RU2807290C1 - Device for collecting highly dispersed particles from gas stream - Google Patents
Device for collecting highly dispersed particles from gas stream Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807290C1 RU2807290C1 RU2023110886A RU2023110886A RU2807290C1 RU 2807290 C1 RU2807290 C1 RU 2807290C1 RU 2023110886 A RU2023110886 A RU 2023110886A RU 2023110886 A RU2023110886 A RU 2023110886A RU 2807290 C1 RU2807290 C1 RU 2807290C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dust
- gas flow
- separation chamber
- particles
- gas
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 77
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims abstract description 58
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 73
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 abstract description 16
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 235000013379 molasses Nutrition 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике очистки газов от инородных включений твердых и жидких частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями, а именно к аппаратам ультразвуковой коагуляции высокодисперсных (размером менее 2,5 мкм) частиц.The invention relates to a technique for purifying gases from foreign inclusions of solid and liquid particles by exposing them to ultrasonic vibrations, namely to devices for ultrasonic coagulation of highly dispersed (size less than 2.5 microns) particles.
На создание аппаратов для эффективного улавливания частиц из газового потока, особенно частиц размером менее 2,5 мкм, направлены значительные усилия разработчиков газоочистительного оборудования. Это обусловлено огромной опасностью таких частиц, способных длительное время удерживаться в воздухе и легко проникать в альвеолы легких человека, вызывая необратимые изменения организма. Это становится возможным благодаря их высокой суммарной поверхности (более 55% от суммарной поверхности частиц, выбрасываемых в атмосферу) и огромной счетной концентрации (более 95% от суммарной счетной концентрация даже при доле, менее 1% от суммарной доли частиц, содержащихся в атмосфере).Considerable efforts by developers of gas cleaning equipment have been directed toward creating devices for effectively capturing particles from a gas flow, especially particles smaller than 2.5 microns in size. This is due to the enormous danger of such particles, which can remain in the air for a long time and easily penetrate the alveoli of a person’s lungs, causing irreversible changes in the body. This becomes possible due to their high total surface (more than 55% of the total surface of particles emitted into the atmosphere) and huge countable concentration (more than 95% of the total countable concentration even with a fraction of less than 1% of the total fraction of particles contained in the atmosphere).
Аппараты улавливания дисперсных частиц из газового потока могут быть основаны на различных физических явлениях и принципах воздействия на загрязняющие газ частицы. Большинство из них основаны реализуют процессы инерции и центробежные явления [1]. Однако, основная часть известных аппаратов не обеспечивает улавливания высокодисперсных (размером менее 2,5 мкм) частиц. Обусловлено это отсутствием эффективных физических механизмов воздействия на такие частицы. Поэтому эффективность известных аппаратов при улавливании высоко дисперсных частиц не превышает 15…20%.Devices for collecting dispersed particles from a gas stream can be based on various physical phenomena and principles of influencing gas-polluting particles. Most of them are based on processes of inertia and centrifugal phenomena [1]. However, the majority of known devices do not provide for the capture of highly dispersed (size less than 2.5 microns) particles. This is due to the lack of effective physical mechanisms for influencing such particles. Therefore, the efficiency of known devices in capturing highly dispersed particles does not exceed 15...20%.
Для решения проблемы улавливания высокодисперсных частиц создаются аппараты [2-4], действие которых основано на реализации механизмов объединения - коагуляции, возникающих при воздействии на частицы ультразвуковыми (УЗ) колебаниями с высоким уровнем давления в создаваемой волне. Отличительной особенностью устройств улавливания частиц из газового потока, реализующих ультразвуковую коагуляцию, является возможность объединять высокодисперсные частицы (менее 2, 5 мкм) для их дальнейшего удаления из газов обычными аппаратами. Возможность реализации такой коагуляции обусловлена тем, что вовлеченность частиц в колебательное движение, вызванное воздействием УЗ колебаний, зависит от массы частиц и при более интенсивном колебательном движении значительно возрастает вероятность столкновения и укрупнения высокодисперсных частиц в агрегаты. Образующиеся при этом агрегаты могут достигать значительных размеров (более 10 мкм) и легко улавливаться в стандартных аппаратах, в основу действия которых положены известные физические процессы: осаждение в гравитационном поле, осаждение под действием сил инерции, осаждение в центробежном поле, фильтрование, осаждение в электрическом поле, поглощение твердых частиц капельками жидкости др.To solve the problem of capturing highly dispersed particles, devices are being created [2-4], the operation of which is based on the implementation of combining mechanisms - coagulation, which arise when particles are exposed to ultrasonic (US) vibrations with a high level of pressure in the generated wave. A distinctive feature of devices for collecting particles from a gas flow that implement ultrasonic coagulation is the ability to combine highly dispersed particles (less than 2.5 microns) for their further removal from gases using conventional devices. The possibility of implementing such coagulation is due to the fact that the involvement of particles in the oscillatory motion caused by the influence of ultrasonic vibrations depends on the mass of the particles and with more intense oscillatory motion the probability of collision and enlargement of highly dispersed particles into aggregates increases significantly. The aggregates formed in this case can reach significant sizes (more than 10 microns) and are easily captured in standard devices, the operation of which is based on well-known physical processes: sedimentation in a gravitational field, sedimentation under the influence of inertial forces, sedimentation in a centrifugal field, filtration, sedimentation in an electric field. field, absorption of solid particles by liquid droplets, etc.
