УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОГО ВОЗДУХА Российский патент 2008 года по МПК A01G15/00 

Область техники

Изобретение относится к области прикладной метеорологии и экологии, а именно к устройствам для изменения атмосферных условий, использующим тепловой нагрев воздуха, чтобы получить конвекцию воздушных масс, обеспечивающую вынос загрязняющих атмосферу частиц из приземной зоны сквозь инверсионный слой в верхние слои атмосферы. Изобретение может использоваться для очистки воздушных бассейнов городов и других населенных пунктов для защиты транспортных и промышленных объектов от смога и других неблагоприятных экологических условий.

Уровень техники

При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций у земной поверхности в жизнедеятельном слое атмосферы. Отсюда особое значение приобретает изучение приземного слоя воздуха толщиной 50-100 м [www.geomod.rsu.ru].

Неблагоприятные метеорологические и экологические ситуации в определенных районах возникают отчасти из-за наличия температурных инверсий в нижних слоях атмосферы. Ночью холодный воздух вытесняет вверх более теплый. Между потоками теплого и холодного воздуха образуется инверсионный слой, который, по сути, является запирающим слоем атмосферы, исполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.

В природе одной из самых частых и продуктивных причин восходящих потоков является термичность. [Дэннис Пэгин. Понять небо. Перевод Сергея Жукарина. http://www.paragliding.kiev.ua]. В основе лежит солнечный прогрев поверхности в течение дня. Тепло передается воздуху над ней. Если прогрев медленный, теплый воздух может подниматься в легком непрерывном потоке, столбе. При более быстром прогреве могут формироваться пузыри, оставаясь на поверхности и увеличиваясь в течение некоторого времени до внезапного отрыва. Пузыри и столбы поднимающегося теплого воздуха могут достигать больших высот. Они могут быть очень слабые и незаметные в условиях слабого прогрева или мощные, когда солнце жаркое. Термик - это скопление воздуха, поднимающегося в основной массе по причине того, что он легче окружающего. Термики могут различаться по форме, размерам и силе. Когда термик только формируется, нагретый воздух начинает подниматься, приобретая форму столба или пузырей. Этот процесс может распространяться на 100 м. Сформировавшийся поток ускоряется до скорости, при которой уравниваются выталкивающая сила и сила сопротивления. Выталкивающая сила, действующая на объем теплого воздуха, определяется дефицитом его плотности относительно окружающего воздуха и его размером. Когда термик поднимается, на его место у поверхности приходит другой воздух. Если поступающий воздух теплый, то тоже сразу начинает подниматься. В этом случае возникнет термический столб, достигающий большой высоты.

Известны способы и устройства, искусственно создающие локальные непрерывные сконцентрированные конвективные потоки, которые могут пробиваться сквозь инверсионный слой атмосферы, то есть обеспечивать создание тяги из приземного слоя атмосферы в верхние слои атмосферы, способствуя уносу загрязняющих микрочастиц из приземного слоя и разрушению инверсионного слоя.

Так, например, известна конструкция устройства для создания конвективной тяги с помощью солнечной энергии [а.с. №979800, МПК F24J 3/02, E03G 7/02]. Устройство содержит установленную с зазором над поверхностью земли тяговую башню с кольцевым диффузором. Башня выполнена в виде гофрированной оболочки из поглощающего солнечное излучение материала и закрепленной на ней эластичной спиральной трубки из оптически прозрачного материала. Витки трубки скреплены между собой. Нижним концом по периметру башня опирается на кольцевой диффузор, под которым расположена компрессорная, обеспечивающая подачу сжатого воздуха в трубку для придания башне жесткости и вертикального положения. Солнечное излучение, проникая через оптически прозрачную стенку башни, образованной спиральными витками трубки, падает на оболочку и поглощается ею. Это приводит к нагреву воздуха, находящегося внутри башни. Теплый воздух поднимается вверх, создавая тягу и увлекая за собой загрязнения воздуха у поверхности земли.

Недостатками этой конструкции являются:

1) Зависимость функционирования от солнечного излучения, то есть от погодных условий.

2) Наличие компрессорной установки, вызывающей шум, вибрации.

3) Чувствительность установки к ветрам.

