CZ285941B6

CZ285941B6 - Oddělovací prvek

Info

Publication number: CZ285941B6
Application number: CZ952686A
Authority: CZ
Inventors: Jozef Johannes Hubertus Brouwers
Original assignee: Romico Hold A.V.V.
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1999-12-15
Also published as: WO1994023823A1; CA2160576C; EP0693958B1; DK0693958T3; AU6658894A; BR9406173A; DE69408131D1; ES2111303T3; US5667543A; ATE162418T1; CN1124462A; AU675535B2; DE69408131T2; NL9300651A; CA2160576A1; CZ268695A3; CN1041282C; EP0693958A1

Abstract

Oddělovací prvek (18), kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikronů nebo jemnějších od tekutiny, sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků (7) se stěnami (1). Stěny (1) alespoň jednoho z oddělovacích kanálků (7) jsou neparatelní s osou (2) rotace a tangenta úhlu (3) mezi tečnými rovinami stěn (1) oddělovacího kanálku (7) a osou (2) rotace tan .alfa., radiální šířka oddělovacího kanálku (7) d, délka oddělovacího kanálku (7) L, a rychlost rotace oddělovacího prvku (18) .OMEGA., jsou vybrány ve vzájemné závislosti tak, že bezrozměrné číslo (.OMEGA. * L * d * tan .alfa.) /.ny. se v podstatné části oddělovacího kanálku (7) pohybuje v intervalu až do 192, přičemž .ny. je kinematická viskozita tekutiny. ŕ

Description

Oddělovací prvek

Oblast techniky

Vynález se týká oddělovacího prvku, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo ještě jemnějších od tekutiny, přičemž tento prvek sestává z velkého množství oddělovacích kanálků s jednotlivě spojenými stěnami na podstatné části axiální délky. Vynález se také týká rotačního částicového oddělovače, který sestává ze shora popsaného oddělovacího prvku, ke kterému mohou nebo nemusí být upevněna oběžná kola ve směru před a za tímto prvkem, a přičemž oddělovací prvek je upraven v pouzdru, které je opatřeno tekutinovým vstupem a tekutinovým výstupem, případně samostatným výstupem pro odstranění odděleného částicového materiálu.

Dosavadní stav techniky

Pokud je tekutina uvedena do rotace budou se kapalné nebo pevné částice obsažené v příslušné tekutině posouvat v radiálním směru, přičemž se vzdálenost částic od osy rotace bude zvětšovat. Rychlost se kterou jsou částice posouvány v radiálním směru závisí na velikosti odstředivé síly působící na částice v důsledku rotace a tlumicí síly tekutiny působící na částice, které se pohybují vzhledem ke tekutině. Na základě těchto sil může být vypočteno, že v případě plynu rotujícího s úhlovou rychlostí 300 rad/s se částice o průměrném průměru 1 mikrometr, průměrné měrné hmotnosti 1000 kg/m³ a umístěné na poloměru 0,1 m, posouvají radiálně s rychlostí přibližně 0,03 m/s. Částice o průměrném průměru přibližně 5 mikrometrů a přibližně 0,05 mikrometrů se v důsledku rotace budou obecně posouvat v radiálním směru za prakticky stejných podmínek při odpovídajících rychlostech přibližně 0,1 m/s respektive 0,001 m/s. Za předpokladu, že plyn a částice jsou rotovány po dobu například 0,2 s, znamená to, že uvedené částice dosáhnou stěny umístěny v radiálním směru, pokud tato sténaje umístěna v radiální vzdálenosti, která má velikost přibližně 20 mm a přibližně 0,2 mm, posunuté od radiální roviny, kde částice započaly svůj posun. Použití velkého počtu stěn umístěných v malých radiálních vzdálenostech vzájemně od sebe a rozložených axiálně podél osy rotace vytvoří uspořádání, se kterým mohou být čištěna velká množství plynu od extrémně malých částic prostřednictvím odstředivého oddělování. Plyn se pohybuje paralelně vzhledem k radiálně posunutým stěnám a vzhledem k ose rotace, zatímco částice se posouvají radiálně v důsledku odstředivého působení a jsou ukládány na vnějších stěnách oddělovacích kanálků, které jsou tvořeny radiálně posunutými stěnami. Podobné úvahy platí také pro kapalné tekutiny.

Shora popsaný částicový oddělovač je známý z evropského patentového spisu č. 0286160 a z amerických patentových spisů č. 4 994 097 a 5 073 177. Nevýhodou tohoto známého částicového oddělovače je to, že oddělovací kanálky jsou paralelní s osou rotace. Vynález je založen na novém zjištění, že pokud jsou uvnitř definovaných limitů oddělovací kanálky umístěny neparalelně s osou rotace, je možné výrazně zlepšit oddělovací proces.

