Способ ионизации воздуха и устройство для его осуществления - RU2576513C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к области ионизации, озонирования и кондиционирования атмосферного воздуха с целью улучшения его потребительских свойств и предназначено для использования в производственных и бытовых помещениях для обработки окружающего воздуха. Изобретение может быть также использовано для аэроионотерапии различных заболеваний и обработки любых газовых сред.

Предшествующий уровень техники

Ионизация газов или жидкостей, как физическое явление, представляет собой образование в среде положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул путем энергетического воздействия на них. Среди различных способов ионизации различают электрический, термический, ударный, фотонный, лазерный, электролитический и другие виды.

Известен способ ионизации, например, жидкости путем ее тонкого диспергирования (распыления), который основан на баллоэлектрическом эффекте (И.Л. Кнунянц. Химическая энциклопедия в 5-ти томах, т.1. M.: Советская энциклопедия, 1988, с.448).

Недостатками способа ионизации за счет баллоэлектрического эффекта являются недостаточно высокая степень ионизации жидкости, низкая интенсивность насыщения воздуха ионами при смешивании ионизированной жидкости с воздухом, невозможность управления процессом и достижения требуемой униполярности.

Из документа SU 115834 известен способ ионизации атмосферного воздуха, согласно которому поступающую из резервуара жидкость распыляют крыльчаткой, в результате чего молекулы жидкости приобретают электрический заряд. Через щели корпуса крыльчатки подсасывается воздух, который смешивается с распыленной жидкостью и подхватывает легкие и средние гидроионы жидкости. Образуемая смесь воздуха и ионизированных частиц жидкости выводится наружу и поступает в помещение. Крупные (тяжелые) гидроионы, которые не подхватываются потоком воздуха, оседают на стенках корпуса крыльчатки и стекают в резервуар с жидкостью и ионизируют ее, увеличивая в ней количество гидроионов, что способствует повышению униполярности и интенсивности насыщения воздуха ионами жидкости.

Недостатками известного способа являются низкая степень диспергирования жидкости, обусловленная механическим способом диспергирования с помощью крыльчатки, и неэффективность пассивной системы смешивания жидкости с воздухом путем подсоса воздуха из атмосферы. Низкая степень диспергирования жидкости приводит к получению грубораспыленной жидкости, включающей наличие большого количества неионизированных средних и крупных частиц, не захватываемых воздухом и не повышающих ионизационный потенциал воздуха. Неэффективность системы смешивания воздуха и жидкости приводит к неравномерному распределению ионов жидкости в воздухе и снижению общей униполярности воздушной среды. Кроме того, при обработке воздуха крупнодисперсными частицами ионизированной жидкости повышается влажность смеси, что в ряде случаев является нежелательным явлением.

Из документа JP2001-1198219 известен способ ионизации воздуха, согласно которому диспергирование жидкости производится с помощью ультразвукового преобразователя, размещенного в дне корпуса устройства. Жидкость и воздух подаются в нижнюю часть устройства. После распыления жидкости ультразвуковым воздействием и ее ионизации она поступает в корпус устройства и пассивно смешивается с воздухом. Образованная смесь поступает в сосуд с двойными стенками, где средние и крупные частицы жидкости оседают на стенках сосуда и удаляются из смеси.

