CN113382796A - 用于流体净化的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置(1)以用于从流体中分离固体颗粒物或液体微滴。装置包括进入管道(2)，该进入管道具有用于接纳流体流的入口端口(3)和涡流区段(4)，该涡流区段的直径在流动方向上减小。涡流区段包括形成至少一个螺旋通道的至少一个内部壁(6)。优选地，螺旋通道包围核心主体，该核心主体沿进入管道的中心轴线延伸。核心主体的直径变化的端部区段优选地具有圆锥形形状。该装置进一步包括具有至少一个周边离开开口(9)的环形离开端口区段(8)，以及沿中心轴线延伸的出口管道(10)。根据实施例，装置设有呈旋流器形式的预分离单元。

Description

用于流体净化的装置和方法
技术领域
本发明涉及流体净化的领域。更具体地，本发明涉及一种用于借助于离心力从流体流中移除固体或液体杂质的装置，并且涉及一种用于从流体流中移除固体或液体杂质的方法。
背景技术
从空气中移除杂质是长期存在的问题，其重要性由于当今的污染问题而显著地增长。用于从流体流分离固体颗粒物的基本技术解决方案是旋流器(cyclone)。
为了要求高的空气净化应用，需要在旋流器概念上的发展。已经设计了各种各样的螺旋分离器，其包括气体导管内的螺旋形通道和分别用于排空了固体的流和富集有固体的流的出口。
在EP 0 344 749 A2中公开了一种适合用于处理包含颗粒物的气体流以从气体中分离颗粒物或从气体中清除颗粒物的分离装置。该装置包括具有入口端部的外管道、涡流产生区域和分离区域；以及用于将已清洁的空气导引离开装置的内提取管道。涡流产生区域具有中心核心和围绕该核心布置的螺旋叶片，并且该涡流产生区域具有恒定的直径或是渐扩的。外管道和提取管道是同心的，并且在管道之间是围绕圆周的一部分延伸的出口端口。在进入入口端部的进料流中的颗粒物置于旋转运动中，被携带到外管道的周边。富集有颗粒物的流离开出口端口，而排空了颗粒物的流通过提取管道离开。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在下列所谓的“分离器”中从流体中分离固体颗粒物或液体微滴的装置。分离器包括进入管道，该进入管道具有用于接纳流体流的入口端口和涡流区段，该涡流区段的直径在流动方向上减小。涡流区段包括形成至少一个螺旋通道的至少一个内部壁。优选地，涡流区段是圆锥形的，在流动方向上渐缩。
优选地，螺旋通道包围核心主体，该核心主体沿进入管道的中心轴线延伸。核心主体在两端处具有变化的直径，在上游端部处在流动方向上变宽，并且在下游端部处在流动方向上变窄。核心主体的中间区段可具有恒定直径。在一个实施例中，核心主体的中间区段可渐扩，优选地在流动方向上变窄。核心主体的直径变化的端部区段优选地具有圆锥形形状。
在流动方向上变宽的核心主体的第一端部在螺旋通道中以分层的方式控制包括颗粒物和微滴的输入流体，其中流的颗粒物和微滴在平滑的平行上游层中运动而不彼此混合。在流动方向上变窄的核心主体的另一端部(终端部)使从螺旋通道朝向离开端口区段离开的流稳定。为了获得将进入出口管道的已净化的流和进而将被导引到围绕出口管道的(多个)离开开口的富含固体的流，在流离开螺旋通道时流的分层流动和稳定性特别重要。
优选地，流体引导叶片在核心主体的上游端部处连接到螺旋通道。这样的流体引导叶片促进流从竖直流转变成旋转流，因此有助于使流平稳并且减少压力损失。
分离器进一步包括具有至少一个周边离开开口、优选地由壁部分分离的多个离开开口的环形离开端口区段；以及沿中心轴线延伸的出口管道。因此出口管道定位成邻近(多个)离开开口或在(多个)离开开口之间，即在多个离开开口的情况下它们定位成围绕出口管道。在本文中的表述“环形”包括具有旋转对称性的主体和不具有旋转对称性的主体两者。
离开端口区段将进入管道连接到与该进入管道同轴地布置的出口管道。优选地，分离器包括位于涡流区段和离开端口区段之间的分离区段，该分离区段优选地基本上没有内部结构。该分离区段可具有恒定的直径。
