ЦИКЛОН Российский патент 1998 года по МПК B01D51/08 B04C5/00 

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 тангенциальной составляющей скорости, что уменьшает гидропотери, связанные с разворотом газового потока (SU 1472137, 15.04.89, SU 1526839 07.12.89).

Однако при снижении тангенциальной скорости уменьшаются центробежные силы и степень сепарации влаги и механических примесей.

Данного недостатка лишен циклон, у которого корпус состоит из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, а осевая отводящая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней. В этом случае восстановление давления газового потока перед его разворотом происходит в сферическом диффузоре, где возникают дополнительные центробежные силы при обтекании потоком сферических стенок (SU 1766526, 07.10.92).

В описанном циклоне происходит некоторое снижение температуры точки росы сжатого газа, которое объясняется уменьшением статической температуры газового потока в камере сепарации. Однако этот эффект незначителен.

Известен также циклон, у которого осевая отводящая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней сферической стенке и переходящую в тороидальную поверхность меньшего радиуса кривизны, камера закручивания образована внутренней полостью тангенциального соплового ввода, а камера-сборник отделена от камеры закручивания стенкой, сообщается с ней отверстиями и совмещена с верхним концом осевой трубы (SU 2071839, 20.01.97).

В данном циклоне камера-сборник является резонатором, индуцирующим в камеру закручивания акустические колебания, способствующие конденсации влаги, каплеобразованию, коагуляции твердых частиц и, как следствие, повышению качества очистки. Однако мощность акустических колебаний в данном случае невелика, поэтому снижение температуры точки росы, вызванное колебаниями, составляет всего 2 - 3^o, т.е. снижение влагосодержания очищаемого газа невелико.

Целью изобретения является повышение степени очистки сжатого воздуха за счет создания в полости циклона акустического резонанса и снижения температуры точки росы.

Поставленная цель достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус, состоящий из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую отводящую трубу, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней и переходящую в тороидальную поверхность, камеру закручивания, образованную внутренней полостью тангенциального соплового ввода, выходной штуцер и камеру-сборник, расположенную над тангенциальным сопловым вводом, отделенную от камеры закручивания стенкой и сообщающуюся с ней отверстиями, в области минимального сечения тангенциального соплового ввода дополнительно размещен приемник акустических колебаний, который выполнен в виде резонаторной полости, сообщается с полостью тангенциального соплового ввода узкой щелью и имеет с камерой-сборником акустическую связь в виде отверстия в стенке, а отверстия в стенке, сообщающие камеру-сборник с камерой закручивания, имеют диаметр и длину, настраивающие полость циклона в резонанс с камерой-сборником, осевая отводящая труба соединена со стенкой с возможностью вертикального перемещения и изменения зазора между ней и выходным штуцером, приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустико-электрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов, питающимся от внешнего источника электрического тока, и электроакустическим преобразователем, а последний из них совмещен акустической связью с камерой закручивания.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что в стенке, отделяющей камеру-сборник от камеры закручивания, в области минимального сечения тангенциального соплового ввода размещен приемник акустических колебаний, который сообщается с камерой-сборником акустической связью, а отверстия в стенке имеют такие диаметры и длины, которые настраивают внутреннюю полость циклона в резонанс с камерой-сборником. Кроме того, приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустико-электрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов, питающимся от внешнего источника электрического тока, и электроакустическим преобразователем, а последний из них совмещен акустической связью с камерой закручивания.

Таким образом, наличие в предложенной конструкции новых элементов доказывает соответствие предложенного технического решения критерию "новизна".

В конструкции прототипа обтекание закрученным потоком воздуха выпуклой сферической поверхности, расположенной на нижнем конце осевой трубы, приводит к отрыву потока в некоторой точке. Причем точка отрыва потока может перемещаться из-за неустойчивости процесса отрыва. Изменение положения точки отрыва потока с криволинейной поверхности приводит к возникновению и поддерживанию акустических колебаний в потоке, которые способствуют конденсации влаги и коагуляции твердых частиц, что повышает степень очистки данного циклона. Камера-сборник в конструкции прототипа может служить резонатором и способствует росту амплитуды акустических колебаний в полости циклона - прототипа. Новые элементы предложенного устройства: приемник акустических колебаний, имеющий акустическую связь с камерой-сборником, и отверстия определенного диаметра и длины, настраивающие внутреннюю полость циклона в резонанс с камерой-сборником, позволяют использовать акустическую энергию потока, имеющего в месте расположения приемника акустических колебаний наибольшую скорость и, следовательно, наибольшую кинетическую энергию, для создания в камере-сборнике и в полости циклона акустических колебаний большей интенсивности, чем в прототипе.

