PL206535B1

PL206535B1 - Sposób wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, urządzenie do wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu oraz aglomerator aerodynamiczny

Info

Publication number: PL206535B1
Application number: PL378053A
Authority: PL
Inventors: Rodney John Truce; John Walter Wilkins
Original assignee: Indigo Technologies Group Pty
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2010-08-31
Also published as: HK1092097A1; PL378053A1; JP2006524560A; CA2523886A1; EP1633464A1; RU2005136880A; US20060256649A1; WO2004096420A1

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 206535 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 378053 (51) Int.Cl.

(22) Data zgłoszenia: 28.04.2004 B01F 5/06 (2006.01)

F15D 1/10 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

28.04.2004, PCT/AU04/000546 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

11.11.2004, WO04/096420

Sposób wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, urządzenie (54) do wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu oraz aglomerator aerodynamiczny

(30) Pierwszeństwo: 28.04.2003, AU, 2003902014 09.02.2004, AU, 2004900593	(73) Uprawniony z patentu: INDIGO TECHNOLOGIES GROUP PTY LTD, Milton, AU
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 20.02.2006 BUP 04/06	(72) Twórca(y) wynalazku: RODNEY JOHN TRUCE, Sherwood, AU JOHN WALTER WILKINS, Camp Hill, AU
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2010 WUP 08/10	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Królikowska

PL 206 535 B1

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, urządzenia do wzmacniania mieszania płynów oraz aglomeratora aerodynamicznego do wzmacniania mieszania substancji w strumieniu gazu.

Niniejsze zgłoszenie zastrzega pierwszeństwo z australijskich zgłoszeń patentowych nr 2003902014 oraz 2004900593, których ujawnienia są włączone w niniejszy opis jako odnośniki.

Dziedzina techniki

Wiele procesów przemysłowych powoduje emisję niewielkich, niebezpiecznych cząstek do atmosfery. Cząstki te obejmują często bardzo drobne submikroskopowe cząstki związków toksycznych. Jako że cząstki te zdolne są do wchodzenia do ludzkiego układu oddechowego, stanowią znaczące niebezpieczeństwo dla zdrowia. Rozpoznana kombinacja toksyczności i łatwości wdychania spowodowała że rządy na całym świecie wprowadziły przepisy mające na celu bardziej surowej kontroli emisji cząstek o średnicy mniejszej niż 10 μm (PM10), a w szczególności cząstek o średnicy mniejszej niż 2,5 um (PM2,5).

Mniejsze cząstki w emisjach atmosferycznych są również w przeważającym stopniu odpowiedzialne za niekorzystne efekty wizualne związane z zanieczyszczeniem powietrza. Dla przykładu, w przypadku instalacji do spalania węgla, nieprzezroczystość emisji z komina jest spowodowana przez drobno-cząsteczkową frakcję lotnego popiołu, ze względu na fakt, iż współczynnik wygaszania światła ma wartość szczytową w pobliżu długości fali światła pomiędzy 0,1 i 1 μm.

Istotność kontroli drobnych cząstek powinna być rozumiana w sensie ilości cząstek zanieczyszczenia w emisji, a nie w sensie całości zanieczyszczenia. W popiole lotnym z typowego procesu spalania węgla, cząstki zanieczyszczeń o rozmiarach mniejszych niż 2 um stanowią jedynie 7% całkowitej masy zanieczyszczeń, ale stanową 97% wszystkich cząstek. Sposób usuwania wszystkich cząstek o rozmiarze większym niż 2 um może wydawać się skuteczny, jako że pozwala na usunięcie 93% całkowitej masy zanieczyszczeń, jednakże 97% cząstek pozostanie nieusunięte, w tym najczęściej wdychane cząstki toksyczne.

Do usuwania pyłu i innych cząstek zanieczyszczeń ze strumieni powietrza stosowano różnorodne sposoby. Choć sposoby te są ogólnie odpowiednie do usuwania większych cząstek ze strumieni powietrza, są często znacznie mniej skuteczne do odfiltrowywania niniejszych cząstek, zwłaszcza cząstek PM2,5.

Wiele strategii kontrolowania zanieczyszczeń opiera się na kontakcie pomiędzy pojedynczymi konkretnymi rodzajami elementów w celu wzmacniania reakcji albo oddziaływań korzystnych dla usuwania wspomnianych zanieczyszczeń. Dla przykładu, w celu usuwania rtęci (przez adsorpcję) albo tlenku siarki (IV) (przez chemisorpcję) do strumienia powietrza może być wstrzyknięty sorbent taki jak aktywowany węgiel albo wapń. Dodatkowo, można wymusić by cząstki skupiały się w większe skupiska w wyniku zderzeń/adhezji, usprawniając zdolność zbierania cząstek, albo charakterystyka fizyczna pojedynczych cząstek może być zmieniona w inny sposób do charakterystyki typowej dla aglomeratu, który jest łatwiejszy do zbierania oraz/lub odfiltrowywania.

