Насадная моторизованная дымовая труба Российский патент 2023 года по МПК E04H12/34 

Насадная моторизованная дымовая труба относится к средствам, предназначенным для удаления в атмосферу газообразных продуктов сгорания топлива и других газообразных промышленных и бытовых отходов, в частности, при смоге.

Смог – ядовитый густой туман с примесью дыма, газовых отходов производства, выхлопных газов автомашин с двигателями, работающими на бензине и дизельном топливе, и с другими газовыми отходами. Приземный смог характеризуется толщиной от нескольких десятков до сотен метров и температурной инверсией, то есть увеличением температуры от десятых долей и до 15 - 20 градусов снизу-вверх по высоте, вместо обычного понижения в земной атмосфере. Температурная инверсия в смоге препятствует вертикальным перемещениям воздуха. Верхние слои смога теплее нижних и являются своеобразным «затвором» для нижних.

Сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах наблюдается при штиле или слабом ветре. Также в появлении смога играет роль расположение населенных пунктов в долинах холмов и гор, то есть природно-географическое условие. Например, сильно загрязненными городками в Российской федерации считаются Норильск, Череповец, Новокузнецк и некоторые другие. В них очень часто возникают смоги.

Известны дымовые трубы, включающие фундамент, цоколь, ствол и оголовок, которые выполнены из кирпича высотой до 120 метров, или из железобетона (до 300 м), или из стальных листов (не более 40 м). Некоторые дымовые трубы оснащают дополнительно дымососами для создания искусственной тяги. [«Большая Советская Энциклопедия» Т. 8, М.,1972, с. 559.]

Недостатками дымовых труб являются:

- малая эффективность работы, связанная с - невозможностью оперативного увеличения высоты действующей трубы, от которой зависит естественная тяга (производительность) трубы;

- малая скорость уменьшения концентрации загрязняющих веществ в выбрасываемых трубой дымовых газах в атмосферу естественным путем;

- недостоверность показателей выбросов, несоответствие точек отбора и отсутствие газоочистных установок» [По результатам проверок Госприроднадзора РФ по поручению президента РФ в соответствии с федеральным проектом «Чистый воздух», срок которого продлен до 2026 года].

Известна дымовая труба (SU 1121542 A МПК F23J 11/00 опубл. 30.10.1984), содержащая ствол, снабженный в верхней части конусным оголовком, в полости которого смонтирован ускоритель выброса газов в виде камеры с входным и выходным отверстиями, в полости которой установлена гибкая диафрагма с приводом осевого перемещения. Камера ускорения выбросов газов выполнена в виде расширяющегося книзу конуса, образованного упруго гибкой спиральной лентой, внешняя кромка каждого витка которой снабжена бортиком, а гибкая диафрагма в нижней части винтовой камеры снабжена грузом и приводом осевого перемещения со спусковым механизмом.

Недостатком данного устройства является сложность в эксплуатации, уходе и ремонте на высоте. Также низкий коэффициент полезного действия (КПД) в связи с перекрытием конструкцией устройства полезной площади поперечного сечения трубы, что значительно снижает естественную тягу, и на это бесполезно тратится энергия устройства.

Известен модуль дымовой трубы (варианты) (RU 113289 U1 МПК E04H 12/28, опубл. 30.02.2012), имеющий конструкцию типа «труба в трубе», содержащий наружный металлический ствол и внутреннюю металлическую газоотводящую трубу, зазор между которыми заполнен теплоизоляционным материалом, по меньшей мере две прокладки, плотно закрывающие указанный зазор сверху и снизу. Наружный металлический ствол выполнен в виде полой детали переменного сечения, а металлическая газоотводящая труба выполнена в виде усеченного конуса, причем они установлены зауженными частями в противоположных направлениях и снабжены ограничителями. Наружный металлический ствол и внутренняя металлическая газоотводящая труба расположены коаксиально оси модуля дымовой трубы.

