ЦИКЛОН

Изобретение относится к устройствам очистки и осушки сжатых газов.
Известен циклон, у которого осевая отводящая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней сферической стенке корпуса циклона, и переходящую в тороидальную поверхность меньшего радиуса кривизны, камера закручивания образована внутренней полостью тангенциального соплового ввода, а камера-сборник отделена от камеры закручивания стенкой, сообщается с ней отверстиями и совмещена с верхним концом осевой трубы (Патент РФ №2071839, МПК В04С 5/103. Циклон/ А.Н.Балалаев. - По заявке №93053671/26 от 23.11.93, опубл. 1997, №2).
В данном циклоне эквидистантные сферические стенки образуют диффузор, на тороидальной поверхности происходит разворот потока сжатого газа на 180°, а вторичная сепарация осуществляется во внутренней полости сферического диффузора. Процесс вторичной сепарации усиливается за счет индуцирования акустических колебаний камерой-сборником.
Однако, мощность акустических колебаний невелика, поэтому снижение температуры точки росы, вызванное колебаниями также невелико.
Известна установка для осушки газа, содержащая вихревую трубу и циклон. Холодный воздух из вихревой трубы поступает в циклон, где сепарируется выделившаяся влага (Патент РФ №2038169, МПК В04С 7/00. Установка осушки газа/ Н.А.Макаров, Ю.Ф.Коротков, Е.А.Зинкичев и др. - По заявке №92014741/26 от 28.12.92, опубл. 1995, №18).
Вихревая труба разделяет сжатый газ на охлажденный и подогретый потоки, причем эффект охлаждения тем выше, чем меньше доля
охлажденного потока и чем выше перепад давления. Поэтому данная установка осушает только часть газа при значительном снижении его давления.
Известен также противоточный циклон (Свид. на полезную модель №24401, МПК В04С 5/103. Циклон / А.Н.Балалаев, М.А.Паренюк. - По заявке №2002100854/20 от 08.01.02; опубл. 2002. - №22 (III ч.)), содержащий, камеру закручивания, эквидистантные сферические стенки, образующие диффузор, переходящий в тороидальную поверхность меньшего радиуса кривизны, отводящую трубу, расположенный перед тороидальной поверхностью теплообменник, вход которого совмещен с выходом охлажденного газового потока вихревой трубы, используемой для измерения влажности сжатого газа, истекающего из выходного штуцера циклона.
Однако для измерения влажности сжатого газа с помощью вихревой трубы необходимо, чтобы перепад давления на вихревой трубе и, следовательно, расход газа через нее были постоянными и независящими от расхода сжатого газа через циклон. При изменении расхода сжатого газа через циклон и перепада давления на нем степень осушки сжатого газа существенно изменяется, что является недостатком данного устройства.
Данный циклон принят за прототип, как наиболее близкий по технической сущности.
Техническим результатом является повышение степени осушки сжатого газа в циклоне при снижении перепада давления сжатого газа за счет увеличения расхода газа через вихревую трубу.
Технический результат достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус, состоящий из верхней обечайки с входным патрубком и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую отводящую трубу, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую
стенку, эквидистантную внешней, и переходящую в тороидальную стенку, камеру закручивания, образованную внутренней полостью тангенциального соплового ввода, выходной патрубок, верхнюю камеру-сборник, расположенную над тангенциальным сопловым вводом, отделенную от камеры закручивания стенкой, и сообщающуюся с ней отверстиями, и трубку для отвода конденсата, совмещающую внутреннюю полость тороидальной стенки с нижней частью корпуса циклона, расположенный перед тороидальной стенкой отводящей трубы теплообменник, вход которого совмещен с выходным патрубком для охлажденного газового потока вихревой трубы, кроме того, дополнительно введен регулятор расхода, который выполнен в виде камер пониженного и повышенного давления, которые разделены между собой гибкой мембраной, которая соединена с подпружиненным полым штоком, который расположен в камере пониженного давления и имеет боковые отверстия, которые совмещают внутреннюю его полость с полостью камеры пониженного давления и осевое выходное отверстие в конической части штока, площадь выходного отверстия штока равна 1,0...1,2 от площади соплового ввода вихревой трубы, гибкая мембрана выполнена с возможностью перемещения до плотного прилегания конической части штока к седлу клапана регулятора расхода, а площадь отверстия в седле клапана равна 3...5 от площади соплового ввода вихревой трубы, причем, камера пониженного давления регулятора расхода соединена трубопроводом с выходным патрубком циклона и совмещена через отверстие в седле клапана с входным патрубком вихревой трубы, а камера повышенного давления регулятора расхода совмещена трубопроводом с входным патрубком циклона.
Предложенное техническое решение отличается от прототипа наличием регулятора расхода, камера пониженного давления которого совмещена через отверстие в седле клапана с входным патрубком вихревой трубы и
выходным патрубком циклона, а камера повышенного давления совмещена с входным патрубком циклона. Геометрические размеры регулятора расхода выполнены таким образом, чтобы обеспечивать соотношения площадей лимитирующего отверстия регулятора расхода и соплового ввода вихревой трубы при плотном прилегании полого штока к седлу в диапазоне 1,0...1,2, а при отсутствии прилегания штока к седлу в диапазоне 3...5.
Таким образом, в предложенную конструкцию вводится новый элемент: регулятор расхода с геометрическими характеристиками, зависящими от площади соплового ввода вихревой трубы, что доказывает соответствие предложенного технического решения критерию «новизна».
Так как в вихревой трубе протекает газ, очищенный и осушенный в циклоне, то поток охлажденного газа на выходе из вихревой трубы имеет температуру на 20...40°С ниже температуры газа на входе в циклон (Вихревые аппараты/А.Д.Суслов, С.В.Иванов, А.В.Мурашкин, Ю.В.Чижиков. - М.: Машиностроение, 1985. - 270 с.). Этот охлажденный поток газа подается в теплообменник, расположенный перед тороидальной стенкой отводящей трубы циклона. Сжатый газ в циклоне соприкасается с внешней стенкой теплообменника, имеющей температуру на 15...30°С ниже температуры сжатого воздуха. Вода, содержащаяся в газе в виде пара, конденсируется на стенках теплообменника. Капли, унесенные с поверхности теплообменника закрученным газовым потоком, оседают на внутренней стенке тороидального обтекателя, куда отбрасываются центробежными силами, и вытекают из него через отводную трубку.
При уменьшении расхода сжатого газа через циклон, вызванного уменьшением числа потребителей, свойства циклона по сепарации капельной влаги заметно снижаются. Компенсировать это снижение может увеличение холодопроизводительности вихревой трубы, снижение температуры холодного газа, истекающего из вихревой трубы, и как
следствие, выпадение из сжатого газа конденсата в виде инея. Чтобы достичь данного эффекта, необходимо при уменьшении перепада давления сжатого газа между входным и выходным патрубками циклона увеличить расход сжатого газа через вихревую трубу. Эту функцию может обеспечить регулятор расхода.
Отличительные признаки в своей совокупности не были использованы по предложенному назначению в других технических решениях в данной области техники, они являются необходимыми и достаточными для достижения поставленной цели, то есть повышения степени осушки сжатого газа.
На фиг.1 показан продольный разрез предложенного циклона. На фиг.2 - увеличенный вид I регулятора расхода.
Циклон содержит патрубок 1 для подвода сжатого газа, тангенциальный сопловый ввод 2, камеру закручивания 3, верхнюю обечайку 4, соединенную внешней сферической стенкой 5 с нижней обечайкой 6, осевую отводящую трубу 7, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку 8, переходящую в половину тора 9 с трубкой 10 для отвода конденсата, теплообменник 11, нижнюю камеру-сборник 12, вихревую трубу 13 с выходным патрубком 14 для охлажденного газа и входным патрубком 15, выходной штуцер 16, имеющий зазор 17 с верхним концом отводящей трубы 7, верхнюю камеру-сборник 18, отделенную от камеры закручивания 3 стенкой с отверстиями 19. Входной патрубок циклона 1 соединен трубопроводом с камерой повышенного давления 20 регулятора расхода, имеющего камеру пониженного давления 21, соединенную трубопроводом с выходным патрубком циклона 16. Камеры повышенного 20 и пониженного давления 21 регулятора расхода 22 разделены между собой гибкой мембраной 23, соединенной с полым штоком 24, имеющим боковые отверстия 25, совмещающие его внутреннюю полость с полостью камеры пониженного давления 21 и
осевое выходное отверстие 26 в конической части штока, площадь выходного отверстия 26 равна 1,0...1,2 от площади соплового ввода вихревой трубы, гибкая мембрана 23 выполнена с возможностью перемещения до плотного прилегания конической части штока 24 к седлу клапана 27 регулятора расхода 22, а площадь отверстия в седле клапана 27 равна 3...5 от площади соплового ввода вихревой трубы. Между мембраной 23 и стенкой камеры пониженного давления 21 расположена пружина 28.
Циклон работает следующим образом.
Сжатый воздух или газ поступает через входной патрубок 1 и тангенциальный сопловой ввод 2 в камеру закручивания 3, где приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил частицы масла, воды и механических примесей отбрасываются на поверхность верхней обечайки 4, сферической стенки 5 и нижней обечайки 6, откуда стекают в нижнюю камеру-сборник 12. Закрученный поток сжатого газа обтекает криволинейные поверхности 8 и 9 и входит в отводящую трубу 7. Так как при этом радиус потока вращающегося газа уменьшается, то увеличиваются центробежные силы. Перед входом в отводящую трубу 7 газ проходит вдоль поверхности теплообменника 11, по которому протекает охлажденный газовый поток из вихревой трубы 13. Поток охлажденного газа в выходном патрубке 14 вихревой трубы имеет температуру на 20...40°С ниже температуры газа во входном патрубке 15 вихревой трубы или в выходном патрубке 16 циклона. Сжатый газ в циклоне соприкасается с внешней стенкой теплообменника 11, имеющей температуру на 15...30°С ниже температуры сжатого воздуха. Вода, содержащаяся в газе в виде пара, конденсируется на стенках теплообменника. Влага, выделившаяся в потоке сжатого газа, сепарируется во внутренней полости тороидальной стенки 9 и стекает по трубке для отвода конденсата 10 в нижнюю камеру-сборник 12 циклона. Влага,
движущаяся вместе с газовым потоком по внутренней поверхности отводящей трубы 7 в виде пленки, попадает через щель 17 в верхнюю камеру-сборник 18 и подсасывается через отверстия 19 в камеру закручивания 3.
При уменьшении расхода сжатого газа через циклон, вызванного уменьшением числа потребителей сжатого газа после циклона, свойства циклона по сепарации капельной влаги заметно снижаются. При этом также снижается перепад давления газа между входным патрубком 1 и выходным патрубком 16 циклона. Одновременно снижается перепад давления газа между полостями 20 и 21 регулятора расхода 22. Гибкая мембрана 23 перемещается под действием пружины 28 и отводит полый шток 24 от седла клапана 27, увеличивая расход сжатого газа через регулятор расхода 22 и вихревую трубу 13. Увеличение расхода через вихревую трубу 13 повышает ее холодопроизводительность, что приводит к снижению температуры холодного газа, истекающего из выходного патрубка 14 вихревой трубы, к снижению температуры стенки теплообменника 11 и, как следствие, к выпадению из сжатого газа конденсата в виде инея. Отношение площадей отверстия седла клапана 27 и соплового ввода вихревой трубы 13 предусмотрено в диапазоне 3...5, чтобы создавать минимальное сопротивление потока газа в регуляторе расхода.
При увеличении расхода сжатого газа через циклон, вызванного увеличением числа потребителей сжатого газа после циклона, свойства циклона по осушению сжатого газа увеличиваются. Осушение происходит за счет акустических колебаний, индуцируемых верхней камерой-сборником 18, играющей роль акустического резонатора, и передающихся в камеру закручивания 3 через отверстия 19. При этом также повышается перепад давления газа между входным патрубком 1 и выходным патрубком 16 циклона. Одновременно повышается перепад давления газа
между полостями 20 и 21 регулятора расхода 22. Гибкая мембрана 23 перемещается под действием перепада давления, сжимает пружину 28 и доводит полый шток 24 до плотного прилегания к седлу клапана 27, уменьшая расход сжатого газа через отверстия 25, 26 и вихревую трубу 13. Отношение площадей отверстия 26 полого штока 24 и соплового ввода вихревой трубы 13 предусмотрено в диапазоне 1...1,2, чтобы понизить расход воздуха за счет повышения сопротивление потока газа в регуляторе расхода 22. Снижение расхода газа через вихревую трубу в этом случае не приводит к понижению степени осушения газа циклоном, но зато повышает долю сжатого газа, направляемого после выходного патрубка 16 циклона к потребителям.
В результате конденсации и сепарации влаги точка росы сжатого газа может понизиться на 15...30°С, что выше, чем у аналогов, на 5...10°С. Таким образом, степень осушения сжатого воздуха повышается по сравнению с прототипом на 5...7%. За счет использования регулятора расхода доля сжатого газа, отбираемого в вихревую трубу, может быть ограничена заданным значением, например, быть не более 10%.