ЦИКЛОН Российский патент 1997 года по МПК B04C5/103 

Изобретение относится к устройствам очистки сжатого воздуха или газа от влаги, масла и механических примесей.

Известны противоточные циклоны, у которых камера сепарации сопряжена с радиально-щелевым диффузором. В этом случае, разворот газового потока происходит после восстановления давления в диффузоре и снижения уровня скоростей, что уменьшает гидропотери, связанные с разворотом потока [1,2]
Однако, на некоторых режимах работы в таких циклонах возможен отрыв газожидкостного потока в месте сопряжения камеры сепарации с диффузором, попадание жидкости на внутреннюю стенку диффузора и снижение степени очистки.

Данного недостатка лишен циклонный сепаратор, у которого корпус состоит из верхней обечайки меньшего диаметра и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней стенкой диффузора, тангенциальный патрубок ввода сжатого газа присоединен к верхней обечайке, осевая труба вывода очищенного газа снабжена на нижнем конце внутренней стенкой диффузора, эквидистантной внешней стенке диффузора, нижняя обечайка имеет патрубок слива отсепарированной жидкости, внутренняя и внешняя стенки диффузора выполнены в форме сферических сегментов, соотношение верхней и нижней обечаек корпуса составляет 1,5^oC2, к нижнему краю внутренней стенки диффузора присоединена своим верхним краем сферическая чаша, в днище которой выполнено осевое отверстие для входа очищенного газа, чаша снабжена патрубком отвода жидкости, присоединенным к днищу чаши, и цилиндрической вставкой, нижний край которой соединен с отверстием чаши, верхний с нижним концом осевой трубы, и имеющей заглушку, ниже которой в стенке вставки выполнены тангенциальные щели, а выше в стенке осевой трубы отверстия для отвода очищенного газа [3]
Наличие в данном циклонном сепараторе диффузора, стенки которого выполнены в виде сегментов сфер, приводит к возникновению дополнительных центробежных эффектов при обтекании газом сферических поверхностей, а также к снижению гидропотерь, связанных с разворотом газового потока, что позволяет увеличить уровень скоростей в камере сепарации.

Однако, увеличение скоростей в камере сепарации приводит к дополнительным гидропотерям, связанным с входом газового потока в камеру сепарации, и преимущества данного устройства проявляются неполностью.

При этом увеличиваются гидропотери в элементах конструкции циклонов, служащих для вторичной закрутки газового потока.

За прототип принят циклонный сепаратор [3] как наиболее близкий к предлагаемому устройству по технической сущности.

Целью изобретения является снижение гидропотерь в циклоне и повышение степени очистки за счет увеличения уровня скоростей в камере сепарации и вторичной сепарации в осевой трубе вывода очищенного газа.

Поставленная цель достигается тем, что в циклоне, содержащем штуцер подвода сжатого газа, совмещенный с тангенциальным сопловым вводом, корпус, состоящий из верхней обечайки меньшего диаметра и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую трубу вывода очищенного газа, снабженную на нижнем конце внутренней сферической стенкой, эквидистантной внешней сферической стенке, и образующей с ней диффузор, камеру сепарации, образованную верхней обечайкой, а также патрубок слива отсепарированной жидкости, тангенциальный сопловой ввод сопряжен с криволинейной поверхностью завихрения, максимальный диаметр которой в месте сопряжения с сопловым вводом в 1,2^oC2 раза больше диаметра камеры сепарации в верхней ее части, криволинейная поверхность завихрения сопряжена с верхней обечайкой корпуса, диаметр которой в 2,5^oC5 раз меньше диаметра нижней обечайки корпуса, внутренняя сферическая стенка соединена своим нижним краем с внешней стороной половины тора, радиус трубки которого в 2,2^oC4 раза меньше радиуса внутренней сферической стенки, и имеющего в нижней части отверстие для отвода жидкости, осевая труба вывода очищенного газа совмещена со стороны тангенциального соплового ввода с камерой-сборником, отделяющейся от соплового ввода торцевой стенкой, в которой выполнены отверстия, сообщающие полость камеры-сборника с камерой сепарации. Кроме того, отверстия в камере-сборнике расположены на расстоянии от оси циклона не более 0,8 радиуса верхней обечайки корпуса камеры сепарации, а их оси расположены под углом к оси циклона, но не пересекаются с ней и направлены в сторону закрутки тангенциального соплового ввода.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что в нем осевая труба вывода очищенного газа совмещена с камерой-сборником, а через отверстия в торцевой стенке последней с полостью камеры сепарации, что создает возможность перепуска части газа из осевой трубки внутри камеры сепарации за счет эффекта эжектирования и участия этой части газа во вторичной сепарации. Эффект эжектирования возникает благодаря изменению отношения диаметра нижней обечайки корпуса к диаметру верхней обечайки корпуса с 1,5^oC2, как в прототипе, до 2,5^oC5. Дополнительные центробежные эффекты при обтекании газом сферических поверхностей диффузора при этом не уменьшаются, так как внутренняя сферическая стенка диффузора соединена с новым элементом половиной тора, имеющем величину радиуса трубки и, следовательно, величину радиуса кривизны внешней обтекаемой газом поверхности меньше радиуса внутренней стенки диффузора.

