ЦИКЛОН
CYCLONE

Изобретение относится к машиностроению, а конкретнее - устройствам для отделения дисперсных частиц от газов, и может быть использовано при очистке выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.
Известен циклон с фильтром для отделения материалов, транспортируемых воздухом, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком и с закрепленным в крышке корпуса осевым выходным патрубком и сетчатый диск, установленный на вертикальном валу под выходным патрубком [патент Финляндии №49113, МПК В04С 9/00 «Циклон»].
Недостатком циклона является низкая степень очистка газа.
Известен циклон для отделения материалов, транспортируемых воздухом, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком и с закрепленным к крышке корпуса осевым выходным патрубком и сетчатый диск, установленный на вертикальном валу под выходным патрубком, причем в крышке корпуса выполнено отверстие для входа вспомогательного потока воздуха, а ось вала расположена между отверстием в крышке корпуса и выходным патрубком [авт.св. СССР №1364228, МПК В04С 9/00, опубл. 30.12.87, БИ №48. «Циклон», автор Манлио Черрони, приоритет Италии].
Недостатком циклона является низкая степень очистка газа.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение качества очистки газов за счет повышения скорости газового потока и сил инерции, выбрасывающих твердые частицы из газового потока, а также за счет снижения вторичного пылеуноса.
Технический результат достигается тем, что в корпус циклона, содержащего цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком и крышкой с осевым выходным патрубком, бункером с патрубком выхода шлама, с возможностью перемещения по высоте корпуса, установлена спиралеобразная вставка, которая сверху жестко закреплена к крышке или установлена к крышке с зазором и выполнена перфорированной и многовитковой, причем внутренние витки по высоте меньше наружных, а соотношение шага в вершине вставки к шагу в ее основании составляет как m:n, при этом m>n или m<n, где m и n - натуральные числа.
Спиралеобразная вставка выполнена цилиндрической или в форме усеченного конуса, который большим или меньшим основанием закреплен к крышке циклона, с увеличением или уменьшением шага спирали по мере уменьшения ее диаметра, с уменьшением диаметра отверстий по спирали закручивания.
Перфорация спирали выполнена, начиная со второго витка.
Входной патрубок установлен в середине корпуса под прямым углом к его вертикальной оси или вверху, или внизу корпуса циклона под острым углом к его вертикальной оси.
Постановка спиралеобразной вставки в циклон, выполнение ее многовитковой с одинаковым, увеличивающимся или уменьшающимся шагом спирали по мере уменьшения ее диаметра, выполнение ее конусообразной позволит увеличить скорость газового потока, в результате чего увеличивается сила инерции, отбрасывающая дисперсные частицы на стенку спиралеобразной вставки, что позволит повысить качество очистки газа.
Выполнение спиралеобразной вставки перфорированной позволит удалять дисперсные частицы в бункер в зоне с низкими скоростями пристеночного газового потока, что позволит снизить вторичный пылеунос.
Исполнение внутренних витков спиралеобразной вставки по высоте, меньше наружных, и постановка спиралеобразной вставки в корпус с зазором к его крышке позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление циклона, что тоже способствует повышению качества очистки газов.
На фиг.1 представлен общий вид циклона в разрезе.
На фиг.2 - сечение по А-А циклона, спиралеобразная вставка выполнена с увеличивающимся шагом спирали.
На фиг.3 - сечение по А-А циклона, спиралеобразная вставка выполнена с уменьшающимся шагом спирали.
На фиг.4 - общий вид циклона, спиралеобразная вставка циклона выполнена многовитковой, причем внутренние витки по высоте выполнены меньше наружных.
На фиг.5 - общий вид циклона, спиралеобразная вставка установлена в корпус с зазором к крышке циклона.
На фиг.6 - общий вид циклона, спиралеобразная вставка выполнена в форме усеченного конуса, который большим основанием закреплен к крышке циклона.
На фиг.7 - общий вид циклона, спиралеобразная вставка выполнена в форме усеченного конуса с соотношением шага в вершине вставки к шагу в ее основании как m:n, причем m>n или m<n, где m и n - натуральные числа, который большим основанием закреплен к крышке циклона.
На фиг.8 - общий вид циклона, входной патрубок установлен вверху корпуса циклона под острым углом к его вертикальной оси.
На фиг.9 - общий вид циклона, входной патрубок установлен внизу корпуса циклона под острым углом к его вертикальной оси.
Циклон состоит из корпуса 1, крышки 2 с осевым выходным патрубком 3, входного патрубка 4, спиралевидной вставки 5 с нижними загнутыми краями 6, бункера 7 с патрубком выхода шлама 8.
Циклон работает следующим образом.
Запыленный поток газа через входной патрубок 4 подается в спиралевидную вставку 5 корпуса 1. Двигаясь внутрь спиралевидной вставки, пылегазовый поток ускоряется, а величина центробежных сил, действующих на дисперсные частицы пылегазового потока, значительно возрастает. Под действием этих центробежных сил дисперсные частицы, содержащиеся в газовом потоке, отбрасываются на стенки спиралевидной вставки.
При этом более крупные частицы пыли выпадают в зоне с меньшими центробежными силами - в наружных витках спиралевидной вставки, а менее крупные частицы удаляются в зоне с большими центробежными силами - во внутренних витках спиралевидной вставки.
Ударяясь о стенку спиралевидной вставки, дисперсные частицы теряют свою скорость и падают в бункер 7, откуда далее удаляются через патрубок выхода шлама 8.
По мере продвижения очищаемого газа по спиралевидной вставке пылегазовый поток очищается и попадает в осевую часть спиралевидной вставки, откуда далее выходит через осевой выходной патрубок 3 крышки корпуса 2.
Скорость и давление газового потока у наружной стенки канала спиралевидной вставки многократно превышают скорость и давление газового потока у внутренней стенки канала спиралевидной вставки.
Скорость и давление пристеночного газового потока внутреннего витка спирали также превышают скорость и давление пристеночного газового потока наружного витка спирали.
В связи с этим спиралевидная вставка выполнена перфорированной, т.к. дисперсные частицы, ударяясь о спиралевидную вставку, пройдут через перфорацию и попадут в зону с пониженным давлением и скоростью газового потока. Таким образом, предотвращается вторичный унос дисперсных частиц с очищенным потоком газа.
Так как размер дисперсных частиц, удаляемых из очищаемого газового потока, уменьшается по мере продвижения газа внутрь спиралевидной вставки, то для предотвращения эжекции газа, находящегося во внутреннем витке спирали по отношению к наружному витку, через перфорацию, перфорированные отверстия спиралевидной вставки по спирали закручивания выполнены с уменьшением диаметра.
Спиралеобразную вставку можно выполнять с увеличивающимся или уменьшающимся шагом спирали по мере уменьшения диаметра спиралеобразной вставки.
В случае если спиралеобразная вставка будет выполнена с уменьшающимся шагом спирали, то скорость газового потока по мере продвижения внутрь спирали будет увеличиваться еще сильнее, по сравнению с одинаковым шагом спирали. В этом случае перфорацию спиралеобразной вставки целесообразнее выполнять, начиная со второго витка, т.к. силы инерции газового потока в наружных витках спирали будут значительнее меньше, чем во внутренних витках.
В случае если спиралеобразная вставка будет выполнена с увеличивающимся шагом спирали, то скорость газового потока по мере продвижения внутрь спирали будет уменьшаться. В этом случае в наружных витках спирали будет максимальная сила инерции газового потока и максимальное отделение дисперсных частиц, а при прохождении отделившихся частиц через перфорацию в первом витке они попадут в зону, где движение газового потока практически отсутствует, в результате вторичный пылеунос практически прекратится.
В случае если спиралеобразная вставка будет выполнена с увеличивающимся или уменьшающимся шагом спирали по мере уменьшения ее диаметра, то гидравлическое сопротивление циклона значительно уменьшится, что приведет к увеличению энергозатрат. Для увеличения гидравлического сопротивления циклона его спиралеобразную вставку целесообразно выполнять многовитковой, причем внутренние витки по высоте должны быть выполнены меньше наружных, а для необходимости еще большего повышения гидравлического сопротивления циклона его спиралеобразную вставку необходимо установить в корпусе с зазором к крышке корпуса циклона. В этих случаях очищаемый газовый поток по мере продвижения внутрь спирали будет двигаться в направлении осевого выходного патрубка, что в свою очередь увеличит гидравлическое сопротивление циклона.
Для необходимости регулирования гидравлического сопротивления циклона спиралеобразную вставку необходимо установить в корпусе циклона с возможностью ее перемещения по высоте корпуса.
Спиралеобразную вставку циклона можно выполнить в форме усеченного конуса и закрепить к крышке циклона большим или меньшим основанием. Это позволит увеличить скорость газового потока и силу инерции, отбрасывающую дисперсные частицы на стенки спиралеобразной вставки. Повышение качества очистки газового потока также достигается ускоренным процессом гашения кинетической энергии дисперсных частиц, а это в свою очередь обеспечивается усиленным трением дисперсных частиц с конусной спиралеобразной стенкой вставки.
В случае если спиралеобразную вставку выполнить в форме усеченного конуса и закрепить к крышке циклона меньшим основанием, то для еще большего увеличения скорости газового потока и силы инерции, отбрасывающей твердые частицы на стенку вставки, целесообразно входной патрубок установить внизу корпуса под острым углом к вертикальной оси циклона.
Спиралеобразную вставку в форме усеченного конуса можно выполнить с соотношением шага в вершине вставки m к шагу в ее основании n как m:n, причем возможно как m>n, так и m<n, где m и n - натуральные числа. Это приведет к значительному увеличению скорости газового потока и силы инерции, отбрасывающей твердые частицы на стенку спиралеобразной вставки.
В случае если спиралеобразную вставку выполнить в форме усеченного конуса и закрепить к крышке циклона большим основанием, целесообразно входной патрубок установить вверху корпуса под острым углом к вертикальной оси циклона. В этом случае вторичный пылеунос сократится в 3-4 раза. Это объясняется тем, что пылегазовый поток движется по направлению к бункеру и дисперсные частицы наиболее интенсивно теряют свою кинетическую энергию у входа в бункер. Потеряв свою кинетическую энергию, дисперсные частицы, за счет своей массы и частично сохранившейся кинетической энергии, быстро выпадают из зоны с интенсивным движением газового потока и направляются в бункер.
В случае если входные патрубки установить под разными углами к вертикальной оси циклона, то один газовый поток будет врезаться в другой и выбивать из него дисперсные частицы, что также приведет к повышению качества очистки газового потока.
Предлагаемый циклон позволяет повысить качество очистки газа от дисперсных частиц и аэрозолей в 3-4 раза, снизить время очистки газового потока в 1,5-2 раза, снизить гидравлическое сопротивление циклона на 30%.