Недостатками такого способа являются сложность конструкции, неэффективность системы смешивания воздуха и ионизированной жидкости, повышенная влажность воздуха, снижение степени ионизации воздуха за счет нейтрализации части зарядов на стенках сосуда. Как и в предыдущем изобретении, смесь воздуха с частицами жидкости получается неоднородной, что снижает общую степень ионизации воздуха.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для обработки влажного воздуха по авторскому свидетельству SU 1483205. При работе этого устройства ионизация достигается за счет обработки влажного воздуха при помощи вихревого энергоразделителя (вихревой трубы) и высоковольтного электроразрядного ионизатора. Высоковольтный электроразрядный ионизатор выполнен в виде кожуха, размещенного вокруг патрубка вывода холодного потока и соединенного с положительным электродом и игольчатым отрицательным электродом, расположенным по оси патрубка холодного потока. В вихревой трубе происходит разделение воздуха на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный воздух с образовавшимся в нем туманом поступает в область униполярного коронного разряда, где частицы тумана и молекулы воздуха приобретают отрицательный заряд и под действием электростатических сил перемещаются к положительному кольцевому электроду, увлекая за собой охлажденный воздух. В зоне коронного разряда из возбужденных молекул кислорода формируются молекулы озона. Ионизированный и озонированный воздух направляется на охлаждение резца в зону металлообработки.

Описанное устройство имеет следующие недостатки:

- отсутствие принудительной системы смешивания воздуха и конденсированных частиц тумана приводит к неоднородности смеси и снижению ионизационного потенциала;

- необходимость использования электрического способа ионизации для повышения степени ионизации воздуха, что приводит к усложнению устройства и увеличению энергетических затрат;

- несовершенство системы электродов для ионизации воздуха. Этот недостаток заключается в том, что коронный разряд при описанном расположении и форме электродов образуется только в узкой области вокруг центрального игольчатого электрода диаметром 3-5 мм, а оставшаяся площадь поперечного сечения канала по периферии конфузора находится вне области воздействия коронного разряда, в результате чего значительный объем воздуха не подвергается ионизационной обработке. Это обстоятельство снижает степень ионизации воздуха.

Отмеченные недостатки в совокупности не обеспечивают высокую степень ионизации воздуха и снижают ее эффективность.

Изобретение направлено на повышение степени ионизации воздуха, обеспечение управления процессом ионизации, повышение интенсивности насыщения воздуха ионами диспергированной жидкости и повышение эффективности процесса ионизации при простоте реализации способа и применяемого устройства.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена в способе ионизации воздуха, включающем разделение воздуха на охлажденный и нагретый потоки в вихревой трубе с обеспечением конденсации влаги, содержащейся в охлажденном потоке воздуха, и вывод за пределы вихревой трубы ионизированных за счет баллоэлектрического эффекта потоков охлажденного и нагретого воздуха. Согласно изобретению охлажденный ионизированный поток разделяют на несколько равномерно распределенных по периметру вихревой трубы отдельных струй и направляют диаметрально противоположные струи навстречу друг другу с обеспечением их ударно-динамического взаимодействия, причем на поток охлажденного ионизированного воздуха на выходе из вихревой трубы предварительно воздействуют магнитным полем с расположением силовых магнитных линий вдоль потока воздуха во встречном или попутном направлениях.

Воздействие на поток охлажденного предварительно ионизированного воздуха на выходе из вихревой трубы магнитного поля с возможностью различного расположения силовых магнитных линий относительно потока воздуха обеспечивает возможность получения как биполярной ионизации, так и сепарации ионов и обеспечение униполярности ионизированного воздуха. Разделение потока охлажденного ионизированного воздуха после его магнитной обработки на несколько равномерно распределенных по периметру вихревой трубы отдельных струй и направление диаметрально противоположных струй навстречу друг другу с обеспечением их ударно-динамического взаимодействия, обеспечивая дополнительное диспергирование капель жидкости и дополнительную ионизацию воздуха.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет значительно повысить степень ионизации воздуха по сравнению с известными способами за счет наличия двух стадий ионизации: диспергирования жидкости в вихревой трубе и дополнительного диспергирования капель жидкости в разделителе при встречном ударно-динамическом взаимодействии струй воздуха. Повышению степени ионизации способствует высокая степень диспергирования жидкости и перемешивания компонентов смеси. Кроме того, повышается интенсивность насыщения воздуха ионами диспергированной жидкости вследствие интенсивного перемешивания компонентов за счет встречного ударно-динамического взаимодействия струй воздуха в смесителе с образованием мелкодисперсной ионизированной смеси с равномерным распределением ионов по объему смеси. При этом повышается степень управляемости процессом ионизации (получения биполярной и униполярной ионизации) за счет возможности изменения направления магнитного поля. Повышение униполярности ионизированного воздуха обеспечивается магнитной обработкой воздуха, в результате которой возможно получение ионизированного воздуха с абсолютным преобладанием ионов одного знака.