Таким образом, наличие в предложенной конструкции новых элементов - половины тора, камеры-сборника, сообщающейся с осевой трубой и с камерой сепарации, а также изменение соотношения диаметров верхней и нижней обечаек корпуса доказывают соответствие предложенного технического решения критерию "новизна".

Увеличение, по сравнению с прототипом, отношения диаметров нижней и верхней обечаек корпуса до 2,5^oC5 повышает эжекционные свойства циклона. Конструкция циклона в этом случае аналогична конструкции вихревой самовакуумирующейся трубы, у последней наблюдается пониженное давление по сравнению с давлением газа на выходе из диффузора на радиусах, меньших 0,8 радиуса трубы при отношении диаметров радиально-щелевого диффузора и трубы равном 4,5^oC5. Применение профилированного изоградиентного диффузора позволяет понизить отношение диаметров до 2,5 без ухудшения эжекционных свойств вихревой самовакуумирующейся трубы. В предложенной конструкции циклона роль радиально-щелевого диффузора выполняет сферический диффузор, у которого отношение диаметров выхода и входа равно отношению диаметров нижней и верхней обечаек корпуса камеры сепарации.

Использование в конструкции элемента, представляющего собой половину тора обосновывается следующим образом. Дополнительные центробежные силы, возникающие при обтекании газом криволинейных поверхностей, увеличиваются при уменьшении радиуса кривизны, следовательно, для увеличения центробежных сил и эффекта сепарации радиус трубки тора (внешней стенки трубки) должен быть меньше радиуса внутренней сферической стенки диффузора. С другой стороны, для свободного входа газа в осевую трубку вывода очищенного газа внутренний диаметр тора должен быть больше диаметра отверстия осевой трубки. На фиг. 4 изображена схема сферического диффузора предложенного циклона с обозначениями радиусов и оптимальными соотношениями между ними.

Соотношение в формуле, которое указано на фиг. 4 (2), рекомендуется для самовакуумирующейся вихревой трубы, где доказывается, что цилиндрическое тело с радиусом 0,5^oC7 от радиуса трубы не оказывает влияния на динамику газового потока, что важно для процессов сепарации в циклоне. Соотношение в формуле (3) справедливо для идеального несжимаемого газа. Соотношение в формуле (4) получено из формулы (1) и формулы (3). Соотношение в формуле (5) выражает требование свободного входа газа после диффузора в осевую трубку (r₆≥ r₃). Из очевидного равенства 2•r₅=r₄-r₆ и соотношений в формуле (4) и формуле (6) получается r₄/r₅=2,2^oC4.

Новым элементом предложенной конструкции циклона является также камера завихрения, радиус которой в 1,2^oC2 раза больше радиуса камеры сепарации. При таком соотношении радиусов тангенциальная составляющая скорости в камере завихрения в 1,2^oC2 раза меньше, чем в камере сепарации, следовательно, скорость входящего в циклон газа и гидропотери, связанные с входом газа, в такой конструкции меньше. При радиусах, меньших 1,2 камеры сепарации, эффект снижения гидропотерь незначителен, а при радиусах, больших 2, возрастает площадь криволинейной поверхности завихрения, что приводит к повышению потерь давления газа от трения об эту поверхность. Известно, что эжекционные свойства вихревого вакуум-насоса, конструкция которого близка по технической сущности к конструкции циклона с щелевым диффузором, увеличиваются при разнесении радиусов соплового ввода и камеры смешения. Рекомендуется сопрягать сопловой ввод с камерой вихревой трубы по криволинейной поверхности с лемнискатным профилем, что обосновывается уменьшением гидросопротивления.