Основным условием для обеспечения эффективной коагуляции высокодисперсных частиц является воздействие УЗ колебаниями с уровнем звукового давления не менее 130…135 дБ и осуществление такого воздействия на запыленный газовый поток определенное время, необходимое и достаточное для объединения высокодисперсных частиц до размеров, достаточных для их удаления или последующего улавливания. Известно, что при уровне ультразвукового давления 145 дБ, воздействие ультразвуковыми колебаниями в течение 2,8…3,6 с обеспечивает коагуляции 65% частиц размером в 5 мкм, а при повышении времени действия от 14 до 21 секунд она возрастает до 70…95%. Аналогичный результат (до 95%) достигается за несколько секунд при увеличении уровня звукового давления воздействующих УЗ колебаний до 160 дБ.The main condition for ensuring effective coagulation of highly dispersed particles is the impact of ultrasonic vibrations with a sound pressure level of at least 130...135 dB and the implementation of such an influence on the dusty gas flow for a certain time, necessary and sufficient to combine highly dispersed particles to a size sufficient for their removal or subsequent capture . It is known that at an ultrasonic pressure level of 145 dB, exposure to ultrasonic vibrations for 2.8...3.6 s ensures coagulation of 65% of
Таким образом, основными требованиями к аппаратам улавливания высокодисперсных частиц является необходимость обеспечения максимального по уровню звукового давления воздействия в течение заданного времени.Thus, the main requirements for devices for collecting highly dispersed particles is the need to ensure maximum exposure in terms of sound pressure level for a given time.
Кроме того, дальнейшее повышение эффективности аппаратов улавливания высокодисперсных частиц методом ультразвуковой коагуляции может быть обеспечено за счет создания условий повышения концентрации высокодисперсных частиц в зоне ультразвукового воздействия, поскольку при этом увеличивается число соударений частиц между собой.In addition, a further increase in the efficiency of devices for collecting highly dispersed particles using the ultrasonic coagulation method can be achieved by creating conditions for increasing the concentration of highly dispersed particles in the ultrasonic impact zone, since this increases the number of collisions of particles with each other.
Из изложенного следует, что наиболее эффективным аппаратом улавливания высокодисперсных частиц из газового потока и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является аппарат улавливания частиц из газового потока по патенту [5], принятый за прототип.From the foregoing it follows that the most effective apparatus for collecting highly dispersed particles from a gas flow and the closest in technical essence to the proposed technical solution is the apparatus for collecting particles from a gas flow according to the patent [5], adopted as a prototype.
Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока, содержит тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки.The apparatus for collecting highly dispersed particles from a gas flow contains a tangential swirler of a downward dust and gas flow, a separation chamber, a shaper - a swirler of an ascending dust and gas flow, a separation chamber for an ascending dust and gas flow, an exhaust pipe and a device for creating ultrasonic vibrations to influence dust and gas flows.
Известное устройство при помощи тангенциального закручивателя обеспечивает формирование нисходящего пылегазового потока в камере сепарации цилиндроконической формы. Закручивание потока в известном устройстве обеспечивает увеличение концентрации взаимодействующих высокодисперсных частиц в периферийной зоне камеры сепарации и увеличение времени их движения вдоль камеры сепарации для увеличения длительности ультразвукового воздействия. Формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока обеспечивает закручивание и направление пылегазового потока в камеру сепарации восходящего пылегазового потока, увеличивая за счет закручивания его концентрацию на периферии камеры и увеличение времени воздействия.The known device, using a tangential swirler, ensures the formation of a downward dust and gas flow in a cylindrical-conical separation chamber. The swirling of the flow in the known device ensures an increase in the concentration of interacting highly dispersed particles in the peripheral zone of the separation chamber and an increase in the time of their movement along the separation chamber to increase the duration of ultrasonic exposure. The shaper - swirler of the ascending dust and gas flow ensures swirling and direction of the dust and gas flow into the separation chamber of the ascending dust and gas flow, increasing its concentration at the periphery of the chamber and increasing the exposure time due to swirling.
