PL231752B1 - Cyklon poprzeczny do odpylania gazu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest cyklon poprzeczny wykorzystywany do oczyszczania gazów, zwłaszcza do usuwania z powietrza stałych zanieczyszczeń, mający zastosowanie w szeregu aplikacji takich jak śrutowanie, szlifowanie i polerowanie, pakowanie herbaty lub detergentów, ważenie i mieszanie pigmentów farb, przetwarzanie żywności oraz wiele innych operacji, podczas których wytwarzany jest uciążliwy dla środowiska pył.

Odpylanie gazów stanowi niezwykle istotne zagadnienie w wielu gałęziach przemysłu, przede wszystkim ze względu na negatywny wpływ nadmiarowej emisji pyłów do atmosfery. Oczyszczanie powietrza z pyłów jest kluczowe, gdyż zawarte w nim cząstki stałe mogą być szkodliwe dla ludzi i mogą wykazywać niekorzystne skutki środowiskowe. Stopień zagrożenia pyłów w powietrzu zależny jest przede wszystkim od stężenia oraz rozmiarów cząstek stałych pyłu. Generalnie najniebezpieczniejszy jest pył o wielkości ziaren poniżej 1 gm, ponieważ cząstki takie mogą przebywać w powietrzu przez bardzo długi czas i mogą wyrządzić szkody w układzie oddechowym organizmów żywych. Większe cząstki pyłu mogą natomiast wypaść z gazów pod wpływem siły grawitacji, w związku z czym mogą oddziaływać na organizmy zewnętrznie. Zróżnicowanie fizyczne i chemiczne zanieczyszczeń skłoniło do opracowania różnych metod odpylania gazów. Podstawowe typy urządzeń odpylających znane są już od lat, a obecnie urządzenia odpylające stanowią nieodłączny element większości procesów produkcyjnych. W ogólności, oddzielacze redukują zanieczyszczenia powietrza ze środowiska roboczego, dzięki czemu pomagają poprawić jakość powietrza dla pracowników oraz jakość samego produktu.

Z opisu polskiego patentu PL 65 695 B1 znany jest odpylacz wirnikowy do gazów zawierających drobne cząstki pyłu. Cytowany odpylacz wirnikowy zawiera rurę wprowadzającą zapylony gaz, która połączona jest z wierzchołkiem stożkowej obudowy, w której umieszczony jest stożkowy wirnik. Pomiędzy obudową a wirnikiem utworzona jest szczelina. Wirnik jest przesuwny osiowo dzięki czemu zapewniono regulację szerokości szczeliny. Pod wirnikiem znajduje się komora na oczyszczony gaz, zaopatrzona w króciec odpływowy oraz zbiornik na wydzielony pył. Na skutek obrotowego ruchu wirnika i sił tarcia, napływający zapylony gaz wprowadzany jest w intensywny ruch wirowy wokół osi równoległych do tworzących stożka. Wiry te przemieszczają się w szczelinie ruchem precesyjnym w kierunku zwiększającego się promienia wirnika, przy czym w wyniku wzrastającej prędkości obwodowej wirnika zwiększa się kręt wirów gazu. Różnica między prędkością obwodową wirnika a prędkością cząstek pyłu w zewnętrznych strefach wirów powoduje, że cząstki pyłu wpadają poprzez podłużne szczeliny do wnętrza wirnika, z którego następnie opadają do zbiornika. W przedstawionym rozwiązaniu wylot z odpylacza wirnikowego, z którego to pyły opadają do zbiornika, umiejscowiony jest na końcu płaskiej powierzchni stożka, przez co pył częściowo odbija się od ścianek odpylacza i wraca ponownie do głó wnej komory odpylacza. W związku z tym do zbiornika trafia tylko niewielka część pyłu.