根据另一个实施例，分离区段具有恒定直径或渐扩直径。优选地，分离区段具有变窄的直径。
在下文中在流体通过装置的流动方向上描述分离器及其功能。在操作中，流体在进入管道的进入端部处进入，该进入管道可包括具有恒定直径的初始区段。流体被导引到螺旋通道或多个螺旋通道，其优选地在渐缩的涡流区段的整个长度上围绕中心的核心主体布置成螺旋形的。在流体流前行通过涡流区段时，在流体流中悬浮的固体由离心力携带到螺旋通道的周边。在涡流区段的外壁处可设置有与螺旋通道连通的一个或多个离开导管。离开导管切向于主要管道离开螺旋通道，携带已经富集有悬浮颗粒物的流体流。
在流体流离开涡流区段时，悬浮颗粒物的至少部分可已经通过可选的切向离开导管移除。接下来，如果设置了分离区段，那么流体流进入分离区段，该分离区段优选地具有基本上对应于涡流区段的出口端部的直径的恒定直径。在离开涡流区段离并且经过分离区段时，颗粒物显著地富集在管道的出口壁处。
接下来，流体流进入离开端口区段，其包括将主要管道连接到中心离开管道的凸缘部分。离开端口区段可包括单个离开端口，但是优选地由壁部分分离的多个离开端口均匀地围绕凸缘部分的周边间隔开。离开涡流区段或分离区段的流体流的富集有颗粒物的部分通过(多个)周边离开端口离开。
不通过周边离开端口离开的流体流的部分为排空了颗粒物的并且通过同轴地布置的离开管道离开分离器。
根据本发明的又一实施例，分离器设有呈旋流器形式的预分离单元，优选地为切向进入类型。当在下文提到旋流器的上部和下部时，设想的是旋流器布置在这样的位置中，即在该位置中其中心轴线是竖直的，入口在上部分中，并且用于已分离的颗粒物或微滴的出口在底部端部处。预分离单元优选地具有与常规的旋流器结构一致的基础结构，包括圆柱形主体，该圆柱形主体带有在其上区段处的主要入口、向下渐缩的优选地圆锥形的底部区段和中心的竖直的用于向下的颗粒物质和向上的流体的主要出口。
根据又一实施例，旋流器除了其用于包含固体或微滴的流体的主入口之外在其上部分中还包括至少一个副入口通道。副入口通道可供给清洁流体。在一实施例中，至少一个副入口通道连接到分离器的分离区段。
根据又一实施例，旋流器除了其主出口通道(流体向上沿中心轴线通过该主出口通道离开旋流器)之外在其下部分中还包括至少一个副出口通道。在一实施例中，来自该出口通道的流离开设备并且可在排放之前被过滤或被引导到灰尘捕集器。在另一个实施例中，来自该出口通道的流被引入到分离器的进入管道。该通道可进一步用于控制旋流器中的压力。
根据本发明的又一实施例，进入管道的涡流区段在其外壁处包括至少一个出口端口，其允许已经富集有颗粒物的流的部分在基本上切向于进入管道的外壁的方向上离开涡流区段。
用于根据本发明的装置的优选材料是钢；如果操作条件这样要求，那么可使用各种等级的不锈钢。也可使用聚合物材料(可能由纤维加强)。其它的可能材料有陶瓷、粉末冶金的产品和涂层钢。
本发明的第二目的是用于使用根据本发明的装置从流体中分离固体颗粒物或液体微滴的方法，包括以下步骤：将包含固体颗粒物或微滴的流体流引入到进入管道中，该进入管道包括涡流区段，该涡流区段具有在流动方向上减小的直径和围绕核心主体形成至少一个螺旋通道的至少一个内部壁；由此将流体流置于涡旋运动中；通过至少一个周边地布置的离开端口(其布置在涡流区段的下游的离开端口区段中)移除富集有颗粒物或微滴的流体流，并且通过与进入管道同轴地布置的出口管道移除排空了颗粒物或微滴的流体流。
在一优选的实施例中，涡流区段包括沿中心轴线延伸的核心主体，该核心主体具有在流动方向上变宽的第一端部；中间区段；以及在流动方向上变窄的第二端部。
附图说明
图1是根据本发明的分离器的示意性侧截面图，
图2是离开端口区段的凸缘部分的透视图，
图3是与旋流预分离器组合的根据本发明的分离器的示意性侧视图，
图4是与旋流预分离器组合的根据本发明的分离器的另一个示意性侧视图，其相对于图3围绕竖直轴线旋转了90度，
图5是根据如在图3中所指示的截面A-A的俯视图，
图6是旋流预分离器的内部结构的详细侧视图，且
