Спосіб і пристрій для змішування газоподібного текучого середовища з великим об’ємним потоком газу, зокрема для введення відновника в димовий газ, який містить оксиди азоту

1. Спосіб змішування щонайменше одного газоподібного потоку текучого середовища з великим об'ємним потоком газу, зокрема для введення відновника в димовий газ, який містить оксиди азоту, при якому великий потік газу набігає щонайменше на один пластиноподібний змішувальний елемент, встановлений під кутом до напрямку течії потоку і на якому утворюються хвостоподібні вихори потоку (вихорові доріжки) з його передньої (навітряної) сторони, при якому потік текучого середовища направляють по суті на центр відбиваючої поверхні, яка належить до задньої (підвітряної) сторони змішувального елемента і паралельна змішувальному елементу, причому газоподібний потік текучого середовища підмішують позаду змішувального елемента, який відрізняється тим, що потік текучого середовища направляють по суті перпендикулярно на центр відбиваючої поверхні із задньої сторони з розподілом газоподібного текучого середовища від центра по всій задній стороні змішувального елемента і його введенням у вихрову систему, що утворюється біля обводової кромки змішувального елемента. 2 (19) 1 3 93539 4 дмішувального пристрою (10) є по суті центральний отвір (9) в змішувальному елементі, з якого потік текучого середовища витікає до задньої сторони (8b), при цьому відбиваючою поверхнею є відбиваюча пластина (11), встановлена із задньої сторони на відстані перед отвором. 7. Пристрій за одним із пп. 4-6, який відрізняється тим, що змішувальний елемент (1) виконаний круглим, еліптичним, овальним, параболічним, ромбічним, багатокутним або трикутним. 8. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що багатокутною формою є восьмикутна форма з си метричною структурою, зокрема правильна восьмикутна форма або форма трапеції. 9. Пристрій за одним із пп. 4-7, який відрізняється тим, що змішувальний диск (1) нахилений до напрямку витікання об'ємного потоку газу на кут α в діапазоні між 30° і 90°. 10. Пристрій за одним із пп. 4-8, який відрізняється тим, що на задній стороні змішувального диска (1; 8) встановлені опори (7; 13) для утримування змішувального елемента (1; 8) в газовому каналі (К), які проходять в радіальному напрямку. Винахід належить до способу змішування щонайменше одного газоподібного потоку текучого середовища з великим об'ємним потоком газу, зокрема для введення відновника в димовий газ, який містить оксиди азоту, при якому великий об'ємний потік газу набігає щонайменше на один пластиноподібний змішувальний елемент, встановлений під кутом до напрямку потоку газу, на якому утворюються вихори потоку, з його передньої (навітряної) сторони, при якому потік текучого середовища направляють по суті на центр відбиваючої поверхні, яка належить до задньої (підвітряної) сторони змішувального елемента і паралельна змішувальному елементу, і при якому газоподібний потік текучого середовища підмішують до газового потоку позаду (нижче за потоком) відносно змішувального елемента. З ЕР 1 604 742 А1 відомий спосіб, пов'язаний з електрофільтрами для видалення золи з великих об'ємних потоків газу, при якому вихори потоку, які утворюються біля встановленого під кутом змішувального елемента, називають вихорами біля передньої кромки. Кромка переважно круглого елемента, направлена проти витікання великого об'ємного потоку газу, називається передньою кромкою, а інша кромка - кромкою відриву. При цьому мова йде не про прямолінійні, а про дугоподібні кромки. Через вертикальну стінку газового каналу, по якому протікає великий об'ємний потік газу, вертикально проходить патрубок для підмішування кондиціонуючого текучого середовища. Патрубок, якщо дивитися в напрямку витікання великого об'ємного потоку газу, входить за передньою кромкою змішувального елемента, не перекриваючи його. Потік кондиціонуючого засобу, який виходить з патрубка, надходить на крайову поверхню розподілу на передній кромці змішувального елемента, яка розташована поруч з виходом з патрубка, під кутом, відповідним куту нахилу елемента відносно напрямку витікання великого об'ємного потоку газу. У колонці 6, рядках 5-6 ЕР 1 604 742 А1 доцільними вважаються також способи, при яких змішувальний пристрій встановлюється безпосередньо на завихрювачі. З ЕР 1 568 410 А1 відомий спосіб такого роду для змішування двох потоків текучого середовища, пов'язаний з установками для очищення димового газу, при якому відновлювальний засіб, який виходить з патрубка, надходить на задню сторону