Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока Российский патент 2023 года по МПК B01D51/08 

Изобретение относится к технике очистки газов от инородных включений твердых и жидких частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями, а именно к аппаратам ультразвуковой коагуляции высокодисперсных (размером менее 2,5 мкм) частиц.

На создание аппаратов для эффективного улавливания частиц из газового потока, особенно частиц размером менее 2,5 мкм, направлены значительные усилия разработчиков газоочистительного оборудования. Это обусловлено огромной опасностью таких частиц, способных длительное время удерживаться в воздухе и легко проникать в альвеолы легких человека, вызывая необратимые изменения организма. Это становится возможным благодаря их высокой суммарной поверхности (более 55% от суммарной поверхности частиц, выбрасываемых в атмосферу) и огромной счетной концентрации (более 95% от суммарной счетной концентрация даже при доле, менее 1% от суммарной доли частиц, содержащихся в атмосфере).

Аппараты улавливания дисперсных частиц из газового потока могут быть основаны на различных физических явлениях и принципах воздействия на загрязняющие газ частицы. Большинство из них основаны реализуют процессы инерции и центробежные явления [1]. Однако, основная часть известных аппаратов не обеспечивает улавливания высокодисперсных (размером менее 2,5 мкм) частиц. Обусловлено это отсутствием эффективных физических механизмов воздействия на такие частицы. Поэтому эффективность известных аппаратов при улавливании высоко дисперсных частиц не превышает 15…20%.

Для решения проблемы улавливания высокодисперсных частиц создаются аппараты [2-4], действие которых основано на реализации механизмов объединения - коагуляции, возникающих при воздействии на частицы ультразвуковыми (УЗ) колебаниями с высоким уровнем давления в создаваемой волне. Отличительной особенностью устройств улавливания частиц из газового потока, реализующих ультразвуковую коагуляцию, является возможность объединять высокодисперсные частицы (менее 2, 5 мкм) для их дальнейшего удаления из газов обычными аппаратами. Возможность реализации такой коагуляции обусловлена тем, что вовлеченность частиц в колебательное движение, вызванное воздействием УЗ колебаний, зависит от массы частиц и при более интенсивном колебательном движении значительно возрастает вероятность столкновения и укрупнения высокодисперсных частиц в агрегаты. Образующиеся при этом агрегаты могут достигать значительных размеров (более 10 мкм) и легко улавливаться в стандартных аппаратах, в основу действия которых положены известные физические процессы: осаждение в гравитационном поле, осаждение под действием сил инерции, осаждение в центробежном поле, фильтрование, осаждение в электрическом поле, поглощение твердых частиц капельками жидкости др.

Основным условием для обеспечения эффективной коагуляции высокодисперсных частиц является воздействие УЗ колебаниями с уровнем звукового давления не менее 130…135 дБ и осуществление такого воздействия на запыленный газовый поток определенное время, необходимое и достаточное для объединения высокодисперсных частиц до размеров, достаточных для их удаления или последующего улавливания. Известно, что при уровне ультразвукового давления 145 дБ, воздействие ультразвуковыми колебаниями в течение 2,8…3,6 с обеспечивает коагуляции 65% частиц размером в 5 мкм, а при повышении времени действия от 14 до 21 секунд она возрастает до 70…95%. Аналогичный результат (до 95%) достигается за несколько секунд при увеличении уровня звукового давления воздействующих УЗ колебаний до 160 дБ.

Таким образом, основными требованиями к аппаратам улавливания высокодисперсных частиц является необходимость обеспечения максимального по уровню звукового давления воздействия в течение заданного времени.

Кроме того, дальнейшее повышение эффективности аппаратов улавливания высокодисперсных частиц методом ультразвуковой коагуляции может быть обеспечено за счет создания условий повышения концентрации высокодисперсных частиц в зоне ультразвукового воздействия, поскольку при этом увеличивается число соударений частиц между собой.

Из изложенного следует, что наиболее эффективным аппаратом улавливания высокодисперсных частиц из газового потока и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является аппарат улавливания частиц из газового потока по патенту [5], принятый за прототип.

Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока, содержит тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки.

Известное устройство при помощи тангенциального закручивателя обеспечивает формирование нисходящего пылегазового потока в камере сепарации цилиндроконической формы. Закручивание потока в известном устройстве обеспечивает увеличение концентрации взаимодействующих высокодисперсных частиц в периферийной зоне камеры сепарации и увеличение времени их движения вдоль камеры сепарации для увеличения длительности ультразвукового воздействия. Формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока обеспечивает закручивание и направление пылегазового потока в камеру сепарации восходящего пылегазового потока, увеличивая за счет закручивания его концентрацию на периферии камеры и увеличение времени воздействия.