图7是旋流预分离器的侧截面图。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地描述本发明。遍及全文，相同的结构与相同的参考标号相关联。
在本文中，用语“流体”指能够在所施加的剪应力或外部力下流动或变形的任何物质。流体包括液体、气体和等离子体。特别地，本发明可应用于从气体(空气)中移除固体颗粒物(诸如灰尘)以及从液体中移除固体颗粒物。
参考图1，分离器如下那样操作。包含颗粒物或微滴的流体流(例如包含固体颗粒物的气体流)通过入口端口3进入分离器1的进入管道2。所示出的分离器具有带有恒定的直径的初始区段11。涡流区段4包括核心主体5，该核心主体延伸到初始区段11中并且由包括螺旋壁6的结构包围，该螺旋壁形成螺旋通道，所述螺旋通道填充在核心主体5和进入管道2的壁的内表面之间的空间。核心主体具有变宽的前端部27和渐缩的后端部28。涡流区段4在通过分离器的流动方向上渐缩，导致在流体通过分离器时流体速度上升。在涡流区段中存在至少一个并且优选地四个螺旋形壁。所述壁优选地以相对于进入管道的中心轴线在60-90度的范围中的角度设置。所述壁之间的距离、即螺旋通道的宽度优选地在50至70mm的范围中。
根据一个实施例，壁之间的距离(即螺旋通道的宽度)在涡流区段的整个长度上具有恒定的直径。根据另一个优选实施例，螺旋通道的宽度在流动方向上减小。
在涡流区段中，可选地可设置有在基本上切向方向上离开螺旋通道的一个或多个出口通道(未示出)。这些出口通道移除部分流，在所述部分流中颗粒物的浓度已经由于由流的螺旋路径导致的离心力而上升。
核心主体5的变宽的上游端部27的在流动方向上的长度优选地为在螺旋壁6之间的距离的至少三倍。核心主体5的变窄的下游端部28的在流动方向上的长度优选地为在螺旋壁6之间的距离的至少四倍。
所描述的核心主体的优选形状具有以下效果：在流动方向上变宽的前端部将包括颗粒物或微滴的输入流以分层的方式导引到(多个)螺旋通道中。在流动方向上变窄的后端部使离开(多个)螺旋通道到管道的周边的流稳定。
在所示出的实施例中，流体流离开涡流区段进入分离区段7，核心主体5的渐缩的后部延伸到该分离区段中。由于经过涡流区段的螺旋路径，该流处于活跃的涡旋运动中，并且颗粒物强烈地集中在周边处，即邻近管道的壁。有利地，分离区段7的长度为涡流区段的螺旋形壁之间的距离的至少五倍。
然后，加载有颗粒物的部分遇到离开端口区段8，其在所示出的实施例中包括第一凸缘部分12和第二凸缘部分13，该第一凸缘部分和该第二凸缘部分在进入管道2和出口管道10的相应端部凸缘(未指示)之间栓接在一起。凸缘部分13的结构在图2中示出。在该实施例中，凸缘部分具有四个对称地布置的离开通道15，所述离开通道以某种角度设置以接纳邻近分离区段内壁的涡旋流。
因此，富集有颗粒物的流部分通过在离开端口区段8中的离开端口9离开分离器，而流体的排空了颗粒物的剩余部分进入出口管道10并且通过出口14离开分离器。出口管道可具有恒定直径或在流动方向上变宽。优选地，出口管道具有在流动方向上变宽的圆锥形形状。
图3和图4示出了根据本发明的联接到旋流预分离器15的分离器1的侧截面图。图4相对于图3围绕竖直轴线旋转了90°。
在图3和图4中，包含颗粒物的流体(在此称为“含尘空气”)在16处进入并且如在现有技术中已知的那样，切向地在旋流器的顶部处被引入到旋流预分离器15。流体流因此置于螺旋形向下运动中，如在图4中由螺旋形线示意性地所指示的那样。颗粒物在旋流器壁处富集并且在17处的底部处离开。
所得到的预清洁流体流通过竖直的中心离开管道以向上的运动18离开旋流器，并且借助于主鼓风机19输送到分离器1的入口端口3。在如关于图1所陈述的那样经过分离器1之后，已清洁的流借助于副鼓风机21在20处排出。
在所示出的实施例中，离开分离器的离开端口区段的富集有颗粒物的部分经由管线22被回收到旋流预分离器的上部。优选地，如在图5中所示出的那样，回收管线22对称地布置在旋流器的上升管道25中，该图5描绘了在图3中的所指示的截面A-A处从上方观察的视图(在图5中仅一个管线22设有参考标号)。
