Устройство центробежной очистки аэрогидропотока Российский патент 2023 года по МПК B01D45/12 B04C5/08 B04C5/12 

Предлагаемое изобретение относится к области очистки аэрогидропотока, газа и др. от примесей и пыли, в частности к устройствам очистки аэрогидропотока с применением центробежной силы, и может быть использовано в газовой, газодобывающей, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Известен «Аэровинтовой циклон-сепаратор» патент РФ на изобретение № 2442662, содержащий конический корпус, входной тангенциальный патрубок, связанный с корпусом, соосно расположенную в корпусе винтовую вставку, охватывающую выхлопную трубу, герметичное выводное устройство, связанное с корпусом, при этом винтовая вставка в корпусе выполнена изменяемого диаметра, регулируемого шага и количества заходов с образованием внутри корпуса его внутренней поверхностью, витками винтовой вставки и наружной поверхностью выхлопной трубы уменьшающегося винтового объема, достигающего нижнего торца выхлопной трубы с регулируемой винтовой воронкой, отстоящей от верхней стенки выводного устройства и от введенного в устройство подвижного элемента с изменяемой конической поверхностью на регулируемые расстояния, а верхний торец выхлопной трубы, являющийся вершиной усеченного конуса, с соосно расположенными в нем стержнем с винтовой поверхностью с регулируемыми диаметрами и длиной и отстоящим от него патрубком на регулируемое расстояние заключены в герметичную камеру, соединенную с герметичным контейнером, при этом боковая поверхность корпуса выполнена с регулируемой перфорацией и оборудована имеющими каналы герметичными контейнерами, перекрывающими названную перфорацию и предназначенными для сбора и вывода фракций в выводное устройство.

К недостаткам известного технического решения можно отнести сложность конструкции и изготовления устройства. При этом, конструкция устройства не обеспечивает качественную очистку аэрогидропотока, поскольку конструкцией устройства обусловлен резкий переход мельчайших частиц на восходящую траекторию аэрогидропотока и унос их в выхлопную трубу вместе с очищенным потоком, при этом восходящий поток, огибая подвижный элемент- рассекатель, смешивается с не полностью очищенным потоком, выходящим из винтовой вставки и далее попадает в винтовую воронку осложняя процесс очистки.

Известно другое конструктивное решение - патент РФ № 207150 - прототип. «Устройство центробежной очистки аэрогидропотока», содержащее корпус конической формы, входной тангенциальный патрубок, связанный с корпусом, выхлопную трубу цилиндрической формы, на которой расположена выполненная с конической обечайкой коническая винтовая вставка, состоящая из винтовых секций, расположенных соосно одна в другой, образуя по меньшей мере хотя бы один винтовой канал, отводящие окна, выполненные на конической обечайке, при этом соотношение площади сечения входного канала винтовой вставки к площади сечения выходного канала неизменно и находится в пропорции 3:1, спираль конической винтовой вставки имеет переменный шаг, уменьшающийся в сторону выхода винтового канала, причем поперечное сечение выхлопной трубы по своей площади имеет отношение к площади поперечного сечения входного патрубка 1,5:1, а также отводящие окна конической обечайки, охватывающей винтовые секции, расположены через 60 градусов друг от друга конической обечайки в соответствии каждому из шести витков винтовой секции.

К недостаткам прототипа можно отнести пониженную эффективность очистки аэрогидропотока, поскольку конструкцией не предусмотрена возможность отдавливания аспирированных частиц подальше от винтовой вставки и центра восходящего потока, что обуславливает попадание частиц на восходящую траекторию аэрогидропотока и уносом их в выхлопную трубу с очищенным потоком. Поэтому к недостаткам можно отнести конструктивное расположение выхода каналов винтовой вставки близко к центру восходящего потока, из-за которого некоторые частицы будут продолжать витать в полости, тем самым также повышая вероятность попадания и уноса их в восходящий поток.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков аналога и прототипа, а именно создание простой и надёжной конструкции, обеспечивающей повышение качества очистки аэрогидропотока от примесей и частиц, за счёт конструктивного отдаления выхода винтового канала от центра восходящего потока, ограничения возможности попадания аспирированных частиц в восходящий аэрогидропоток и отвода оставшихся и витающих в полости трубы частиц для повторной отчистки и прохождения по винтовой вставки через систему: винтовой канал- выхлопная труба - винтовой канал, что делает возможным удаление оставшихся частиц примесей из аэрогидропотока.

