Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ АЭРОЗОЛЕЙ

Предлагаемое устройство для очистки воздуха относится к области защиты воздуха окружающей среды от агрессивных и высокодисперсных аэрозолей, где требуется тщательная очистка воздуха. Устройство может быть также отнесено к пылеуборочной технике и использовано в бытовых и производственных помещениях для периодической сухой уборки и очистки воздуха от пыли.

В технике аэрозоль с частицами размером преимущественно 0,1-100 мкм называют пылью, а аэрозоль с меньшим размером частиц (менее 0,1 мкм) обычно называют просто аэрозолем.

Как правило, агрессивность атмосферы внешней среды, опасной для человека, требует оперативности действий и мобильности используемых средств (следовательно, компактности устройства, независимости от дорогих и дефицитных расходуемых материалов, минимума энергозатрат). Используемые средства должны быть универсальны в смысле как очистки воздуха, так и уборки пыли. С другой стороны, агрессивность атмосферы внешней среды предполагает необходимость повышенного уровня очистки и безопасности самого процесса очистки.

Известно, согласно патентам RU 2038125, B01D 47/05, B01D 47/00, 1995; RU 2365402, B01D 47/05, 2006; RU 2323033, B01D 47/05, 2008 и другим, использование для очистки газового потока от аэрозолей его предварительного нагрева, увлажнения, последующего охлаждения с укрупнением и улавливанием частиц пыли посредством конденсации на них паров жидкости с инерционным осаждением их на стенках холодильника. Основным достоинством изложенного способа является возможность глубокой очистки, однако реализация этого способа требует крупногабаритных устройств (сооружений).

Известно, например, устройство по патенту RU 2091135, B01D 47/05, B01D 47/06, 1997, которое используется для очистки газа, содержащего сверхтонкие частицы пыли (размером приблизительно 1 мкм).

Сущность способа очистки горячего газа, который реализуется в устройстве, заключается в том, что горячий газ перед подачей в насадочный скруббер подвергают сатурационной промывке при температуре 60-70°C, во время которой частицы пыли смачивают, а затем газ, насыщенный паром, охлаждают для проведения конденсации пара и далее пропускают через сепаратор для отделения капель. Вследствие образования большого количества пара сверхтонкие частицы пыли в значительной мере смачиваются, что облегчает их последующее отделение, способствуя, таким образом, достижению очень высокой степени чистоты газа (пылесодержание не превышало 5 мг/нм³). Причем достигнутая эффективность очистки реализована без существенного увеличения энергозатрат на осуществление способа.

Достоинством способа является возможность глубокой очистки газа без использования расходуемых материалов (за исключением воды) за счет утилизации исходного тепла газа и парообразования.

Недостатком способа является необходимость в применении больших количеств воды и крупногабаритного устройства, реализующего способ.

Устройства для удаления бытовой (домашней) пыли и аэрозоля из воздуха принято называть пылесосами. В пылесосах реализуются оптимальные способы очистки воздуха, существующие на данный момент. Достоинства пылесосов прежде всего в компактности и мобильности средства и, следовательно, в возможности оперативного реагирования на возникшую агрессию в атмосфере среды, но работают они относительно короткое время (1-2 часа). Наиболее глубокий уровень очистки воздуха обеспечивается в пылесосах жидкостного типа.

Известно, например, устройство по патенту RU 2018258, A47L 9/18, 1994, работающее как жидкостной фильтр пылесоса. Устройство содержит две камеры с жидкостью. Одна камера служит для грубой очистки воздуха, а вторая служит для тонкой, завершающей стадии очистки воздуха. Основное достоинство таких фильтров в их практичности и удобстве пользовании. Недостаток - в их недостаточно высокой степени очистки.

Известно, например, устройство по патенту RU 2228134, A47L 9/18, 2003, которое включает практически все известные на сегодня достоинства жидкостных пылесосов.

Особенностью пылесоса является то, что он может работать в качестве воздухоочистителя в непрерывном режиме при подсоединении его к водной магистрали и канализации или к отстойнику.