Выделяющиеся в процессе сепарации нисходящего и восходящего потоков укрупненные частицы попадают в бункер для сбора частиц. В прототипе пылесборный бункер размещен в нижней части камеры сепарации Выходящий из прототипа очищенный пылегазовый поток попадает в выхлопную трубу с патрубком вывода очищенного газа.The enlarged particles released during the separation of the downward and upward flows fall into a particle collection hopper. In the prototype, the dust collection hopper is located in the lower part of the separation chamber. The purified dust and gas flow leaving the prototype enters the exhaust pipe with the purified gas outlet pipe.
В аппарате для улавливания, принятом за прототип, повышение его эффективности обеспечено за счет применения ультразвуковых излучателей, в качестве которых использованы изгибно-колеблющиеся диски, механически и акустически связанные с пьезоэлектрическими преобразователями.In the trapping apparatus, adopted as a prototype, an increase in its efficiency is ensured through the use of ultrasonic emitters, which are flexural-oscillating disks, mechanically and acoustically connected to piezoelectric transducers.
В устройстве, принятом за прототип, ультразвуковые дисковые излучатели обеспечивают воздействие УЗ колебаниями на частицы в нисходящем и восходящем газовых потоках. Такое воздействие приводит к ускоренному объединению высокодисперсных частиц. Объединяясь, агломераты частиц увеличивают свою массу, вследствие чего легче сепарируются под действием центростремительных ускорений, действующих на них в аппарате (выпадают в бункер под действием сил тяжести).In the device adopted as a prototype, ultrasonic disk emitters provide the effect of ultrasonic vibrations on particles in downward and upward gas flows. This effect leads to accelerated integration of highly dispersed particles. By combining, agglomerates of particles increase their mass, as a result of which they are more easily separated under the influence of centripetal accelerations acting on them in the apparatus (they fall into the hopper under the influence of gravity).
Ультразвуковые излучатели в прототипе имеют дисковую форму и расположены таким образом, что бы обеспечить распространение ультразвуковых колебаний с уровнем звукового давления не ниже 135 дБ вдоль камер сепарации.The ultrasonic emitters in the prototype have a disk shape and are located in such a way as to ensure the propagation of ultrasonic vibrations with a sound pressure level of at least 135 dB along the separation chambers.
Основным недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность (не превышает 35…50%) при улавливании высокодисперсных частиц (2, 5 мкм) и менее 20% при улавливании частиц размером менее 1 мкм вследствие недостаточного ультразвукового воздействия на частицы, при скоростях входящих потоков, обеспечивающих приемлемое гидравлическое сопротивление аппарата. Причина в низкой эффективности использования примененных источников ультразвукового излучения, поскольку воздействие на газовый паток в камере сепарации восходящего потока оказывается только частью одного их излучателей, а воздействие как верхнего, так и нижнего излучателей на поток в камере сепарации нисходящего потока, перекрывается камерой сепарации восходящего потока, При этом, воздействие на наиболее эффективную область коагуляции вблизи стенок камеры сепарации нисходящего потока осуществляется только незначительной кольцевой периферической частью излучателя с уменьшающейся амплитудой в этой периферии амплитудой, (т.е. воздействие такими излучателями осуществляется наименее эффективно на ту область, где создаются за счет закручивания наилучшие условия для коагуляции частиц).The main disadvantage of the prototype is the relatively low efficiency (does not exceed 35...50%) when capturing highly dispersed particles (2.5 microns) and less than 20% when capturing particles smaller than 1 micron due to insufficient ultrasonic influence on the particles, at incoming flow rates that provide acceptable hydraulic resistance of the apparatus. The reason is the low efficiency of using the applied sources of ultrasonic radiation, since the impact on the gas molasses in the upward flow separation chamber is only part of one of their emitters, and the impact of both the upper and lower emitters on the flow in the downward flow separation chamber is blocked by the upward flow separation chamber, At the same time, the impact on the most effective coagulation area near the walls of the downward flow separation chamber is carried out only by a small annular peripheral part of the emitter with a decreasing amplitude in this periphery (i.e., the impact of such emitters is carried out least effectively on the area where they are created due to twisting best conditions for particle coagulation).
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести сложность реализации наиболее эффективного режима воздействия - стоячей волны в ограниченных по размерам камерах сепарации с изменяющейся плотностью частиц (скоростью распространения колебаний) по диаметру камер.In addition, the disadvantages of the prototype include the difficulty of implementing the most effective mode of action - a standing wave in limited-size separation chambers with varying particle density (the speed of propagation of vibrations) along the diameter of the chambers.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатка прототипа.The proposed technical solution is aimed at eliminating the disadvantage of the prototype.
