ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР
CYCLONE SEPARATOR

Изобретение может быть использовано в машиностроении и, в частности, в технологических процессах, в которых требуется отделить (сепарировать) по крайней мере одно вещество из потока газовой или жидкой среды под действием центробежных сил при условии, что отделяемое вещество (фракция) имеет более высокую плотность, чем основная средообразующая фракция.
Уровень техники
В зависимости от вида среды, циклонные сепараторы разделяются на гидроциклоны, в случае когда обрабатываемый поток - жидкость, и просто циклоны, когда обрабатываемый поток - газ. И те и другие устройства массово применяются в различных отраслях промышленности [1, 2]. В циклоне поле центробежных сил возникает во вращающемся потоке. Как правило источником вращательного движения потока является потенциальная энергия потока, а точнее располагаемый напор, который преобразуется в кинетическую энергию потока во входном направляющем аппарате (сопле). Тангенциальный подвод потока к корпусу циклона, как правило круглого сечения, обеспечивает значительную закрутку потока для последующего процесса сепарации.
Энергетическая эффективность обычных циклонов, с тангенциальным поводом среды, крайне низка, что связано с несовершенством гидродинамического режима: большая часть располагаемого напора срабатывается во входном сечении циклона, а затем кинетичская энергия потока расходуется на внутреннее трение и трение о стенки корпуса циклона. Именно необходимость поддержания максимальной тангенциальной составляющей скорости потока у стенки циклона (за счет постоянной деформации пограничного слоя) заставляет выполнять рабочую часть циклона конической, что ухудшает массогабаритные характеристики подобных устройств. Альтернативой подобному протеканию рабочего процесса в циклопе может быть постепенное срабатывание располагаемого напора по всему пути движения среды, т.е. по мере осуществления самого процесса сепарации.
Известен циклонный сепаратор [3], использующий осевой подвод среды, т.е. являющийся прямоточным, в котором для организации процесса сепарации применен спиральный канал переменного сечения, изменяющегося по пути движения среды как за счет переменного угла подъема однозаходной спиральной перегородки, так и за счет изменения радиального зазора между цилиндрической обечайкой корпуса и коническим контртелом, на котором спиральная перегородка закреплена. Между спиральной перегородкой и цилиндрической обечайкой имеется радиальный зазор, через который частицы отделяемого вещества, накапливаясь на периферии спирального канала (у стенки обечайки), могут опускаться под действием силы тяжести в нижнюю часть устройства (в сепарационную камеру). Недостатком указанного циклонного сепаратора является то, что увеличение диаметра контртела по ходу потока приводит к существенному стеснению потока у стенки обечайки на выходе спирального канала, что в свою очередь приводит к вторичному захвату потоком частиц ранее сепарированных из потока. Таким образом в сепарационную камеру поток входит с низкой степенью разделения, что снижает эффективность устройства. Заявленная возможность вращения контртела вокруг своей оси вместе со спиральным каналом, не приводит к повышению эффективности устройства, но существенно усложняет его конструкцию.
Известно также устройство направляющих для центробежных сепараторов, особенно циклонных сепараторов [4]. В указанном устройстве использован преимущественно осевой подвод потока в корпус сепаратора, хотя и допускается частично тангенциальный подвод потока, причем основным направлением потока принято движение снизу вверх. Начальное закручивание потока обеспечивается нижней пластиной, имеющей форму подобную пропеллеру, сегменты которой (лопасти) имеют небольшой наклон к плоскости нормальной к оси сепаратора. Основное закручивание потока обеспечивается группой направляющих лопаток криволинейной формы (конической), которые имея переменный радиус кривизы, уменьшающийся от периферии к центру, образуют систему спиральных каналов. Лопатки имеют угловую протяженность (для четырех лопаток) от 100° до 110°, что обеспечивает их частичное перекрытие от 10° до 20° и в месте примыкания к цилиндрической обечайке образуют карманы (заплечики), которые через отверстия в обечайке могут сообщаться с отводящими трубками. Так как задние кромки лопаток, смыкаясь с обечайкой, образуют канал клиновой формы, сопротивление канала в направлении к центру оказывается меньше, чем вдоль оси сепаратора, что приводит к преимущественно центростремительному движению потока. Но одновременно с увеличением осевой составляющей скорости потока происходит и увеличение тангенциальной составляющей скорости, что означает увеличение угловой скорости вихря. Таким образом лопатки формируют высокоскоростное ядро потока, в котором происходит эффективное выделение из потока дисперсной фазы, поскольку и уменьшение радиуса траектории частицы и увеличение угловой скорости вихря ведут к увеличению центробежной силы, действующей на частицу отделяемого вещества.
Важным фактором повышения эффективности сепаратора является разнонаправленное движение потока (вверх) и движение сепарированных частиц (вниз) под действием силы тяжести, т.к. частицы попавшие в зону кармана никогда не могут быть вторично захвачены потоком. Недостатком указанного устройства является то, что направляющие создают только предпосылки для последующего разделения потока в сепарационной камере, но не позволяют уменьшать концетрацию отделяемого вещества в потоке за счет его непрерывного отбора по ходу потока.
Известен центробежный сепаратор для разделения пароводяной смеси на пар и воду [5]. В указанном устройстве применен нижний прямоточный подвод исходной смеси и для ее закручивания в кольцевом пространстве между внешним цилиндрическим корпусом и соосной с ним цилиндрической вставкой используются завихрители. Отделение более плотной фракции (воды) происходит в поле центробежных сил на цилиндрической поверхности внутреннего корпуса, в стенке которого выполнена перфорация. Недостатком указанного устройства является то, что завихрители как и в [4] создают только предпосылки для последующего разделения потока в сепарационной камере, эффективность котрого определяется формой и суммарной площадью сечения перфорационных отверстий. Так взаимодействие потока менее плотной фракции (пара) с перфорацией может вызывать повышенную турбулентность в пристеночном слое, что в свою очередь приводит к вторичному захвату потоком фракции (воды) ранее сепарированной из потока. В указанном устройстве также нет возможности уменьшать концетрацию отделяемой фракции в потоке за счет ее непрерывного отбора по ходу потока.
Известен циклонный сепаратор для разделения твердо-, жидко- и/или газообраной смеси [6]. Сепаратор является прямоточным, поэтому для закручивания потока применены направляющие в виде винтовой поверхности - один или несколько, по числу заходов, вихре-индуцирующих элементов, закрепленных на цилиндрическом контртеле, соосном с корпусом сепаратора. Особенностью конструкции сепаратора является то, что каждый из, например, двух заходов направляющих, образован двумя винтовыми поверхностями, которые формируют внутренний спиралевидный канал с поперечным сечением клиновой формы. Через отверстия в цилиндрической обечайке сепаратора указанные спиралевидные каналы по периферии могут сообщаться с полостью вторичного потока. Вторичный поток представляет собой смесь с высоким содержанием отделяемого вещества, которое в результате сепарации на рабочей поверхности вихре-индуцирующих элементов попадает в спиралевидный канал через систему отверстий. Важным преимуществом данного технического решения является то, что отбор отделяемого вещества осуществляется непрерывно по ходу потока, что в свою очередь исключает вторичный захват потоком отделяемого вещества. Однако указанный сепаратор характеризуется высокой конструктивной сложностью образования рабочей поверхности в виде полых двухзаходных направляющих, особенно с учетом переменной кривизны поверхности по его длине.
Указанное устройство предназначено для сепарации твердо-, жидко- и/или газообразной среды под действием центробежных сил, возникающих во вращающемся потоке среды, с прямоточным подводом потока, поэтому по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения оно может быть выбрано в качестве прототипа.
Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности циклонного сепаратора за счет использования вихреиндуцирующих элементов нового типа - системы направляющих лопаток и направляющих поверхностей, которые дополнительно возбужают движение потока с циклически изменяющейся скоростью, а также непрерывного по ходу потока отбора отделяемого вещества (фракции).
Раскрытие изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в известном циклонном сепараторе, содержащем корпус, входной патрубок для подвода первичного потока исходной среды, разделяемой на фракции, выходной патрубок для отвода потока основной средообразующей фракции, выходной патрубок для отвода вторичного потока отделяемой фракции с плотностью большей, чем плотность основной средообразующей фракции, удлиненное контртело обтекания, размещенное в корпусе и оформляющее рабочее пространство сепаратора, по крайней мере, один вихреиндуцирующий элемент, средство отбора отделяемой фракции, полость для временного накопления отделяемой фракции, по крайней мере, один дренажный канал, сообщающий средство отбора отделяемой фракции с полостью для временного накопления отделяемой фракции, вихреиндуцирующий элемент выполнен в виде, по крайней мере, одного кольцевого элемента с односторонней поверхностью, закрепленного на удлиненном контртеле обтекания и образующего спиралевидный канал переменного сечения по ходу потока, а средство отбора отделяемой фракции конструктивно совмещено с элементами дренажного канала.
Предпочтительно, кольцевой элемент с односторонней поверхностью, полученный перекручиванием на 180° верхней стыковой кромки плоской заготовки в направлении против часовой стрелки, порождает вихреиндуцирующий элемент с направлением вращения вихря против часовой стрелки.
Предпочтительно, вихреиндуцирующий элемент выполнен в виде, двух одинаковых кольцевых элементов с односторонней поверхностью, развернутых вокруг оси сепаратора на 180° и имеющих взаимное сцепление поверхностей.
Преджпочтительно, в рабочем пространстве сепаратора установлено последовательно несколько вихреиндуцирующих элементов, одинаково ориентированных относительно оси сепаратора.
Предпочтительно, корпус на входе имеет расширяющуюся по ходу потока часть, преимущественно, конической формы.
Предпочтительно, сходящаяся часть корпуса, примыкающая к выходному патрубку для отвода потока основной средообразующей фракции, является разделительной перегородкой полости для временного накопления отделяемой фракции.
Предпочтительно, дренажный канал располагается вдоль образующей поверхности корпуса сепаратора и ограничен с одной стороны внутренней поверхностью корпуса сепаратора, а с другой - поверхностями профилированного желоба - встречной по отношению к набегающему потоку, и тыльной, задняя кромка которой примыкает к корпусу.
Предпочтительно, в рабочем пространстве циклонного сепаратора установлено два дренажных канала, размещенных в диаметральной плоскости сепаратора в зонах, не занятых вихреиндуцирующими элементами.
Предпочтительно, дренажный канал за счет встречной и тыльной наружных поверхностей профилированного желоба используется как средство формирования спиралевидного канала, попеременно убывающего и возрастающего поперечного сечения.
Предпочтительно, дренажный канал увеличенного проходного сечения используется как средство деформации поверхности вихреиндуцирующих элементов, контактируя с ними по своей гребневой части, выступающей к центру сепаратора.
Ввиду того, что поверхность элемента является линейчатой, имеется возможность примыкания элемента к поверхности контртела по его образующей, т.е. по прямой линии. Элемент может быть изготовлен из листового упругого материала, например нержавеющей стали, с толщиной намного меньшей характерного размера элемента - ширины. В этом случае в одном поперечном сечении контртела может быть установлено два элемента, поверхности которых развернуты друг к другу на 180° и являются взаимно сцепленными, что достигается при технологическом оформлении стыка элемента (соединении кромок заготовки). Размещение в одном сечении контртела сразу двух элементов позволяет выполнить спиралевидный канал двухзаходным, а конструкцию сепаратора осесимметричной, что улучшит гидродинамическую обстановку в сепараторе.
Контур элемента в плане, т.е. в плоскости нормальной к оси сепаратора, представляет собой асимметричную фигуру, следовательно каждый из двух элементов никогда не может примыкать к цилидрической обечайке, круглой в плане, всеми точками контура, а только его частью, с угловой протяженностью, например, 120°-150°. В оставшихся двух секторах с угловой протяженностью, например, 30°-60° образуется зона отсутствия примыкания сразу двух элементов, что позволяет использовать ее в целях отличных от цели формирования вихревого движения. Такой дополнительной целью является, непрерывный по ходу потока, отбор отделяемого вещества. С помощью двух тонкостенных вставок в виде желоба, с профилем повторяющим контур элементов в этой зоне, формируется два продольных канала - дренажных, по которым может транспортироваться поток с высоким содержанием отделяемого вещества, а сами каналы выполняют ту же функцию что и полость вторичного потока у прототипа. Для того, чтобы отделяемое вещество попадало в дренажный канал профилированный желоб на передней своей кромке, встречной по отношению к набегающему потоку, должен иметь отверстия (перфорацию) или просто образовывать продольную щель с поверхностью обечайки. Это позволяет конструктивно совместить средство отбора (щель) отделяемой фракции с элементами дренажного канала. Ширина этой щели (размер отверстий) может быть сделана сколь угодно малой, в частности, соизмеримой с размером частиц отделяемого вещества. В этом случае передняя кромка профилированного желоба не будет создавать значительного гидродинамического сопротивления вихревому движению потока. Предпочтительными являются вертикальная ориентация оси сепаратора и направление первичного потока сверху вниз. Верхнее по ходу потока сечение дренажного канала должно быть перекрыто, в частности, за счет примыкания к конусной поверхности входной части сепаратора, чтобы не создавать вытекания из нижней части канала от действия гидродинамического напора набегающего потока. Нижнее по ходу потока сечение дренажного канала должно сообщаться с дренажной полостью. Дренажная полость при отсутствии постоянного стока является шламонакопителем и должна периодически очищаться.
Внешняя поверхность профилированного желоба выполняет функцию формобразующей поверхности т.к. она дополнительно искривляет траекторию движения потока, в отличие от цилиндрической обечайки корпуса сепаратора. При этом встречная поверхность профилированного желоба способствует возникновению центростремительной составляющей скорости потока, а тыльная поверхность профилированного желоба способствует, наоборот, некоторому торможению потока в радиальном направлении от оси корпуса, что благоприятно для процесса разделения.
Отвод среды после процесса сепарации осуществляется через цилиндрическую трубу, которая может быть продолжением контртела, для чего на боковой поверхности трубы следует выполнить отверстия с суммарным сечением соизмеримым с сечением самой трубы.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлены изображения, относящиеся к образованию кольцевого элемента с односторонней поверхностью.
На Фиг.2 представлены изображения, относящиеся к образованию вихре-индуцирующего элемента из двух кольцевых элементов с односторонней поверхностью.
На Фиг.3 показан продольный (диаметральный) разрез сепаратора по плоскости симметрии.
На Фиг.4 показано поперечное сечение сепаратора, а именно угловой его вырыв. В виде заштрихованных треугольников показаны наложенные на плоскость чертежа сечения спиралевидных каналов типа «А», образованного поверхностями вихре-индуцирующих элементов и поверхностями дренажного канала (по гребню), и типа «Б», образованного поверхностями вихре-индуцирующих элементов и поверхностью цилиндрического контртела.
На Фиг.5 показано сравнительное, по отношению к Фиг.4, уменьшение сечения спиралевидных каналов типа «А» и типа «Б».
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг.3. Осуществление изобретения предполагает использование вихре-индуцирующих элементов в виде кольцевых элементов с односторонней поверхностью. На Фиг.1а показан контур плоской заготовки кольцевого элемента с односторонней поверхностью с обозначением верхней g-h и нижней e-f стыковых кромок. Перекручивание стыковой кромки g-h на 180°, например, против часовой стрелки и последующая стыковка кромок порождают элемент, изображенный на Фиг.1б. Поверхность является линейчатой и для обозначения пространственной структуры элемента использована косая штриховка. Угол наклона штриховки приблизительно пропорционален углу наклона линии стока поверхности к вертикальной оси. Образующая помеченная символом «x» составляет с осью угол 90°, т.е. нормальна к поверхности контртела. Символ «v» указывает направление стока - верхняя часть элемента - «центростремительная», имеет сток в направлении к контртелу, нижняя - «центробежная», имеет сток в направлении к периферии. На Фиг.2 показаны контуры кольцевых элементов с односторонней поверхностью в плане т.е. в плоскости нормальной к оси сепаратора, причем на Фиг.2а показан элемент с правым расположением стыка, а на Фиг.2б показан элемент с левым расположением стыка, т.е. повернутый на 180° вокруг оси сепаратора. Так как в пространстве элемент имеет сложную криволинейную поверхность то для придания эффекта объемности использованы те же графические средства что и для Фиг.1б, т.е. условные линии стока. На Фиг.2в показан промежуточный результат сцепления двух элементов с указанием направления смещения их центров, а на Фиг.2г - окончательный результат взаимного сцепления двух колец. Здесь же нанесены контуры сечения обечайки и контртела.
Циклонный сепаратор, изображенный на Фиг.3 содержит входной патрубок 1 для подвода первичного потока исходной среды, состоящий из расширяющейся по ходу потока части, преимущественно, конической формы 2, цилиндрической части (обечайки) 3, сходящейся части корпуса 10, примыкающей к выходному патрубку 13 для отдвода потока основной средообразующей фракции. Внутри корпуса размещено удлиненное контртело обтекания с обтекателем 4 и цилиндрической частью 5, которая может быть выполнена заодно с патрубком 13. В последнем случае патрубок 13 сообщается с рабочим пространством сепаратора посредством отверстий 9, выполненных в нижнем конце контртела на цилиндрической части 5. На цилиндрической части 5 контртела размещены несколько, например четыре, вихре-индуцирующих элемента 6, образованных из пар кольцевых элементов с односторонней поверхностью. Кроме цилиндрической части 5 контртела и обечайки 3 в оформлении рабочего пространства сепаратора принимают участие и нружные поверхности (встречная 14 и тыльная 15 профилированного желоба 16 на Фиг.4) дренажного канала 7. Щелевой зазор 8 образован между поверхностью обечайки 3 корпуса и встречной кромкой профилированного желоба дренажного канала 7. Верхнее сечение дренажного канала 7 перекрыто конической частью 2, а нижнее примыкает к сходящейся части корпуса 10, которая является разделительной перегородкой полости для временного накопления отделяемой фракции 11 и сообщается с этой полостью. Полость 11 для временного накопления отделяемой фракции в нижней своей части имеет выходной патрубок 12 для отдвода вторичного потока отделяемой фракции.
Циклонный сепаратор работает следующим образом. Первичный поток исходной среды, обозначенный на Фиг.3 как Q1, поступает через входной патрубок 1 в корпус сепаратора. Для уменьшения потерь напора от внезапного расширения потока корпус имеет расширяющуюся часть 2, преимущественно, конической формы, которая вместе с обтекателем 4 обеспечивает плавный рост скорости потока до входа в рабочее пространство сепаратора. В результате взаимодействия потока с криволинейной поверхностью вихре-индуцирующего элемента 6 происходит преобразование поступательного движения потока в вихревое движение. Направление вращения вихря будет против часовой стелки, если вихре-индуцирующий элемент 6 порожден кольцевым элементом в соответствии с Фиг.1б, или парой кольцевых элементов как на Фиг.2 г. Это вихревое движение поддерживается группой из нескольких последовательно размещенных вихре-индуцирующих элементов 6, одинаково ориентированных относительно оси сепаратора. При этом движение потока по спиралевидным каналам происходит с переменной скоростью т.к. они имеют попеременно убывающее и возрастающее поперечное сечение. После прохождения минимального сечения и получения максимальной скорости поток попадает в расширяющуюся часть канала, где его скорость, подчиняясь уравнению неразрывности потока для сплошной среды, уменьшается. Но это уравнение не распространяется на отдельные частицы повышенной плотности. В этой связи частицы отделяемой фракции будут опережать основной поток и интенсивней смещаться к периферии. Двигаясь в дальнейшем по траектории определяемой цилиндрической обечайкой 3 указанные частицы будут дважды за оборот вокруг оси сепаратора встречать на своем пути средство отбора - щелевой канал 8, который сообщает дренажный канал 7 по всей длине с рабочим пространством сепаратора подобно тому, как показано на Фиг.4. Попадая в дренажный канал 7 частицы теряют скорость и под действием силы тяжести опускаются в полость 11 для временного накопления, откуда периодически или непрерывно в виде вторичного потока отделяемой фракции, обозначенный на Фиг.3 как Q2, могут удаляться через выходной патрубок 12. Процесс сепарации завершается отдводом потока основной средообразующей фракции, обозначенный на Фиг.3 как Q3, через отверстия 9 и далее посредством патрубка 13.
Интенсивность процессов разделения можно повысить за счет дополнительного увеличения разности в скорости потока в самом узком и в самом широком сечении спиралевидного канала, что достигается использованием дренажного канала увеличенного проходного сечения, который контактируя по своей гребневой части, выступающей к центру сепаратора, с вихре-индуцирующими элементами позволяет деформировать их, отгибая их внешние кромки в сторону контртела 5 как показано на Фиг.5. Как на Фиг.4 так и на Фиг.5 горизонтальная штриховка для канала типа «А» указывает на возможность радиального смещения частиц к периферии, а вертикальная штриховка для канала типа «Б» указывает на невозможность радиального смещения частиц к периферии.
В заявленном циклонном сепараторе имеет место циклическое изменение скорости потока за счет движения в спиралевидном канале переменного сечения, который практически не имеет местных сопротивлений. Циклическое преобразование потенциальной энергии потока в скоростной напор и обратно происходит с малыми потерями располагаемого напора, что беспечивает высокую энергетическую и сепарирующую эффективность устройства.
Источники информации
1. И.В. Скирдов, В.Г. Пономарев Очистка сточных вод в гидроциклонах, М.:, Стройиздат, 1975.
2. A.M. Белевицкий Проектирование газоочистительных сооружений, Л.:, Химия, 1990.
3. US Pat. №496673, 1990.
4. US Pat. №7399412, 2008.
5. Пат. RU №2253796, 2003.
6. US Pat. №7846343, 2010 (прототип).