Недостатком данного модуля является невозможность регулирования стационарной высоты дымовой трубы, если ее высота окажется меньше толщины приземного смогового тумана. В том случае, если она будет построена с необходимой высотой, превышающей толщину приземного смогового тумана, тогда она окажется с большой излишней массой и с бесполезными расходами материала на фундамент и его размеры в период отсутствия смогового тумана. При этом возникнут дополнительные приспособления (например, тросовые растяжки) для создания ее устойчивости.

Известно устройство для ликвидации смога в городских условиях (RU № 198561, МПК E21F 1/08, опубл. 15.07.2020), включающее опорный каркас, эластичную вытяжную трубу с тороидальной камерой, заполненной легким инертным газом. Опорный каркас устройства выполнен, по меньшей мере, из трех стоек, связанных по верху кольцевым перекрытием, На опорном каркасе смонтирован осевой вентилятор, заключенный в направляющую металлическую трубу, соединенную с эластичной вытяжной трубой, На кольцевом перекрытии по окружности равномерно размещены, по меньшей мере, три лебедки с тормозными устройствами, а тороидальная камера с помощью натяжных канатов соединена с лебедками. Под действием подъемной силы торообразная камера поднимается и увлекает за собой вверх эластичную вытяжную трубу, то есть выполняет функцию подъемника. Длина эластичной трубы рассчитана так, чтобы тороидальная камера находилась выше верхнего городского смога. При этом эластичная вытяжная труба выполнена из полиэтилентерефталата или из резины.

Верхнюю часть эластичной вытяжной трубы с тороидальной камерой устанавливают выше верхнего теплого слоя смога. Тем самым загрязненный воздух смога выбрасывают в атмосферу выше смога, очищая город.

К недостаткам данного устройства относятся:

- невозможность определения концентрации загрязняющих веществ в дыме после его выхода из трубы;

- невозможность работы при повышенной скорости ветра;

- невозможность пробить трубой или дымовым газом верхний теплый слой смога, являющийся препятствием для выброса дымовых газов выше смога, при его значительной высоте.

В предлагаемом изобретении проблемы снижения концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха решаются за счёт увеличения высоты выброса дымовых газов и их ускоренного рассеяния.

Техническое решение указанных проблем заключается в том, что в устройство включены дымопроводные телескопически связанные друг с другом секции одинаковой длины, но с разными диаметрами, выполненные из прочного, не пропускающего воздух, теплостойкого материала.

Для перемещения устройства по воздуху используется дрон (мультикоптер с несущими винтами-пропеллерами, не менее четырех).

К корпусу дрона снизу прикреплен неподвижно на стержнях двояковыпуклый зонт, по диаметру несколько превышающий габаритные в плане размеры дрона. Верхняя часть двояковыпуклого зонта выполнена из прочного, воздухонепроницаемого, теплостойкого материала и представляет собой пустотелый конус, ось которого совпадает с осью устройства. Из такого же материала выполнена нижняя часть зонта, только с перевернутым конусом, имеющим угол при вершине больше, чем угол при вершине у верхнего конуса.

Дрон совместно с двояковыпуклым зонтом использован в новом качестве как эжектор-дымосос, ускоряющий снижение концентрации загрязняющих веществ в смеси дыма с чистым атмосферным воздухом, а также увеличивающий тягу действующей наземной дымовой трубы.

Внутри двояковыпуклого зонта расположены газоанализаторы, воздухозаборные трубки которых выходят наружу зонта на требуемое расстояние от оси устройства для отбора проб на концентрацию, объем и массу загрязняющих веществ,

К зонту, снизу на стержнях, прикреплена верхняя, наибольшая по диаметру, секция, с которой телескопически связаны промежуточная секция (их может быть несколько) и нижняя секция, наименьшего диаметра, несколько превышающего диаметр оголовка действующей наземной дымовой трубы. На нижнем конце нижней секции, на её стенке снаружи прикреплены равномерно по окружности не менее трех соленоидов.

