УСТРОЙСТВО ЦИКЛОННОЙ СЕПАРАЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЕ ДВА ЦИКЛОНА, СОЕДИНЕННЫЕ ОПТИМИЗИРОВАННЫМ КАНАЛИЗИРУЮЩИМ БЛОКОМ
CYCLONE SEPARATION DEVICE COMPRISING TWO CYCLONES CONNECTED BY OPTIMIZED CHANNELLING UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области циклонной сепарации твердых частиц, содержащихся в текучей среде, в частности, в газе, и более конкретно касается предназначенного для этого устройства, содержащего первичную циклонную камеру, вторичную циклонную камеру, по меньшей мере один канал впуска текучей среды, содержащей твердые частицы, сообщающийся с первичной циклонной камерой, по меньшей мере один канал выпуска текучей среды, очищенной от твердых частиц, соединенный с вторичной циклонной камерой, и канализирующий блок, соединяющий первичную циклонную камеру с вторичной циклонной камерой.
Уровень техники
Такое устройство работает по принципу приведения в быстрое вращение текучей среды, чтобы отделить от нее первоначально смешанные с ней мелкие твердые частицы. Сепарация происходит за счет центробежной силы, которая стремится переместить твердые частицы к наружной стенке. Действительно, трение этих частиц вдоль этой стенки приводит к снижению кинетической энергии частиц и к их падению в предусмотренную для этого сборную камеру.
В таком устройстве первичная циклонная камера, иногда называемая «первичным циклоном», последовательно соединена с вторичной циклонной камерой, иногда называемой «вторичным циклоном». Частицы большого гранулометрического размера отделяются в первичной циклонной камере, тогда как частицы меньшего гранулометрического размера отделяются во вторичной циклонной камере.
В патенте US 4 853 008 описан пример устройства циклонной сепарации известного типа, содержащего коаксиальные первичный циклон и вторичный циклон.
Оба циклона последовательно соединены при помощи канализирующих средств, проходящих вдоль верхней части стенки вторичного циклона снаружи последнего. Эти канализирующие средства соединены на входе с первичным циклоном и заканчиваются на выходе спиральным отклоняющим устройством, образующим вход вторичного циклона.
Это устройство, образующее вход вторичного циклона, расположено на его верхнем конце, в месте максимального поперечного размера вторичного циклона, чтобы нагнетать воздух тангенциально к стенке вторичного циклона.
По этой причине верхняя часть вторичного циклона должна располагаться снаружи первичного циклона, чтобы текучая среда не проходила напрямую от входа первичного циклона на вход вторичного циклона и не обходила первичный циклон. Однако это требует большого габаритного размера устройства. Кроме того, это вынуждает предусматривать сложные канализирующие средства большой длины, что приводит к большой потере напора.
Кроме того, канализирующие средства содержат ажурную или решетчатую стенку внутри первичного циклона, позволяющую фильтровать частицы пыли большого размера, присутствующие в нисходящем потоке, проходящем вблизи вышеупомянутых канализирующих средств.
Необходимость этой решетки вызвана близостью между канализирующими средствами и воздушным потоком с твердыми частицами, поступающим в первичный циклон. Недостатком такой решетки является ее постепенное забивание по мере использования устройства.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в разработке простого, экономичного и эффективного решения этих проблем, позволяющего по меньшей мере частично избегать вышеупомянутых недостатков.
Для этого изобретением предложено устройство для циклонной сепарации твердых частиц, содержащихся в текучей среде, например, в газе, содержащее:
- первичную циклонную камеру;
- вторичную циклонную камеру;
- по меньшей мере один канал впуска текучей среды, содержащей твердые частицы, сообщающийся с первичной циклонной камерой;
- по меньшей мере один канал выпуска текучей среды, очищенной от твердых частиц, с которым сообщается вторичная циклонная камера; и
- канализирующий блок, соединяющий первичную циклонную камеру с вторичной циклонной камерой и окруженный первичной циклонной камерой.
