NO177255B - Hvirvelström-rör gassrenseapparat eller partikkel-gjenvinningsapparat - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et gassrenseapparat eller partikkelgjenvinningsapparat av den art som er angitt i krav l's ingress, hvilket apparat er anvendelig for behandling av en partikkelholdig gass-strøm for å separere partiklene fra gassen eller rense gassen for partikler.

Typen separasjonsapparat som oppfinnelsen vedrører kan mer presist beskrives som et hvirvelstrøms-rør gassrenseapparat eller et hvirvelstrøms-rør partikkel-gjenvinningsapparat, alt etter hvilken anvendelse apparatet har. Oppfinnelsens primære hensikt er gassrensing og spesielt rensing av luft. For enkelthets skyld vil begrepet hvirvelstrøms-rør gassrenseapparat generelt bli brukt i beskrivelsen. Oppfinnelsen dekker allikevel et partikkelgjenvinnings-aspekt.

Begrepene oppstrøm og nedstrøm som er brukt i beskrivelsen bør oversettes i henhold til gassens normale strømnings-retning gjennom gassrenseapparatet.

Mer bestemt vedrører oppfinnelsen et hvirvelstrøms-rør gassrenseapparat eller partikkelgjenvinningsapparat som er anvendelig for behandling av partikkel-holdige gass-strømmer for å rense gassen for partikler eller gjenvinne partikler fra gassen. Apparatet består av : et ytre rundt rør med et innløp i den ene enden, som

ved bruk vil være en oppstrømsende,

en aksialt plassert hvirvel eller roterende strøm-ningsgenerator i røret nedstrøms i forhold til innløpet,

et separas j onsområde nedstrøms av hvirvelgeneratoren, et perifert utløpsområde mot rørets periferi

nedstrøms i forhold til separasjonsområdet,

et sentralt utløpsområde mot senter av røret

nedstrøms i forhold til separasjonsområdet,

et indre, rundt ekstraksjonsrør, plassert konsentrisk inne i det ytre runde røret for å separere det perifere og det sentrale utløpsområdet, med en

oppstrømsende i en forutbestemt aksial posisjon tilsvarende nedstrømsenden til separasjonsområdet, hvor denne oppstrømsenden definerer en sentral åpning for det sentrale utløpsområdet og en ned-strømsende som danner et utløp for den sentrale utløpsregionen, og

et utløp gjennom det ytre røret i en forutbestemt aksial posisjon mot en nedstrømsende av det perifere utløpsområdet, hvor det indre, runde ekstraksjonsrø-ret er plassert i forhold til det ytre røret i en forutbestemt aksial posisjon i gassrenseapparatet nedstrøms utløpet, og slik at det danner en utkraving i en oppstrøms retning for å gi en kontinuerlig strømningspassasje i det perifere utløpsområdet.

Den ringformede strømningspassasjen kan inkludere et ringformet utløp for det perifere utløpsområdet, hvor hver oppstrøms ekstremitet til utløpet er aksialt plassert nedstrøms i det ringformede utløpet med en bestemt avstand på minst 25 % og fortrinnsvis minst 30 % av den indre diameteren til det ytre runde rørets innløp.

Plassering av det indre røret i forhold til det ytre røret kan omfatte en konsentrisk plassering av det indre røret i forhold til det ytre røret i en hunn-hann plassering ved hjelp av et endestykke i nedstrømsenden av det ytre røret og en komplementær muffedel på det indre røret.

Plassering av det indre røret i forhold til det ytre røret kan omfatte en aksial plassering av det indre røret i forhold til det ytre røret ved hjelp av komplementære tilstøtende overflater til henholdsvis det indre og det ytre røret.

Utløpsmiddelet kan omfatte perifere åpninger gjennom det ytre rørets omkrets i bestemte posisjoner. Denne utløps-formen kan med fordel anvendes når periferien til det ytre røret er parallell.

