RO137751B1 - Aparat pentru purificarea aerului - Google Patents

Description

RO 137751 Β1

Invenția se referă la un aparat pentru purificarea aerului prin tratament termic.

Purificarea aerului, contaminat cu componente biologice periculoase sau substanțe toxice, prin tratare la temperaturi ridicate, este cunoscută în literatura de specialitate. Toate aceste aparate sunt alcătuite, în principal, dintr-un modul de încălzire a aerului la o temperatură cuprinsă între 200-300°C și un schimbător de căldură în contracurent folosit pentru răcirea aerului tratat și recuperarea căldurii. Căldura recuperată este folosită la preîncălzirea aerului ce urmează să fie tratat. Acest tip de aparate de respirat sunt superioare aparatelor care filtrează agenții patogeni și substanțele toxice folosind trecerea aerului prin materiale filtrante. Pe timpul funcționării, porii materialelor filtrante se colmatează insă cu agenți patogeni și substanțe toxice filtrate, ceea ce conduce, în timp relativ scurt, la pierderea capacităților purificatoare și la necesitatea înlocuirii lor. în urma utilizării lor, se generează consumabile infectate care necesită distrugere controlată.

Aparatele bazate pe purificarea termică a aerului au timpi de utilizare mai lungi care sunt determinați numai de capacitatea surselor de electricitate. Ele nu generează consumabile infectate.

în ciuda avantajelor evidente, și acest tip de aparate mai păstrează incă unele inconveniente. Acestea sunt legate de masa și volumul prea mare ale încălzitorului și schimbătorului de căldură și de consumul ridicat de energie electrică. La aceste inconveniente se adaugă manopera complicată de realizare a aparatului și consumul ridicat de platină sau paladiu folosite în realizarea catalizatorului de termooxidare.

în variantele prezentate în literatură, încălzitorul era construit din mai multe foi de tablă distanțate între ele și suprapuse într-un pachet. Pachetul era străpuns de tuburi metalice în care erau montate rezistențe electrice. Căldura era transferată prin conducție directă de la rezistența electrică la foile de tablă și apoi la aer. Realizarea era dificilă și implica un volum și masă mare a încălzitorului.

Se cunoaște documentul US 8038957 care prezintă o metodă și un dispozitiv pentru purificarea aerului pentru dezactivarea speciilor chimice și biologice toxice. Aparatul cuprinde o cameră de reacție cuplată la un schimbător de căldură în contracurent. Aerul contaminat care intră in dispozitiv este direcționat printr-un schimbător de căldură în contracurent pentru a-l preîncălzi. Aerul este în continuare încălzit la o temperatură de cel puțin 200°C, ceea ce este suficient pentru a dezactiva speciile toxice biologice comune. Dispozitivul include un reactor termocatalitic cuplat la un schimbător de căldură în contracurent.

Se mai cunoaște purificatorul de aer din documentul JP 2004232904, pentru îndepărtarea substanțelor nocive din aerul unei încăperi sau al unei mașini, capabil să îndepărteze continuu substanțele nocive folosind un catalizator activ pentru a purifica aerul la temperatură joasă, ca în cazul tratării gazelor de eșapament pentru automobile. Acest aparat de purificare a aerului are o temperatură de activare într-un mediu izolat termic din exterior prin dispunerea unui filtru poros care include un catalizator și un încălzitor în interiorul recipientului termoizolant

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este purificarea, sterilizarea și dezactivarea substanțelor toxice din aer.

Aparatul pentru purificarea aerului, conform invenției realizează dezactivarea agenților patogeni biologici și oxidarea termocatalitică a substanțelor toxice, fiind format dintr-un reactor termic și două recuperatoare-regeneratoare, este caracterizat prin aceea că, pentru încălzirea rapidă și uniformă a aerului și pentru a asigura o suprafață mare de transfer a căldurii către aerul de tratat, mai conține o lână de oțel cu suprafața asperizată prin ano

RO 137751 Β1 dizare, ce primește căldură, de la o rezistență electrică printr-un mecanism radiativ intensi- 1 ficat de prezența unei oglinzi reflectorizante de aluminiu, reactorul termic îndeplinind și funcția de oxidare termocatalitică prin intermediul catalizatorului depus pe lâna de oțel, 3 pentru recuperarea căldurii aerului tratat la 350-450°C.

