FI64058B - Foerfarande och anordning foer separering av ett medium i komponenter med olika partikelmassor i turbulenssystem - Google Patents

Description

64058

Menetelmä ja laite väliaineen erottamiseksi hiukkasmas-soiltaan erilaisiin komponentteihin pyörresysteemissä. -Förfarande och anordning för separering av ett medium i komponenter med olika partikelmassor i turbulenssystem.

5 Tämä keksintö koskee menetelmää ja laitetta väliaineen erottamiseksi hiukkasmassoiltaan erilaisiin komponentteihin keskipakovoiman avulla pyörrevirtauksella toimivissa laitteissa esim. sykloneissa siten, että massaltaan 10 suuremmat hiukkaset rikastuvat pyörimisliikkeen aikana erotettavan pyörteen ulompiin osiin ja massaltaan pienemmät hiukkaset rikastuvat erottavan pyörteen niihin osiin, jotka ovat lähempänä pyörintäkeskiötä.

15 Termi "väliaine", jota käytetään tässä selotuksessa, on tarkoitettu käsittämään jauhemaiset ja kuituiset virtaa-vat kiinteät aineet, virtaavat nesteet, nestepisarat ja kaasut sekä näiden seokset. Vastaavasti termi "hiukkanen" on tarkoitettu käsittämään kiinteät hiukkaset, nestepisa-20 rat, nestemolekyylit, kaasumolekyylit tai kaasuatomit.

Termi "erottelutila" on tarkoitettu käsittämään erilaiset pyörrekammiot sekä virtausputket ja virtaustilat, joissa erottelu tapahtuu keskipakovoiman avulla.

25 Virtausopissa tunnetaan vapaa pyörrevirtaus, jossa tan-gentiaalinen nopeus V saadaan pyörintäsäteen r avulla kaavasta (1) V = k · r_1 30 Tällöin pyörteen keskiosissa paine on pienempi kuin ulko-osissa.

Käytännössä pyörre-erottimissa tangentiaalinen nopeus on 35 hiukan pienempi pyörteessä esiintyvän hankauksen vaikutuksesta. Käytössä olevissa pyörre-erottimissa tangentiaalinen nopeus saadaan erottavassa pyörteessä kaavasta: 2 64058

(2) V = k r11 -1 < n < O

Myös tällöin on pyörteen keskellä paine pienempi kuin reunoilla. Erottavassa pyörteessä paine-energia muuttuu liike-5 energiaksi. Tässä selostuksessa termi "erottava pyörre" tarkoittaa kaavan (2) mukaista pyörrettä, jossa paine on keskellä oleellisesti pienempi kuin reunoilla. Jos pyörre poikkeaa muodoltaan ympyrästä, voidaan kaavaa (2) soveltaa vain likimäärin.

10

Virtausopissa tunnetaan myös pakotettu pyörre, missä tan-gentiaalinen nopeus saadaan kaavasta (3) V = k r 15 Tällöin kulmanopeus pyörteen eri osissa on vakio. Pakotetun pyörteen keskellä paine ei ole oleellisesti pienempi kuin reunaosissa, koska ei tapahdu paine-energian muuttumista liike-energiaksi. Tässä selostuksessa termi "pakotettu 20 pyörre" tarkoittaa kaavan (3) mukaista tai sitä lähellä olevaa pyörrettä. Jos pyörre poikkeaa ympyrästä kaavaa (3) voidaan soveltaa vain likimäärin. Pakotettu pyörre syntyy ulkopuolisen liikkeen vaikutuksesta.

25 Ennestään tunnetaan monenmuotoisia pyörre-erottimia, mm. sykloneja, joissa pyörrettä rajoittavat sylinterimäiset ja kartiomaiset pinnat. Yleensä pyörrekammio on sileäpin-tainen ja kammion seinämä on jatkuva pyörrevirtauksen suunnassa. Tällaisia itsenäisesti toimivia pyörre-erottimia 30 rinnakkain asettamalla on muodostettu esim. multisyklone-ja. Tästä on esimerkki US-patentissa 3 747 306. Lisäksi tunnetaan useista patenttijulkaisuista pyörre-erottimia, joissa kaksi pyörrettä on yhteydessä tangentiaalisesti toisiinsa sallien tietynkokoisten hiukkasten siirtymisen 35 tangentiaalisesti pyörteestä toiseen.

