УСТРОЙСТВО ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ И КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ
CENTRIFUGAL GAS CLEANER OF DUST AND FLUID DROPS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для очистки воздуха и газов от частиц пыли и капель жидкости, а именно к ротационным устройствам для очистки воздуха и газов от частиц пыли и капель жидкости.
Известна конструкция пылеуловителя (патент RU 2122462 «Поперечно-поточный ротационный пылеуловитель», МПК B01D 45/14, опубл. 27.11.1998), содержащая вращающийся ротор, выполненный в виде рабочего колеса поперечно-поточного вентилятора, корпус, входной и выходной патрубки, пылесборник.
Недостатком указанной конструкции является невысокая степень очистки газов. Полости пылеуловителя для удаляемой из газа пыли сообщаются с магистралью очищенного газа, и летучие фракции пыли попадают в очищенный газ.
Также известна конструкция пылеуловителя (патент US 1420665 «Центробежный сепаратор», МПК A47L 5/24; A47L 9/16, опубл. 27.06.1922), выбранная в качестве прототипа и содержащая центробежный сепаратор, имеющий общие с заявляемой конструкцией признаки, а именно разделительный элемент со сквозными проемами для прохода через них очищенной среды (газа или жидкости).
Данная конструкция имеет недостаток: для того чтобы обеспечить необходимую степень разделения газа и пыли, сепаратор должен вращаться с большой угловой скоростью (более 10000 об/мин), что требует повышенного качества применяемых в конструкции материалов, технологий изготовления и увеличенного удельного расхода энергии на очистку среды.
Технической задачей заявляемого технического решения является снижение удельного расхода энергии на очистку воздуха и повышение эффективности пылеулавливания, упрощение конструкции.
Поставленная задача решена с помощью предлагаемого устройства центробежного для очистки газов от пыли и капель жидкостей, содержащего вентилятор или иной механизм, создающий поток газа, фланец, разделяющий между собой области грязного и очищенного газа, в котором выполнено отверстие для прохода газа. В отверстие установлен пустотелый ротор с уплотнением и с возможностью свободного вращения. Торец и стенки ротора, установленные в области очищенного газа, имеют одно или более отверстие для прохода газа, а другой его торец в области грязного газа имеет дно, препятствующее проходу газа.
Согласно изобретению в стенках ротора выполнены протяженные щели или отверстия, расположенные радиально к оси вращения ротора.
Поставленная задача достигается также тем, что щели или отверстия имеют криволинейную или зигзагообразную форму в радиальном направлении.
Также задача достигается тем, что ротор может быть установлен во фланец в газовом подшипнике, выполняющем одновременно функцию уплотнения между областями грязного и очищенного газа.
Наличие вентилятора в устройстве позволяет обеспечить движение газа из области грязного газа в область очищенного газа.
Сущность изобретения поясняется следующим. В области грязного газа А создается избыточное давление относительно области очищенного газа Б. Грязный газ под действием перепада давления двигается внутрь ротора через щели, выполненные в стенках ротора. Движение газа создает скоростной напор, действующий на частицы пыли и капли жидкости. Под влиянием скоростного напора газа на частицы пыли действует сила:
<mrow><mtext>Ra</mtext><mo>=</mo><mtext>CRa</mtext><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mtext>V2/2</mtext><mo>⋅</mo><mtext>S</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
где Ra - полная аэродинамическая сила, Н;
CRa - безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы;
2
ρV/2 - скоростной напор, Па;
2
S - характерная площадь обтекаемого тела, м;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
V - скорость потока, м/с.
2
Полная аэродинамическая сила прямо пропорциональна кинетической энергии потока, которая при обтекании тела трансформируется в энергию трения в пограничном слое и в потенциальную энергию давления. Этот фактор учитывается в формуле величиной ρV/2. Влияние размеров обтекаемого тела учитывается характерной площадью S, причем в качестве характерной площади принималась наибольшая площадь сечения частиц пыли. Безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы CRa определяется опытным путем в процессе аэродинамических экспериментов или теоретическими расчетами.
Одновременно пыль и капли жидкости, попадающие в щель, раскручиваются вместе с ротором. На двигающиеся по кругу частицы пыли и капли жидкости в щели действует центробежная сила. Параметры и расположение щелей (длина, ширина, высота, форма канала) выбираются такими, чтобы на определенном расстоянии от входа в щель центробежная сила, действующая на загрязнения, становилась больше силы от скоростного напора газа.
Для материальной точки центробежная сила выражается формулой:
<mrow><mtext>F</mtext><mo>=</mo><mtext>m r</mtext><mtext> </mtext><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(2)</mtext></mrow>
где:
F - центробежная сила, приложенная к телу,
m - масса тела,
ω - угловая скорость вращения,
r - радиус.
Центробежная сила, действующая на частицы пыли в щели ротора при скорости его вращения 3000 об/мин и диаметре 300 мм, на три порядка (в тысячу раз) превосходит силу, возникающую от скоростного напора, рассчитанную для средних значений скоростей очищаемого газа.
При этом центробежная сила, действующая на молекулы газа, в десятки или сотни раз меньше, чем сила, действующая на частицы пыли и капли жидкости, из-за их разной плотности. Поэтому частицы с большей плотностью преодолевают скоростной напор газа, вылетают за пределы ротора и падают вниз. А очищенная среда,, перемещаемая вентилятором, проходит через внутреннюю полость ротора и выходит через открытый торец ротора в область очищенного газа (на фиг.1 - вверх).
Существует широкий диапазон: перепадов давлений между наружной и внутренней частями ротора, геометрических размеров отверстий в стенках ротора, таких, что газ из-за меньшей плотности пойдет внутрь ротора и далее через открытый торец ротора в область очищенного газа Б, а пыль и капли жидкости под действием центробежной силы будут выброшены из отверстия (щели) наружу в область А. Например: плотность воздуха 1.29 кг/куб.м, а насыпная плотность легкой графитовой пыли 80 кг/куб.м. 80/1.29=62 раза. Плотность воды 1000 кг/куб.м, что в 775 раз больше плотности воздуха. Во столько же раз центробежная сила, действующая на пыль и капли воды, будет больше, чем действующая на воздух.
Основное преимущество предлагаемой конструкции состоит в том, что даже при относительно невысоких оборотах ротора (3000 об/мин) и перепадах давлений, реально создаваемых существующими промышленными вентиляторами, можно подобрать геометрические параметры щелей, обеспечивающие проход во внутреннюю полость ротора только очищенного газа или газа, содержащего пыль определенного дисперсного состава и плотности.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1, 2, 3, 4 представлена схема устройства.
Центробежный фильтр состоит из: вентилятора 3 или иного механизма, создающего поток газа из объема А в объем Б, фланца 2, разделяющего между собой области грязного и очищенного газа. Во фланце 2 установлен ротор 1 (например, с подшипником 4 или с газовым подшипником 5) с возможностью вращения относительно фланца 2. Между ротором 1 и фланцем 2 выполнено уплотнение 6, препятствующее проходу газа. Пустотелый ротор 1 имеет форму тела вращения. Один из торцов ротора имеет дно 7, препятствующее входу и выходу газа. Второй торец 8 ротора 1 имеет отверстия (отверстие 9) для выхода газа. В стенках 10 ротора 1 выполнены отверстия 11 (щелевидной, круглой или иной формы) для входа газа во внутреннюю полость ротора 1, стенки которых располагаются примерно радиально к оси вращения ротора.