Согласно изобретению, канализирующий блок содержит:
- сердечник, образующий границу вторичной циклонной камеры, при этом сердечник имеет наружную поверхность, на которой выполнена по меньшей мере одна спиралевидная канавка, дно которой удаляется от продольной оси вторичной циклонной камеры, приближаясь к этой вторичной циклонной камере; и
- колпак, закрывающий часть сердечника, ограничивая со спиралевидной канавкой или с каждой спиралевидной канавкой канал, имеющий вход, сообщающийся с первичной циклонной камерой, и выход, сообщающийся с вторичной циклонной камерой.
Как известно, первичная циклонная камера предназначена для отделения твердых частиц относительно большого гранулометрического размера, тогда как вторичная циклонная камера предназначена для отделения твердых частиц относительно мелкого гранулометрического размера.
Тот факт, что канализирующий блок окружен первичной циклонной камерой, позволяет уменьшить общий габарит устройства.
Особая конфигурация заявленного канализирующего блока позволяет приблизить вход канализирующего блока относительно продольной оси этой камеры и одновременно приблизить выход канализирующего блока относительно радиально наружной области этой камеры. Это позволяет удалить вход вторичной циклонной камеры относительно наружной области первичной циклонной камеры, в которой проходит текучая среда, содержащая твердые частицы относительно большого гранулометрического размера, и одновременно нагнетать текучую среду во вторичную циклонную камеру вблизи стенки, ограничивающей снаружи эту камеру.
Таким образом, сводится к минимуму риск попадания таких твердых частиц непосредственно во вторичную циклонную камеру в обход первичной циклонной камеры. В частности, изобретение позволяет сводить к минимуму этот риск даже в конфигурации, в которой вход вторичной циклонной камеры расположен в осевом направлении вблизи входа первичной циклонной камеры.
Такое расположение вторичной циклонной камеры относительно первичной циклонной камеры встречается, в частности, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, в котором вторичная циклонная камера полностью окружена первичной циклонной камерой.
Кроме того, выпускной канал устройства предпочтительно проходит через сердечник вдоль продольной оси вторичной циклонной камеры.
Кроме того, по меньшей мере часть выпускного канала устройства предпочтительно ограничена поверхностью, имеющей пазы гашения завихрений.
Такие пазы, проходящие параллельно продольной оси вторичной циклонной камеры, позволяют прекращать вращение текучей среды на выходе устройства.
Предпочтительно наружная поверхность сердечника содержит несколько спиралевидных канавок, равномерно распределенных вокруг продольной оси вторичной циклонной камеры.
Предпочтительно колпак образован круглой стенкой, центрованной относительно продольной оси вторичной циклонной камеры.
Предпочтительно колпак выполнен таким образом, что удаляется от продольной оси вторичной циклонной камеры, приближаясь к этой вторичной циклонной камере.
Таким образом, если смотреть в плоскости, проходящей через продольную ось вторичной циклонной камеры, колпак имеет кривизну, подобную кривизне дна спиралевидной канавки или каждой спиралевидной канавки. Радиальный размер канала, ограниченного колпаком и спиралевидной канавкой, можно сохранить постоянным от одного конца к другому этого канала.
Предпочтительно первичная циклонная камера ограничена снаружи наружной кольцевой стенкой, центрованной относительно продольной оси вторичной циклонной камеры и содержащей сходящийся усеченный конусный участок.
Предпочтительно наружная кольцевая стенка содержит расходящийся усеченный конусный участок, соединенный со сходящимся усеченным конусным участком наружной кольцевой стенки на уровне ее критического сечения.
Предпочтительно вторичная циклонная камера ограничена снаружи внутренней кольцевой стенкой, содержащей сходящийся усеченный конусный участок и расходящийся усеченный конусный участок, соединенные друг с другом на уровне критического сечения внутренней кольцевой стенки.