Podstata vynálezu

Tekutina, která rotuje a proudí ve směru neparalelním s osou rotace podléhá Coriolisovým silám. Výsledkem je, že vzniká konvekční proudění v rovině kolmé k ose rotace. Takové konvenční proudění může zlepšovat přenos, primárně způsobený odstředivými silami, částic ke stěnám oddělovacích kanálků. Již při velmi malém sklonu oddělovacích kanálků vzhledem k ose rotace, například pokud tečné roviny ke stěnám těchto kanálků tvoří pouze setiny stupně křivosti vzhledem k ose rotace, kde konvenční přenos částic k oddělovacím stěnám tvořit znatelný pozitivní příspěvek k oddělovacímu procesu.

-1 CZ 285941 B6

Předkládaný vynález se tedy týká oddělovacího prvku, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo jemnějších od tekutiny, přičemž tento prvek sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků s jednoduše spojenými stěnami na podstatné části axiální délky, přičemž podstata vynálezu spočívá vtom, že stěny alespoň jednoho z oddělovacích kanálků jsou neparalelní s osou rotace a tangenta úhlu mezi tečnými rovinami stěn oddělovacího kanálku a osou rotace, která je označena tan a, radiální šířka oddělovacího kanálku, označená d, délka oddělovacího kanálku, označená L, a rychlost rotace oddělovacího prvku, označená Ω, jsou vybrány ve vzájemné závislosti tak, že bezrozměrné číslo (Ω-L.d.tan a)/v se v podstatné části oddělovacího kanálku pohybuje v intervalu až do 192, přičemž v je kinematická viskozita tekutiny.

U oddělovacího prvku je počet oddělovacích kanálků v radiálním směru obvykle větší než 10, například 15 až 1000, výhodněji 20 až 500. Počet neparalelních oddělovacích kanálků je obvykle větší než 20 až 30 %, například 60 % nebo 90 %. Výhodně jsou prakticky všechny oddělovací kanálky neparalelní popsaným způsobem.

Pro optimální zlepšení oddělovacího procesu je navíc doporučeno, aby bezrozměrné číslo leželo v rozsahu 1 až 192, výhodněji 1 až 140 a zvláště výhodně 1 až 96. Obecně toto číslo je menší než 192, výhodněji než 140, a spodní limit je obecně 0,1, například 1 až 5 nebo 2 až 10.

Výhodně je oddělovací prvek opatřen stříkací nebo promývací jednotkou pro odstranění oddělených částic z oddělovacího kanálku stříkáním nebo proléváním média kanálkem, takže v průběhu činnosti nebo při zastaveném chodu může být oddělený částicový materiál rychle a účinně odstraněn každým a z každého oddělovacího kanálku.

Oddělovač částic může být případně opatřen dvěma nebo více oddělovacími jednotkami s oddělovacími kanálky různých průměrů. Může tak být provedeno předběžné oddělení hrubých částic, přičemž je zamezeno blokování užších oddělovacích kanálků těmito hrubšími částicemi. Namísto přídavné oddělovací jednotky může být také použito prodloužené vnější stěny rotoru, na které jsou shromažďovány vystřelované částice v průběhu rekuperace.

V případě, že oddělovací prvek je rotačně poháněn motorem nebo prostřednictvím řemenice, která je pružně upevněna k rámu, bude osa symetrie, v případě nerovnováhy vzhledem k zavěšení oddělovacího prvku na jedné straně, sledovat dráhu ve tvaru kónické roviny, přičemž v takovém případě mohou být oddělovací kanálky paralelní s osou symetrie, ale díky nerovnováze jsou umístěny šikmo pod úhlem a vzhledem k ose rotace.

V jiném výhodném provedení je oddělovací prvek opatřen prostředky tekutinového vstupu a/nebo tekutinového výstupu tak, že zvýšení odstředivého tlaku je stejné nebo větší než tlakový spád v oddělovacím prvku, je zamezeno krátkým cirkulačním prouděním a případně může být upuštěno od těsnicích prostředků.

Vynález se dále týká oddělovací jednotky opatřené alespoň dvěma oddělovacími prvky.

Vynález se také týká oddělovacího prvku, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo jemnějších od tekutiny, přičemž tento prvek sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků s jednotlivě spojenými stěnami na podstatné části axiální délky, přičemž podstata takového oddělovacího prvku spočívá v tom, že je opatřen stříkací nebo promývací jednotkou pro odstranění oddělených částic z oddělovacího kanálu stříkáním nebo proléváním média kanálkem.

Vynález se také týká oddělovacího prvku, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo jemnějších od tekutiny, přičemž

-2CZ 285941 B6 tento prvek sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků s jednotlivě spojenými stěnami na podstatné části axiální délky, přičemž podstata takového oddělovacího prvku spočívá v tom, že je rotačně poháněn motorem nebo řemenicí, která je pružně upevněna k rámu.

Vynález se také týká oddělovacího prvku, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo jemnějších od tekutiny, přičemž tento prvek sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků s jednotlivě spojenými stěnami na podstatné části axiální délky, přičemž podstata takového oddělovacího prvku spočívá v to, že je opatřen prostředky tekutinového vstupu a/nebo tekutinového výstupu tak, že zvýšení odstředivého tlaku je stejné nebo větší než tlakový spád v oddělovacím prvku.

U posledně uvedených provedení není nej podstatnější podmínkou pro dosažení cílů vynálezu aby jeden nebo více oddělovacích kanálků bylo neparalelních. To znamená, že bezrozměrné číslo je menší než 192 bez stanovení spodní hranice pro hodnotu tohoto čísla.

V jednom provedení oddělovacího prvku podle vynálezu jsou oddělovací kanálky tvořeny vlnitým materiálem ovinutým kolem hřídele nebo trubky. Materiálem může být papír, lepenka, fólie, kov, plast nebo keramika.

V jiném provedení oddělovacího prvku podle vynálezu jsou oddělovací kanálky tvořeny kanálky v děrovaném nebo jinak v axiálním směru porézním tělese.

V ještě dalším provedení oddělovacího prvku podle vynálezu jsou oddělovací kanálky tvořeny souosými válci, přičemž prostor mezi válci je překřížen tangenciální stěnou.

A v ještě dalším provedení oddělovacího prvku podle vynálezu jsou hydraulický průměr oddělovacích kanálků a průměrná průtoková rychlost tekutiny oddělovacími kanálky vybrány ve vzájemné závislosti takovým způsobem, aby Reynoldsovo číslo bylo menší než 2300, zvláště výhodně menší než 2000, čímž se zajišťuje laminámí proudění v oddělovacím kanálku.

Kanálky, které jsou neparalelní s osou rotace mohou být vyráběny prostřednictvím výrobního a/nebo montážního postupu oddělovacího prvku podle vynálezu. Neparalelní uložení také nastává pokud oddělovacím prvkem má jistý stupeň nerovnováhy. Zejména pokud je oddělovací prvek prostřednictvím pružin upraven v pouzdru, například analogickým způsobem jaký je použit u konstrukce odstředivé ždímačky, bude takový oddělovací prvek v důsledku nerovnováhy rotovat na ose svírající určitý úhel s osou symetrie oddělovacího prvku.

V praxi je poměr délky k radiální šířce oddělovacího kanálku oddělovacího prvku podle vynálezu velký a v každém případě je větší než 5. Vezmeme-li v úvahu případ oddělovacího prvku, který rotuje s úhlovou rychlostí 75 rad/s a protéká jím vzduch s kinematickou viskozitou 1,5x10⁵ m²/s. Při délce kanálku 500 mm a radiální šířce 3 mm musí být úhel sklonu oddělovacích kanálků podle vynálezu limitován 1,5 stupni křivosti. Při délce kanálku 200 m a radiální šířce 0,5 mm musí být úhel sklonu oddělovacích kanálků podle vynálezu limitován 21 stupni křivosti.

Vynález bude dále podrobněji popsán ve spojení s příkladnými provedeními a s odkazy na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 řez stěnami oddělovacího kanálu v rovině obsahující osu rotace;

Obr. 2 řez kruhovým oddělovacím kanálkem, který tvoří část mnoha kanálků podle vynálezu;

-3 CZ 285941 B6

Obr. 3 schematické znázornění podélného řezu oddělovačem částic opatřeným oddělovacím prvkem s oddělovacími kanálky podle vynálezu;

Obr. 4 schematické znázornění příčného řezu oddělovačem částic opatřeným oddělovacím prvkem s oddělovacími kanálky podle vynálezu;

Obr. 5 je schematické znázornění dalšího provedení rotačního oddělovače částic opatřeného oddělovacím prvkem podle vynálezu;

Obr. 6 je řez rovinou A-A z obr. 5.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 je ilustrační zobrazení řezu stěn 1 oddělovacího kanálku v rovině obsahující osu 2 rotace. Úhly 3, které stěny svírají s osou 2 rotace jsou naznačeny v různých polohách.

