Турбогидроциклон

 

Использование: в устройствах для разделения жидких неоднородных смесей под действием центробежных сил. Сущность: турбогидроциклон для разделения смеси неоднородных жидкостей содержит цилиндро-конический корпус со втулкой и радиальными лопастями между втулкой и корпусом на его входе, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси одним концом в подшипнике, другим - посредством втулки на шипе завихрителя, имеющего патрубок для ввода смеси, и несколько сменных насадков для разгона смеси и направленных тангенциально на лопасти под острым углом к плоскости, перпендикулярной оси корпуса, патрубок отвода легкого продукта разделения с возможностью регулирования глубины погружения и с винтовой нарезкой на конце для стимулирования отвода. Каналы между лопастями выполнены в виде диффузоров, выходящих в выравнивающую поток камеру, за которой установлена решетка, состоящая из закрученных по высоте лопаток с крутильной упругостью, закручивающая поток против направления вращения корпуса по закону постоянства угловой и осевой скоростей потока по радиусу. Режим течения потока максимально приближен к ламинарному. На выходе из корпуса установлено эластичное подпружиненное сопло для вывода тяжелого продукта разделения, перед которым в конце конической части корпуса установлен стабилизатор, предотвращающий раскрутку потока в конической части корпуса от кориолисовых ускорений. Закрутка упругих лопаток и проходное сечение сопла взаимосвязаны с угловой скоростью корпуса таким образом, чтобы закон закрутки и режим течения потока в корпусе не изменялся в зависимости от угловой скорости корпуса, которая зависит от скорости разгона смеси в насадках завихрителя, т.е. от производительности турбогидроциклона. Между корпусом и завихрителем имеется уплотнение, утечки из которого откачиваются в сменные насадки. К подшипниковым сопряжениям через каналы подведена смесь для создания гидростатических подушек с целью снижения сил трения. 7 ил.

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких неоднородных смесей под действием центробежных сил, в частности для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Известен ряд устройств для разделения жидких неоднородных смесей под действием центробежных сил, в которых решается задача повышения производительности и степени разделения смеси за счет увеличения фактора разделения: гидроциклон (СССР; а/с N 770551 МКИ В 04 С 11/00), содержащий установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус из ферромагнитного материала с тангенциальным патрубком подачи смеси и патрубками вывода продуктов разделения, статор с электрической обмоткой, приводящий во вращение корпус гидроциклона; центрифуга с вращающимся циклоном (США; патент N 364 8840 B 04 C 5/0), содержащая установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус с тангенциальным подводом смеси и патрубком отвода продуктов разделения, шкив для привода во вращение корпуса.

Общим недостатком аналогов является нерациональное, неэффективное использование энергии, расходуемой на разделение смеси. Энергия расходуется на два, одновременно происходящих в гидроциклоне процесса с противоположно направленными воздействиями на смесь; процесс разделения смеси в поле центробежных сил и процесс эмульгирования смеси, следствием чего является не полная реализация возможностей гидроциклона.

Объясняется это тем, что в гидроциклонах с тангенциальным подводом образуется, кроме поля центробежных сил, поле напряжений сдвига между слоями смеси, которые разрушают диспергированные капли выделяемой из смеси жидкости. Величина напряжений сдвига зависит от вязкости дисперсной среды, скорости струи на входе в гидроциклон, радиуса слоя смеси. Разрушению капли противодействуют силы поверхностного натяжения и способствует величина диаметра капли. Соотношение этих величин можно в целом по аналогии с фактором разрушения назвать фактором сдвига.

Соотношение интенсивностей двух процессов определяет степень разделения смеси и эффективность использования энергии. При недостаточных центробежных силах и значительных напряжениях сдвига возможна полная эмульгация смеси, при обратном соотношении возможна высокая степень разделения. Поэтому в дальнейшем будем говорить о соотношении двух факторов, как о соотношении интенсивностей двух процессов: разделения и эмульгации.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является гидроциклон (СССР; а/с N 1611454A1; B 04 C 5/103), содержащий установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус с лопатками, тангенциальные патрубки подвода смеси, патрубки отвода продуктов разделения, выполненные с винтовой нарезкой, и конус, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, с конусностью, обратной конусности корпуса.