管线22可将补充的清洁流体而不是来自分离器的所回收的富集有颗粒物的流体供应到旋流预分离器中。
优选地，管线22在喷嘴26中终止，该喷嘴将流朝向旋流器壁的内表面导引，如关于图6更加详细地所示出的那样。
图3和图4进一步示出了在旋流预分离器15的下部中在24处的副离开端口。从该离开端口，管线23将副流直接导引到分离器的进入管道2的入口。该布置降低在操作期间旋流器中的压力，并且使得分离非常精细的颗粒物成为可能。优选的副流为进入旋流器的流体流的10%至20%。该布置显著地改善了旋流器的性能。
图6示出了带有喷嘴26的单回收管线22的布置，该单回收管线适配于在旋流预分离器内的上升管道25。图7为旋流预分离器的侧截面图，其中四个回收管线22和喷嘴26围绕旋流器上升管道25对称地安装。喷嘴26指向成将来自分离器离开端口区段的所回收的富集有颗粒物的流引导到在旋流器壁处的向下螺旋形流中。
尽管未在图中示出，如技术人员将意识到的那样，可提供仪器。例如，可提供控制阀、压力传感器和数字控制设备以控制例如管线23中的副流。
应当理解的是，所公开的本发明的实施例不限于在本文中公开的特定结构、过程步骤或材料，而是如将由相关领域普通技术人员将认识到的那样扩展到它们的等价物。还应该理解的是，在本文中所采用的术语仅出于描述特定实施例的目的而使用，并且不意在为限制性的。
贯穿整个说明书对于“一个实施例”或“实施例”的提及意味着关于该实施例所描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿整个说明书短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不必全部涉及相同的实施例。
如在本文中所使用的那样，为了方便，多个项目、结构元件、组成元件和/或材料可出现在公共列表中。然而，这些列表应解释成好像列表的每个子项被单独地标识为分离且独特的子项。因此，这样的列表中的单独的子项在没有相反指示的情况下不应该仅仅基于它们在公共组中的出现而被解释为相同列表的任何其它子项的实际上的等价物。此外，本发明的多种实施例和示例可在本文中与用于其多种构件的备选方案一起被提及。所理解的是，这样的实施例、示例和备选方案将不被解释为彼此实际上的等价物，而是将被考虑为本发明的分离且独立的体现。
另外，所描述的特征、结构或特点可在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。在下列描述中，提供了多种特定细节，诸如长度、宽度、形状等的示例，以提供对于本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域技术人员将认识到，本发明能够在没有一个或多个具体细节的情况下，或在其它方法、构件、材料等的情况下实施。在其它示例中，众所周知的结构、材料或操作未被详细地示出或描述以避免使本发明的晦涩的方面。
尽管在一个或多个特定应用中前述示例说明了本发明的原理，但是对于本领域普通技术人员将为明显的是，能够进行实施方式的形式、用法和细节方面的多种改型而无需运用创造能力，并且无需脱离本发明的原理和概念。因此，不意在使本发明受到限制，除非如由在下文所陈述的权利要求书那样。
在本文献中将动词“包括”和“包含”作为开放的限制来使用，所述开放的限制既不排除也不要求还未引用特征的存在。除非明确地另外指出，在从属权利要求中引用的特征可相互自由地组合。另外，应当理解的是，在整个文献中，“一”或“一个”即单数形式的使用不排除复数。

Claims (17)

1.一种用于从流体中分离固体颗粒物的装置(1)，包括
进入管道(2)，该进入管道具有：
- 用于接纳输入的流体流的入口端口(3)，
- 具有在流动方向上减小的直径的涡流区段(4)，所述涡流区段包括形成至少一个螺旋通道的至少一个内部壁(6)；
具有至少一个离开开口(9)的环形离开端口区段(8)，以及
与所述进入管道(2)同轴地布置的出口管道(10)，
