МУЛЬТИВИХРЕВОЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам для сухой очистки газов от твердых мелкодисперсных частиц и может быть использована в энергетической, химической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности.
Известно большое многообразие устройств для очистки газовых потоков от дисперсных твердых частиц в поле центробежных сил. Наибольшее распространение получили различные циклоны за счет простой конструкции, включающей цилиндроконический корпус, входной патрубок для загрязненного газового потока, внутреннюю осевую выхлопную трубу для очищенного газа, бункер для сбора уловленных твердых частиц [А.с. СССР SU 1130408, В04С 5/04, В04С 5/08, 1983 г.; патент RU 2338599, В04С 9/00, 2007 г.; патент US 7931740 В2, B01D 45/16, 2008 г.]. К недостаткам циклонов следует отнести сравнительно небольшую эффективность сепарации твердых частиц размером менее 10 мкм.
Известен центробежный пылеулавливатель [патент RU 2496584, В04С 5/103, 2012 г.], который содержит цилиндроконический корпус с тангенциально расположенным под углом к горизонтали входным патрубком и расположенным в центре корпуса соосно цилиндрическим выходным патрубком. На стенке корпуса внутри центробежного пылеулавливателя ниже входного патрубка установлена вставка в форме винтовой поверхности, имеющая бортик со щелевидными улавливающими отверстиями.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции невысокая эффективность сепарации мелкодисперсных частиц.
Известен пылеуловитель-классификатор с соосно расположенными трубами, выбранный в качестве прототипа [патент RU 201604, B01D 45/04, В04С 5/103, 2020 г.]. Пылеуловитель-классификатор состоит из корпуса, осевой трубы входа газопылевого потока, экрана, приемного бункера для сбора пыли и патрубка вывода очищенного газа, на противоположном конце осевой трубы установлено коническое днище, при этом в нижней части трубы выполнены прорези прямоугольной формы, экран представляет собой поперечную перегородку, установленную в кольцевом зазоре между корпусом и трубой, в поперечной перегородке выполнены равноудаленные радиальные отверстия в четном количестве, причем прорези прямоугольной формы выполнены напротив площадки, расположенной между соседними отверстиями поперечной перегородки, при этом перегородка расположена над прямоугольными прорезями, кроме того, патрубок вывода очищенного газа находится в верхней части корпуса.
Недостатками прототипа является высокая металлоемкость и невысокая степень сепарации частиц с размером (0,5-5,0) мкм.
Технической проблемой является разработка устройства для эффективной очистки газа от мелкодисперсных частиц с размером менее 5 мкм.
Технический результат достигается мультивихревым сепаратором для очистки газов, который включает корпус прямоугольного сечения, состоящий из обечайки, основания и съемной крышки, в основании корпуса выполнено четное количество, но не менее четырех, квадратных отверстий со стороной L для ввода загрязненного газа, которые расположены рядами и равноудалены друг от друга и от обечайки на расстояние, равное L/4, по периметру каждого отверстия жестко закреплены сепарационные элементы, представляющие собой профиль с перфорацией в виде прямоугольных вертикальных прорезей, причем на двух противоположных стенках профиля на расстоянии L/8 от каждого угла расположены по две прямоугольные прорези шириной L/4, а на двух других - по одной прорези шириной L/4 посередине стенки и по две прорези шириной L/8 в каждом углу, при этом суммарная площадь прорезей каждого сепарационного элемента равна площади квадратного отверстия в основании, сепарационные элементы размещены так, что каждый элемент повернут относительно соседнего на 90 градусов, а в крышке над пространством, образованным между сепарационными элементами и между обечайкой корпуса и сепарационными элементами, равномерно расположены отверстия для отвода очищенного газа.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки газа от мелкодисперсных частиц за счет формирования регулярной вихревой структуры.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами
на фиг. 1 изображен мультивихревой сепаратор для очистки газов;
на фиг. 2 - схематичный поперечный разрез сепаратора на фиг. 1 с указанием вихревых потоков, возникающих в предлагаемом устройстве.
Мультивихревой сепаратор для очистки газов включает корпус прямоугольного сечения, состоящий из обечайки 1, основания 2 и съемной крышки 3 (фиг. 1). В основании 2 выполнено четное количество, но не менее четырех, квадратных отверстий 4 со стороной L для ввода загрязненного газа, которые расположены рядами и равноудалены друг от друга и от обечайки 1 на расстояние, равное L/4. По периметру каждого отверстия 4 жестко закреплены сепарационные элементы 5, представляющие собой профиль с перфорацией в виде прямоугольных вертикальных прорезей 6, причем на двух противоположных стенках профиля на расстоянии L/8 от каждого угла расположены по две прямоугольные прорези шириной L/4, а на двух других - по одной прорези шириной L/4 посередине стенки и по две прорези шириной L/8 в каждом углу (фиг. 2). Высота прорезей 6 сепарационного элемента 5 определяется из принципа равнопроточности, т.е. их суммарная площадь должна быть равна площади квадратного отверстия 4 в основании 2, что снижает гидравлическое сопротивление устройства, и повышает его эффективность. Сепарационные элементы 5 размещены на основании 2 таким образом, что каждый элемент повернут относительно соседнего на 90 градусов. В крышке 3 над пространством, образованным между сепарационными элементами 5, а также между обечайкой корпуса 1 и сепарационными элементами 5 равномерно расположены отверстия 7 для отвода очищенного газа.
Мультивихревой сепаратор для очистки газов работает следующим образом. Загрязненный газовый поток через квадратные отверстия 4 в основании 2 поступает во внутреннюю часть сепарационных элементов 5, и, достигая крышки 3, меняет направление прямолинейного течения и проходит через прямоугольные прорези 6 в пространство, образованное между сепарационными элементами 5, а также между обечайкой корпуса 1 и сепарационными элементами 5. Проходя через прорези шириной L/4, поток распадается на две равные части, которые преобразуются в вихри диаметром L/4, направление вращения которых противоположно друг другу (см. фиг. 2, где «+» отмечены вихри, вращающиеся по часовой стрелке, «-» отмечены вихри, вращающиеся против часовой стрелки). Проходя через прорези шириной L/8, поток преобразуется в одиночный вихрь диаметром L/4, направление вращения которого противоположно соседним вихрям. Таким образом, вокруг каждого сепарационного элемента 5 формируется регулярная структура из противоположно направленных вихрей равного диаметра. Регулярная вихревая структура между сепарационными элементами 5 поддерживается за счет того, что размер и направление вращения вихрей, образованных прорезями на противоположных стенках профиля, полностью совпадает. Это позволяет при относительно невысоких скоростях загрязненного газового потока на входе в сепаратор создавать и поддерживать высокие значения центробежных сил, которые эффективно отделяют мелкодисперсные частицы с размером (0,5-5,0) мкм.
При такой организации движения газового потока частицы под действием этих сил смещаются от центра к периферии вихревых структур и собираются на внутренней поверхности обечайки 1 и наружных стенках сепарационных элементов 5. При этом очищенный газ движется преимущественно в осевой зоне вихревых структур от основания 2 к крышке 3 и отводится через выпускные отверстия 7. Когда на внутренней поверхности обечайки 1 и наружных стенках сепарационных элементов 5 накапливается плотный слой из отсепарированных частиц, крышку 3 снимают и осуществляют очистку сепаратора.
В предлагаемом мультивихревом сепараторе для очистки газа обеспечивается регулярная структура потока за счет образующихся с помощью прямоугольных прорезей вихрей равного диаметра, контактирующих друг с другом в пространствах между сепарационными элементами, а также между обечайкой корпуса и сепарационными элементами, что увеличивает сепарационную способность устройства вследствие роста центробежных сил. Проведенные численные исследования по определению эффективности сепарации дисперсных твердых частиц показали, что при определенных условиях устройство может достигать значение эффективности сепарации частиц с размером (0,5-5,0) мкм более 90% при среднерасходной скорости газа на входе в устройство (3-10) м/с. Предлагаемый мультивихревой сепаратор является универсальным и может устанавливаться в вертикальные и горизонтальные газоотводящие трубопроводы прямоугольного сечения разного размера.