Способ повышения эффективности очистки воздуха в разнотемпературной конденсационной камере

Способ повышения эффективности очистки воздуха в разнотемпературной конденсационной камере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к процессам пылеулавливания и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, где требуется улавливание высокодисперсных аэрозолей из воздушного протока, в частности в пищевой промышленности.

Известен способ улавливания высокодисперсных аэрозолей путем насыщения запыленного воздушного потока водяными парами с последующим конденсационным укрупнением и улавливанием аэрозольных частиц из паровоздушного потока (патент РФ №2323033, МПК B01D 47/05).

Основным недостатком известного способа является то, что поток газа встречает на своем пути значительное гидравлическое сопротивление, возникающее в узких каналах насадки, что приводит к значительным потерям энергии.

Известен способ очистки воздуха, заключающийся в охлаждении и пересыщении очищаемого потока водяными парами при пропускании его через увлажнитель и разнотемпературную конденсационную камеру с газовым трактом преимущественно прямоугольного сечения, противоположные соседние стенки которого имеют разную температуру, с последующим отделением из потока твердой и конденсированной фаз, при этом верхнее и нижнее днища камеры соединяют между собой по периферийной части при помощи боковых стенок с образованием замкнутой полости, в стенках которой выполняют разъемы для обеспечения возможности подвода внутрь полости трубопроводов рабочего тела и средств измерений, боковые стенки тракта выполняют состоящими из нескольких подвижно соединенных между собой частей, имеющих возможность углового и радиального перемещений как внутрь, так и наружу газового тракта, при этом тракт образуют верхним, нижним днищами и боковыми стенками тракта, изменение длины тракта производят путем перемещения входной части в радиальном направлении, а геометрии тракта - за счет перемещения боковых стенок в осевом, радиальном и угловом направлениях, при этом давление в тракте разнотемпературной конденсационной камеры и в замкнутой полости поддерживают равным (патент РФ №2476256, МПК: B01D 47/05 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Очищаемый воздух поступает в компрессор, где происходит его сжатие до заданных параметров. Из компрессора сжатый очищаемый воздух подается в увлажнитель сжатого воздуха и далее в подогреватель, где ему придается требуемая влажность и температура. Далее сжатый воздух, вырабатываемый компрессором, прошедший через увлажнитель сжатого воздуха и подогреватель, подается в разнотемпературную камеру с трактом, в которой происходит конденсация водяных паров на ядрах конденсации, например механических примесях, газовых ионах и на поверхности самопроизвольно образующихся зародышей, и их рост до размеров капель. Изменением длины канала определяется время нахождения аэрозольных частиц в рабочей зоне, тем самым характеризуя степень очистки газового потока. Одна часть конденсата улавливается в камере, а другая, оставшаяся, - в расположенном за ней водоотделителе. Комплект, состоящий из увлажнителей и подогревателя, позволяет изменять влажность и температуру воздушного потока в широком диапазоне.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа очистки воздуха, применение которого позволит обеспечить более полное отделение конденсата и механических примесей от потока газа, подвергаемого очистке.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе очистки воздуха, заключающемся в охлаждении и пересыщении очищаемого потока водяными парами при пропускании его через увлажнитель и разнотемпературную конденсационную камеру с газовым трактом преимущественно прямоугольного сечения, противоположные соседние стенки которого имеют разную температуру, с последующим отделением из потока твердой и конденсированной фаз, при этом верхнее и нижнее днища камеры соединяют между собой по периферийной части при помощи боковых стенок с образованием замкнутой полости, в стенках которой выполняют разъемы для обеспечения возможности подвода внутрь полости трубопроводов рабочего тела и средств измерений, боковые стенки тракта выполняют состоящими из нескольких подвижно соединенных между собой частей, имеющих возможность углового и радиального перемещений как внутрь, так и наружу газового тракта, при этом тракт образуют верхним, нижним днищами и боковыми стенками тракта, изменение длины тракта производят путем перемещения входной части в радиальном направлении, а геометрии тракта - за счет перемещения боковых стенок в осевом, радиальном и угловом направлениях, при этом давление в тракте разнотемпературной конденсационной камеры и в замкнутой полости поддерживают равным, согласно изобретению паровоздушный поток в камере дополнительно турбулизируют и перемешивают за счет установки в центральной части камеры дополнительного ребра, при помощи которого разделяют полость камеры на две части, причем указанное ребро выполняют с возможностью сообщения частей полости камеры между собой, при этом указанное ребро устанавливают вдоль ее продольной оси, преимущественно параллельно ей, со смещением в сторону горячей боковой стенки тракта от продольной оси на расстояние x=(0,1…0,3)X, где x - расстояние смещения ребра в сторону горячей боковой стенки, X - ширина канала.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении часть рабочего загрязненного потока сразу попадает в горячую зону, где конденсационного укрупнения частиц примесей не происходит, соответственно, эта часть потока гораздо позже достигнет состояния насыщения и здесь частицы примесей не успеют удалиться из потока за время нахождения в установке.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении скорость процесса конвекции в холодной зоне за счет разной температуры стенок канала уменьшается и положительного эффекта закручивания рабочего потока с целью интенсификации тепломассообменных процессов не наблюдается.

