Результат интеллектуальной деятельности: Воздухоочиститель для помещений

Предлагаемое изобретение относится к очистке и кондиционированию воздуха, а именно, к устройствам для очистки воздуха жилых, административных и производственных помещений от вредных компонентов (например СO₂, водяных паров, болезнетворных микроорганизмов), выделяющихся при дыхании людей и животных.

Известно устройство для очистки воздуха от вредных примесей в относительно герметичных помещениях, имеющих приточное и отводное отверстия, содержащее два вентилятора, каждый их которых через адсорбционный фильтр и клапанную коробку соединен со входом низкотемпературного каталитического фильтра, нагреватель, регулируемую воздушную заслонку, установленную на входе приточного отверстия для обеспечения притока воздуха из атмосферы в помещение в соответствии со сбросом воздуха в процессе регенерации, блок анализа качества воздуха в атмосфере, обеспечивающий перекрытие воздушной заслонки при резком повышении концентрации вредных примесей в приточном воздухе и блоком анализа качества воздуха в помещении, обеспечивающий попеременное переключение клапанов в клапанной коробке и последовательное включение и выключение нагревателя для нагрева регенерируемого адсорбционного фильтра и вентилятора, соединенного с упомянутым фильтром, клапанная коробка выполнена с возможностью попеременного соединения каждого из адсорбционных фильтров с низкотемпературным каталитическим фильтром в процессе очистки воздуха или с отверстием для сброса воздуха в атмосферу при регенерации, при этом в адсорбционных фильтрах и низкотемпературном каталитическом фильтре размещено по два слоя сорбента в последовательности силикагель - активированный уголь в адсорбционных фильтрах и хемосорбент-катализатор в низкотемпературном каталитическом фильтре [Патент РФ №216, МПК В60Н 3/02, 2001].

Основными недостатками известного устройства для очистки воздуха от вредных примесей в относительно герметичных помещениях являются его сложная и громоздкая конструкция, высокая стоимость каталитических фильтров, ограниченная емкость адсорбентов и невозможность использования такой конструкции в жилых и производственных помещениях, что снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является воздухоочиститель, содержащий корпус, состоящий из прямоугольного короба, снабженного вращающимися ножками с колесиками, съемным поддоном со сливным штуцером, съемной распределительной решетки, задней пирамидальной крышки, в правом верхнем углу которой устроена регулировочная ниша, а в центре расположен вентилятор, всасывающая сторона которого закрыта заборной решеткой, причем внутри корпуса расположена камера очистки, состоящая из, расположенных друг над другом перфорированных кассет, торцы которых снабжены передними и задними поворотниками и соединены между собой через передние поворотники двумя передними неподвижными стойками, жестко соединенными с верхом и низом переднего торца прямоугольного короба, а через задние поворотники с двумя задними подвижными стойками с образованием между перфорированными кассетами воздушных каналов, при этом перфорированные кассеты заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1, передние и задние поворотники имеют одинаковую конструкцию, представляющую собой пару ушек, прикрепленных перпендикулярно к торцам перфорированных кассет, с отверстиями, через которые пропущен свободно вращающийся валик, жестко соединенный с передними неподвижными и задними подвижными стойками, к правой задней подвижной стойке перпендикулярно к ней, жестко присоединен регулировочный рычаг прямоугольного сечения, который пропущен через гнездо регулировочной щели, расположенной в регулировочной нише, прямоугольное отверстие передвижной планки, закрывающей регулировочную щель, упругий элемент и соединен выходным торцом через резьбовое соединение с наконечником, а для промывки гранулированной пемзы в комплект воздухоочистителя входит душирующее устройство [Патент РФ №2630446, МПК F24F 3/16, 2017].