Поставленная задача решена также в устройстве для ионизации воздуха, содержащем вихревую трубу, патрубок для тангенциальной подачи воздуха, завихритель, патрубки выхода охлажденного и нагретого потоков воздуха и дроссель, расположенный в патрубке выхода нагретого воздуха. Согласно изобретению вихревая труба на выходе охлажденного воздуха дополнительно снабжена разделителем с равномерно распределенными по его периметру каналами, выходящими в цилиндрический смеситель, выполненный в виде полости на внешней стороне разделителя, при этом выходные отверстия каналов расположены попарно диаметрально противоположно.

Предпочтительно каналы имеют по существу Г-образную форму, при этом отношение суммарной площади каналов разделителя к площади живого сечения патрубка выхода охлажденного потока воздуха составляет 1/2,5÷1/3,0.

Кроме того, патрубок выхода охлажденного воздуха может быть снабжен двумя кольцевыми постоянными магнитами, охватывающими упомянутый патрубок, установленными по торцевым плоскостям завихрителя с возможностью их перестановки для изменения направления магнитного поля относительно потока охлажденного воздуха.

Особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из дальнейшего подробного описания варианта его осуществления со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично изображено устройство для ионизации воздуха согласно настоящему изобретению, вид в продольном разрезе;

на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1.

Вариант осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1 устройство для реализации способа ионизации воздуха в соответствии с настоящим изобретением представляет собой вихревую трубу, состоящую из корпуса 1, завихрителя 2, дросселя 3, патрубка 4 для тангенциальной подачи воздуха в завихритель 2, патрубка 5 выхода охлажденного воздуха и патрубка 6 выхода нагретого воздуха. Внутренняя поверхность корпуса вихревой трубы 1 выполнена из непористого материала, не проводящего электрический ток, например, из фторопласта, полистирола, поливинила, органического стекла и др. с шероховатостью не более Ra 0,8. Из такого же материала выполнены внутренние поверхности других деталей устройства. Все другие поверхности и остальные части устройства могут выполняться из любого материала. Корпус имеет цилиндрическую или коническую форму. Завихритель 2 представляет собой улиткообразный нагнетатель, который закручивает поток воздуха и подает его по винтовой линии в корпус вихревой трубы. Дроссель 3 предназначен, во-первых, для отбора нагретого воздуха и, во-вторых, для регулирования его расхода, а соответственно, и расхода охлажденного воздуха.

Вихревая труба обеспечивает энергетическое разделение воздуха на охлажденный и нагретый потоки. Разделение происходит благодаря эффекту Ранка-Хилша. Нагретый поток движется по периферии вихревой трубы, а охлажденный поток - по оси трубы в противоположном направлении. В конце трубы имеется отражатель 7, обеспечивающий поворот потока и вывод нагретого воздуха через периферийные отверстия 8 в патрубок 6.

Патрубок 5 выхода охлажденного воздуха снабжен двумя постоянными кольцевыми магнитами 9 и 10, охватывающими упомянутый патрубок. Магниты установлены по торцевым плоскостям завихрителя 2 на внешних его сторонах. Магниты 9 и 10 установлены с возможностью их перестановки, чтобы направление магнитного поля было или встречным, или попутным относительно потока охлажденного воздуха. Коэрцитивная сила магнитного поля и размеры магнитов определяются параметрами потока воздуха (расходом, давлением, скоростью), типоразмером вихревой трубы и подбираются экспериментально.