Поставленный предполагаемым изобретением технический результат достигается известными с прототипом признаками, включающими корпус, выполненный из двух сопряжённых частей с тангенциально смонтированным входным патрубком, установленной внутри корпуса выхлопной трубой со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с обечайкой с аспирационными окнами и новыми признаками, включающими выполнение выхлопной трубы из двух частей: нижней - конической смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала с, по меньшей мере, одним окном рециркуляции в верхней его части, и верхней - цилиндрической части, выполненной в виде двух труб размещённых одна в другой - внутренней и наружной, формирующих между собой закрытую полость, при этом в нижней части наружной трубы выполнено окно эжекции, которое соединяет закрытую полость и пространство первого витка винтового канала, а окно рециркуляции соединяет закрытую полость и полость конической части трубы.

Окно эжекции, по площади, выполнено больше, чем окно рециркуляции.

Винтовая вставка выполнена на внешней поверхности конической части трубы.

Обечайка винтовой вставки выполнена цилиндрической формы с крышкой, закрывающей винтовую вставку снаружи.

Аспирационные окна обечайки выполнены на уровне каждого витка винтового канала.

Корпус выполнен из двух сопряжённых частей: верхней - цилиндрической и нижней - конической в виде перевёрнутого усечённого конуса.

Корпус оснащён рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным под нижним срезом выхлопной трубы, при этом диаметр рассекателя выполнен равным от 25 до 80 % диаметра нижнего среза выхлопной трубы.

Корпус может быть оснащён бункером с дополнительной вставкой цилиндрической формы.

Новизной является выполнение выхлопной трубы устройства из двух частей: нижней - конической, смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала с, по меньшей мере, одним окном рециркуляции в верхней его части, и верхней - цилиндрической части, выполненной в виде двух труб размещённых одна в другой - внутренней и наружной, формирующих между собой закрытую полость, при этом в нижней части наружной трубы выполнено окно эжекции, которое соединяет закрытую полость и пространство первого витка винтового канала, а окно рециркуляции соединяет закрытую полость и полость конической части трубы.

Признак выполнения выхлопной трубы из двух частей: нижней- конической, смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала, а верхней цилиндрической формы обеспечивает простоту конструкции и её изготовления. При этом, выполнение нижней части в виде конфузора обеспечивает вывод каналов винтовой вставки подальше от центра восходящего потока, т.е. расширенная часть трубы обеспечивает дистанцию между центром восходящего потока и недоочищенным аэрогидропотоком выходящим с каналов винтовой вставки. Направляет его в стороны и предотвращает его попадание в выхлопную трубу

При этом, признак выполнения нижней части выхлопной трубы в виде конфузора одновременно обеспечивает как формирование внутренней поверхности конического винтового канала, так и снижение скорости частиц и восходящего потока в конфузоре, что даёт возможность этим частицам агломерироваться, выпадать из восходящего потока и осаждаться.

Признак выполнения конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала с, по меньшей мере, одним окном рециркуляции в верхней его части обеспечивает возможность отвода, оставшихся и витающих в полости трубы частиц в закрытую полость, сформированную в верхней цилиндрической части с окном эжекции, для повторной очистки и прохождения по винтовой вставке через систему: винтовой канал - выхлопная труба - винтовой канал, что делает возможным удаление оставшихся частиц примесей из аэрогидропотока.

Признак выполнения верхней цилиндрической части в виде двух труб, размещённых одна в другой - внутренней и наружной, формирующих между собой закрытую полость обеспечивает прямой и беспрепятственный выход окончательно очищенного аэрогидропотока в полости внутренней трубы и, одновременно, отвод витающих частиц и частично очищенного аэрогидропотока на повторную очистку через закрытую полость в винтовую вставку. При этом, формирование закрытой полости обеспечивает получение зоны пониженного давления и возможность многократного повторения цикла очистки аэрогидропотока от оставшихся частиц при помощи, по меньшей мере, одного окна рециркуляции и окна эжекции.