Этот пылесос содержит корпус, в котором встроены два жидкостных фильтра грубой и тонкой очистки воздуха. В нижней части корпуса пылесоса имеется специальный сосуд, который является пылесборником. Для работы в сосуд наливают воду или жидкость, возможно заранее отфильтрованную, дезодорированную, с ароматическими маслами.

Засасываемый грязный воздух равномерно распределяется над жидкостью по кольцевой поверхности под крышей изгиба и с небольшим разрежением внутри пылесоса, воздух барботирует (пузырьковый эффект), оставляя при этом крупные и средние частицы грязи на дне сосуда. Интенсивность барботажа пропорциональна полезной мощности вентилятора. Далее воздух направляется к центробежному фильтру. Центробежный фильтр тонкой очистки жестко закреплен на выходном валу электродвигателя. Вращение с большой частотой (до 20000 об/мин) создает над поверхностью воды воздушно-водяную смесь, в которой мельчайшие капли воды смачивают и захватывают частицы пыли. Одновременно центробежный фильтр в верхней своей части обеспечивает сепарацию воды и воздуха. Выходящий из центробежного жидкостного фильтра воздух обеспечивает отвод выделяемой при работе электродвигателя тепловой энергии. Затем после НЕРА-фильтра воздух возвращается уже очищенным и увлажненным в помещение. В целом суть механизма очистки заключается в максимальном увеличении поверхности контакта воздуха с водной средой.

Однако такой способ создания воздушно-водяной смеси и устройства на их основе имеет, по крайней мере, два недостатка.

Во-первых, этот процесс достаточно энергоемкий, поскольку он вовлекает в оборот относительно большую массу воды с большой кинетической энергией.

Во-вторых, задачу очистки воздуха от аэрозолей этот процесс все же достаточно глубоко не решает (сепараторный фильтр задерживает примерно 99,95% наличной пыли). Для решения многих специальных задач очистки (защита от боевых ОВ, диоксинов, вирусов, радиоактивных аэрозолей) требуется более глубокая степень очистки воздуха. Поэтому на конечной стадии в пылесосах приходится дополнительно ставить НЕРА-фильтр (High Efficiency Participate Air), кроме того, удерживающим аэрозоли инертных к воде веществ (гидрофобных частиц). Пылесосы с НЕРА-фильтром задерживают до 99,99% наличной пыли. Другим достоинством НЕРА-фильтра, кроме эффективной очистки, является его компактность.

К недостаткам НЕРА-фильтра следует отнести следующее.

НЕРА-фильтр относится к числу дорогих и дефицитных расходуемых материалов. Практически невозможен оперативный контроль степени их загрязнения. В процессе работы в его объеме происходит накопление вредных веществ и сохраняется возможность последующего неконтролируемого обратного сброса части этих вредных веществ в атмосферу. В условиях агрессивной среды такой фильтр становится элементом разового использования.

При использовании пылесоса как воздухоочистителя сам способ очистки воздуха не меняется, поэтому он не пригоден для защиты от агрессивной пыли.

Задачей изобретения является создание устройства для очистки воздуха от агрессивных аэрозолей, исключающего необходимость использования дорогих и дефицитных расходуемых материалов.

Решение поставленной задачи достигается использованием предлагаемого устройства для очистки воздуха от аэрозолей, включающего по направлению воздушного потока смеситель барботажного типа с жидкостью, центрифугу и электродвигатель с вентилятором, отличающегося тем, что оно дополнительно содержит батарею циклонов малого диаметра, электрохолодильник, работающий на основе охлаждающего эффекта Пельтье, и конденсатор, работающий по принципу обратного холодильника, причем основные элементы устройства расположены в следующей последовательности по направлению воздушного потока: батарея циклонов малого диаметра для предварительной грубой очистки всасываемого воздуха, электродвигатель с вентилятором, барботажный смеситель воздуха с водой, содержащей дозированное количество поверхностно-активного вещества, конденсатор влаги с обратным ее сливом в смеситель, электрохолодильник, горячая сторона которого контактирует с жидкой фазой смесителя, а его холодная сторона служит для дальнейшего охлаждения воздушного потока после барботажного этапа очистки, сборник конденсата и центрифуга как сепаратор для отделения капель влаги из потока воздуха.