похилого змішувального елемента (підвітряна сторона) поблизу його центральної ділянки під кутом, відповідним куту нахилу елемента відносно напрямку витікання великого об'ємного потоку газу. Згідно з колонкою 2, рядки 17-20 патрубок повинен видаватися всередину зі стінки каналу, по якому проходить великий об'ємний потік газу (димовий газ), тільки на невелику відстань. Через похиле положення патрубка відносно змішувального елемента рівномірного розподілу газоподібного текучого середовища по всій задній (підвітряної) стороні не відбувається, і газоподібне текуче середовище підмішується до потоку димового газу не по всій обводовій кромці змішувального елемента, а по суті лише по її верхній, згідно з фіг. 1 ЕР 1 568 410 А1, ділянці. Таким чином, при такому здійсненні способу на змішувальному елементі не відбувається оптимального розподілу кондиціонуючого засобу, тобто відновника, а тим самим і оптимального підмішування у вихрову систему, яка утворюється біля змішувального елемента. У змішувальному пристрої, описаному в ЕР 1 166 861 В1 спільно з установками Denox і електрофільтрами, змішувальний елемент (встановлювальна поверхня) має камеру, до якої підходить окремий проточний канал для підмішуваного газу або іншої ньютонівської рідини і яка служить як розподільна камера для газового потоку. Зі зворотної (підвітряної) сторони змішувального елемента, протилежної набігаючому великому об'ємному газовому потоку, камера забезпечена вихідними отворами і встановлена на ділянці передньої кромки. До розподільної камери в напрямку кромки відриву приєднуються камери, які, однак, не виконують ніяких розподільних або аеродинамічних функцій, а служать виключно для надання жорсткості змішувальному елементу. Вихідні отвори можуть бути виконані в кришці розподільної камери або в її бічних стінках. Однак, вони можуть бути виконані також в додатковому ковпаку, який надягається на камеру. У той же час можливо також, щоб сама камера не була оснащена кришкою, паралельною змішувальному елементу, а сама мала форму ковпака. Проточний канал для подачі газу може проходити в розподільну камеру крізь змішувальний елемент з його навітряної сторони або підводитися до неї з його підвітряної сторони. При способі, описаному в ЕР 1 166 861 В1, необхідна 5 додаткова камера, а підмішування здійснюється в свою чергу тільки поблизу передньої кромки. Такі способи, які іменуються способами змішування за допомогою статичного змішувача, застосовуються, наприклад, в установках SCR для очищення (вибіркового каталітичного відновлення) димових газів від оксидів азоту, наприклад, в станційних топках з використанням відновника і каталізатора. При цьому прийнято, що у випадку застосування NH3 як відновника він зберігається у вигляді зрідженого під тиском NH3 або у вигляді аміачної води (NH4OH), і попередньо випаруваний NH3 разом з несучим газовим потоком подається в потік димового газу і змішується з ним. У випадку застосування сечовини як відновника спочатку створюється водний розчин сечовини, який потім після відповідної підготовки подається також в газоподібному вигляді в потік димового газу. Крім того, вони застосовуються, наприклад, при заповненні промислових димарів, розпилювальних сушарок (див., наприклад, ЕР 0637 726 В1), теплообмінників, установок для знесірчення димових газів, а також гібридних баштових охолоджувачів. Задачею винаходу є удосконалення способу такого роду в частині підмішування газоподібного потоку текучого середовища у великий об'ємний потік газу. Ця задача вирішується за рахунок того, що потік текучого середовища направляють на центр відбиваючої поверхні на задній стороні по суті перпендикулярно з розділенням газоподібного текучого середовища від центра по всій задній стороні змішувального елемента і його введенням по всій вихровій системі, яка утворюється біля обводової кромки змішувального елемента. Газоподібний потік текучого середовища з подавальної труби у вигляді ударного струменя надходить перпендикулярно на центр відбиваючої поверхні і утворює там точку повного гальмування потоку зі статичним надмірним тиском, виходячи з якої, текуче середовище розповсюджується радіально по суті паралельно відбиваючій поверхні. Таким чином, утворюється вісесиметричний плоский струмінь, який з підвітряної сторони змішувального елемента розповсюджується паралельно поверхні елемента в напрямку країв змішувального елемента і заходить в хвостоподібні вихори потоку, які утворюються за допомогою змішувального елемента, встановленого у великому об'ємному потоці газу під кутом. Тим самим добиваються