Istedet kan utløpsmiddelet være forsynt med en enkel åpning i det ytre røret, og denne åpningen strekker seg kontinuerlig langs omkretsen med en vinkel på mellom 90,5 og 180,5. Åpningen kan strekke over en vinkel på ca. 120,5. Denne utløpsformen kan med fordel anvendes når det ytre rørets diameter øker mot nedstrømsenden av apparatet.

Apparatet er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-4.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel med referanser til de medfølgende skjematiske tegninger, som viser to utforminger av et hvirvelstrøms-rør gassrenseapparat i aksielle snitt i henhold til oppfinnelsen.

Figur 1 viser et hvirvelstrøms-rør gassrenseapparat i henhold til oppfinnelsen, med referansenummer 10.

Apparatet 10 har et ytre rør 12 med en rund, sylindrisk form med et innløp 14 i den ene ende, som vil være oppstrøms ved bruk.

Rett ved innløpet 14, er det plassert en hvirvelstrøms-generator indikert ved referansenummer 16 plassert i et hvirvelstrøms-genererende område 18.

Nedstrøms av det hvirvel-genererende området 18 er det definert et separasjonsområde 20. Ved bruk, vil strømmen gjennom apparatet 10 deles i separasjonsområdet 20 i en perifer ytre spylestrøm 22 og en sentral eller hovedstrøm 26.

Nedstrøms av separasjonsområdet 20 er det definert et perifert ytre spyleområde 24 hvor spylestrømmen 22 er rettet. Spylestrømmen trekker seg sammen mot en ringformet åpning 29, som blir beskrevet i det etterfølgende. Konsentrisk innover i spyleområdet 24, er det plassert et sentralt eller hoved-utløpsområde 28 som hovedstrømmen 26 er rettet mot ved anvendelse.

Spyleområdet 24 og det sentrale utløpsområdet 28 er skilt ved hjelp av et indre ekstraksjonsrør 30 med et innløp definert ved en ledekant 42 på en sentral åpning 40 i nedstrømsenden av separasjonsområdet 20. Ekstraksjonsrøret 30 divergerer generelt utover til det treffer det ytre røret 12 og monteres på det ytre røret 12 i en bestemt monterings-posisjon 32. I posisjon 32 definerer det indre røret 30 en konsentrisk plugg 34 som om ønskelig kan være litt konisk. I posisjon 32 danner den indre delen av nedstrømsenden av det ytre røret 12 en konsentrisk hylse 36. Tappen 34 sitter tett fast i hylsen 36. En skulder 38 på en perifer flens på ekstraksjonsrøret 30 rett nedstrøms for pluggen 34 og en nedstrøms endeflate 39 av det ytre røret umiddelbart nedstrøms av hylsen 36 danner en tettsittende formasjon som plasserer det indre røret aksialt i forhold til det ytre røret.

Ved hjelp av forbindelsesformasjonene 34 og 36 er det indre røret 30 stabilisert i forhold til og konsentrisk plassert eller sentrert i forhold til det ytre røret 12 på en utkravet måte. Innløpet til det perifere utløpsområdet 24 er definert konsentrisk rundt den førende enden av det indre røret 30. Innløpet danner en del av en kontinuerlig ringformet strømningspassasje. Betydningen av at den ringformede strømningspassasjen er kontinuerlig, blir beskrevet under.

Nedstrøms av nevnte innløp er det en perifer ring 27 med en skrå ledeflate 25 som stikker inn i den ringformede strømningspassasjen. Toppen av ringen og den indre periferien til det ytre røret 12 danner den ringformede spyleåpningen 29. Ringen 27 er en integrert del av det indre røret 30 og strekker seg fra en ytre periferi derav. Den skrå flaten 25 leder spylestrømmen 22 i en kontrakterende måte inn i spyleåpningen 29. Nedstrøms for spyleåpningen 29 er det definert et ringformet spylekammer 46 i det ringformede spyleområdet 24. Åpninger 48 gjennom veggen plassert i omkretsen til det ytre røret 12, fører fra spylekammeret 46 og danner utløp for spylestrømmen 22. Oppstrømsekstre-miteter 50 til åpningene 48 er aksialt plassert i en bestemt avstand nedstrøms fra spyleåpningen, som er minst 25 % av det ytre rørets indre diameter. I en foretrukket utførelse er avstanden ca. 30 % av nevnte indre diameter.