Другим, наиболее близким аналогом для заявляемого устройства является конструкция устройства для очистки воздушных бассейнов городов, известная из описания к предварительному патенту республики Казахстан [KZ(B)(11)1445]. Это устройство содержит надувную оболочку, заполняемую легким инертным газом, которую поднимают до и выше уровня инверсионного слоя, закрепляя ее положение с помощью электропроводных тросов и лебедки. Надувная оболочка имеет сквозной проем, в котором размещается воздухоочиститель. Один из тросов является электрическим нагревателем, который благодаря своему омическому сопротивлению нагревается электротоком от наземного источника питания, и, соответственно, нагревает окружающий его слой воздуха, обеспечивая тем самым направленное движение воздуха вверх вдоль себя, образуя тягу. Второй трос располагается рядом с первым, заключается в электроизолирующую оболочку и исполняет роль проводника электрического тока, а также является тяговым тросом.

Недостатками конструкции являются:

1) Зависимость от метеоусловий, например от ветра, воздействие которого может перемещать надуваемую конструкцию, создавая значительные отклонения тросов от вертикали и нарушая движение конвективных потоков.

2) Наличие токопроводящих тросов, которые создают реальную угрозу безопасности людей при возможном обрыве троса и сильном ветре.

3) Малая производительность, обусловленная незначительной площадью поверхности теплоотдачи нагреваемого троса на единицу его длины.

Сущность изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для очистки загрязненного воздуха выполнено в виде вертикального нагревателя воздуха, состоящего из нескольких термосифонов (являющимися простейшими тепловыми трубами), установленных вертикально один над другим с касанием или на некотором расстоянии друг от друга. Термосифоны закреплены на жесткой башне вдоль ее вертикальной оси. Для нагрева термосифонов используются электрические нагреватели, закрепленные на башне через изоляторы и подключенные к наземному источнику электропитания с помощью проводов. Все электрические нагреватели могут быть объединены в единую сеть электропитания, равно как и каждый электрический нагреватель может иметь независимое соединение с источником питания (то есть может быть включен/отключен индивидуально). Эти электрические нагреватели контактируют с поверхностью нижних концов термосифонов.

Принцип действия термосифонов таков, что в результате подогрева их нижних концов быстро нагревается вся их поверхность. Для увеличения площади нагреваемой поверхности и для обеспечения возможности соединения двух термосифонов целесообразно использовать радиаторы в виде плоских пластин, изготовленных, например, оребрением трубчатого профиля термосифона.

По высоте башни расположено несколько датчиков температуры и датчиков перемещения воздушных потоков, которые предназначены для обеспечения обратной связи.

Башня исполняет роль надежной жесткой опоры для тепловых труб, датчиков и электрических нагревателей.

Если несколько термосифонов расположены непосредственно друг над другом и имеют тепловой контакт между собой, достаточно подогревать только нижний конец нижнего термосифона группы одним электрическим нагревателем - вследствие теплопередачи между термосифонами будет прогреваться вся группа. А если термосифоны расположены на некотором расстоянии друг от друга, требуется подогревать нижние концы каждого термосифона.

Принцип действия термосифона основан на замкнутом испарительно-конденсационном цикле. Термосифон представляет собой полую трубку, внутри которой имеется небольшое количество жидкости и ее пара. Жидкость может быть различной - все зависит от характерных температур. Для температур от 0 до 300 градусов Цельсия в качестве рабочей жидкости может быть вода. Рабочее положение термосифона - вертикальное, подвод тепла осуществляют к его нижнему концу. При подводе тепла к нижнему концу термосифона внутренняя жидкость, находящаяся как раз в этом конце, так называемой зоне испарения, начинает превращаться в пар. Образующийся в результате конвекции пар движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. После остывания пар конденсируется и стекает по стенкам термосифона вниз. Термосифон обладает теплопроводностью в сотни раз большей по сравнению, например, с медным стержнем аналогичных габаритов.

Горячие термосифоны нагревают окружающие их слои воздуха. Теплый воздух начинает подниматься вверх в силу конвекции, образуя тягу и увлекая за собой микрочастицы загрязнений. Высота башни определяется характерной для данной местности высотой расположения инверсионного слоя в зоне очистки, Желательно, чтобы самый верхний термосифон доходил до инверсионного слоя, однако и при высоте башни несколько меньшей, чем высота инверсионного слоя, предложенное устройство работает, поскольку в нем все равно создается вертикальный конвекционный поток, способный подняться до инверсионного слоя и пробить его.

Датчики служат для определения момента включения или отключения электрических нагревателей. Например, при сильном ветре, когда нагретый воздух быстро отгоняется в сторону от вертикальной оси башни, нецелесообразно вообще включать электрические нагреватели - создание принудительной конвекции в этот период маловероятно.

