Циклон

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратам для разделения газовых или паровых потоков от частиц и капель дисперсной фазы (суспензий и туманов) в центробежном поле при неподвижном корпусе самого аппарата и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, теплоэнергетической, строительной, биохимической, фармацевтической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки вентиляционных выбросов и дымовых газов.
Известна конструкция промышленного циклона НИИОгаз ЦН-15, состоящего из цилиндрического корпуса и конического днища с патрубком для отвода шлама, патрубка для тангенциального ввода запыленного газа в цилиндрический корпус и патрубка для отвода очищенного газа из цилиндрического корпуса [Машины и аппараты химических производств. / под общей редакцией А.С. Тимонина.- Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.: стр 423]
Недостатком известной конструкции циклона является налипание слоя уловленных частиц и капель на стенку цилиндрического корпуса что требует остановки работы и затрат на времени на удаление этого слоя, особенно когда он обладает сильными адгезионными и когезионными свойствами. Это снижает время основной работы и в целом производительность.
Известна конструкция циклона, состоящего из цилиндрического корпуса и тангенциально установленного к нему патрубка для подвода запыленного газа, конического днища с патрубком для отбора шлама, выходящего патрубка для отвода очищенного газа, установленного с возможностью вращения в крышке корпуса на подшипнике. Снизу к выходящему патрубку осесимметрично прикреплен цилиндр с перфорированной боковой поверхностью, а сверху равномерно по окружности внутренние лопасти. В зоне установки этих лопастей внутри цилиндрического барабан закреплен распылитель жидкости для ее подачи на лопасти с целью вращения цилиндрического барабана и прикрепленного к нему цилиндра с перфорированной боковой поверхностью [патент на изобретение №2180260РФ, МПК B01D 47/06, 2002].
Недостатком известной конструкции является налипание улавливаемых частиц и капель на боковой стенке цилиндрического корпуса с образованием слоя осадка, который необходимо периодически удалять, останавливая основной цикл работы. Это уменьшает общую производительность, особенно когда образующийся слой осадка представляет собой структурированную высоковязкую неньютоновскую среду с высокими адгезионными и когезионными свойствами, требующими больших затрат времени на очистку боковой поверхности цилиндрического корпуса и подготовке циклона к новому рабочему циклу.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемым объекту и принятому за прототип является устройство инерционного пылеуловителя, 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 результатом является повышение производительности за счет уменьшения массы, вибрирующей в резонансном режиме с увеличением частоты вибрации.
Поставленный технический результат достигается тем, что в циклоне, содержащим ввод запыленного газового потока в цилиндрическую часть корпуса, осевой выходной патрубок, коническую часть корпуса, балку с пружинами, причем на верхнем торце цилиндрической части корпуса установлен кольцевой карман, а на крышке закреплена кольцевая перегородка, на которой снизу осесимметрично закреплена сетчатая цилиндрическая обечайка, высота которой равна высоте цилиндрической части корпуса, а отношение диаметра сетчатой цилиндрической обечайки к диаметру цилиндрической части корпуса определяется выражением
(1)
0
k
где D и D - соответственно диаметр сетчатой цилиндрической обечайки и цилиндрической части корпуса, м;
а на балке равноудаленно от цилиндрической корпуса по окружности установлены цилиндрические пружины, соединенные с кольцевой перегородкой, при этом упругость витков каждой цилиндрической пружины, определяется соотношением
где а - упругость витков цилиндрической пружины, Н/м;
π - число Пи;
с - скорость звука в очищаемом газе, м/с;
L - длина выходного патрубка, м;
N - число цилиндрических пружин;
М - масса крышки с выходным патрубком кольцевой перегородкой и сетчатой цилиндрической обечайки, кг.
Равенство высоты сетчатой цилиндрической обечайки высоте цилиндрической части корпуса обеспечивает погружение первой по всей высоте образующегося слоя уловленных частиц и капель, что при вибрации обеспечивает ее воздействие на весь этот слой, заставляя его опускаться вниз под действием силы тяжести, что способствует самоочищению сетчатой обечайки, что приводит к увеличению времени безостановочной работы, а, следовательно, и производительности.
Осесимметричное закрепление сетчатой цилиндрической обечайки на крышке снизу обеспечивает ее одинаковое расположение внутри накапливающего кольцевого слоя осадка из уловленных частиц и капель и при осевой вибрации обечайки одинаковое воздействие на структуру слоя осадка и тиксотропное снижение вязкости, способствующее стряхиванию всего слоя осадка под действием силы тяжести в коническую часть корпуса. Это не требует дополнительных затрат времени на такое удаление, а значит приводит к росту производительности.
Уменьшение нижнего предела заявляемого отношением (1) приводит к удалению вибрирующей сетчатой цилиндрической обечайки от поверхности слоя осадка, что не позволяет разрушать его структуру и уменьшать эффективную вязкость. Это приводит к зависанию части слоя осадка из уловленных частиц и капель дисперсной фазы на поверхности цилиндрической части корпуса, что требует периодической остановки работы циклона, значит снижает время основной работы, снижая тем самым производительность.
Увеличение верхнего предела (1) может привести при осевой вибрации цилиндрической обечайки при радиальном раскачивании циклона на цилиндрических пружинах к трению поверхности сетчатой цилиндрической обечайки о стенку цилиндрической части корпуса, что, во-первых, снижает амплитуду колебаний, а значит тиксотропное разжижение осадка из частиц и капель уловленных частиц, а во-вторых, десорбирует и разрушает целостность самой сетчатой цилиндрической обечайки, что потребует ее замены. Это приводит к дополнительным внеплановым остановкам работы циклона и снижению производительности.
Установка на верхнем торце цилиндрической части корпуса кольцевого кармана и закрепленной на крышке кольцевой перегородки, образующих гидравлический затвор, позволяет крышке с выходным патрубком для отвода очищенного газа свободно перемещаться относительно цилиндрической и конической частей корпуса, что упрощает сборку и разборку циклона в процессе ремонта, а гидрозатвор препятствует проскоку неочищенного газа из корпуса, это увеличивает основное время работы и приводит к росту производительности.
Закрепление на балке равноудаленно от цилиндрической части корпуса по окружности пружин, соединенных с кольцевой перегородкой, обеспечивает осевую вибрацию крышки с выходным патрубком, кольцевой перегородкой и цилиндрической сетчатой обечайкой осевую вибрацию, приводящую к частичному разрушению и уменьшению неньютоновской вязкости под действием вибрации цилиндрической сетчатой обечайки внутри осадка из частиц и капель дисперсной фазы, а уменьшение толщины этого слоя осадка с поверхности цилиндрической части корпуса увеличению времени основного цикла работы циклона, а значит и его производительности.
Выполнение цилиндрической пружины с упругостью витков, подчиняющихся условию (2), приводит к осевым колебаниям крышки с выходным патрубком сетчатой обечайкой в резонансном режиме с большой амплитудой, а так как сетчатая обечайка колеблется внутри кольцевого слоя осадка из частиц и капель дисперсионной фазы, то структура такого осадка полностью разрушается, резко уменьшается эффективная вязкость за счет тиксотропного разжижения, силы инерции превышают силы адгезии к поверхности цилиндрической части корпуса и весь слой осадка стекает вниз в коническое днище, что увеличивает безостановочное время работы аппарата, а значит и его производительность.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции циклона.
Циклон состоит из цилиндрической части 1 корпуса и конической части 2 корпуса с патрубком 3 для удаления шлама, патрубком 4 для тангенциального ввода запыленного газа в цилиндрическую часть 1 корпуса и осевого выходного патрубка 5, длиной L для отвода очищенного газа, установленного на крышке 6. На верхнем торце цилиндрической части 1 корпуса закреплен кольцевой карман 7, а на крышке 6 - кольцевая перегородка 8, образующая с кольцевым карманом 7 гидрозатвор. Цилиндрические пружины 9 установлены на балке 10 равноудаленно от цилиндрической части 1 корпуса по окружности, при этом упругость каждой пружины определяется выражением (2). На крышке 6 снизу осесимметрично с цилиндрической частью 1 корпусом прикреплена цилиндрическая сетчатая обечайка 11 с диаметром, определяемым выражением (1).
Циклон работает следующим образом. Предварительно в кольцевой карман 7 заливается слой воды, с помощью которого карман 7 с кольцевой перегородкой 8 образуют гидрозатвор, предупреждающий выход неочищенного запыленного газа наружу. По патрубку 4 подается запыленный газ, предназначенный для очистки от частиц и капель дисперсной фазы к стенке цилиндрической части 1 корпуса, образуя на нем слой уловленных частиц и капель. Внутри этого слоя находится цилиндрическая сетчатая обечайка 11, так как ее диаметр меньше, чем диаметр цилиндрической части 1 корпуса, и определяется выражением (1). Так как крышка 6 с выходным патрубком 5 кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайкой 11 совершает резонансные осевые колебания с частотой, равной частоте колебаний очищенного газа, движущегося внутри выходного патрубка 5, то под действием этих колебаний с высокой амплитудой слой осадка из уловленных частиц и капель будет тиксотропно разрушаться, уменьшая свою неньютоновскую вязкость, будет проходить его адгезионное и когезионное скольжение под действием силы тяжести вниз в коническую часть 2 корпуса. Таким образом, будет отпадать необходимость в периодической остановке работы циклона и удаления слоя из его корпуса, что увеличивает основное время работы, а значит и в целом производительность.
Как известно частота колебаний газа в выходном патрубке 5 описывается уравнением
где с - скорость звука в очищаемом газе, м/с;
L - выходного патрубка 5, м [Яворский Б.М. Справочник по физике. Изд. 8-е. - М. Оникс. Мир и образование 2006, -1056 с: стр. 510].
Крышка 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайки 11, подвешенные на цилиндрических пружинах 9 к опорной балке 10, образуют пружинный маятник, собственная частота колебаний которых определяется уравнением
где а - упругость витков цилиндрической пружины 9, Н/м;
m - масса приходящаяся на одну цилиндрическую пружину 9, кг [элементарный учебник физики. Т III. Колебания и волны/ Под редакцией Ландсберга Г.С. стр. 127].
Решая совместно уравнения (3) и (4) относительно упругости витков цилиндрической пружины 9 и имея ввиду, что масса т, приходящаяся на одну цилиндрическую пружину 9, определяется как
.
Получаем исходное уравнение (2), заявляемое в формуле полезной модели.
Пример расчета упругости цилиндрической пружины по выражению (1).
k
В циклоне Ц-250 очищается воздух с частицами пыли и капельками тумана. Длина выходного патрубка 5 L=0,425 м. Диаметр цилиндрической части 1 корпуса D =0,25 м. Масса циклона 18,2 кг [Тимонин А.С.Инженерно- экологический справочник. Т1. - Калуга: издание Н.Б. Бочкаревой, 2003. - 917 с.: стр. 547].
Масса колебаний очищенного воздуха, движущегося в выходном патрубке 5 согласно уравнению (3) численно равна
Масса крышки 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайки 11 принимаем в 7 раз меньше массы самого циклона, то есть
Число цилиндрических пружин 9, на которых опирается крышка 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайки 11, образуя физический маятник, равно N=8.
Тогда упругость каждой пружины должна быть равна согласно условию (2):
Выбираем пружину сжатия из прутков стали 60С2.
Диаметр пружин d=12 мм, наружный диаметр D=70 мм, которая при силе сжатия Р=680 кг деформируется на f=3,5 мм [В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 8-е, переработанное и дополненное. - Машиностроение-М.1967, 688 с: стр 543].
Упругость витков
При этом шаг витка t=18,5 мм.
0
Длина пружин сжатия H≤D-d=70-12=58 мм.
Тогда число витков
Из расчета видно, что для обеспечения резонансных осевых колебаний крышки 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайкой 11 устанавливаем крышку 6 на 8 цилиндрических пружинах 9 сжатия с наружным диаметром витков D=12 мм, толщиной прутка d=12 мм с шагом 18,5 мм. В этом случае крышка 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайкой 11 будут колебаться в резонансном режиме с высокой амплитудой и частотой v=388 Гц при упругости каждой из 8 цилиндрических пружин 9 а=194 кг/мм.
Таким образом, предлагаемая конструкция циклона, в котором вынужденные колебания, создаваемые газом в цилиндрическом патрубке 5, создают резонансный режим колебаний крышки 6 с выходным патрубком 5, кольцевой перегородкой 8 и цилиндрической сетчатой обечайкой 11, установленных на цилиндрических пружинах 9, а высота сетчатой цилиндрической обечайки 11 равна высоте цилиндрической части 1 корпуса, повышает степень очистки и увеличивает время безостановочной работы, что, в общем, повышает производительность.