Признак выполнения в нижней части наружной трубы окна эжекции, соединяющего закрытую полость и пространство первого витка винтового канала, обеспечивает возможность создания эффекта эжекции, когда аэрогидропоток, входящий по тангенциально выполненному патрубку с большой скоростью, засасывает частично очищенный аэрогидропоток из закрытой полости и увлекает за собой в винтовую вставку для повторного прохождения и очистки.

Признак соединения окном рециркуляции закрытой полости и полости конической части трубы обеспечивает постоянное удаление витающих частиц из выхлопной трубы в закрытую полость, сформированную между внутренней и наружной трубами. А также, в совокупности с окном эжекции, обеспечивает возможность осуществления эффекта эжекции для постоянного удаления витающих частиц и повторения цикла очистки недоочищенного аэрогидропотока.

Признак выполнения окна эжекции, по площади, больше, чем окно рециркуляции способствует эффективному осуществлению эффекта эжекции. Так, если окно эжекции будет по площади выполнено равным или менее, чем окно рециркуляции, то эффект эжекции будет проходить не эффективно, слабее.

Признак выполнения винтовой вставки на внешней поверхности конической части трубы способствует наиболее эффективному осуществлению очистки аэрогидропотока. При этом, наличие конической части способствует сохранению условия прохождения аэрогидропотока по каналу винтовой вставки с необходимой скоростью, поскольку канал сужается, как и в других устройствах.

Признак выполнения обечайки винтовой вставки цилиндрической формы с крышкой, закрывающей винтовую вставку снаружи, способствует формированию каналов винтовой вставки и простоту изготовления, поскольку в отличие от известных устройств, цилиндрическую обечайку проще изготовить герметичной предупреждая возникновение перетоков между верхними и нижними витками винтового канала, и турбулентности. А наличие крышки способствует направлению аэрогидропотока непосредственно по винтовому каналу вставки обеспечивая его герметичность предупреждая «подсасывание».

Признак выполнения аспирационных окон обечайки на уровне каждого витка винтового канала способствует наиболее эффективному и равномерному удалению частиц из аэрогидропотока.

Признак выполнения корпуса из двух сопряжённых частей: верхней - цилиндрической и нижней - конической в виде перевёрнутого усечённого конуса, способствует более эффективной и качественной отчистке аэрогидропотока от мелких частиц. Цилиндрическая часть обеспечивает возможность отдавливания аспирированных частиц подальше от винтовой вставки, тем самым максимально отдаляя аспирированные частицы от винтовой вставки, снижая при этом их скорость. Нижняя часть корпуса, в виде перевёрнутого усечённого конуса, способствует выводу и осаждению уже замедливших своё движение аспирированных частиц, направляет к бункеру. Выполнение нижней части корпуса в виде перевёрнутого конуса способствует подхвату мелких частиц, удалённых через аспирационные окна в нижней части винтовой вставки, более крупными частицами, удалёнными через аспирационные окна в верхней части винтовой вставки. Например, если бы корпус устройства был полностью цилиндрической формы, то аспирированные частицы, в силу разной величины и веса, осаждались бы на разном расстоянии от винтовой вставки. Частицы с большим весом, по инерции, удалялись бы от винтовой вставки дальше, чем более мелкие частицы. Таким образом, свободно витающие частицы могут быть подхвачены восходящим потоком.

Признак оснащения корпуса рассекателем восходящего аэрогидропотока смонтированным под нижним срезом выхлопной трубы, при этом диаметр рассекателя выполнен равным от 25 до 80 % диаметра нижнего среза выхлопной трубы, способствует дополнительной защите от попадания аспирированных частиц в очищенный воздух через восходящий аэрогидропоток. Так, признак выполнения диаметра рассекателя равным от 25 до 80 % диаметра нижнего среза выхлопной трубы, способствует свободной циркуляции нисходящего потока, поступающего из винтового канала, и восходящего поток, предупреждая подхват аспирированных частиц восходящим аэрогидропотоком. При этом, аспирированные частицы оседают, а оставшаяся их часть в аэрогидропотоке, огибая рассекатель агломерируются и выпадает в осадок. Если диаметр рассекателя выполнить менее 25 % диаметра нижнего среза выхлопной трубы, то агломерации мелких частиц будет протекать не достаточно эффективно, что отрицательно скажется на очистке аэрогидропотока, поскольку увеличится вероятность попадания и унос частиц вместе с очищенным потоком. Если диаметр рассекателя выполнить более, чем 80% диаметра нижнего среза выхлопной трубы, то восходящий поток может смешаться в нисходящим из винтового канала, что также отрицательно повлияет на качество отчистки аэрогидропотока.