В предлагаемом улавливателе решается задача конструктивного совершенствования устройства и повышения его эффективности за счет применения нового источника ультразвукового воздействия, в качестве которого использована камера сепарации восходящего потока, выполняемая в виде изгибно колеблющегося металлического цилиндра специальной формы, механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем.The proposed catcher solves the problem of constructively improving the device and increasing its efficiency through the use of a new source of ultrasonic influence, which is an ascending flow separation chamber made in the form of a flexurally oscillating metal cylinder of a special shape, mechanically and acoustically connected to a piezoelectric transducer.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном аппарате улавливания высокодисперсных частиц из газового потока, содержащем тангенциальный закручиватель нисходящего пылегазового потока, камеру его сепарации, формирователь - закручиватель восходящего пылегазового потока, камеру сепарации восходящего пылегазового потока, выхлопную трубу и устройство создания УЗ колебаний для воздействия на пылегазовые потоки, камеры сепарации нисходящего и восходящего пылегазовых потока выполнены в виде полых цилиндров различных диаметров, размещенных один внутри другого соосно, расстояние между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний, в качестве устройства создания УЗ колебаний используется камера сепарации восходящего пылегазового потока, выполненная в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром и длиной, не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that in the known apparatus for collecting highly dispersed particles from a gas flow, containing a tangential swirler of a descending dust and gas flow, a separation chamber, a shaper - a swirler of an ascending dust and gas flow, a separation chamber of an ascending dust and gas flow, an exhaust pipe and a device for creating ultrasonic vibrations to influence dust and gas flows, the separation chambers for the downward and upward dust and gas flows are made in the form of hollow cylinders of various diameters, placed one inside the other coaxially, the distance between the inner wall of the separation chamber for the downward dust and gas flow and the outer wall of the upward flow separation chamber, as well as the internal diameter of the separation chamber the ascending flow is a multiple of half the wavelength of the ultrasonic vibrations formed in the dust and gas environment; as a device for creating ultrasonic vibrations, a separation chamber for the ascending dust and gas flow is used, made in the form of a metal, bending-oscillating cylinder with a stepwise variable external diameter and length, mechanically and acoustically connected to a piezoelectric transducer, no more than 2/3 of the length of the separation chamber for the downward dust and gas flow.
Использование в качестве устройства создания УЗ колебаний (излучателя) камеры сепарации восходящего пылегазового потока, выполненной в виде механически и акустически связанного с пьезоэлектрическим преобразователем металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром обеспечивает формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний такого цилиндра. Выполнение излучателя со ступенчато переменной толщиной стенки обеспечивает формирование равномерных по амплитуде вдоль поверхности камеры сепарации восходящего потока высокоинтенсивных УЗ колебаний, которые распространяются как с внешней излучающей поверхности в камеру сепарации нисходящего потока, так и с внутренней поверхности внутрь камеры сепарации восходящего потока. Для возбуждения колебаний в излучателе используется пьезоэлектрический преобразователь. Для увеличения амплитуды колебаний пьезопреобразователя предусмотрен концентратор. Конструкция пьезоэлектрического преобразователя состоит из излучающей накладки, пьезоэлектрических колец и отражающей накладки.The use of a separation chamber for an ascending dust and gas flow as a device for creating ultrasonic vibrations (emitter), made in the form of a metal, bending-oscillating cylinder with a stepwise variable outer diameter mechanically and acoustically connected to a piezoelectric transducer, ensures the formation of oscillations at an ultrasonic frequency in modes that are multiples of the main oscillation frequency such a cylinder. The implementation of the emitter with a stepwise variable wall thickness ensures the formation of high-intensity ultrasonic vibrations, uniform in amplitude along the surface of the upward flow separation chamber, which propagate both from the outer radiating surface into the downward flow separation chamber, and from the inner surface into the upward flow separation chamber. A piezoelectric transducer is used to excite oscillations in the emitter. To increase the amplitude of oscillations of the piezoelectric transducer, a concentrator is provided. The design of the piezoelectric transducer consists of a radiating pad, piezoelectric rings and a reflective pad.
Присоединение концентратора к изгибно колеблющемуся цилиндру - излучателю должно осуществляться таким образом, что бы концентратор был смещен на расстояние четверти длины изгибной волны от центра цилиндрического излучателя, т.е. в зоне максимальных колебаний изгибно-диаметральной моды колебаний. Это смещение не повлияет на работу концентратора и преобразователя и по всей цилиндрической поверхности излучателя формируется равномерное распределение амплитуд колебаний.The connection of the concentrator to the flexurally vibrating cylinder - emitter must be carried out in such a way that the concentrator is displaced at a distance of a quarter of the bending wavelength from the center of the cylindrical emitter, i.e. in the zone of maximum vibrations of the flexural-diametric mode of vibrations. This displacement will not affect the operation of the concentrator and converter, and a uniform distribution of vibration amplitudes is formed over the entire cylindrical surface of the emitter.
