ИНЕРЦИОННЫЙ ФИЛЬТР-СЕПАРАТОР Российский патент 1996 года по МПК B04C1/00 

Изобретение относится к устройствам для выделения пылевидных частиц из потока газа и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известен центробежный сепаратор, содержащий размещенную в бункере-пылесборнике сепарационную камеру, образованную двумя полуцилиндрическими поверхностями различного радиуса, а также тангенциальный входной и расположенный вдоль оси камеры выходной патрубки [1]
К недостаткам известного устройства следует отнести низкую степень очистки газов, поскольку для захвата тонкодисперсных фракций сепарационный угол недостаточен, что снижает эффективность процесса очистки. Кроме того, движение газа, поступающего по тангенциальному входному патрубку на пути к сепарационной камере, создает повышенное сопротивление, повышающее энергозатраты и ограничивающее производительность центробежного сепаратора.

Известен центробежный сепаратор, содержащий размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал прямоугольного сечения, образованный рядом полуцилиндрических поверхностей с убывающим радиусом кривизны, смещенными относительно друг друга на высоту пылеотводящей щели, а также тангенциальный входной и расположенный вдоль оси спирали выходной патрубки [2]
Недостатком этого устройства, выбранного в качестве прототипа, является низкая степень очистки газов различного происхождения, поскольку постоянное сечение пылеотводящих щелей плохо согласуется с характером включений очищаемого газа (размер частиц, их плотность, влажность, концентрация и пр.), что существенно ограничивает сферу использования устройства.

Основным недостатком известной конструкции является избыточное перетекание части потока как через разгрузочный канал, соединяющий полость бункера с входным патрубком, так и через пылеотводящие щели, высота которых выполнена постоянной, вследствие чего при очистке газа с менее дисперсной фракцией имеет место большая степень перетекания газа. В обоих случаях наблюдается снижение эффективности процесса очистки.

Кроме того, к конструктивным недостаткам известного устройства следует отнести повышенный абразивный износ стенок канала, что связано с неоптимальным количеством пылеотводящих щелей. Наконец, принцип очистки газов, основанный на эффекте многократной центробежной фильтрации, предполагает высокие скорости потока, и вследствие этого большое гидросопротивление на оси спирального канала в выходном патрубке. Все это существенно снижает как возможности использования известного устройства для запыленных газов различного происхождения, так и эффективность процесса очистки.

Изобретение отличается от известного тем, что в инерционном фильтре-сепараторе, содержащем размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал прямоугольного сечения, образованный рядом установленных вдоль образующей канала пластин с цилиндрической поверхностью убывающего по ходу потока радиуса кривизны так, что кромка последующей по ходу потока пластины смещена к центру спирали, образуя с кромкой предыдущей пластины пылеотводную щель, тангенциальный входной патрубок и расположенный по оси спирали выходной патрубок, спиральный канал выполнен с уменьшающимся по ходу потока поперечным сечением, щели выполнены с возможностью регулирования их высоты, уменьшающейся по ходу потока, и полость бункера-пылесборника сообщена с выходным витком канала через отверстие в торцовой стенке канала напротив выходного патрубка соосно ему.

Кроме того, на первом витке спирального канала расположено несколько пылеотводных щелей.

Кроме того, выходная кромка последней по ходу потока пластины выполнена под углом к оси спирали.

Таким образом, в окрестности пылеотводящих щелей из-за ряда гидродинамических явлений (образование пограничных слоев, отрыв потока на кромках цилиндрических поверхностей, гидравлические потери по длине канала) происходит снижение скорости части газопылевого потока, поступаемой через щель на предыдущий участок спирального канала. Это снижение скорости потока ухудшает сепарационные свойства устройства. Для компенсирования этой потери скорости потока спиральный сепарационный канал выполняют с уменьшающимся по ходу потока поперечным сечением, т.е. с конфузорностью. Таким образом, решается проблема качества очистки при многократной фильтрации путем сохранения на всей длине спирального канала высоких скоростей потока.

Однако при этом возникает противоречие: для качественной очистки нужны высокие скорости, но высокие скорости потока создают повышенное завихрение на выходе, проявляющееся в гидросопротивлении и снижении эффективности очистки. Это противоречие частично преодолевается тем, что полость бункера сообщена с центральной частью спирального канала. Действительно, такая разгрузка полости бункера в отличие от прототипа уменьшает избыточное перетекание части потока, повышая сепарационный эффект. Сообщение полости бункера с центральной частью спирального канала позволяет существенно уменьшить гидропотери на выходе без ухудшения сепарационных свойств. Это объясняется тем, что избыточным давлением газа в бункере "разбавляется" зона интенсивных вихрей и разрежений, чем и достигается снижение гидросопротивлений в центральной зоне спирального канала.

