ВОЗДУШНЫЙ СЕПАРАТОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1995 года по МПК B07B7/83 

Изобретение относится к сепараторам, предназначенным для сепарирования потока твердых частиц во взвешенном состоянии в потоке газа, размеры которых превышают заранее определенную величину.

Известен воздушный сепаратор [1] включающий направляющие лопатки, расположенные по образующей воображаемого цилиндра с вертикальной осью и пригодные для сообщения потоку газа, проникающего в указанный воображаемый цилиндр, вращательного движения вокруг оси цилиндра, средства для ориентации направляющих лопаток.

Предложенный сепаратор отличается тем, что имеет дополнительные лопатки ротора, при этом лопатки простираются по всей высоте ротора.

В известном аппарате ротор снабжен лопатками малой ширины, расположенными на периферии, и в рабочем режиме в центре ротора формируется вихрь, в котором рассеивается заметная часть кинетической энергии потока газа.

Целью изобретения является улучшение характеристик и снижение расхода энергии сепаратора такого типа с помощью мероприятий, обеспечивающих исчезновение турбулентности потока между направляющими лопатками и ротором, и предотвращение формирование вихря в роторе.

Это достигается благодаря второму набору лопаток, значительная часть кинетической энергии газового потока используется для поворота ротора, что позволяет уменьшить мощность приводного двигателя. В некоторых условиях применения возможно даже устранить двигатель, поскольку скорость ротора, от которого зависит диаметр отсечки, подстраивается регулировкой ориентации направляющих лопаток.

Для увеличения точности отсечки придают каналам, ограниченным периферийными лопатками ротора, сечение, которое растет от внешней стороны ротора к внутренней так, чтобы центробежная сила и сила тяги, действующие на зерна, диаметр которых равен диаметру отсечки, уравновешивались на всей длине указанных каналов.

Как и во всех аппаратах такого типа, направляющие лопатки и ротор заключены в кожух, который образует вокруг направляющих лопаток кольцевую камеру, в которую поступает газовый поток и в случае необходимости сортируемый материал. Газовый поток может поступать в эту камеру по касательной или параллельно оси и аппарата в нижней части. Сырье может быть взвешено в газовом потоке перед входом в камеру или вводится раздельно через верхнюю часть между ротором и направляющими лопатками; эти два варианта запитывания могут также использоваться одновременно.

Бункер в форме перевернутого конуса помещается под ротором и направляющими лопатками для сбора частиц, размеры которых превышают диаметр отсечки; кожух имеет форму тела вращения, концентричен по отношению к ротору и окружает указанный бункер, образуя вокруг него проход кольцевого сечения; вертикальный канал соединен с основанием указанного кожуха под бункером и коаксиален с ним для подвода газового потока с частицами для сортировки в камеру через указанный проход; в плоскости, где канал примыкает к указанному кожуху, диаметр последнего превышает диаметр канала так, чтобы газ с частицами подвергался на входе в кожух расширению, благоприятствующему падению тяжелых частиц на дно кожуха. Указанный канал может продолжаться вверх над дном кожуха и образовывать с ним кольцевой объем, где будут собираться крупные частицы, сепарированные потоком воздуха в созданной таким образом зоне расширения, причем дно кожуха наклонено и снабжено в самой низкой точке отверстием для эвакуации частиц. На внешней стороне бункера для отклонения газового потока и стимуляции сепарации больших частиц могут быть закреплены одни или несколько дефлекторов, образованных плоскими или в форме усеченного конуса кольцевыми элементами.

На фиг.1 изображен сепаратор, вертикальное сечение; на фиг.2 то же, горизонтальное сечение; на фиг.3 прямое сечение двух лопаток ротора аппарата.

Сепаратор имеет кожух 1, образующий корпус аппарата и образованный из верхней цилиндрической части, промежуточной части в форме перевернутого усеченного конуса, из нижней цилиндрической части, соединяющейся с малым основанием усеченного конуса, и из наклонного дна, имеющего в своей самой нижней точке эвакуационное отверстие 2. Впускной канал 3 газа, загруженного частицами, которые необходимо отсортировать, пересекает дно кожуха и продолжается вверх приблизительно до плоскости соединения промежуточного и нижнего участков. Канал 3 располагается коаксиально с кожухом, а его конец расширяется.

В своей верхней части кожух закрыт крышкой 4, имеющей центральное отверстие, к краю которого присоединен канал 5 для эвакуации газов.

Ротор 6 помещается в верхней части кожуха коаксиально с ним. Он крепится на нижнем конце вертикального вала 7, установленного с помощью подшипников качения в трубчатом суппорте 8, закрепленном на крышке 4. Вал 7 соединен с группой 9 управления (двигателем) переменной скоростью, обеспечивая вращение ротора с требуемой скоростью.

Ротор 6 имеет большое число вертикальных направляющих лопаток 10, регулярно расположенных по периферии. Нижние и верхние концы лопаток закреплены соответственно на дне 11, образованном плоскими кольцом и центральным усеченным конусом, жестко связанным с валом 7, и на кольце 12. Соединение с перегородкой 13, жестко связанное с крышкой 4, обеспечивает герметичность между последней и ротором.

Лопатки 10 допускают в качестве плоскости симметрии плоскость, содержащую ось ротора и каналы, выполненные между лопатками, имеют ширину, которая растет с внешней стороны ротора к внутренней (L₁< L₂) так, что центробежная сила и сила тяги, действующая на частицу с критическим диаметром (диаметр отсечки), уравновешены практически на всей длине каналов. Обозначая как Fc1, Ft1 центробежные силы и силу тяги на входе в канал, а Fc2, Ft2 силы на выходе из канала, можно выразить это условие работы в виде соотношений:
Fc1 Ft1
и Fc2 Ft2
Профиль лопаток 10 может быть легко определен на основе этих математических формул, выражающих равенство центробежных сил и силы тяги, действующих на частицу с заданными плотностью и диаметром, с заданной скоростью ротора. Условия равновесия могут быть удовлетворены с профилем лопаток, заданным для различных диаметров отсечки, согласуя различные скорости вращения ротора.

Вместо радиального расположения лопатки 10 могут образовывать угол с радиальными плоскостями, причем ширина каналов, ограниченных лопатками, постепенно растет с внешней стороны к внутренней.

Ротор имеет набор дополнительных лопаток 14, расположенных между лопатками 10 и осью ротора. В представленном примере лопатки 14 выполнены из плоских листов, расположенных в вертикальных плоскостях, содержащих ось ротора, и закрепленных на центральной части в виде усеченного конуса дна 11 и на верхнем кольце 12. Функция дополнительных лопаток 14 состоит и в предотвращении формирования вихря внутри ротора и позволяет рекуперировать значительную часть энергии газового потока, пересекающего ротор. Лопатки 14 могут быть наклонены и/или образуют угол с плоскостями, содержащими ось ротора, причем они могут также быть профилированы как лопатки турбины. Pотор, образованный таким образом, подобен ротору центробежного компрессора, который работает в приемных турбомашинах, отбирающих энергию от потока сплошной жидкости для ее преобразования в механическую энергию.

Такая конструкция ротора позволяет устранить вихрь, который формируется внутри ротора, если бы он был лишен лопаток 14 и, следовательно, рекуперировать энергию, которая иначе была бы потеряна в вихре, и посредством снижения скорости газа уменьшить абразивный износ и потери давления.

Ротор окружен круговыми рядами вертикальных периферийных лопаток 15, регулярно расположенных вокруг ротора. Эти лопатки снабжены по концам цапфами 16, размещенными в отверстиях верхнего кольца 17, закрепленного на верхнем конце кожуха, и нижнего кольца 18, установленного на верхнем крае бункера в виде усеченного конуса 19, помещенного под ротором на участке в виде усеченного конуса кожуха, и поддерживаемого лапами 20, закрепленными на кожухе.

Верхние цапфы снабжены рычагами 21, связанными между собой кольцевой арматурой так, чтобы при любой ориентации все лопатки 15 образовывали один и тот же угол с соответствующей радиальной плоскостью. Привод воздействием на кольцевую арматуру позволяет регулировать на расстоянии ориентацию лопаток 15.

Сепаратор работает следующим образом.

Поток газа с частицами для сортировки подается снизу вверх по каналу 3. Когда поток достигнет верхнего конца канала 3, он подвергается внезапному расширению вследствие значительной разницы диаметров канала 3 и кожуха 1, который его окружает на этом уровне. Отсюда следует уменьшение скорости газа, что позволяет наиболее крупным частицам падать на дно кожуха в кольцевое пространство, выполненное между верхним каналом 3 и кожухом 1, и быть отведенными через отверстие 2. Один или несколько дефлекторов 22 могут быть установлены на бункере 19 над каналом 3 для улучшения этой сепарации.

Затем поток газа поднимается по верхней части кожуха 1, сохраняя скорость практически постоянной, вытекает между периферийными лопатками 15, которые сообщают ему круговое движение, и проникает в ротор через каналы, выполненные между направляющими лопатками 10. Частицы, размеры которых меньше диаметра отсечки, увлекаются в ротор газовым потоком и отводятся с ним через канал 5, который связан с устройством всасывания вентилятора через пылеулавливатель, обеспечивающий сепарацию частиц газового потока. Частицы, размеры которых превышают диаметр отсечки, удерживаются с внешней стороны ротора центробежными силами и падают под воздействием гравитации в бункер 19 через кольцевое окно, выполненное между ротором и кольцом 18. Если одна из этих крупных частиц случайно проникнет в каналы ротора, она будет отброшена во вне, поскольку профиль этих каналов обеспечивает, чтобы центробежная сила, действующая на такую частицу, превышала тянущую силу по всей длине канала.

