ЦИКЛОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ МУЛЬТИЦИКЛОНА

Полезная модель относится к области очистки газа с использованием гравитационных, инерционных и центробежных сил, а именно, к мультициклонам, (именуемым также батарейными циклонами), и предназначено для компрессорных станций магистральных газопроводов.
Мультициклон представляет собой инерционный пылеулавливающий аппарат, включающий множество параллельно включенных циклонных элементов, объединенных в одном корпусе и имеющих общий подвод и отвод газов, а также сборный бункер. См. Кропп Л.Д., Бронштейн А.Ш. Эксплуатация батарейных циклонов. - Москва; Ленинград: Энергия, 1964. - стр. 28-32, 62-71.
Циклонный элемент мультициклона включает корпус с цилиндрической и сужающейся частями, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длины цилиндрической и сужающейся частей корпуса по существу одинаковы. Сужающаяся часть корпуса выполнена в виде конической оболочки с центральным отводным отверстием. Направляющий аппарат винтового или розеточного типа установлен в цилиндрической части корпуса между стенками корпуса и выхлопной трубы. Детали циклонного элемента выполнены из листовой стали и соединены сварными швами.
Известный циклонный элемент не приспособлен к отделению жидкости, поступающей в мультициклон с газом и оседающей на внутренних стенках корпуса в виде ползучих слоев. Сползая по внутренним коническим стенкам сужающейся части корпуса, жидкость попадает в зону пониженного давления и всасывается восходящим потоком газа. Сползая по внешним стенкам выхлопной трубы «…Слои жидкости подтекают к отверстию выхлопной трубы, откуда они легко увлекаются газом. Степень ползучести зависит от свойств жидкости - ее поверхностного натяжения и вязкости, так, например, масло увлекается быстрее, чем вода.». См. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - стр. 291-295.
Кроме того, в сужающейся конической части корпуса наблюдается проскок частиц пыли и жидкости из нисходящего потока газа в восходящий. На частицу действует сила сопротивления закрученного потока газа, несущая частицу по нисходящей траектории в виде сужающейся спирали, и центробежная сила, направляющая частицу к конической стенке. Движение частицы сопровождается встречными ударами о коническую стенку и отскоками частиц к оси конуса. Вблизи отводного отверстия, радиальные составляющие сил сопротивления потока и удара могут оказаться достаточными для преодоления центробежной силы и проскока частицы в восходящий поток газа. Явление проскока частиц в восходящий поток ограничивает эффективность очистки.
Известен циклонный элемент, отлитый из высококачественного чугуна. См. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - стр. 291-295. Цельнолитой циклонный элемент содержит цилиндрическую часть, сужающуюся часть, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть выполнена в виде параболической оболочки вращения с центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат розеточного типа выполнен между цилиндрическими стенками корпуса и выхлопной трубы.
В удлиненной цилиндрической части цельнолитого циклонного элемента слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы жидкости и пыли к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Сила касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточна для проскока частиц в восходящий поток газа. В короткой сужающейся части направление газового потока меняется на противоположное, а сконцентрированные в пристеночном слое цилиндрической части пыль и жидкость под действием гравитационных, инерционных и центробежных сил удаляются через центральное отверстие. Описанный циклонный элемент обеспечивает лучшую очистку газа относительно первого аналога, но сохраняет подтекание осевшей жидкости к отверстию выходной трубы и проскок частиц пыли из нисходящего потока газа в восходящий, ввиду высокой скорости пристеночного слоя газа.
Наиболее близок к предлагаемому техническому решению, принятый за прототип, циклонный элемент мультициклона ANDERSON Multi-Cyclone Separator (AMCS) компании Clark-Reliance Corporation. См. бюллетень «AN-DERSON™. A Division Of The Clark-Reliance Corporation. AMCS Series Multi-Cyclone Separator. Section: A100. Bulletin: A100.45. Date: 3/1/98. Supersedes: 3/79., а также контент на сайте компании: URL: https://www.crfiltrationsolutions.com/anderson-separators-gas-applications (дата обращения: 31.01.2022).