Z kolei z opisu patentowego PL 137 756 B2 znany jest odpylacz cyklonowy do odpylania powietrza i gazów. Cytowany odpylacz cyklonowy posiada przestrzeń zawirowania wyposażoną w łopatki kierujące, które są usytuowane pod narastającym kątem nachylenia do wzdłużnej osi symetrii przestrzeni zawirowania. Dolna część przestrzeni zawirowania połączona jest z komorą pyłową poprzez górną komorę separacji, która ma kształt stożka. Przewód odlotowy gazów oczyszczonych usytuowany jest w komorze pyłowej, przy czym jego wlot umieszczony jest na wysokości połączenia górnej komory separacji z komorą pyłową, a wylot w bocznej ściance komory pyłowej. Podczas pracy zapylony gaz, doprowadzony do przestrzeni zawirowania, trafia na łopatki kierujące o narastającym kącie nachylenia i ulega działaniu narastających sił odśrodkowych, przez co nie następuje uderzenie sił odśrodkowych, lecz stałe działanie wymuszające stałe przyspieszenie odśrodkowe. Pozwoliło to na uzyskanie większej skuteczności działania, szczególnie przy małych wymiarach ziaren pyłu, przy jednocześnie bardzo niskich stratach energetycznych. W przypadku drobnych pyłów sprawność przedstawionego urządzenia jest wciąż niewystarczająca. Dodatkowo, przy dużych wymiarach ziaren pyłu nie uzyskano poprawy odpylania.

W europejskim patencie EP0250046B1 ujawniono urządzenie do oddzielania fazy stałej i fazy płynnej, mającego postać poziomego, podłużnego oddzielacza cyklonowego posiadającego nachyloną szczelinę zrzutową dla cząstek stałych, która przenosi fazę stałą poprzez podstawowe oddzielanie masowe z reaktora w części początkowej oddzielacza cyklonowego do przewodu opadowego, wyposażonego w urządzenie rozdzielające zapewniające funkcję rozdzielania. Poziomy, podłużny oddzielacz cyklonowy charakteryzuje się konstrukcją zapewniającą wydłużoną spiralną ścieżkę przepływu fazy gazowej, z niewielką ilością cząstek stałych, z jednego końca oddzielacza cyklonowego do przewodu odbierającego, w celu rozdzielenia niewielkiej ilości fazy stałej od fazy płynnej poprzez wtórne oddzielanie

PL 231 752 B1 odśrodkowe. Niewielka część fazy stałej jest następnie przekazywana, poprzez pionowy przewód opadowy łączący urządzenie rozdzielające i dolną część poziomego, podłużnego oddzielacza cyklonowego, do urządzenia rozdzielającego zapewniającego funkcję rozdzielania. Całe urządzenie oddzielające jest tak skonstruowane, że stosunek stycznej prędkości płynu w górnej i dolnej części komory reakcyjnej do powierzchniowej prędkości osiowej płynu w całym przekroju przewodu odbierającego jest większy od 0,2, co zapewnia tworzenie się wiru w podłużnym poziomym oddzielaczu cyklonowym.