Признак оснащения корпуса бункером с дополнительной вставкой цилиндрической формы способствует аккуратному осаждению аспирированных частиц, поскольку выполнение вставки цилиндрической формы также способствует удалению аспирированных частиц подальше от центра восходящего потока.

Таким образом, именно сочетание всех вышеуказанных признаков предлагаемой конструкции устройства обеспечивает комплексный подход к очистке: во первых - это обеспечение возможности отдавливания аспирированных частиц подальше от винтовой вставки и центра восходящего потока, во вторых - ограничение возможности попадания аспирированных частиц в восходящий аэрогидропоток, в третьих - отвод оставшихся и витающих в полости трубы частиц для повторной очистки и прохождения по винтовой вставке через систему: винтовой канал- выхлопная труба - винтовой канал. И именно совокупность указанных признаков обеспечивает получение поставленного технического результата - создание простой и надёжной конструкции, обеспечивающей повышение качества очистки аэрогидропотока от примесей и частиц.

Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники, не вытекает из него явным образом и позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.

Согласно проведенных патентно-информационных исследований, сочетания известных и новых признаков предполагаемого изобретения в источниках патентной и научно - технической информации не обнаружено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.

Описание осуществления предполагаемого изобретения и проведенные опытные работы позволяют отнести предполагаемое изобретение к промышленно выполнимым.

На фиг. 1 схематично показано устройство в разрезе.

На фиг. 2 схематично показана выхлопная труба устройства со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой с цилиндрической обечайкой и конфузором, формирующим внутреннюю поверхность

Устройство центробежной очистки аэрогидропотока состоит из корпуса, выполненного из двух сопряжённых частей: верхней - цилиндрической 1 части и нижней части - конической 2 в виде перевёрнутого усечённого конуса, с тангенциально смонтированным входным патрубком 3, установленной внутри корпуса выхлопной трубой со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал 4 с обечайкой 5 с аспирационными окнами 6. При этом, выхлопная труба выполнена из двух частей: нижней - конической 7, смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность 8 конического винтового канала 4 с, по меньшей мере, одним окном рециркуляции 9 в верхней его части, и верхней - цилиндрической части, выполненной в виде двух труб размещённых одна в другой - внутренней 10 и наружной 11, формирующих между собой закрытую полость 12, при этом в нижней части наружной трубы выполнено окно эжекции 13, которое соединяет закрытую полость12 и пространство первого витка винтового канала 4, а окно рециркуляции 9 соединяет закрытую полость 12 и полость 14 конической части трубы. Обечайка 5 выполнена цилиндрической формы с крышкой 15, закрывающей винтовую вставку. Под нижним срезом 16 выхлопной трубы, при помощи закреплённых на нём спиц, смонтирован рассекатель 17 равный 50 % диаметра нижнего среза 16 выхлопной трубы, а в нижней части корпуса установлен бункер 18 с дополнительной вставкой 19 цилиндрической формы.

Устройство работает следующим образом:

Аэрогидропоток через тангенциально смонтированный входной патрубок 3 поступает в винтовую вставку со скоростью 15 м/с. При этом, скорость расчётная, применяется для определения производительности оборудования. Примеси: пыль и частички, с помощью и под воздействием центробежной силы отдавливаются к обечайке 5 винтовой вставки, и через аспирационные окна 6 выводятся из винтовой вставки. Наиболее крупные частицы выводятся первыми ещё в верхней части винтовой вставки, после чего центробежная сила отводит их к стенкам цилиндрической 1 части корпуса. А чем более лёгкие частицы примеси, тем ниже они выводятся из канала винтовой вставки, после чего аспирированные частицы осаждаются и при помощи нижней 2 части корпуса - конической в виде перевёрнутого усечённого корпуса, направляются в бункер 18. При этом, наиболее крупные частицы увлекают за собой более лёгкие и мелкие, так как у более мелких и лёгких частиц быстрее рассеивается инерция и чем меньше частицы, тем раньше они начинают оседать. Например, наиболее лёгкие - практически сразу, как только выходят через аспирационные окна из винтового канала, а выполнение нижней части корпуса конической формы предотвращает возможность их витания и подхвата восходящим потоком, поскольку сужаясь, направляет ранее аспирированные - более крупные частицы к мелким позволяя им увлечь за собой более мелкие. Наличие рассекателя 17 способствует более эффективному протеканию процесса агломерации. Так, выполнение рассекателя диаметром равным 50 % диаметра нижнего среза 16 выхлопной трубы способствует свободной циркуляции нисходящего аэрогидропотока - поступающего из винтового канала 4 и формирующегося восходящего потока, минимизируя возможность подхвата им мелких аспирированных частиц.