Ферромагнитные сердечники соленоидов имеют возможность перемещаться как в сторону оголовка действующей дымовой трубы, так и от оголовка. В последнем случае ферромагнитные сердечники входят в отверстия, имеющиеся в нижней части стенки верхней секции. В таком положении сердечники находятся при транспортировке устройства по воздуху.

Источник электрического тока, подзарядник аккумуляторов дрона и пульт управления устройством расположены отдельно на земле и связаны проводниками с устройством (на чертежах не показаны).

Предлагаемым изобретением достигается технический результат, заключающийся:

- в повышении естественной и принудительной тяги (производительности) действующей дымовой трубы за счет увеличения высоты выброса дымовых газов и за счет использования дрона с двояковыпуклым зонтом как эжектора-дымососа;

- в измерении концентрации загрязняющих веществ в дыме после его выхода в атмосферу, с целью получения достоверных показаний;

- в уменьшения концентрации, объема и массы загрязняющих веществ непосредственно после их выхода в атмосферу, за счет увеличения скорости смешения дыма с чистым атмосферным воздухом;

- в возможности работы при значительной скорости ветра (исключая ураган);

- в оперативности монтажа и демонтажа, то есть в малой трате времени на установку устройства на действующую дымовую трубу в случае возникновения смога и на снятие его с этой трубы по окончании смога.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез по оси симметрии неработающего, но готового для транспортирования по воздуху устройства, исключая разрезы заводских узлов (дрона, газоанализаторов и соленоидов), на фиг. 2 показано устройство в рабочем состоянии, насаженное на действующую дымовую трубу.

Дрон 1 связан снизу с двояковыпуклым зонтом 2 стержнями 3, равномерно размещенными по окружности (не менее четырех). Двояковыпуклый зонт 2 выполнен в виде двух полых конусов, скрепленных друг с другом основаниями. При этом угол при вершине верхнего конуса меньше, чем угол при вершине нижнего.

Двояковыпуклый зонт 2 связан снизу с верхней секцией 4 устройства стержнями 5, также равномерно размещенными по окружности (не менее четырех). В примере показана только одна промежуточная секция 6 устройства. Их количество может быть любым, в зависимости от толщины смогового тумана для того, чтобы в рабочем положении секция 4 устройства находилась выше верхнего теплого слоя смога.

К нижней части стенки нижней секции 7 устройства снаружи прикреплены соленоиды 8 (не менее трех), равномерно размещенные по окружности. Соленоиды 8 при транспортировке обесточены. Поэтому ферромагнитные сердечники 9 всех соленоидов выдвинуты в сторону от оси устройства под действием пружин, находящихся внутри соленоидов, и введены в отверстия 10 (см. фиг. 2), выполненные в нижней части стенки верхней секции 4.

Все телескопические секции устройства - верхняя 4, промежуточная 6 и нижняя 7, одинаковой длины - собраны вместе. Секции и двояковыпуклый зонт 2 выполнены из прочного, воздухонепроницаемого и теплостойкого материала, например из стеклопластика, выпускаемого АО «Авангард».

Внутри двояковыпуклого зонта 2 размещены газоанализаторы 11. Трубки 12 газоанализаторов 11, предназначенные для отбора проб, пропущены сквозь стенку зонта наружу на требуемое расстояние от оси устройства и расположены в плане по окружности под углом 90 градусов между собой. Газоанализаторы 11 настроены на определенные загрязняющие вещества.

В транспортном состоянии (по фиг.1) устройство с помощью дрона 1 поднимают и надевают на оголовок 13 действующей дымовой трубы. При этом стараются, чтобы одна из заборных четырех трубок 12 газоанализаторов 11 была направлена на одну из четырех сторон света (север, юг, запад и восток), с целью учета влияния на показания направления ветра. Отбор проб осуществляют в двух местах: одно непосредственно в районе верхнего обреза трубки 4 и второе – в районе смеси дыма с чистым атмосферным воздухом. Этим достигается достоверность показаний газоанализаторов.