К размеру устройства создания УЗ колебаний (излучателя) в качестве которого использована камера сепарации восходящего пылегазового потока, предъявляются определенные требования. В первую очередь, для обеспечения необходимого промежутка для введения восходящего потока в камеру сепарации (внутрь излучателя) длина излучателя выбирается не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока. Вследствие того, что камера сепарации восходящего пылегазового потока выполнена в виде изгибно-колеблющегося металлического цилиндра излучатель являются резонансной высокодобротной системой, эта длина излучателя выбирается таким образом, что бы на УЗ частоте вдоль поверхности излучателя и между поверхностью и внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего потока формировалась стоячая волна, которая позволяет существенным образом повысить уровень звукового давления излучаемых в камеру колебаний.There are certain requirements for the size of the device for creating ultrasonic vibrations (emitter), which is used as a separation chamber for the ascending dust and gas flow. First of all, to provide the necessary gap for introducing the upward flow into the separation chamber (inside the emitter), the length of the emitter is selected to be no more than 2/3 of the length of the separation chamber for the downward dust and gas flow. Due to the fact that the separation chamber of the ascending dust and gas flow is made in the form of a bending-oscillating metal cylinder, the emitter is a resonant high-Q system, this length of the emitter is selected in such a way that at ultrasonic frequency along the surface of the emitter and between the surface and the inner wall of the separation chamber of the downward flow a standing a wave that allows you to significantly increase the sound pressure level of vibrations emitted into the chamber.
При работе излучателя, который представляет собой камеру сепарации восходящего газового потока, формирование колебаний происходит на соответствующих ультразвуковому диапазону модах колебаний, кратных основной частоте излучателя, При этом внутри и снаружи этой камеры создается зона УЗ воздействия со сложной неоднородной структурой ультразвукового поля (внутренняя и внешняя поверхности колеблющаяся излучателя формирует ультразвуковое поле). Формирование колебаний на различных модах (различных частотах) УЗ колебаний, кратных основной, позволяет регулировать эффективность УЗ воздействия и управлять распределением уровня звукового давления.When the emitter, which is a separation chamber of an ascending gas flow, operates, the formation of oscillations occurs in oscillation modes corresponding to the ultrasonic range, multiples of the main frequency of the emitter. At the same time, an ultrasonic influence zone with a complex inhomogeneous structure of the ultrasonic field is created inside and outside this chamber (inner and outer surfaces the oscillating emitter forms an ultrasonic field). The formation of oscillations at different modes (different frequencies) of ultrasonic oscillations, multiples of the main one, allows you to regulate the effectiveness of ultrasonic influence and control the distribution of sound pressure level.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1.The essence of the proposed technical solution and the principle of its operation are explained in Fig. 1.
На фиг. 1 схематично представлен продольный разрез предлагаемого аппарата улавливания высокодисперсных частиц.In fig. Figure 1 schematically shows a longitudinal section of the proposed apparatus for collecting highly dispersed particles.
Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока состоит из тангенциального закручивателя 1 нисходящего пылегазового потока 2, поступающего в камеру сепарации 3 нисходящего пылегазового потока. Для формирования восходящего потока 4 в камере сепарации 5 восходящего потока применяется формирователь - закручиватель 6 восходящего пылегазового потока 4. Выделенные из нисходящего потока частицы 9 удаляются в бункер 10. Далее восходящий пылегазовый поток, содержащий объединенные при помощи ультразвуковой коагуляции частицы удаляется через выхлопную трубу 7.The apparatus for collecting highly dispersed particles from the gas flow consists of a
Камера сепарации 5 восходящего пылегазового потока создает ультразвуковые колебания в камерах сепарации, работая в качестве устройства создания УЗ колебаний (излучателя). Поэтому камера сепарации восходящего потока выполнена в виде металлического, изгибно-колеблющегося цилиндра со ступенчато переменным внешним диаметром. Колебания такого цилиндра обеспечиваются за счет его механического и акустического соединения с пьезоэлектрическим преобразователем 8.The
Он, совершая колебания на собственной резонансной частоте, обеспечивает формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний такого цилиндра. Выполнение излучателя со ступенчато переменной толщиной стенки обеспечивает формирование равномерных по амплитуде вдоль поверхности камеры сепарации восходящего потока высокоинтенсивных УЗ колебаний, которые распространяются как с внешней излучающей поверхности в камеру сепарации нисходящего потока, так и с внутренней поверхности внутрь камеры сепарации восходящего потока.It, oscillating at its own resonant frequency, ensures the formation of oscillations at an ultrasonic frequency in modes that are multiples of the main oscillation frequency of such a cylinder. The implementation of the emitter with a stepwise variable wall thickness ensures the formation of high-intensity ultrasonic vibrations, uniform in amplitude along the surface of the upward flow separation chamber, which propagate both from the outer radiating surface into the downward flow separation chamber, and from the inner surface into the upward flow separation chamber.