Conform unui alt aspect al invenției, recuperatorul-regeneratoreste construit din tablă 5 de aluminiu de 0,3-01 mm corugată, ce asigură o construcție simplă și sigură față de schimbătorul de căldură în contracurent. 7

Conform unui alt aspect al invenției, aparatul pentru purificarea aerului mai conține discuri, nu mai groase de 10 mm, obținute prin roluirea în spirală a unei benzi de aluminiu 9 de 0,1-0,3 mm, corugatela 1 mm distanță între vârfuri, pentru creșterea rezistenței la conducerea căldurii pe direcția de curgere a aerului și creșterea randamentului regeneratorului. 11 în urma utilizării soluției tehnice, conform invenției, rezultă următoarele avantaje:

- înlocuirea schimbătorului de căldură în contacurent cu două recuperatoare de 13 căldură de tip regenerator soluționează problemele din stadiul tehnicii.

- utilizarea lânii de oțel ca suport pentru catalizatorul de termooxidare. 15

- asigurarea unei încălziri uniforme datorită diametrului mic al firelor și rapide datorită intensificării și reflectării radiației în spectrul infraroșu pe suprafețele de aluminiu și pori în 17 care se depune catalizatorul de TiO2.

C onstrucția aparatului de purifiare termică a aerului propus este prezentată în fig. 1 19

Și 2:

- fig. 1, reprezintă o secțiune transversală a aparatului, în zona reactorului termic; 21 - fig. 2, este o secțiune longitudinală a aparatului.

Soluția propusă la construcția reactorului termic 1, prezentată în fig. 1, utilizează o 23 pătură nețesută de fire de oțel inox 3 (lână de oțel) cu diametrul firelor cuprins între 25-100 pm. Firele sunt încălzite de o rezistență electrică 4 bobinată pe o plăcuță ceramică 25 5 așezate între straturile de fire. Ca urmare a fineței firelor, suprafața de schimb caloric dintre fire și aer este foarte mare, încălzirea aerului făcându-se instantaneu și uniform. Se reduce 27 astfel timpul necesar de staționare a aerului în reactorul termic 1 având ca rezultat reducerea volumului și masei reactorului 1. Canalul reactorului 6 este săpat într-un bloc de fibre 29 ceramice 7. Pereții canalului 6 sunt tapetați cu foiță de aluminiu 8. Aluminiul este materialul care are reflexivitatea marximă în infraroșu. Pătura de fire de inox 3 (lână de oțel), este 31 încălzită de rezistența electrică 4 prin radiație în spectrul de infraroșu.

Fenomenul de transfer prin radiație este intensificat prin reflectarea radiației pe 33 suprafețele de aluminiu 8 care tapetează pereții canalului 6 reactorului termic 1. Transferul prin conducție termică intre rezistența electrică 4 și firele de oțel inox 3 este redus ca 35 pondere din cauza suprafeței de contact reduse dintre rezistență și fire ca urmare a diametrului mic al firelor. Această soluție tehnică propusă este singura care poate asigura 37 o încălzire uniformă a păturii de fire de oțel 3.

încălzirea prin efect Joule ar forma puncte supraîncălzite la contactul fir inox - 39 electrod de alimentare care ar putea duce la aprinderea păturii de fire inox 3. Datorită fineții firelor pătura din fire oțel 3 s-ar aprinde în aer la peste 550°C. Din această cauză încălzirea 41 prin efect Joule nu poate fi utilizată în construcția reactorului termic 1.

O altă soluție de încălzire, aceea prin curenți de inducție electromagnetică, nu se 43 poate folosi din cauza diametrului mic al firelor. Dezvoltarea curenților Eddy necesită grosimi semnificative ale materialului pentru a se forma. 45

Soluția găsită și propusă este singura care permite utilizarea firelor de oțel inox 3 (lână oțel) în construcția reactorului termic 1. 47

RO 137751 Β1

Un alt avantaj adus de utilizarea lânii de oțel 3 este posibilitatea utilizării ei ca suport pentru catalizatorul de termooxidare. Pentru a putea fi utilizate ca suport al catalizatorului de termooxidare firele de oțel inox sunt supuse unui proces de anodizare [9], [10] având ca scop producerea unei rugozități a suprafeței, cu formare de nanopori de 50-150 nm. în acești pori se depune catalizatorul de TiO₂ dopat cu diverși oxizi metalici.

în fig. 1 se prezintă o secțiune transversală prin reactorul termic 1. Canalul 6 săpat în corpul din fibre ceramice 7 este umplut cu pătură de fire de oțel inox 3 așezată de o parte și de alta a rezistenței electrice 4 bobinată pe plăcuța ceramică 5. Pereții canalului 6 sunt placați cu folie de aluminiu 8 care asigură reflectarea radiației IR înapoi pe firele de inox 3. Construit în această manieră reactorul termic 1 asigură atât încălzirea aerului cât și termooxidarea catalitică.

O altă noutate propusă în acest nou tip de aparat de purificare a aerului este înlocuirea aschimbătorului de căldură în contracurent cu două recuperatoare - regeneratoare 2.

Construcția unui schimbător de căldură, cu plăci, în contracurent, care să asigure neamestecul aerului ce trece prin cele două trasee, devine dificilă atunci când se lucrează cu temperaturi mai mari de 250-300°C. Nu sunt cunoscuți adezivi sau masticuri care să asigure etanșarea și să rămână elastici în domeniu de temperaturi cuprinse între 350-500°C.

Rezolvarea a venit, așa cum este prezentată în fig. 2. Secțiune longitudinală prin aparatul de purificare termică a aerului, prin înlocuirea schimbătorului în contracurent, cu două recuperatoare-regeneratoare 2. Construcția lor mai simplă elimină necesitatea folosirii adezivilor. în construcția recuperatoarelor-regeneratoare s-a plecat de la particularitatea fluxului de aer ce trebuia purificat. Respirația se realizează în doi timpi: inspirație și expirație. Fiecare durează aproximativ 5 secunde și implică deplasarea unui volum de 0,5 litri de aer. La timpul inspirației, 0,5 litri de aer infectat trece prin regeneratorul 2 nr. 1, se preîncălzește până la o temperatură apropiată celei din canalul 6 reactorului termic 1, intră în acesta și se încălzește până la 350-500°C. Căldura este preluată de la rezistența de încălzire 4 prin intermediul firelor de lână de oțel 3 și a foliei reflectorizante de aluminiu 8. După traversarea reactorului 1 și termooxidarea catalitică a agenților patogeni și substanțelor toxice,aerul traversează regeneratorul 2 nr. 2, montat la celălalt capăt al canalului 6. Aerul cedează căldura elementelor regeneratorului 9 și răcit intră în sistemul respirator.

Pe perioada de 5 secunde corespunzătoare expirației, cei 0,5 litri de aer traversează în sens contrar regeneratorul 2 nr. 2, se preîncălzește și intră în reactorul termic 1. Aici este sterilizat termic și prin regeneratorul 2 nr. 1, după cedarea căldurii este eliberat în atmosferă.

Acest tip de funcționare asigură sterilizarea atât a aerului inspirat cât și a celui expirat. Din această cauză este recomandat în special pentru a fi utilizat în mediul medical unde protejează atât medicul purtător, cât și pacientul.

Regeneratorul 2 este construit dintr-un cilindru de fibre ceramice 10 având longitudinal la interior un canal cilindric 11 în care sunt așezate elementele regeneratorului 9, care constituie masa termică.

La proiectarea regeneratorului 2 s-a pornit de la necesitatea respectării câtorva cerințe:

- să reziste la temperatura de lucru, de până la 350-450°C;

- să aibă o suprafață de transfer suficientă pentru a asigura răcirea aerului de la temperatura de tratare la temperatura mediului ambiant pe o lungime de trecere de numai 5-7cm;

- să aibă o permeabilitate mare la trecerea aerului pe direcția de traversare;

- conductivitatea termică pe direcția de traversare a aerului să fie mică pentru a micșora pierderie de căldură;

RO 137751 Β1

- conductivitatea termică pe direcția perpendiculară pe direcția de traversare a aerului 1 să fie și ea mică din motiv de micșorare a pierderilor de căldură;

- capacitatea termică a elementelor regeneratorului 9 să fie mai mare sau egală cu 3 căldura sensibilă cedată/primită de cei 0,5 litri aer, la trecerea prin regenerator pe durata celor 5 secunde. 5

Pentru a răspunde concomitent tuturor acestor cerințe s-a optat în construcția regeneratorului la o soluție pe care o vom prezenta în continuare. 7

Regeneratorul 2 este format din discuri suprapuse, încărcate în canalul cilindrului 11.