После того, как внутренний буртик 14 нижней секции 7 опрется на торец оголовка 13, включают соленоиды 8. При этом ферромагнитные сердечники 9 всех соленоидов перемещаются в направлении оголовка 13 и упираются в оголовок 13 действующей трубы, тем самым обеспечивая неподвижное закрепление нижней секции 7 на оголовке.

После этого дрон 1 перемещают вверх и с ним поднимают двояковыпуклый зонт 2, верхнюю секцию 4, а с нею промежуточную секцию 6 за счет телескопического сцепления буртиков, внутреннего 15 и наружного 16, выполненных на стенках смежных секций. Каждый из этих буртиков образует зазор между ними и стенками смежных секций, позволяющий секциям свободно перемещаться относительно друг друга вдоль оси устройства. В то же время, буртики всех смежных секций прилегают плотно по горизонтальной плоскости, препятствуя подсосу постороннего воздуха, могущего снизить тягу в трубе.

Дрон 1 переводят в состояние «зависания», когда все секции займут рабочее состояние.

Несущие винты-пропеллеры 17 дрона 1 образуют активный поток воздуха сверху вниз, имеющий высокую скорость в сравнении с пассивным потоком дыма. Этот активный поток, с помощью двояковыпуклого зонта 2, направляют во все стороны от оси устройства. За счет высокой скорости в активном потоке создается разрежение и поток от пропеллеров увлекает поток дыма, имеющий меньшую скорость. Осуществляется явление эжекции. К естественной тяге прибавляется принудительная тяга, то есть увеличивается производительность действующей дымовой трубы. Дрон 1 совместно с двояковыпуклым зонтом 2 выполняет функцию эжектора-дымососа. Также за счет интенсивного смешения дымовых газов с чистым атмосферным воздухом, ускоряется снижение концентрации загрязняющих веществ в их смеси.

Двигатели дрона 1 получают электрический ток по проводам от установки, расположенной на земле. В связи с тем, что возможна подзарядка дрона с земли, время нахождения дрона в воздухе, по сути, не ограничено.

Чтобы демонтировать устройство с действующей дымовой трубы, необходимо дрон 1 вместе с двояковыпуклым зонтом 2 и верхней секцией 4 опустить до нерабочего положения. В это же время опустится и промежуточная секция 6 под действием силы земного притяжения. Затем, отключают напряжение в соленоидах 8 и переводят ферромагнитные сердечники 9 от оголовка 13 действующей трубы под действием пружин соленоидов так, чтобы они вошли в отверстия 10, выполненные в нижней части стенки верхней секции 4.

После этого приподнимают всё устройство с помощью дрона 1 и отправляют в предназначенное для его хранения место на земле.

Покажем, по какой формуле определяют естественную тягу (производительность) трубы Q.

Q = CA

C - коэффициент расхода, который учитывает трение воздуха о стенки трубы (обычно берется от 0,65 до 0,70);

A - сечение дымовой трубы, м² (подразумевают – постоянное);

g - ускорение свободного падения, 9,807 м ;

H - высота трубы, м;

Ti - средняя температура внутри трубы, К;

To - температура наружного воздуха, К.

Из формулы следует, что, чем выше труба и разность температур дыма и наружного воздуха, тем больше естественная тяга трубы. Это означает, что предлагаемое изобретение способствует увеличению высоты действующей трубы и соответственно, естественной тяги действующей дымовой трубы.

Однако ранее при смоге не учитывалась толщина приземного смога. Многие действующие дымовые трубы рассчитаны на обычный режим, а, при неблагоприятных метеорологических условиях, то есть при смоге, они выбрасывают вредные вещества непосредственно в сам смог.

Поэтому необходимо в формулу вместо высоты H трубы ввести Hc, где будет учтена добавочная высота трубы, созданная предлагаемым изобретением. Причем, общая высота Hc должна обязательно превышать без ограничения уровень (высоту от земли) верхнего теплого слоя смога. Это мероприятие улучшает экологические условия для жителей города.