Создаваемые колебания распространяются радиально относительно оси размещения цилиндрических камер сепарации. При этом распространяющиеся радиально УЗ колебания осуществляют воздействие на нисходящий и восходящий пылегазовые потоки. Выполнение камер сепарации пылегазового потока в виде соосно размещенных полых цилиндров определенных диаметров, позволяет обеспечить резонансное усиление УЗ колебаний за счет того, что расстояние А между внутренней стенкой камеры сепарации нисходящего пылегазового потока и внешней стенкой камеры сепарации восходящего потока, а также внутренний диаметр Б камеры сепарации восходящего потока кратны половине длины волны формируемых в пылегазовой среде УЗ колебаний. Выполнение камеры сепарации восходящего пылегазового потока в виде изгибно-колеблющегося металлического цилиндра, длиной В, не более 2/3 длины камеры сепарации нисходящего пылегазового потока, обеспечивающей формирование колебаний на ультразвуковой частоте на модах, кратных основной частоте колебаний камеры сепарации. Возбуждение колебаний осуществляется механическим и акустическим соединением излучателя с пьезоэлектрическим преобразователем 8.The generated vibrations propagate radially relative to the axis of placement of the cylindrical separation chambers. In this case, ultrasonic vibrations propagating radially influence the downward and upward dust and gas flows. Making dust and gas flow separation chambers in the form of coaxially placed hollow cylinders of certain diameters allows for resonant amplification of ultrasonic vibrations due to the fact that the distance A between the inner wall of the separation chamber of the downward dust and gas flow and the outer wall of the upward flow separation chamber, as well as the internal diameter B of the separation chamber ascending flow are multiples of half the wavelength of ultrasonic oscillations formed in the dust and gas environment. Making the separation chamber of the ascending dust and gas flow in the form of a bending-oscillating metal cylinder, length B, no more than 2/3 of the length of the separation chamber of the descending dust and gas flow, ensuring the formation of oscillations at an ultrasonic frequency in modes that are multiples of the main oscillation frequency of the separation chamber. The excitation of oscillations is carried out by mechanical and acoustic connection of the emitter with the
Аппарат улавливания высокодисперсных частиц из газового потока работает следующим образом.The apparatus for collecting highly dispersed particles from a gas flow operates as follows.
Пылегазовый поток входит через патрубок закручивателя 1 под углом к оси аппарата и, закручиваясь, формирует нисходящий поток 2 в камере сепарации 3 (см. фиг. 1). На него осуществляется воздействие УЗ колебаниями по всему пути его закрученного движения. За счет закрученного движения, увеличивающего концентрацию частиц и время нахождение пылегазового потока в зоне УЗ воздействия осуществляется объединение высокодисперсных частиц в агломераты. Большая часть частиц 9 попадает в бункер 10.The dust and gas flow enters through the
Далее поток при помощи формирователя - закручивателя 6 восходящего пылегазового потока 4, поступающего в камеру сепарации 5 восходящего пылегазового потока. Этот закрученный поток дополнительно концентрирует частично укрупненные в агломераты высокодисперсные частицы за счет УЗ воздействия, создаваемого колебаниями внутренней стенки излучателя - камеры сепарации.Next, the flow with the help of a shaper -
Очищенный от пыли газ выходит через выхлопную трубу 7 из аппарата.The gas, cleared of dust, exits through the
Таким образом, процесс коагуляции осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими поверхностями колеблющейся камеры сепарации восходящего потока, причем колебания, создаваемые внешней поверхностью распространяются в камере сепарации нискодящего потока до внутренней стенки этой камеры. Установление размера А, кратным половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе обеспечивает формирование стоячей волны, т.е. увеличение амплитуды формируемых излучателем колебаний не менее чем в 3 раза, что очень существенно положительно влияет на эффективность коагуляции. При этом обеспечивается равномерность ультразвукового воздействия по всему диаметру камеры сепарации нисходящего потока. Расстояние между поверхностью излучателя и поверхностью внутренней поверхностью камеры сепарации нисходящего потока выбрано из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний до уровня звукового давления не ниже 145 дБ.Thus, the coagulation process is carried out simultaneously by vibrations created by both surfaces of the oscillating upward flow separation chamber, and the vibrations created by the outer surface propagate in the downward flow separation chamber to the inner wall of this chamber. Setting the size A as a multiple of half the wavelength of emitted ultrasonic vibrations in air ensures the formation of a standing wave, i.e. an increase in the amplitude of the oscillations generated by the emitter by at least 3 times, which has a very significant positive effect on the efficiency of coagulation. This ensures the uniformity of ultrasonic exposure over the entire diameter of the downward flow separation chamber. The distance between the surface of the emitter and the surface of the inner surface of the downward flow separation chamber is selected from the condition of ensuring resonant amplification of ultrasonic vibrations to a sound pressure level of at least 145 dB.