其中所述离开端口区段(8)将所述进入管道(2)连接到所述出口管道(10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涡流区段包括沿中心轴线延伸的核心主体(5)；所述核心主体(5)具有在所述流动方向上变宽的第一端部(27)；中间区段；以及在所述流动方向上变窄的第二端部(28)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述进入管道(2)附加地包括在所述涡流区段(4)和所述离开端口区段(8)之间的分离区段(7)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述环形离开端口区段(8)具有至少一个周边离开开口(9)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述涡流区段(4)中形成螺旋通道的所述壁(6)以相对于所述进入管道的中心轴线在60-90度的范围中的角度设置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述壁(6)之间的距离即所述螺旋通道的宽度在所述流动方向上减小。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，流体引导叶片在所述核心主体的上游端部处连接到所述螺旋通道。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述核心主体的在所述流动方向上变宽的所述第一端部(27)的长度为在所述螺旋壁(6)之间的距离的至少三倍。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述核心主体的在所述流动方向上变窄的所述第二端部(28)的长度为在所述螺旋壁(6)之间的距离的至少四倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置在所述离开端口区段中包括多个离开端口。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置附加地包括连接在所述进入管道(2)上游的旋流器(15)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置在所述旋流器(15)的上部中包括至少一个副入口导管(22)。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述装置在所述旋流器(15)的下部中包括至少一个副出口导管(23)。
14.一种用于从流体中分离固体颗粒物或液体微滴的方法，包括以下步骤
- 将包含固体颗粒物或微滴的流体流引入到进入管道中，该进入管道包括涡流区段(4)，该涡流区段具有在流动方向上减小的直径和形成至少一个螺旋通道的至少一个内部壁(6)；由此将所述流体流置于涡旋运动中；
- 通过至少一个周边地布置的离开端口(9)移除富集有颗粒物或微滴的流体流，该离开端口布置在所述涡流区段(4)的下游的离开端口区段(8)中，
- 通过与所述进入管道(2)同轴地布置的出口管道(10)移除排空了颗粒物或微滴的流体流。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述涡流区段包括沿其中心轴线延伸的核心主体(5)，所述核心主体(5)具有在所述流动方向上变宽的第一端部(27)、中间区段以及在所述流动方向上变窄的第二端部(28)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述方法附加地包括使所述流体流在被引入到所述进入管道(2)之前经过旋流器(15)的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法附加地包括从所述旋流器(15)的下部中移除副流体流的步骤。
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