Z polskiego patentu PL 146 110 B1 znany jest cyklon z wymuszoną prędkością wirowania strugi gazu, który zbudowany jest z komory wlotowej zaopatrzonej w króciec wlotowy gazu. Boczne ścianki komory wlotowej są ukształtowane spiralnie, przez co zawężają stopniowo przekrój poprzeczny strugi gazowej. Komora wejściowa połączona jest z komorą wirowania, której górna część ma kształt cylindryczny, a dolna stożkowy. Wewnątrz cyklonu zainstalowana jest rura środkowa zakończona od góry króćcem wylotowym gazu, umieszczonym na komorze wejściowej. Wnętrze cylindrycznej części komory wirowania wypełnione jest ślimacznicą, która ogranicza przekrój strugi gazowej. Wielkość skoku ślimacznicy jest tak dobrana, aby przepływający gaz w każdym miejscu miał prędkość równą prędkości w króćcu wlotowym. Pomiędzy krawędzią ślimacznicy a płaszczem komory wirowania jest wąska szczelina dla pyłów. Dolna część rury środkowej zbudowana jest z szeregu cylindrów o coraz mniejszej średnicy, częściowo koncentrycznie na siebie nałożonych tworzących stożek skierowany wierzchołkiem ku dołowi. Cylindry zaopatrzone są w skośne łopatki, które wymuszają ruch wirowy gazu ze stałą prędkością. W prześwitach między kolejnymi cylindrami zamocowane są łopatki równolegle do osi rury. Łopatki te zamieniają ruch wirowy gazu w ruch prostoliniowy skierowany wzdłuż rury środkowej. Komora wirowa zakończona jest króćcem spustowym dla wydzielonego pyłu.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest uzyskanie cyklonu poprzecznego, pracującego w konfiguracji horyzontalnej, pozwalającego na uzyskanie lepiej oczyszczonego powietrza w krótszym czasie oraz poprawiającego sprawność systemu filtrującego. Co więcej, istotne jest również zapewnienie wysokiej sprawności oddzielania dla szerokiego zakresu rozmiarów ziaren pyłu, jak również dla dużego zakresu masy zanieczyszczeń w oddzielanym gazie. Pożądane jest również by cyklon poprzeczny, posiadający wyżej wymienione cechy, stawiał jednocześnie mniejszy opór przepływowi gazu. Nieoczekiwanie wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest cyklon poprzeczny do odpylania gazu, oddzielający fazę stałą od fazy gazowej zabrudzonego gazu, zawierający cylindryczny króciec wlotowy połączony z komorą wlotową, która połączona jest z cylindryczną komorą wirowania, drugą komorą wirowania oraz komorą wylotową, wyposażoną na dystalnym końcu w skrzynię zrzutową oddzielonej fazy stałej, przy czym w komorze wirowania, drugiej komorze wirowania oraz komorze wylotowej umieszczony jest współosiowo cylinder środkowy, który na dystalnym końcu posiada króciec wylotowy współosiowy z króćcem wlotowym, zaś pierścieniową przestrzeń pomiędzy powierzchnią zewnętrzną cylindra środkowego a powierzchnią komory wylotowej wypełnia ślimacznica, przy czym w komorze wlotowej umieszczona jest kierownica wirowa zabrudzonego gazu, charakteryzujący się tym, że na proksymalnym końcu cylindra środkowego znajduje się wymienny teleskopowy pierścień redukcyjny, zamocowany pod kątem β względem cylindra środkowego. W korzystnej realizacji wynalazku kąt β zawiera się w przedziale od 150° do 210°. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku kierownica wirowa zawiera łopaty kierownicy wirowej i jest zakończona stożkiem stabilizującym. W następnej korzystnej realizacji wynalazku komora wylotowa posiada stożkowy dystalny koniec. Korzystnie, komora wlotowa posiada stożkowy proksymalny koniec i cylindryczny dystalny koniec. Jeszcze korzystniej, części łopat kierownicy wirowej osadzone są w komorze wlotowej, a stożek stabilizujący znajduje się w komorze wirowania. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku ślimacznica o strukturze helikalnej wypełnia przestrzeń między zewnętrzną powierzchnią cylindra środkowego a wewnętrzną powierzchnią komory wylotowej. W następnej korzystnej realizacji wynalazku na dystalnym końcu cylindra środkowego znajdują się obwodowo rozmieszczone otwory rozprężne.

Cyklon poprzeczny według niniejszego wynalazku, dzięki specjalnej konstrukcji kierownicy wirowej w komorze wirowej, pozwala lepiej rozbić strugę wpływającego gazu na strugę wewnętrzną i strugę zewnętrzną. Komora wirowania jest tak skonstruowana, że w każdym jej obszarze struga jest ograniczona spiralą i nie może rozprzestrzeniać się promieniowo na zewnątrz pod wpływem różnicy ciśnień na wlocie i wylocie cyklonu poprzecznego. Na proksymalnym końcu cylindra środkowego zastosowano wymienny teleskopowy pierścień redukcyjny, który wraz z cylindrem środkowym, zastosowaną na nim ślimacznicą oraz otworami rozprężnymi wymusza dłuższe przebywanie gazu w komorze wirowej, co