Suomalaisessa patenttihakemuksessa n:o 813387 on esitetty menetelmä, jossa kaksi tai useampia rinnakkain sijaitsevia 3 64058 erottavia pyörteitä saatetaan pareittain sivusuunnassa yhteyteen keskenään.

Tunnettujen pyörre-erottimien haittana on se, että keski-5 pakovoima työntää erotettavaa väliainepyörrettä ulkopuolella rajoittavia pintoja vasten. Tällöin kitka hidastaa pyörteen kulkua ja aiheuttaa turbulenssia seinämien läheisyydessä. Kitka ja siitä aiheutuva turbulenssi synnyttävät huomattavia energiahäviöitä. Pienentyneen pyörimis-10 nopeuden vuoksi keskipakovoima ja sen mukana erotteluteho alenevat erottumisen kannalta tärkeimmällä ulkokehällä. Lisäksi turbulenssi sekoittaa uudelleen jo tapahtunutta erottumista. Tunnetut multisyklonit vaativat runsaasti tilaa ja niiden rakenne on massaltaan suuri. Kitkan ai-15 heuttamien häviöiden vuoksi nykyisillä pyörre-erottimil-la on vaikeata päästä suuriin pyörrenopeuksiin.

Patenttihakemuksessa n:o 813387 pyörre-erotus suoritetaan kahdessa tai useammassa rinnakkain sijaitsevassa erotta-20 vassa pyörteessä, jotka pyörivät vastakkaisiin suuntiin.

Täten seinämäkitkaa on vähennetty, mutta pyörteiden voimakas yhteentörmäys pienentää osittain hyötyvaikutusta energian kulutuksen kannalta.

25 Tämän keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja haittoja ja saada se aikaan keksinnön mukaisella menetelmällä siten, että erottavan pyörteen rinnalle synnytetään pakotettu pyörre, joka saatetaan tukeutumaan vasten erottavaa pyörrettä siten, että erottava pyörre pakottaa pakotetun 30 pyörteen pyörimisliikkeeseen.

Keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi tarkoitetut laitteet on esitetty jäljempänä patenttivaatimuksissa.

35 Keksintöä havainnollistetaan seuraavin kuvin.

Kuvio 1 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta pyörresysteemistä, missä kahden erottavan pyörteen välissä on yksi pakotettu pyörre.

Kuvio 2 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta 40 64058 4 pyörresysteemistä, missä neljän erottavan pyörteen välissä on yksi pakotettu pyörre.

Kuvio 3 esittää sivukuvaa eräästä keksinnön mukaisesta 5 erotinsysteemistä.

Kuvio 4 esittää leikkausta pitkin viivaa IV-IV kuviossa 3.

Kuvio 5 esittää aksiaalista leikkausta eräästä keksinnön 10 mukaisesta erotinsysteemistä.

Kuvio 6 esittää leikkausta pitkin viivaa VI-VI kuviossa 5.

Kuvio 7 esittää virtauksen jakajan erästä muotoa aksono- 15 metrisesti.

Kuvio 8 esittää virtauksen jakajan toista muotoa aksono- metrisesti.

20 Kuvio 9 esittää virtauksen jakajan poikkileikkausvaihtelua kuviossa 8.

Kuvio 10 esittää pyörintäakselin suuntaista leikkausta pitkin viivaa X-X kuviossa 8.

25

Kuvio 11 esittää sivukuvaa tangentiaalisen syötön eräästä järjestelymuodosta kuviossa 6.

Kuvio 12 esittää perspektiivikuvaa eräästä keksinnön mukai-30 sesta erotinsysteemistä, jossa pyörteet ovat kar- tiomaisia.