Discurile sunt realizate prin roluirea unei folii de aluminiu de 0,03-0,01 mm, late de 5-10 mm, 9 corugată transversal, cu Imm înălțimea dintre vârfurile corugate. O țesătură rară din fibre de sticlă s-a inclus intre straturile de folie de aluminiu corugată, având rol de distanțator. Se 11 asigură astfel atât păstrarea deschiderii canalelor formate prin corugare, cât și o scădere a conductivității termice pe direcția perpendiculară pe direcția longitudinală de trecere a 13 aerului.

Divizarea masei termice a generatorului 2 în mai multe discuri suprapuse, s-a făcut 15 pentru creșterea rezistenței la trecerea căldurii pe direcția fluxului de aer, având ca efect diminuarea pierderilor de căldură și creșterea randamentului regeneratorului 2. 17 în fig. 2 se vede o secțiune longitudinală a aparatului de purificare a aerului.

Reactorul termic 1 este flancat de o parte și de cealaltă de cele două regeneratoare 2. 19

Fiecare regenerator are la interior câte 5 elemente regeneratoare 9. Reactorul termic 1 și regeneratoarele 2 sunt montate intr-un cilindru de tablă 12 care le protejează mecanic. La 21 partea superioară un capac de tablă 13 este prevăzut cu un ștuț 14 pe care se fixează furtunul flexibil 15 care face legătura cu masca facială. Pe capacul 13 este montat un Jack 23 din care se face legătura către sursa electrică de alimentare. Două conductoare 16 fac legătura electrică intre rezistența 4 și Jack. 25

Pentru o simplificare a realizării aparatului s-a optat pentru utilizarea ca sursă de curent a unei baterii utilizate la reîncărcarea telefoanelor mobile. Această baterie folosește 27 acumulatori Li-lon și este dotată de producător cu un circuit care stabilizează tensiunea furnizată la 5V, pe toată durata de funcționare a aparatului. Capacitatea acestei baterii poate 29 fi aleasă între 10.000-20.000 mA/oră, asigurând o funcționare neîntreruptă de 3-6 ore.

Bibliografie33

[1] Inactivation of Aerosolized Viruses în Continuous Air Flow with Axial Heating,

Sergey A. Grinshpun, Ațin Adhikari, Chunlei Li, Michael Yermacov, Lauri Reponen, Elisabet 35 Johansson, Mikhaylo Trunov

[2] US 6488900 B137

[3] KR 101332199

[4] KR 101783707 B139

[5] EP 2545981 A4

[6] KR 2011010276541

[7] US 2013004376

[8] WO 201111203143

[9] On-step Hydrothermal Preparation of TÎ02/W03 Nanocomposite film on anodized stainless Steel for catalyticdegradation of organic pollutants, W.T. Zhan, H.W. Ni, R.S. Chen, 45 Z.Y. Wang, Y.W. Li, J.H. Li

[10] Production and Properties of the Pollous Layer Obtained by the Electrochemical 47 Method on the Surface of Austenitic Steel, Agnieszka Ossowska, Jacek Ryl, Tomasz Stern icki49

Claims (2)

1. RO 137751 Β1

   1 Revendicări

   3 1. Aparat destinat purificării aerului prin dezactivarea agenților patogeni biologici și oxidarea termocatalitică a substanțelor toxice, format dintr-un reactor termic (1) și două 5 recuperatoare-regeneratoare (2), caracterizat prin aceea că pentru încălzirea rapidă și uniformă a aerului și pentru a asigura o suprafață mare de transfer a căldurii către aerul de 7 tratat, mai conține o lână de oțel (3) cu suprafața asperizată prin anodizare, ce primește căldură, de la o rezistență electrică (4) printr-un mecanism radiativ intensificat de prezența 9 unei oglinzi reflectorizante de aluminiu (8), reactorul termic (1) îndeplinind și funcția de oxidare termocatalitică prin intermediul catalizatorului depus pe lâna de oțel (3) iar pentru

   11 recuperarea căldurii aerului tratat la 350-450°C.
2. 2. Aparat pentru purificarea aerului, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea

   13 că recuperatorul-regenerator (2) este construit din tablă de aluminiu de 0,3-01 mm corugată, ce asigură o construcție simplă și sigură față de schimbătorul de căldură în contracurent.

   15 3. Aparat pentru purificarea aerului, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai conține discuri, nu mai groase de 10 mm, obținute prin roluirea în spirală a unei benzi 17 de aluminiu de 0,1-0,3 mm, corugate la 1mm distanță între vârfuri, pentru creșterea rezistenței la conducerea căldurii pe direcția de curgere a aerului și creșterea randamentului

   19 regeneratorului.