Ved anvendelse vil den partikkelholdige gassen strømme inn

i apparatet 10 i innløpet 14. I hvirvelområdet 18 vil det dannes en roterende strøm som medfører at partiklene, som har større tetthet enn gassen, blir slynget utover på grunn av den roterende strømmen. Spylestrømmen 22 vil bli anriket med hensyn til partikler og hovedstrømmen 26 vil få et redusert partikkelinnhold. Med andre ord vil gassen bli renset for partikler og derfor begrepet gassrenseapparat.

Spylestrømmen 22 strømmer inn i det perifere utløpsområdet 24, trekker seg sammen når den strømmer inn i spyleåpningen 29 og strømmer derfra videre inn i ekstraksjonskammeret 46 hvoretter den føres ut via åpningene 48.

Den rensede hovedstrømmen 26 føres inn i det sentrale utløpsområdet 28 og føres ut.

Et apparat i henhold til oppfinnelsen har den fordel at en stiv og positiv co-aksial eller konsentrisk plassering av ekstraksjonsrøret oppnås ved monteringsmåten som er beskrevet. Den ringformede strømningspassasjen, spesielt spyleåpningen 29, er kontinuerlig eller uavbrutt. Dette forbedrer strømningsegenskapene til spylestrømmen spesielt og strømningen gjennom apparatet generelt.

Med hensyn til dette er det viktig at strømmen gjennom apparatet har sterke aksielle og roterende komponenter. Strømmens roterende komponent og de resulterende sentri-fugalkreftene på de relativt tunge partiklene medfører en konsentrasjon av partikler mot periferien og en reduksjon av partikler mot midten av apparatet. Virkningen til apparatet er derfor avhengig av strømmens rotasjonskomponent.

Det er slått fast at enhver forstyrrelse, dvs, i form av eiker, vil påvirke strømmens rotasjonskomponent på en ødeleggende måte. Uttrykt med andre ord, ved å ha en kontinuerlig ringformet strømningspassasje vil strømmens rotasjonskomponent i utløpsområdet bli opprettholdt og dette forbedrer apparatets virkning i forhold til andre apparater med strømningshindringer.

Videre har oppfinnerne funnet at roterende strøm har en "oppstrøms bevissthet" for strømningshindringer. Det vil si at dersom det er strømningshindringer tilstede, vil også strømmen oppstrøms av strømningshindringen bli sterkt påvirket på en ødeleggende måte. Dersom det er strømnings-hindringer i nærheten av innløpet til spyleområdet eller åpningen av spyleområdet, slik det er i andre kjente apparater, vil rotasjonskomponenten og dermed apparatets virkning bli sterkt redusert i separasjonsområdet. Denne "oppstrøms strømnings-bevissthet" medfører begrensninger med hensyn til utløpet 48 og mer bestemt dets utløpsekstremite-ter 50 i en bestemt minimumsavstand nedstrøms av åpningen 29, som er et kritisk strømningsområde med hensyn til apparatets virkning. Det er funnet fordelaktig å ha en kontinuerlig eller symmetrisk strøm gjennom den ringformede spyleåpningen og ha utløpsåpning(er) for spylestrømmen plassert i en bestemt minsteavstand nedstrøms fra den ringformede spyleåpningen. En slik minsteavstand hindrer strømningsforstyrrelse som f.eks. pillarer eller flater mellom åpningene som påvirker strømningen gjennom spyleåpningen.

Det ear slått fast at på grunn av fullstendig symmetri eller kontinuitet av strømningen gjennom apparatet, vil reduksjo-nen av partikler i hovedstrømmen bli forbedret.