В варианте применения способа между указанным ребром и днищами выполняют зазоры, при этом величину каждого упомянутого зазора выбирают в пределах δ=(0,1…0,3)h, где δ - величина зазора между верхним/нижним днищами и ребром, h - высота тракта, образованного верхним и нижним днищами.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем уменьшении зазора меньше указанного скорость процесса конвекции значительно возрастает у холодной стенки, но при этом в холодной зоне вблизи ребра наблюдаются застойные нерабочие зоны, что ухудшает процесс объемной конденсации в холодной зоне и, соответственно, отрицательно сказывается на качестве очистки.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем увеличении зазора больше указанного происходит резкое уменьшение объема холодной зоны, что отрицательно сказывается на устойчивости процесса конденсации и, как следствие, на качестве очистки газовых потоков.

В варианте применения способа в ребре выполняют сквозные каналы, при помощи которых упомянутые полости камеры сообщают между собой, при этом суммарную площадь каналов выполняют в пределах s=(0,25…0,4)S, где: s - суммарная площадь сквозных каналов, S - площадь продольного сечения тракта в месте установки ребра.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем уменьшении суммарной площади каналов меньше указанной положительный эффект термодиффузии на процесс укрупнения частиц примесей становится ничтожно мал и не способствует интенсификации процесса конденсационной очистки газовых потоков.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем увеличении суммарной площади каналов больше указанной происходит разрушение устойчивой циркуляции газового потока в результате конвекции за счет его интенсивного поперечного движения в результате термодиффузии. Как следствие ухудшается перемешивание слоев газового потока и процесс конденсации идет менее интенсивно.

В варианте применения способа ребро, разделяющее полость камеры на две части, выполняют профилированным с поперечным сечением в виде чередующихся выступов и впадин.

В варианте применения способа входную стенку тракта выполняют подвижной.

В варианте применения способа холодную стенку выполняют в виде полого тела со штуцерами подвода и отвода рабочего тела.

В варианте применения способа горячую стенку выполняют в виде полого тела со штуцерами подвода и отвода рабочего тела.

В варианте применения способа горячую стенку выполняют в виде пластины с размещенным на ее поверхности электронагревательным элементом.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема установки для очистки воздуха, на фиг.2 - разнотемпературная конденсационная камера в аксонометрии с трактом, сужающимся во входной части, на фиг.3 - разнотемпературная конденсационная камера в аксонометрии с трактом, расширяющимся во входной части.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Очищаемый воздух поступает в компрессор 1, где происходит его сжатие до заданных параметров.

Из компрессора 1 сжатый очищаемый воздух подается в увлажнитель сжатого воздуха 2 и далее в подогреватель 3, где ему придается требуемая влажность и температура.

Далее сжатый воздух, вырабатываемый компрессором 1, прошедший через увлажнитель сжатого воздуха 2 и подогреватель 3, подается в разнотемпературную камеру 4 с трактом 5, в которой происходит конденсация водяных паров на ядрах конденсации, например механических примесях, газовых ионах и на поверхности самопроизвольно образующихся зародышей, и их рост до размеров капель.

Камера 4 содержит нижнее днище 6, верхнее днище 7, холодную 8 и горячую 9 боковые стенки тракта с устройствами обеспечения разности температур их наружных поверхностей.

Боковые стенки 8 и 9 тракта выполнены состоящими из нескольких подвижно соединенных между собой частей, имеющих возможность углового и радиального перемещений как внутрь, так и наружу газового тракта.

Продольная стенка 8 выполнена состоящей из нескольких соединенных между собой с возможностью радиального перемещения частей 10.

Продольная стенка 9 выполнена состоящей из нескольких соединенных между собой с возможностью радиального перемещения частей 11.

Верхнее 7 и нижнее 6 днища соединены между собой по периферийной части при помощи боковых стенок 12 с образованием замкнутой полости. В стенках 12 полости выполнены разъемы для обеспечения возможности подвода внутрь полости трубопроводов рабочего тела и средств измерений.

Во входной части тракта установлена подвижная стенка 13. В боковых стенках 12 выполнены каналы 14 для подвода рабочего тела и кабелей средств измерений.

За счет того что боковые стенки 8 и 9 камеры выполнены с возможностью радиального перемещения, обеспечиваются требуемые условия прохождения очищаемого потока через газовый тракт разнотемпературной камеры путем изменения площади проходного сечения тракта.

За счет того что имеется возможность изменения длины газового тракта путем перемещения подвижной стенки 13, в осевом направлении и геометрии тракта - за счет перемещения в осевом, радиальном и угловом направлениях боковых стенок 8 и 9, предложенная разнотемпературная конденсационная камера может легко перестраиваться на различные режимы работы, обеспечивающие оптимальную степень очистки газовых потоков при изменении их температурных и расходных характеристик.

Разделение полости разнотемпературной камеры 4 при помощи ребра 15 на две полости 16 и 17 приводит к тому, что расширяется зона конденсации, где происходит укрупнение и удаление частиц примесей из рабочего потока. Также при установке ребра 15 возрастает скорость процесса конвекции, наблюдаемой в поперечном сечении канала, за счет боковых стенок, имеющих разную температуру. Это приводит к смешиванию слоев газового потока и, соответственно, интенсификации тепломассообменных процессов при очистке рабочего потока от аэрозольных примесей. Это положительно сказывается на степени очистки и времени ведения этого процесса.

Наличие зазоров между ребром и стенками камеры и сквозных каналов в ребре позволяет потокам из одной полости камеры свободно перетекать в другую в зависимости от температурного режима стенок и ребра.

По мере прохождения в канале пересыщенной парогазовой смеси происходит конденсация паров жидкости на аэрозольных частицах, как на ядрах конденсации, и образовавшиеся капли выделяются из парогазовой смеси под действием диффузионных и термодиффузионных сил. При движении парогазовой смеси вдоль холодной поверхности давление паров жидкости над ней значительно меньше, чем в центральной части потока. Вследствие этого в смеси возникает диффузионный поток пара, который воздействует на находящиеся в смеси аэрозольные частицы и капли. В результате этого воздействия частицы и капли движутся в сторону охлаждаемой поверхности. Конденсация пара в объеме и частично на холодной поверхности сопровождается уменьшением объема, что приводит к общему течению парогазовой смеси к этой поверхности. Возникающий при этом конвективный поток, называемый стефановским течением, усиливает диффузионный поток и всегда направлен в сторону уменьшения объема, т.е. к холодной поверхности. С другой стороны, при движении потока между разнотемпературными поверхностями в парогазовой смеси возникает температурный градиент, обуславливающий появление термодиффузионных сил, под действием которых частицы и капли тоже движутся в сторону холодной поверхности, укрупняются и осаждаются в объеме и частично на холодной стенке. Непрерывность конденсации и укрупнения частиц при движении вдоль канала поддерживается вследствие высокой степени пресыщения, которая возникает в результате увеличения парциального давления у обогреваемой поверхности и снижения его у охлаждаемой поверхности. Причем величина пересыщения растет от обогреваемой поверхности к охлаждаемой. В канале, постепенно расширяющемся по ходу газа, процесс конденсации на частицах идет более интенсивно за счет снижения скорости парогазового потока, которое приводит к увеличению парциального статического давления паров жидкости, т.е. к увеличению степени пересыщения и более высокому выходу конденсата, осаждающемуся в виде капель в объеме и на холодной стенке. Выполнение разнотемпературного канала с сужением обеспечит более эффективное удаление образовавшихся капель конденсата со стенок газового тракта за счет обеспечения возможности их срыва со стенок и попадания на днище для последующего удаления.

Изменением длины канала определяется время нахождения аэрозольных частиц в рабочей зоне, тем самым характеризуя степень очистки газового потока.

Одна часть конденсата улавливается в камере 4, а другая, оставшаяся, - в расположенном за ней водоотделителе. Комплект, состоящий из увлажнителей и подогревателя, позволяет изменять влажность и температуру воздушного потока в широком диапазоне.

За счет того что верхнее и нижнее 6 днища соединены между собой по периферийной части при помощи боковых стенок 12 с образованием замкнутой полости, в тракте 5 и в указанной замкнутой полости создается повышенное давление, что приводит к улучшению условий отделения конденсата.

Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерной установки для очистки воздуха подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит обеспечить более полное отделение конденсата и механических примесей от потока газа, подвергаемого очистке, при меньших затратах энергии.

1. Способ повышения эффективности очистки воздуха, заключающийся в охлаждении и пересыщении очищаемого потока водяными парами при пропускании его через увлажнитель и разнотемпературную конденсационную камеру с газовым трактом преимущественно прямоугольного сечения, противоположные соседние стенки которого имеют разную температуру, с последующим отделением из потока твердой и конденсированной фаз, при этом верхнее и нижнее днища камеры соединяют между собой по периферийной части при помощи боковых стенок с образованием замкнутой полости, в стенках которой выполняют разъемы для обеспечения возможности подвода внутрь полости трубопроводов рабочего тела и средств измерений, боковые стенки тракта выполняют состоящими из нескольких подвижно соединенных между собой частей, имеющих возможность углового и радиального перемещений как внутрь, так и наружу газового тракта, при этом тракт образуют верхним, нижним днищами и боковыми стенками тракта, изменение длины тракта производят путем перемещения входной части в радиальном направлении, а геометрии тракта - за счет перемещения боковых стенок в осевом, радиальном и угловом направлениях, при этом давление в тракте разнотемпературной конденсационной камеры и в замкнутой полости поддерживают равным, отличающийся тем, что паровоздушный поток в камере дополнительно турбулизируют и перемешивают за счет установки в центральной части камеры дополнительного ребра, при помощи которого разделяют полость камеры на две части, причем указанное ребро выполняют с возможностью сообщения частей полости камеры между собой, при этом указанное ребро устанавливают вдоль ее продольной оси, преимущественно параллельно ей, со смещением в сторону горячей боковой стенки тракта от продольной оси на расстояние x=(0,1…0,3)Х, где x - расстояние смещения ребра в сторону горячей боковой стенки, X - ширина канала.

2. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что между указанным ребром и днищами выполняют зазоры, при этом величину каждого упомянутого зазора выбирают в пределах δ=(0,1…0,3)h, где δ - величина зазора между верхним/нижним днищами и ребром, h - высота тракта, образованного верхним и нижним днищами.

3. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что в ребре выполняют сквозные каналы, при помощи которых упомянутые полости камеры сообщают между собой, при этом суммарную площадь каналов выполняют в пределах s=(0,25…0,4)S, где: s - суммарная площадь сквозных каналов, S - площадь продольного сечения тракта в месте установки ребра.

4. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что ребро, разделяющее полость камеры на две части, выполняют профилированным с поперечным сечением в виде чередующихся выступов и впадин.

5. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что входную стенку тракта выполняют подвижной.

6. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что холодную стенку выполняют в виде полого тела со штуцерами подвода и отвода рабочего тела.

7. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что горячую стенку выполняют в виде полого тела со штуцерами подвода и отвода рабочего тела.

8. Способ очистки воздуха по п.1, отличающийся тем, что горячую стенку выполняют в виде пластины с размещенным на ее поверхности электронагревательным элементом.