Устройство центробежной очистки аэрогидропотока Российский патент 2023 года по МПК B01D45/12 B04C5/103 

Предполагаемое 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 большую металлоёмкость, что ведёт к удорожанию устройства. При этом, наличие сложной конструкции затрудняет последующее необходимое обслуживание установки, связанное с заменой и ремонтом изношенных элементов конструкции, что приводит к дополнительному удорожанию её обслуживания и ремонта во время эксплуатации.

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, обусловленную попаданием наиболее мелких частиц на восходящую траекторию и уносом в выхлопную трубу с очищенным воздушным потоком. Также к недостаткам можно отнести сложность обеспечения герметичности крепления обечайки к вставке, поскольку даже мельчайшие щели и зазоры между обечайкой и вставкой могут привести к возникновению перетоков между верхними и нижними каналами, и турбулентности. Это приведёт к необходимости ремонта установки или вовсе её выходу из строя, что делает конструкцию ненадёжной.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков аналога и прототипа, а именно создание простой и надёжной конструкции удобной в обслуживании во время эксплуатации, обеспечивающей качественную очистку аэрогидропотока от примесей связанную с ограничением возможности попадания аспирированных частиц в восходящий аэрогидропоток.

Поставленный предполагаемым изобретением технический результат достигается известными с прототипом признаками, включающими корпус, входной тангенциально смонтированный к корпусу патрубок, выхлопную трубу, со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с аспирационными окнами и новыми признаками включающими выполнение корпуса устройства в виде трёх частей: верхней - цилиндрической части с винтовым каналом формируемым винтовой вставкой и внутренним корпусом, средней - конической части корпуса и нижней - бункером, снабженным в верхней части направляющим коллектором, при этом устройство снабжено рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным в поперечном сечении средней конической части корпуса под нижним срезом выхлопной трубы, диаметр рассекателя восходящего аэрогидропотока выполнен в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0 : 1,0 до 1,0 : 1,8, а к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной плоскости с рассекателем, в соотношении 1,0: 2,0-3,0.

Верхняя-цилиндрическая часть корпуса и средняя - коническая часть по длине выполнены в соотношении 1: 1,5 - 2,5.

Направляющий коллектор связанный с конической частью корпуса выполнен в виде усечённого конуса с выполненными образующими под углом α равным от 20 до 30 градусов.

Направляющий коллектор может быть соединён с бункером посредством дополнительной, цилиндрической формы, вставки.

Рассекатель восходящего аэрогидропотока смонтирован под нижним срезом выхлопной трубы на расстоянии равным 1,5 диаметра выхлопной трубы.

Отношение площади сечения входного патрубка к площади сечения выхлопной трубы выполнено как 1: 2,5.

Внутренний корпус винтового канала выполнен в виде перевёрнутого усечённого конуса.

Новизной является выполнение корпуса устройства в виде трёх частей: верхней - цилиндрической части с винтовым каналом формируемым винтовой вставкой и внутренним корпусом, средней - конической части корпуса и нижней - бункером, снабженным в верхней части направляющим коллектором, при этом устройство снабжено рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным в поперечном сечении средней конической части корпуса под нижним срезом выхлопной трубы, диаметр рассекателя восходящего аэрогидропотока выполнен в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0 : 1,0 до 1,0 : 1,8, а к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной плоскости с рассекателем, в соотношении 1,0: 2,0-3,0.

Так, признак выполнения корпуса устройства в виде трёх частей обеспечивает более эффективную и качественную отчистку аэрогидропотока от частиц разной величины.

Признак выполнения верхней - цилиндрической части с винтовым каналом формируемым винтовой вставкой и внутренним корпусом обеспечивает разгон аэрогидропотока по винтовому каналу и выход, отброшенных центробежной силой, частиц через аспирационные окна в цилиндрический корпус. При этом, в верхней части винтового канала удаляются наиболее крупные частицы, далее по нисходящей - более мелкие. Выполнение корпуса в верхней части цилиндрическим обеспечивает максимально возможное удаление отброшенных частиц подальше от центра, поскольку при иной форме корпуса в зоне выброса частиц из винтового канала - скорость движения частиц падает и меньшие по размеру частицы могут попасть в восходящий воздушный поток.

Если винтовая вставка будет короче цилиндрической части корпуса, то соответственно возрастёт риск попадания частиц в восходящий воздушный поток, что ухудшит качество очистки, поскольку скорость вращения постепенно падает и частички устремятся обратно к центру. Если же винтовая вставка будет ниже цилиндрической вставки, то наиболее мелкие и тонкие частицы могут не успеть «отойти» и «отброситься» к стенкам корпуса во время вращения вокруг нижнего среза выхлопной трубы и также будут подхвачены восходящим потоком.

Наличие внутреннего корпуса, формирующего вместе с винтовой вставкой винтовой канал обеспечивает простоту конструкции и её надёжность исключая возможность возникновения турбулентности.

Выполнение средней - конической части корпуса обеспечивает увеличение воздействие центробежной силы по концентрической окружности по которой аспирированные частички движутся вниз. Это будет удерживать их у стенок корпуса, при этом, поскольку выхлопная труба расположена выше этой части корпуса, то уменьшается вероятность попадания даже мелких частиц в восходящий аэрогидропоток.

Выполнение третьей части корпуса - нижней, в виде бункера, снабженным в верхней части направляющим коллектором, обеспечивает направление и удержание аспирированных частиц у стенок бункера - подальше от его центра, где начинает формироваться восходящий воздушный поток.

Признак снабжения устройства рассекателем восходящего воздушного потока, смонтированным в поперечном сечении средней конической части корпуса под нижним срезом выхлопной трубы, обеспечивает дополнительную защиту от попадания в очищенный воздух всё же случайно попавших аспирированных частиц в восходящий воздушный поток. Поскольку рассекая восходящий аэрогидропоток поток «вынуждает» его, вместе с уносимыми частичками, обходить рассекатель - инициируя, при этом, соединение частиц над его поверхностью, их агломерацию и слипание, что приводит к их утяжелению и формированию хлопьев с последующим осаждением на его поверхности. При этом снижается скорость восходящего потока, что исключает возможность попадания агломерированных частиц в очищенный поток вместе с восходящим потоком.

Признак изготовления диаметра рассекателя восходящего аэрогидропотока в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0 : 1,0 до 1,0 : 1,8, обеспечивает наиболее эффективное выполнение функций рассекателя. Так, если диаметр рассекателя будет менее диаметра выхлопной трубы, то будет не достаточное снижение скорости восходящего воздушного потока, что уменьшит количество получения агломерированных частиц, при этом, даже агломерированные частички могут быть подхвачены и увлечены восходящим потоком. Выполнение диаметра рассекателя в соотношении к диаметру выхлопной трубы более чем к 1,8 помешает нисходящему потоку и приведёт к увеличению количества частиц, попадающих в восходящий поток, что ухудшит качество очистки аэрогидропотока.

При этом, одновременное выполнение диаметра рассекателя восходящего воздушного потока в соотношении к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной плоскости с рассекателем, в соотношении 1,0: 2,0-3,0 обеспечит, необходимый для эффективной очистки восходящего аэрогидропотока, баланс между свободным движением аэрогидропотоков направленных вниз и вверх, и их смешением, чтобы уменьшить вероятность подхвата аспирированых частиц в восходящий поток.

Если соотношение диаметра рассекателя к диаметру поперечного сечения корпуса менее чем 1,0: 2,0, нарушится свободный проход аэрогидропотока между рассекателем и стенками корпуса, что приведёт к некачественной очистке аэрогидропотока. Выполнение соотношения более, чем 1,0: 3,0 тоже отрицательно повлияет на качество очистки так как увеличится вероятность заброса аспирированных частиц в восходящий поток в связи с высокой скоростью восходящего потока.

Признак выполнения верхней-цилиндрической части корпуса и средней - конической части по длине в соотношении 1: 1,5 - 2,5 способствует лучшему удержанию частиц у стенок корпуса, поскольку чем длиннее и уже становится коническая поверхность корпуса, тем сильнее воздействие центробежной силы, соответственно, тем лучше частички удерживаются подальше от восходящего аэрогидропотока пока направляются в бункер. Без этого, вновь отброшенные частицы, не смогли бы попасть в бункер. Выполнение соотношения менее чем, к 1,5 будет не столь эффективным, а выполнение соотношения более чем к 2,5 уже никак практически не повлияет, а приведёт только к удорожанию конструкции.

Признак выполнения направляющего коллектора, связанного с конической частью корпуса, в виде усечённого конуса с выполненными образующими под углом α равным от 20 до 30 градусов, способствует наиболее эффективному направлению и «отбрасыванию» аспирационных частиц к стенкам бункера и выведению их из центральной зоны восходящего аэрогидропоока.

Признак возможности выполнения направляющего коллектора соединённым с бункером посредством дополнительной, цилиндрической формы, вставки; признак монтажа рассекателя восходящего аэрогидропотока под нижним срезом выхлопной трубы на расстоянии равным 1,5 диаметра выхлопной трубы; признак выполнения отношения площади сечения входного патрубка к площади сечения выхлопной трубы как 1: 2,5 и признак выполнения внутреннего корпуса винтового канала в виде перевёрнутого усечённого конуса - являются признаками дополнительными, способствующими достижению поставленного, предполагаемым изобретением, технического результата. Так, например, выполнение соединения направляющего коллектора с бункером посредством дополнительной вставки цилиндрической формы способствует сохранению эффективной возможности направления и собирания частиц даже при увеличении концентрации и количестве аспирированных частиц- в зависимости от того какой затвор будет выполнен в нижней части бункера. Если смонтирован шлюзовый затвор с мотор-редуктором, который в постоянном режиме будет отводить аспирированные частицы, тогда дополнительной вставки цилиндрической формы не потребуется. А если будет установлен дисковый затвор, который открывается и очищается в ручном режиме - дополнительная вставка понадобится, при этом её размер будет зависеть от частоты очищения бункера и объёма аспирированных частиц.

Выполнение монтажа рассекателя на расстоянии менее, чем 1,5 диаметра выхлопной трубы от её нижнего среза, помешает свободной циркуляции воздушных потоков и эффективному прохождению агломерации частиц. Если же расстояние будет более, чем 1,5 диаметра выхлопной трубы, то опять-таки не достаточно снизится скорость восходящего потока и какие-то частички смогут попасть в восходящий аэрогидропоток.

Признак выполнения отношения площади сечения входного патрубка к площади сечения выхлопной трубы как 1: 2,5 способствует снижению давления в выхлопной трубе и дополнительному уменьшению скорости восходящего аэрогидропотока на выходе из выхлопной трубы, что уменьшает вероятность попадания аспирированных частиц в очищенный поток, давая возможность оставшимся частицам, попавшим в поток, осесть.

Таким образом, именно сочетание всех вышеуказанных признаков позволяет получить поставленный технический результат - создание простой и надёжной конструкции удобной в обслуживании во время эксплуатации, обеспечивающей качественную очистку аэрогидропотока от примесей связанную с ограничением возможности попадания аспирированных частиц в восходящий воздушный поток.

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.

Устройство центробежной очистки аэрогидропотока состоит из корпуса, выполненного из трех частей: верхней - цилиндрической 1 части, средней - конической 2 части, нижней 3 части - бункера, оснащённого направляющим коллектором 4 с дополнительной вставкой 5. Устройство снабжено входным патрубком 6 и выхлопной трубой 7 со смонтированной вокруг неё, формирующей винтовой канал, винтовой вставкой 8 установленной во внутреннем корпусе 9 - изготовленного в виде перевёрнутого усечённого конуса. В корпусе 9 выполнены аспирационные окна 10. Установка снабжена рассекателем 11 восходящего аэрогидропотока смонтированным при помощи спиц 12 закрепленных на нижнем срезе выхлопной трубы 13. При этом, диаметр рассекателя 11 восходящего потока выполнен в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0: 1,0 до 1,0: 1,8, а к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной 14 плоскости, с рассекателем в соотношении 1,0: 2,0-3,0.

Устройство работает следующим образом:

Аэрогидропоток поступает через входной, тангенциально смонтированный к корпусу, патрубок 6, в результате чего возникает центробежная сила. Далее двигаясь по винтовой вставке 8 входящий поток набирает скорость. Поток проходит через винтовой канал и разгоняется за счет конической формы внутреннего корпуса 9, при этом в верхней части винтового канала, сформированного смонтированной вокруг выхлопной трубы 7 винтовой вставкой 8 и внутренним корпусом 9 через аспирационные окна 10 удаляются наиболее крупные частицы, далее по нисходящей - более мелкие. При этом, наличие цилиндрической 1 части корпуса обеспечивает максимальное удаление аспирированных частиц от центральной оси - зоны низкого давления, предупреждая тем самым возможность подхвата аспирированных частиц восходящим аэрогидропотоком. Далее коническая 2 часть корпуса, увеличивая центробежную силу потока и удерживая тем самым частицы направляет их вниз к месту соединения нижней части конического 2 корпуса (выполненного в виде перевёрнутого усечённого конуса) с направляющим коллектором 4, где происходит сбор аспирированных частиц и их дальнейшее направление вниз- в бункер 3. При этом, угол α, выполненный равным 23 градусам, в сочетании с центробежной силой, заданной средней конической 2 частью корпуса, эффективно отводит частицы к стенкам дополнительной вставки 5 цилиндрической формы, где скорость потока постепенно падает из- за такой формы дополнительной вставки 5 и частички оседают в бункер 3. В нижней части бункера начинает формироваться вихревой восходящий аэрогидропоток, который может увлечь за собой часть аспирированных частиц, поэтому для недопущения их попадания с восходящим потоком в очишенный аэрогидропоток, на пути этого потока при помощи спиц 12, закрепленных на нижнем срезе выхлопной трубы 13, жёстко смонтирован рассекатель 11. Место его положения - на расстоянии 1,5 диаметров выхлопной трубы 7 от нижнего среза и выполнение его диаметра равным диаметру выхлопной трубы (т.е. в соотношении 1 : 1) выполнены оптимальными для наиболее эффективной работы установки. Так обеспечивается свободное прохождение поступающего аэрогидропотока, и прохождение восходящего потока, который должен обойти рассекатель 11, потеряв в скорости и обеспечить агломерацию попавших в поток аспирированных частиц. Дальнейшее прохождение восходящего потока по выхлопной трубе 7 также будет замедлено за счёт выполнения площади сечения входного патрубка к площади сечения выхлопной трубы как 1: 2,5. Поскольку снизится давление и, соответственно, скорость, то оставшиеся частички, подхваченные восходящим потоком осядут. При этом, данную установку, благодаря простоте её конструкции, по сравнению с более сложными и металлоёмкими конструкциями, легко обслуживать во время эксплуатации, устройство обеспечивает качественную очистку аэрогидропотока от примесей и обеспечивает ограничение возможности попадания аспирированных частиц в восходящий аэрогидропоток на протяжении всего цикла очистки - так как каждая часть корпуса и совокупность всех, указанных выше признаков, направлены на достижение поставленного технического результата.

В настоящее время разработаны чертежи и изготовлен опытный образец установки, показавший хорошие 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, входной тангенциально смонтированный к корпусу патрубок, выхлопную трубу со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с аспирационными окнами. Корпус устройства выполнен в виде трёх частей: верхней – цилиндрической части с винтовым каналом, формируемым винтовой вставкой и внутренним корпусом, средней – конической части корпуса и нижней – бункером, снабженным в верхней части направляющим коллектором. Устройство снабжено рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным в поперечном сечении средней конической части корпуса под нижним срезом выхлопной трубы. Диаметр рассекателя восходящего аэрогидропотока выполнен в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0 : 1,0 до 1,0 : 1,8, а к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной плоскости с рассекателем, в соотношении 1,0 : 2,0-3,0. Технический результат: создание простой и надёжной конструкции удобной в обслуживании во время эксплуатации, обеспечивающей качественную очистку аэрогидропотока от примесей, связанную с ограничением возможности попадания аспирированных частиц в восходящий аэрогидропоток. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство центробежной очистки аэрогидропотока, содержащее корпус, входной тангенциально смонтированный к корпусу патрубок, выхлопную трубу со смонтированной вокруг неё винтовой вставкой, формирующей конический винтовой канал с аспирационными окнами, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен в виде трёх частей: верхней – цилиндрической части с винтовым каналом, формируемым винтовой вставкой и внутренним корпусом, средней – конической части корпуса и нижней – бункером, снабженным в верхней части направляющим коллектором, при этом устройство снабжено рассекателем восходящего аэрогидропотока, смонтированным в поперечном сечении средней конической части корпуса под нижним срезом выхлопной трубы, диаметр рассекателя восходящего аэрогидропотока выполнен в соотношении к диаметру выхлопной трубы от 1,0 : 1,0 до 1,0 : 1,8, а к диаметру поперечного сечения конической части корпуса, находящегося в одной горизонтальной плоскости с рассекателем, в соотношении 1,0: 2,0-3,0.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя цилиндрическая часть корпуса и средняя коническая часть по длине выполнены в соотношении 1: 1,5 - 2,5.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющий коллектор, связанный с конической частью корпуса, выполнен в виде усечённого конуса с выполненными образующими под углом α равным от 20 до 30 градусов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющий коллектор может быть соединён с бункером посредством дополнительной, цилиндрической формы, вставки.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рассекатель восходящего аэрогидропотока потока смонтирован под нижним срезом выхлопной трубы на расстоянии, равном 1,5 диаметра выхлопной трубы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение площади сечения входного патрубка к площади сечения выхлопной трубы выполнено как 1: 2,5.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний корпус винтового канала выполнен в виде перевёрнутого усечённого конуса.