Частицы, собранные в бункере 19, эвакуируются через канал 23.

Часть сортируемых частиц может быть введена через один или несколько входов 24, расположенных над кольцом 12 ротора, и отброшена центробежной силой к юбке, окружающей кольцо 12, для падения, затем в пространство между лопатками 15 и ротором, и введены в газовый поток, циркулирующий в поперечном направлении.

Диаметр отсечки зависит (для заданного расхода газа) от скорости вращения ротора. Она поддерживается на уровне выбранного значения регулированием скорости двигателя 9. Поскольку мощность, переданная ротору газовым потоком, который его пересекает, может превышать мощность, которая необходима для его вращения с номинальной скоростью, двигатель 9 должен иметь возможность работать в режиме торможения с регулированием скорости. Ориентация лопаток 15 в зависимости от скорости ротора регулируется таким образом, чтобы касательная составляющая скорости газа и частиц на периферии ротора была бы равна периферийной скорости ротора; эта регулировка может быть выполнена вручную или автоматически. Это мероприятие позволяет предотвратить удары частиц с лопатки ротора и получить однородную скорость жидкости на всей ширине каналов между лопатками ротора.

В некоторых случаях возможно устранить двигатель 9 и установить ротор холостым образом. В этом случае ротор удерживается при номинальном значении скорости вращения, соответствующем выбранному диаметру отсечки, регулировкой ориентации лопаток 15.

Эта возможность приводит к значительной экономии, поскольку она позволяет не только устранить двигатель привода ротора, но и использовать более легкую конструкцию суппорта для ротора.

Вместо того, чтобы подводить поток газа по оси снизу, это можно делать тангенциально в кожухе на уровне лопаток 15.

Увеличение прямого сечения от входа до выхода каналов, выполненных между лопатками ротора, выполняется исключительно увеличением их ширины. Можно рассмотреть также рост их высоты, заменяя периферийную плоскую часть диска (дно 11) и плоское кольцо 12 конусообразными кольцами, используя их большую базу.

Использование: воздушный сепаратор для разделения твердых частиц в газовом потоке. Сепаратор снабжен дополнительными лопатками, расположенными на роторе. Периферийные лопатки установлены с возможностью поворота. Сепаратор также содержит средства для введения отсортировываемых частиц между лопатками и ротором в центральное выходное отверстие, где отсасывается поток газа с частицами, размеры которых меньше заранее определенного размера. Снабжение ротора дополнительными лопатками улучшает характеристики разделения и уменьшает энергетический расход сепаратора. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ВОЗДУШНЫЙ СЕПАРАТОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающий кожух в виде тела вращения, расположенные в нем ротор с периферийными лопатками, установленные вокруг ротора с возможностью поворота на вертикальной оси направляющие лопатки, приспособление для введения исходного материала, патрубки для отвода тяжелых частиц и отвода потока газа с частицами размером менее заранее отпределенного размера и расположенный под направляющими лопатками коаксиально кожуху и сообщенный со вспомогательным патрубком отвода тяжелых частиц бункер в виде обратного конуса, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода энергии и повышения точности разделения, он снабжен установленными на роторе между периферийными лопатками и его осью дополнительными лопатками для направления потока газа от периферийных лопаток к центральному выходному отверстию ротора. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные лопатки простираются по всей высоте ротора и расположены в радиальных плоскостях или наклонены по отношению к этим плоскостям. 3. Сепаратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен приспособлением регулирования и стабилизации скорости вращения ротора посредством ориентации направляющих лопаток, при этом сам ротор установлен на валу с возможностью свободного вращения. 4. Сепаратор по пп.1 3, отличающийся тем, что периферийные лопатки ротора профилированы так, что образованные между лопатками каналы расширяются к оси ротора. 5. Сепаратор по пп.1 4, отличающийся тем, что приспособление для введения исходного материала выполнено в виде расположенного в нижней части кожуха патрубка коаксиального кожуха, при этом верхняя часть патрубка расположена внутри кожуха и образует с ним кольцевой объем, сообщенный с патрубком отвода тяжелых частиц. 6. Сепаратор по п.5, отличающийся тем, что он снабжен одним или несколькими кольцевыми дефлекторами, закрепленными на бункере выше верхнего торца патрубка введения исходного материала. 7. Сепаратор по пп.1 6, отличающийся тем, что центральная часть концевой стенки ротора, противоположной выходному центральному отверстию, выполнена в форме усеченного конуса или близкой к конусу поверхности вращения, способствующей истечению газа через выходное отверстие ротора. 8. Сепаратор по пп.1 7, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным патрубком для введения исходного материала, при этом выходное отверстие этого патрубка расположено над ротором.