Результат интеллектуальной деятельности: Способ очистки воздуха от пыли очищаемого пространства и устройство для его реализации

Изобретение относится к способам повышения производительности установок для очистки воздуха от пыли, увеличения объема очищаемого пространства и устройствам для их реализации. Изобретение относится к экотехнологии, главным образом к горной промышленности и может быть использовано для проветривания карьеров и эффективной очистки выдаваемого из рабочей зоны воздуха.

Известен способ повышения производительности установок для очистки воздуха от пыли и объема очищаемого пространства карьеров, для проветривания карьеров, реализованный в установке для проветривания карьеров и включающий в себя транспортную базу, силовую установку, редуктор с выходным валом, на котором закреплен вертолетный винт с лопастями, верхнюю площадку и соединяющий ее с транспортной базой параллелограммный механизм, установленный с возможностью складывания [1].

Однако данный способ отличается недостаточной эффективностью, поскольку устройство его реализующее позволяет очищать воздух от пыли только в одном перпендикулярном оси вращения лопастей направлении, т.е. не позволяет существенно увеличить объем очищаемого пространства карьера. Кроме того воздух из зоны очищаемого пространства удаляется без проведения его очистки от пыли;

Таким образом устройство реализующее указанный способ не позволяет существенно повысить производительность установки, а главное отличается малым объемом очищаемого пространства карьеров.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения производительности установок для очистки воздуха от пыли и объема очищаемого пространства карьеров путем увеличения количества локальных входных коллекторов воздуховодов, т.е. увеличения суммарной площади поверхности всасывания при неизменных габаритах установки и как результат уменьшения аэродинамического сопротивления на входе в воздуховоды является способ повышения производительности и объемов очищаемого пространства карьеров реализованный в установке, содержащей корпус с вращающейся платформой, установленный на ходовую часть, выполненную в виде самоходного шасси, узел подвода запыленного воздуха, кольцевые каналы, циклонную камеру снабженную пылесборником, вентилятор и вентиляционную трубу [2].

Воздуховоды, расположенные по окружности на вращающейся платформе и имеющие, как правило, четыре входных коллектора, обеспечивают рост объема очищаемого пространства карьера и производительность установки практически без увеличения ее габаритов. Кроме того охват больших рабочих объемов окружающего пространства за счет возможности поворота воздуховодов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивает очистку запыленного воздуха больших объемов.

Однако способ, реализованный в данной конструкции, очищает воздух в пространстве карьера локально как в пространстве так и во времени, т.е. в зоне пространства карьера по объему, примыкающему к локальным входным коллекторам воздуховодов, пропорционально площади вышеуказанных коллекторов, при соответствующем положении вращающейся платформы и угле поворота воздуховодов в вертикальной плоскости. Площади локальных коллекторов, непосредственно состыкованные с воздуховодами, соизмеримы с площадями поперечных сечений воздуховодов, что не позволяет существенно увеличить суммарную локальную площадь всасывания установки, равную суммарной площади локальных входных коллекторов.

Таким образом, основная причина недостаточного увеличения производительности установки и объема очищаемого пространства заключается в том, что входные коллектора воздуховодов установки, через которые воздух подается в нее и далее очищается, составляет только часть площади поверхности окружающей установку по периметру коллекторов воздуховодов. Следовательно ограниченная суммарная площадь локальных коллекторов, габариты которых непосредственно связаны с габаритами установки, поскольку они установлены непосредственно на воздуховодах не позволяет существенно увеличить производительность очистки воздуха от пыли и объем очищаемого пространства карьеров.

Устройства для очистки воздуха от пыли в карьерах, как правило, представляют собой четыре перекрестных воздуховода круглого сечения с коллекторами на входе, установленными на вращающейся платформе, с системой вентиляторов, создающих депрессию для всасывания воздуха из пространства карьера, кольцевых каналов и циклонной камеры сепарации пыли. Указанные установки отличаются недостаточной производительностью и объемом очищаемого пространства карьера, поскольку локально расположенные входные коллектора на воздуховодах отличаются малой суммарной площадью входа воздуха. Как правило, длина трубопровода превышает в десять раз диаметры входных коллекторов. Объем очищаемого пространства, т.е. пространства карьера в пределах которого депрессия, создаваемая вентиляторами установки, вызывает движение воздуха в направлении к входному коллектору, пропорционален кубу его эквивалентного диаметра [3, 4]. Дальнейшее увеличение производительности и объема очищаемого пространства карьера за счет увеличения входного коллектора в поперечном сечении, имеющем форму круга, подобную форме воздуховода технически неосуществима, поскольку приводит к существенному росту габаритных размеров установки. Малая площадь входных коллекторов воздуховодов, кольцевых каналов подвода воздуха к циклонной камере, приводит к существенному увеличению сопротивления движению воздуха в них. Кроме того большой угол наклона воздуховодов в вертикальной плоскости существенно увеличивает рециркуляцию воздуха, снижая объем очищаемого пространства.