Устройство для оперативного увеличения высоты дымовой трубы при смоге имеет возможность перемещаться по воздуху и «зависать» в воздухе с помощью двигателей и приводных винтов-пропеллеров дрона. Для установки его на оголовок действующей трубы и для снятия с оголовка не требуется никаких подъемных механизмов или сооружений.

Использование устройства для оперативного увеличения высоты дымовой трубы при смоге позволяет проводить постоянный мониторинг концентраций, объемов и массы выбрасываемых загрязняющих веществ с дымом, что увеличивает достоверность выброса и может влиять на величину штрафов (в большей или меньшей степени) за нарушение экологической среды.

Также возможно использование устройства для увеличения тяги действующей дымовой трубы при смоге на производствах, прекративших работу (закрытых, обанкротившихся), например, в котельных с невысокими трубами. Они превратятся из труб дымовых в вентиляционные, которые будут дополнительно осуществлять вентиляцию (проветривание) населенного пункта.

Также возможно подключение устройства к действующей дымовой трубе, с целью увеличения количества основного производственного оборудования, даже в неблагоприятных метеорологических условиях.

Изобретение относится к средствам, предназначенным для удаления в атмосферу газообразных продуктов сгорания топлива и других газообразных промышленных и бытовых отходов, в частности, при смоге. Насадная моторизованная дымовая труба, предназначенная для увеличения высоты существующей наземной дымовой трубы, содержит ствол, нижний конец которого в период смога скреплен с оголовком существующей наземной дымовой трубы, выполненный телескопическим из цилиндрических секций с внешним и внутренним буртиками, причем внутренний диаметр нижней секции превосходит диаметр оголовка существующей наземной дымовой трубы. На стенке нижней секции прикреплены не менее трех соленоидов, равномерно расположенных по окружности, ферромагнитные сердечники которых выдвинуты в сторону оголовка, а в транспортном состоянии насадной моторизированной дымовой трубы сердечники выдвинуты в противоположную сторону, входя в отверстия на стенке верхней секции. При этом к верхней секции сверху на стержнях прикреплен двояковыпуклый зонт, выполненный из пустотелых конусов, соединенных друг с другом своими основаниями, а в зонте установлены газоанализаторы, воздухоотборные трубки которых выведены наружу, при этом к верхней части зонта на стержнях неразъемно прикреплен дрон-мультикоптер с приводными винтами-пропеллерами не менее четырех. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Насадная моторизованная дымовая труба, предназначенная для увеличения высоты существующей наземной дымовой трубы и содержащая ствол, нижний конец которого в период смога скреплен с оголовком существующей наземной дымовой трубы и выполнен телескопическим из цилиндрических секций с внешним и внутренним буртиками, причем внутренний диаметр нижней секции превосходит диаметр оголовка существующей наземной дымовой трубы, а на стенке нижней секции прикреплены не менее трех соленоидов, равномерно расположенных по окружности, ферромагнитные сердечники которых выдвинуты в сторону оголовка, а в транспортном состоянии насадной моторизированной дымовой трубы сердечники выдвинуты в противоположную сторону, входя в отверстия на стенке верхней секции, при этом к верхней секции сверху на стержнях прикреплен двояковыпуклый зонт, выполненный из пустотелых конусов, соединенных друг с другом своими основаниями, а в зонте установлены газоанализаторы, воздухоотборные трубки которых выведены наружу, при этом к верхней части зонта на стержнях неразъемно прикреплен дрон – мультикоптер с приводными винтами-пропеллерами не менее четырех.

2. Насадная моторизованная дымовая труба по п. 1, в которой двояковыпуклый зонт выполнен диаметром, превышающим габаритные размеры дрона в плане, причем угол при вершине нижнего конуса больше, чем угол при вершине верхнего конуса.

3. Насадная моторизованная дымовая труба по п. 1, в которой двояковыпуклый зонт и секции телескопического ствола выполнены из прочного воздухонепроницаемого и теплостойкого материала.