Таким образом, новые элементы предложенной конструкции циклона, действуя в совокупности, приводят к снижению гидросопротивления, повышению скорости течения газа в камере сепарации, увеличению эжекционных свойств циклона и организации перетока части очищенного газа из осевой трубы в камеру сепарации для вторичной сепарации, что повышает степень очистки газа.

Новыми элементами изобретения являются также направления осей отверстий в торцевой стенке камеры-сборника, сообщающих полость последней с камерой сепарации, а также максимально допустимый радиус для расположения этих отверстий относительно оси циклона.

Предложенные элементы обеспечивают подкрутку перетекающего для вторичной сепарации газа в ту же сторону, что и закрутка газа в камере сепарации. Ограничение расположения отверстий величиной радиуса, составляющей 0,8 от радиуса камеры сепарации, диктуется тем, что с этого радиуса до оси вихревой камеры с диффузором давление газа не превышает давления газа, выходящего из диффузора. Следовательно, новые элементы конструкции обеспечивают эжекцию части очищенного газа из осевой трубы и подкрутку его с целью вторичной сепарации под действием центробежных сил.

Суммарное действие всех отличительных признаков предложенного устройства приводит к повышению степени очистки циклона от влаги, что выражается в снижении температуры точки росы очищенного сжатого воздуха с t_т.р.=+1^oC (у прототипа) до t_т.р.=-2^oC (у предложенного циклона) при одинаковой температуре исходного насыщенного воздуха t_вх=+15^oC.

На фиг. 1 показан продольный разрез предложенного циклона; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б.

На фиг. 4 приведена для экспертизы схема сферического диффузора с оптимальными геометрическими выражениями, поясняющая выбор соотношений размеров.

Циклон содержит штуцер 1 подвода сжатого газа, тангенциальный сопловой ввод 2, корпус 3, криволинейную поверхность завихрения 4, вихревую обечайку корпуса 5, образующую камеру сепарации 6, нижнюю обечайку корпуса 7, диффузор 8, образованный внешней сферической стенкой 9 и эквидистантной к ней внутренней сферической стенкой 10, осевую трубу 11 вывода очищенного газа, стенку 12, представляющую собой половину тора, присоединенную к внутренней сферической стенке 10, с отверстием 13 для отвода жидкости, патрубок 14 слива отсепарированной жидкости, камеру-сборник 15, с торцевой стенкой 16, имеющей сквозные отверстия 17.

Циклон работает следующим образом.

Сжатый воздух или газ поступает через штуцер 1 и тангенциальный сопловой ввод 2 внутрь полости корпуса 3, где приобретает вращательное движение. Двигаясь по криволинейной поверхности завихрения 4, газ переходит на меньший радиус камеры сепарации 6. Так как радиус уменьшается в 1,2^oC2 раза, то тангенциальная скорость газа плавно увеличивается во столько же раз по сравнению со скоростью выхода газа из тангенциального соплового ввода 2, согласно закону сохранения момента количества движения. При повышении уровня скоростей в камере сепарации 6 статическая температура газа становится заметно меньше температуры входящего в циклон газа. Из влажного сжатого воздуха при этом выпадает конденсат. В камере сепарации 6 под действием центробежных сил частицы влаги, масла и механических примесей отбрасываются на стенку верхней обечайки корпуса 5. Газ после камеры сепарации 6 поступает в диффузор 8, где его статическое давление частично восстанавливается, а скорость движения уменьшается. Частицы влаги и пыли, неуспевшие отсепарироваться в камере 6, а также попавшие на внешнюю поверхность внутренней сферической стенки диффузора 10, отбрасываются под действием дополнительных центробежных сил, вызванных обтеканием выпуклой поверхности внутренней сферической стенки 10. Обтекание газом внешней поверхности половины тора 12, имеющего радиус трубки меньший, чем радиус сферы внутренней стенки диффузора 10, еще более усиливает центробежные силы. Отсепарированные частицы влаги и пыли оседают на стенке нижней обечайки корпуса 7 и удаляются через патрубок 14 слива конденсата. Очищенный газ после обтекания половины тора 12 входит во внутреннюю полость сферической стенки 10, имея некоторую закрутку потока за счет сохранения момента количества движения. Поэтому частицы влаги и пыли, которые могут быть подхвачены очищенным газом, сепарируются во внутренней полости сферической стенки 10, стекают во внутреннюю полость половины тора 12 и удаляются через отверстие 13. Очищенный газ проходит по осевой трубе 11 через камеру-сборник 15 и далее выходит из циклона. Так как закрутка потока газа сохраняется в трубе 11, а ее поверхность охлаждается подобно цилиндрическому телу, размещенному на оси самовакуумирующейся вихревой трубы, то в осевой трубе 11 происходит выпадение конденсата и сепарация капель. Эта влага с частью газа попадает в камеру-сборник 15, откуда через отверстия 17 эжектируется в камеру сепарации 6, где подвергается вторичной сепарации. Так как оси отверстий 17 направлены в сторону закрутки тангенциального соплового ввода 2, то газ с капельной влагой из камеры-сборника 15 попадает в камеру сепарации 6 закрученным, что создает лучшие условия для ее вторичной сепарации.

Наличие в циклоне криволинейной поверхности завихрения с диаметром, большим, чем диаметр камеры сепарации, диффузора, оканчивающегося половиной тора, а также камеры-сборника, сообщающейся с камерой сепарации отверстиями, позволяет по сравнению с базовым объектом, он же прототип, повысить уровень скоростей в камере сепарации, увеличить дополнительные центробежные силы, использовать эжекционные и охлаждающие свойства циклона для вторичной сепарации, что в целом повышает степень очистки газа. В случае очистки влажного воздуха возможна его осушка температура точки росы при этом понижается до t_т.р.=-2^oC, что на 3^oC меньше, чем у прототипа.

Использование: для очистки сжатого газа от влаги, масла и механических примесей. Сущность изобретения: Корпус циклона состоит из верхней обечайки с тангенциальным вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой. Осевая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней. К нижнему краю внутренней стенки присоединена отделительная насадка, имеющая форму нижней половины тора, радиус образующей которого в 2-2,4 раза меньше радиуса внутренней сферической стенки. Насадка присоединена к осевой трубе своим верхним наружным краем и имеет в нижней части отверстие для вывода жидкости. К верхней обечайке корпуса присоединена камера закручивания, внутренняя криволинейная поверхность которой сопряжена с тангенциальным вводом и в месте сопряжения имеет максимальный радиус, в 1,2-2 раза превышающий радиус верхней обечайки корпуса. Камера-сборник с размещенным в ее полости верхним концом осевой трубы находится над камерой закручивания и сообщается с ней отверстиями, выполненными в ее днище. Верхняя обечайка корпуса выполнена с диаметром в 2,5-5 раз меньше, чем диаметр нижней обечайки. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Циклон, содержащий корпус, состоящий из верхней обечайки с тангенциальным вводом сжатого газа и нижней обечайки большого диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую трубу, снабженную на нижнем конце внутренней сферической стенкой, эквидистантной внешней сферической стенке и образующей с ней диффузор, отделительную насадку, верхним наружным краем соединенную с нижним краем внутренней сферической стенки и имеющую в нижней части отверстие для отвода жидкости, отличающийся тем, что он снабжен присоединенной к верхней обечайке корпуса камерой закручивания, внутренняя криволинейная поверхность которой сопряжена с тангенциальным вводом и в месте сопряжения имеет максимальный радиус, в 1,2 2 раза превышающий радиус верхней обечайки корпуса, камерой-сборником, размещенной над камерой закручивания, при этом верхний конец осевой трубы размещен в камере-сборнике, в днище которой выполнены отверстия, сообщающие ее полость с камерой закручивания, верхняя обечайка корпуса выполнена с диаметром в 2,5 5 раз меньше, чем диаметр нижней обечайки, а отделительная насадка выполнена в форме нижней половины тора, радиус образующей которого в 2 2,4 раза меньше радиуса внутренней сферической стенки. 2. Циклон по п.1, отличающийся тем, что отверстия в днище камеры-сборника расположены на расстоянии от оси циклона не более 0,8 радиуса верхней обечайки корпуса, их оси расположены под углом к оси циклона, не пересекая ее, и направлены в сторону закрутки тангенциального ввода.