Таким образом, для существенного повышения производительности и объема очищаемого пространства карьера необходимо разработать способ и реализующее его устройство, в котором площадь входного коллектора узла подвода запыленного воздуха и его форма в поперечном сечении не будут непосредственно связаны с размерами воздуховодов и установки в целом, что позволило бы существенно увеличить площадь всасывания без изменения габаритов установки.

Задачей изобретения является разработка способа и создание устройства его реализующего для повышения производительности очистки воздуха от пыли и объема очищаемого пространства карьеров. Данная задача решается путем достижения при заданных габаритах установки, максимально возможной площади входного коллектора узла подвода запыленного воздуха, а так же использования эжекции вращающейся по периметру радиального входа узла подвода струи воздуха, создающей вокруг установки эффект «торнадо» за счет диффузии завихренности [4].

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:

- повышение производительности очистки воздуха от пыли, за счет увеличения суммарной площади входного коллектора узла подвода запыленного воздуха, при неизменных габаритах установки;

- увеличение объема очищаемого пространства карьера за счет увеличения диаметра эквивалентного входного коллектора узла подвода запыленного воздуха, охватывающего пространство по периметру всей установки;

- снижение аэродинамических потерь в узле подвода запыленного воздуха;

- снижение уровня шума за счет уменьшения скорости воздуха на входе в коллектор узла подвода запыленного воздуха;

- снижение материалоемкости, трудоемкости изготовления и габаритов установки, реализующей предлагаемый способ.

Это достигается тем, что предлагаемый способ очистки воздуха от пыли очищаемого пространства карьеров, позволяет в устройствах реализующих данный способ всасывать и одновременно закручивать запыленный воздух вокруг оси узла подвода по всему периметру его радиального входа, ускорять закручивание запыленного воздуха по мере приближения его к оси узла подвода, поворачивать закрученный запыленный воздух из радиального направления в вертикальное по оси узла подвода, направлять закрученный воздух в циклонную камеру с пылесборником, в вентилятор, преобразующий механическую энергию в потенциальную и кинетическую энергию поступательного и вращательного движения воздуха и далее направлять часть воздуха в вентиляционную трубу, а часть с большой скоростью поступательного и вращательного движения на вход в узел подвода по кольцевому щелевому конфузорному каналу, образованному обечайками пылесборника циклонной камеры и радиальным входом узла подвода. Всасывание и закручивание запыленного воздуха, по всему периметру радиального входа узла подвода, за счет эжекции и диффузии завихренности закручивает воздух окружающий установку в зоне узла подвода, создавая эффект «торнадо» существенно усиливающий эффективность всасывания воздуха из пространства карьера, увеличивая тем самым объем очищаемого пространства. Кроме того закручивание воздуха под действием сил Кориолиса мере движения его к оси узла подвода существенно снижает аэродинамические потери за счет исключения кольцевых каналов подвода воздуха в циклонную камеру для создания циркуляции воздуха, способствуют увеличению производительности и объема очищаемого пространства.

На фиг. 1 изображен вид сбоку и вертикальный разрез предлагаемого устройства; на фиг. 2 изображен вид сверху и горизонтальный разрез устройства; на фиг. 3 представлена 3D-модель устройства (для зрительного восприятия).

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, установленного на ходовую часть 2, выполненную в виде самоходного шасси, узла подвода 3 запыленного воздуха, выполненного в виде радиально осевого коллектора 4, установленного на корпусе 1, и содержащего нижнюю 5 и верхнюю 6 параллельные направляющие пластины, радиальный вход 7 запыленного воздуха, выполненный в виде замкнутой криволинейной поверхности, имеющей в плане форму окружности 8, а в вертикальном диаметральном сечении форму зеркально-симметричных лемнискат 9 и 10,между которыми установлены лопатки 11 для поворота потока из радиального в тангенциальное направление, и осевой вертикальный выход 12, переходящий в циклонную камеру, 13 с пылесборником 14, поверхность которого выполнена из двух обечаек 15 и 16 с образованием кольцевого щелевого конфузорного к радиальному входу 7, в узел подвода 3 канала 17, имеющего кольцевой вход 18 из вентиляционной трубы 19, расположенный за вентилятором 20 и кольцевой многощелевой выход 21, образованный обечайками 15 и 16 пылесборника 14 и лемнискатой 10 радиального входа 7 в узел подвода 3.