Наличие в предложенном устройстве широкополосного фильтра и усилителя электрических колебаний позволяет изменять частоту и интенсивность акустических колебаний, передающихся в камеру закручивания циклона, настраивать их оптимальным образом с целью увеличения конденсации влаги, коагуляции твердых частиц и повышения, в конечном итоге, степени очистки циклона.

Таким образом, применение новых элементов в сочетании с известными элементами приводит к снижению температуры точки росы и повышению степени очистки циклона, что обуславливает полезность отличий предложенного технического решения.

Отличительные признаки в своей совокупности не были выявлены в других технических решениях в данной области техники, они являются необходимыми и достаточными для достижения поставленной цели, то есть повышения степени очистки сжатого газа.

На фиг. 1 показан продольный разрез предложенного циклона; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 показаны элементы конструкции по п. 2 формулы изобретения.

Циклон содержит штуцер 1 подвода сжатого газа, тангенциальный сопловый ввод 2, камеру 3 закручивания, верхнюю 4 и нижнюю 5 обечайки, соединенные внешней сферической стенкой 6, осевую отводящую трубу 7, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку 8, переходящую в половину тора 9 с отверстием 10 для отвода жидкости, патрубок 11 для удаления масла, влаги и твердых частиц, выходной штуцер 12, камеру-сборник 13 с торцовой стенкой 14, имеющей отверстия 15, приемник 16 акустических колебаний, выполненный в виде резонаторной полости, размещенный в области минимального сечения тангенциального соплового ввода и сообщающийся с полостью тангенциального соплового ввода 2 узкой целью 17, а с камерой-сборником 13 - акустической связью, выполненной в виде отверстия 18.

Кроме того, в циклоне размещен в камере-сборнике 13 акустико-электрический преобразователь 19, соединенный акустической связью с приемником 16, а электрической связью - с находящимися вне циклона широкополосным фильтром 20 и усилителем 21, а также электроакустическим преобразователем 22, причем последний совмещен акустической связью с камерой 3 закручивания.

Циклон работает следующим образом.

Сжатый воздух или газ поступает через штуцер 1 и тангенциальный сопловый ввод 2 в камеру 3 закручивания, где приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил частицы масла, воды и механических примесей отбрасываются на поверхность обечайки 4, сферической стенки 6 и обечайки 5, откуда удаляются через патрубок 11. Обтекание потоком газа выпуклых криволинейных поверхностей 8 и 9 сопровождается отрывом потока под действием вторичного центробежного эффекта. Из-за неустойчивости процесса отрыва его место периодически меняет свое положение, что вызывает акустические колебания с собственной частотой циклона. Акустические колебания, совершаемые поперек вращающегося газового потока, приводят к каплеобразованию влаги и коагуляции твердых частиц, что повышает степень очистки циклона. Для усиления акустического воздействия на газовый поток на имеющееся акустическое поле накладываются колебания, индуцированные в камере-сборнике 13 с помощью приемника акустических колебаний 16. Приемник 16 расположен в области минимального проходного сечения тангенциального соплового ввода 2, где скорость газового потока максимальна. Поэтому в резонаторной полости приемника 16 образуются колебания высокой интенсивности, которые передаются через отверстие 18, являющееся акустической связью, в камеру-сборник 13, откуда через отверстия 15 передаются в камеру 3 закручивания. Осевая отводящая труба 7 соединена со стенкой 14 с возможностью вертикального перемещения и изменения зазора между трубой 7 и выходным штуцером 12, что позволяет регулировать собственную частоту камеры-сборника 13 при изменении зазора. Подбирая диаметр и длину отверстий 15, а также изменяя зазор между трубой 7 и выходным штуцером 12, колебания, индуцируемые камерой-сборником 13 в камеру 3 закручивания, настраиваются на оптимальную частоту, например на частоту собственных колебаний циклона или близкую к ней. Наложенные акустические поля интенсифицируют процесс каплеобразования, что приводит к конденсации влаги из газового потока, к снижению температуры точки росы и, как следствие, к повышению степени очистки циклона.