Циклонный элемент AMCS состоит из литого корпуса и выхлопной трубы. Литой корпус и выхлопная труба соединены сварным швом. Литой корпус содержит цилиндрическую часть, сужающуюся частью и направляющий аппарат. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть литого корпуса выполнена в виде полусферической оболочки с центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат выполнен в виде двух полу-улиток, охватывающих выхлопную трубу снизу. Входы полу-улиток расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны.
Расположение входов полуулиток исключает стекание осевшей на выхлопной трубе жидкости во внутреннюю полость циклонного элемента. В удлиненной цилиндрической части корпуса циклонного элемента слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы жидкости и пыли к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Силы касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточно для проскока частиц пыли в восходящий поток газа. В короткой сужающейся части направление газового потока меняется на противоположное, а сконцентрированные в пристеночном слое цилиндрической части пыль и жидкость под действием гравитационных, инерционных и центробежных сил удаляются через центральное отверстие.
По данным производителя циклонные элементы мультициклона AMCS удаляют 100% жидких и твердых частиц размером 8,0 мкм и более, и более и 99% всех частиц размером 5-8 мкм при заданных изготовителем параметрах давления и расхода газа. Однако, изменение параметров давления и расхода газа приводит к снижению эффективности очистки как у прототипа, так и у всех рассмотренных выше аналогов. Как следствие, на частичных режимах эксплуатации мультициклона эффективность очистки газа в циклонном элементе снижается.
Циклонные элементы и их корпуса с сужающейся частью в виде параболической или полусферической оболочки выполняются литыми и характеризуются большей массой, материалоемкостью и трудоемкостью производства относительно аналогов с конической сужающейся частью, изготовленных из листового материала.
Задачи, решаемые полезной моделью:
- сократить массу, материалоемкость и трудоемкость циклонного элемента;
- повысить эффективность очистки газа при изменении параметров давления и расхода газа.
Технический результат от использования полезной модели:
- сокращение расхода ресурсов в производстве циклонных элементов.
- повышение надежности газоперекачивающего оборудования компрессорных станций.
Полезную модель реализуют в нескольких исполнениях.
1-е исполнение.
Циклонный элемент мультициклона включает корпус с цилиндрической и сужающейся частями, направляющий аппарат и выхлопную трубу. Длина сужающейся части, по меньшей мере, вдвое меньше длины цилиндрической части. Сужающаяся часть выполнена в виде оболочки вращения с дугообразным профилем стенок и центральным отводным отверстием. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части. Направляющий аппарат выполнен в виде двух полу-улиток, входы которых расположены параллельно оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны. Направляющий аппарат охватывает выхлопную трубу и закреплен на корпусе.
Для решения поставленной задачи длина сужающейся части корпуса связана с параметрами очищаемого потока газа, внутренним диаметром цилиндрической части корпуса и наружным диаметром выхлопной трубы соотношением:
*
3
t
где: «*» - индекс линейных размеров, выраженных в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса (см. размер В на фиг. 1),  - длина сужающейся части корпуса;  - наружный диаметр выхлопной трубы; d и d - диаметр частицы пыли в мм и долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса; μ - динамическая вязкость газа, Па⋅сек.; ρ - плотность частицы пыли, кг/м; u - тангенциальная скорость частицы пыли, принятая равной скорости потока газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м/сек.
Выражение в скобках содержит параметры очищаемого потока газа и для каждого месторождения имеет свое значение.
Безразмерные линейные величины с индексом «*» позволяют использовать соотношение (1) и создавать геометрически подобные циклонные элементы для различных расходов газа. Обоснование соотношения (1) представлено ниже в описании примера осуществления изобретения.
Исполнение 1 обеспечивает сокращения массы, материалоемкости и трудоемкости циклонных элементов за счет применения для корпуса и выхлопной трубы заготовок из стандартного трубного проката. Длина сужающейся части, удовлетворяющей соотношению (1), исключает влияние дискретности стандартных размеров труб на эффективность очистки газа.
2- е исполнение.