Выделяющиеся в процессе сепарации нисходящего и восходящего потоков укрупненные частицы попадают в бункер для сбора частиц. В прототипе пылесборный бункер размещен в нижней части камеры сепарации Выходящий из прототипа очищенный пылегазовый поток попадает в выхлопную трубу с патрубком вывода очищенного газа.

В аппарате для улавливания, принятом за прототип, повышение его эффективности обеспечено за счет применения ультразвуковых излучателей, в качестве которых использованы изгибно-колеблющиеся диски, механически и акустически связанные с пьезоэлектрическими преобразователями.

В устройстве, принятом за прототип, ультразвуковые дисковые излучатели обеспечивают воздействие УЗ колебаниями на частицы в нисходящем и восходящем газовых потоках. Такое воздействие приводит к ускоренному объединению высокодисперсных частиц. Объединяясь, агломераты частиц увеличивают свою массу, вследствие чего легче сепарируются под действием центростремительных ускорений, действующих на них в аппарате (выпадают в бункер под действием сил тяжести).

Ультразвуковые излучатели в прототипе имеют дисковую форму и расположены таким образом, что бы обеспечить распространение ультразвуковых колебаний с уровнем звукового давления не ниже 135 дБ вдоль камер сепарации.

Основным недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность (не превышает 35…50%) при улавливании высокодисперсных частиц (2, 5 мкм) и менее 20% при улавливании частиц размером менее 1 мкм вследствие недостаточного ультразвукового воздействия на частицы, при скоростях входящих потоков, обеспечивающих приемлемое гидравлическое сопротивление аппарата. Причина в низкой эффективности использования примененных источников ультразвукового излучения, поскольку воздействие на газовый паток в камере сепарации восходящего потока оказывается только частью одного их излучателей, а воздействие как верхнего, так и нижнего излучателей на поток в камере сепарации нисходящего потока, перекрывается камерой сепарации восходящего потока, При этом, воздействие на наиболее эффективную область коагуляции вблизи стенок камеры сепарации нисходящего потока осуществляется только незначительной кольцевой периферической частью излучателя с уменьшающейся амплитудой в этой периферии амплитудой, (т.е. воздействие такими излучателями осуществляется наименее эффективно на ту область, где создаются за счет закручивания наилучшие условия для коагуляции частиц).

Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести сложность реализации наиболее эффективного режима воздействия - стоячей волны в ограниченных по размерам камерах сепарации с изменяющейся плотностью частиц (скоростью распространения колебаний) по диаметру камер.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатка прототипа.

В предлагаемом улавливателе решается задача конструктивного совершенствования устройства и повышения его эффективности за счет применения нового источника ультразвукового воздействия, в качестве которого использована камера сепарации восходящего потока, выполняемая в виде изгибно колеблющегося металлического цилиндра специальной формы, механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном аппарате улавливания высокодисперсных частиц из газового потока, содержащем тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки, камеры сепарации нисходящего и восходящего пылегазовых потока выполнены в виде полых цилиндров различных диаметров, размещенных один внутри другого соосно, расстояние между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний, в качестве устройства создания УЗ колебаний используется камера сепарации восходящего пылегазового потока, выполненная в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром и длиной, не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока.

Использование в качестве устройства создания УЗ колебаний (излучателя) камеры сепарации восходящего пылегазового потока, выполненной в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром обеспечивает формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний такого цилиндра. Выполнение излучателя со ступенчато переменной толщиной стенки обеспечивает формирование равномерных по амплитуде вдоль поверхности камеры сепарации восходящего потока высокоинтенсивных УЗ колебаний, которые распространяются как с внешней излучающей поверхности в камеру сепарации нисходящего потока, так и с внутренней поверхности внутрь камеры сепарации восходящего потока. Для возбуждения колебаний в излучателе используется пьезоэлектрический преобразователь. Для увеличения амплитуды колебаний пьезопреобразователя предусмотрен концентратор. Конструкция пьезоэлектрического преобразователя состоит из излучающей накладки, пьезоэлектрических колец и отражающей накладки.