Kuvio 13 esittää aksonometrisesti virtauksen jakajia erotin-systeemissä, missä pyörteet ovat kartiomaisia.

Kuvio 14 esittää aksonometrista kuvaa eräästä keksinnön mukaisesta erotinsysteemistä, jossa pyörteet on porrastettu aksiaalisessa suunnassa.

35 5 64058 Tämän keksinnön keskeisenä sisältönä on vähentää erottavan pyörteen ja sitä ulkokehällä rajoittavan pinnan kosketusta, jolloin siitä aiheutuvat haitat jäävät pois. Tätä varten osa pyörrettä ulkokehällä rajoittavasta pinnasta 5 poistetaan. Pinnan pyörrettä sisäänpäin työntävä tukivai-kutus korvataan saattamalla erottava pyörre ja pakotettu pyörre törmäämään pyörimisliikkeessä toisiinsa, jolloin ne työntävät toisiaan. Pienessä kulmassa toisiinsa törmäävät pyörteet eivät synnytä turbulenssia eikä niiden välil-10 lä ole juuri lainkaan kitkaa, jos pyörimisnopeudet ovat samat. Erottava pyörre pääsee muovautumaan lähes ympyrämäiseksi suuremman keskipakovoimansa vuoksi, jolloin kulmikkaasta muodosta johtuva energiahäviö pienenee.

15 Seuraavissa kuvissa on esimerkinomaisesti esitetty muutamia keksinnön sovellutusmuotoja sekä havainnollistettu keksinnön toimintatapaa. Todellisuudessa keksinnölle voidaan löytää suuri määrä erilaisia sovellutusmuotoja. Keksinnön mukaisten laitteiden muodot ja mittasuhteet vali-20 taan kulloisenkin käyttötarkoituksen mukaan. Apuna voidaan käyttää kokeellisia tutkimuksia ja teoreettisia tarkasteluja.

Kuvioissa esitettyjen osien nimitykset ovat 25 1. pyörrettä ulkokehän puolella rajoittava pinta 2. erottavan pyörteen kulkurata yleispiirteisesti 3. pakotetun pyörteen kulkurata yleispiirteisesti 10. pyörrekammio erottavalle pyörteelle tai pakotetulle pyörteelle 30 12. tangentiaalinen syöttöputki, josta eroteltavat hiukka set tulevat erottelutilaan 13. aksiaalinen poistoputki pienimassaisille hiukkasille erottelun jälkeen 14. aksiaalinen poistoputki suurimassaisille hiukkasille 35 erottelun jälkeen 39. virtauksen jakaja eri pyörteiden erottamiseksi toisistaan 40. törmäysalue, missä erottava pyörre ja pakotettu pyörre 6 64058 törmäävät toisiinsa 47. pyörrekammion kansi

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty kuinka nopeassa pyörintäliik-5 keessä olevat erottavat pyörteet 2 pyörittävät välissään olevaa pakotettua pyörrettä 3. Pakotettu pyörre 3 saa energiansa ympärillä olevista erottavista pyörteistä 2. Pakotettu pyörre 3 toimii laakerin tavoin erottavien pyörteiden 2 välissä osallistumatta aktiivisesti itse 10 erottamistapahtumaan. Pakotetun pyörteen 3 aine voi pyö riä periaatteessa lähes jatkuvasti omaa rataansa. Käytännössä myöskin pakotetun pyörteen 3 aineseos vähitellen vaihtuu. Pakotettuun pyörteeseen 3 pyrkii kerääntymään ensisijaisesti raskaampaa komponenttia erotettavasta 15 seoksesta. Sen poistamiseksi pakotetun pyörteen kohdalle voidaan haluttaessa järjestää oma poistoaukko sitä varten. Yleensä pakotetun pyörteen kansi ja pohja ovat suljettuja, mutta niiden muoto voi olla esim. kupumainen tai kuppimainen.