Кроме того, первичная циклонная камера предпочтительно сообщается с первичной сборной камерой, предназначенной для сбора твердых частиц, отделяемых внутри этой первичной циклонной камеры.
Кроме того, предпочтительно устройство содержит первые ребра гашения завихрений на выходе первичной циклонной камеры.
Такие ребра образуют препятствие для вращающейся текучей среды, которое прерывает вращение этой текучей среды и ограничивает таким образом повторное образование суспензии из мелких твердых частиц. Эти ребра позволяют избегать увлечения твердых частиц, собираемых в первичную сборную камеру, вихрями, возникающими внутри первичной циклонной камеры.
Аналогично, предпочтительно вторичная циклонная камера сообщается с вторичной сборной камерой, предназначенной для сбора твердых частиц, отделяемых внутри вторичной циклонной камеры.
Кроме того, предпочтительно устройство содержит вторые ребра гашения завихрений на выходе вторичной циклонной камеры.
Эти ребра позволяют избегать увлечения твердых частиц, собираемых во вторичную сборную камеру, вихрями, возникающими внутри вторичной циклонной камеры.
Кроме того, предпочтительно впускной канал, сообщающийся с первичной циклонной камерой, имеет спиралевидную форму.
Таким образом, текучая среда, поступающая в устройство, может нагнетаться в первичную циклонную камеру тангенциально к ее наружной стенке и в направлении с наклоном к противоположному концу камеры.
Краткое описание чертежей
Изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показана часть устройства согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 показана часть фиг. 1 в увеличенном виде;
на фиг. 3 схематично показана часть устройства, изображенного на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 4 схематично показана часть сердечника устройства, изображенного на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 5 схематично показана часть устройства, изображенного на фиг. 1, вид в перспективе и в продольном разрезе;
на фиг. 6 и 7 схематично показано устройство, изображенное на фиг. 1, соответственно в поперечном сечении по плоскостям VI-VI и VII-VII, отмеченным на фиг. 1.
На всех фигурах идентичные или аналогичные элементы могут иметь одинаковые обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показано устройство 10 для циклонной сепарации твердых частиц, содержащихся в текучей среде, такой как газ или жидкость, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Для удобства нижеследующее описание представлено со ссылками на ортонормированную систему координат X, Y, Z.
Устройство 10 содержит первичную циклонную камеру 12, вторичную циклонную камеру 14, впускную головку 16 для подачи текучей среды, содержащей твердые частицы, в первичную циклонную камеру, выпускной канал 18, соединенный с вторичной циклонной камерой 14 для обеспечения выхода текучей среды, очищенной от твердых частиц, канализирующий блок 20, гидравлически соединяющий первичную циклонную камеру 12 с вторичной циклонной камерой 14, первичную сборную камеру 22 для сбора твердых частиц большого гранулометрического размера и вторичную сборную камеру 24 для сбора твердых частиц меньшего гранулометрического размера.
Первичная циклонная камера 12 ограничена снаружи наружной кольцевой стенкой 30 и ограничена изнутри внутренней кольцевой стенкой 32, которая ограничивает снаружи вторичную циклонную камеру 14. Таким образом, эта вторичная циклонная камера 14 расположена в объеме, ограниченном внутренней кольцевой стенкой 32, и, следовательно, окружена первичной циклонной камерой 12.
В представленном примере кольцевые стенки 30 и 32 центрованы относительно одной продольной оси 34, параллельной оси Z, которая образует, таким образом, продольную ось каждой из циклонных камер 12 и 14.
Впускная головка 16 установлена на первом продольном конце 40 наружной кольцевой стенки 30, и канализирующий блок 20 установлен на первом продольном конце 42 внутренней кольцевой стенки 32, находящемся с той же стороны, что и впускная головка 16.
Кольцевые стенки 30 и 32 имеют соответственно вторые продольные концы 44 и 46, на которых установлен сборный модуль 50, содержащий сборные камеры 22 и 24.
Согласно изобретению, канализирующий блок 20 содержит сердечник 60 и колпак 62, которые более наглядно показаны на фиг. 2-5.