Присоединение концентратора к изгибно колеблющемуся цилиндру - излучателю должно осуществляться таким образом, что бы концентратор был смещен на расстояние четверти длины изгибной волны от центра цилиндрического излучателя, т.е. в зоне максимальных колебаний изгибно-диаметральной моды колебаний. Это смещение не повлияет на работу концентратора и преобразователя и по всей цилиндрической поверхности излучателя формируется равномерное распределение амплитуд колебаний.

К размеру устройства создания УЗ колебаний (излучателя) в качестве которого использована камера сепарации восходящего пылегазового потока, предъявляются определенные требования. В первую очередь, для обеспечения необходимого промежутка для введения восходящего потока в камеру сепарации (внутрь излучателя) длина излучателя выбирается не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока. Вследствие того, что камера сепарации восходящего пылегазового потока выполнена в виде изгибно-колеблющегося металлического цилиндра излучатель являются резонансной высокодобротной системой, эта длина излучателя выбирается таким образом, что бы на УЗ частоте вдоль поверхности излучателя и между поверхностью и внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего потока формировалась стоячая волна, которая позволяет существенным образом повысить уровень звукового давления излучаемых в камеру колебаний.

При работе излучателя, который представляет собой камеру сепарации восходящего газового потока, формирование колебаний происходит на соответствующих ультразвуковому диапазону модах колебаний, кратных основной частоте излучателя, При этом внутри и снаружи этой камеры создается зона УЗ воздействия со сложной неоднородной структурой ультразвукового поля (внутренняя и внешняя поверхности колеблющаяся излучателя формирует ультразвуковое поле). Формирование колебаний на различных модах (различных частотах) УЗ колебаний, кратных основной, позволяет регулировать эффективность УЗ воздействия и управлять распределением уровня звукового давления.

Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1.

На фиг. 1 схематично представлен продольный разрез предлагаемого аппарата улавливания высокодисперсных частиц.

Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока состоит из тангенциального закручивателя 1 нисходящего пылегазового потока 2, поступающего в камеру сепарации 3 нисходящего пылегазового потока. Для формирования восходящего потока 4 в камере сепарации 5 восходящего потока применяется формирователь - закручиватель 6 восходящего пылегазового потока 4. Выделенные из нисходящего потока частицы 9 удаляются в бункер 10. Далее восходящий пылегазовый поток, содержащий объединенные при помощи ультразвуковой коагуляции частицы удаляется через выхлопную трубу 7.

Камера сепарации 5 восходящего пылегазового потока создает ультразвуковые колебания в камерах сепарации, работая в качестве устройства создания УЗ колебаний (излучателя). Поэтому камера сепарации восходящего потока выполнена в виде металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром. Колебания такого цилиндра обеспечиваются за счет его механического и акустического соединения с пьезоэлектрическим преобразователем 8.

Он, совершая колебания на собственной резонансной частоте, обеспечивает формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний такого цилиндра. Выполнение излучателя со ступенчато переменной толщиной стенки обеспечивает формирование равномерных по амплитуде вдоль поверхности камеры сепарации восходящего потока высокоинтенсивных УЗ колебаний, которые распространяются как с внешней излучающей поверхности в камеру сепарации нисходящего потока, так и с внутренней поверхности внутрь камеры сепарации восходящего потока.

Создаваемые колебания распространяются радиально относительно оси размещения цилиндрических камер сепарации. При этом распространяющиеся радиально УЗ колебания осуществляют воздействие на нисходящий и восходящий пылегазовые потоки. Выполнение камер сепарации пылегазового потока в виде соосно размещенных полых цилиндров определенных диаметров, позволяет обеспечить резонансное усиление УЗ колебаний за счет того, что расстояние А между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр Б камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний. Выполнение камеры сепарации восходящего пылегазового потока в виде изгибно-колеблющегося металлического цилиндра, длиной В, не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока, обеспечивающей формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний камеры сепарации. Возбуждение колебаний осуществляется механическим и акустическим соединением излучателя с пьезоэлектрическим преобразователем 8.

Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока работает следующим образом.

Пылегазовый поток входит через патрубок закручивателя 1 под углом к оси аппарата и, закручиваясь, формирует нисходящий поток 2 в камере сепарации 3 (см. фиг. 1). На него осуществляется воздействие УЗ колебаниями по всему пути его закрученного движения. За счет закрученного движения, увеличивающего концентрацию частиц и время нахождение пылегазового потока в зоне УЗ воздействия осуществляется объединение высокодисперсных частиц в агломераты. Большая часть частиц 9 попадает в бункер 10.