Циклонный элемент мультициклона в исполнении 1, отличающийся тем, что профиль внутренней стенки сужающейся части корпуса выполнен дугой окружности, радиус которой по существу определен соотношением:
где:  - радиус дуги окружности профиля; α - угол начала скатывания отделенных частиц жидкости под собственной тяжестью по стенкам сужающейся части, см. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М., «Химия», 1974. 416 с. С. 97-100.
Исполнение 2 обеспечивает скатывание частиц жидкости с внутренней стенки сужающейся части под собственной тяжестью и достаточную вогнутость внутренней стенки для исключения попадания частиц пыли и жидкости в восходящий поток. Исполнение повышает эффективность очистки газа на частичных режимах эксплуатации мультициклона.
3-е исполнение.
Циклонный элемент мультициклона в исполнении 2, отличающийся тем, что профиль внутренней стенки сужающейся части выполнен дугой окружности, радиус которой по существу определен соотношениями:
при:
Исполнение 3 обеспечивает технологическую возможность бездефектного изготовления цельноштампованного корпуса циклонного элемента в обжимном штампе из одной трубной заготовки. См. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под ред. А.Д. Матвеева; Ред. совет: Е.И. Семенов (пред) и др. - М.: Машиностроение, 1985-1987. - 544 с. Исполнение снижает массу материалоемкость и трудоемкость циклонного элемента.
4- е исполнение.
Циклонный элемент мультициклона в одном из исполнений 1, 2, 3, отличающийся тем, что сужающаяся часть корпуса выполнена с кольцевой ступенью вокруг центрального отводного отверстия.
Кольцевая ступень увеличивает площадь сечения потока газа, что приводит к местному падению скорости пристеночного слоя и радиальной составляющей силы сопротивления потока. Падение скорости уже насыщенного пылью и жидкостью пристеночного слоя исключает проскок частиц в восходящий поток очищенного газа. Осевая составляющая силы сопротивления нисходящего потока, центробежные силы, силы инерции и гравитации прижимают теряющие скорость частицы к поверхности ступени и отводят в центральное отверстие. Исполнение повышает эффективность очистки газа.
5-е исполнение.
Циклонный элемент мультициклона в одном из исполнений 1, 2, 3, 4 отличающийся тем, что полу-улитки направляющего аппарата выполнены в виде изогнутых цилиндрических оболочек, закрепленных между двумя овальными фланцами, цилиндрические оболочки и фланцы выполнены из листового материала и соединены сварными швами.
Исполнение 5 обеспечивает сокращения массы, материалоемкости и трудоемкости циклонных элементов за счет формообразования деталей из листового материала, применения программируемой лазерной резки и гибочного оборудования.
На фиг. 1 представлен общий вид предпочтительной конструкции циклонного элемента, на фиг. 2 - геометрические параметры соотношения (1), на фиг. 3 - выносной элемент А на фиг. 1 с указанием сил, действующих на отделяемую частицу пыли, и ее скорости.
Соотношение (1) получено из анализа движения частицы пыли в сужающейся части циклонного элемента.
На частицу пыли действует сила гравитации, сила сопротивления закрученного потока газа, несущая частицу по нисходящей траектории в виде сужающейся спирали, и центробежная сила
Радиальная составляющая силы сопротивления потока газа определяется по формуле Стокса:
S
R
где: F - сила сопротивления потока газа, Н; u - радиальная скорость потока газа в сужающейся части циклонного элемента, м/сек.
Центробежная сила:
c
где: F - центробежная сила, Н.
e
e
Радиальная скорость потока газа определяется из условия равенства расходов газа на входе в цилиндрическую часть корпуса циклонного элемента и в цилиндрическом сечении сужающейся части диаметром D и длиной L:
c
S
e
e
3
3
где: Q - расход газа на входе в цилиндрическую часть корпуса, м/сек. Q - расход газа в цилиндрическом сечении диаметром D и длиной L, м/сек.