Сердечник 60 (фиг. 4) имеет наружную поверхность 64, на которой выполнены спиралевидные канавки 66. Эти канавки ограничены нитками 68 спирали, выступающими от центральной части 70 сердечника (фиг. 5). В терминологии изобретения наружная поверхность 64 определена как образованная совокупностью соответствующих наружных кромок ниток 68.
В представленном примере канавки 66 выполнены в количестве четырех (фиг. 4). Эти канавки 66 равномерно распределены вокруг продольной оси сердечника 60, которая совпадает с продольной осью 34 циклонных камер. В представленном примере каждая канавка 66 смещена в угловом направлении на 90 градусов относительно следующей за ней канавки в каждом окружном направлении, причем, разумеется, это угловое смещение измеряют вокруг продольной оси 34.
Сердечник 60 выполнен таким образом, что дно 72 каждой из спиралевидных канавок 66 удаляется от продольной оси 34, приближаясь к вторичной циклонной камере 14, то есть в направлении уменьшающихся размеров Z. В частности, поперечное сечение сердечника расширяется от его первого продольного конца 74, находящегося со стороны впускной головки 16, то есть со стороны возрастающих размеров Z, до его второго продольного конца 76, находящегося с противоположной стороны (фиг. 4). Этот второй продольный конец 76 образует границу вторичной циклонной камеры 14 и вписан в поперечную плоскость Р1. Каждая из спиралевидных канавок 66 выходит во вторичную циклонную камеру 14 на уровне этой поперечной плоскости Р1.
Как показано на фиг. 2, 3 и 5, сердечник 60 содержит центральный продольный канал 78, открытый в первом продольном конце 74 сердечника и в его втором продольном конце 76. Канал 78, который проходит, таким образом, насквозь через сердечник, образует часть выпускного канала 18 устройства.
В представленном примере сердечник 60 содержит аэродинамический кольцевой носик 80, выступающий за пределы второго продольного конца 76 сердечника во вторичную циклонную камеру 14, продолжая центральный продольный канал 78, чтобы направлять текучую среду на вход этого канала 78 (фиг. 5). Внутренняя поверхность носика 80 имеет продольные пазы 81, в дальнейшем называемые «пазами гашения завихрений».
Колпак 62 (фиг. 3 и 5) имеет форму, соответствующую форме части наружной поверхности 64 сердечника, которую закрывает колпак. Таким образом, предпочтительно колпак 62 имеет форму кольцевой стенки, вогнутой в направлении сердечника 60. Например, колпак 62 имеет форму сферического венца или эллипсоидного или яйцевидного венца. Колпак 62 имеет верхний проем 65, через который проходит сердечник 60 (фиг. 2 и 5). Таким образом, этот сердечник имеет открытый верхний участок.
В целом колпак 62 ограничивает вместе с каждой из спиралевидных канавок 66 спиралевидный канал 82, имеющий вход 84 (фиг. 5), соединенный с первичной циклонной камерой 12, и выход 86 (фиг. 3), соединенный с вторичной циклонной камерой 14. Соответствующие входы 84 спиралевидных каналов 82 образованы в проеме 65 колпака 62.
Колпак 62 выполнен таким образом, что удаляется от продольной оси 34, приближаясь к вторичной циклонной камере 14.
Если смотреть в плоскости фиг. 2, которая проходит через продольную ось 34, колпак 62 имеет кривизну, подобную кривизне дна каждой спиралевидной канавки 66. Таким образом, радиальный размер каждого спиралевидного канала 82 можно сохранять постоянным от одного конца к другому этого канала.
Как показано на фиг. 2 и 3, впускная головка 16 включает в себя спиралевидный впускной канал 90, один конец которого выходит в первичную циклонную камеру 12 и противоположный конец которого соединен с впускным патрубком 92 (фиг. 3), предназначенный для подсоединения к трубке питания устройства предназначенной для очистки текучей средой.