Obr. 2 je ilustračním znázorněním řezu kruhovým oddělovacím kanálkem 4, který tvoří část z mnoha kanálků podle vynálezu. Pokud jsou stěny tohoto kanálku neparalelní s osou rotace, například tak je znázorněno na obr. 1, vytvoří sě cirkulační proudění 5 v důsledku působení Coriolisových sil. Proudové pole může sestávat ze dvou částí, jak je naznačeno na obr. 2, přičemž toto proudové pole je důsledek Coriolisovy síly 6, která působí ve směru kolmém k ose rotace a kolmém k axiální rychlosti tekutiny v kanálku. Působením cirkulačního proudění jsou částice neseny kratší vzdálenost od oddělovacích stěn. Radiální přenos částic vyplývající z odstředivého působeni je tím zlepšen.

Stupeň sklonu oddělovacích kanálků ovšem podléhá určitým limitům. Pokud je sklon příliš velký začíná být konvenční proudění způsobené Coriolisovými silami dominující. V takovém případě částice budou v podstatě sledovat uzavřené cirkulační proudění tekutiny, způsobené Coriolisovými silami. Odstředivá síla, která působí na částice a která je primárně odpovědná za pohyb částic k radiálně posunutým stěnám, se v tomto případě stává příliš malou. Částice ve značném rozsahu nebudou dosahovat stěn a budou odnášeny pryč s tekutinou.

Důležité je zjištění, že velikost těchto cirkulačních proudění musí být omezena na hodnotu odpovídající radiální pohybové rychlosti částic, způsobené odstředivým působením. To znamená, že úhel mezi neparalelním kanálem a osou rotace, rychlost rotace, radiální šířka a délka kanálku a také kinematická viskozita tekutiny, která proudí kanálkem, musí být vybírány ve vzájemné závislosti takovým způsobem, že určité bezrozměrné číslo tvořené těmito parametry musí ležet v intervalu určitých hodnoty.

Na obr. 3 a obr. 4 jsou znázorněny schematické výkresy představující podélný řez a příčný řez oddělovačem částic opatřeným oddělovacím prvkem s oddělovacími kanálky 7 podle vynálezu. Před a za oddělovacími kanálky jsou upraveny prostředky pro vedení tekutiny, například oběžná kola 8 a 9, opatřené lopatkami 10, které mohou nebo nemusí být zakřivené. Prostředky pro vedení tekutin a oddělovací kanálky jsou namontovány na hřídeli 11, který je poháněn motorem 12. Celek je uzavřen v pouzdru 13 opatřeným volutou 14.

Plyn 15 určený pro čištění vstupuje axiálně do pouzdra na spodní straně, prostřednictvím vstupního oběžného kola 8 je uveden do rotace a veden do rotujících oddělovacích kanálků 7. Vlivem odstředivého působení ve spojení s cirkulačním prouděním způsobeným limitovaným sklonem kanálků podle vynálezu, přičemž tento sklon není explicitně vyznačen na obr. 3 a obr. 5, se kapalné částice a pevné částice oddělují od plynu a ukládají se na vnějších stěnách oddělovacích kanálků. Plyn s odstraněnými částicemi opouští kanálky přes výstupní oběžné kolo 9, aby opustil pouzdro volutou 14. Částicový materiál shromážděny v oddělovacích kanálcích může být odstraněn vyjmutím oddělovacího prvku z pouzdra a následným vyčištěním nebo nahrazením novým prvkem. Oddělovací prvek může být také vyčištěn na místě, například

-4CZ 285941 B6 s využitím vibrací, vytvářením zvukových vln, nebo, výhodně, sprchováním nebo promýváním kanálků vzduchem nebo jiným plynným nebo kapalným médiem pod tlakem.

Případným únikovým tokům vyčištěného plynu na výstupu do nevyčištěného plynu na vstupu nebo naopak přes meziprostor mezi pouzdrem 13 a oddělovacím prvkem 7 může být zabráněno prostřednictvím těsnění 16. Takové únikové toky mohou být mimoto nebo navíc kontrolovány vhodně vybraným rozložením tlaku v oddělovači částic. V důsledku odstředivého působení bude plyn protékající oběžnými koly 8 a 9 v radiálním směru odléhat nárůstu tlaku. Pokud je tlakový nárůst stejný jako tlakový spád způsobený tlumením plynu vznikajícím při protékání plynu oddělovacími kanálky 7, bude tlak na výstupu ve volutě 14 stejný jako na vstupu u plynu 15 a v meziprostoru nebudou vznikat žádné únikové toky. Pokud rotační oddělovač částic je konstruován tak, že nárůst odstředivého tlaku plynu je mírně větší než tlakový spád v kanálcích, bude vznikat pouze malý zpětný tok vyčištěného plynu do nevyčištěného plynu. Speciální nebo vysokojakostní těsnění 16 pak není nezbytně nutné. Charakteristickým pro takové provedení je to, že oddělovací prvek a prostředky pro vedení plynu jsou konstruovány tak, že vyčištěný plyn odchází na poloměru, který je větší než poloměr ve kterém vstupuje plyn určený pro čištění.

Příklad jiného možného provedení rotačního oddělovače částic, který je opatřen oddělovacím prvkem podle vynálezu, je znázorněn na obr. 5 a obr. 6. Charakteristickým pro toto provedení je tangenciální vstup 17, který má tvar cyklónu a který je umístěn před rotačním oddělovacím prvkem 18 opatřeným oběžným kolem 19 a je poháněn motorem 20. Plyn určený pro čištění proudí tangenciálně ve směru šipky 21 do tangenciálního vstupu 17 pouzdra. V důsledku odstředivého působení způsobeného rotačním pohybem plynu ve vstupu pouzdra budou hrubé částice obsažené v plynu vystřelovány ven a budou opouštět vstup pouzdra výpustí 22. Jemnější částice budou následně oddělovány v oddělovacích kanálcích oddělovacího prvku. Plyn s odstraněnými částicemi opouští rotační oddělovač částic přes oběžné kolo 19 a volutovým výstupem 23 pouzdra.

Částicový materiál shromážděný v kanálcích může být periodicky odstraňován s využitím sprchovací nebo promývací jednotky 24, která je v horizontálním směru posunutelná nad kanálky a která sprchuje nebo promývá vzduchem nebo jiným plynným nebo kapalným médiem kanálky směrem dolů nebo spíše ke vstupu do přístroje. Shromážděný částicový materiál se tak pohybuje do tangenciálního vstupu 17 pouzdra a opouští rotační oddělovač částic výpustí 22. Tento proces může probíhat jak při statickém stavu tak i při rotační činnosti. V posledně uvedeném případě bude částicový materiál vyfukovaný z rotačního oddělovače částic vystřelován do tangenciálního vstupu 17 pouzdra a, podobně jako při předběžném odstranění hrubých částic, bude opouštěn tento vstup pouzdra výpustí 22. Tím, že se vyfukování ve směru dolů nebo ke vstupu pouzdra upraví dávkovým a řízeným způsobem, je oddělovací proces rotačního oddělovače částic rušen pouze v nepatrném rozsahu a regenerace rotačního oddělovače částic může probíhat tak, aniž by přístroj byl mimo činnost a oddělovací proces byl přerušen.

Motor 20 je pružně upevněn k pouzdru prostřednictvím pružin a/nebo tlumičů 25. Tím se dociluje, že nerovnovážné síly, které působí na ložiska a pouzdro v průběhu rotace, jsou minimální. Tuhost pružin a/nebo tlumicí síla je vybrána tak, že úhel a mezi osou rotace a stěnami oddělovacích kanálků, vyplývající z nerovnováhy, je v mezích charakteristik oddělovacího prvku podle vynálezu.

Příklad provedení rotačního oddělovače částic, znázorněný na obr. 5 a obr. 6 je zvláště vhodný pro filtraci plynů vytvářených při průmyslových procesech, které mají vysoké koncentrace částicového materiálu, například tedy pro čištění plynů ze spaloven uhlí a odpadů, kde koncentrace od 10 do 100 gramů/m³ nejsou ničím neobvyklým. Značná část částicového materiálu často u takových procesů sestává z hrubých částic o průměrech kolem 10 mikrometrů a větších. Takový materiál je oddělován v prostoru tangenciálního vstupu, který má tvar cyklónu,

-5CZ 285941 B6 přičemž koncentrace částicového materiálu přiváděného do rotačního oddělovacího prvku podle vynálezu se tak značně snižuje, například až na 1 gram/m³. Doba ve které by se kanálky mohly zablokovat se tak podstatně prodlužuje, například na více než hodinu. V průběhu této doby je sprchovací nebo promývací jednotka 24, jako je vzduchová tryska, uvedena v činnost, aby ve vhodném okamžiku vyčistila oddělovací prvek od částicového materiálu a umožnila tak nepřerušené pokračování oddělovacího procesu.

Koncentrace částicového materiálu ve výstupním vzduchu jsou značně nižší než ty, které jsou obvyklé v plynech vytvořených průmyslovými procesy. Koncentrace částicového materiálu ve výstupním vzduchu jsou obecně nižší než 1 miligram/m³. Pokud je použit rotační oddělovač částic podle vynálezu pro účely filtrace vzduchu zaplní se oddělovací prvek až po dlouhém časovém úseku používání, který může být delší než rok. Čištění na místě je pak méně nezbytné a pro takovou aplikaci je vhodné provedení s axiálním vstupem, jako je například znázorněno na obr. 3 a obr. 4.