Из (7)-(9) следует:
e
Для предотвращения попадания частицы пыли в восходящий поток газа, на окружности входа в сужающийся поток диаметром D, центробежная сила должна быть больше силы сопротивления потока газа:
Из (5), (6), (10), (11) установлена связь геометрических параметров циклонного элемента и параметров очищаемого газа:
После представления линейных размеров левой части (12) в долях внутреннего диаметра цилиндрической части корпуса (делением числителя и знаменателя левой части на D), связь геометрических параметров циклонного элемента и параметров очищаемого газа получена в обобщающем безразмерном виде:
Из (13) следует соотношение (1) для длины сужающейся части.
Предпочтительная конструкция циклонного элемента мультициклона включает признаки всех описанных исполнений. Циклонный элемент мультициклона включает цельноштампованный корпус 1 с цилиндрической 2 и сужающейся 3 частями, направляющий аппарат 4 и выхлопную трубу 5. Корпус 1, направляющий аппарат 4 и выхлопная труба 5 соединены сварными швами. Полу-улитки направляющего аппарата выполнены в виде изогнутых цилиндрических оболочек 6, закрепленных между двумя овальными фланцами 7. Цилиндрические оболочки и фланцы выполнены из листового материала и соединены сварными швами. Входы 8 полу-улиток направляющего аппарата параллельны оси выхлопной трубы и направлены в противоположные стороны. Направляющий аппарат 4 охватывает выхлопную трубу 5 и закреплен на цилиндрической части корпуса 1.
Длина сужающейся части 3 корпуса, по меньшей мере, вдвое меньше длины его цилиндрической части 2. Сужающаяся часть корпуса выполнена в виде оболочки вращения с центральным отводным отверстием и дугообразным профилем стенок. Профиль стенок сужающейся части сопрягается с профилем стенок цилиндрической части.
Длина сужающейся части циклонного элемента определена соотношением (1). Профиль внутренней стенки сужающейся части выполнен дугой окружности, радиус которой определен соотношениями (2), (3), (4).
e
e
Цельноштампованный корпус 5 выполнен из одной трубной заготовки в обжимном штампе. Корпус 5 выполнен из стандартной трубы с внутренним диаметром D, а выхлопная труба из стандартной трубы с наружным диаметром D. Длина L сужающейся части исключает влияние дискретности размеров стандартных труб на эффективность очистки газа.
Сужающаяся часть циклонного элемента выполнена с кольцевой ступенью 9 вокруг центрального отводного отверстия.
Циклонный элемент мультициклона работает следующим образом.
Очищаемый газ поступает через входы 8 двух полу-улиток направляющего аппарата 4 и двумя закрученными потоками направляется в цилиндрическую часть 2 корпуса 1.
В удлиненной цилиндрической части корпуса слои осажденной жидкости сползают в сужающуюся часть вне зоны пониженного давления. Сила сопротивления закрученного потока газа несет частицу пыли по нисходящей траектории в виде цилиндрической спирали. Центробежная сила, направляет частицы пыли и жидкости к стенке циклона. Частицы пыли и жидкости концентрируются в пристеночном слое потока газа. Силы касательных ударов о цилиндрическую стенку недостаточно для проскока частиц в восходящий поток газа.
В короткой сужающейся части 3 корпуса 1 направление газового потока меняется - поток становится восходящим. Кольцевая ступень 9 увеличивает площадь сечения потока газа, что приводит к местному падению скорости пристеночного слоя и радиальной составляющей силы сопротивления потока. Падение скорости уже насыщенного пылью и жидкостью пристеночного слоя исключает проскок частиц в восходящий поток очищенного газа. Осевая составляющая силы сопротивления нисходящего потока, центробежные силы, силы инерции и гравитации прижимают теряющие скорость частицы к поверхности ступени и отводят в центральное отверстие.
Полезная модель позволяет производить циклонные элементы из стандартных труб и листового материала с применением высокопроизводительных технологических процессов штамповки, программируемой лазерной резки и гибочного оборудования.
От аналогов изделие отличается меньшей массой, меньшей материалоемкостью, меньшей трудоемкостью производства и лучшей эффективностью очистки газ.
Производство предлагаемого циклонного элемента реализовано в условиях металлообрабатывающего завода.
Промышленная применимость полезной модели подтверждена испытаниями опытного образца мультициклона с комплектом предлагаемых циклонных элементов.