Кроме того, впускная головка 16 содержит трубу 94 (фиг. 2), например, усеченной конусной формы, которая продолжает центральный продольный канал 78 сердечника 60 и сообщается с наружным пространством устройства для обеспечения удаления воздуха, очищенного от твердых частиц.
Как показано на фиг. 1, наружная кольцевая стенка 30 содержит сходящийся усеченный конусный участок 100 и расходящийся усеченный конусный участок 102, соединенные друг с другом на уровне критического сечения 104 наружной кольцевой стенки 30. Сходящийся участок 100 имеет поперечное сечение с диаметром, уменьшающимся в направлении уменьшающихся размеров Z, тогда как расходящийся усеченный конусный участок 102 имеет поперечное сечение с диаметром, увеличивающимся в направлении возрастающих размеров Z. Таким образом, наружная кольцевая стенка 30 имеет сходящийся-расходящийся профиль.
Аналогично, внутренняя кольцевая стенка 32 содержит сходящийся усеченный конусный участок 110 и расходящийся усеченный конусный участок 112, соединенные друг с другом на уровне критического сечения 114 внутренней кольцевой стенки 32. Сходящийся участок 110 имеет поперечное сечение с диаметром, уменьшающимся в направлении уменьшающихся размеров Z, тогда как расходящийся усеченный конусный участок 112 имеет поперечное сечение с диаметром, увеличивающимся в этом же направлении. Таким образом, внутренняя кольцевая стенка 32 имеет сходящийся-расходящийся профиль.
Критическое сечение 114 внутренней кольцевой стенки 32 расположено в осевом направлении напротив критического сечения 104 наружной кольцевой стенки 30. Кроме того, сходящийся усеченный конусный участок 110 внутренней кольцевой стенки 32 расположен в осевом направлении напротив сходящегося усеченного конусного участка 100 наружной кольцевой стенки 30, тогда как расходящийся усеченный конусный участок 112 внутренней кольцевой стенки 32 расположен напротив расходящегося усеченного конусного участка 102 наружной кольцевой стенки 30.
Сборный модуль 50 содержит наружную стенку 120 цилиндрической формы круглого сечения, которая расположена в продолжении наружной кольцевой стенки 30 и закрыта на своем нижнем конце дном 122, а также внутреннюю стенку 124 тоже цилиндрической формы круглого сечения, которая расположена в продолжении внутренней кольцевой стенки 32.
Таким образом, первичная сборная камера 22 находится в продолжении первичной циклонной камеры 12, тогда как вторичная сборная камера 24 находится в продолжении вторичной циклонной камеры 14. Каждая сборная камера соединена по существу герметично с соответствующей циклонной камерой.
Устройство 10 дополнительно содержит первые ребра 130 гашения завихрений на выходе первичной циклонной камеры 12 (фиг. 1 и 6). Эти первые ребра 130 выполнены радиально и соединяют между собой соответствующие вторые продольные концы 44 и 46 кольцевых стенок 30 и 32. Эти первые ребра 130 равномерно распределены вокруг продольной оси 34 и выполнены, например, в количестве шести. В варианте первые ребра могут соединять внутреннюю стенку 124 сборного модуля 50 с его наружной стенкой 120.
Аналогично, устройство 10 содержит вторые ребра 132 гашения завихрений на выходе вторичной циклонной камеры 14 (фиг 1 и 7). Эти вторые ребра 132, равномерно распределенные вокруг продольной оси 34, проходят радиально и выполнены, например, в количестве четырех. В представленном примере вторые ребра 132 соединяют внутреннюю стенку 124 сборного модуля 50 с центральной продольной стойкой 134, закрепленной на дне 122 этого модуля 50.
Следует отметить, что средства приведения в движение текучей среды могут быть средствами любого известного типа, и их подробное описание опускается. Как правило, эти средства содержат механизированный шнек, расположенный на выходе трубы 94, например, в расширенном пространстве, соединенном с этой трубой 94.