Основными недостатками известного воздухоочистителя являются его ограниченные возможности очистки воздуха от загрязнений и болезнетворных организмов, обусловленные падением адсорбционной активности гранулированного шлака по мере его насыщения и отсутствием адсорбента, способного адсорбировать отрицательно заряженные микрочастицы, к которым относятся многие болезнетворные микроорганизмы, что снижает его экологическую эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции устройства и обеспечение возможности более продолжительного периода его работы по эффективной очистке воздуха от вредных примесей и болезнетворных микроорганизмов, что повышает экономическую и экологическую эффективность воздухоочистителя для помещений.

Технический результат достигается воздухоочистителем для помещений, содержащим корпус, состоящий из прямоугольного короба, снабженного вращающимися ножками с колесиками, задней торцевой пирамидальной крышки, в центре которой расположен вентилятор, всасывающая сторона которого закрыта заборной решеткой, передним торцевым окном, в крыше корпуса устроены у торцов окна, которые делят внутреннюю полость корпуса по ходу движения воздуха на три камеры: входную, среднюю и выходную причем входная и выходная камеры изнутри вверху и внизу снабжены ограничительными планками, все детали корпуса выполнены из диэлектрического материала (например, стеклопластика). Внутри корпуса во входной и выходной камерах между ограничительными планками установлены вертикальные съемные кассеты, выполненные из металла (например, из алюминия), крышки которых снабжены ручками, их боковые и торцевые стенки выполнены перфорированными и разделены на вертикальные отсеки зигзагообразными воздушными каналами, боковые стенки которых выполнены также перфорированными. При этом, вертикальные отсеки кассеты входной камеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1, вертикальные отсеки кассеты выходной камеры заполнены зернами силикагеля, а в средней камере расположен источник постоянного тока (аккумулятор или преобразователь переменного тока), соединенный электрическими проводами с корпусами съемных кассет входной и выходной камер, которые служат для гранул шлака и частиц силикагеля анодной и катодной шинами, соответственно.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1-4 изображены общий вид и разрезы воздухоочистителя для помещений (ВОП), фиг. 5-8 - узлы А, Б, В и их разрезы.

ВОП содержит корпус 1, состоящий из прямоугольного короба 2, снабженного вращающимися ножками 3 с колесиками 4, задней торцевой пирамидальной крышки 5, в центре которой расположен вентилятор 6, всасывающая сторона которого закрыта заборной решеткой 7, передним торцевым окном 8, в крыше 9 корпуса 1 устроены у торцов окна 10 и 11, которые делят внутреннюю полость корпуса 1 по ходу движения воздуха на три камеры: входную 12, среднюю 13 и выходную 14, причем входная и выходная камеры 12 и 14 изнутри вверху и внизу снабжены ограничительными планками 15, а все детали корпуса 1 выполнены из диэлектрического материала (например, стеклопластика). Внутри корпуса 1 во входной и выходной камерах 12 и 14 между ограничительными планками 15 установлены вертикальные съемные кассеты 16 и 17, выполненные из металла (например, из алюминия), крышки которых снабжены ручками 18, их боковые и торцевые стенки выполнены перфорированными и разделены на вертикальные отсеки 19 зигзагообразными воздушными каналами 20, боковые стенки которых выполнены также перфорированными. При этом, вертикальные отсеки 19 кассеты 16 входной камеры 12 заполнены гранулами пемзы 21, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1, вертикальные отсеки 19 кассеты 17 выходной камеры 14 заполнены зернами силикагеля 22, а в средней камере расположен источник постоянного тока (аккумулятор или преобразователь переменного тока) 23, соединенный электрическими проводами 24 и 25 с корпусами съемных кассет 16 и 17, которые служат для гранул шлака 21 и частиц силикагеля 22 анодной и катодной шинами, соответственно.

