов и периодическое погасание разряда со сменой воздушной смеси и конвективным охлаждением электродов. Это позволяет производить очистку воздуха с минимальной наработкой озона. Кроме того, крыльчатка-барьер позволяет установить циркуляцию воздуха в малоразмерном объеме. Изменяя в устройстве барьеры с различными величинами t_в, ΔΦ (связанных с z), а также толщин выступов и впадин d₁, d₂, можно задавать различные режимы работы устройства.

А применение в устройстве высоковольтного источника постоянного напряжения облегчает задачу его использования на автотранспорте за счет упрощения преобразования номинального напряжения питающей цепи (12 В) в высоковольтное.

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим воздействие электрического разряда на поток прокачиваемого воздуха с целью бактерицидной и химической его очистки в больничных палатах и бытовых помещениях при отсутствии или недостаточной производительности вытяжной вентиляции. Устройство для электроразрядной обработки воздуха в малоразмерных замкнутых объемах содержит электродвигатель, связанный с подвижным электродом, высоковольтные электроды игольчатого типа, заземленные электроды ножевого типа. Высоковольтные электроды игольчатого типа подключены к униполярному источнику постоянного напряжения. Рабочие кромки заземленных электродов ножевого типа расположены на минимальном расстоянии от диэлектрического барьера подвижного электрода. Диэлектрический барьер подвижного электрода имеет периодические радиальные пазы, переходящие на периферии в лопасти центробежной крыльчатки. При этом радиальные пазы диэлектрического барьера согласованы с лопастями центробежной крыльчатки по шагу t_в = t_р = 360^o/z, где t_в - угловой шаг выступов, t_р - угловой шаг решетки лопастей, z - число лопастей крыльчатки. Угол установки лопастей крыльчатки определяется формулой
β_вх= arctg(C_R/v-C_v)±i,
где C_R, C_V - радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости предварительно закрученного потока, V - окружная скорость входных кромок лопастей крыльчатки, i - угол атаки лопасти. Кроме того, центры радиальных выступов диэлектрического барьера переменной толщины смещены относительно входных кромок лопастей крыльчатки на угол Φ = 0,5×t_p, а угловая ширина радиальных пазов составляет 0,5×t_p≅ ΔΦ < t_p. Технический результат - создание компактной модели электроразрядного генератора, позволяющего производить обработку воздуха без превышения ПДК на озон в малоразмерных замкнутых объемах при повышении надежности работы устройства и улучшении его аэродинамических характеристик. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для электроразрядной обработки воздуха в малоразмерных замкнутых объемах, содержащее электродвигатель, связанный с подвижным электродом, высоковольтные электроды игольчатого типа, подключенные к упомянутому источнику постоянного напряжения, и заземленные электроды ножевого типа, рабочие кромки которых расположены на минимальном расстоянии от диэлектрического барьера подвижного электрода, отличающееся тем, что диэлектрический барьер подвижного электрода имеет периодические радиальные пазы, переходящие на периферии в лопасти центробежной крыльчатки, при этом радиальные пазы диэлектрического барьера согласованы с лопастями центробежной крыльчатки по шагу t_B = t_p = 360^o/z, где t_B - угловой шаг выступов, t_p - угловой шаг решетки лопастей, z - число лопастей крыльчатки, а угол установки лопастей крыльчатки определяется формулой

где C_R, C_V - радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости предварительно закрученного потока;
V - окружная скорость входных кромок лопастей крыльчатки;
i - угол атаки лопасти. 2. Устройство для обработки воздуха по п.1, отличающееся тем, что центры радиальных выступов диэлектрического барьера переменной толщины смещены относительно входных кромок лопастей крыльчатки на угол Φ = 0,5×t_p.
3. Устройство для обработки воздуха по п.1, отличающееся тем, что угловая ширина радиальных пазов составляет 0,5×t_p≅ ΔΦ < t_p.