Таким образом, предлагаемое устройство для очистки загрязненного воздуха обеспечивает создание локальных конвективных потоков в воздушном приземном слое атмосферы, образуя тягу благодаря равномерному нагреву воздуха с помощью тепловых труб, закрепленных на башне вдоль вертикальной оси башни. При этом вместе с теплым воздухом поднимаются вверх частицы загрязнений, пробивают инверсионный слой и рассеиваются в верхних слоях атмосферы. По сравнению с прототипом это устройство является более надежным, так как не зависит от метеоусловий (термосифоны крепятся на устойчивой жесткой башне) и не является электроопасным, так как напряжение питания подается на электрические нагреватели, прочно закрепленные через изоляторы на жесткой башне. Кроме того, конструкция нагревателя воздуха удобно собирается из отдельных элементов - тепловых труб длиной порядка 10 м на любую требуемую высоту. Расположенные по высоте датчики температуры и датчики перемещения воздушных масс позволяют вовремя включать и выключать электрические нагреватели и, следовательно, осуществлять оптимальный расход электроэнергии.

Перечень графических материалов

Фиг.1. Конструкция устройства для очистки загрязненного воздуха.

Фиг.2. Профиль термосифона.

Фиг.3. Разрез места соединения двух тепловых труб в группе.

Фиг.4. Электрический нагреватель (по технологии изготовления печатных плат).

Описание в статике

Конструкция устройства для очистки загрязненного воздуха проиллюстрирована на фиг.1. Термосифоны 1 собраны вдоль вертикальной оси башни 2, образуя несколько групп. Внутри каждой группы несколько отдельных термосифонов касаются концами друг друга. Места соприкосновения 3 термосифонов имеют хороший тепловой контакт. Нижние концы нижних термосифонов в каждой группе соединены с электронагревателями 4, которые, в свою очередь, соединены с источником питания 5, расположенным внизу башни 2. Электронагреватели 4 закреплены на башне 2 через изоляторы 6 и соединены с датчиками температуры 7 и датчиками перемещения воздушных масс 8, которые также жестко закреплены на этой башне.

Для увеличения площади нагреваемой поверхности термосифона применяют оребрение поверхности термосифона (фиг.2). Ребра выполняют функцию радиатора и могут быть выполнены в виде плоской пластины, приваренной к термосифону по касательной вдоль его наружной поверхности, или же являться частью корпуса тепловой трубы (то есть термосифон может быть изготовлен изначально с оребренным трубчатым профилем).

Кроме того, оребрение поверхности термосифона позволяет обеспечить хороший тепловой контакт при соединении нахлестом двух соседних концов термосифонов (фиг.3) благодаря хорошо прилегаемым плоским внешним поверхностям ребер.

Нагрев одного из концов любого термосифона обеспечивает плоский электрический резистивный нагреватель (фиг.4), выполненный по технологии печатного монтажа.

Описание в динамике

Устройство для очистки загрязненного воздуха работает следующим образом.

Расположенные по всей высоте башни 2 несколько датчиков температуры 7, подключенные к электронагревателям 4, измеряют температуру окружающего воздуха на разной высоте башни. Если температура внизу башни меньше, чем температура наверху (т.е. имеют место предпосылки создания атмосферной инверсии), с датчиков подается сигнал на включение закрепленных на башне 2 через изоляторы 6 электронагревателей 4, имеющих тепловой контакт с нижними концами термосифонов 1. В результате поверхность термосифонов нагревается, причем вследствие тепловых контактов в местах соприкосновения 3 между термосифонами в пределах группы нагреваются и те термосифоны, которые не имеют собственного электронагревателя. Нагретые термосифоны в свою очередь нагревают окружающий их слой воздуха, который начинает восходящее движение вдоль вертикальной оси башни 2, создавая конвективные потоки, поднимающие вверх мелкие частицы загрязнений приземного слоя атмосферы. Установленные по всей высоте башни несколько датчиков перемещения воздушных масс 8, измеряют направление и скорость ветра, а также скорость восхождения конвекционного потока. При значениях больше заданных эти датчики выдают сигнал для решения вопроса об отключении электронагревателей 4 от источника питания 5, с которым они соединены проводами 9, чтобы исключить нагрев термосифонов и нецелесообразный расход электроэнергии.

Пример конкретного исполнения

Конкретная конструкция устройства для очистки загрязненного воздуха может быть выполнена следующим образом.

Башня может быть выполнена по примеру любой башни для сотовой связи, то есть иметь ажурную конструкцию из металлических элементов. Вдоль ее вертикальной оси устанавливают термосифоны, закрепляя их на башенных элементах конструкции. Для башни высотой около 150 м и мощностью нагрева 10 кВт количество необходимых термосифонов составляет 15 шт.

