СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕВОГО ЦИКЛОННОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАТЕЛЯ (ПЫЛЕСОСА)
METHOD OF MOVING MECHANICAL MIXTURES USING A VORTEX CYCLONE DUST COLLECTOR (VACUUM CLEANER)

Изобретение является одним из способов, предназначенным для перемещения механических смесей, пылеулавливания, сепарации, и т.д.
Использование сжатого воздуха в перемещении механических смесей и пылеулавливании известно давно. В 1860 году, американец Даниэл Хесс получил патент на устройство, которое называлось "Подметатель ковров". Конструкция имела систему мехов для создания вакуума и вращающуюся щетку. Для очистки от пыли воздух проходил через воду, в движение механизм приводился с помощью физической силы самого чистильщика. Наверное, поэтому, "Подметатель ковров" распространение не получил.
Первый пылесос с электродвигателем представил в 1901 году Хьюберт Бут. Пылесос не отличался компактностью, для перемещения использовалась конная тяга, а шланг для сбора пыли был длинною 30 метров. Пылесос оставался на улице, а шланг подавался в помещение, но, несмотря на неудобства, в начале 20-го века в Англии появилась мода чистить помещение с помощью пылесоса.
В 30-х прошлого столетия годах приобрели популярность пылесосы, использующие циклонный принцип (центробежная сила) отделения пыли.
Изобретение циклонного пылесоса, принадлежит английскому изобретателю и индустриальному дизайнеру Джеймсу Дайсону. Над созданием пылесоса циклонного типа Джеймс Дайсон начал работать с 1978 года, в 1983 году циклонный пылесос был создан. Это был новый тип пылесоса. За основу своего изобретения Дайсон взял принцип очистителей воздуха. В них поток закручивается внутри по спирали, увеличивая скорость в области сужения сборника. За 15 лет работы инженер создал 5127 прототипов. Патент, на изобретение пылесоса циклонного типа, Дайсон продал японцам. Первые пылесосы циклонного типа появились в Японии в 1986 году, японская компания «Apex Inc.» взялась за производство одной из моделей Дайсона, с названием «G-Force», в конце 80-х годов. С тех пор, непрерывно совершенствуясь, они распространились по всему миру, получая все новые и новые сферы применения. Уже в ранних конструкциях аппаратов содержались все основные элементы циклонных пылеуловителей: тангенциальный входной канал, осесиметричное выхлопное отверстие (патрубок), коническая часть, заканчивающаяся выпускным отверстием пыли.
Принцип работы современных циклонных аппаратов, в известных источниках, следующий [4], [5]. Поток механической смеси, например, запыленного газа, от нагнетателя вводится тангенциально в аппарат через входной патрубок в верхней части циклона. В аппарате поток смеси закручивается, под влиянием силы тяжести частиц смеси и заданного первоначального направления движения, закрученный поток движется вниз или в коническую часть аппарата. Вследствие силы инерции (центробежной силы) наиболее плотные частицы (смеси) пыли, прижимаются к стенкам аппарата, выносятся из потока и оседают на них, затем, захватываются вторичным потоком и попадают в коническую часть циклона, и через его осевое отверстие, в нижней части, выпускаются в бункер для сбора пыли. Очищенный от тяжелых частиц пыли, газовый поток, затем, продвигается снизу вверх и выводится из циклона в верхней, широкой его части, в выхлопную трубу.
Отличие предлагаемого способа переработки механической смеси в том, что в новых циклонах-конфузорах, принципиально иное, направление движения образующихся в них вихревых потоков смеси, нежели в существующих циклонах, благодаря, используемому физическому процессу - вихревому эффекту конфузора. В этом случае, из наиболее плотных частиц периферийного слоя первоначального вихря, формируется встречный вихревой поток, который, затем, отводится в путепроводы при большем основании циклона-конфузора. Менее плотные, легкие частицы, напротив, существующим способам циклонной переработки механических смесей, выводятся, не у большего основания циклона, а, в осевое отверстие, в меньшем основании циклона. Предлагаемые циклоны-конфузоры имеют габариты в разы меньше, существующих аналогов, могут располагаться в пространстве вертикально, горизонтально, под углом, в необходимой технологической последовательности.