Те частицы примесей, которые преодолели эти обстоятельства, через, по меньшей мере, одно окно рециркуляции 9 попадают из полости 14 конической части трубы в закрытую полость 12 - в зону пониженного давления сформированную между внутренней 10 и наружной 11 трубами цилиндрической части выхлопной трубы. После чего под воздействием эжекции, через окно эжекции 13 увлекаются во входящий аэрогидропоток- в пространство первого витка винтового канала для повторного прохождения по винтовой вставке и очистке через систему: винтовой канал- выхлопная труба - винтовой канал.

Таким образом очевидно, что именно совокупность указанных признаков обеспечивает получение поставленного технического результата.

В настоящее время разработаны чертежи и изготовлен опытный образец установки, показавший хорошие и стабильные результаты очистки аэрогидропотока. В ближайшее время будет принято решение о запуске предлагаемой конструкции установки в производство.

Изобретение относится к области очистки аэрогидропотока, газа и др. от примесей и пыли, в частности к устройствам очистки аэрогидропотока с применением центробежной силы, и может быть использовано в газовой, газодобывающей, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Устройство центробежной очистки аэрогидропотока включает корпус, выполненный из двух сопряжённых частей с тангенциально смонтированным входным патрубком, установленной внутри корпуса выхлопной трубой со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с обечайкой с аспирационными окнами. Выхлопная труба выполнена из двух частей: нижней – конической, смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала с по меньшей мере одним окном рециркуляции в верхней его части, и верхней - цилиндрической части, выполненной в виде двух труб, размещённых одна в другой – внутренней и наружной, формирующих между собой закрытую полость. В нижней части наружной трубы выполнено окно эжекции, которое соединяет закрытую полость и пространство первого витка винтового канала, а окно рециркуляции соединяет закрытую полость и полость конической части трубы. Технический результат: создание простой и надёжной конструкции, обеспечивающей повышение качества очистки аэрогидропотока от примесей и частиц. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство центробежной очистки аэрогидропотока, содержащее корпус, выполненный из двух сопряжённых частей с тангенциально смонтированным входным патрубком, установленной внутри корпуса выхлопной трубой со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с обечайкой с аспирационными окнами, отличающееся тем, что выхлопная труба выполнена из двух частей: нижней - конической, смонтированной в верхней части корпуса и выполненной в виде конфузора, формирующего внутреннюю поверхность конического винтового канала, с по меньшей мере одним окном рециркуляции в верхней его части, и верхней - цилиндрической части, выполненной в виде двух труб, размещённых одна в другой – внутренней и наружной, формирующих между собой закрытую полость, при этом в нижней части наружной трубы выполнено окно эжекции, которое соединяет закрытую полость и пространство первого витка винтового канала, а окно рециркуляции соединяет закрытую полость и полость конической части трубы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что окно эжекции по площади выполнено больше, чем окно рециркуляции.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что винтовая вставка выполнена на внешней поверхности конической части трубы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обечайка винтовой вставки выполнена цилиндрической формы с крышкой, закрывающей винтовую вставку снаружи.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аспирационные окна обечайки выполнены на уровне каждого витка винтового канала.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из двух сопряжённых частей: верхней – цилиндрической и нижней - конической в виде перевёрнутого усечённого конуса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус оснащён рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным под нижним срезом выхлопной трубы, при этом диаметр рассекателя выполнен равным от 25 до 80 % диаметра нижнего среза выхлопной трубы.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус может быть оснащён бункером с дополнительной вставкой цилиндрической формы.