CS9100328A2 - Air separation with centrifugal effect - Google Patents

Description

1

Vynález se týká vzdušného separétoru s odstředí-'vým účinkem, který je určen pro oddělení určitých částicz proudu částic suspendovaných v proudu plynu, přičemžvelikost takto oddělených částic je větší než předemstanovená velikost částic, a který obsahuje rozváděčilopatky uspořádané na povrchových přímkách fiktivníhoválce/ má vertikální osu/ a schopné udělit proudu plynupronikajícímu do uvedeného fiktivního válce rotační po-hyb okolo osy uvedeného fiktivního válce, přičemž uvnitřuvedeného fiktivního iíválce je uspořádán rotor, jehožosa je shodná s osou uvedeného fiktivního válce a kterýje vybaven vertikálními lopatkami, které jsou pravidel-ně rozdělený po obvodu rotoru, přičem vzdušný separátořdále obsahuje odtahové potrubí, které je centrálně uspo-řádáno nad nebo pod uvedeným rotorem a kterým se nasáváproud plynu obsahující částice,.jejichž velikost je men-ší než uvedená předem stanovená velikost částic.

Dosavadní stav techniky V separátorech tohoto typu jsou částice suspendo-vané v plynném proudu vystaveny 2 antagonistickým silám:jednak odstředivé síle rezultující z rotačního pohybu ajednak unášecí /tažné/ síle, způsobené dostředným prou-děním proudu, plynu k centrálnímu odtahovému potrubí. Koddělení větších částic dochání v úrovni vnějšího válco-vitého povrchu uvedeného rotoru. Jestliže je rozdělení plynného proudu v celé výšce turbiny jednotné, potom zde existuje jediný kritický průměr částic /mezní prů- měr částic; částice s větším průměrem než tento kritický , průměr jsou z plynného proudu odděleny, zatímco částice s měnším průměrem než Hje tento kritický průměr v plyn-ném proudu zůstávají/, který odpovídá průměru částice, . která je na vnějším povrchu rotoru v rovnovážném stavu.Částice, oejichž průměr je vetší než uvedený kritickýprůměr, jsou vrženy proti uvedeným rozvéděcim lopatkámodstředivou silou a padají vlastní tíhou do sběrné ná-sypky umístěné pod těmito rozváděcími lopatkami. Naprotitomu Částice, které mají průměr menší než uvedený kri-tický průměr, jsou unášeny plynným proudem skrze rotorsměrem k odtahovému potrubí.

Ve známých separétorech je rotor vybaven tenkýmilopatkami uspořádanými na jeho obvodu a při provoze se-parátoru dochází ve středu rotoru k vytvoření víru, vekterém se neúčinně ztrácí nezanedbatelná část kinetic-ké energie plynného proudu. Cílem vynálezu je zlepšit výkon separétoru toho-to. typu á současně snížit jeho spotřebu energie prostřed- v * ký zabraňujícími vzniku turbulenci mezi rozváděcími lo-patkami a rotorem a vzniku uvedeného víru uvnitř rotoru. fi Podstata vynálezu

Podstata vzdušného separátoru s odstředivým účin-kem podle vynálezu spočívá v tom, že rotor obsahuje ješ-tě druhou sadu lopatek, uspořádaných mezi'vertikálnímiobvodovými lopatkami a osou rotoru, které slouží k ve-dení proudových vláken plynu obsahujícího menší částice/mající menší průměr než je kritický průměr/ až k odtaho- - 3 - vému potrubí ve středu rotoru. Mezilehlé lopatky tétodruhé sady lopatek probíhají po celé výšce rotoru a mo-hou být uspořádány buď v radiálních rovinách nebo v ro-vinách, které jsou vůči uvedeným radiálním rovinám sklo-něny o určitý úhel. Tyto mezilehlé lopatky mohou být rov-né /ploché/ nebo mohou vykazovat určité zakřivení, při-čemž mohou být vytvořeny prodlouřenim k.ose obvodovýchlopatek. Centrální část koncové stěny rotoru nacházejícíse proti odtahovému potrubí může mít profilovaný tvar,například komokuželovitý, který bude příznivě ovlivňo-vat proudění plynu k odtahovému potrubí. Díky uvedené druhé sadě lopatek ,se výrazné částkinetické energie plynného proudu využije k otáčení ro-toru, což umožňuje snížit výkon poháněcího motoru. Zaurčitých provozních a aplikačních.podmínek je dokoncemožné tento motor zcela zrušit, přičemž rychlost otáčenírotoru, která podmiňuje kritický průměr, se v tomto pří-padě nastaví regulací orientace rozváděčích lopatek.