В основу работы предлагаемого ВОП положены химический состав воздуха жилых, административных и производственных помещений, определяемый выделяющимися при дыхании людей и животных компонентами (например СO₂ и водяных паров), а также болезнетворных микроорганизмов, частицы которых обладают отрицательным зарядом или характером производства (например, СО, NO_x и SO_x), высокая растворимость диоксида углерода по сравнению с остальными компонентами воздуха в воде [Справочник химика, т.III. - М. - Л.: Химия, 1965, с 316], высокая скорость реакции окисления NO в NO₂ и SO₂ в SO₃, которые хорошо растворяются в воде с образованием HNO₃ и H₂SO₄ [Неницеску К. Общая химия. - М.: Высш. Школа, 1958, с. 275; Кутепов А. М. и др. Общая химическая технология. - М.: Высш. Школа, 1985, с. 348], высокое значение модуля основности гранул металлургической пемзы, которое придает им основные свойства [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. - М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163], позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вышеперечисленные вредные компоненты. Т.к. в состав болезнетворных микроорганизмов могут входить частицы, обладающие отрицательным зарядом [Н.Я. Спивак и др. Противовирусная, антиоксидантная и каталитическая активность микроэлементов в низкой степени окисления, ж-л Микроэлементы в медицине, №3, с. 3-23, 2020), то в качестве адсорбента используется силикагель [ГОСТ 3956-76]. Использование силикагеля обусловлено его электростатической способностью (частицы силикагеля адсорбируют молекулы, обладающие отрицательными зарядами) и частично свойством дисперсионного взаимодействия, позволяющее сорбировать частицы, обладающие отрицательным зарядом и значительной молекулярной массой [Ю.И. Шумяцкий. Адсорбционные процессы. Уч. пособие. - М.: Российский химико-технологический ун-т, 2005, с. 13-18]. Кроме того, силикагель относительно недорогой и широко доступный продукт. Для интенсификации процесса адсорбции, основанной на электростатическом взаимодействии, используется дополнительная поляризация частиц гранулированного шлака и силикагеля отрицательными и положительными зарядами, соответственно, от источника постоянного тока.

Очистка воздуха помещения от вредных компонентов (СO₂, СО, NO_x, SO_x, водяных паров, болезнетворных микроорганизмов) и пыли осуществляется ВОП следующим способом. ВОП устанавливают в помещении таким образом, чтобы были обеспечены свободный забор воздуха и его подача в объем помещения, подключают его к электрической сети, включают вентилятор 6 и источник постоянного тока 23 (аккумулятор или преобразователь переменного тока), который подает электричество по электропроводам 24 и 25 на кассеты 16 и 17 напряжением 2-3 V и мощностью несколько Wt (установленная мощность источника 23 зависит от массы адсорбентов и определяется опытным путем).

Воздух помещения через решетку 7 засасывается вентилятором 6 и поступает в входную камеру 12, где установлена кассета 16, двигаясь по ее зигзагообразным вертикальным каналам 20, сообщающим ему также зигзагообразное турбулентное движение, проникает через отверстия в их перфорированных стенках в вертикальные отсеки 19, заполненные гранулами шлаковой пемзы 21 диаметром от 10 до 20 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 21 назначен из условий обеспечения минимального аэродинамического сопротивления входной камеры 12 и номенклатуры размеров гранул металлургической пемзы). Основная металлургическая пемза представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, МnО) с модулем основности М>1. Высокое значение модуля основности придает гранулам 21 основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и многие вредные примеси в воздухе помещений (СO₂, NO_x, SO_x, СО,). Кроме того, исходя из своего состава, металлургические шлаки устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов загрязненного воздуха, широко доступны и относительно дешевы. Адсорбированные из воздуха оксиды азота и серы в порах гранул 19 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента-гранул шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легко растворимых в воде NO₂ и SO₃, которые, в свою очередь, взаимодействуют с частицами подкисленной воды остающейся в порах гранул 21, с образованием соответствующих кислот HNO₃ и H₂SO₄. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 21 оседают мелкодисперсные частицы (пыль, сажа и т.д.). В результате воздух, после входной камеры 12 очищается от значительной части вышеперечисленных вредных компонентов и пыли, в средней камере происходит усреднение его состава, откуда очищенный от химических и механических примесей воздух поступает в кассету 17 выходной камеры 14. В кассете 17 воздух двигается по ее зигзагообразным вертикальным каналам 20, сообщающим ему также зигзагообразное турбулентное движение, проникает через отверстия в их перфорированных стенках в вертикальные отсеки 19, заполненные зернами силикагеля, которые адсорбируют отрицательно заряженные примеси, в том числе и частицы болезнетворных микроорганизмов, после чего, очищенный от химических, механических и болезнетворных примесей, из выходной камеры 17 воздух поступает в обслуживаемое помещение, в результате чего экологические характеристики воздушной среды помещения существенно улучшаются.