Недостатком прототипа является нерациональное и неэффективное использование энергии, а также сужение диапазона возможностей.

Объясняется это следующим образом.

При повышении производительности гидроциклона растет скорость струи на входе, что приводит к росту факторов разделения и сдвига последнего за счет роста напряжений сдвига и к изменению их соотношения.

Учитывая возможность увеличения вязкости дисперсной среды и уменьшения силы поверхностного натяжения диспергируемой жидкости, что приводит к дальнейшему росту фактора сдвига, изменение соотношения факторов будет более значительным и резко понизит степень разделения. Для предотвращения этого и для значительного повышения степени разделения у аналогов имеется возможность намного увеличить фактор разделения за счет роста угловой скорости корпуса вне зависимости от производительности. У прототипа такой возможности нет, факторы разделения и сдвига зависят от производительности, поскольку от нее зависят скорость струи на входе и угловая скорость корпуса. Изменение соотношения факторов допускается в ограниченных пределах, причем для смеси определенных жидкостей с заранее заданными вязкостью и силой поверхностного натяжения, поскольку увеличение вязкости дисперсной среды и снижение силы поверхностного натяжения диспергируемой жидкости еще более сузят пределы допускаемого изменения соотношения факторов, т.е. диапазона возможностей гидроциклона.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования расходуемой на разделение смеси энергии, расширение возможностей гидроциклона в смысле увеличения диапазона изменения производительности, роста степени разделения и возможности применения смесей жидкостей с изменяемыми в широких пределах вязкостью и силой поверхностного натяжения за счет снижения до нуля фактора сдвига, т. е. устранения процесса разрушения диспергируемых капель выделяемой из смеси жидкости (эмульгирования смеси).

Решение поставленной задачи достигается тем, что перед входом в полость имеющего возможность вращаться вокруг своей оси цилиндро-конического корпуса турбогидроциклона размещена адаптируемая к угловой скорости корпуса решетка, состоящая из лопаток с крутильной упругостью для закрутки потока относительно корпуса по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, а на выходе тяжелого продукта разделения установлено адаптируемое к угловой скорости корпуса эластичное подпружиненное сопло, причем перед ним в конической части корпуса расположен стабилизатор для предотвращения раскрутки потока на выходе от кориолисовых ускорений.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что турбогидроциклон отличается наличием адаптируемых к угловой скорости корпуса круговой лопаточной решетки, сопла и стабилизатора, т.е. заявляемый турбогидроциклон соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями в данной области техники показало, что в гидроциклонах имеются тангенциальные патрубки подвода смеси, лопатки для восприятия силового воздействия струи с целью вращения корпуса, уплотнение корпуса от утечек, однако неизвестно расположение камеры выравнивания поля скоростей и давлений потока до лопаток, в которую входят диффузорные каналы между лопастями; наличие каналов подвода смеси к подшипниковым сопряжениям для образования гидростатических подушек с целью снижения сил трения; уплотнения с откачкой утечек в сменные насадки подвода смеси, расположение насадок под острым углом к плоскости перпендикулярной оси корпуса.

На фиг. 1 изображен общий вид "Турбогидроциклона"; на фиг.2 развертка продольного цилиндрического сечения турбогидроциклона по среднему диаметру проточного тракта; на фиг.3 межлопаточные каналы круговой лопаточной решетки на корневом диаметре К К; на среднем С С; на периферийном П П; на фиг.4 треугольник скоростей на выходе из завихрителя; на фиг.5 вид сверху по оси на лопатку круговой лопаточной решетки; на фиг.6 треугольники скоростей на выходе из круговой лопаточной решетки на корневом, среднем и периферийном диаметрах; на фиг.7 схема изменения горла межлопаточного канала при раскручивании вокруг продольной оси лопатки круговой лопаточной решетки.

Турбогидроциклон для разделения смеси неоднородных жидкостей (фиг.1) состоит из разъемного по длине цилиндро-конического корпуса 1, имеющего возможность вращаться и посаженного с одной стороны в подшипник 2, с другой стороны посредством втулки 3 на шип 4 завихрителя 5, содержащего несколько сменных насадков 6, служащих для разгона смеси, поступающей в завихритель 5 по патрубку 7. Лопастями 8 втулка 3 соединена в единое целое с корпусом 1. За лопастями 8 находится камера 9 для выравнивания потока смеси, за ней на втулке 3 установлена решетка 10, состоящая из закрученных вдоль продольной оси по высоте лопаток 11 (см. фиг.2), обладающих крутильной упругостью вдоль продольной оси. В завихрителе 5 по оси турбогидроциклона на резьбе 12 установлен патрубок 13 для отвода легкой фракции смеси, способный погружаться на определенную глубину с помощью резьбы 12, и оснащенный на заборном конце винтовой нарезкой 14 для стимуляции отвода фракции.

На выходе корпуса 1 с помощью фланца 15 закреплено сопло 16, выполненное из эластичного упругого материала. В стенки сопла 16 замурованы равномерно распределенные по окружности упругие пластины 17 для обеспечения продольной упругости стенок сопла 16 с грузами 18 для увеличения инертной массы кромок сопла 16.

На кромки сопла 16 насажен пружинные механизм 19. Перед соплом 16 на выходе из корпуса 1 в конической части его установлен стабилизатор 20 для предотвращения раскрутки потока от кориолисовых ускорений. Для снижения сил трения при вращении корпуса 1 в подшипнике 2 и на шипе 4 предусмотрены для образования гидростатических подушек в подшипниковых сопряжениях, каналы 21 в завихрителе 5 и 22 в корпусе 1.

Между корпусом 1 и завихрителем 5 имеется лабиринтное уплотнение 23, утечки из которого откачиваются по каналам 24 в насадки 6.

Турбогидроциклон работает следующим образом.

Смесь подается патрубком 7 в завихритель 5, разгоняется на насадках 6 и струей под углом α₁ к торцу корпуса (как показано на фиг.2, 4) направляется по касательной к среднему диаметру проточной части корпуса 1 (обозначен на фиг. 1 как сечение А А), на лопасти 8 со скоростью С₁. В результате силового воздействия струи корпус 1 вращается с окружной скоростью U₁ на среднем диаметре, при этом смесь с относительной скоростью W₁ входит в каналы между лопастями 8, где она снижает скорость до W₂ за счет диффузорности каналов, попадает в камеру 9, где происходит выравнивание поля скоростей и давлений. Из камеры 9 смесь попадает на решетку 10, состоящую из лопаток 11, закрученных по высоте так (как показано на фиг.5), что между ними образуются конфузорные каналы (показано на фиг.2; 3), причем угол выхода и конфузорность каналов меняется по высоте лопаток 11 от β^к₃ на корневом К К до β^с₃ на среднем С С и β^п₃ периферийном П П диаметрах.

Направление выхода каналов противоположно направлению вращения U₁ корпуса 1. Площадь проходных сечений каналов на выходе в сумме значительно меньше кольцевой площади от корня К К до периферии П П, поэтому для проталкивания смеси через решетку 10 необходим перепад давлений на ней. Поток смеси, проходя через решетку 10, закручивается в относительном движении против направления вращения корпуса 1 по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, что как известно из гидравлики, обеспечивает равновесие потока в радиальном направлении.

До решетки 10 поток вращается вместе с корпусом 1 с угловой скоростью ω₂ и давление определяется суммой статистического давления, постоянного по радиусу, и переменного давления по радиусу, определяемого полем центробежных ускорений за счет вращения потока, сумма при этом, как видно из вышесказанного, также меняется по радиусу.

За решеткой 10 поток закручивается с угловой скоростью ω₃ в относительном движении против направления вращения корпуса 1 и давление определяется также суммой статистического давления, постоянного по радиусу и меньшего по величине, чем статистическое давление перед решеткой 10, и переменного по радиусу давления, определяемого полем центробежных ускорений и меньшего по величине, чем соответствующее давление перед решеткой 10, поскольку абсолютная угловая скорость потока за решеткой 10 меньше угловой скорости потока перед решеткой 10 на величину угловой скорости потока в относительном движении ω₃ за решеткой 10.

Перепад давлений на решетке 10, закрутка и конфузорность каналов между лопатками 11 меняется по радиусу так, что обеспечивают заданный закон закрутки потока в относительном движении за решеткой 10; постоянство по радиусу угловой и осевой скоростей потока.

Как видно из фиг.6, величина скорости потока в относительном движении меняется по радиусу от W^к₃ на корневом до W^с₃ на среднем и W^п₃ периферийном диаметрах, причем величины скоростей таковы, что обеспечивают режим течения потока близким к ламинарному, а окружные составляющие W^к_3и; W^с_3и; W^п_3и и осевая составляющая W^o₃ согласно закону закрутки потока следуют зависимости где r радиус слоя потока, что позволяет считать поток вращающимся и поступательно перемещающимся в движение относительно корпуса 1 вдоль оси как единое целое, что предполагает равенство нулю напряжений сдвига между слоями потока. Отсутствие напряжений сдвига и минимальная турбулизация потока позволяют считать фактор сдвига практически равным нулю.

После решетки 10 поток двигается по цилиндрической части вращающегося корпуса 1, где происходит эффективное разделение смеси за счет достижения фактора сдвига до нуля и максимально возможного фактора разделения при данной скорости струи смеси из насадков 6. Угловая и осевая скорости потока в относительном движении неизмеримо малы по сравнению с угловой и окружной скоростями вращения корпуса 1, а угловая скорость корпуса 1 максимально возможна при этой скорости струй из насадков 6 потому, что режим взаимодействия корпуса 1 и струй из насадков 6 соответствует режиму работы гидротурбины "разнос", когда с нее внешняя работа не снимается и компенсируются только лишь неизбежные потери на трение.

За цилиндрической частью корпуса 1, где сохранялись закрутка и режим течения потока, заданные решеткой 10, и произошло полное разделение смеси, поток попадает в коническую часть и полностью смыкается по всему сечению, при этом закрутка и режим течения могут быть несколько нарушены по сравнению с заданными, но это не влияет на эффективность разделения, поскольку разделение полностью завершилось в цилиндрической части корпуса 1 и отделившаяся легкая фракция смеси отведена патрубком 13 за пределы турбогидроциклона. Общий характер закрутки и режима течения потока сохраняется и в конической части корпуса 1. Сдвиговые напряжения исчезающе малы и затраты энергии на работу сил внутреннего трения потока в конической части корпуса весьма незначительны.

В конической части корпуса 1 установлен стабилизатор 20, представляющий собой ряд равномерно расположенных по окружности, установленных по радиусу пластин, которые на входе конической части корпуса 1 закручены по винтовой линии, совпадающей по направлению с закруткой потока в относительном движении, далее пластины плавно переходят в прямую линию, направление которой совпадает с осью корпуса 1.

Стабилизатор 20 служит для предотвращения раскручивания потока в конической части при его смыкании за счет кориолисовых ускорений с тем, чтобы после центробежных сил в потоке в конической части корпуса 1 не превысило по уровню давлений поле центробежных сил в потоке в цилиндрической части и не произошло нарушение заданных решеткой 10 закрутки и режима течения потока в цилиндрической части.

После конической части корпуса 1 тяжелый продукт разделения проходит через сопло 16, площадь проходного сечения которого согласована с площадью проходного сечения решетки 10 таким образом, чтобы в корпусе 1 состоялись заранее заданные закрутка, режим течения и баланс притока и оттока смеси.

При увеличении производительности турбогидроциклона увеличивается и скорость струи из насадков 6-C¹₁, что вызывает, как видно из треугольника скоростей на фиг.4, пропорциональное увеличение окружной скорости U¹₁ корпуса 1 на среднем диаметре, т.е. угловой скорости и также скорости смеси в относительном движении W¹₁ что позволяет обеспечить необходимое увеличение расхода через каналы между лопастями 8, поскольку геометрия сопряжения завихрителя 5 и корпуса 1 не изменилась (средний диаметр и угол α₁), это позволяет утверждать о наличии пропорциональной зависимости частоты вращения корпуса 1 от производительности.

Характер протекания процессов разделения в турбогидроциклоне сохранился таким же, что описано раньше. Стремление сохранить не только закон закрутки потока после прохождения решетки 10, но и режим течения, максимально приближенный к ламинарному при увеличении производительности, потребовало решения задачи о сохранении или во всяком случае незначительном увеличении по необходимости уровня скоростей потока в относительном движении за решеткой 10.

Для этого лопатки 11, закрученные по высоте и обладающие крутильной упругостью относительно продольной оси, под воздействием увеличившейся центробежной силы раскручиваются, как известно из механики, так, чтобы изменение угла выхода с β₃ на β¹₃ (см. фиг.7) и выходной площади конфузорного канала с d₂ на d¹₂ вызвало, если посмотреть треугольники скоростей на фиг.6, незначительное увеличение относительной скорости потока W¹₃, при увеличении ее осевой составляющей W⁰₃¹,, соответствующей производительности, при сохранении закона закрутки. Для осуществления этого лопатка 11 должна обладать определенной, заранее заданной характеристикой крутильной упругости в зависимости от центробежной силы, т.е. угловой скорости корпуса 1 или производительности турбогидроциклона.

Такую характеристику лопатке можно обеспечить специальными мерами: изменением толщины профиля лопатки 11 по высоте, изготовлением ее составной из нескольких пластин, причем число пластин меняется по высоте, прорезями вдоль лопатки 11 и т.п.

Характер процесса разделения в цилиндрической части корпуса 1 не отличается от ранее описанного за исключением того, что уменьшается время пребывания смеси в турбогидроциклоне за счет увеличения осевой скорости потока, но это обстоятельство не должно сказываться на результатах процесса разделения, поскольку одновременно вырос фактор разделения. После цилиндрической части корпуса 1 поток поступает в коническую, где происходит его смыкание, при этом поток переходит с больших радиусов на меньшие, но раскрутки потоки не происходит, поскольку раскрутку предотвращает стабилизатор 20.

Из корпуса 1 поток попадает в сопло 16, которое под воздействием увеличившихся центробежных сил, вызванных увеличением угловой скорости корпуса 1, пропорциональным росту производительности турбогидроциклона, увеличивает площадь проходного сечения в соответствии с требованием сохранения закрутки, режима течения и баланса притока и оттока смеси в корпусе 1. Происходит это следующим образом: давление потока и воздействие центробежных сил грузов 18, пластин 17, стенок самого сопла 16, с одной стороны, преодолевают силу упругости пластин 17, стенок сопла 16 и силу противодействия пружинного механизма 19, с другой стороны, силовая характеристика которого зависит от угловой скорости, а значит и от производительности, заранее задана (что возможно обеспечить специальными мерами известными из механики) и раскрывает горло сопла 16, увеличивая его площадь на необходимую величину.

Использование изобретения позволяет значительно повысить производительность, степень разделения и расширить диапазон возможностей турбогидроциклона по разделению смесей жидкостей с изменяемыми в широких пределах вязкостью и силой поверхностного натяжения, а также рационально и эффективно использовать расходуемую энергию, поскольку на работу турбогидроциклона не оказывает никакого практического влияния фактор сдвига (близок или равен нулю), а фактор разделения, как показывают предварительные расчеты, может достигать величины 5000 10000 и определяется только скоростью струи из насадков 6, ограничиваемой по соображениям предупреждения кавитации.

На практике фактор разделения у гидроциклонов достигает величины 500 - 2000 при довольно значительной величине фактора сдвига.

Формула изобретения

Турбогидроциклон, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндроконический корпус с лопастями, тангенциальный подвод смеси, патрубок отвода легкого продукта разделения с винтовой нарезкой, установленный с возможностью регулирования по глубине погружения, завихритель со сменными тангенциальными насадками, отличающийся тем, что установлены адаптируемые к угловой скорости корпуса решетка из лопаток с крутильной упругостью перед входом в полость корпуса, закручивающая после себя поток в направлении, противоположном вращению корпуса по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, и эластичное подпружиненное сопло на выходе тяжелого продукта, стабилизатор для предотвращения раскрутки потока от кориолисовых ускорений, и камера выравнивания потока, в которую выходят диффузорные каналы между лопастями, каналы подвода смеси к подшипниковым сопряжениям для образования гидростатических подушек для снижения сил трения, уплотнение с откачкой утечек в сменные насадки, установленные под острым углом к плоскости, перпендикулярной оси корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7