PL 231 752 B1 stwarza dodatkowy opór aerodynamiczny i w efekcie lepszą filtrację. Dzięki takiej konstrukcji cyklonu poprzecznego możliwe jest wytrącenie większej ilości zanieczyszczeń w porównaniu do rozwiązań znanych ze stanu techniki. Co więcej, możliwość zmiany długości cylindra środkowego, poprzez wydłużenie bądź skrócenie wymiennego teleskopowego pierścienia redukcyjnego, zwiększa uniwersalność urządzenia, pozwalając na dostosowanie konstrukcji układu odpylania do określonych zanieczyszczeń. Wymienność tego elementu pozwala z kolei na zmianę kąta pierścienia redukcyjnego, co również ma istotne znaczenie w efektywności odpylania danego rodzaju zanieczyszczeń. Dodatkową zaletą urządzenia według wynalazku jest zapewnienie mniejszej ścieralności przewodów odpylających wchodzących w skład instalacji transportowej, tj. rur, kolanek za cyklonem, jak również samego cyklonu poprzecznego. Konstrukcja cyklonu poprzecznego umożliwia budowę mniejszych filtrów, a tym samym tańszych systemów filtracyjnych, dzięki zapewnieniu większej sprawności pojedynczego cyklonu poprzecznego. W niektórych przypadkach i rodzajach zanieczyszczeń, tj. przy cięższych cząstkach zanieczyszczeń, takich jak zrębki z rębaka czy wióra mokrego z tartaku, możliwe jest nawet wyeliminowanie filtrów. Co więcej, cyklon poprzeczny pozwala wyeliminować częste awarie powodowane dużą ilością transportowanego materiału, a przy okazji zapewnia oszczędność energii zużywanej na transport dużej ilości zanieczyszczeń w powietrzu. Dodatkowo, cyklon poprzeczny posiada wymienione wyżej zalety przy zmniejszonym oporze przepływu gazu.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny widok z boku cyklonu poprzecznego, według jednego przykładu realizacji niniejszego wynalazku, natomiast fig. 2 przedstawia konstrukcję kierownicy wirowej w widoku aksonometrycznym.

P r z y k ł a d

Cyklon poprzeczny według jednego przykładu realizacji wynalazku został przedstawiony schematycznie w widoku z boku na fig. 1. Cyklon poprzeczny posiada konstrukcję poziomą i służy do wymuszenia zawirowania strugi zanieczyszczonego pyłem gazu poddawanego rozdzielaniu. Cyklon do zawirowania strugi posiada króciec wlotowy 2 o kształcie cylindrycznym, połączony z komorą wlotową 1. Komora wlotowa 1 ma w pierwszym obszarze kształt stożkowy, a dalej kształt cylindryczny, którym to łączy się z komorą wirowania 5. W dalszej części cyklonu poprzecznego komora wirowania 5 połączona jest z drugą komorą wirowania 6 oraz z komorą wylotową 8. Komora wylotowa 8 ma kształt cylindryczny od strony wlotowej cyklonu poprzecznego i kształt stożkowy od strony wylotowej cyklonu. Na dystalnym końcu komora wylotowa 8 łączy się ze skrzynią zrzutową 12 zwieńczoną kołnierzem 13. Wewnątrz komory wlotowej 1 umieszczony jest wspornik 3, stanowiący część konstrukcyjną np. w postaci krzyżaka, zabezpieczający kierownicę wirową 4 przed dużymi kawałkami zanieczyszczeń np. deskami, które znalazły się w instalacji transportowej. Wewnątrz komory wlotowej 1 znajduje się specjalnie wykonana kierownica wirowa 4, służąca do rozbicia strugi powietrza na strugę wewnętrzną i strugę zewnętrzną. Konstrukcja kierownicy wirowej 4 została przedstawiona na fig. 2 w widoku aksonometrycznym. Kierownica wirowa 4 składa się z rdzenia, z którego promieniowo na zewnątrz rozchodzą się łopaty kierownicy wirowej, przy czym każda łopata składa się, odpowiednio od strony wlotowej, z pierwszej części łopaty kierownicy wirowej 4a, drugiej części łopaty kierownicy wirowej 4b i trzeciej części łopaty kierownicy wirowej 4c. Pierwsza część łopaty kierownicy wirowej 4a powoduje podzielenie strugi gazu na równe części. Pierwsza część łopaty kierownicy wirowej 4a nie ma profilu śrubowego, a jej zadanie ogranicza się do rozbicia strug powietrza i ich „uspokojenia”, wywołując przy tym jak najmniejszy opór. Druga część łopaty kierownicy wirowej 4b powoduje zasadniczą zmianę kierunku przepływu powstałej porcji strugi powietrza, przez co wprowadza strugę w ruch wirowy. Siła zawirowania regulowana jest kątem pochylenia, który wzrasta wraz z odległością. Trzecia część łopaty kierownicy wirowej 4c to element zakończeniowy, który ma za zadanie ustabilizować kierunek strugi zanieczyszczonego powietrza. Kierownica wirowa 4 zakończona jest od strony dystalnej stożkiem stabilizującym 4d strumień przepływającego gazu. Specjalista w dziedzinie będzie zdawał sobie sprawę, że długość, wysokość oraz kształt każdej z części łopat kierownicy wirowej 4a, 4b, 4c, jak również ich kąt nachylenia oraz chropowatość powierzchni, mają wpływ na sprawność urządzenia. Zgodnie z tym, każda z części łopat kierownicy wirowej 4a, 4b i 4c ma tak dobrany swój kształt i długość, aby wprowadzić odpylany gaz w jak najintensywniejszy ruch wirowy. Ilość łopat kierownicy wirowej pozwala regulować ilość strumieni zanieczyszczonego powietrza, tworząc mniejsze lub większe porcje materiału. Im większy cyklon i większa średnica instalacji, tym większa ilość łopat kierownicy wirowej.

W komorze wirowania 5, drugiej komorze wirowania 6 oraz w komorze wylotowej 8 umieszczony jest, zasadniczo współosiowo, cylinder środkowy 9 połączony na dystalnym końcu z króćcem wylotowym 11. Przednia część cylindra środkowego 9 połączona jest z wymiennym teleskopowym

PL 231 752 B1 pierścieniem redukcyjnym 10 (który może składać się z kilku elementów). We wnętrzu komory wylotowej 8 umieszczona jest ślimacznica 7, która wypełnia przestrzeń pomiędzy zewnętrzną powierzchnią cylindra środkowego 9 a wewnętrzną powierzchnią komory wylotowej 8. Ślimacznica 7 s tanowi strukturę helikalną, która wykonuje obrót wokół cylindra środkowego 9. Wymienny teleskopowy pierścień redukcyjny 10, przymocowany pod kątem β do cylindra środkowego 9, wraz z cylindrem środkowym 9 oraz otworami rozprężnymi 14,wykonanymi na obwodzie dystalnego końca cylindra środkowego 9, pozwalają na zmniejszenie podciśnień w układzie i zapobiegają odkładaniu się materiału, co w efekcie poprawia efektywność odpylania dla danego rodzaju zanieczyszczeń. Kąt β dobiera się w zależności od rodzaju materiału zanieczyszczeń, poprzez wymianę teleskopowego pierścienia redukcyjnego 10. Zauważono, że im większy kąt β tym lepsze oddzielanie lekkich pyłów, natomiast im mniejsza odległość proksymalnego końca cylindra środkowego 9 od kierownicy wirowej 4, tym lepsze oddzielenie drobnych pyłów. Zmianę tej odległość umożliwia z kolei teleskopowa konstrukcja wymiennego pierścienia redukcyjnego 10.