Таким образом, сообщение полости бункера с центральной частью спирального канала и выполнение этого канала с уменьшающимся по ходу потока сечением позволяет повысить сепарационный эффект с одновременным существенным снижением гидросопротивления, в целом повышая эффективность процесса очистки в заявленном устройстве.

Необходимо отметить, что с уменьшением размера щели уменьшается доля рециркулирующего в сепараторе расхода, и соответственно снижаются гидропотери, что приводит к росту рабочего расхода на входе в устройство и к улучшению фильтрующих свойств. Однако, существует определенный размер щели, соответствующий входной концентрации и дисперсному составу, меньше которого эффективность очистки резко снижается. Для выбора оптимального размера щели их выполняют с возможностью изменения их высоты, поскольку именно динамичная конструкция может соответствовать широкому диапазону промышленных очищаемых газов. Такое регулирование проходного сечения щели путем изменения эксцентриситета позволяет не только настраивать фильтр-сепаратор на определенный режим работы в соответствии с характером включений в очищаемом газе, но и в режиме непосредственной очистки газа изменять сечение щелей в зависимости, например, от концентрации взвеси в периодических по времени выбросах, которые могут иметь место в нестационарных тенологических процессах.

Таким образом, выбор оптимального размера пылеотводящей щели позволяет с минимальными потерями вести процесс очистки промышленных газов с различными включениями, чем существенно расширяется область использования предлагаемого устройства.

Известная конструкция устройства выполнена таким образом, что по мере движения потока по спиральной сепарационной камере с обратными связями происходит последовательная сепарация взвеси и, следовательно, снижение концентрации. При этом степени отделения фракций по ходу движения потока в спиральном канале должны соответствовать и размеры щелей, поскольку в противном случае при равном проходном сечении всех щелей спирального канала невозможно предотвратить избыточное перетекание газа и зацикливание определенной фракции взвеси особенно на цилиндрических поверхностях канала с малым радиусом. Поэтому для снижения гидравлических потерь и повышения эффективности очистки предусматривается последовательное уменьшение площади пылевыводящих щелей. Такое выполнение щелей хорошо согласуется с конфузорностью спирального канала, обеспечивая повышение сепарационного эффекта с одновременным снижением гидропотерь.

Кроме того, предлагаемые признаки находятся в тесном взаимодействии. Повышение скорости потока улучшает качество пылеотделения, но одновременно с этим повышается и гидравлическое сопротивление. Поэтому выполнение спирального канала с уменьшающимся по ходу потока поперечным сечением способствуют повышению скорости потока и сопровождается повышением сопротивления. Кроме того, для качественного пылеотделения выбор оптимального размера щели определяется не только уменьшением гидросопротивления и увеличением скорости, но и дополнительными факторами (величина концентрации примеси на входе, ее дисперсный состав). Сообщение центральной части спирального канала с полостью бункера позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление не только за счет уменьшения рециркуляции потока на входе, но и путем восстановления давления среды на выходе. Таким образом, возникает возможность решить задачу оптимизации процесса пылеотделения.

Проведенные эксперименты подтвердили, что повышение гидравлического сопротивления при увеличении скорости потока в полной мере компенсируется сообщением полости бункера с центральной частью канала, таким образом, одновременное использование указанных признаков позволяет повысить качество сепарации при существенном снижении гидропотерь.

Кроме того, на цилиндрической поверхности первого витка спирального сепарационного канала расположено несколько пылеотводящих щелей. При этом выбор их конструктивного размещения будет определяться характером включений в очищаемом газе. Поскольку реальные загрязненные потоки полидисперсны и имеют распределение концентрации примеси по сечению канала, отличающееся от дельта-функции, то для конкретного сепаратора и фильтруемой среды существует соответствующий набор сепарационных углов. Размещение для наиболее крупной фракции нескольких выходов в бункер в диапазоне углов сепарации 0< Φ<π существенно улучшает дальнейшую сепарацию (чем тоньше пыль, тем легче она слипается) и снижает абразивный износ (присущий именно для крупной фракции) внутренней поверхности стенки канала.

Кроме того, выходная кромка последней по ходу потока канала цилиндрической поверхности выполнена под углом к оси спирали, что позволяет незначительным конструктивным изменением снизить завихрения в центральной зоне спирального канала. Действительно, при таком выполнении кромки срывающиеся с нее с большой скоростью потоки будут разнесены в пространстве, т.е. переход потоков с вращательного движения в осевое поступательное будет происходить не вдоль оси спирального канала одновременно, а под углом к ней. Таким образом, именно сама скошенная кромка будет облегчать этот переход, существенно снижая при этом гидравлические потери на поворот вращающегося потока.

На фиг. 1 показан общий вид инерционного фильтра-сепаратора; на фиг. 2 разрез устройства; на фиг.3 зависимость гидравлического сопротивления устройства при изменении площади пылеотводящих щелей; на фиг.4 зависимость поля тангенциальной скорости в спиральном канале при изменении площади канала; на фиг. 5 то же при регенерации давления; на фиг.6 расположение выходной кромки последней по ходу потока пластины; на фиг.7 то же, вид сверху.

Фильтр-сепаратор содержит тангенциальный входной патрубок 1 (фиг.1), расположенный вдоль оси спирали выходной осесимметричный патрубок 10, пылесборный бункер 4, трубопровод 11, соединяющий полость бункера 4 с выходным витком спирального канала через отверстие 12 (фиг.2) в торцовой стенке канала напротив выходного патрубка 10 соосно ему. Область потока фильтра сепаратора представляет собой спиральный канал прямоугольного сечения, образованный рядом установленных вдоль образующей канала пластин 2 и 3 с цилиндрической поверхностью убывающего по ходу потока радиуса кривизны. Поверхности 3 смещены относительно поверхностей 2 к центру спирали на высоту пылеотводящих щелей 5, оптимальный размер которых устанавливается при помощи регуляторов 13 с резьбовой тягой. На границе спирального канала с бункером 4 расположено несколько пылеотводящих щелей 6. Выходная кромка 14 последней по ходу потока пластины 2 (фиг.6) выполнена под углом к оси спирали таким образом, что длина дуги торца пластины ближайшего к выходному патрубку 10 больше, чем с противоположной стороны.

Приняты следующие обозначения: Φ угол сепарации; безразмерная тангенциальная составляющая скорости потока; безразмерная радиальная координата; ζ гидравлическое сопротивление; безразмерная высота щели; r текущая радиальная координата; α угол между осью спирали и выходной кромкой последней по ходу потока пластины.

Устройство работает следующим образом.

Фильтруемая среда с примесью по тангенциальному входному патрубку 1 подается в сепарационный спиральный канал. Частицы более высокой плотности, чем плотность среды, двигаясь по соответствующим их размерам криволинейным траекториям, смещаются к внешней границе каждого канала и возвращаются через щели 5 в предыдущий участок канала. Из первого по движению среды участка канала примесь с частью расхода потока поступает в бункер 4 (фиг.2). Поступающая в бункер часть расхода поле выделения и осаждения из нее примесей под действием избыточного давления возвращается через трубопровод 11 в центральную зону сепарационного канала, что обеспечивает восстановление уровня давлений в зоне и уменьшение интенсивности вихрей, снижая гидросопротивление именно в центральной зоне спирального канала. В предлагаемом устройстве сформированы условия, когда вновь поступающие на сепарацию частицы взаимодействуют с концентрированными слоями примеси, возвращаемой из предыдущего участка канала 6, через пылеотводящие щели 5 переходят на траектории с меньшей кривизной и в результате выводятся в бункер 4. Для предотвращения перетекания излишней части потока газа через щели последние выполнены с уменьшающейся по ходу потока высотой. Одновременно с этим сам канал для повышения сепарационного эффекта выполнен конфузорным, т.е. с уменьшающейся по ходу потока площадью поперечного сечения. Регулировка высоты пылеотводящих щелей 5 выполнена таким образом, что цилиндрические поверхности 2 жестко прикреплены к торцовым стенкам аппарата, а торцы поверхностей 3 жестко связаны с пластинами 7, имеющими возможность перемещения (в данном примере в вертикальном направлении) относительно торцовых стенок аппарата. От проушин 9 этих пластин через прорези 8 в стенках аппарат выведены стержни, к которым прикреплены регуляторы 13 с резьбой. Таким образом, в любой требуемый момент процесс очистки может быть скорректирован в зависимости от изменения параметров очищаемой среды. Следует отметить, что заложенная при конструировании высота пылеотводящих щелей уменьшающаяся по ходу потока совместно с их регулировкой в процессе очистки существенно расширяет возможности использования заявляемого устройства.

Конструкция устройства предусматривает для определенного вида производств (например, среды с грубодисперсной фракцией) проектировать сепараторы с заранее требуемыми характеристиками путем размещения на цилиндрических поверхностях 2 нескольких пылеотводящих щелей 6, которые в случае очистки газов с крупными включениями способны на начальном участке спирального канала 4 выводить их в бункер, тем самым устраняя излишний абразивный износ. Такие щели при необходимости могут быть установлены на поверхностях с любой кривизной с учетом углов сепарации, соответствующих различному фракционному составу включений.

П р и м е р. Сепаратор содержит спиральную сепарационную камеру прямоугольного сечения, которое под длине канала уменьшается с поджатием, равным 1, 2, а сама камера содержит спиральный канал с пятью регулируемыми по высоте пылеотводящими щелями. Установочный размер щелей составляет по ходу потока соответственно 49, 39, 31, 25, 20 мм, а возможности регулировки высоты щелей позволяют одновременно увеличивать или уменьшать эти значения на величину ±12 мм. Непосредственно регулировка осуществляется смещением левых спиральных поверхностей 3 (фиг.2) относительно неподвижных правых 2. Соединительный канал 11 сообщает мертвую зону бункера с центральной зоной спирального канала соосно с выходным патрубком: непосредственно при работе регулировка осуществляется выбором оптимальной площади пылеотводящих щелей с учетом минимального гидравлического сопротивления (фиг.3). Эксперименты показали, например, что при изменении площади спирального канала на 11% начиная с сепарационных углов Φ>π тангенциальная составляющая скорости у прототипа и предлагаемого устройства практически не отличаются (фиг.4), нет различий в скорости и при регенерации давления (фиг.5). Указанные мероприятия позволяют снизить гидравлические потери сепаратора на 30-35% кроме этого повысить эффективность очистки на 10-25% при более широком диапазоне изменения дисперсного состава примеси, одновременно снижая энергозатраты и увеличивая срок эксплуатации фильтра-сепаратора.

Очевидно, что повышение качества очистки может быть достигнуто увеличением числа спиральных каналов и скорости газа в них, увеличением числа дополнительных пылеотводящих щелей с соответствующим сечением и выбором места их установки. Все это позволяет эффективно использовать устройства как по различному функциональному назначению разделение, перемешивание и иная обработка материалов, так и в различных областях промышленности металлургической, химической, строительной, сельском хозяйстве и пр.

Использование: для выделения пылевидных частиц из потока газа в различных отраслях промышленности. Сущность изобретения: ввод разделяемого потока выполнен в виде тангенциального патрубка. В полости бункера-пылесборника размещен спиральный канал прямоугольного сечения, образованный рядом установленных вдоль образующей канала пластин с цилиндрической поверхностью убывающего по ходу потока радиуса кривизны так, что кромка последующей по ходу потока пластины смещена к центру спирали, образуя с кромкой предыдущей пластины пылеотводную щель. Спиральный канал выполнен с уменьшающимся по ходу потока поперечным сечением, пылеотводные щели выполнены с возможностью регулирования их высоты, уменьшающейся по ходу потока. Полость бункера-пылесборника сообщена с выходным витком канала через отверстие в торцовой стенке канала напротив расположенного по оси спирали выходного патрубка соосно ему. Кроме того, на первом витке спирального канала расположено несколько отводных щелей, а выходная кромка последней по ходу потока пластины выполнена под углом к оси спирали. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Инерционный фильтр-сепаратор, содержащий размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал прямоугольного сечения, образованный рядом установленных вдоль образующей канала пластин с цилиндрической поверхностью убывающего по ходу потока радиуса кривизны так, что кромка последующей по ходу потока пластины смещена к центру спирали, образуя с кромкой предыдущей пластины пылеотводную щель, тангенциальный входной патрубок и расположенный по оси спирали выходной патрубок, отличающийся тем, что спиральный канал выполнен с уменьшающимся по ходу потока поперечным сечением, щели выполнены с возможностью регулирования их высоты, уменьшающейся по ходу потока, и полость бункера-пылесборника сообщена с выходным витком канала через отверстие в торцевой стенке канала напротив выходного патрубка соосно с ним. 2. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что на первом витке спирального канала расположено несколько пылеотводных щелей. 3. Фильтр-сепаратор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходная кромка последней по ходу потока пластины выполнена под углом к оси спирали.