ИНЕРЦИОННЫЙ ФИЛЬТР-СЕПАРАТОР Российский патент 1997 года по МПК B04C1/00 

Изобретение относится к устройствам для сухой очистки газов от пылевидных частиц и может применяться в любых производствах, сопровождающихся выбросом в атмосферу твердых пылевидных частиц, которые образуют в процессе сгорания и других химических реакций, сушки и транспорта сыпучих материалов, в частности, в горнорудном, металлургическом и литейном производствах, на угольных котельных и электростанциях, на производствах строительных материалов (цемент, известь, керамические изделия и др), на производствах переработки с/х продукции и изготовления продуктов питания (сухое молоко, детское питание, дрожжи и др.)
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. Это устройство имеет низкую степень очистки газов, обусловленную недостаточным для захвата тонкодисперсных фракций сепарационным углом. Кроме того, движение газа, поступающего по тангенциальному входному патрубку на пути к сепарационной камере создает повышенное сопротивление, увеличивающее энергозатраты и ограничивающее производительность центробежного сепаратора.

Известен центробежный сепаратор [1, 2, 3] принятый за прототип, содержащий размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал (прямоугольного сечения), состоящий из ряда секций в виде полуцилиндров со ступенчато убывающими радиусами кривизны, смещенных друг относительно друга пылеотводящих щелей, а также тангенциальной входной и, расположенный вдоль оси спирали, выходной патрубки, причем между входом в спиральный канал и полостью бункера выполнена щель.

Недостатком этого устройства, выбранного в качестве прототипа, является низкая степень очистки газов с различным дисперсным составом твердых частиц и в особенности, если преобладают мелкие частицы размером менее 10 мкм. И, как установлено в испытаниях, в бункер не поступает преимущественно мелкодисперстная часть отсепарированных частиц.

Существенным недостатком данной конструкции является большое гидравлическое сопротивление, достигающее 3000-5000 Па, возникающее вследствие образования в центральной отводящей трубе мощного вихря, на преодоление которого приходится основная доля (75-80%) энергозатрат, необходимых на прокачку газа через данный центробежный сепаратор.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении степени очистки различных газов с различным дисперсным составом твердых частиц при одновременном снижении энергозатрат.

Заявленное техническое устройство инерционный фильтр-сепаратор, в котором очистка газов от пылевидных частиц производится на основе эффекта многократного центробежного сепарирования (циклонного эффекта), происходящего в криволинейных каналах, а также на эффекте фильтрации через плотные слои частиц, образующиеся в каналах благодаря перетеканию частиц потока с отсепарированными частицами в предшествующие секции спирального канала через пылеотводящие щели.

Заявленные отличительные признаки повышают на 10-15% степень очистки газа за счет извлечения мелкодисперсной фракции пыли (10 мкм и менее) в 2-3 раза снижают гидравлическое сопротивление, а, следовательно, обеспечивают более высокую экономичность устройства в целом.

Заявленный инерционный фильтр-сепаратор, изображенный на фиг. 1 содержащий размещенный в полости 1 бункера-пылесборника спиральный канал 2, а также тангенциальный входной патрубок 3 и, расположенный на оси спирали, выходной патрубок 4. Спиральный канал, показанный на разрезе А-А фиг. 2, состоит из ряда секций в виде полуцилиндров 5 со ступенчато убывающими радиусами кривизны, смещенных друг относительно друга, образуя пылеотводящие щели 6 и разгрузочную щель 7. Между входом в спиральный канал 2 и полостью бункера выполнена щель 8.

Заявляемый фильтр-сепаратор снабжен средством 9 для регулирования площади поперечного сечения на входе спирального канала 2 в зоне щели 8.

Щель 8 выполнена с возможность регулирования ее размера.

Сепаратор целесообразно снабдить средством 10 для регулирования размера щели 8, которое целесообразно выполнить в виде пластины, жестко прикрепленной одним концом к внутренней стенке входного патрубка 3 и, являющейся ее продолжением, с возможностью перемещения другого конца, как консоли.

Инерционный фильтр-сепаратор целесообразно снабдить средством для изменения направления течения газа, установленным на выходе спирального канала 2, выполненным в виде профилированной решетки поверхностей, образующих каналы, расположенные под углом 90^o к спиральному каналу 2.

Инерционный фильтр-сепаратор целесообразно снабдить перегородками 12, образующими каналы 13 от разгрузочной пылеотводящей щели 7 до щели 8, соединяющей полости 1 бункера с входной частью спирального канала 2.

Сущность предлагаемого инерционного фильтра-сепаратора, содержащего размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал, состоящий из ряда секций в виде полуцилиндров, с убывающим радиусом кривизны, смещенных друг относительно друга на высоту пылеотводящих щелей, а также тангенциальный входной и, расположенный по оси спирали, выходной патрубки, причем между входом в спиральный канал и полостью бункера выполнена щель, заключается в снабжении его средством для регулирования площади поперечного сечения спирального канала, установленным на его входе в зоне щели, соединяющей полость бункера со спиральным каналом.

Сущность предлагаемого инерционного фильтра-сепаратора заключается также в том, что щель, соединяющая полость бункера и вход спирального канала, выполнена с возможностью регулирования ее размера.

Сущность предлагаемого фильтра также заключается в том, что оно снабжено средством регулирования размера соединяющей щели выполненным в виде пластины, жестко закрепленной одним концом, являющейся продолжением внутренней стенки входного патрубка, с возможностью перемещения противоположного конца, (как консоль).

Сущность заявляемого устройства заключается также в том, что оно снабжено средством для изменения направления течения газа, установленным на выходе спирального канала.

Сущность заявляемого устройства заключается также в том, что средство для изменения направления течения газа выполнено в виде профилированной решетки поверхностей, образующих каналы, расположенные под углом 90^o к спиральному каналу.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что бункер пылесборника снабжен перегородками, образующими каналы от разгрузочной пылеотводящей щели до щели, соединяющей полость бункера с входом спирального канала.

Предложение поясняется чертежами в том числе на фиг. 1 изображен общий вид инерционного фильтра-сепаратора, где:
1-бунке пылесборник, 2-спиральный канал, 3-входной патрубок, 4-выходной патрубок.

На фиг.2 изображен разрез по А-А (см. фиг.1), где:
5-полуцилиндрические секции, образующие спиральный канал, 6-пылеотводящие щели, 7-разгрузочная щель, 9-средство для регулирования площади поперечного сечения канала, 10-средство для регулирования размера соединяющей щели, 11-профилированная решетка поверхностей, 12-перегородки в бункере, 13-каналы в бункере.

Процесс извлечения твердой фазы из газовой среды происходит следующим образом. Загрязненный газ по тангенциальному входному патрубку 3 подается в криволинейные секции спирального канала 2. Твердые частицы более высокой плотности чем плотность газа, протекающего по криволинейным каналам, под действием центробежной силы инерции смещаются в каждой секции к ее внешней стенке. Из первой секции спирального канала примесь с частью расхода поступает через разгрузочную щель 7 в бункер. Этот расход, составляющий 1/4 1/5 от полного, после выделения и осаждения твердых частиц в бункере снова направляется через соединяющую щель 8 на вход в спиральный канал. В каждой секции спирального канала 2 поток делится на 2 части: пристеночный (у внешней стенки) с большой концентрацией примеси, который через пылеотводящие щели 6 направляется в предшествующие секции, а оставшийся отсепарированный поток поступает в последующие по течению секции. В заявляемом устройстве созданы условия для взаимодействия вновь поступающих на сепарацию частиц с частицами движущимися в концентрированных слоях, поступающими в предшествующие секции. Таким образом, дополнительно к центробежному эффекту создается эффект фильтрации.

Основная трудность пылегазоочистке устройствами инерционного типа это извлечение частиц размером менее 10 мкм. Ввиду малости массы таких частиц центробежная сила инерции, действующая в поперечном направлении и отбрасывающая ее к внешней стенке канала, исчезающе мала. В заявленном устройстве эффект фильтрации позволяет извлекать из потока мелкие частицы в значительно большей степени (на 20-25%), чем в обычных циклонах. Однако, чтобы достичь такого результата необходимо выполнить следующие условия:
1)При поступлении отсепарированной примеси в бункер через разгрузочную щель в нем вследствие восстановления скоростного напора может возникнуть повышенное давление (подпор) на величину Δp = ρv²/2 (где v скорость движения газа в канале, ρ плотность). При возникновении подпора Dp траектории движения мелких частиц, как установлено в лабораторных испытаниях, искривляются в направлении к центру при подходе к разгрузочной щели и мелкие частицы уносятся в следующую внутреннюю секцию спирального канала. Следует заметить, что крупные частицы, обладающие достаточным импульсом mv²/2 > Δp (m масса частицы) беспрепятственно пролетают в бункер. Необходимый перепад давления может создать и поддерживать (регулировать) в области щели 8, соединяющей полость бункера 1 и входную часть спирального канала 2 путем изменения площади поперечного сечения. С уменьшением площади сечения увеличивается скорость течения и падает статическое давление, появляется требуемое разряжение в бункере 1, способствующее поступлению мелких частиц в бункер.

2)Поступившие в бункер 1 мелкие частицы, не успев осесть, могут снова уноситься из него в спиральный канал 2. Для повышения эффективности осаждения частиц мелкой фракции в бункере предусматривается устройство системы перегородок, которые организуют движение и удлиняют путь потока в бункере, создавая условия для осаждения мелких частиц. Эффективность извлечения мелких частиц повышается при этом на 5 7%
Одним из основных недостатков прототипа является высокое гидравлическое сопротивление. Полный перепад давления Δp_o затрачиваемый на прокачку газа по всему проточному тракту может достигать величины, измеряемой в долях скоростного напора на входе спирального канала, может достигать величины ξ = 2Δp_o/ρv²= 12-15 и более. Теоретическая оценка, подтверждаемая опытными данными показывает, что и на преодоление гидравлического трения в спиральном канале состоящем, например, из 5-7 секций, безразмерный перепад давления составляет ξ_ск= 1.5, вся остальная доля перепада давления приходится на преодоление гидравлического сопротивления центральной части устройства. Такое большое гидравлическое сопротивление обусловлено формированием интенсивного вращательного движения в центральной части сепаратора, скорости в котором достигают, как показали эксперименты, двух трехкратного значения скорости в канале, т.е. скоростной напор возрастает в 5 10 раз.

Снабжение устройства профилированной решеткой исключает образование вращательного движения и изменяет направление течения на 90^o от тангенциального в спиральном канале 2 до осевого в центральной, соединенной с выходным патрубком 4. Перепад давления в спиральном канале, включая входной участок, равен 1.5. А сопротивление центральной части в этом случае, согласно справочным данным [3] не превышает ξ_ц-3.5. Т.е. полное гидравлическое сопротивление, характеризуемое коэффициентом сопротивления будет порядка ξ_o 5. Испытания подтвердили это значение. Таким образом, заявленное устройство в 2 3 раза снижает гидравлическое сопротивление, которое присуще прототипу.

Если принять расчетную скорость на входе в спиральный канал v20 м/с, а плотность ρ = 1,2 кг/м³ гидравлическое сопротивление заявленного фильтра-сепаратора составит h = ξ_oρv²/2 1200Па.

Очевидно, что заявленные признаки устройства улучшают инерционный фильтр-сепаратор: существенно повышают его эксплуатационные качества - повышают коэффициент очистки газов и одновременно снижают энергозатраты. Все это позволяет эффективно использовать его в различных областях промышленности (металлургическая, горнодобывающая, производство строительных материалов и пищевых продуктов, химическая и др. ), энергетике, транспорте и сельском хозяйстве.

Использование: для очистки газов от пылевидных частиц в различных областях техники. Сущность изобретения: Инерционный фильтр-сепаратор состоит из бункера-пылесборника, спирального канала, состоящего из ряда секций в виде полуцилиндров с убывающим радиусом кривизны, смещенных друг относительно друга на высоту пылеотводящих щелей, а также тангенциального входного и расположенного по оси спирали выходного патрубка. Устройство для регулирования площади поперечного сечения установлено на входе спирального канала в зоне щели, соединяющей полость бункера со спиральным каналом. Эта щель выполнена с возможностью регулирования ее размера. 1 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инерционный фильтр-сепаратор, содержащий размещенный в полости бункера-пылесборника спиральный канал, состоящий из ряда секций в виде полуцилиндров, с убывающим радиусом кривизны, смещенных друг относительно друга на высоту пылеотводящих щелей, а также тангенциальный входной и расположенный по оси спирали выходной патрубки, причем между входом в спиральный канал и полостью бункера выполнена щель, отличающийся тем, что он снабжен средством для регулирования площади поперечного сечения спирального канала, установленным на его входе в зоне щели, соединяющей полость бункера со спиральным каналом. 2. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что щель, соединяющая полость бункера и вход спирального канала, выполнена с возможностью регулирования ее размера. 3. Фильтр-сепаратор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен средством регулирования размера соединяющей щели, выполненным в виде пластины, являющейся продолжением внутренней стенки входного патрубка, жестко закрепленной одним концом с возможностью перемещения другого конца. 4. Фильтр-сепаратор по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен средством для изменения направления течения газа, установленным на выходе спирального канала. 5. Фильтр-сепаратор по пп.1 4, отличающийся тем, что средство для изменения направления течения газа выполнено в виде профилированной решетки поверхностей, образующих каналы, расположенные под углом 90^o к спиральному каналу. 6. Фильтр-сепаратор по пп.1 5 отличающийся тем, что бункер пылесборника снабжен перегородками, образующими каналы от разгрузочной пылеотводящей щели до щели, соединяющей полость бункера с входной частью спирального канала.