W trakcie pracy zapylony gaz wpływa osiowo do cyklonu poprzecznego przez króciec wlotowy 2. W trakcie przepływu przez komorę wlotową 1, z umieszczoną wewnątrz kierownicą wirową 4, wywoływane jest rozbicie napływającego gazu na strugę wewnętrzną i strugę zewnętrzną, przy czym struga zewnętrzna wprowadzana jest w ruch spiralny, przez co ziarna pyłu zawarte w zabrudzonym gazie przemieszczają się pod wpływem siły bezwładności ku ściankom zewnętrznym komory wirowania 5. Struga wewnętrzna natomiast wpływa przez wymienny teleskopowy pierścień redukcyjny 10 do cylindra środkowego 9 i jako pozbawiona zanieczyszczeń wypływa przez króciec wylotowy 12 z cyklonu poprzecznego. Struga zewnętrzna przepływa przez komorę wirowania 5 i dalej przez drugą komorę wirowania 6 i komorę wylotową 8, przy czym w komorze wylotowej 8 umieszczona jest ślimacznica 7, która powoduje, że odpylany gaz wykonuje obrót wokół cylindra środkowego 9, przez co zwiększeniu ulega oddziaływanie z powierzchnią wewnętrzną komory wylotowej 8, a w efekcie zwiększa się sprawność odpylania. Oddzielone cząstki stałe, które wyhamowują w komorze wylotowej 8, spadają przez skrzynię zrzutową 12 do przyłączonego zbiornika na odpady. Przedstawiona konstrukcja cyklonu poprzecznego, zapewniając poprawione właściwości filtracyjne, wywołuje jednocześnie mniejszy opór w porównaniu z rozwiązaniami znanymi ze stanu techniki. Opór przepływu, wyrażony w paskalach, rozwiązania według niniejszego wynalazku wynosi od 500 Pa do 600 Pa, co jest wartością zdecydowanie niższą od wartości uzyskiwanej w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki, gdzie przy podobnych parametrach geometrycznych cyklony posiadały opór przekraczający 1000 Pa.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (8)

1. Cyklon poprzeczny do odpylania gazu, oddzielający fazę stałą od fazy gazowej zabrudzonego gazu, zawierający cylindryczny króciec wlotowy (2) połączony z komorą wlotową (1), która połączona jest z cylindryczną komorą wirowania (5), drugą komorą wirowania (6) oraz komorą wylotową (8), wyposażoną na dystalnym końcu w skrzynię zrzutową (12) oddzielonej fazy stałej, przy czym w komorze wirowania (5), drugiej komorze wirowania (6) oraz komorze wylotowej (8) umieszczony jest współosiowo cylinder środkowy (9), który na dystalnym końcu posiada króciec wylotowy (11) współosiowy z króćcem wlotowym (2), zaś pierścieniową przestrzeń pomiędzy powierzchnią zewnętrzną cylindra środkowego (9) a powierzchnią komory wylotowej (8) wypełnia ślimacznica (7), przy czym w komorze wlotowej (1) umieszczona jest kierownica wirowa (4) zabrudzonego gazu, znamienny tym, że na proksymalnym końcu cylindra środkowego (9) znajduje się wymienny teleskopowy pierścień redukcyjny (10), zam ocowany pod kątem β względem cylindra środkowego (9).

2. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt β zawiera się w przedziale od 150° do 210°.

3. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że kierownica wirowa (4) zawiera łopaty kierownicy wirowej i jest zakończona stożkiem stabilizującym (4d).

4. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wylotowa (8) posiada stożkowy dystalny koniec.

5. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wlotowa (1) posiada stożkowy proksymalny koniec i cylindryczny dystalny koniec.

PL 231 752 Β1

6. Cyklon poprzeczny według zastrz. 3, znamienny tym, że części łopat (4a), (4b), (4c) kierownicy wirowej (4) osadzone są w komorze wlotowej (1), a stożek stabilizujący (4d) znajduje się w komorze wirowania (5).

7. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że ślimacznica (7) ma strukturę helikalną i wypełnia przestrzeń między zewnętrzną powierzchnią cylindra środkowego (9) a wewnętrzną powierzchnią komory wylotowej (8).

8. Cyklon poprzeczny według zastrz. 1, znamienny tym, że na dystalnym końcu cylindra środkowego (9) znajdują się obwodowo rozmieszczone otwory rozprężne (14).

Rysunki