Предложенный способ реализуется в вышеуказанном устройстве для очистки воздуха от пыли следующим образом. Вращение вентилятора20, установленного в вентиляционной трубе 19, преобразует механическую энергию в потенциальную и кинетическую энергии поступательного и вращательного движения воздуха по вентиляционной трубе 19 и кольцевому щелевому сужающемуся к радиальному входу 7 в узел подвода 3 каналу 17 через кольцевой вход 18 из вентиляционной трубы 19. Запыленный воздух всасывается в радиальный вход 7 узла подвода 3 со скоростью υ_з, определяемый депрессией создаваемой вентилятором 20 в радиальном входе 7 узла подвода 3, а также эжекции и диффузией завихренности обусловленных большой скоростью поступательного и вращательного движения истекающего из кольцевого многощелевого выхода 21 воздуха, поступающего из вентиляционной трубы 19 по периметру радиального входа 7 в узел подвода 3 поступает запыленный воздух со скоростью и₃, дополнительно закручивается в тангенциальном направлении на лопатках 11 и продолжая двигаться по спирали между нижней 5 и верхней 6 параллельными направляющими пластинами радиально-осевого коллектора 4 усиленно закручивается по закону безвихревой циркуляции, за счет действия сил Кориолиса до угловой скорости со₃, поворачивается по оси узла подвода 3 в вертикальном направлении и через осевой вертикальный выход 12 радиально-осевого коллектора 4 интенсивно закрученный запыленный воздух поступает в циклонную камеру 13, в которой под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются в радиальном направлении в пылесборник 14, а очищенный воздух частично идет в вентиляционную трубу 19 на выхлоп в очищенное пространство, а частично через кольцевой многощелевой выход 21 по замкнутому циклу поступает в радиальный вход 7, узла подвода 3 для поддержания эжектирующего действия диффузии завихренности - эффекта «торнадо», способствующей увеличению объема очищаемого пространства и производительности устройства.

Механизм повышения производительности очистки воздуха и объема очищаемого пространства карьера, реализуемый предлагаемым способом повышения эффективности устройства может быть представлен в следующем виде [3, 4].

При диаметре входного коллектора и длине воздуховода устройства, реализующего способ прототипа, равным D_к=2 м и l_в=10 м, соответствующей высоте радиального входа узла подвода воздуха предлагаемого устройства h_к=D_к, диаметре радиально-осевого коллектора равном d_к=2l_в, эквивалентные диаметры входных коллекторов прототипа D_эп и изобретения D_эи могу быть определены по следующим формулам:

D_эп=D_к=2 м

С учетом основных положений [3, 4] объем очищаемого пространства карьера, определяем из условия что за счет депрессии создаваемой на входе в узел подвода всасывание запыленного воздуха по направлению оси входа в коллектор происходит на длине не более десяти его эквивалентных диаметров, а в направлении перпендикулярном оси не более пяти эквивалентных диаметров.

Таким образом учитывая, что прототип позволяет поворачивать воздуховоды в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а предлагаемое устройство имеет радиальный вход в узел подвода по всему периметру, объемы очищаемого пространства для вышеуказанных устройств представляют собой полусфероиды с относительной сплюснутостью: и объемом очищаемого пространства V_п=108000 м³ и V_и=360000 м³ соответственно.

При равной скорости на входе в коллектора, производительность устройства по предлагаемому изобретению при равных габаритах в 7 раз выше прототипа.

Таким образом при равных габаритах устройство соответствующее предлагаемому изобретению позволяет увеличить объем очищаемого пространства карьера более чем в 3 раза, производительность более чем в 7 раз, кратности очистки пространства от пыли более чем в 2 раз.

При этом чем больше отношение длинны воздуховодов к диаметру входных коллекторов прототипа, тем больший прирост производительности очистки воздуха от пыли и объема очищаемого пространства карьера устройством согласно изобретению при равных габаритах.

В лаборатории СМК-Тест были проведены аэродинамические испытания модели устройств изготовленных соответственно по предлагаемому изобретению и прототипу. Устройства имели следующие габаритные параметры: диаметр локального входного коллектора прототипа и высота входного радиально-осевого коллектора по изобретению равны 0,3 м, диаметр четырех воздуховодов прототипа и диаметр радиально-осевого коллектора согласно изобретению равны 3м.

Результаты испытаний указанных устройств для очистки воздуха от пыли и объема очищаемого пространства карьеров показали что объем очищаемого пространства и производительность устройства выполненного по прототипу составили 1050 м³ и 1,6 м³/с соответственно, а по предложенной конструкции с входным радиально-осевым коллектором с диаметром D=3 м и высотой h_к=0,3 м составили 2730 м³ и 11,5 м³/с.

Таким образом, применение данного способа повышения производительности очистки воздуха и от пыли и увеличение объема очищаемого пространства на базе предложенных технических решений, учитывающих специфику конструкции и условий их эксплуатации позволяет поднять на качественно новый уровень эффективность устройств, дополнительно способствуя снижению их габаритов, материалоемкости и снижение уровня шума.

1. Патент "Установка для проветривания карьера" 2167302, установка для проветривания карьеров.

2. Патент "Установка для очистка воздуха от пыли" 2536881, установка проветривания карьеров.

3. Иванов О.П., Манченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы. - Л.: Машиностроение, 1986. - 280 с.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник для вузов - 7-е изд., испр - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.