I tester med fint AC støv, er det blitt funnet en 5 til 10 gangers reduksjon med hensyn til partikler over 10 pm i hovedstrømmen i apparatet i henhold til oppfinnelsen, sammenlignet med kjente apparater.

I en test av utformingen i figur 1 med et ytre rør med indre diameter 18 mm, total lengde 60 mm, et hvirveldannende område på 20 mm, en hvirvelvinkel på 180,5 og en senter-åpning med diameter 10 mm som opererer med et trykkfall på 0,96 kPa og en luftmasse-strøm på 4,4 g/sekund i hoved-strømmen 26, ble det oppnådd en total masseeffektivitet for støvfjerning på ca. 98 % med fint AC støv, med en spylestrøm på mellom ca. 6-14 %, generelt ca. 10 %. Masse-effektiviteten ved fjerning av partikler større enn 10 pm var 99,7 %. Det er innforstått at store partikler virker spesielt ødeleggende når det gjelder abrasjon og errosjon, og derfor er separasjon av store partikler viktig.

I figur 2 er det vist en annen utførelse av et gassrenseapparat i henhold til oppfinnelsen, indikert med referansenummer 110. Apparatet 110 er generelt likt apparat 10 i figur 1, og like referansenummer refererer til like deler. Apparatet 110 blir ikke beskrevet i detalj. To forskjeller mellom apparat 110 og apparat 10 er uthevet.

Mens apparat 10 har en parallell ytre periferi som bidrar til høy pakketetthet når apparatet brukes i et batteri eller en rekke av flere apparater, øker den ytre diameteren til apparat 110 mot nedstrømsenden. Økningen av diameteren skjer ved en første divergens av det ytre runde røret 112 som indikert ved vinkelen 113. Den divergerende delen av røret er indikert ved 112.1 og strekker seg gjennom separasjonsområdet 120 og videre, opp til den aksiale posisjonen til den ringformede åpningen 129.

Økningen av diameteren skjer videre ved hjelp av et andre divergens eller spredeområde umiddelbart nedstrøms av den

første divergensen. Spredeområdet er begrenset av spreder-vegg-delen 112.2.

Vinkelen 113 er typisk ca. 5,5, dvs at den inkluderte vinkel av den første divergensen er typisk 10,5.

Den inkluderte vinkel til spredeområdet 112.2 kan være mellom ca. 20,5 til ca. 50,5, fortrinnsvis ca. 30,5.

Den andre forskjellen er at der hvor apparatet 10 har et mangfold av utløpsdeler på omkretsen, har apparat 110 en enkelt kontinuerlig utløpsdel 148 som inkluderer en vinkel på ca. 120,5.

Selv om søkeren ikke ønsker å være bundet av teori, er det antatt at strømmens rotasjonskomponent i det ytre perifere området er bedre ivaretatt med utformingen av utløpet i figur 2.

Tester har vist at spesielt i tilfellet med 100 % "kutt", dvs. hovedsakelig ingen strøm gjennom det perifere utløps-området, har partiklene allikevel en overveiende rotasjons-hastighetskomponent som i stor grad kan opprettholdes i utformingen av utløpsområdet i figur 2, som bidrar til en god separasjonseffektivitet.

I en test av apparatet i figur 2 med en inkludert diver-gensvinkel på 7,5, diameter av ytre rør på 18 mm, total lengde 60 mm, hvirveldannende område med lengde 20 mm, hvirvelvinkel 180,5, en indre diameter av senterutløpet på 10 mm, totalt trykkfall ca. 1 kPa og en luft massestrøm på 4,6 g/sek ble det oppnådd en total masse-effektivitet ved støvfjerning på ca. 97 % for fint AC støv ved operasjon ved en 100 % kutt, dvs. ingen spylestrøm.

Ved den samme testen ved operasjon ved 90 % kutt, var det totale trykkfallet ca. 1 kPa, luft-massestrøm 4,6 g/sek i hovedstrømmen ble det oppnådd en separasjonseffekt på mer

enn 98 %. Begge testene ble utført med fint AC støv.