Rotační oddělovač s neparalelními oddělovacími kanálky je vhodný pro oddělování jak pevných tak i kapalných částic z tekutiny. Po vystřelení do oddělovacích kanálků budou kapalné částice tvořit kapalný film na radiálních stěnách oddělovacích kanálků. V důsledku gravitační síly se bude kapalný film pohybovat směrem dolů, pokud budou stěny oddělovacích kanálků uloženy vertikálně. Kapalina opouští kanálky na dolní straně, kde je v důsledku odstředivé síly vystřelována ve formě kapiček. Tyto kapičky mohou být odváděny prostřednictvím vhodných opatření. Například v případě provedení, které je znázorněno na obr. 5 a obr. 6, budou kapičky padat do tangenciálního vstupního prostoru, který má tvar cyklónu, a budou opouštět rotační oddělovač částic výpustí. V případě provedení, které je znázorněno na obr. 3 a obr. 4 mohou kapičky opouštět rotační oddělovač částic otvory upravenými v radiálních stěnách vstupního oběžného kola.

Kapalný film vytvářející se na stěnách oddělovacích kanálků v případě kapalného částicového materiálu se bude pohybovat směrem dolů pouze v případě pokud bude vystaven síle působící v tomto směru. V případě, že kanálky jsou v nakloněné poloze, může nastat situace, kdy směrem dolů orientovaná gravitační síla je neutralizována složkou odstředivé síly, která působí v podélném směru kanálku v případě skloněné polohy. Takové situaci může být zabráněno omezením velikosti sklonu kanálků na úhel, jehož tangenta je menší než poměr gravitační a odstředivé síly.

Rotační oddělovač částic podle vynálezu může být součástí chemického nebo fyzikálního procesu. Extrémně jemné částice mohou být rozptýleny v tekutině při nebo před vstupem do tangenciálního vstupu pouzdra, který má tvar cyklónu, nebo prostřednictvím sprchovací nebo promývací jednotky 24 a mohou tak způsobit chemickou nebo fyzikální změnu tekutiny nebo částí tekutiny prostřednictvím absorpce, resorpce, adsorpce, chemické reakce nebo katalytické reakce. Jemné částice jsou oddělovány v rotačním prvku. Je tak tedy vytvořen účinný rotační reaktor. Skutečnost, že zde mohou být prováděny operace s extrémně malými částicemi, nabízí velmi zajímavé perspektivy vzhledem k existujícím reaktorům. Srovnatelně velký kontaktní povrch mezi tekutou fází a pevnou fází umožňuje krátké reakční a zachycovací doby. Výsledkem je malý objem reaktoru nebo kompaktní konstrukce.

Rotační oddělovač částic s neparalelními oddělovacími kanálky může být použit také pro oddělování kondenzovatelných tekutinových složek, které jsou přítomny v tekutině; například pro sušení vzduchu. Uvedení tekutiny do rotace před jejím vstupem do oddělovacích kanálků oddělovacího prvku podle vynálezu může probíhat tak, že nastane ochlazení, například v důsledku rozpínání, složky ve formě par v tekutině kondenzují na jemné kapičky. Tyto kapičky jsou odděleny v oddělovacích kanálcích, a poté vysušená tekutina opouští rotační částicový oddělovač přes výstupní oběžné kolo, kde je tato vysušená tekutina přivedena na požadovaný tlak a teplotu. Použitím rotačního oddělovače částic je tak vytvořen termodynamický

-6CZ 285941 B6 proces, ve kterém je tekutina ve formě páry frakcionována na suchou tekutinu a kondenzát s nižší teplotou. Takový proces může být kromě jiného použit jako alternativa k současným systémům přeměny energie včetně chladicích systémů založených na freonech, ohřívacích zařízení a tepelných čerpadel.

Rotační oddělovač částic s neparalelními oddělovacími kanálky podle vynálezu je také vhodný pro použití za podmínek, kdy tekutina je pod značným tlakem. U takových aplikací může být pouzdro rotačního oddělovače částic konstruováno tak, že je odolné proti vysokému tlaku, nebo může být rotační oddělovač částic uložen jako celek do samostatné tlakové nádoby. Případné problémy s utěsněním v místě průchodu hnacího hřídele rotačního oddělovače částic mohou být vyřešeny tak, že se pohon umístí rovněž do téže tlakové nádoby. Tímto způsobem je umožněno pracovat s velmi vysokými tlaky až do hodnoty 40 MPa. Je možno pracovat s rovněž velmi vysokými teplotami při vhodném výběru materiálů a s použitím chladicích zařízení. S použitím vysokojakostních kovových slitin může být zpracována tekutina o teplotách až přibližně 800 °C. Pokud jsou vnitřní součásti rotačního oddělovače částic podle vynálezu vyrobeny z keramiky, může být zpracovávána tekutiny s teplotami až 1600 °C.

Oddělovače částic znázorněné na obr. 3, obr. 4, obr. 5 a obr. 6 jsou pouze příklady možných provedení oddělovačů částic opatřených oddělovacím prvkem podle vynálezu. Podle typu a způsobu použití jsou možná mnohá další provedení. Charakteristické je vždy to, že oddělovače částic jsou opatřeny oddělovacím prvkem podle vynálezu, že oběžná kola mohou nebo nemusí být upravena před a za oddělovacím prvkem a že oddělovací prvek může nebo nemusí být uložen do pouzdra opatřeného tekutinovým vstupem a tekutinovým výstupem a případně samostatným výstupem pro odstraňování odděleného částicového materiálu.

Při filtraci velkých množství tekutiny je zde možnost paralelního umístění množství rotačních oddělovačů částic podle vynálezu. Tekutina určená pro filtraci je rozdělena do různých rotačních oddělovačů částic pro následné sloučení, po provedené filtraci, ve společném výstupním vedení. Protože každý rotační oddělovač částic může být konstruován tak, že tlak na tekutinovém výstupu je alespoň roven tlaku na vstupu, čerpá každý rotační oddělovač částic svůj vlastní proud tekutiny. Pokud rotační oddělovač částic přejde do požadovaného nebo i nežádoucího statického stavu v takovém uspořádání rotačních oddělovačů částic umístěných paralelně, proud tekutiny rotačním oddělovačem částic, který musel být uveden do statického stavu, se také zastaví. Není tedy nutné upravit sadu ventilů na vstupních a výstupních vedeních rotačních oddělovačů částic, aby se například izolovat rotační oddělovač částic, který musel být uveden do statického stavu, od ostatních činných rotačních oddělovačů částic. Zvětšení na uspořádání velkého počtu rotačních oddělovačů částic podle vynálezu uložených paralelně může být provedeno relativně velmi jednoduchým způsobem, přičemž z důvodů snížení nákladů může být případně použito společného pouzdra. Výsledkem je uspořádání, jehož filtrační kapacita je relativně neovlivnitelná případným rozbitím jedné jednotky.

Rotační oddělovač částic podle vynálezu nabízí možnost odstranění pevných a kapalných částic o velikosti mikrometrů a jemnějších z malých i velkých množství horkých nebo studených tekutin proudících pod vysokým nebo nízkým tlakem a to výjimečně účinným a ekonomickým způsobem. Provedené experimenty s nejrůznějšími prototypy ukázaly vynikající a konsistentní oddělovací vlastnosti při nízké spotřebě energie. Mezi jinými byly provedeny testy s přístrojem, který měl válcový oddělovací prvek o průměru 0,3 m a délce 0,5 m, opatřený hexagonálními oddělovacími kanálky o šířce 3 mm. Prvek rotoval s úhlovou rychlostí 300 rad/s průtoková rychlost prvkem byla 1000 m³/hod. Extrémně jemné pevné částice v rozsahu průměrů mikrometrů a jemnější byly rozptýleny s koncentracemi kolem 1 g/m³ ve vstupním vzduchu a následně byly oddělovány v kanálcích oddělovacího prvku. Použitím kaskádních kladivových mlýnů bylo zjištěno, že všechny částice o aerodynamickém průměru 1 mikrometr a větší byly odděleny v oddělovacím prvku prakticky 100 %.

-7CZ 285941 B6

Oddělovací účinnost pro částice s aerodynamickým průměrem od 0,1 mikrometru do 1 mikrometru se měnila od 85 do 100%. Zaplnění kanálků nastalo po přivedení přibližně 1 kg částicového materiálu. Celková spotřeba energie, včetně celkové tlakové ztráty a spotřeby elektrické energie hnacího motoru, byla přibližně 1000 Pa vyjádřeno v energii na jednotku proudu vzduchu.

Oddělovací prvek testovaného zařízení byl prostřednictvím pružin namontován do pouzdra analogicky ke konstrukci znázorněné na obr. 5. V důsledku nerovnováhy se v průběhu rotace vytvářel úhel sklonu mezi oddělovacími kanálky a osou rotace zhruba 0,13 stupňů křivosti. To je zcela v mezích daných charakteristikou oddělovacího prvku podle vynálezu, podle níž je v daném případě povolen maximální úhel sklonu přibližně 0,37 stupňů křivosti. Byly také provedeny experimenty, ve kterých byla nerovnováha volně zvýšena tak, že úhel sklonu byl větší než 0,37 stupňů křivosti. V takovém případě bylo zjištěno znatelné snížení množství odděleného částicového materiálu.

Experimenty provedené s prototypy rotačního oddělovače částic podle vynálezu ukázaly vynikající účinnost při oddělování částic. Zlepšená oddělovací účinnost, zejména pro částice o průměru jemnějším než mikrometry, byla způsobená elektrickými silami. Elektrická pole vznikají v rotačním oddělovacím prvku podle vynálezu umístěném v rotačním oddělovači částic mimo jiné v důsledku tření vznikajícího mezi rotačním oddělovacím prvkem podle vynálezu a tekutinou obsahující částice. Tato pole podporují migrační proces částic, které se pohybují směrem ke sběrným stěnám oddělovacích kanálků rotačního oddělovače částic. Výhodný účinek elektrických polí může být navíc stimulován nabitím částic v tekutině vytvořením elektrostatického pole, například aplikací rozdílového napětí nebo zařazením ionizéru.

Rotační oddělovač částic s neparalelními oddělovacími kanálky podle vynálezu nabízí možnost odstranění pevných a kapalných částic o velikosti mikrometru a jemnějších z malých nebo velkých množství horkých nebo studených tekutin proudících pod vysokým nebo nízkým tlakem a to výjimečně účinným a ekonomickým způsobem.Tento rotační oddělovač částic je velmi zajímavou alternativou existujícím filtračním postupům a rovněž nabízí zajímavé perspektivy v nových oblastech použití, kde stávající postupy nejsou použitelné v důsledku fyzikálních a/nebo ekonomických omezení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Oddělovací prvek, kterým může být rotováno za účelem oddělení pevných nebo kapalných částic o velikosti mikrometrů nebo jemnějších od tekutiny, přičemž tento prvek sestává z velkého počtu oddělovacích kanálků s jednoduše spojenými stěnami na podstatné části axiální délky, vyznačující se tím, že stěny (1) alespoň jednoho z oddělovacích kanálků (7) jsou neparalelní s osou (2) rotace a tangentu úhlu (3) mezi tečnými rovinami stěn (1) oddělovacího kanálku (7) a osou (2) rotace, která je označena tan a, radiální šířka oddělovacího kanálku (7), označená d, délka oddělovacího kanálku (7), označená L, a rychlost rotace oddělovacího prvku (18), označená Ω, jsou vybrány ve vzájemné závislosti tak, že bezrozměrné číslo (Ω-L.d.tan a)/v se v podstatné části oddělovacího kanálu (7) pohybuje v intervalu až do 192, přičemž v je kinematická viskozita tekutiny.
2. Oddělovací prvek podle nároku 1,vyznačující se tím, že bezrozměrné číslo leží v rozsahu 1 až 192, výhodně v rozsahu 1 až 140 a zvláště výhodně v rozsahu 1 až 96.

-8CZ 285941 B6
3. Oddělovací prvek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že je opatřen sprchovací nebo promývací jednotkou (24) pro odstranění částic usazených v oddělovacích kanálcích (7) z těchto oddělovacích kanálků (7) prostřednictvím sprchování nebo promývání média těmito kanálky (7).
4. Oddělovací prvek podle nároku 4, vyznačující se tím, že sprchovací nebo promývací jednotka (24) je posunutelná přes a umístitelná nad každým oddělovacím kanálkem (7).
5. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je rotačně poháněn motorem (20), který je pružně upevněn k rámu.
6. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že je opatřen prostředky tekutinového vstupu a/nebo tekutinového výstupu, takže nárůst odstředivého tlaku se rovná neboje větší než tlakový spád v oddělovacím prvku (18).
7. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že oddělovací kanálky (7) jsou tvořeny vlnitým materiálem ovinutým kolem hřídele nebo trubky.
8. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že oddělovací kanálky (7) jsou tvořeny kanálky v děrovaném nebo porézním tělese.
9. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že oddělovací kanálky (7) jsou tvořeny souosými válci, jejichž meziprostor je přetnut tangenciální stěnou.
10. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že hydraulický průměr oddělovacích kanálků (7) a průměrná průtoková rychlost tekutiny oddělovacími kanálky (7) jsou vybrány ve vzájemné závislosti, přičemž Reynoldsovo číslo je menší než 2300 až výhodně je menší než 2000, čímž je v oddělovacím kanálku (7) vytvořeno laminámí proudění.
11. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že tento oddělovací prvek (18) je uložen do pouzdra (13), které je opatřeno tekutinovým vstupem a tekutinovým výstupem a přídavně výstupem pro částice.
12. Oddělovací prvek podle nároku 11, vyznačující se tím, že pouzdro (13) obsahuje části, které mají tvar cyklónu.
13. Oddělovací prvek podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že je opatřen prostředky pro umožnění provedení chemických, fyzikálních a/nebo termodynamických procesů.
14. Oddělovací prvek podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje prostředky pro elektrické nabití částic určených k oddělení.
15. Oddělovací jednotka opatřená alespoň dvěma oddělovacími prvky vytvořenými podle nároků 1 až 14.