Термосифоны изготавливают из алюминиевого сплава АД31 в виде трубчатого профиля с оребрением (фиг.2) со следующими размерами: диаметр D=80-100 мм; ширина оребренной поверхности Н=120 мм. В качестве теплоносителя используют пентан.

Нижние термосифоны устанавливают без теплового соединения друг с другом. Верхние термосифоны объединяют в 3 группы. Самая верхняя группа содержит 3 термосифона, остальные - по 2. В пределах группы термосифоны соединяют между собой тепловым контактом путем совместного прижатия их оребренных поверхностей. На фиг.3 показан поперечный разрез двух соединенных, тепловых труб. Расстояние между концами смежных термосифонов по вертикали, на котором осуществляют тепловой контакт, составляет порядка 0,3 м. Для улучшения теплового контакта используют теплопроводящую пасту марки КПТ-8.

Подвод тепла к нижним концам термосифонов осуществляют с помощью контактных электрических нагревателей. Каждый отдельно расположенный термосифон содержит свой электрический нагреватель. Каждая группа из верхних термосифонов содержит также один электрический нагреватель, установленный на нижнем конце самого нижнего термосифона. Нагреватели являются пленочными и представляют собой пластины из фольгированного диэлектрика (текстолита). Фольга покрывает лишь часть диэлектрика, образуя протяженные дорожки (Фиг.4). Материалом фольги является нихром. Размеры нагревателя составляют 200×80 мм. Электрическое сопротивление составляет 70 Ом. Контакт нагревателей с поверхностью термосифона осуществляют путем прижатия через теплопроводящую пасту КПТ-8.

Подвод электропитания к электрическим нагревателям от источника питания с напряжением 220 В осуществляют с помощью проводов с сечением не менее 5 мм².

В качестве датчиков температуры можно использовать термометры сопротивления марки ИС-50. В качестве датчиков направления и скорости ветра можно использовать анеморумбометр М63М-1. Он осуществляет дистанционное измерение мгновенной максимальной и средней скорости воздушного потока (ветра) и направления в горизонтальной плоскости.

Для измерения скорости восходящего потока нагретого воздуха можно использовать термоанемометр микропроцессорный ТТМ-2, работа которого основана на принципе охлаждения потоком нагретой нити, и который помещен внутри отрезка трубы длиной 0,5-1,0 м, исключающего воздействие горизонтальных потоков воздуха на датчик этого прибора.

Эти измерительные приборы должны быть установлены сверху, снизу и в середине башни.

В случае создания заявляемого устройства с электрической мощностью, например, 100 кВт, каждая вертикальная секция нагревателей может быть реализована тем же способом путем простого увеличения термосифонов в каждой секции в 10 раз.

Изобретение может использоваться для очистки воздушных бассейнов городов для защиты транспортных и промышленных объектов от смога путем обеспечения конвекции воздуха, обеспечивающей вынос загрязняющих атмосферу частиц из приземной зоны в верхние слои атмосферы через ее инверсионный слой. Устройство для очистки загрязненного воздуха выполнено в виде нескольких термосифонов, установленных вертикально один над другим, образуя вертикально ориентированный нагреватель воздуха. Термосифоны закреплены на жесткой башне, высота которой соответствует высоте инверсионного слоя. Для нагрева термосифонов используются электрические нагреватели, подключенные к наземному источнику электропитания. Для увеличения площади нагреваемой поверхности и для обеспечения возможности соединения двух термосифонов используют радиаторы, выполненные в виде ребер у трубчатых термосифонов. Вдоль вертикальной оси башни расположено несколько датчиков температуры и датчиков перемещения воздушных масс, которые служат для получения информации о распределении температуры по вертикали, скорости и направлении ветра и конвекционного потока. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для очистки загрязненного воздуха, состоящее из вертикально ориентированного нагревателя воздуха с электрическим подогревом от наземного источника электропитания, отличающееся тем, что содержит жесткую башню, а нагреватель воздуха выполнен в виде нескольких термосифонов, установленных вертикально один над другим и закрепленных на жесткой башне вдоль ее вертикальной оси, на которой также закреплены через изоляторы электрические нагреватели, контактирующие с поверхностью нижних концов термосифонов и подключенные к наземному источнику электропитания.2. Устройство для очистки загрязненного воздуха по п.1, отличающееся тем, что термосифоны имеют радиаторы на своей внешней поверхности.3. Устройство для очистки загрязненного воздуха по п.1, отличающееся тем, что вдоль вертикальной оси на башне закреплены датчики температуры и датчики скорости и направления движения воздушных потоков.