Отличие, предлагаемого способа переработки механической смеси, в том, что при сборе отходов, отработанный воздух отделяется от примесей и, повторно, по путепроводу через эжектор, используется в переработке смеси, что позволяет эффективнее использовать затраченные ресурсы, минимизировать ущерб окружающей среде от осуществления технологического процесса в целом.
Отличие, предлагаемого способа переработки механической смеси в том, что нет каких либо, дополнительных разделяющих «диафрагм», между смесью в загружаемом автономно бункере питателе и непосредственно разряжением в путепроводе, отсутствует само понятие загрузочный « бункер» или питатель. Разряжение в путепровод поступает через специальное эксцентричное отверстие в крышке большего основания циклона, с учетом формы движения образованного вихря. Разряжение будет более мощным, и, как следствие, условия эксплуатации устройства, более комфортным. В этом случае, не смесь из бурта, с применением автономных устройств, подается к разряжению в путепроводе, а путепровод с разряжением, который может быть гибким и достаточной длины, подводится к бурту смеси, что является основным условием в использовании, например, пылесосов.
Предлагаемое настоящее изобретение является развитием известного ранее способа авторов: Кузнецов Виктор Иванович, Шариков Олег Алексеевич, Шариков Марат Олегович, патент на изобретение №2475310 опубл. 20.02.2013, Бюл. №5. «Способ разделения механических смесей на основе использования свойств вихревого потока и применения вихревого сепаратора-конфузора» [2], [3]. Описываемый в патенте способ обработки механических смесей и устройство, в котором он реализуется, предназначены для разделения механических смесей на составляющие компоненты, в соответствии физическим свойствам их частиц.
Раскрытие изобретения
На фиг. 1 приводится «Принципиальная схема работы вихревого циклонного пылеулавливателя-пылесоса», первый и второй варианты, совместно. Действие, схемы осуществляется следующим образом. Центробежным насосом «1», или иным нагнетателем, через шланг - штангу пылесоса «16», по тангенциальному путепроводу «2» подается в циклон-конфузор первой ступени «3», запыленный газ (смесь воздуха с мусором), в котором он закручивается, формируя осевые и периферийные слои первоначально закрученного потока «13» [1]. Более плотные частицы смеси, под действием центробежной силы, продвигаются ближе к сужающейся стенке циклона, менее плотные к оси циклона. По мере продвижения закрученного потока вдоль оси циклона к меньшему основанию, в периферийных слоях, под влиянием конической формы циклона, происходит дополнительное уплотнение периферийного слоя потока. Частицы периферийного слоя, «затормаживаются», вплоть до нулевого значения поступательной скорости у конической стенки циклона-конфузора «3».
С нулевой скоростью в поступательном движении вдоль оси вихря, частица продолжает вращение на индивидуальной орбите в прежнем витке вихря, в котором накапливается, уплотняется кольцо соседних «заторможенных» частиц. Повышение давления в «заторможенном» кольце периферийного слоя с одновременным понижением давления в замкнутом пространстве конфузора, приводит к «перепаду давления», в данной зоне, под влиянием которого, частицы из периферийного слоя перемещаются в зону пониженного давления, расположенной в межвитковом пространстве. Сила перепада давления направлена против первоначального направления движения потока, она выталкивает в межвитковое пространство «заторможенные» частицы. Эти частицы, во вращательном движении, центробежными силами прижимаются к расширяющейся конической стенке циклона-конфузора и под действием перепада давления продолжают поступательное движение, но уже в противоположном первоначальному потоку направлении. Продвигаясь вдоль, боковой стенки конфузора, в сторону большего основания, образовавшийся поток попадает в отверстие для путепровода «9» в стенке циклона-конфузора, по которому отводятся обособленные частицы. Таким образом, формируется и обособляется встречный вихревой поток смеси «12» из более плотных частиц периферийного слоя первоначального потока, закрученного у большего основания циклона-конфузора [2]. По путепроводу «9» неделимые частицы смеси, вместе с отработанным воздухом, поступают в отделитель воздуха от частиц смеси «6». Отделитель отработанного воздуха от частиц смеси, представляет собой, фильтровальную сетку, расположенную под углом к оси движения потока с устройством очистки сетки от налипших частиц. Отделенные от воздуха, частицы смеси поступают по путепроводам «7» в накопитель частиц - приемник мусора «8», а отработанный воздух движется в путепровод отходов переработки (мусор, отработанный воздух) «10».
Оставшаяся часть, поступившего в циклон-конфузор первой ступени «3» первоначального закрученного потока, продолжает свое движение в осевое отверстие в меньшем основании циклона-конфузора, в следующий циклон-конфузор второй ступени переработки «11», или, на, возможные, дальнейшие технологические операции.
На второй ступени переработки смеси, во втором циклоне-конфузоре «11» производятся аналогичные технологические операции, но по более тонкой переработке смеси. Из периферийного слоя плотных частиц, формируется встречный вихрь, который по путепроводу «9», отводится в емкость для собранного мусора с отработанным воздухом «5», затем, поступает в отделитель частиц смеси «6», в котором отработанный воздух освобождается от частиц смеси. Отделившиеся от воздуха, частицы смеси движутся по путепроводу «7» в накопитель частиц - приемник мусора «8», из которого собранный мусор, по окончанию работы пылесоса удаляется. Отработанный воздух, сопровождающий частицы в накопитель частиц «8», по мере его накопления, продвигается в атмосферу через отверстия с мелким фильтром, например, «НЕРА», в одной из стенок накопителя,
Оставшаяся часть массы смеси, поступившей в циклон-конфузор «11» вместе с осевыми слоями движется в осевое отверстие в меньшем основании циклона и поступает в путепровод отходов переработки (мусор, отработанный воздух) «10», затем, через отделитель частиц смеси от отработанного воздуха «6», поступает в путепровод к эжектору «14». В путепроводе «14», освободившийся от неделимых частиц отработанный воздух эжектируется в путепровод от нагнетателя к циклону-конфузору «2» и вместе с новой порцией свежего воздуха, повторно, вовлекается в технологический процесс.
На фигуре 1., пунктиром, изображен второй вариант схемы: «Принципиальная схема работы вихревого циклонного пылеулавливателя (пылесоса)», когда используется в качестве нагнетателя, например, вентилятор. Воздух от вентилятора, по тангенциальному путепроводу «2», подается непосредственно в циклон-конфузор первой ступени «3», в котором закручивается вихревой поток. В потоке формируется разряжение, достаточное для вовлечения в аппарат массы смеси, подлежащей перемещению (переработке), или массы мусора, в случае пылесоса, которое поступает во всасывающий гибкий путепровод «15», который на схеме изображен пунктиром, через эксцентричное отверстие в крышке большего основания циклона-конфузора первой ступени «3». В циклоне-конфузоре «3» поступившая масса смеси вовлекается в образовавшийся вихревой поток, в котором формируются периферийный и осевые слои [1]. Одновременно, из периферийного слоя потока, начинает формироваться встречный, первоначальному, вихревой поток, который по путепроводу «9», вместе с отработанным воздухом, поступает в отделитель воздуха «6». В отделителе отработанный воздух отделяется от частиц смеси, которые, затем, поступают по путепроводам в накопитель частиц «8», а отработанный воздух в путепровод отходов переработки «10». Оставшаяся часть потока в циклоне-конфузоре «3» движется в сторону меньшего основания циклона и, далее, процесс осуществляется согласно предыдущему описанию первого варианта схемы.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности способов пылеулавливания и переработки механических смесей.
Поставленная задача решается путем использования свойств вихревых потоков механических смесей, новых аппаратов циклонов-конфузоров и создания на этой основе принципиально нового способа разделения механических смесей с помощью формирования встречных, основному, вихревых потоков и управления ими в пространстве и во времени. В источниках нет информации о мировой практике использования и проектирования аналогичных устройств.
Описание чертежей.
Фиг. 1 Принципиальная схема работы вихревого циклонного пылеулавливателя-пылесоса.
1. Центробежный насос или иной нагнетатель.
2. Тангенциальный путепровод от нагнетателя к циклону-конфузору.
3. Циклон-конфузор первой ступени.
4. Корректирующее сопло.
5. Емкость для мусора с отработанным воздухом.
6. Отделители компонентов смеси (воздуха от частиц мусора).
7. Путепроводы от отделителя компонентов к приемнику мусора.
8. Накопитель частиц - приемник мусора.
9. Путепроводы частиц от циклона к емкости для мусора.
10. Путепровод отходов переработки (мусор, отработанный воздух).
11. Циклон-конфузор второй ступени.
12. Встречный вихрь в циклоне-конфузоре первой ступени.
13. Основной вихрь в циклоне-конфузоре первой ступени.
14. Путепровод к эжектору от путепровода отходов.
15. Всасывающий гибкий путепровод запыленного газа (мусора), применяется при использовании вентилятора, в качестве нагнетателя.
16. Шланг - штанга пылесоса.
Осуществление способа.
Осуществление способа заключается в изготовлении предложенной технологической схемы. Нагнетательное оборудование типовое, путепроводы, контрольно-измерительная аппаратура типовая. Новыми конструктивными и технологическими решениями в способе являются: циклонные аппараты с тангенциально расположенными путепроводами для подвода смеси или газа и путепроводами для отвода продуктов переработки смеси, расположенными под различными углами к оси движения потока; торцевая крышка циклона-конфузора, с эксцентрически расположенным отверстием для подсоединения всасывающего гибкого путепровода; отделитель отработанного воздуха от частиц смеси, представляет собой, фильтровальную сетку, расположенную под углом к оси движения потока с устройством очистки сетки от налипших частиц смеси; накопитель неделимых частиц (приемник мусора), с отверстиями в стенке для фильтра «НЕРА». Вихревое технологическое устройство, использующее предлагаемый циклон-конфузор не содержит вращающихся механических частей. Способ, используемый в принципиальной схеме устройства, делает его конструктивно простым, технологичным в изготовлении, надежным и экологичным в эксплуатации, предполагает в нем малые габариты. Выполнение данных решений возможно в каждой механической мастерской.
В настоящее время изготовлена действующая лабораторная модель устройства.
Библиографический список.
1. Кузнецов В.И. «Теория и расчет эффекта Ранка». Научное издание. / В.И. Кузнецов. - Омск: Изд-во. ОМГТУ, 1994. - 217 с.
2. Пат. 2475310 РФ, С2. Способ разделения механических смесей на основе использования свойств вихревого потока и применения вихревого сепаратора-конфузора / В.И. Кузнецов, О.А. Шариков, М.О. Шариков; патентообладатели Виктор Иванович Кузнецов, Олег Алексеевич Шариков, Марат Олегович Шариков. - №2010131618/05; заявл. 27.07.2010; опубл. 20.02.2013, Бюл. №5.
3. Патент на изобретение №2326740. Сепаратор // В.И. Кузнецов, В.А. Грехнёв, О.А. Шариков, М.О. Шариков, М.С. Романовская //. Открытия, изобретения, 2008, бюл. №17.
4. Смухин П.Н., Коузов П.А. Центробежные пылеотделители-циклоны. М.: Л. 1936
5. Эриксон С.Е. История развития циклонов // Применение гидроциклонов на зарубежных обогатительных фабриках. (Сб. переводных статей). Вып. 130. Л., 1961