Внутренний диаметр излучателя (камеры сепарации восходящего потока) выбран из условия обеспечения резонансного усиления ультразвуковых колебаний до уровня звукового давления не ниже 160 дБ.The internal diameter of the emitter (upstream separation chamber) is selected to ensure resonant amplification of ultrasonic vibrations to a sound pressure level of at least 160 dB.
Для определения эффективности предложенного аппарата для улавливания высокодисперсных и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию излучателя в виде изгибно колеблющейся камеры сепарации восходящего потока позволяет повысить эффективность улавливания высокодисперсных частиц.To determine the effectiveness of the proposed apparatus for capturing highly dispersed particles and to establish the functionality of the created equipment, experimental studies were carried out. Based on experimental studies, it was found that the introduction of a radiator in the form of a flexurally oscillating upward flow separation chamber into the design makes it possible to increase the efficiency of collecting highly dispersed particles.
Так, при обеспечении уровня звукового давления в 145 дБ в камере сепарации нисходящего потока и 160 дБ в камере сепарации восходящего потока обеспечена коагуляция частиц с размерами 2,5 мкм с вероятностью не менее 99%, а частиц с размерами 1 мкм с вероятностью не менее 90%, в аппарате при расходе запыленного газа не менее 500 м3/час.Thus, when ensuring a sound pressure level of 145 dB in the downward flow separation chamber and 160 dB in the upward flow separation chamber, coagulation of particles with dimensions of 2.5 microns is ensured with a probability of at least 99%, and particles with dimensions of 1 micron with a probability of at least 90 %, in the apparatus with a dusty gas flow rate of at least 500 m 3 /hour.
Разработанный аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока прошел лабораторные и технические испытания, и был реализован в действующей установке для практического подтверждения результатов исследований по гранту РНФ №19-19-121. Мелкосерийное производство планируется начать в 2023 году.The developed apparatus for collecting dispersed particles from a gas flow passed laboratory and technical tests, and was implemented in an operating installation for practical confirmation of the research results under the RSF grant No. 19-19-121. Small-scale production is planned to begin in 2023.
Список литературы, используемой при составлении заявки:List of references used in drawing up the application:
1. Циклонный пылеотделяющий аппарат [Текст]: патент US 7422615 В2: МПК B01D 45/12 (2006.01) / Tak-Soo Kim; правообладатель - Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. (US), заявка: 11/1286262 от 13.05.2005. Опубликовано: 09.09.2008.1. Cyclone dust separating apparatus [Text]: patent US 7422615 B2: IPC B01D 45/12 (2006.01) / Tak-Soo Kim; Copyright holder - Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. (US), application: 11/1286262 dated 05/13/2005. Published: 09.09.2008.
2. Многочастотная акустическая камера для агломерации и отделение частиц суспендированных в газовых стоках [Текст]: патент US 5769913: МПК B01D 51/08 / Juan A. Gallego Juarez, Enrique Riera Franco de Sarabia, German Rodriguez Corral; правообладатель Consejo Superior Investigaciones Cientiflcas, заявка 834,619 от 14.04.1997. Опубликовано: 23.06.1998.2. Multi-frequency acoustic chamber for agglomeration and separation of particles suspended in gas effluents [Text]: US patent 5769913: IPC B01D 51/08 / Juan A. Gallego Juarez, Enrique Riera Franco de Sarabia, German Rodriguez Corral; copyright holder Consejo Superior Investigaciones Cientiflcas, application 834,619 dated 04/14/1997. Published: 06/23/1998.
3. Ультразвуковая коагуляционная камера [Текст]: патент ПМ 102197 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Шалунова К.В.; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU), заявка: 2010140035/05 от 29.09.2010. Опубликовано: 20.02.2011.3. Ultrasonic coagulation chamber [Text]: patent PM 102197 RF: IPC B01D 51/08 (2006.1) / Khmelev V.N., Shalunov A.V., Shalunova K.V.; copyright holder - State educational institution of higher professional education "Altai State Technical University named after I.I. Polzunov" (AltSTU) (RU), application: 2010140035/05 dated 09.29.2010. Published: 02/20/2011.
4. Улавливатель дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 133432 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / B01D 45/12 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013123218/05 от 21.05.2013. Опубликовано: 20.10.2013.4. Collector of dispersed particles from a gas flow [Text]: patent PM 133432 of the Russian Federation: IPC B01D 51/08 (2006.1) / B01D 45/12 (2006.1) / Khmelev V.N., Nesterov V.A., Shalunov A.V. ., Galakhov A.N., Golykh R.N.; copyright holder - Limited Liability Company "Center for Ultrasonic Technologies of Altai State Technical University", application: 2013123218/05 dated 05/21/2013. Published: 10/20/2013.
5. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 131307 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013106573/05 от 14.02.2013. Опубликовано: 20.08.2013.5. Apparatus for collecting dispersed particles from a gas flow [Text]: patent PM 131307 RF: IPC B01D 51/08 (2006.1) / Khmelev V.N., Nesterov V.A., Shalunov A.V., Galakhov A.N. , Golykh R.N.; copyright holder - Limited Liability Company "Center for Ultrasonic Technologies of Altai State Technical University", application: 2013106573/05 dated 02/14/2013. Published: 08/20/2013.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807290C1 true RU2807290C1 (en) | 2023-11-13 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1042810A1 (en) * | 1981-08-14 | 1983-09-23 | Предприятие П/Я А-3732 | Centrifugal dust trap |
| US5769913A (en) * | 1993-03-11 | 1998-06-23 | Consejo Superior Investigaciones Cientificas | Multifrequency acoustic chamber for the agglomeration and separation of particles suspended in gaseous effluents |
| US7422615B2 (en) * | 2005-01-14 | 2008-09-09 | Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. | Cyclone dust-separating apparatus |
| RU102197U1 (en) * | 2010-09-29 | 2011-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | ULTRASONIC COAGULATION CAMERA |
| RU131307U1 (en) * | 2013-02-14 | 2013-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | GAS FLOW PARTICLES CAPTURE DEVICE |
| RU133432U1 (en) * | 2013-05-21 | 2013-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | GAS FLOW PARTICIPATOR |
| RU2759506C1 (en) * | 2021-02-12 | 2021-11-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Ultrasonic coagulation method |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1042810A1 (en) * | 1981-08-14 | 1983-09-23 | Предприятие П/Я А-3732 | Centrifugal dust trap |
| US5769913A (en) * | 1993-03-11 | 1998-06-23 | Consejo Superior Investigaciones Cientificas | Multifrequency acoustic chamber for the agglomeration and separation of particles suspended in gaseous effluents |
| US7422615B2 (en) * | 2005-01-14 | 2008-09-09 | Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. | Cyclone dust-separating apparatus |
| RU102197U1 (en) * | 2010-09-29 | 2011-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | ULTRASONIC COAGULATION CAMERA |
| RU131307U1 (en) * | 2013-02-14 | 2013-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | GAS FLOW PARTICLES CAPTURE DEVICE |
| RU133432U1 (en) * | 2013-05-21 | 2013-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | GAS FLOW PARTICIPATOR |
| RU2759506C1 (en) * | 2021-02-12 | 2021-11-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | Ultrasonic coagulation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2067079C1 (en) | Method of flocculation, sedimentation, sintering and coagulation and device for realization of this method | |
| Riera et al. | Airborne ultrasound for the precipitation of smokes and powders and the destruction of foams | |
| JPH09164344A (en) | Cyclone dust collector | |
| US3026966A (en) | Ultrasonic demister | |
| JP2015514516A (en) | Acoustophoretic separation of lipids from erythrocytes. | |
| JPH09505512A (en) | Acoustic barrier separator | |
| US20230330717A1 (en) | Method and device for removing impurities in granules | |
| US3771286A (en) | Method of coagulating aerosols | |
| RU2447926C2 (en) | Method of coagulating foreign particles in gas flows | |
| JPH0647346A (en) | Ultrasonic generating source and floated particle collector using the same | |
| EP0933469A2 (en) | Vibratory cleaner | |
| RU2807290C1 (en) | Device for collecting highly dispersed particles from gas stream | |
| KR100473196B1 (en) | Exhaust emission gas and soots capturing system in using ultrasonic wave | |
| RU102197U1 (en) | ULTRASONIC COAGULATION CAMERA | |
| RU133432U1 (en) | GAS FLOW PARTICIPATOR | |
| RU2725584C1 (en) | Device for ultrasonic coagulation of foreign particles in gas flows | |
| JP6488513B2 (en) | Focused sound field generator | |
| RU131307U1 (en) | GAS FLOW PARTICLES CAPTURE DEVICE | |
| RU2759506C1 (en) | Ultrasonic coagulation method | |
| JP4691718B2 (en) | Separation apparatus and liquid fractionation apparatus using the same | |
| JPH07212894A (en) | Ultrasonic wave source and suspended particle collector using same | |
| JP2004089929A (en) | Dust collecting equipment | |
| RU2270059C1 (en) | Method of inertial dust collection and device for realization of this method | |
| SU1292843A1 (en) | Arrangement for cleaning electrolyte from slurry | |
| RU2383393C1 (en) | Electric filter |