En viktig fordel med apparatet i foreliggende oppfinnelse er den økte separasjonseffekten sammenlignet med andre kjente apparater.

Med hensyn til relativt små apparater med nominelle diametre på ca. 80 mm og generelt med utforming som i eksempel 1, ble det utført tester som anvendte standard partikkelkon-sentrasjoner under forhold som simulerte ødeleggende operasjonsbetingelser for turbiner som f.eks. i luftfartøy-er, dvs. helikoptre. Tilgjengelige separasjonsapparater som er i bruk i den beskrevne typen av turbiner, ga et utbytte av partikkelfjerning på ca. 95 % på det beste, dvs. med hensyn til den bestemte testen, 5 % eller mer av partiklene ble værende i luftstrømmen til innløpet av turbinene. Separasjonsapparatet i henhold til oppfinnelsen ga til sammenligning et utbytte av partikkelfjerning på 97 - 98 %, dvs. at kun 3-2% av partiklene ble værende i innløps-strømmen.

Betydningen av separasjonseffekten verdsettes dersom man ser denne i sammenheng med den antatte levetiden for bladene i store turbiner.

Dersom separasjonseffektiviteten i innløpssystemet økes fra 94 % til 95 %, blir antatt livslengde fordoblet, og dersom effektiviteten øker til 97 % blir livslengden fordoblet igjen. Ved å øke effektiviteten fra nåværende 94 % til oppnåelige 97 %(oppnåelige med apparatet i oppfinnelsen) øker forventet livslengde med en faktor på 4.

I enkelte renseanlegg for luftforurensning som anvender industrielle sykloner, varierer effektiviteten for fjerning av partikler som ifølge oppfinnelsen ligger mellom ca. 30 % og ca. 50 %. Hovedårsaken til en slik dårlig effektivitet er at sykloner er uegnet til enkelte bestemte anvendelser. Under de samme betingelser hadde et apparat i henhold til oppfinnelsen, generelt apparatet i figur 2, med en nominell innløpsdiameter på ca. 100 mm, en effektivitet ved partikkel f jern ing på ca. 80 - 90 %. Uttrykt med andre ord, graden av luftforurensning på grunn av partikler var bare ca. 30 %

(verste tilfelle) eller 20 % (beste tilfelle) av luftforu-rensningen ved bruk av konvensjonelle apparater.

Videre er det funnet at apparatet i henhold til oppfinnelsen var mer effektiv ved fjerning av partikler mindre enn 7 pm enn konvensjonelle sykloner. Dette er av spesiell betydning når man husker på at et menneskets naturlige beskyttelse mot partikler, som f.eks. nesehår, avtar sterkt mot partikler som er mindre enn ca. 7 pm, og derfor er meget sårbar for partikler mindre enn 7 pm.

Separasjonsapparatet i henhold til oppfinnelsen er funnet å være overlegen sammenlignet med konvensjonelle sykloner ved fjerning av partikler med relativt liten tetthet.

En annen viktig fordel ved oppfinnelsen ligger i det vide operasjonsområdet. Det er funnet at fraværet av strømnings-hindringer i det perifere utløpsområdet bidrar til strøm-nings-stabiliteten. Dette er f.eks. fordelaktig ved anvendelser som krever et bredt operasjonsområde med hensyn til strømningskapasitet og operasjonstrykk. Separasjonsapparatet i henhold til oppfinnelsen med en liten nominell diameter (18 mm) er funnet å ha bredere operasjonsområder for en gitt minimal separasjonseffektivitet enn kjente, testede apparater.

En annen viktig fordel er at separasjonapparatene, spesielt apparater generelt lik utformingen i figur 2 for anvendelse i industrielle applikasjoner, kan brukes under forhold med 100 % kutt, dvs. hovedsakelig ingen gass-strøm i det perifere utløpsområdet. Dette gjør at behandlingen av spylestrømmen blir sterkt forenklet på grunn av at kun partiklene må fjernes, da det ikke er noén gass-strøm som skal behandles.

