ЦИКЛОН

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для очистки вентиляционных воздушных выбросов и дымовых газов от тонкодисперсной жидкой и твердой фракций и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, энергетической, строительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах газоочистки.
Известна конструкция циклона, состоящего из вертикального цилиндрического корпуса с коническим днищем и крышкой, входного патрубка, установленного тангенциально в верхней части корпуса, выхлопной трубы, установленной осесимметрично с цилиндрическим корпусом на крышке, и патрубка для отвода уловленной пыли в нижней части конического днища. (Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». Изд-е 8, перер., М.: Химия, 1971, 241 с.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность, связанная с необходимостью частой остановки работы циклона или батареи циклонов для удаления уловленных частиц и капель из очищаемого газа, накапливающихся на стенках цилиндрического корпуса и конического днища, и сложность их удаления с поверхности стенок, требующая значительных трудозатрат и энергии, особенно при образовании уловленными частицами и каплями липкой высококонцентрированной структурированной неньютоновской среды.
Известен прямоточный циклон для очистки запыленного газа или воздуха, содержащий корпус, состоящий из входного патрубка, улитки, выполненной по архимедовой спирали, перехода, верхней выходной трубы, телескопической вставки с верхним внутренним конусом, входным коллектором, тросом, пружиной, опорным диском, нижней циркуляционной выходной трубы-отвода с коллектором, внутренним конусом, обтекателя с пружиной, диском, стойкой, бункера с затвором, коллектора чистого газа, при этом в верхней выходной трубе на тросе установлена телескопическая вставка с внутренним конусом и входным коллектором, на нижней выходной трубе - отводе с внутренним конусом и входным коллектором на стойке установлен обтекатель, а телескопическая вставка и обтекатель установлены на пружинах для вибрационного удаления отложений пыли с его узлов и деталей [Патент РФ №2552440, В04С 3/06, 2015 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие вибрации на стенках корпуса, где накапливается пыль. Особенно трудно удалять эту пыль, если одновременно улавливаются капли жидкости. В этом случае на стенках прямоточного циклона образуется липкая высококонцентрированная структурированная неньютоновская суспензия, для удаления которой необходимо затратить время и в целом снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемым объекту и принятому за прототип является устройство инерционного пылеуловителя, описанного в способе инерционного пылеуловителя и устройстве для его осуществления, представленного в пункте 2 формулы изобретения, которое включает периферийный ввод запыленного газового потока в цилиндрическую часть корпуса циклона, осевой выходной патрубок, коническую часть корпуса, бункер, вибратор, блок управления, при этом корпус циклона вывешен на пружинах с помощью балки, соединенной с выходным патрубкам, а вибратор, сообщающий корпусным деталям циклона вибрацию заданной частоты, установлен на кольце, закрепленном на цилиндрической части корпуса циклона, при этом на выходном патрубке закреплен фильтрующий элемент, одновременно являющийся аэродинамическим глушителем шума [Патент РФ №2270059, В04С 11/00, 2006 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность удаления уловленных частиц со стенок цилиндрической части корпуса циклона, особенно если одновременно с частицами улавливаются капли жидкости, образующие с твердый дисперсной фазой липкую высококонцентрированную суспензию, образующую структуру и обладающую неньютоновскими свойствами, что приводит к дополнительным затратам времени на очистку стенок корпуса циклона и снижению общей производительности.
Техническим результатам предлагаемой конструкции циклона является увеличение производительности.
Это достигается тем, что в циклоне содержится периферийный ввод запыленного газового потока в цилиндрическую часть корпуса, осевой выходной патрубок, коническая часть корпуса, бункер и пружины, на которых корпус циклона вывешен с помощью балки, при этом осевой выходной патрубок дополнительно снабжен герметично соединенной с ним трубой с диаметром, равным диаметру выходного патрубка, и длиной, определяемой из выражения:
где  - длина дополнительной трубы, м;
m - масса циклона с дополнительной трубой в рабочем режиме, кг;
а
- упругость пружины, Н/м;
- длина осевого выходного патрубка, м.
Дополнительное снабжение осевого выходного патрубка трубой, герметично соединенной с этим патрубком, и диаметром, равным диаметру выходного патрубка, предупреждает увеличение гидравлических потерь за счет изменения проходного сечения с образованием местного сопротивление, что приводит к увеличению производительности по очищенному газу.
Выполнение дополнительной трубы над выходным патрубком длиной, определяемой по выражению (1), переводит режим работы циклона в режим резонансных колебаний с частотой колебаний газа, движущегося в выходном патрубке, и дополнительной трубе, что уменьшает гидравлическое сопротивление циклона, приводит к росту скорости очищаемого газа, что в целом увеличивает производительность.
Известно, что частота колебаний газа в трубе определяется по уравнению:
где ν - частота колебаний газа в трубе, Гц;
с - скорость распространения звука в газе, движущемся в трубе, м/с;
L - общая длина трубы, состоящей из дополнительной трубы длиной  и установленной над осевым выходным патрубком длиной :
Собственная частота колебаний пружинного маятника определяется по уравнению:
М
где ν - собственная частота колебаний пружинного маятника; (остальные обозначения приведены в формуле полезной модели и в тексте заявки после выражения (1)). [Элементарный учебник физики. Учебное пособие / под редакцией Г.С. Лансберга. - 10-е изд. перераб. - М: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1986, стр. 510 и стр. 102].
Из совместного решения уравнений (2), (3) и (4) получается после алгебраических преобразований выражение (1), обеспечивающее при рассчитанной по нему длине дополнительной трубы, установленной над осевым выходным патрубкам, резонансный режим колебаний циклона с частотой колебаний очищенного газа, выходящего из дополнительной трубы. Высокая амплитуда колебаний циклона в режиме резонанса снижает гидравлическое сопротивление, что приводит к росту перепада давления, затрачиваемого на движение газа в циклоне, а значит повышению скорости газа и производительности.
На чертеже представлена схема общего вида предлагаемой конструкции циклона.
Он состоит из периферийного ввода 1 запыленного газового потока в цилиндрическую часть 2 корпуса, осевого выходного патрубка 3 длиной , конической части 4 корпуса, бункера 5 для сбора уловленных частиц, соединенного гофрированный манжетой 6 с конической частью 4 корпуса, пружин 7, на которых циклон вывешен с помощью балки 8.
Над осевым выходным патрубком 3 дополнительно герметично с ним установлена труба 9 с диаметром, равным диаметру осевого выходного патрубка 3, и длиной , определяемой по выражению (1).
Циклон работает следующим образом. По периферийному вводу 1 запыленного газового потока тангенциально он подается в цилиндрическую часть 2 корпуса. Центробежные силы отбрасывают частицы и капли дисперсной фазы на стенки корпуса 2 и 4, а очищенный газовый поток по осевому выходному патрубку 3 и дополнительной трубе 9 выводится из циклона.
Так как суммарная длина L осевого выходного патрубка 3 и дополнительной трубы 9 определяется согласно уравнения (3), а сама длина  дополнительной трубы 9 определяется по выражению (1), то частота колебаний газа, движущегося в выходном патрубке 3 и дополнительной трубе 9, равна собственной частоте колебаний пружинного маятника, образованного циклоном с уловленными в нем на стенках корпуса частицами и каплями дисперсной фазы, а также дополнительной трубой 9 с общей массой m, определяемой по уравнению (4).
Равенство частот колебаний воздуха и собственной частоты колебаний циклона вызывает его резонансную вибрацию с высокой амплитудой без применения вибратора. Под действием этой вибрации липкий высоковязкий структурированный слой уловленных частиц и капель, обладающий структурой и неньютоновскими свойствами, разжижается, уменьшая эффективную вязкость, и непрерывно стекает вниз по конической части 4 корпуса в бункер 5. Это снижает гидравлическое сопротивление и способствует увеличению скорости газа в циклоне и производительности.
Пример расчета.
В циклоне конструкции Гипродревпрома типа Ц-250 и массой 18,2 кг [А.С. Тимошин. Инженерно-экономический справочник. Т. 1 - Калуга: Издание Н.Б. Бочкаревой, 2003, с. 469] очищается воздух.
а
6
Длина осевого выходного патрубка 3 . Так как внутри циклона находится стекающая при вибрации уловленная дисперсная фаза, то с учетом массы дополнительной трубы 9 длиной  общая вибрирующая масса m=30 кг. Циклон подвешивают на двух пружинах 7, то есть n=2, обладающих упругостью =8⋅10 H/м. Скорость звука в очищаемом воздухе c=330 м/с.
Согласно выражению (1) для обеспечения резонансного режима колебаний циклона на пружинах 7 с очищенным воздухом, движущимся в осевом выходном патрубке 3 и дополнительной трубе 9, составляет:
Частота колебаний очищенного воздуха, взвешивающегося в осевом выходном патрубке 3 и дополнительной трубе 9, составляет согласно уравнений (2) и (3):
Частота собственных колебаний циклона с движущимися в нем уловленными частицами и каплями дисперсной фазы и массой дополнительной трубы 9 составляет согласно уравнению (4):
Таким образом, герметичная установка дополнительный трубы 9 над осевым выходным патрубком 3 с диаметром, равным диаметру осевого выходного патрубка, и длиной, рассчитываемой по выражению (1), обеспечивает резонансный режим колебаний циклона на пружинах 7 (как физического маятника) с очищенным воздухом, движущимся по осевому выходному патрубку 3 и дополнительной трубе 9, что приводит к вибрации циклона с большой амплитудой, под действием которой слой уловленных частиц и капель на стенках циклона снижает свою эффективную вязкость, и разрушается его структура, а уловленные частицы с каплями непрерывно удаляются из циклона в бункер 5 без использования вибратора, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления, росту скорости газа в циклоне, что в целом повышает производительность.