Сущность данного изобретения как технического решения выражается в совокупности следующих существенных признаков.

Первым существенным признаком, характеризующим предлагаемое устройство, является включение батареи циклонов малого диаметра с отстойником для временного сбора и хранения грубой пыли в схему устройства. Батарея циклонов обеспечивает «сухую стадию» очистки в начале процесса. На этой стадии убирается до 90% по массе всей наличной пыли. Главное, убирается самая грубая пыль, способная помешать ходу дальнейшего процесса. Это обстоятельство значительно упрощает дальнейшую очистку воздуха в предлагаемом устройстве. Оно позволяет избежать возможности попадания воды в электродвигатель (электродвигатель расположен до жидкостного фильтра).

Вторым существенным признаком, характеризующим предлагаемое устройство, является использование жидкой фазы в смесителе барботажного типа с дозированным вводом моющих веществ, т.е. поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае применения ПАВ очистка воздуха направляется по принципиально иному механизму очистки, механизму «стирки воздуха».

Пыль воздуха (особенно бытовая пыль) содержит в своем составе примерно 10-20% пыли, обладающей гидрофобными свойствами. Большая часть таких частиц имеет на своей поверхности жировую пленку. Частицы такой пыли не смачиваются водой (а часть пыли, обладающей природной гидрофобностью, не смачиваются и паром) и, следовательно, остаются в потоке воздуха. Именно по этой причине большинство производимых пылесосов имеет в своем составе НЕРА-фильтр. До своего нижнего предела (примерно 0,3 мкм) НЕРА-фильтр их задерживает.

Суть механизма заключается в первоначальном смачивании всех частиц пыли, в частности устранении жировой пленки. Пыль, обладающая природной гидрофобностью, с помощью ПАВ проходит стадию гидрофилизации. Гидрофильная (смоченная) частица пыли или сразу и необратимо переходит в раствор, или, если частица находится в газовой фазе, она обрастает водной оболочкой и, таким образом, укрупняется. Конденсации влаги на гидрофобной (несмоченной) частице не происходит. Каждая капелька тумана содержит в качестве зародыша смоченную частицу пыли.

Третьим существенным признаком, характеризующим предлагаемое фильтрующее устройство, является наличие конденсатора влаги после смесителя. Конденсатор влаги работает по типу обратного холодильника для первичного сброса тепла в окружающую среду.

За счет конденсации на них водяных паров частицы пыли значительно (на порядки) укрупняются. Соответствующее увеличение массы и размеров частиц значительно упрощает их дальнейшее извлечение из воздушной среды (дает возможность использования инерционного способа отделения).

Четвертым существенным признаком, характеризующим предлагаемое устройство, является наличие электроохлаждающего устройства Пельтье. Горячая (теплоотдающая) сторона холодильника служит для подогрева воды в смесителе барботажного типа, а холодная сторона холодильника служит для охлаждения воздуха на конечной стадии его очистки.

Пятым существенным признаком, характеризующим предлагаемое устройство, является взаимное расположение элементов по направлению воздушного потока. В частности, оно увязывает работу батареи циклонов с работой электродвигателя, который расположен сразу после батареи циклонов. Это позволяет использовать тепло охлаждения двигателя на нагрев воздушного потока с последующей передачей этого тепла жидкой среде (экономия энергии). Второй момент состоит в пространственном разделении сфер конденсации влаги и сепарации фаз. Это резко сокращает энергетические затраты на работу центрифуги.

Непосредственное расположение сепарирующего устройства над поверхностью воды (пат. RU 2228134) вовлекает в кругооборот большую массу (m) воды и в соответствии с известной формулой для кинетической энергии W=mV²/2 требует значительного энергопотребления. Основное назначение этого сепарирующего устройства состояло в максимальном развитии поверхности контакта воздуха и воды. Назначение центрифуги в предлагаемом фильтре принципиально другое. Оно состоит только в извлечении уносимых капель воды из воздушного потока, что на порядок сокращает энергопотребление. Совокупность углубленного охлаждения (образования капель тумана) воздуха и последующего инерционного отделения капель из потока на порядок повышает качество очистки воздуха.

Каждый из приведенных признаков следует признать существенным и необходимым. Их совокупность обеспечивает достаточность условий для решения поставленной задачи.

Достигаемый технический результат при использовании предлагаемого устройства очистки воздуха заключается в следующем.

1. Доля улавливаемой пыли по предлагаемому способу составляет более 99,995%. Глубокая степень очистки воздуха в значительной степени обеспечивается реализацией в данном способе принципиально иного механизма очистки воздуха. Устройство обеспечивает условия для удаления всех, в том числе изначально гидрофобных частиц, за счет высокой эффективности смачивания частиц.

Нижний предел размера удаляемых устройством частиц не ограничен (для сравнения размер улавливаемых частиц для НЕРА-фильтра ограничен и составляет более 0,3 мкм). Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает более глубокую степень очистки воздуха, чем пылесос с НЕРА-фильтром.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет исключить из обращения НЕРА-фильтр как расходуемый конструктивный элемент, т.е. обеспечивает решение поставленной задачи.

2. Устройство повышает надежность и долговременность работы фильтра. Повышение надежности и долговременности работы фильтра (сохранности его работы) в значительной степени обеспечивается введением предварительной стадии «сухой очистки», реализуемой с помощью батареи циклонов. Это обеспечивает практическую независимость фильтра к качественной и количественной стороне пыли (обеспечивает повышенную «всеядность» фильтра). Качество проведения предыдущей стадии всегда существенно сказывается на качестве дальнейшей работы изделия.

3. Устройство упрощает процесс утилизации отходов и повышает его безопасность. Практика применения любых устройств очистки воздуха приводит к выводу о необходимости совершенства операции утилизации сконцентрированных отходов очистки, в части простоты и чистоты процесса утилизации отходов, заключающихся в отсутствии обратного сброса части пыли и минимуме конечных операций. Это важный момент эксплуатации многократно используемых устройств. Простота и чистота процесса утилизации отходов в значительной степени обеспечиваются в устройстве разделением возможного слива отработанного раствора и сбрасыванием твердых отходов в специальный контейнер. Обратный выброс части пыли при очистке фильтра исключен.

4. Устройство обеспечивает удаление пыли как при очистке воздуха, так и при уборке помещения.

Схема предлагаемого устройства показана на чертеже.

Устройство для очистки включает батарею циклонов 1 малого диаметра с отстойником 2 для временного сбора и хранения грубой пыли. Отстойник 2 содержит решетку 3 для отделения грубой пыли от жидкой фазы при утилизации отходов и вентиль для слива. Для создания вакуума на входе 4 воздуха имеется электродвигатель с вентилятором 5. Далее устройство включает барботажный смеситель 6 воздуха с водой, электрохолодильник 7 Пельтье и центрифугу (сепарирующее устройство) 8. Смеситель содержит сетку 9 для дробления потока воздуха и конденсатор 10. Горячая сторона электрохолодильника Пельтье 7 обращена на подогрев воды смесителя, а его холодная сторона служит для охлаждения воздушного потока после барботажного этапа очистки. Сконденсированная влага собирается в сборнике конденсата 11.

Устройство работает следующим образом. Первоначально запыленный поток воздуха 4 всасывается с помощью вентилятора 5, работающего от электродвигателя, в батарею циклонов 1 малого диаметра (4-10 штук). С помощью циклонов воздух очищается от грубой пыли (в целом примерно на 90-96% по массе). Грубая пыль (размер частиц более 5-10 мкм) оседает в отстойнике 2, как в ловушке. Такая батарея циклонов на входе воздушного потока применяется, например, в пылесосах Dyson. Относительно очищенный и сухой воздух «омывает» и охлаждает электродвигатель. При этом поток воздуха подогревается примерно до 40-65°C и направляется в смеситель 6 барботажного типа.

На второй стадии очистки воздуха главное, что должно быть обеспечено при контакте воздуха с водой - смачивание поверхности частицы. Смоченная частица уже необратимо остается в воде. Для эффективного смачивания частиц пыли необходимы нагрев воды (не более 90°C), который обеспечивается со стороны горячей поверхности электрохолодильника Пельтье 7, и присутствие поверхностно-активных веществ (обычного стирального порошка). Пыль, обладающая природной гидрофобностью, с помощью ПАВ проходит стадию гидрофилизации. На второй стадии воздух очищается от частиц размером до 0,1 мкм. На этой стадии очистки удаляется примерно 90-95% поступающей в смеситель 6 наличной пыли. Тем не менее часть пыли, заключенная в воздушных пузырьках, проходит через барботажный смеситель через сетку 9. При этом обработка средствами ПАВ первоначально нагретых частиц продолжается в газовой фазе в конденсаторе 10.

На следующей стадии воздух охлаждается в конденсаторе примерно до температуры среды (на 3-6 градусов выше) и оставшиеся частицы пыли всех размеров становятся ядрами конденсации водяных паров. Укрупнение частиц в форме капель тумана далее еще более усиливается с понижением температуры при контакте воздуха с холодной поверхностью электрохолодильника 7 (температура холодной поверхности примерно минус 6-10°C). В целом частицы пыли, таким образом, укрупняются в размерах и массе, по крайней мере, на 1-1,5 порядка. Именно такое укрупнение частиц определяет конечную эффективность очистки по изложенному механизму работы фильтра. Сконденсированная вода поступает в сборник 11.

В таком уже охлажденном состоянии воздух вводится в центрифугу (сепарирующее устройство) 8, где и производится окончательное эффективное отделение частиц тумана с частицами пыли из воздушного потока. На этой стадии обработки воздуха эффективно устраняется и возможное присутствие ПАВ, легко обнаруживаемое по запаху.

Введение в конструкцию устройства электрохолодильника позволяет повысить не только степень очистки, но и уровень управления процессом очистки воздуха, что не менее важно. Фактически холодильник является инструментом реализации изложенного выше механизма стирки. Введение стадии охлаждения позволяет также дополнительно подсушивать воздух на выходе. Уровень нагрева воды в смесителе и степень охлаждения воздуха (примерно на 1-3 градуса ниже температуры среды) холодильником определяются из необходимой степени очистки воздуха. Таким образом, обеспечивается необходимая экономия расхода электроэнергии. Энергопотребление процесса уборки пыли сохраняется на уроне обычного пылесоса.

На практике оптимизация конструкции и ее энергетические затраты будут определяться конкретным применением. При уборке пыли (кратковременная работа устройства в режиме пылесоса) энергопотребление устройства будет максимальным. При очистке воздуха (непрерывная работа устройства в режиме воздухоочистителя) энергопотребление устройства будет минимальным. В последнем варианте батарея циклонов временно выключается из работы (размер частиц витающей пыли менее 1-3 мкм), а само устройство подсоединяется к водной магистрали и канализации или к отстойнику.

Очистка устройства после окончания его работы состоит в сливе всего раствора в отстойник 2. Вся пыль в отстойнике смачивается. При этом пыль, прошедшую через сетку 3 отстойника, сливают в канализацию, а наиболее крупную увлажненную пыль, оставшуюся на сетке, стряхивают в контейнер твердых отходов. Таким образом, реализуется раздельная утилизация жидких и твердых отходов и обратный сброс части пыли в атмосферу среды исключается. Такая утилизация отходов упрощает процесс и обеспечивает безопасность утилизации отходов.

Работоспособность всех элементов устройства в отдельности и системы в целом определена и подтверждена опытно.

Доля улавливаемой пыли устройством составляет не менее 99,995%, размер улавливаемых частиц составляет более 0,02 мкм (для сравнения размер улавливаемых частиц для НЕРА-фильтра составляет более 0,3 мкм).