Jednakże, by zaszły wspomniane oddziaływania musi dojść do kontaktu interesujących nas elementów. Dla wielu zanieczyszczeń przemysłowych obecnych w kanałach dymowych jest to trudne z kilku powodów. Przykładowo ramy czasowe zajścia reakcji/oddziaływania są krótkie (rzędu 0,5 - 1 sekundy), interesujące nas składniki są znacznie rozproszone (względem do całości płynu) w gazach spalinowych, a rozmiar kanałów dymowych jest znaczny w porównaniu do rozmiarów cząstek zanieczyszczeń.

Zwykle, gazy spalinowe z wylotu procesu przemysłowego wprowadzane są do dużego kanału, transportującego je do leżącego poniżej w ciągu instalacji urządzenia zbierającego (np. osadnika elektrostatycznego, worka filtrującego albo kolektora cyklonowego) tak jednorodnie oraz przy zachowaniu minimalnych strat turbulencji/energii, jak to tylko możliwe. Turbulencje powstające w trakcie transportu stanowią zazwyczaj zmiany kierunku przepływu gazów wokół obracających się łopatek, wokół wewnętrznych wsporników/usztywniaczy kanału, przez sita dyfuzyjne itp. Turbulencja taka występuje zawsze w wielkości kanału i jest tak krótka jak to możliwe do uzyskania pożądanej korekty przepływu.

Podobnie, gdy do konkretnych zastosowań, np. do sorpcji konkretnego zanieczyszczenia, wykorzystuje się urządzenia mieszające, są one zwykle urządzeniami wytwarzającymi duże pole turbulencji (np. wielkości szerokości i wysokości kanału), które są ustawione jako zwarta kurtyna(y), przez którą muszą przepływać gazy.

PL 206 535 B1

Znane jest również zastosowanie urządzeń wytwarzających wiry w komorach mieszania w celu wzmacniania mieszania się płynów. Ponownie, znane urządzenia tworzące wiry wytwarzają duże turbulencje o rozmiarach kanału lub komory.

Bez względu na to czy zanieczyszczenia stanowią cząstki (np. popiół lotny), gaz (np. SO2), mgiełkę (np. NOx) czy pierwiastki (np. rtęć), najtrudniejsze do zebrania w kanałach spalinowych są te, których rozmiar jest rzędu mikrometrów (tj. 10^-6 m). Ze względu na swój niewielki rozmiar zajmują niewielką objętość w porównaniu do całego przepływu płynu. Dla przykładu, jeden milion cząstek o rozmiarze 1 μm, zajmować będzie mniej niż 0,00005% objętości 1 cm³ gazu (zakładając, że cząstki są kuliste). Nawet przy rozmiarze 10 um, ten stosunek zwiększa się do 0,05%. Przy założeniu, że zanieczyszczenie takie jak rtęć, może występować w stężeniu rzędu kilku części milion (ppm), oczywiste jest, że w zależności od rozmiaru cząstek, pomiędzy cząstkami transportowanymi w przemysłowym kanale spalinowym istnieją znaczne przestrzenie/odległości. Mieszanie w dużej skali, nawet przy wykorzystaniu urządzeń do tworzenia wirów jest kwestią przypadku i jest w dużym stopniu nieskuteczne.

Ponadto, cechą charakterystyczną niewielkich cząstek występujących w przepływającym płynie jest to, że podążać razem z prądem strumienia jeśli nie zostanie przyłożona wystarczająca siła mająca na celu usunięcie ich z przepływu. Tak więc, jeśli siły lepkościowe dominują w płynie nad siłami bezwładności, cząstki będą podążać ze strumieniem. Znane rodzaje mieszania turbulentnego w skali kanału są kilka rzędów wielkości większe od rozmiarów cząstek. Z punktu widzenia cząstki, nie są one chaotyczne, ale raczej spokojne. Choć występuje wiele zmian kierunku poruszania się cząstki w trakcie przepływanie przez obszar turbulencji w kanale albo przez obszar normalnego mieszania, występują one w stosunkowo dużych przestrzeniach w porównaniu do rozmiaru cząstki. W związku z tym, cząstki w strumieniu podążają mniej więcej tą samą trasą bez oddziaływania z cząstkami je otaczającymi. W skali cząstek, występuje stosunkowo niewielkie mieszanie, co jest przyczyną niewielkiej skuteczności znanych sposobów w uzyskiwaniu aglomeracji.