При падении активности гранул шлаковой пемзы 21 и силикагеля в перфорированных кассетах 16 и 17 осуществляется регенерации этих адсорбентов (для проведения регенерации обоих адсорбентов в одно и тоже время их адсорбционные емкости должны быть приблизительно равными, что определяется предварительно), для чего кассеты 16 и 17 извлекают из камер 12 и 14 за ручки 15, а на их место вставляют другие кассеты с регенерированными или свежими адсорбентами. Процесс регенерации осуществляется в отдельном помещении (желательно, расположенном в ТЭЦ или котельной) в специальном устройстве (на фиг. 1-8 не показано) и заключается в следующем порядке. Вначале одновременно проводят нагрев силикагеля в кассете 17 до температуры (130-150)°С дымовыми газами с температурой (200-180)°С (температуры процесса нагрева приняты, исходя из термостабильности силикагеля - (200-250)°С [Ю.И. Шумяцкий. Адсорбционные процессы. Уч. пособие. - М.: Российский химико-технологический ун-т, 2005, с. 87]) через стенку и смешение газообразных десорбированных примесей с дымовыми газами, в результате которого микроорганизмы, содержащиеся в них, погибают. Долее, полученная газовая смесь, поступает в кассету 16, содержащую предварительно регенерированные гранулы металлургических шлаков 21, в которой осуществляется очистка газовой смеси от вышеперечисленных примесей, включая остатки болезнетворных микроорганизмов. Процесс первичной регенерации заключатся в промывке гранул 21 от частиц пыли, сажи и кислой воды, содержащей уловленные оксиды углерода, серы и азота. Промывку осуществляют путем струйной подачи водопроводной воды на кассету 16. Вторичную регенерацию кассет 16 осуществляют аналогично. Грязную воду после регенерации в случае необходимости подвергают хлорированию. Количество промывочной воды и продолжительность промывки устанавливают опытным путем. Полную замену адсорбентов проводят в зависимости от показателей их механической прочности и адсорбционной активности.

Примечание. Расход воды на орошение должен быть таким, чтобы не происходило заполнение пор гранулированного шлака 21 влагой и определяется опытным путем.

При этом, грязная подкисленная вода, сбрасываемая в канализацию в связи со значительным содержанием диоксида углерода в ней будет способствовать процессам фотосинтеза [Комов В. П. и др. Биохимия. - М.: Дрофа, 2004, с. 210] на полях орошения городских очистных сооружений.

Площадь сечения, число и объем перфорированных кассет 16 и 17 пористость, размер и количество гранул пемзы 21, соответствующие характеристики силикагеля 22, мощность и производительность вентилятора 6, поглотительная способность кассет 16 и 17, параметры источника постоянного тока 23, расход дымовых газов и воды на регенерацию определяются производительностью по воздуху, его загрязненностью и требуемой степенью его очистки.

Таким образом, предлагаемый воздухоочиститель для помещений позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить воздух жилых и производственных помещений от вредных компонентов, упростить его конструкцию и эксплуатацию и оперативно перемещать сам воздухоочиститель в места максимальных загрязнений, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.