того, щоб газоподібне текуче середовище розподілялася по всій задній стороні змішувального елемента і надходило в загальну вихрову систему, яка утворюється біля обводової кромки елемента. Центр у випадку круглого елемента знаходиться в центрі круга, або у випадку правильного чотирикутника - в центрі ваги поверхні. У змішувальному елементі з відхиленнями від правильної форми, наприклад, у вигляді різностороннього трикутника, трапеції тощо, необхідне узгодження місця виходу (місця форсунок), і, проте, потрібно добиватися максимально рівномірного розподілу 93539 6 газоподібного текучого середовища на задній стороні пластиноподібного змішувального елемента. Переважно передбачено, що газоподібний потік текучого середовища направлений безпосередньо на задню (підвітряну) сторону змішувального елемента і таким чином як відбиваюча поверхня служить сам змішувальний елемент. З іншого боку, може бути доцільним, що газоподібний потік текучого середовища з передньої (навітряної) сторони змішувального елемента направлений через передбачений в змішувальному елементі отвір на відбиваючу поверхню, встановлену на задній (підвітряній) стороні перед вказаним отвором. З GB 683 667 відомий розпилювач (так званий, Air Blast Atomizer), в якому рідина, включаючи розчини, емульсії і суспензії, повинна розпилюватися за допомогою розпилювального газового потоку. Струмінь розпилюваної рідини попадає на елемент, що не обертається. На елементі утворюється плівка, яка стікає в напрямку окружності елемента і надходить в зону, захищену від розпилювального газового потоку перегородкою, що встановлена вище за потоком відносно елемента і концентрично до нього, діаметр якої повинен бути в 3-7 разів більше діаметра розподільного елемента. За межами цієї зони, тобто біля обводової кромки відриву на перегородці, розпилювана рідина підхоплюється і поглинається розпилювальним газовим потоком. Ніяких ознак утворення особливої вихрової системи біля перегородки або біля елемента не спостерігається. На фіг. показано, що рідина надходить в незбурений ламінарний потік розпилювального газу. Спосіб повинен знайти застосування при розпиленні біоцидних рідин, рідкого палива і пального. З корисного моделі згідно з DE 92 07 635.1 відомий газовий пальник для попереднього змішування, в якому відбиваюча поверхня, встановлена за вихідним отвором трубки для введення газу, забезпечує зміну напрямку і віялоподібне поширення спочатку ще компактного газового потоку. Віялоподібний розповсюджений газовий потік надходить в ламінарний повітряний потік. З DE 198 06 265 С5 відома дозуюча система для очищення відпрацьованого газу дизельного двигуна шляхом внесення розчину сечовини у відпрацьований газ перед каталізатором, в якому випускний отвір для подачі розчину сечовини в ємність для відпрацьованого газу доповнений установленням на деякій відстані від нього відбиваючого пристрою, який забезпечує зміну напрямку витікання введеного через форсунки в ємність для відпрацьованого газу і ще не випаруваного розчину сечовини. Вісь випускного отвору утворює з напрямом витікання основного потоку відпрацьованого газу в його місткість кут близько 45, а відбиваючий пристрій розташовується перпендикулярно цій осі, тобто розчин сечовини надходить на передню (навітряну) сторону відбиваючого пристрою. Із задньої сторони забезпечується краща подача тепла для здійснення необхідного випаровування. Спеціальний змішувальний елемент, який створює додаткові вихори в потоку, не передбачений. 7 З реферату до японського патенту 0804909 А відомий пристрій для видалення НСl з відпрацьованого газу невеликої установки для спалення, в якому декілька струменів промивальної рідини з множини форсунок під різними кутами направляються на щитоподібну поверхню перегородки, встановленої в очищуваному газовому потоці з вертикальною віссю. Рідина, яка стікає по всій окружності круглої перегородки, утворює водяну завісу, крізь яку очищуваний відпрацьований газ знизу надходить в ємність, розташовану над перегородкою, а з неї відтікає вгору. У даній публікації відсутня вказівка, що в пристрої цілеспрямовано створюються спеціальні вихори потоку. Вибір між обома вищезазначеними способами залежить, наприклад, від можливості установлення попереду або після пластиноподібного змішувального елемента. Даний винахід направлений також на пристрій для змішування щонайменше одного газоподібного потоку текучого середовища з великим об'ємним потоком газу, який протікає по газовому каналу, зокрема для введення відновника в димовий газ, який містить оксиди азоту, який містить