20

Kuvion 3 esittämässä sivukuvassa nähdään eräs keksinnön mukainen pyörresysteemi, jossa on 4 x 4 pyörrettä yhdistetty. Kuvioissa ei ole esitetty syöttölaitteita. Erotettavan väliaineen syöttö voi tapahtua aksiaalisesta tai 25 tangentiaalisesti. Kuvion 3 esittämässä tapauksessa erotetut jakeet poistuvat aksiaalisessa suunnassa, mutta myös tangentiaaliset poistojärjestelyt ovat mahdollisia. Erottavien pyörteiden 2 syöttö voi tapahtua myös pakotettujen pyörteiden 3 kautta.

30

Kuvion 4 esittämässä pyörresysteemin leikkauspiirroksessa nähdään yksittäisten pyörrekammoiden 10 olevan saman suuruisia. Virtauksen jakajat 39 ovat tässä tapauksessa muodostuneet neljästä sileästä sylinteripinnan osasta. Vir-35 tauksen jakajat 39 ovat tässä tapauksessa muodostuneet neljästä sileästä sylinteripinnan osasta. Virtauksen jakajien 39 koko voi vaihdella huomattavasti. Myös erittäin pienet virtauksen jakajat 39 ovat mahdollisia.

7 64058

Kuvion 5 esittämässä leikkauksessa nähdään erään pyörre-systeemin tangentiaaliset syötöt 12, jotka sijoittuvat erottavan pyörteen 2 ja pakotetun pyörteen 3 väliin.

5 Kuviossa 6 nähdään vastaavat tangentiaaliset syötöt 12 ylhäältäpäin.

Kuviossa 7 nähdään eräs virtauksen jakaja 39, jossa pyörteiden 2 ja 3 virtaussuunnissa on kourumaisia uria ja nii-10 den välillä teräviä harjanteita. Tällaisen muodon avulla saadaan pyörteen 2 aksiaalisen leikkauksen muotoa muutetuksi pyörimisliikkeen eri vaiheissa. Eri pyörteiden 2 ja 3 törmäysalueella 40 pyörteiden rajapinta on aksiaalisessa suunnassa suoraviivainen. Hiukkasten kulkiessa kuvion 7 15 esittämän pyörteen jakajan 39 kohdalle joutuvat hiukkaset liikkumaan osittain myös aksiaalisessa suunnassa. Tällöin eri massaiset hiukkaset pääsevät helpommin siirtymään toistensa ohi haluttuihin erottumissuuntiin. Virtauksen jakajasta 39 voidaan tehdä vain erottavan pyörteen 2 puo-20 leinen pinta kourumaiseksi pakotetun pyörteen 3 puoleisen osan ollessa sileä.

Kuvioiden 8, 9 ja 10 esittämässä virtauksen jakajan 39 tyypissä aksiaalinen leikkaus on aaltoileva. Aaltomaisten 25 kohoumien välissä on syvennyksiä, joihin pyörteet 2 ja 3 pakotetaan. Pyörteen 2 muovautuminen säännöllisesti aksiaalisessa ja radiaalisessa suunnassa edistää erottumista.

Kuviossa 11 on esitetty yksityiskohta eräästä tangentiaa-30 lisen syötön 12 järjestelymahdollisuudesta kuvoiden 5 ja 6 mukaisessa tapauksessa.

Kuvioissa 12 ja 13 nähdään kartiomaisten pyörrekammioiden eräs järjestelymahdollisuus. Törmäysalueen 40 leveys voi-35 daan valita halutun suuruiseksi. Virtauksen jakajat 39 voivat olla sileitä kartiopintoja tai ne voidaan tehdä aaltomaisiksi pyörteen 2 kulkusuunnassa tai aksiaalisessa suunnassa uurteisiksi.

8 64058

Kuviossa 14 on esitetty eräs keksinnön mukainen pyörre-systeemi, jossa pyörteet on porrastettu aksiaalisessa suunnassa. Erotettavan väliaineen syöttö tapahtuu ylimpänä sijaitsevaan keskimmäiseen pyörteeseen, josta hiukka-5 siä voi siirtyä osittain sivuilta alempana sijaitseviin muihin pyörteisiin.