Акустико-электрический преобразователь 19 преобразует акустические колебания, получаемые от приемника 16, в электрические колебания, которые, проходя через фильтр 20, изменяют частоту, проходя через усилитель электрических колебаний 21, усиливаются от внешнего источника электрического тока и поступают в электроакустический преобразователь 22, где преобразуются в акустические колебания определенной частоты и интенсивности, оптимальные для каплеобразования в циклоне, и затем передаются в камеру 3 закручивания. Применение внешнего источника электрического тока позволяет значительно повысить интенсивность акустических колебаний, увеличить конденсацию влаги и каплеобразование.

Предложенный циклон не только сепарирует капельную влагу, но и осушает сжатый газ, что видно из результатов замеров температуры точки росы сжатого воздуха до циклона и после него, представленных в таблице.

Из таблицы видно, что величина температуры точки росы сжатого воздуха на выходе различна при различном влагосодержании исходного сжатого воздуха, что не может быть объяснено уменьшением статической температуры воздушного потока за счет его высокой скорости движения. Снижение температуры точки росы до -8^oC можно объяснить действием акустических колебаний. Если акустические колебания совершаются поперек потока газа, содержащего частицы влаги или механических примесей, то на частицы действуют силы, сближающие частицы, так как статическое давление газовой среды между частицами становится меньше, чем с противоположных сторон.

Анализ результатов испытаний циклона по п. 1 предложенной формулы изобретения показал, что влагосодержание сжатого воздуха снижается на 50 - 60% независимо от степени сухости исходного сжатого воздуха. По сравнению с прототипом, у которого эффект осушения сжатого воздуха был заметен лишь при положительной температуре точки росы исходного сжатого воздуха, у предложенного циклона эффект осушения одинаков как при положительных, так и при отрицательных температурах точки росы исходного сжатого воздуха.

Циклон предназначен для очистки сжатого воздуха или газа от влаги, масла и механических примесей. Корпус циклона состоит из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра. Камера закручивания образована внутренней полостью тангенциального соплового ввода. Камера-сборник расположена над тангенциальным сопловым вводом. В области минимального сечения тангенциального соплового ввода размещен приемник акустических колебаний, который выполнен в виде резонаторной полости, сообщается с полостью тангенциального соплового ввода узкой щелью и имеет с камерой-сборником акустическую связь в виде отверстия в стенке, а отверстия в стенке, сообщающие камеру-сборник с камерой закручивания, имеют диаметр и длину, настраивающие полость циклона в резонанс с камерой-сборником. Осевая отводящая труба соединена со стенкой с возможностью вертикального перемещения. Приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустикоэлектрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов и электроакустическим преобразователем. В циклоне обеспечивается высокая степень очистки сжатого воздуха. 1 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Циклон, содержащий корпус, состоящий из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую отводящую трубу, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней и переходящую в тороидальную поверхность, камеру закручивания, образованную внутренней полостью тангенциального соплового ввода, выходной штуцер и камеру-сборник, расположенную над тангенциальным сопловым вводом, отделенную от камеры закручивания стенкой и сообщающуюся с ней отверстиями, отличающийся тем, что в области минимального сечения тангенциального соплового ввода размещен приемник акустических колебаний, который выполнен в виде резонаторной полости, сообщается с полостью тангенциального соплового ввода узкой щелью и имеет с камерой-сборником акустическую связь в виде отверстия в стенке, а отверстия в стенке, сообщающие камеру-сборник с камерой закручивания, имеют диаметр и длину, настраивающие полость циклона в резонанс с камерой-сборником, осевая отводящая труба соединена со стенкой с возможностью вертикального перемещения и изменения зазора между ней и выходным штуцером. 2. Циклон по п.1, отличающийся тем, что приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустико-электрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов, питающимся от внешнего источника электрического тока, и электроакустическим преобразователем, а последний из них совмещен акустической связью с камерой закручивания.