щонайменше один встановлений в газовому каналі пластиноподібний змішувальний елемент з передньою і задньою сторонами, встановлений під кутом відносно напрямку витікання газового потоку і на якому утворюються хвостоподібні вихори потоку, відбиваючу поверхню, встановлену в центрі задньої сторони змішувального елемента і паралельну змішувальному елементу, і трубчастий підмішувальний пристрій для газоподібного потоку текучого середовища, направлений по суті на центр відбиваючої поверхні, зокрема, для введення відновника в димовий газ, який містить оксиди азоту. В ньому для удосконалення процесу змішування передбачено, що напрям витікання в трубчастому підмішувальному пристрої орієнтований по суті перпендикулярно відбиваючій поверхні. При цьому переважно передбачено, що вихід для текучого середовища з підмішувального пристрою розташований із задньої (підвітряної) сторони змішувального елемента, а сам змішувальний елемент служить як відбиваюча поверхня, або виходом для текучого середовища з підмішувального пристрою є по суті центральний отвір в змішувальному елементі, з якого потік текучого середовища витікає в напрямку задньої сторони, а із задньої сторони на деякій відстані перед отвором встановлена спеціальна відбиваюча поверхня. Переважно, якщо змішувальний елемент виконаний круглим, еліптичним, овальним, параболічним, ромбічним або трикутним, як це відомо з DE 37 23 618 СІ, колонка 2, рядки 40-45. Можлива також багатокутна форма виконання, наприклад, восьмикутна. Особливо переважною є форма восьмикутника, яка має симетричну структуру, ще більш переважно - правильний восьмикутник. Особливо зручним є також багатокутник у вигляді трапеції. Змішувальний елемент переважно нахилений до напрямку руху газового потоку на кут в діапазоні між 30-90. 93539 8 Нижче винахід більш детально пояснюється на прикладах з посиланнями на фігури, де: на Фіг.1 показаний в тривимірному зображенні підковоподібний вихор з вихровою доріжкою, яка утворюється на круглому елементі, який обтікає об'ємний потік газу і який встановлений під кутом а відносно напрямку потоку, на Фіг.2 показаний вигляд збоку в поперечному напрямку відносно лінії А-А на Фіг.1, на Фіг.3 показаний вигляд спереду на підвітряну сторону елемента в напрямку, поперечному відносно лінії В-В на Фіг.1, на Фіг.4 показаний вигляд збоку/частковий переріз першої форми виконання пристрою згідно з винаходом, аналогічний Фіг.2, з восьмикутним змішувальним елементом, біля якого потік текучого середовища направлений на його задню (підвітряну) сторону, на Фіг.5 показаний пристрій згідно з Фіг.4 з опорами змішувального елемента, встановленими зі задньої сторони, в перспективі, на Фіг.6 показаний вигляд збоку/частковий переріз другої форми виконання пристрою згідно з винаходом, аналогічний Фіг.4, в якій потік текучого середовища з передньої (навітряної) сторони подається крізь отвір в змішувальній поверхні, на Фіг.7 показане перспективне зображення пристрою згідно з Фіг.6 з виглядом на передню сторону змішувального елемента і відбиваючу поверхню, встановлену в ньому над отвором. Під формуванням вихрових доріжок мова йде про природний феномен в тривимірних потоках біля тіла [див. Prandtl, Oswatitsch, Wieghardt: «Довідник з аерогідродинаміки», 9-те видання 1990; ISBN 3-528-28209-6, стор. 229, фіг. 4.41 і відповідний опис]. Утворення, форма і положення таких вихрових доріжок в потоці, що відходить від змішувального елемента, схематично показані на Фіг.1-3 і нижче наводиться їх опис. Круглий елемент 1 встановлений під кутом а відносно об'ємного газового потоку 2, що приходить на Фіг.1 знизу. На навітряній стороні 1а елемента об'ємний газовий потік відхиляється від свого основного напрямку потоку і виникає ділянка підвищеного тиску. Частковий потік 2а об'ємного газового потоку 2 проходить із заданим кутом під елементом. На підвітряній стороні 1b елемента утворюється ділянка зниженого тиску, яка заповнюється частковим потоком 2b об'ємного газового потоку через край елемента. За рахунок відхилення потоку на краю круглого елемента утворюється підковоподібний вихор 3 із зображеною штриховими лініями вихровою віссю 3а, який продовжується позаду елемента у вигляді вихрової доріжки з двома вихорами, які симетрично обертаються. Бічні вихори підковоподібного вихору продовжуються у вигляді вихрової доріжки, накладаються на об'ємний газовий потік (основний потік) і розповсюджуються разом з основним потоком. Стан потоку всередині вихрової доріжки є сильно турбулентним. Схематично зображену границю 3b підковоподібного вихору і вихрової доріжки не треба розуміти як різке розмежування. Положення і структуру, а також протилежні напрями обертання 9 обох вихорів можна визначати експериментально за допомогою відповідної вимірювальної техніки. При інших формах елемента, таких як еліптична форма, овальна форма, параболічна форма, ромбоподібна форма або трикутна форма, утворюються аналогічні вихори з вихровими доріжками. Турбулентне перемішування вихрових доріжок і об'ємного газового потоку використовується для рівномірного розподілу по дуже великому поперечному перерізу майже точково розпилюваного газового потоку. У відповідній Фіг.4 і 5 формі виконання пристрою згідно з винаходом підвідна труба 4 прямою ділянкою 4а проходить крізь стінку 5 каналу К, через який пропускають великий об'ємний потік 2 газу і в якому під кутом встановлений правильний восьмикутний змішувальний елемент 1. (Восьмикутна форма є переважною). До ділянки 4а труби примикає розташована під кутом ділянка 4b, направлена перпендикулярно на центр М підвітряної сторони змішувального елемента 1. Газоподібний струмінь текучого середовища 6, який виходить з ділянки 4b труби, ударяється об змішувальний елемент 1 з центром в точці М як точки повного гальмування потоку і розподіляється по задній стороні 1b змішувального елемента 1, як це схематично показано стрілками 6а на Фіг.5. В ділянці обводової кромки відбувається змішування з вихорами 3 потоку. На Фіг.5 зображені три опори, які прикріплені із задньої сторони 1b змішувального елемента 1 і проходять до центра М, кожна пара яких утворює між собою кут 120 і вільні кінці 7а яких з'єднані зі стінками каналу або з несучою конструкцією (не показана). Опори 7 можуть проходити аж до стінок каналу і приварюватися там. Оскільки опори проходять в радіальному напрямку, вони не заважають руху потоку в напрямку стрілки 6, а швидше сприяють радіальній орієнтації потоку. У відповідній Фіг.6 і 7 формі виконання пристрою згідно з винаходом круглий змішувальний елемент 8 забезпечений центральним отвором 9. Підвідна труба 10 прямою ділянкою 10а проходить крізь стінку 5 каналу К, по якому проходить великий об'ємний потік 2 газу. До ділянки 10а труби 10 примикає розташована під кутом ділянка 10b, направлена з навітряної сторони змішувального елемента 8 перпендикулярно на отвір 9 і зварена з елементом. З підвітряної сторони на деякій відстані від отвору 9 над ним встановлена відбиваюча поверхня 11. Потік 12 текучого середовища, який змінив на ній напрям витікання, розподіляється по підвітряній стороні, як це схематично показано стрілками 12а на Фіг.7. На ділянці обводової кромки відбувається змішування з вихорами 3 потоку. 93539 10 Оскільки передбачені тут опори 13 також проходять в радіальному напрямку, вони не заважають руху потоку в напрямку стрілок 12. Труби 4 і 10 в каналі К необов'язково повинні бути зігненими, важливо лише, щоб газоподібне текуче середовище подавалася на змішувальний елемент перпендикулярно, тобто, щоб було можливим проходження труб 4, 10 крізь стінку 5 каналу К під кутом. Можливо також, щоб інша ділянка труби проходила паралельно стінкам каналу. Використані можуть бути також інші радіальні конфігурації опор в кількості більше або менше трьох. Само собою зрозуміло, що при великих діаметрах каналу по їх поперечному перерізу можуть розподілятися декілька змішувальних елементів з відповідною системою подачі текучого середовища, передбачених на одному або декількох ступінчасто розташованих рівнях. Перелік позицій 1 круглий змішувальний елемент 1а навітряна сторона елемента 1b підвітряна сторона елемента 2 об'ємний потік газу 2а об'ємний потік газу, частина потоку з навітряної сторони 1а елемента 2b об'ємний потік газу, частина потоку з підвітряної сторони 1b елемента 3 підковоподібний вихор і вихрові доріжки 3а вісь вихору 3b зовнішня границя вихору 4 подавальна труба 4а пряма ділянка труби 4b розташована під кутом ділянка труби 5 стінка димового каналу К 6 струмінь текучого середовища 6а стрілки напрямку потоку текучого середовища 7 опори 7а вільні кінці опор 8 восьмикутний змішувальний елемент 8а навітряна сторона 8b підвітряна сторона 9 центральний отвір 10 подавальна труба 10а пряма ділянка труби 10b розташована під кутом ділянка труби 11 відбиваюча поверхня 12 потік текучого середовища 12а стрілки напрямку потоку текучого середовища 13 опори К канал для димового газу М центр елементів 1, 8 або точка повного гальмування ударного струменя 11 93539 12 13 93539 14 15 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 93539 Підписне 16 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601