Устройство на выходе охлажденного воздуха снабжено разделителем 11, разделяющим поток воздуха на отдельные струи. Для этого в разделителе выполнены каналы 12, например, Г-образной формы, равномерно распределенные по периметру разделителя 11. Каналы 12 выходят в цилиндрический смеситель 13, представляющий собой полость на внешней стороне разделителя. Выходные отверстия каналов 12 расположены попарно диаметрально противоположно (фиг.2).

Суммарная площадь каналов 12 и их количество в разделителе рассчитываются, исходя из соотношения: F_к/F_ов=1/2,5÷1/3,0, где F_к - суммарная площадь каналов, F_ов - площадь живого сечения патрубка выхода охлажденного потока воздуха. Для вывода из устройства ионизированного воздуха имеется патрубок 14.

Способ осуществляется следующим образом.

Через патрубок 4 и завихритель 2 в корпус 1 вихревой трубы подают влажный воздух (влажностью более 30%) в зависимости от требуемых выходных параметров влажности и ионизационного потенциала. Поток воздуха в вихревой трубе интенсивно с высокой окружной скоростью закручивается, турбулизируется и разделяется на два потока: нагретый (периферийный) и охлажденный (осевой). Оба потока движутся навстречу друг другу, что увеличивает турбулизацию.

В охлажденном потоке воздуха за счет пониженной температуры происходит конденсация содержащейся в потоке влаги с образованием капель жидкости. Капли жидкости во время вихревого вращательного движения в вихревой трубе дробятся на отдельные частицы, распыляются на мелкодисперсные фракции и в соответствии с баллоэлектрическим эффектом ионизируются в результате отрыва электронов от атомов и молекул жидкости и образования положительных ионов и свободных электронов. Далее мелкодиспергированная ионизированная жидкость смешивается с потоками воздуха (нагретым и охлажденным) и сообщает им ионизационный потенциал. Нагретый ионизированный воздух выводится через патрубок 6, охлажденный ионизированный воздух подается в патрубок 5.

Поток охлажденного воздуха на выходе из вихревой трубы обрабатывают магнитным полем с расположением силовых магнитных линий вдоль потока воздуха во встречном или попутном направлениях. То или иное направление магнитного поля обеспечивается установкой магнитов 9 и 10. Например, на фиг.1 показан один из вариантов установки магнитов с указанием их полюсов. При таком расположении полюсов магнитов магнитное поле будет совпадать по направлению с потоком воздуха. При обратном расположении полюсов магнитное поле будет направлено навстречу потоку воздуха.

При направлении магнитных сил по направлению потока воздуха положительные ионы будут отклоняться к периферии потока за счет действия магнитных сил перед входом в патрубок 5, а затем захватываться потоком воздуха, поступающим из завихрителя 2, и возвращаться в вихревую трубу. Отрицательно же заряженные частицы под действием магнитных сил будут отклоняться к центру потока и беспрепятственно выходить с охлажденным воздухом. В результате этого в потоке охлажденного воздуха будут содержаться только отрицательные ионы.

Описанное перераспределение заряженных частиц обеспечивает униполярность ионизированных потоков воздуха. При обратном расположении полюсов магнитов охлажденный поток воздуха будет иметь только положительные ионы.

После магнитной обработки охлажденный воздух поступает в Г-образные каналы 12 разделителя 11. Так как суммарная площадь каналов 12 в 2,5÷3 раза меньше площади живого сечения патрубка 5 выхода охлажденного воздуха, то скорость воздуха в каналах и на выходе из них увеличивается. Высокоскоростные струи воздуха поступают в смеситель 13, выполненный в виде полости на внешней стороне разделителя.

Так как выходные отверстия каналов 12 в разделителе направлены попарно диаметрально противоположно, то на выходе из них струи воздуха интенсивно контактируют друг с другом во встречном ударно-динамическом взаимодействии.