Za účelem zpřesnění oddělení větších a menšíchčástic /než kritický průměr/ je výhodné dáti kanálům vy-mezeným obvodovými lopatkami rotoru průřez, který vrůstáod vnějšku k vnitřku rotoru tak, že odstředivé síly aunášecí síly, působící na částice, jejich průměr je ro-ven kritickému průměru, jsou v rovnováze prakticky vcelé délce uvedených kanálů.

Jak je tomu u všech separátorů tohoto typu, jsourozváděči lopatky a rotor uzavřeny v plášti, který okolorozváděčích lopatek vymezuje prstencovou komoru, do kte-ré je přiváděn proud plynu a případně i částice, kterémají být vytříděny. Plynný proud může být do této prsten-,cové komory přiváděn buď tangenciálně nebo paralelně sosou separátorů zespoda. Suroviny k roztřídění mohou býtsuspendovány v plynném proudu ještě před vstupem do uve- - 4 - děné prstencové komory nebo mohou být zaváděny odděleněod plynného proudu vrchem do prostoru mezi rozvóděcímilopatkami a rotorem; oba tyto způsoby zavádění částicdo separétoru mohou být také použity současně. V výhodném provedení separátoru podle vynálezuje pod rotorem a rozváděcími lopatkami umístěna'násypkave tvaru obráceného kužele, která je určena pro odvodčástic, jejichž průměr je větší než kritický průměr, při-čemž plášt, který je koncentrický s rotorem a který obklopuje také uvedenou násypku,vytváří okolo uvedené násyp-ky průchod prstencového průřezu, přičemž pod uvedenounásypkou a koaxiálně s ní je ke spodku-uvedeného pláštěpřipojeno vertikální potrubí určené pro přivedení plyn-ného proudu obsahujícího částice k vytříděni skrze uve-dený průchod do komory vymezené pláštěm separétoru arozváděcími lopatkami; v rovině, ve které uvedené verti-kální potrubí ústí do uvedeného pláště, je průměr pláš-tě výrazně větší než průměr uvedeného vertikálního po-trubí, takže plyn obsahující částice k vytřídění a vstu-pující v uvedené rovině do pláště zde expanduje, cožpříznivě ovlivní pád těžkých Částic na dno pláště. Uve-dené vertikální potrubí může vybíhat směrem nahoru nadspodek,pláště a vymezovat společně s tímto pláštěm prstencový objem, ve kterém budou jímány těžké částice' 1 / oddělené od proudu vzduchu v uvedené expanzní zóně, při-čemž spodek pláště je výhodně odkloněn od osy separétorua vybaven ve svém nejnižším místě odtahovým otvoremuvedených oddělených těžkých částic. Na vnějším povrchuuvedené násypky mohou být upevněny usměrňovači plechytvořené plochými nebo komokuželovitými prstenci za úče-lem odklonění plynného proudu a příznivého ovlivněníoddělení, těžkých částic. V následující části popisu bude separétor podlevynálezu blíže objasněn na konkrétním ilustrativním a - 5 - neomezujícím provedení separátoru podle vynálezu, kte-ré je zobrazeno na připojených výkresech. Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 znázorňuje vertikální řez vzduchovýmseparétorem s odstředivým účinkem po-dle vynálezu; v obrázek 2 znázorňuje horizontální řez separéto-rem podle vynálezu z obrázku 1; a obrázek 3 znázorňuje příčný řez dvěmi obvodový-mi lopatkami rotoru separátoru podlevynálezu. Příklady provedení vynálezu

Separátor zobrazený na připojených výkresech obsa-huje plášt 10 tvořící tělo separátoru; tento plást 10 jetvořen horní válcovou částí, střední částí ve tvaru obrá-ceného komolého kužele a spodní válcovou částí, kteráj£ připojena k malé základně předcházející střední části;uvedený plášt konečně také obsahuje odkloněný spodek,v jehož nejnižším místě se nachází odtahový otvor 12.Přívodní potrubí 14 pro přívod plynu obsahujícího části-ce k vytřídění prochází spodkem pláště a vybíhá směremnahoru přibližně až do roviny, ve které dochází ke spo-jení uvedené střední a spodní.části pláště. Přívodní po-trubí je uspořádáno koaxiálně s pláštěm a je na svémkonci rozšířeno. - 6 -

Ve své horní části je plášt uzavřen víkem 16 obsa-hujícím středový otvor, ke kterému je připojeno odtaho-vé potrubí 18. V horní Části pláště 10 je koaxiálně s tímto pláš-těm uspořádán rotor 20. Tento rotor 2,0 je připevněn kespodnímu konci., vertikální, hřídele. 22, která-je uspořádanépomoci valivých ložisek v trubkovém nosiči 24, připevně-ném k víku 16. Uvedená vertikální hřídel je sdružená smotorem 26 s proměnnou rychlostí otáčení, což umožnžíťujeotáčet rotorem 20 požadovanou rychlostí. . 4 ·

Rotor 20 obsahuje velký počet vertikálních obvodo-vých lopatek 28, které jsou rovnoměrně rozdělené po jehoobvodu. Spodní a horní konce těchto vertikálních obvodo-vých lopatek jsou připevněny k základně 30 tvořené plo-chým prstencem a centrálním komolým kuželem spojeným svertikální hřídelí 22 resp. k prstenci 32» Šikanový spoj v připevněný k víku 16 zajištuje těsnost mezi víkem arotorem.

Vertikální obvodové lopatky 28 mají rovinu symetrietvořenou rovinou, ve které se nachází osa rotoru, přičemžjak je to patrné na obrázku 3, mají kanály vytvořené me-zi obvodovými lopatkami 28 rotoru 20 šířku, která rosteod vnějšku k vnitřku rotoru /L1 je menší než L2/, takžeodstředivá síla a unášecí síla působící na částici s kri-tickým průměrem jsou v rovnováze prakticky v celé délceuvedených kanálů. Jestliže se ostředivá síla a unášecísíla na vstupu do kanálu označi jako Fc1 a Ft1 a jestliže

j -R se odstředivá síla a unášecí síla na výstupu z kanáluoznačí jako Fc2 a Ft2, potom je uvedená provozní podmín-ka splněna, když :

J

Fcl = Ft1 a

Fc2 - Ft2. - 7 -

Profil uvedených obvodových lopatek může býtsnadno stanoven z výše uvedených matematických rovnic,vyjadřujících rovnost odstředivých sil a unášecích silpůsobících na částici dané hustoty a daného průměrupři dané rychlosti rotoru. Uvedené rovnovážné podmínkybudou splněny pro daný profil obvodových lopatek přirůzných kritických průměrech tím, že·. se bude; rotor otá-.čet různými rychlostmi.

Kromě toho, že uvedené obvodové lopatky jsouuspořádány radiálně, mohou být tyto lopatky 28 uspořádá-ny v rovinách, které s uvedenými radiálními rovinami sví-rají určitý úhel, přičemž šířka kanálů vymezených těmi-to obvodovými lopatkami se v každém případě postupnězvětšuje od vnějšku k vnitřku rotoru.

Rotor 20 kromě toho obsahuje ještě druhou sadumezilehlých lopatek 3^, uspořádaných mezi obvodovými lo-patkami 28 a osou rotoru. Ve znázorněném příkladném pro-vedení jsou mezilehlé lopatky 35 tvořeny plochými plechy,umístěnými ve vertikálních rovinách, ve kterých probíhái osa rotoru; tyto lopatky jsou upevněny na centrálníkomokuželovíté části základny 30 a na horním prstenci32. Tyto lopatky mají za úkol zabránit tvorbě víru uvnitřrotoru a umožnit tak využit významnou část kinetickéenergie plynného, proudu procházejícího rotorem. Lopatky35 mohou být skloněné a/nebo mohou svírat určitý úhels rovinami, ve kterých probíhá osa rotoru a mohou býtrovněž profilované na způsob turbinových lopatek. Taktovytvořený rotor je asimilovatelný s rotorem odstředivéhokompresoru, který odebírá energii kontinuálnímu tokutekutiny za účelem jejího převedení na mechanickou ener-gii.

Tato konstrukce rotoru umožňuje potlačit vznik víření, ke kterému by jinak docházelo v případě, kdyby vnitřek rotoru nebyl opatřen uvedenými lopatkami 35,a tudíž získat energii, která by jinak byla neužitečněztracena v uvedeném víru. Navíc se snížením rychlostiplynu sníží i opotřebení lopatek abrazí a rovněž se sní-ží tlaková ztráta.

Rotor je obklopen kruhovou řadou vertikálních .rozváděčích lopatek 36, které jsou rovnoměrně odsázenyokolo rotoru. Tyto lopatky jsou na jejich koncích opatře-ny čepy 38 uloženými ve vrtáních vrchního prstence 40 upevněného na horním konci pláště separátoru a spodní- / ho prstence upevněného na horním okraji komokuželoviténásypky ^4, uspořádané pod rotorem v komokuželovité čás-ti pláště separátoru a nesené patkami 46 upevněnými nauvedeném plášti separátoru.

Horní čepy jsou opatřeny pákami 48 vzájemně spo-jenými kruhovým věncem tak, že at je orientace rozvádě-čích lopatek 36 jakékoliv, všechny rozváděči lopatkysvírají s odpovídajícími radiálními rovinami stejný úhel.

Separátor, který je znázorněn na obrázcích, pra-cuje následujícím, způsobem : • I- ' plynný proud obsahující částice k vytřídění proudí ze-spoda nahoru přívodním potrubím 14» Když tento plynnýproud dosáhne horního konce přívodního potrubí 14. do-chází k jeho rychlé expanzi v důsledku výrazného rozdí-lu mezi průměrem přívodního potrubí 14 a průměrem pláště,který v této úrovni obklopuje uvedené přívodní potrubí.Důsledkem toho je snížení rychlosti plynného proudu,což dovoluje těžším částicím klesnout na dno pláště skrzeprstencový prostor, který je vymezen mezi vnějším povrchempřívodního potrubí- a pláštěm. Tyto částice jsou potomze separátoru odvedeny odtahovým otvorem j_2. Na násypcenad přívodním potrubím může být uspořádáno několik * * . v usměrňovačích plechů nebo alespoň jeden usměrňovači plech - 9 - 50 za účelem zlepšení oddělování uvedených těžších čás-tic .

Plynný protdpotom dospěje až do horní části pláš-tě 1 0-, -přičemž-si zachovává-prakticky-konstantní rychlost-,,načež·je zaveden mezi rozváděči lopatky 36, který mu údě-ly otočný pohyb, a dále prochází kanály mezi obvodovými v lopatkami 26. Částice, jejichž rozměry jsou menší nežvýše uvedený kritický průměr, jsou do rotoru unášenyproudem plynu a potom z rotoru odváděny odtahovým potru-bím 18, které je připojeno přes odlučovač prachu, umožňu-jící oddělit částice od plynného proudu, ke vstupnímuotvoru ventilátoru. Částice, jejichž rozměry jsou většínež uvedený kritický průměr, jsou drženy vně rotoru odstředivou silou a padají vlastní tíhou do násypky 44« a toskrze prstencovou štěrbinu vytvořenou mezi rotorem aspodním prstencem £2· Jestliže některá z velkých částicnáhodně pronikne do kanálů rotoru, potom bude vržena smě-rem ven z rotoru, poněvadž profil těchto kanálů je vytvo-řen tak,, že odstředivá síla působící na takovou částicije větší než unéšecí síla a to v celé délce kanálu. Čás-tice zachycené v násypce 44 se potom odvádí potrubím 45 *

Jak‘již to bylo zmíněno v předcházejícím textu,může být alespoň část Částic určených k vytřídění zave-dena jedním nebo několika vstupy 17 uspořádanými nadprstencem 32 rotoru a hnána odstředivou silou proti pláš-ti obklopujícímu uvedený prstenec 32· Tyto částice potomspadnou do prostoru mezi rozváděcími lopatkami 36 a ro-torem, kde jsou suspendovány v planném proudu, který vtomto místě cirkuluje v příčném směru.

Kritický průmět závisí při daném průtoku plynuna rychlosti otáčení rotoru. Tato rychlost je .udržována .na zvolené hodnotě regulací rychlosti motoru 26,. Jelikožplatí, že díky opatřením podle vynálezu může být energie 10 předávaná rotoru plynem proudícím skrze rotor větší,než je energie nezbytná k otáčení rotoru zvolenou rych-lostí, musí mít motor 26 v tomto případě schopnost regu-lovat rychlost otáčení rotoru brzděním. Orientace roz-váděčích lopatek 36 se nastaví v závislosti na rychlostirotoru takovým způsobem, aby tangenciální složka rych-losti plynu a Částic na'obvodu rotoru byla. přibližněrovna obvodové rychlosti rotoru; tato regulace může býtprovedena manuálně nebo automaticky. Toto opatření umož-ňuje vyvarovat se nárazů Částic na lopatky a dosáhnouthomogenní rychlosti tekutiny v celé Šířce kanálů me3iobvodovými lopatkami, rotoru. Při některých aplikacích je díky opatřením podlevynálezu možné nepoužít žádný motor k pohonu rotoru. Ro-tor je tedy v tomto případě volně otočný. V této situacije rychlost rotoru udržována na zvolené hodnotě odpoví-dající zvolenému kritickému průměru regulací orientacerozváděčích lopatek 36.

Tato možnost vede ke značným úsporám, nebot nejen v umožňuje provoz separátoru bez motoru, ale také použitílehčí nosné'struktury pro rotor.

Namísto axiálního přívodu plynného proudu zespo-da , ^ak ^e to realizováno ve zobrazeném provedení sepa-rátoru podle vynálezu, může být plynný proud přiváděn doseparátoru tangenciálně pláštěm v úrovni rozváděčíchlopatek 36.

Ve zobrazeném provedení separátoru podle vynálezuje zvětšení průřezu kanálů mezi obvodovými lopatkami ro-toru od vstupu k výstupu z těchto kanálů dosahováno pou-ze zvětšováním šířky uvedených obvodových lopatek. Rov-'něž je možné zvětšit výšku kanálů nahrazením ploché obvodové části základny 30 a plochého prstence 32 komokuželo· vitými prstenci přivrácenými jejich většími základnami.Je samozřejmé, že tyto modifikace, stejně jako veškeránáhrada jednotlivých prvků separátoru jejich technickými.ekvivalenty.,, spadají ..dd...rozsahu vynálezu... ________________

Claims (9)

12 - PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vzdušný separátor s odstředivým účinkem obsahu-jící rozváděči lopatky, uspořádané podél povrchovýchpřímek fiktivního válce s vertikální osou a schopné udě-lit proudu plynu pronikajícímu do tohoto fiktivního vál-ce otáčivý pohyb okolo osy uvedeného fiktivního válce,rotor koaxiálně uspořádaný uvnitř uvedeného fiktivníhoválce a vybavený vertikálními obvodovými lopatkami rov-noměrně rozdělenými po jeho obvodu, prostředky pro za-vedení částic určených k vytřídění mezi rozváděči lopat-ky a rotor a centrální odtahové potrubí, kterým se odvá-dí proud plynu obsahující částice, jejichž rozměry jsoumenší než předem stanovené rozměry, vyznačený tím, žerotor obsahuje druhou sadu mezilehlých lopatek /35/uspořádaných mezi obvodovými lopatkami /28/ a osou roto-ru a sloužících k vedení proudových paprsků.plynu vychá-zejícího z obvodových lopatek /28/ až k centrálnímu odta-hovému potrubí rotoru.

2. Vzdušný separátor podle nároku 1, vyznačený tím,že mezilehlé lopatky /35/ probíhají po celé výšce rotorua jsou uspořádané v radiálních rovinách nebo jsou sklo-něny vzhledem k těmto radiálním rovinám.

3· Vzdušný separátor podle nároku 1 nebo 2, vyznače- ný tím, že koncová stěna /30/ rotoru, nacházející se na straně odvrácené od centrálního odtahového potrubí, je profilována způsobem příznivě ovlivňujícím tok plynu smě- - 13 - rem k uvedenému odtahovému potrubí.

4» Vzdušný separátor podle nároku 1, 2 nebo 3, vyzna-čený tím, že rotor je volně otočný',' přičemž' separátor....... obsahuje prostředky pro regulaci orientace rozváděčíchlopatek/36/ způsobem nezbytným k udržení- rychlosti roto-ru na zvolené hodnotě.

5. Vzdušný separátor podle některého z předcházejí-cích nároků, vyznačený tím, Že obvodové lopatky /28/ jsouprofilovány tak, aby Šířka kanálů vymezených mezi těmitolopatkami rostla směrem od vnějšku k vnitřku rotoru sepa-rátoru.

6. Vzdušný separátor podle některého z předcházejí-cích nároků, vyznačený tím, že obsahuje násypku /44/ve tvaru obráceného kužele, umístěnou pod rozváděcímilopatkami /36/ a rotorem za účelem zachycení částic, je-jichž rozměry jsou větší než uvedený předem stanovenýrozměr, rotační plášt /10/ obklopující rozváděči lopatkya násypku a vertikální přívodní potrubí /14/ pro přívodproudu plynu obsahujícího částice k vytřídění, které jepřipojené ke spodní části pláště separáťoru, přičemžplášt, přívodní potrubí a násypka jsou koaxiální, při-čemž v rovině, ve které uvedené přívodní potrubí ústído pláště, je průměr pláště značně větší než průměrpřívodního potrubí, takže plyn obsahující částice a vstu-pující do pláště v tomto místě expanduje, což příznivěovlivňuje pád těžkých částic na dno pláště, které jeopatřeno odtahovými prostředky /12/ pro odvádění uvede-ných částic.

7. Vzdušný separátor podle nároku 6, vyznačený tím, - 14 že uvedené přívodní potrubí /14/ vybíhá směrem nahoru nad spodek pláště /10/ a vymezuje společně s uvedeným pláštěm prstencový objem, ve. kterém jsou jímány těžké \ částice. ť

8. . Vzdušný separátor podle nároku'7 nebo 8, vyzna- čený tím, že na vnější straně násypky /44/ v určité vzdá-lenosti nad horním koncem uvedeného přívodního potrubí/14/ je upevněn jeden nebo několik prstencových usměr-ňovačích plechů /50/.

9. Vzdušný separátor podle některého z nároků 1 až 5,vyznačený tím, že obsahuje plášt /10/ obklopující uve-dené rozváděči lopatky /36/ a vymezující společně s tě-mito rozvéděcími lopatkami prstencovou přívodní komorupro proud plynu, prostředky pro zavádění alespoň částičástic k vytřídění horem mezi rotor a rozváděči lopatky/36/ a prostředky pro zavádění proudu plynu do uve- dené komory buď tangenciálně nebo Odspoda. Zastupuje : Seznam vztahových značek 10 plást 12 odtahový, otvor 14 přívodní potrubí 16 víko 17 výstup 18 odtahové potrubí 20 rotor 22 vertikální hřídel 24 ;trubkový nosič 26 motor 28 obvodová lopatka 30 základna 32 prstenec 34 šikanový spoj 35 mezilehlé lopatka 36 rozváděči lopatka 38 čep 40 vrchní prstenec 42 spodní prstenec 44 násypka 45 potrubí 46 patka 48 páka ' 50 usměrňovači plech

Ί l fflSPS. i-,