Далее поток при помощи формирователя - закручивателя 6 восходящего пылегазового потока 4, поступающего в камеру сепарации 5 восходящего пылегазового потока. Этот закрученный поток дополнительно концентрирует частично укрупненные в агломераты высокодисперсные частицы за счет УЗ воздействия, создаваемого колебаниями внутренней стенки излучателя - камеры сепарации.

Очищенный от пыли газ выходит через выхлопную трубу 7 из аппарата.

Таким образом, процесс коагуляции осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими поверхностями колеблющейся камеры сепарации восходящего потока, причем колебания, создаваемые внешней поверхностью распространяются в камере сепарации нискодящего потока до внутренней стенки этой камеры. Установление размера А, кратным половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе обеспечивает формирование стоячей волны, т.е. увеличение амплитуды формируемых излучателем колебаний не менее чем в 3 раза, что очень существенно положительно влияет на эффективность коагуляции. При этом обеспечивается равномерность ультразвукового воздействия по всему диаметру камеры сепарации нисходящего потока. Расстояние между поверхностью излучателя и поверхностью внутренней поверхностью камеры сепарации нисходящего потока выбрано из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний до уровня звукового давления не ниже 145 дБ.

Внутренний диаметр излучателя (камеры сепарации восходящего потока) выбран из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний до уровня звукового давления не ниже 160 дБ.

Для определения эффективности предложенного аппарата для улавливания высокодисперсных и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию излучателя в виде изгибно колеблющейся камеры сепарации восходящего потока позволяет повысить эффективность улавливания высокодисперсных частиц.

Так, при обеспечении уровня звукового давления в 145 дБ в камере сепарации нисходящего потока и 160 дБ в камере сепарации восходящего потока обеспечена коагуляция частиц с размерами 2,5 мкм с вероятностью не менее 99%, а частиц с размерами 1 мкм с вероятностью не менее 90%, в аппарате при расходе запыленного газа не менее 500 м³/час.

Разработанный аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока прошел лабораторные и технические испытания, и был реализован в действующей установке для практического подтверждения результатов исследований по гранту РНФ №19-19-121. Мелкосерийное производство планируется начать в 2023 году.

Список литературы, используемой при составлении заявки:

1. Циклонный пылеотделяющий аппарат [Текст]: патент US 7422615 В2: МПК B01D 45/12 (2006.01) / Tak-Soo Kim; правообладатель - Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. (US), заявка: 11/1286262 от 13.05.2005. Опубликовано: 09.09.2008.

2. Многочастотная акустическая камера для агломерации и отделение частиц суспендированных в газовых стоках [Текст]: патент US 5769913: МПК B01D 51/08 / Juan A. Gallego Juarez, Enrique Riera Franco de Sarabia, German Rodriguez Corral; правообладатель Consejo Superior Investigaciones Cientiflcas, заявка 834,619 от 14.04.1997. Опубликовано: 23.06.1998.

3. Ультразвуковая коагуляционная камера [Текст]: патент ПМ 102197 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Шалунова К.В.; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU), заявка: 2010140035/05 от 29.09.2010. Опубликовано: 20.02.2011.

4. Улавливатель дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 133432 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / B01D 45/12 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013123218/05 от 21.05.2013. Опубликовано: 20.10.2013.

5. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 131307 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013106573/05 от 14.02.2013. Опубликовано: 20.08.2013.

Изобретение относится к устройствам для очистки газов от инородных включений твердых и жидких частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями, а именно к аппаратам ультразвуковой коагуляции высокодисперсных (размером менее 2,5 мкм) частиц. Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока содержит тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки. Камеры сепарации нисходящего и восходящего пылегазовых потока выполнены в виде полых цилиндров различных диаметров, размещенных один внутри другого соосно, расстояние между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний. В качестве устройства создания УЗ колебаний используется камера сепарации восходящего пылегазового потока, выполненная в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром и длиной не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока. Изобретение обеспечивает коагуляцию частиц с размерами 2,5 мкм с вероятностью не менее 99%, а частиц с размерами 1 мкм - с вероятностью не менее 90% при расходе запыленного газа не менее 500 м³/час. 1 ил.

Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока, содержащий тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки, отличающийся тем, что камеры сепарации нисходящего и восходящего пылегазовых потока выполнены в виде полых цилиндров различных диаметров, размещенных один внутри другого соосно, расстояние между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний, в качестве устройства создания УЗ колебаний используется камера сепарации восходящего пылегазового потока, выполненная в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром и длиной не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока.