ЦЕНТРИФУГА С ВИХРЕВЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА Российский патент 2024 года по МПК B04B5/08 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для разделения газовых неоднородных систем с помощью центробежных сил, и может быть использовано для очистки от механических загрязнений и капель жидкостей воздуха и иных газов. В частности, центрифуга может найти применение в промышленных пылесосах, системах очистки воздуха и выпуска отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, в системах вентиляции и кондиционирования кабин транспортных, сельскохозяйственных, горнодобывающих машин и в других случаях.

Известны центрифуги для очистки газа, в которых энергия очищаемого потока используется для привода во вращение их роторов. Особенность привода состоит в том, что к рабочему колесу (РК) турбины, т.е. ротору подводится закрученный поток газа, обладающий моментом количества движения (кинетическим моментом) относительно оси его вращения. В турбомашинах такой поток формируется направляющим аппаратом (НА) на входе в РК.

Конструкции НА могут быть различные. Так, в патенте [Патент на изобретение RU 2301114 В04В 5/08. Центрифуга для разделения газожидкостной смеси / Анучин Л.И., Бойченко А.Н. - Заявка: 2005133492/12; 31.10.2005; опубл. 20.06.2007. Бюл. №17] применена классическая турбина Френсиса. Привод содержит неподвижный направляющий аппарат (НА) в виде системы периферийно расположенных тангенциальных каналов и рабочее колесо (РК) центростремительной турбины радиально-осевого типа, установленное на входе в ротор центрифуги.

В патенте [А.с. SU 1400664 A1 В04В 5/08. Сепаратор / Нелепченко В.М., Колодезный П.А. - Заявка: 4114598; 04.09.1986; опубл. 07.06.1988. Бюл. №21] на периферии ротора установлена турбина осевого типа в виде неподвижного осевого завихрителя и рабочего колеса прикрепленного к ротору.

В патенте [Патент RU 2636502 В04В 5/08. Центрифуга для очистки газа / Андреев О.П. и др. - Заявка: 2016146009, 24.11.2016; опубл. 23.11.2017. Бюл. №33] привод ротора выполнен в виде ковшевой турбины.

Общий недостаток этих приводов в том, что закрученный газовый поток подводится на периферию ротора, поэтому для получения высокой скорости его вращения, а, следовательно, эффективности очистки, должна быть большой скорость подводимого потока, а, следовательно, напор газа и его гидравлические потери.

С учетом этого предпочтительно применение не центростремительной турбины, а центробежной, где подвод газа производится вблизи ее оси. Такой вариант возможен в приводах, так называемого вихревого типа. Известны исследования вихревого привода жидкостных центрифуг [Снежко А.В. Центрифуги с вихревым приводом (конструкция, теория, расчет, применение): монография / А.В. Снежко, В.А. Снежко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2023. - 195 с. https://xn--80aqa2d.xn--plai/files/c9532b47-998b-4b62-a7ce-d9b7c513e0c7.pdfl, а также ряд патентов таких центрифуг.

В частности, известна центрифуга с верхним расположением вихревого гидропривода и открытым корпусом для очистки жидких неоднородных систем [Патент на изобретение RU 2786627 В04В 9/14. Центрифуга с верхним расположением вихревого гидропривода и открытым корпусом / Снежко А.В., Снежко В.А., Лихачев А.Ю. - Заявка: 2022124704; 19.09.2022; опубл. 22.12.2022. Бюл. №36], являющаяся наиболее близким аналогом заявленного изобретения. Ее гидропривод представляет собой центробежную радиально-осевую турбину. Ее направляющий аппарат в виде вихревой камеры, имеет один или несколько тангенциальных входных каналов и формирует вращающийся и конически расходящийся поток на выходе из центрального отверстия. Рабочее колесо турбины имеет лопатки и каналы проточной зоны, расположенные под тем же углом конусности и выводит поток в периферийную внутреннюю область ротора через систему отверстий в колонке, выполненных для каждого канала колеса.

Однако использование подобного привода для газовых центрифуг требует обоснования и оценки.

Для газа применение законов движения капельной жидкости допустимо, если число Маха не превышает 0,15…0,2. Скорость звука в воздухе (при 30°С) составляет α=350 м/с. Тогда допустимая скорость потока в приводе центрифуги будет равна ν=(0,15…0,2) α=52…70 м/с. Таких больших скоростей в приводах центрифуг не бывает, поэтому методы проектирования и расчетов центрифуг с гидроприводом можно применять и для газовых.

Оценим, какие отличительные особенности возникают у центрифуг с вихревым приводом при переходе от жидкой среды к газу.

1. В центрифугах с вихревым приводом используется энергия самого очищаемого потока. Его движущий момент [Снежко А.В. Центрифуги с вихревым приводом (конструкция, теория, расчет, применение): монография / А.В. Снежко, ВА. Снежко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2023. - 195 с.] равен

.

При установившемся режиме работы центрифуги движущий момент равен моменту сопротивления вращению ротора: , и тогда

.

Здесь Q - расход через центрифугу, в том числе на ее привод, м³/с; ω - угловая скорость ротора, с^-1; ρ - плотность очищаемой среды (жидкости или газа), кг/м³, R₁ - радиус (плечо) ввода потока в РК турбины, м.

Как следует из формулы, расход на привод зависит от физических свойств среды, в частности от ее плотности. Соотношение расходов при очистке, например, воздуха Q_в и моторного масла Q_M для центрифуг с равными угловыми скоростями ω и моментами сопротивления М_с составляет

.

Согласно исследований [Снежко А.В. Центрифуги с вихревым приводом (конструкция, теория, расчет, применение): монография / А.В. Снежко, В.А. Снежко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2023. - 195 с.] отношение расходов при , плотности масла и воздуха, равных ρ_м=900 кг/м³ и ρ_в=1,2 кг/м³, составит

.

Повышенный расход среды в газовых центрифугах в сравнении с жидкостными, приводит к тому, что сечение каналов проточной зоны турбины и скорость в них будет значительно больше.

2. Малая плотность газа и большой его расход способствует малым энергетическим потерям в центрифуге [Снежко А.В. Центрифуги с вихревым приводом (конструкция, теория, расчет, применение): монография / А.В. Снежко, В.А. Снежко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2023. - 195 с.]. Гидравлические потери на привод ротора равны

,

и, поскольку Q_в/Q_M=187…83, то в центрифуге для очистки воздуха они будут примерно в 150 раз меньше, чем в аналогичной масляной.

Гидравлические потери (путевые, местные) в каналах проточной части турбины пропорциональны кинетической энергии потока ρw²/2, т.е. они зависят от плотности и скорости w среды. Так, если скорость в каналах воздушной центрифуги будет хотя бы в 10 раз больше, чем в масляной, тогда ,

т.е. гидропотери в каналах центрифуги для очистки воздуха в 7,5 раза будут меньше чем в такой же масляной. Таким образом, газовые центрифуги с вихревым приводом могут работать при перепаде давления меньше 1 атм., т.е. в зоне вакуума, как в пылесосах.

Исходя из этих замечаний, предлагается конструкция центрифуги для очистки газа с вихревым приводом.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности центробежной очистки газов и снижении энергетических затрат на привод.

На фиг. 1 представлены общая схема центрифуги для очистки газа с вихревым приводом, а также фотографии основных узлов и деталей ее экспериментальной модели.

На фиг. 2 - внешний вид вихревой камеры и ее сечение А-А.

На фиг. 3 - вид верхней части колонки ротора и ее сечение Б-Б.

На фиг. 4 - рабочее колесо турбины: чертеж и внешний вид.

На фиг. 5 - спрямляющая решетка и ее вид по сечению В-В.

На фиг. 6 - сечение сепарационной вставки ротора.

На фиг. 7 - представлены скоростные и гидравлические характеристики экспериментальной центрифуги.

Центрифуга (фиг. 1) состоит из опорной тарелки 1 с закрепленной на ней осью 2 и ротора, установленного на оси в подшипниках, как минимум, один из которых шариковый. Ротор включает в себя колонку 3 и барабан 4, скрепленные гайкой 5. В колонке 3 снаружи установлено рабочее колесо турбины 6 конической формы с рядом радиальных каналов прямоугольного сечения (фиг. 4). Колесо зафиксировано на колонке коническим фланцем 7, который вместе с каналами образует проточную зону центробежной радиально-осевой турбины. Напротив каждого канала колеса в днище колонки выполнены отверстия для ввода газа из турбинной ступени в сепарирующую полость ротора. Вывод газа из ротора осуществляется через систему радиальных каналов 8 в верхней части колонки 3 (фиг. 1, фиг. 3) и далее по центральному кольцевому каналу 9 наружу из центрифуги, пройдя при этом через спрямляющую решетку 10. Благодаря спрямляющей решетке 10 с тангенциальными каналами (фиг. 5) обеспечивается радиальный выход газа из вращающегося ротора, что снижает энергетические потери потока.

Внутри ротора установлена сепарационная вставка 18 для уменьшения пути осаждения частиц и предотвращения проскальзывания газового потока относительно вращающегося ротора. Сепарационная вставка 18 (фиг. 6) состоит из набора пластин, отклоненных от соответствующих радиусов на угол α, который должен быть меньше угла трения ϕ частиц об пластинку, α<ϕ.

На опорной тарелке 1 размещен завихритель 11 направляющего аппарата турбины пневмопривода с тангенциальными входными каналами 12 (фиг. 1, фиг. 2). Сверху опорная тарелка 1 прикрыта крышкой 13, которая образует с вращающимся ротором бесконтактное цилиндрическое уплотнение 14. Снизу в тарелке выполнены отверстия 15 для подвода газа в каналы завихрителя.

Для локализации потоков, подводимого к центрифуге и отводимого из нее, предусмотрены два колпака на входе 16 (фиг. 1) и на выходе 17, имеющие патрубки для соединения с системой подачи и отвода газа.

Центрифуга работает следующим образом (фиг. 1). Очищаемый газ подается в колпак 16 к завихрителю 11. Пройдя тангенциальные входные каналы 12 завихрителя 11, поток закручивается и растекается конусным слоем из центрального отверстия завихрителя, попадая в каналы рабочего колеса турбины 6. При этом закрученный поток взаимодействует с лопатками рабочего колеса турбины 6 и приводит ротор во вращение. Перемещаясь вдоль каналов в радиально-осевом направлении, газ через отверстия в днище колонки 3 поступает в сепарирующую полость ротора и далее, двигаясь параллельно оси вращения, через радиальные каналы 8 и центральный кольцевой канал 9 в колонке выводится из центрифуги через спрямляющую решетку 10 под колпак 17. Из колпака 17 очищенный газ направляется в магистраль.

При движении запыленного газа внутри ротора вдоль наклонных пластинок сепарационной вставки 18 частицы под действием центробежных сил осаждаются на этих пластинках и далее сползают по ним на периферию к внутренней цилиндрической поверхности барабана 4 ротора. Накопившиеся загрязнения периодически удаляются из ротора после его остановки.

В соответствии с предлагаемым техническим решением была изготовлена экспериментальная модель центрифуги для очистки газа с вихревым приводом. Некоторые ее узлы и детали представлены на фиг. 1-5. Центрифуга была установлена на всасывающем тракте бытового пылесоса, т.е. испытывалась при перепаде давления меньше 1 атм., в зоне вакуума. Скоростные и гидравлические ее характеристики, т.е. зависимости частоты вращения ротора n и гидравлического сопротивления центрифуги ΔР от расхода воздушного потока через нее (производительности пылесоса q), представлены на фиг. 7. Результаты экспериментальных исследований подтверждают эффективность заявляемого изобретения. Полученные скорости вращения ротора свыше 15 тыс. оборотов в минуту при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении позволяют обеспечить качественную очистку воздуха от механических загрязнений.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для разделения газовых неоднородных систем с помощью центробежных сил. Центрифуга с вихревым приводом для очистки газа содержит ротор, включающий барабан, колонку с каналами для подвода и отвода очищаемого газа, пневмопривод турбинного типа, состоящий из направляющего аппарата и рабочего колеса, прикрепленного к колонке ротора, при этом пневмопривод представляет собой центробежную радиально-осевую турбину, её направляющий аппарат формирует вращающийся и конически расходящийся поток на выходе из центрального отверстия, рабочее колесо турбины имеет лопатки и каналы проточной зоны, расположенные под тем же углом конусности, и выводит поток в периферийную внутреннюю область ротора через систему отверстий в колонке, выполненных для каждого канала колеса. Центрифуга снабжена опорной тарелкой с закрепленной на ней осью, на которой установлен в подшипниках ротор. На опорной тарелке размещен завихритель направляющего аппарата турбины с тангенциальными входными каналами. Сверху тарелка прикрыта крышкой, которая образует с вращающимся ротором бесконтактное цилиндрическое уплотнение. Снизу в тарелке выполнены отверстия для подвода газа в каналы завихрителя. Для локализации потоков, подводимого к центрифуге и отводимого из нее, предусмотрены два колпака на входе и на выходе, имеющие патрубки для соединения с системой подачи и отвода газа. Для повышения сепарационной эффективности внутрь ротора помещена сепарационная вставка, состоящая из набора пластин, наклоненных к радиусу под углом α, который должен быть меньше угла трения ϕ частиц о пластину, α<ϕ. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности центробежной очистки газов и снижение энергетических затрат на привод. 7 ил.

Центрифуга с вихревым приводом для очистки газа, содержащая ротор, включающий барабан, колонку с каналами для подвода и отвода очищаемого газа, пневмопривод турбинного типа, состоящий из направляющего аппарата и рабочего колеса, прикрепленного к колонке ротора, при этом пневмопривод представляет собой центробежную радиально-осевую турбину, ее направляющий аппарат формирует вращающийся и конически расходящийся поток на выходе из центрального отверстия, рабочее колесо турбины имеет лопатки и каналы проточной зоны, расположенные под тем же углом конусности, и выводит поток в периферийную внутреннюю область ротора через систему отверстий в колонке, выполненных для каждого канала колеса, отличающаяся тем, что она снабжена опорной тарелкой с закрепленной на ней осью, на которой установлен в подшипниках ротор, на опорной тарелке размещен завихритель направляющего аппарата турбины с тангенциальными входными каналами, сверху тарелка прикрыта крышкой, которая образует с вращающимся ротором бесконтактное цилиндрическое уплотнение, снизу в тарелке выполнены отверстия для подвода газа в каналы завихрителя, для локализации потоков, подводимого к центрифуге и отводимого из нее, предусмотрены два колпака на входе и на выходе, имеющие патрубки для соединения с системой подачи и отвода газа, для повышения сепарационной эффективности внутрь ротора помещена сепарационная вставка, состоящая из набора пластин, наклоненных к радиусу под углом α, который должен быть меньше угла трения ϕ частиц о пластину, α<ϕ.