Det er også funnet store fordeler med hensyn til separasjonsapparater som er passende for anti-luftforurensnings-applikasjoner ved at apparatene er mer kompakte enn konvensjonelle sykloner.

Claims (4)

1. Hvirvelstrøm-rør gassrenseapparat eller partikkel-gjenvinningsapparat (10,110) passende for anvendelse ved behandling av en partikkelholdig gasstrøm for å rense gassen for partikler, eller for å gjenvinne partikler fra gassen, hvor apparatet (10,110) omfatter: - et ytre rundt rør (12,112) med et innløp (14,114) i den ene enden, som vil være oppstrøms ved bruk, - en aksialt plassert hvirvel eller roterende strømgenerator (16,116) i røret (12,112) nedstrøms av innløpet (14,114), - et separasjonsområde (20,120) nedstrøms til hvirvelgeneratoren (16,116), - et perifert utløpsområde (24,124) mot periferien av røret (12,112) nedstrøms av separasjonsområdet (20,120), - et sentralt utløpsområde (28,128) mot senter av røret (12,112) nedstrøms av separasjonsområdet (20,120), - et indre rundt ekstraksjonsrør (30,130) plassert konsentrisk inne i det ytre runde røret (12,112) for å separere det perifere (24,124) og det sentrale (28,128) utløpsområde, med en oppstrømsende (42,142) i en bestemt aksial posisjon korresponderende til nedstrømsenden av separasjonsområdet (20,120), hvor oppstrømsenden definerer en sentral åpning for det sentrale utløpsområdet (28,128), og en nedstrøms-ende forsynt med et utløpsmiddel for det sentrale utløps-område (28,128), - utløpsmidler (48,148) gjennom det ytre rør (12,112) i en forhåndsbestemt aksiell stilling mot en nedstrømsende av det perifere utløpsområde (24,124), - og det indre runde ekstraksjonsrør (30,130) er fast og konsentrisk montert på det ytre rør (12,112) mot en nedstrømsende av det perifere utløpsområde (24,124) slik at det indre runde ekstraksjonsrør (30,130) utstrekker seg i oppstrømsretningen på en utkravet måte, - og hvor veggene som avgrenser separasjonsområdet (20,120) er en oppstrømsdel av det perifere utløpsområde (24,124), og en oppstrømsdel av det sentrale utløpsområde (28,128) kontinuerlig og sirkulære og at separasjonsområdet (20,120), oppstrømsdelen av det perifere utløpsområde (24,124) og oppstrømsdelen av det sentrale utløpsområde (28,128) er fri for én langs omkretsen brutt struktur, karakterisert ved en perifer ring (27,127) som utstrekker seg radielt utad fra det indre runde ekstraksjonsrør (30,130) i nedstrøms avstand fra oppstrømsenden (42,142) og har i rekkefølge en divergerende ringformet førende overflate (25,125), en ringformet krone (29,129) og en konvergerende ringformet overflate som hhv., i serier, definert i det perifere utløpsområde (24,124), en konvergerende strømningsinnsnevrende del, en ringformet utføringsåpning (29,129) og en divergerende diffuserende del.

2. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at enhver oppstrøms-ekstremitet (50,150) av utløpsmidlet (48,148) er plassert nedstrøms til den ringformede åpningen (29,129) i en bestemt avstand av minst 25% av den indre diameter til det ytre runde røret (12,112) og dets innløp (14,114).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den divergerende del (25,125) av ringen (27,127) begynner ved en posisjon adskilt nedstrøms fra oppstrømsenden (42,142) av det indre runde ekstraksj onsrør (30,130).

4. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at den konvergerende del av ringen (27,127) avslutter i en posisjon aksialt adskilt oppstrøms av den eller hver av oppstrømsekstremitetene (50,150). DELELISTE.