Claims (12)

6405 8

1. Menetelmä väliaineen erottamiseksi hiukkasmassoiltaan erilaisiin komponentteihin keskipakovoiman avulla pyörre- 5 virtauksella toimivissa laitteissa esim. sykloneissa siten, että massaltaan suuremmat hiukkaset rikastuvat pyörimisliikkeen aikana erottavan pyörteen (2) ulompiin osiin ja massaltaan pienemmät hiukkaset rikastuvat erottavan pyörteen (2) niihin osiin, jotka ovat lähempänä 10 pyörintäkeskiötä (49), jolloin pyörre-erotus suoritetaan kahdessa tai useammassa pyörteessä (2, 3) ja kaksi tai useampia rinnakkain sijaitsevia pyörteitä (2, 3) saatetaan sivusuunnassa yhteyteen keskenään siten, että pyörteet törmäävät toisiinsa 0 - 90° kulmassa pyöriessään vastak-15 kaisiin suuntiin, tunnettu siitä, että erottavan pyörteen (2) rinnalle synnytetään pakotettu pyörre (3), joka saatetaan tukeutumaan vasten erottavaa pyörrettä (2) siten, että erottava pyörre (2) pakottaa pakotetun pyörteen (3) pyörimisliikkeeseen. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rinnakkain sijaitsevat pyörteet (2 ja 3) muodostavat pyörresysteemin, jossa pyörintäkes-kiöt muodostavat säännöllisen neliöverkon aksiaalisessa 25 suunnassa katsottuna.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rinnakkain sijaitsevat pyörteet (2 ja 3) muodostavat pyörresysteemin, jossa pakotetun 30 pyörteen (3) ympärillä sijaitsee kehämäisesti useita erottavia pyörteitä (2).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rinnakkain sijaitsevat erottavat 35 ja pakotetut pyörteet (2 ja 3) muodostavat pyörresysteemin, jossa erottavan pyörteen (2) ympärillä sijaitsee kehämäisesti useita pakotettuja pyörteitä (3). ίο 64058

5. Laite jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, jossa laitteessa rinnakkaiset pyörrekammiot (10) pareittain ovat osittain toistensa sisällä muodostaen törmäysalueita (40) törmäävien rin- 5 nakkaisten pyörteiden (2 ja 3) pyöriessä vastakkaisiin suuntiin, tunnettu siitä, että vain osa pyörre-kammioista (10) on varustettu elimillä (12, 13, 14) erotettavan väliaineen johtamiseksi sisään ja/tai erotetun aineen johtamiseksi ulos pyörre-erotuksen aikana.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen pyörre-erotin, tunnettu siitä, että erotettavan väliaineen syöttö (12) tapahtuu pyörrekammioiden (10) väliin törmäysalueelle (40)·

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen pyörre-erotin, tun nettu siitä, että pyörrekammiot (10) sijaitsevat säännöllisessä neliöverkossa rinnakkain.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen pyörre-erotin, t u n -20 n e t t u siitä, että yhden pyörrekammion (10) ympärillä on kehämäisesti muita pyörrekammioita (10).

9. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen pyörre-erotin, tunnettu siitä, että neljän rinnakkaisen 25 pyörrekammion (10) välissä on poikkileikkaukseltaan neli-haarainen virtauksen jakaja (39).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen pyörre-erotin, tunnettu siitä, että virtauksen jakaja (39) on uurrettu 30 erottavan pyörteen (2) kulkusuunnassa.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen pyörre-erotin, tunnettu siitä, että virtauksen jakaja (39) on erottavan pyörteen (2) kulkusuunnassa aaltoileva. 35

12. Laite patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukaisen menetelmän 64058 toteuttamiseksi, tunnettu siitä, että vierekkäiset pyörrekammiot (10) on porrastettu aksiaalisessa suunnassa . 64058