При взаимодействии струй воздуха оставшиеся капли жидкости дополнительно диспергируются за счет кинетического ударно-динамического взаимодействия струй воздуха. Одновременно с этим возрастает количество ионов (за счет вторичной ударной ионизации) и их плотность в потоке воздуха, в результате чего степень ионизации воздуха увеличивается. Кроме того, воздух и заряженные частицы при этом активно смешиваются с достижением высокой равномерности распределения ионизированных частиц в среде воздуха.

Высокая степень диспергирования капель жидкости и ионизации воздуха обеспечивается за счет указанного выше оптимального соотношения суммарной площади каналов в разделителе и площади живого сечения патрубка охлажденного воздуха. Приведенное соотношение позволяет обеспечить высокую скорость струй воздуха без существенного повышения сопротивления каналов и общего давления в устройстве. Так, при соотношении меньше 2,5 скорость струй воздуха снижается, процесс диспергирования капель жидкости становится неэффективным из-за снижения кинетической энергии струй воздуха, а при соотношении больше 3,0 возрастает сопротивление каналов и давление в устройстве, повышая энергозатраты на ионизацию воздуха.

Изобретение по сравнению с известными решениями позволяет получить следующие преимущества:

- повысить степень ионизации воздуха благодаря наличию двух стадий ионизации: за счет диспергирования жидкости в вихревой трубе и за счет дополнительного диспергирования капель жидкости в разделителе при встречном ударно-динамическом взаимодействии струй воздуха. Кроме того, повышению ионизации способствуют высокая степень диспергирования жидкости и перемешивания компонентов смеси;

- повысить интенсивность насыщения воздуха ионами диспергированной жидкости за счет интенсивного перемешивания компонентов вследствие встречного ударно-динамического взаимодействия струй воздуха в смесителе с образованием мелкодисперсной ионизированной смеси с равномерным распределением ионов по объему смеси;

- обеспечить управляемость процессом ионизации (получения биполярной и униполярной ионизации) путем задания направления магнитного поля;

- повысить униполярность ионизированного воздуха за счет магнитной обработки воздуха, в результате которой возможно получение ионизированного воздуха с абсолютным преобладанием ионов одного знака;

- повысить эффективность процесса ионизации, что обеспечивается интенсификацией всех технологических операций ионизации - диспергирования жидкости, ионизации жидкости, смешивания воздуха и жидкости. В результате существенно возрастает производительность процесса ионизации воздуха.

Реферат

Группа изобретений относится к области ионизации воздуха. Способ ионизации воздуха включает разделение воздуха на охлажденный и нагретый потоки в вихревой трубе с обеспечением конденсации влаги, содержащейся в охлажденном потоке воздуха, и вывод за пределы вихревой трубы ионизированных за счет баллоэлектрического эффекта потоков воздуха. При этом на охлажденный ионизированный поток на выходе из вихревой трубы воздействуют магнитным полем, а затем разделяют на несколько отдельных струй и направляют диаметрально противоположные струи навстречу друг другу с обеспечением их ударно-динамического взаимодействия. Устройство для реализации указанного способа содержит вихревую трубу (1), патрубок для тангенциальной подачи воздуха (4), завихритель (2), патрубки вывода охлажденного (5) и нагретого (6) потоков воздуха и дроссель (3), расположенный в патрубке (6) выхода нагретого воздуха. При этом вихревая труба на выходе охлажденного воздуха снабжена разделителем (11) с равномерно распределенными по его периметру каналами (12), выходящими в цилиндрический смеситель (13), выполненный в виде полости на внешней стороне разделителя, причем выходные отверстия каналов расположены попарно диаметрально противоположно. Патрубок (5) выхода охлажденного воздуха снабжен двумя кольцевыми постоянными магнитами (9, 10), охватывающими упомянутый патрубок (5) и установленными по торцевым плоскостям завихрителя (2). Группа изобретений позволяет повысить степень ионизации воздуха. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула