Устройство для центробежной очистки газа

 

Изобретение относится к технике очистки газов от твердых и жидких частиц и может быть использовано в цементной, углеродной, химической и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: устройство для центробежной очистки газа содержит корпус, входное устройство, полый ротор с поверхностями осаждения, установленными между внутренней и внешней облолочками ротора, бункер, кольцевую щель в бункер и выходное устройство, при этом оболочки ротора выполнены в виде соосных усеченных конусов, установленных на одном валу и расширяющихся по ходу движения потока, а в области выходного сечения ротора конуса соединены устройством для транспортировки осажденных частиц на внутреннюю поверхность внешней оболочки ротора. Входное устройство выполнено в виде дозвукового сопла, установленного под углом к входному сечению ротора, и спиралеобразной крышки, герметично соединенной с соплом и корпусом, а выходное устройство выполнено в виде двух кольцевых наборов лопаток, причем лопатки первого набора установлены на роторе и имеют отогнутые против направления вращения выходные кромки, а лопатки второго набора неподвижны, установлены за выходным сечением ротора и имеют отогнутые против направления его вращения входные кромки. 4 ил.

Изобретение относится к технике очистки газов от твердых и жидких частиц и может быть использовано в цементной, углеродной, химической и фармацевтической промышленности.

Одним из эффективных способов очистки газов и жидкостей от дисперсных частиц является способ, основанный на использовании свойств поля центробежных сил. Наиболее интенсивные поля центробежных сил создаются в устройствах очистки ротационного действия, содержащих неподвижный корпус и ротор, в которых двухфазная смесь приводится во вращение ротором и выделение твердых или жидких частиц из газа осуществляется под действием центробежных и кориолисовых сил (см. Биргер М. И., Вльдберг А.Ю. и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.: Энергия, 1975, с.79 - 80, рис. 2-17 - 2-22).

Известные конструкции ротационных устройств очистки газа относятся к трем основным группам: с осевым, центробежным и центростремительным направлением движения газа в сепарирующем роторе (см. Степанов Г.Ю., Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители. М. : Машиностроение, 1986, с.107, рис.47). Ротационные устройства с осевым движением газа обладают рядом преимуществ. В частности, в них возможно соединение такого распределения окружной скорости течения по радиусу, при котором воздействие центробежных сил на структуру течения имеет консервативный характер, что ведет к подавлению турбулентных пульсаций в газовом потоке и повышению эффективности сепарации частиц (см. Халатов А. А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наукова думка, 1989, с. 26).

Известно устройство для центробежной очистки газа, содержащее корпус, входное устройство, полый ротор с поверхностями осаждения, установленными между внутренней и внешней оболочками ротора и имеющими форму соосно установленных на одном валу усеченных конусов, расширяющихся по ходу движения потока, устройство для транспортировки осажденных частиц, соединяющее конусы в области выходного сечения ротора, бункер, кольцевую щель в бункер, выходное устройство.

Недостатком устройства является невысокая степень очистки.

Задачей изобретения является обеспечение непрерывности действия устройства для центробежной очистки газов при сепарации как жидких, так и твердых частиц, повышение его производительности при сохранении высокой эффективности очистки, а также минимизация потерь давления газового потока.

Поставленная задача решается за счет того, что выходное устройство выполнено в виде дозвукового сопла, установленного под углом к входному сечению ротора, и спиралеобразной крышки, герметично соединенной с соплом и корпусом, а выходное устройство выполнено в виде двух кольцевых наборов лопаток, причем лопатки первого набора установлены на роторе и имеют отогнутые против направления вращения выходные кромки, а лопатки второго набора неподвижны, установлены за выходным сечением ротора и имеют отогнутые против направления его вращения входные кромки.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства для центробежной очистки газа; на фиг. 2 - схема устройства для транспортировки осажденных частиц на поверхность внешней оболочки ротора; на фиг. 3 - сечение ротора с перегородками произвольной плоскостью, перпендикулярной оси вращения; на фиг. 4 - три сечения оболочек ротора и одной перегородки устройства для сепарации жидких частиц.

Устройство для центробежной очистки газа (фиг.1) содержит корпус 1, входное устройство тангенциальной подачи газа, выполненное, например, в виде дозвукового сопла 2, установлено под углом к плоскости вращения ротора, и спиралеобразной крышки 3, герметично соединенной с корпусом и соплом. Полый ротор состоит из конусообразной или цилиндрической внутренней оболочки 4, конусообразной внешней оболочки 5 и набора поверхностей осаждения 6 или 7 между оболочками. Обе оболочки ротора вместе с поверхностями осаждения вращаются на валу 8, установленном на подшипниках 9. Поверхности осаждения выполнены либо в виде спиралеобразных перегородок 7, соединяющих оболочки ротора, либо в виде соосных усеченных конусов 6. В последнем случае выходные сечения конусов соединены устройством 10 для сбора и транспортировки осажденных частиц на внутреннюю поверхность внешней оболочки ротора. Выходное устройство выполнено в виде первого кольцевого набора лопаток 11, установленных по радиусу на внутренней оболочке ротора и имеющих отогнутые против направления вращения выходные кромки, и второго неподвижного набора лопаток 12, установленных по радиусу за выходным сечением ротора, входные кромки которых тоже отогнуты против направления вращения. Лопатки 12 находятся в обечайки 13, которая вместе с внешней оболочкой ротора 5 образует кольцевую щель 14 для отвода осажденных частиц в бункер 15.

Устройство 10 для сбора осажденных частиц (фиг.2) применяется в том случае, когда в качестве поверхностей осаждения между оболочками ротора используются соосные конусы 6, и содержит соединяющие соседние конусы перемычки 16 с перегородками 17 и отверстиями для прохода газа 18. Под перемычками установлены рассекатели 19.

Работает устройство для центробежной очистки газа следующим образом.

Поток газа с частицами разгоняется в дозвуковом сопле 2, приобретая перпендикулярную к оси ротора компоненту скорости, близкую к окружной скорости вращения ротора. Интенсивный разгон в сопле приводит к значительному подавлению турбулентных пульсаций в потоке, что повышает эффективность сепарации мелкодисперсных частиц. Проходя после сопла под спиралеобразной крышкой 3, газ, скручиваясь, поступает в пространство между оболочками ротора 4 и 5 и движется в осевом направлении по каналам, образованным поверхностями осаждения 6 или 7, которые вращаются вместе с оболочками ротора. Силы трения на оболочках ротора и поверхностях осаждения поддерживают вращательное движение газа, стремящегося приобрести окружную скорость ω=ωr , где ω - угловая скорость вращения; r - расстояние до оси. При этом ротор работает как центробежный насос, повышая давление газового потока по мере его движения в осевом направлении. Консервативное воздействие поля центробежных сил ведет к дальнейшему затуханию турбулентных пульсаций, частично подавленных во входном устройстве.

Уравнения движения частиц в полярной системе координат r, v в любой плоскости, перпендикулярной оси вращения, в безразмерной форме имеют следующий вид: где d - размер частиц; P_p - плотность ее материала; μ - вязкость газа. Например, при ω = 400 с^-1, , , имеем и из (1) получим Если в качестве поверхностей осаждения используются соосные усеченные конусы 6, то временем сепарации можно считать время, за которое частица проходит по радиусу расстояние между двумя соседними конусами, имеющими в рассматриваемом сечении радиусы r_ij и r_ej, соответственно. На основании (1) это время равно при h_ej = r_ej - r_ij < r_ej. Для того, чтобы время сепарации во всех каналах ротора, образованных усеченными конусами, было одинаково, необходимо согласно (3), чтобы для всех каналов было одинаковым отношение ширины канала h_j к радиусу внешнего конуса r_ej. Частицы, осажденные на внешнюю стенку каждого канала, под действием скатывающей силы F_τ= F_цбsinα_j= m_pω²r_ejsinα_j , где m_p - масса частицы; α_j - угол полураствора конуса, образующего внешнюю стенку j-го канала, будут двигаться по поверхности конуса в сторону выходного сечения ротора, если F_τ>F_тр= K_трF_цбcosα_j , где K_тр - коэффициент трения частицы о поверхность осаждения. Отсюда получается необходимое условие для угла полураствора всех поверхностей осаждения в виде конусов, включая внешнюю оболочку ротора tgα_j>tgα_тр= K_тр , где α_тр - угол трения частиц на поверхностях осаждения.

Для сбора осажденных частиц на внутреннюю поверхность внешней оболочки ротора 5 используется устройство (фиг.2), содержащее перемычки 16, соединяющие поверхности внутренних конусов 6, отверстия 18 для прохода очищенного газа между перемычками, перегородки 17, служащие для предотвращения попадания осажденных частиц в поток очищенного газа, и рассекатели 19, исключающие накопление осажденных частиц под перемычками.

Необходимость в устройстве для сбора осажденных частиц отпадает, если в качестве поверхностей осаждения используются соединяющие внутреннюю и внешнюю оболочку ротора перегородки 7 (фиг.1). На фиг. 3 показано сечение ротора с перегородками, выполненными в виде цилиндрических поверхностей с образующими, параллельными оси вращения, произвольной плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Кривые 11', 22', 33', ..., mm', ..., MM' изображают сечения перегородок, где M - их число, α - угол между вектором центробежной силы F_цб и вектором нормали к кривой mm' в произвольной ее точке, направленным то оси вращения. При выполнении условия α>α_тр под действием составляющей центробежной силы F_τ , касательной к кривой mm', осажденные на перегородки частицы будут двигаться к поверхности внешней оболочки ротора 5, преодолевая силу трения F_тр= K_трF_цбcosα<F .

Указанному условию удовлетворяют, например, перегородки, сечения которых плоскостью, перпендикулярной оси вращения, в полярных координатах описываются уравнениями
где
β>α_тр ; R_о - радиус внутренней оболочки в рассматриваемом сечении; Δv - угловое расстояние между двумя соседними перегородками (см. фиг.3). Для определения времени сепарации можно рассмотреть две соседние перегородки, сечения которых описываются уравнениями

Частица, которая в начальный момент времени находится в любой точке кривой r_i(v), достигает под действием центробежной и кориолисовой сил некоторую точку кривой r_i+1(v) за время сепарации t_sep, которое согласно (8) определяется выражением

где
v - угол, определяющий начальное положение частицы на кривой r_i(v); v_sep - угловое положение, проходимое частицей до достижения кривой r_i+1(v) под действием кориолисовой силы, которое согласно (2), равно v_sep = -0,1 ν t_sep. Подставляя в (6) выражение для v_sep и (5), получим

при ν ≪ 1 .

Отсюда видно, что для перегородок, сечения которых описываются уравнениями (4), время сепарации не зависит от начального положения частицы на поверхности перегородки.

При сепарации твердых частиц перегородки могут быть выполнены параллельно оси вращения. Однако при сепарации жидких частиц для предотвращения срыва жидкой пленки с поверхностей осаждения в выходном сечении ротора вследствие воздействия пограничного слоя газового потока образующие перегородок должны быть наклонены к оси вращения под углом γ (см. фиг.10), таким, что на частицы или жидкие пленки, находящиеся на поверхности осаждения, будет действовать сила F_γ= F_цбsinγ , направленная вдоль поверхности осаждения навстречу осевому движению газа. Угол γ можно определить расчетным путем для заданных расхода и основных геометрических параметров частиц устройства из условия, что сила F_γ уравновешивает силу трения пограничного слоя газа, действующего в осевом направлении.

На фиг. 4 показаны три сечения оболочек ротора и одной перегородки, образующая которой наклонена к оси вращения. Здесь R_A, R_B, R_C - сечения внутренней оболочки, R'_A, R'_B, R'_C - сечения внешней оболочки ротора, кривые AA', BB', CC' представляют сечения перегородки, кривая ABC - линия соединения перегородки с внутренней оболочкой ротора, кривая A'B'C' - линия соединения перегородки с внешней оболочкой.

Частицы, осажденные на перегородки 7, будут двигаться по ним и попадать на внутреннюю поверхность внешней конусной оболочки ротора 5, угол полураствора которой больше угла трения частиц α_тр . Частицы, попавшие на поверхность внешней оболочки 5 с перегородок 7 или прошедшие устройство для сбора частиц 10 (в случае применения соосных конусов 6), будут двигаться к выходному сечению ротора и, проходя вместе с частью газа кольцевую щель 14, образованную внешней оболочкой и неподвижной кольцевой обечайкой 13, сбрасываться в бункер 15, где происходит коагуляция мелких осаждение крупных частиц на дно бункера. Газ, попавший в бункер через щель 14, поступает затем в канал, образованный неподвижной поверхностью корпуса 1 и внешней оболочкой ротора 5, и под действием перепада давления между выходным и входным сечениями ротора направляется к входному сечению. Затем через зазор между краем внешней оболочки 5 и крышкой корпуса 3 газ поступает в ротор. Частицы, захватываемые из бункера этим потоком газа, снова будут отсепарированы.

Очищенный газ, выходя из каналов ротора, образованных его оболочками и поверхностями осаждения, попадает в выходное устройство, которое предназначено для уменьшения абсолютного давления за счет раскрутки. При этом также в значительной мере устраняются потери полного давления, которые имеют место при движении интенсивно закрученного газового потока в канале с неподвижными стенками. Выходное устройство может быть выполнено, например, в виде двух наборов лопаток, один из которых 11 установлен непосредственно на роторе и вращается вместе с ним. Входные кромки лопаток 11 направлены параллельно оси вращения, а выходные повернуты против направления вращения. Во вращающемся кольцевом наборе лопаток 11 осуществляется первоначальная раскрутка газового потока и задается угол его входа в неподвижный набор лопаток 12, установленных в кольцевой обечайке 13. Входные кромки неподвижных лопаток 12 повернуты на этот угол против направления вращения, а выходные направлены параллельно оси ротора. Лопатки 11 и 12 могут иметь переменный по радиусу ротора угол поворота соответственно выходных и входных кромок, учитывающий зависимость окружной скорости газа от радиуса. Наличие вращающегося направляющего аппарата 11 помимо первоначальной раскрутки потока позволяет также уменьшить влияние зон отрывного течения, которые могут возникать на неподвижных лопатках 12 при нерасчетном режиме работы устройства, на область выходного сечения ротора и устройство для сбора осажденных частиц 10.

Формула изобретения

Устройство для центробежной очистки газа, содержащее корпус, входное устройство, полый ротор с поверхностями осаждения, установленными между внутренней и внешней оболочками ротора и имеющими форму соосно установленных на одном валу усеченных конусов, расширяющихся по ходу движения потока, устройство для транспортировки осажденных частиц, соединяющее конусы в области выходного сечения ротора, бункер, кольцевую щель в бункер, выходное устройство, отличающееся тем, что входное устройство выполнено в виде дозвукового сопла, установленного под углом к входному сечению ротора, и спиралеобразной крышки, герметично соединенной с соплом и корпусом, а выходное устройство выполнено в виде двух кольцевых наборов лопаток, причем лопатки первого набора установлены на роторе и имеют отогнутые против направления вращения выходные кромки, а лопатки второго набора неподвижны, установлены за выходным сечением ротора и имеют отогнутые против направления его вращения выходные кромки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4