Układy przeznaczone do zwiększania szybkości zderzeń bardzo małych cząstek zanieczyszczeń, które zajmują niewielką część całkowitej objętości strumienia płynu powinny więc wywoływać turbulencje o niewielkich rozmiarach, tj. o rozmiarach cząstki, by wywołać maksymalnie skuteczny rezultat. Turbulencje o wielkości cząstki będą powodować, że drobne cząstki poruszać się będą po wielu różnych torach, z różnymi prędkościami, co wzmacniać będzie oddziaływania i aglomerację. Niestety, dotychczasowe projekty nie są dostosowane do spełniania tych kryteriów.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie sposobu i urządzenia do mieszania płynów w celu uzyskania aglomeracji cząstek, zapewniających skuteczniejsze mieszanie i oddziaływania pomiędzy drobnymi cząstkami w strumieniach płynów i tymi samymi rodzajami cząstek, albo wprowadzonymi innymi rodzajami większych cząstek, przez co uzyskuje się skuteczniejszą aglomerację cząstek albo ich sorpcję przez większe cząstki.

Istota wynalazku.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, obejmujący etapy, w których:

w strumieniu płynu generuje się turbulencje o dużej skali, strumień płynu dzieli się na szereg podstrumieni, za pomocą układu przestrzennego, w każdym podstrumieniu, tworzy się strefę turbulencji o małej skali, występującą w pobliżu układu przestrzennego, wymusza się przepływ każdego podstrumienia przez jego odpowiednią strefę turbulencji o małej skali i w ten sposób każdy podstrumień poddaje się działaniu turbulencji o małej skali.

W korzystnym wariancie sposobu każdy układ przestrzenny umieszcza się centralnie względem odpowiedniego podstrumienia.

W kolejnym korzystnym wariancie sposobu ciągły obszar turbulencji o małej skali zapewnia się przez rozmieszczenie wielu elementów generujących turbulencje w płaszczyźnie rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

W następnym korzystnym wariancie sposobu strumień płynu stanowi strumień gazów spalinowych z procesu przemysłowego, a substancje obejmują cząstki zanieczyszczeń.

W innym korzystnym wariancie sposobu substancje obejmują cząstki wprowadzone do strumienia płynu aglomerujące z cząstkami zanieczyszczeń.

W dalszym korzystnym wariancie sposobu strumień dzieli się na szereg podstrumieni, kierując ten strumień do wielu kanałów, tak że każdy z podstrumieni przepływa odpowiednim kanałem.

PL 206 535 B1

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, które zawiera:

przewód do wprowadzania strumienia płynu, szereg płaskich elementów znajdujących się w przewodzie, dzielących strumień płynu na podstrumienie, przepływające kanałami pomiędzy płaskimi elementami, elementy generujące turbulencje o dużej skali w strumieniu płynu, w obszarze przed wieloma kanałami, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu, oraz w każdym kanale układ przestrzenny, generujący w jego pobliż u strefę turbulencji o małej skali.

W korzystnym wariancie urządzenia każdy układ przestrzenny umiejscowiony jest centralnie względem odpowiedniego kanału.

W innym korzystnym wariancie urządzenia każdy układ przestrzenny w każdym kanale obejmuje szereg rozdzielonych łopatek, rozmieszczonych kolejno w płaszczyźnie rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

W nastę pnym korzystnym wariancie urządzenia łopatki układu przestrzennego w każdym kanale są umocowane na zasadniczo płaskiej ramie, umieszczonej zasadniczo centralnie względem kanału i rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

W dalszym korzystnym wariancie urządzenia każda łopatka jest elementem podłużnym o ostrych krawę dziach, ustawionych pod skosem wzgl ę dem głównego kierunku przepł ywu strumienia płynu.

W jeszcze innym korzystnym wariancie urządzenia każ da łopatka ma ząbkowane krawędzie.

W kolejnym korzystnym wariancie urządzenie obejmuje szereg równoległych, zasadniczo płaskich elementów rozciągających się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu, rozmieszczonych poprzecznie w przewodzie, przy czym kanały znajdują się pomiędzy sąsiadującymi parami płaskich elementów.

W jeszcze innym korzystnym wariancie urzą dzenia przewód jest przewodem powietrznym, strumień płynu jest gazem spalinowym uwalnianym z procesu przemysłowego, a substancje obejmują cząstki zanieczyszczeń.

W jednym z wariantów wynalazek dotyczy sposobu aerodynamicznej aglomeracji cząstek, w którym do wzmacniania oddziaływań i aglomeracji czą stek, jak również ułatwiania filtracji i usuwania cząstek ze strumieni powietrza stosowane są turbulencje wielkości cząstek.

Przedmiotem wynalazku jest również aglomerator aerodynamiczny, nie zasilany energią, do wzmacniania mieszania i aglomeracji cząstek zanieczyszczeń w strumieniu gazów, który obejmuje:

przewód do wprowadzania strumienia płynu, szereg równoległych, zasadniczo płaskich elementów zamontowanych w przewodzie i dzielących strumień gazu na szereg podstrumieni, przy czym płaskie elementy rozciągają się w głównym kierunku przepływu gazu, i są rozmieszczone poprzecznie w przewodzie, przy czym każda para sąsiadujących płaskich elementów określa kanał leżący pomiędzy nimi, przez który przepływa odpowiedni podstrumień, przewód zawiera elementy zmieniające przepływ do generowania turbulencji o dużej skali w strumieniu gazu przed kanałami, zgodnie z kierunkiem przepływu, i układ przestrzenny w każdym kanale generujący strefę turbulencji o małej skali, przy czym każdy układ przestrzenny umiejscowiony jest centralnie względem odpowiedniego kanału i obejmuje szereg rozdzielonych łopatek o ostrych krawędziach, rozmieszczonych kolejno w płaszczyźnie leżącej w gł ównym kierunku przepł ywu strumienia gazu.

W wariancie wynalazku, w którym przewód jest przewodem powietrznym, strumień pł ynu jest gazem spalinowym wypływającym z procesu przemysłowego, a substancje obejmują cząstki zanieczyszczeń. W tym wariancie, wynalazek obejmuje zastosowanie turbulencji do sterowaniem położenia, prędkości i toru cząstek zanieczyszczeń o rozmiarach mikronowych lub submikronowych niesionych przez strumień gazu spalinowego, w celu zwiększenia prawdopodobieństwa ich wzajemnych zderzeń oraz/lub z innymi cząstkami znajdującymi się w strumieniu gazu, dla uzyskania ich aglomeracji w większe, łatwiejsze do usunięcia cząstki, oraz/lub dla zwiększenia prawdopodobieństwa ich zderzeń z większymi cząstkami wprowadzonymi do strumienia gazu w celu usunięcia cząstek zanieczyszczeń.

Terminy „turbulencja o dużej skali, „turbulencja o dużych rozmiarach oraz „makro-turbulencja oznaczać mają turbulencje o rozmiarach rzędu rozmiarów przewodu, tj. turbulencje których wpływ rozciąga się w całym przewodzie.

PL 206 535 B1

Terminy „turbulencja o małej skali, „turbulencja o niewielkich rozmiarach, „mikro-turbulencja oraz „turbulencja o rozmiarach cząstki oznaczać mają turbulencje o wystarczająco niewielkich rozmiarach pozwalających na wprowadzenie pojedynczych cząstek w turbulencje, w celu zwiększenia aerodynamicznej aglomeracji cząstek. Turbulencja ta jest zwykle ograniczona do obszaru leżącego w bezpoś rednim są siedztwie ł opatek.

W strefie (obszarze) występowania turbulencji o niewielkich rozmiarach, rozciągającym się zwykle wzdłuż centralnej części każdego z kanałów, cząstki są całkowicie wprowadzone i poddawane działaniu przepływu turbulentnego. Przepływ turbulentny wzmacnia zderzenia i oddziaływania pomiędzy niewielkimi cząstkami, co powoduje ich aglomerację.

Występująca powyżej w kanale turbulencja o dużych rozmiarach jest normalnie wywoływana przez geometrię przewodu, np. przez zakręty, rozgałęzienia, przewężenia i rozszerzenia. Jednakże, gdy przed wejściem do kanałów w strumieniu płynów występują niewystarczające turbulencje o dużych rozmiarach, możliwe jest wywołanie w strumieniu płynu dodatkowych turbulencji o dużych rozmiarach poprzez wprowadzenie przeszkód takich jak słupki i deflektory w przewodzie przed kanałami.

Gdy turbulentny strumień płynu dzielony jest na podstrumienie w odpowiednich kanałach, podstrumienie te są również poddawane działaniu turbulencji o dużych rozmiarach. W wyniku tego, cząstki w każdym podstrumieniu przechodzą przez obszar turbulencji o niewielkich rozmiarach w odpowiednim kanale, i poddawane są działaniu mikro turbulencji, tj. turbulencji o wielkości cząstki.

Zastosowanie turbulencji o niewielkich rozmiarach jest nie intuicyjne. Zwykle, pożądane jest aby spadek ciśnienia w strumieniu gazu był jak najmniejszy jak to możliwe. Z tego powodu, znane układy mieszania cząstek wykorzystują zwykle turbulencje o dużych rozmiarach. Jednakże, jak wspomniano powyżej, sposoby te są nieskuteczne. Turbulencje o niewielkich rozmiarach skuteczniej wzmacniają mieszanie się cząstek, ale powodują znaczący spadek ciśnienia. Niniejszy wynalazek wykorzystuje turbulencje o niewielkich rozmiarach, ale jedynie w ograniczonych obszarach w każdym z kanałów, zmniejszając w ten sposób spadek ciśnienia. Turbulencje o dużych rozmiarach w podstrumieniach płynu w każdym kanale zapewniają, że cząstki w każdym podstrumieniu przechodzą przez te obszary i są poddawane mieszaniu na poziomie cząstek.

Turbulencja o niewielkich rozmiarach może występować w postaci wirów wytwarzanych przez łopatki o ostrych krawędziach. Korzystnie, do całkowitego wprowadzenia cząstek i poddania ich działaniu przepływu turbulentnego wiele niewielkich, niezbyt silnych wirów, co wywołuje zderzenia i oddziaływania pomiędzy cząstkami oraz bardziej skuteczną ich aglomerację. Niewielkie cząstki mogą skupiać się razem i tworzyć większe cząstki. Ponadto, niewielkie cząstki mogą skupiać się większymi cząstkami w strumieniu płynu. Aglomerowane cząstki są łatwiejsze do usunięcia ze strumienia gazu przy wykorzystaniu znanych sposobów.

W kolejnym wariancie, co najmniej jeden rodzaj wię kszych czą stek wprowadzany jest do strumienia gazu w celu usunięcia cząstek zanieczyszczeń. Gdy cząstki zanieczyszczeń kontaktują się z wię kszymi czą stkami, przyczepiają się do nich albo reagują z nimi i w ten sposób mogą być usunię te ze strumienia gazu razem z większymi cząstkami. Drobne cząstki zanieczyszczeń wprowadzane są do wirów w obszarze występowania turbulencji o niewielkich rozmiarach, ale większe cząsteczki występujące w każdym podstrumieniu nie są, albo są wprowadzane w mniejszym stopniu. Względny ruch drobnych i dużych cząstek powoduje większą częstotliwość ich zderzeń i skuteczniejsze usuwanie drobnych cząstek (zanieczyszczenia) przez duże cząstki (usuwające).

Korzystnie, liczba Stokesa dla nisko-turbulentnego przepływu tworzonego przez wiry dobrana jest tak by drobne cząstki zanieczyszczeń były wprowadzane do przepływu, podczas gdy duże cząstki usuwające nie. Duże cząstki usuwające powinny mieć liczbę Stokesa większą niż 1, tak by nie były wprowadzane do przepływu. W warunkach praktycznych, wiry tworzone w strumieniach gazu mają rozmiary rzędu 10 mm.

Cząstki zanieczyszczeń mogą mieć postać gazową, ciekłą albo stałą. Większe cząstki mogą mieć postać ciekłą albo stałą, np. Postać kropelek cieczy/

Cząstki usuwające mogą być substancjami chemicznymi, takimi jak wapń, reagującymi chemicznie z cząstkami zanieczyszczeń (takimi jak tlenek siarki (IV)) tworząc trzeci związek (np. gips). Alternatywnie, cząstki usuwające mogą usuwać cząstki zanieczyszczeń poprzez absorpcję albo adsorpcję (cząstki węgla adsorbują zanieczyszczające cząstki rtęci), bądź cząstki usuwające mogą usuwać drobne zanieczyszczenia poprzez aglomerowanie z zanieczyszczeniami poprzez adhezję zderzeniową.

PL 206 535 B1

W celu lepszego wyjaśnienia wynalazku i zastosowania go w praktyce, poniżej zostaną opisane jego warianty, w ramach przykładów w odniesieniu do dołączonych rysunków.

Zwięzły opis rysunków

Fig. 1 jest rzutem płaskim przewodu zawierającego aglomerator według jednego z wariantów wynalazku.

Fig. 2 jest rzutem płaskim aglomeratora z fig. 1.

Fig. 3 jest schematycznym przekrojem części zespołu łopatek aglomeratora z fig. 1.

Fig. 4 jest rzutem perspektywicznym łopatki z zespołu łopatek z fig. 3.

Fig. 5 jest schematycznym przekrojem części aglomeratora z fig. 1, przedstawiającym turbulencję o dużych rozmiarach.

Fig. 6 jest schematycznym przekrojem części zespołu łopatek z fig. 3, przedstawiającym obszary turbulencji o niewielkich rozmiarach.

Fig. 7(a) do (e) są perspektywicznymi rzutami alternatywnych typów łopatek.

Opis korzystnych wariantów wynalazku

Fig. 1 do 6 pokazują aglomerator aerodynamiczny według jednego z wariantów wynalazku.

Aglomerator 10 umieszczony jest w przewodzie 11 do którego zwykle wprowadzany jest gaz spalinowy z procesu przemysłowego, jak pokazano na fig. 1.

Aglomerator 10 zawiera wiele zasadniczo płaskich elementów takich jak metalowe płytki 12, rozciągających się wzdłuż przewodu 11 (tj. w kierunku przepływu gazu), które są oddalone poprzecznie w poprzek całej szerokości przewodu. Pomiędzy płytkami 12 utworzone są kanały, a strumień gazu dzielony jest na podstrumienie przepływające przez odpowiednie kanały. Choć płytki 12 są zamontowane pionowo jak pokazano na fig. 2, mogą być również zamontowane poziomo o ile jest to pożądane.

Zespoły łopatek 13 zamontowane są pomiędzy płytkami 12. Każdy zespół łopatek 13 umocowany jest centralnie w odpowiednim kanale pomiędzy sąsiadującymi płytkami 12, i rozciąga się równolegle do płytek 12 jak pokazano na fig. 5.

Konstrukcja każdego z zespołów łopatek 13 pokazana jest bardziej szczegółowo na fig. 3 i 4. Każdy zespół łopatek 13 zawiera zasadniczo płaską, prostokątną ramę 14, która może być przywieszona do sklepienia przewodu i wisieć centralnie w kanale pomiędzy parą sąsiadujących płytek 12. Każda rama 14 posiada wiele oddzielonych pionowych łopatek 15 zamocowanych zasadniczo w płaszczyźnie ramy. Każda łopatka jest zwykle wstęgą metalu o przekroju w kształcie litery „Z, zakrzywioną w kierunku przepływu gazu przez kanał. Pionowe krawędzie 17 każdej łopatki 15 są korzystnie wycięte w półkola tworzące zęby 16 o głębokości T_d, oraz odstępach T_p.

Długość łopatki V₁ jest rozmiarem głównego korpusu łopatki 15 w kierunku przepływu gazu, jak pokazano na fig. 3. Odstępy pomiędzy łopatkami V_s są odległościami pomiędzy kolejnymi łopatkami, nie wliczając w to zębów. Szerokość łopatki V_w jest rozmiarem głównego korpusu łopatki 15 w poprzek kierunku przepływu gazu. Szerokość kanału P_w jest wewnętrzną odległością albo odstępem pomiędzy sąsiadującymi płytkami 12.

W celu podzielenia całej szerokości przewodu 11 na kanały zapewniona jest wystarczająca liczba płytek 12, a w celu umieszczenia w każdym kanale zespołu łopatek 13, centralnie pomiędzy sąsiadującymi płytkami, zapewniona jest wystarczająca liczba zespołów łopatek 13. Zwykle, szerokość kanału wynosi około 275 mm, lecz szerokości kanałów mogą wynosić od 100 mm do 750 mm, tak że stosunek szerokości kanału Pw do szerokości łopatki Vw utrzymywany jest pomiędzy minimalną wartością 2,5 a maksymalną 25.

Łopatki 15 w każdej ramie 14 są oddzielone wzdłużnie, tak, że kolejne łopatki znajdują się w strumieniu podążającym albo w cieniu łopatek poprzedzających. Odstępy Vs pomiędzy kolejnymi łopatkami są mniej więcej równe rozmiarom strumienia podążającego wytworzonego przez pierwszą łopatkę. W ten sposób mikroturbulencje tworzone przez kolejne łopatki nakładają się albo co najmniej występuje obszar ciągłych mikroturbulencji.

Strumień podążający tworzony przez łopatkę 15 jest proporcjonalny do szerokości V_w łopatki w kierunku poprzecznym do przepływu gazu oraz długości V1 łopatki w kierunku równoległym do przepływu gazu. W przedstawianym wariancie, Vs jest mniej więcej równe V1. Odstępy pomiędzy łopatkami Vs mogą leżeć w zakresie od 0,5 Vw do 8 Vw. Podobnie, długość łopatki V1 może dogodnie leżeć w zakresie od 0,5 Vw do 8 Vw.

Gdy na łopatkach wykorzystywane są zęby, głębokość zębów wynosi zwykle od 0,25 Vw do 2 Vw, a odstępy pomiędzy zębami wynoszą zwykle od 0,5 Vw do 2 Vw.

PL 206 535 B1

Warto zauważyć, że aglomerator 10 jest typu biernego, tzn. elementy aglomeratora nie są ładowane ani zasilane elektrycznie w znaczącym stopniu.

W trakcie wykorzystywania, przewód 11 będzie poddawany działaniu turbulencji o dużych rozmiarach albo makroturbulencji. Zwykle, obecność występów, przewężeń, zakrętów, rozgałęzień, łopatek, kotew czy innych trwałych układów przestrzennych stosowanych zwykle w przemysłowych przewodach spalinowych będzie wystarczająca do wywołania turbulencji o dużych rozmiarach w strumieniu powietrza. Dla przykładu, łopatki odchylające 18 stosowane do kierowania przepływu gazu wywołują rozdzielanie i turbulencje długodystansowe w strumieniu gazu. Jednakże, gdy w strumieniu doprowadzanym do aglomeratora 10, występują niewystarczające makroturbulencje, w celu zapewnienia wystarczająco dużej makroturbulencji, do przewodu 11 dodane być mogą przerywacze przepływu. Dla przykładu, gdy występuje znacząca długość przewodu (np. równa czterem średnicom przewodu) bezpośrednio przed aglomeratorem 10 pozbawiona układów przestrzennych wywołujących turbulencje, do tego przewodu powinny być wprowadzone przerywacze przepływu.

Odpowiedni przerywacz przepływu stanowi zespół rur 9 o średnicach 100 mm (albo alternatywnie o odcinkach kątowych 100 mm x 100 mm) zamontowany w przewodzie 11, tak że rozciągają się przez strumień gazu w cel wywołania turbulencji o dużych rozmiarach. Takie rury 9 powinny być montowane w odstępach nie większych niż 1 metr w poprzek przewodu. Dla osób biegłych w dziedzinie oczywiste będzie, że jeśli bezpośrednio przed aglomeratorem 10 nie występują wystarczające turbulencje o dużych rozmiarach, w celu wywołania makroturbulencji w strumieniu gazu przed aglomeratorem 10 zastosowane mogą być różnorodne stałe układy przestrzenne.

Gdy strumień gazu przechodzi przez aglomerator 10, dzielony jest na podstrumienie przepływające przez odpowiednie kanały pomiędzy sąsiadującymi płytkami 12. Makroturbulencje w strumieniu gazu kontynuowane są w podstrumieniach, powodując że cząstki w każdym podstrumieniu przechodzą przez zespoły łopatek 13 w odpowiednich kanałach, co przedstawione jest przez linie przepływu na fig. 6. Długodystansowe turbulencje o dużych rozmiarach w podstrumieniach zapewniają, że zasadniczo cały podstrumień w kanale przechodzi przez zespół łopatek umieszczony centralnie w kanale.

Gdy podstrumień przechodzi przez zespół łopatek 13, poddawany jest działaniu turbulencji o małych rozmiarach albo mikroturbulencji, jak przedstawiono na zacieniowanych częściach 19 na fig. 6. Zakrzywione łopatki 15 wytwarzają turbulencje wielkości cząstek, wzmacniając oddziaływania i zderzenia pomiędzy cząstkami w podstrumieniach w każdym z kanałów, zwiększając aglomerację tych cząstek. Z powodu turbulencji o rozmiarach cząstek, wytwarzanych w sąsiedztwie łopatek 11, cząstki w podstrumieni wprowadzane są do turbulencji, co prowadzi do znacząco zwiększonego prawdopodobieństwa zderzeń i przyczepiania się. Proces przyczepiania się może stanowić oddziaływanie powierzchniowe (takie jak adsorpcja, chemisorpcja czy absorpcja), oddziaływanie cząsteczkowe (będące skutkiem sił van der Waalsa) albo proces zwilżania (będący skutkiem zderzeń cząstek mgiełki z innymi kropelkami mgiełki czy cząstkami stałymi).

Turbulencje o niewielkich rozmiarach albo mikroturbulencje mogą mieć postać wielu wirów, zwykle o rozmiarach 10-15 mm. Zakrzywione powierzchnie, ostre krawędzie o nieciągłe lub zygzakowate kształty łopatek 15 działają jako elementy wytwarzające wiry, tworzące wiele wirów wzdłuż podstrumienia. Wiry te mają bardzo małe rozmiary i wyłapują drobne cząstki zanieczyszczeń w strumieniu gazu.

Uważa się, że układ wirów tworzonych przez łopatki 15 obejmuje poprzeczne ruchy wirowe, równoległe do łopatek, których rozmiary są zależne od odstępów między łopatkami, długości łopatek oraz szerokości łopatek, jak również serie układów wirowych obracających się w przeciwnym kierunku, których rozmiary zależne są od zębów 16 łopatek. Uważa się, że szybkość przepływu wokół łopatek 15 jest zdecydowanie niższa niż średnia szybkość przepływu.

Choć obszar występowania mikroturbulencji jest ograniczony do centralnej części każdego kanału, makroturbulencje w każdym podstrumieniu zapewniają, że podstrumień przechodzi przez ten obszar, tak że cząstki w podstrumieniu są poddawane działaniu turbulencji o rozmiarach cząstki. Co więcej, poprzez ograniczenie turbulencji o niewielkich rozmiarach do centralnego obszaru każdego kanału, całkowity spadek ciśnienia w aglomeratorze jest minimalizowany.

Powyżej opisany został tylko jeden z wariantów wynalazku, a modyfikacje oczywiste dla osób biegłych w dziedzinie mogą być do niego wprowadzane bez wychodzenia poza zakres wynalazku określony w dołączonych zastrzeżeniach. Dla przykładu, choć wynalazek opisany został szczególnie

PL 206 535 B1 w odniesieniu do mieszania cząstek w strumieniu gazu, moż na go również zastosować do mieszania strumieni innych płynów, np. cieczy.

Dodatkowo należy wyjaśnić, że w zastrzeżeniach dotyczących urządzenia użyto określenia układ przestrzenny (13), zaś w opisie rysunków użyto ściślejszego określenia zespół łopatek 13. Podobnie w zastrzeżeniach dotyczących urządzenia użyto określenia płaskie elementy (12), zaś w opisie rysunków użyto ściślejszego określenia płytki 12.

Ponadto, kształt i układ łopatek może się zmieniać. Fig. 7(a) do (e) przedstawiają alternatywne postacie łopatek, które mogą być zastosowane w opisanym aglomeratorze.

Choć łopatki 15 są korzystnie wyposażone w zęby 16 do wzmacniania mikroturbulencji i skupiania ich w obszarze leżącym bezpośrednio za łopatkami, nie są istotną ich częścią. Obszar turbulencji o niewielkich rozmiarach może być wytwarzany przez dowolnie ukształtowane łopatki (np. w postaci prętów, słupków, żeberek, itp.) i będzie skoncentrowany pomiędzy kolejnymi łopatkami, o ile łopatki są ustawione jedna za drugą w obszarze strumienia podążającego poprzedzającej łopatki i oddzielone tak że strumień podążający może się w pełni utworzyć pomiędzy kolejnymi łopatkami.

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Sposób wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, znamienny tym, że obejmuje etapy, w których:

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy układ przestrzenny umieszcza się centralnie względem odpowiedniego podstrumienia.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że ciągły obszar turbulencji o małej skali zapewnia się przez rozmieszczenie wielu elementów generujących turbulencje w płaszczyźnie rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień płynu stanowi strumień gazów spalinowych z procesu przemysłowego, a substancje obejmują cząstki zanieczyszczeń.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że substancje obejmują cząstki wprowadzone do strumienia płynu aglomerujące z cząstkami zanieczyszczeń.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień dzieli się na szereg podstrumieni, kierując ten strumień do wielu kanałów, tak że każdy z podstrumieni przepływa odpowiednim kanałem.

7. Urządzenie do wzmacniania mieszania substancji w strumieniu płynu, znamienne tym, że zawiera:

przewód (11) do wprowadzania strumienia płynu, szereg płaskich elementów (12) znajdujących się w przewodzie (11), dzielących strumień płynu na podstrumienie, przepływające kanałami pomiędzy płaskimi elementami (12), elementy (18) generujące turbulencje o dużej skali w strumieniu płynu, w obszarze przed wieloma kanałami, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu, oraz w każdym kanale układ przestrzenny (13), generujący w jego pobliżu strefę turbulencji o małej skali.

8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że każdy układ przestrzenny (13) umiejscowiony jest centralnie względem odpowiedniego kanału.

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że każdy układ przestrzenny (13) w każdym kanale obejmuje szereg rozdzielonych łopatek (15), rozmieszczonych kolejno w płaszczyźnie rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że łopatki (15) układu przestrzennego (13) w każdym kanale są umocowane na zasadniczo płaskiej ramie (14), umieszczonej zasadniczo centralnie względem kanału i rozciągającej się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu.

PL 206 535 B1

11. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że każda łopatka (15) jest elementem podłużnym o ostrych krawędziach (17), ustawionych pod skosem względem głównego kierunku przepływu strumienia płynu.

12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że każda łopatka (15) ma ząbkowane krawędzie (16).

13. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że obejmuje szereg równoległych, zasadniczo płaskich elementów (14) rozciągających się w głównym kierunku przepływu strumienia płynu, rozmieszczonych poprzecznie w przewodzie, przy czym kanały znajdują się pomiędzy sąsiadującymi parami płaskich elementów.

14. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że przewód jest przewodem powietrznym, strumień płynu jest gazem spalinowym uwalnianym z procesu przemysłowego, a substancje obejmują cząstki zanieczyszczeń.

15. Aglomerator aerodynamiczny (10), nie zasilany energią, do wzmacniania mieszania i aglomeracji cząstek zanieczyszczeń w strumieniu gazów, znamienny tym, że obejmuje:

przewód (11) do wprowadzania strumienia płynu, szereg równoległych, zasadniczo płaskich elementów (14) zamontowanych w przewodzie i dzielących strumień gazu na szereg podstrumieni, przy czym płaskie elementy (14) rozciągają się w głównym kierunku przepływu gazu, i są rozmieszczone poprzecznie w przewodzie (11), przy czym każda para sąsiadujących płaskich elementów (14) określa kanał leżący pomiędzy nimi, przez który przepływa odpowiedni podstrumień, przewód (11) zawiera elementy zmieniające przepływ (18) do generowania turbulencji o dużej skali w strumieniu gazu przed kanałami, zgodnie z kierunkiem przepływu, i układ przestrzenny (13) w każdym kanale generujący strefę turbulencji o małej skali, przy czym każdy układ przestrzenny (13) umiejscowiony jest centralnie względem odpowiedniego kanału i obejmuje szereg rozdzielonych łopatek (15) o ostrych krawędziach, rozmieszczonych kolejno w płaszczyźnie leżącej w głównym kierunku przepływu strumienia gazu.