Далее следует описание работы устройства 10.
Текучая среда, содержащая твердые частицы, поступает через трубку, соединенную с входным патрубком 92, и через этот патрубок во впускной канал 90, который сообщает текучей среде вихревое движение.
Таким образом, текучая среда попадает из впускного канала 90 в первичную циклонную камеру, имея направление, по существу касательное к наружной кольцевой стенке 30 и образующее острый угол по отношению к поперечной плоскости, поэтому движение вращения текучей среды имеет составляющую, ориентированную в направлении уменьшающихся размеров Z (фиг. 1: стрелка F1).
С учетом конфигурации канализирующего блока 20 текучая среда, поступающая из впускного канала 90, остается относительно удаленной от соответствующих входов спиралевидных каналов 82, ведущих к вторичной циклонной камере 14, поэтому риск «обхода» или “by-pass” первичной циклонной камеры 12 сводится к минимуму, несмотря на осевую близость между входами 84, с одной стороны, и выходом впускного канала 90, с другой стороны.
В первичной циклонной камере 12 происходит отделение твердых частиц от текучей среды за счет циклонного эффекта, который сталкивает центробежную силу, зависящую от массы и скорости частиц и от радиуса кривизны их траектории, и центростремительную силу, появляющуюся за счет градиента разрежения внутри потока. Этот циклонный эффект достигает максимума за счет сходящегося-расходящегося профиля наружной кольцевой стенки 30. Твердые частицы большого гранулометрического размера теряют свою кинетическую энергию по причине трения и падают в первичную сборную камеру 22. Кроме того, расположение вторичного циклона внутри первичного циклона позволяет устранить любое восходящее завихрение, обычно присутствующее в традиционном циклоне. Это позволяет избегать риска увлечения твердых частиц таким восходящим вихревым потоком.
Первые ребра 130 гашения завихрений позволяют прерывать вихревой поток на входе первичной сборной камеры 22 и еще больше сокращать риски возвращения твердых частиц в первичную циклонную камеру 12.
На уровне открытой верхней части сердечника 60 крутящаяся текучая среда принимает форму спирали, и ее радиально внутренняя часть, очищенная от твердых частиц большого гранулометрического размера, поступает в соответствующие входы 84 спиралевидных каналов 82 канализирующего блока 20.
Текучая среда проходит по этим спиралевидным каналам 82, будучи направляемой нитками 68 спирали и колпаком 62, которые способствует поддержанию вращательного движения текучей среды и обеспечивают ее нагнетание во вторичную циклонную камеру 14 в направлении, по существу касательном к внутренней кольцевой стенке 32 и образующем острый угол с поперечной плоскостью, поэтому движение вращения текучей среды имеет также составляющую, ориентированную в направлении уменьшающихся размеров Z (фиг. 1: стрелки F2).
Внутри вторичной циклонной камеры 14 твердые частицы относительно мелкого гранулометрического размера отделяются от текучей среды за счет циклонного эффекта, аналогичного описанному выше эффекту. Эти твердые частицы теряют свою кинетическую энергию по причине трения и падают во вторичную сборную камеру 24.
Вторые ребра 132 гашения завихрений позволяют прервать вихревой поток на входе вторичной сборной камеры 24 и снизить, таким образом, риск возвращения твердых частиц во вторичную циклонную камеру 14.
Текучая среда, очищенная от твердых частиц, проходит в направлении возрастающих размеров Z в центре вторичной циклонной камеры от ее нижней части, затем попадает в центральный продольный канал 78 сердечника 60, будучи направляемой аэродинамическим кольцевым носиком 80 (фиг. 1: стрелка F3). Пазы 81 гашения завихрений позволяют устранить любое возможное остаточное вихревое движение текучей среды на входе канала 78.
Наконец, текучая среда выходит из устройства через трубу 94.
Таким образом, изобретением предложено устройство циклонной сепарации, сочетающее оптимальную производительность с меньшим габаритным размером.