RU2116120C1

RU2116120C1 - Cyclone

Info

Publication number: RU2116120C1
Application number: RU97113572A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Балалаев; А.Г. Тюрин
Original assignee: Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: cleaning of compressed air or gas. SUBSTANCE: cyclone body has upper shell with inlet pipe connection and tangential nozzle inlet and lower shell of larger diameter. Whirling chamber is formed by internal cavity of tangential nozzle inlet. Chamber-collector is positioned above tangential nozzle inlet. Acoustic oscillation receiver is arranged in area of minimum section of tangential nozzle inlet. Receiver is made as resonator cavity. It communicates with cavity of tangential nozzle inlet through narrow slit and has acoustic coupling with chamber-collector through opening made in wall. Openings made in wall couple chamber-collector with whirling chamber and have diameter and length which tune cyclone cavity to resonance with chamber-collector. Axial outlet pipe is coupled to wall and is capable of vertical motion. Receiver of acoustic oscillations has acoustic coupling with acoustic electrical transducer which is connected electrically in series with frequency wide-band filter, electric signal amplifier and electroacoustic transducer. EFFECT: higher degree of compressed air cleaning. 2 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам очистки сжатого воздуха или газа от влаги, масла и механических примесей. The invention relates to a device for cleaning compressed air or gas from moisture, oil and mechanical impurities.

Известны противоточные циклоны, у которых камера сепарации сопряжена с радиально-щелевым диффузором. В этом случае разворот газового потока происходит после восстановления давления в диффузоре и снижения уровня тангенциальной составляющей скорости, что уменьшает гидропотери, связанные с разворотом газового потока (SU 1472137, 15.04.89, SU 1526839 07.12.89). Countercurrent cyclones are known in which the separation chamber is coupled to a radial slot diffuser. In this case, the gas flow reversal occurs after the pressure in the diffuser is restored and the tangential velocity component decreases, which reduces the water loss associated with the gas flow reversal (SU 1472137, 04.15.89, SU 1526839 07.12.89).

Однако при снижении тангенциальной скорости уменьшаются центробежные силы и степень сепарации влаги и механических примесей. However, with a decrease in tangential velocity, centrifugal forces and the degree of separation of moisture and solids decrease.

Данного недостатка лишен циклон, у которого корпус состоит из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, а осевая отводящая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней. В этом случае восстановление давления газового потока перед его разворотом происходит в сферическом диффузоре, где возникают дополнительные центробежные силы при обтекании потоком сферических стенок (SU 1766526, 07.10.92). This drawback is deprived of a cyclone, in which the housing consists of an upper shell with an inlet fitting and a tangential nozzle inlet and a lower shell of a larger diameter, interconnected by an external spherical wall, and the axial outlet pipe has an inner spherical wall at the lower end that is equidistant to the external. In this case, the pressure recovery of the gas stream before its rotation takes place in a spherical diffuser, where additional centrifugal forces arise when the stream flows around the spherical walls (SU 1766526, 07.10.92).

В описанном циклоне происходит некоторое снижение температуры точки росы сжатого газа, которое объясняется уменьшением статической температуры газового потока в камере сепарации. Однако этот эффект незначителен. In the described cyclone, a certain decrease in the temperature of the dew point of the compressed gas occurs, which is explained by a decrease in the static temperature of the gas stream in the separation chamber. However, this effect is negligible.

Известен также циклон, у которого осевая отводящая труба имеет на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней сферической стенке и переходящую в тороидальную поверхность меньшего радиуса кривизны, камера закручивания образована внутренней полостью тангенциального соплового ввода, а камера-сборник отделена от камеры закручивания стенкой, сообщается с ней отверстиями и совмещена с верхним концом осевой трубы (SU 2071839, 20.01.97). A cyclone is also known in which the axial outlet pipe has an inner spherical wall at the lower end, equidistant to the outer spherical wall and turning into a toroidal surface of a smaller radius of curvature, a swirl chamber is formed by an internal cavity of the tangential nozzle inlet, and the collection chamber is separated from the swirl chamber by a wall, it is reported with holes and combined with the upper end of the axial pipe (SU 2071839, 01.20.97).

В данном циклоне камера-сборник является резонатором, индуцирующим в камеру закручивания акустические колебания, способствующие конденсации влаги, каплеобразованию, коагуляции твердых частиц и, как следствие, повышению качества очистки. Однако мощность акустических колебаний в данном случае невелика, поэтому снижение температуры точки росы, вызванное колебаниями, составляет всего 2 - 3^o, т.е. снижение влагосодержания очищаемого газа невелико.In this cyclone, the collection chamber is a resonator that induces acoustic vibrations into the swirl chamber, which contribute to moisture condensation, droplet formation, coagulation of solid particles and, as a result, to improve the quality of cleaning. However, the power of acoustic vibrations in this case is small, therefore, the dew point temperature decrease caused by fluctuations is only 2 - 3 ^o , i.e. the reduction in moisture content of the gas being purified is small.

Целью изобретения является повышение степени очистки сжатого воздуха за счет создания в полости циклона акустического резонанса и снижения температуры точки росы. The aim of the invention is to increase the degree of purification of compressed air by creating acoustic resonance in the cyclone cavity and lowering the dew point temperature.

Поставленная цель достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус, состоящий из верхней обечайки с подводящим штуцером и тангенциальным сопловым вводом и нижней обечайки большего диаметра, соединенных между собой внешней сферической стенкой, осевую отводящую трубу, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку, эквидистантную внешней и переходящую в тороидальную поверхность, камеру закручивания, образованную внутренней полостью тангенциального соплового ввода, выходной штуцер и камеру-сборник, расположенную над тангенциальным сопловым вводом, отделенную от камеры закручивания стенкой и сообщающуюся с ней отверстиями, в области минимального сечения тангенциального соплового ввода дополнительно размещен приемник акустических колебаний, который выполнен в виде резонаторной полости, сообщается с полостью тангенциального соплового ввода узкой щелью и имеет с камерой-сборником акустическую связь в виде отверстия в стенке, а отверстия в стенке, сообщающие камеру-сборник с камерой закручивания, имеют диаметр и длину, настраивающие полость циклона в резонанс с камерой-сборником, осевая отводящая труба соединена со стенкой с возможностью вертикального перемещения и изменения зазора между ней и выходным штуцером, приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустико-электрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов, питающимся от внешнего источника электрического тока, и электроакустическим преобразователем, а последний из них совмещен акустической связью с камерой закручивания. This goal is achieved by the fact that in a cyclone containing a housing consisting of an upper shell with an inlet fitting and a tangential nozzle inlet and a lower shell of a larger diameter interconnected by an external spherical wall, an axial outlet pipe having an inner spherical wall at the lower end that is equidistant to the external and turning into a toroidal surface, a swirl chamber formed by the internal cavity of the tangential nozzle inlet, an outlet fitting and a collection chamber located above the tangential The acoustic nozzle, which is made in the form of a resonator cavity, communicates with the tangential nozzle input cavity with a narrow gap and has an acoustic chamber with a collection chamber, is placed in the region of the minimum cross section of the tangential nozzle inlet by a nozzle inlet, which is separated from the swirling chamber by a wall and communicates with the holes therein. the connection is in the form of a hole in the wall, and the holes in the wall communicating the collection chamber with the swirling chamber have a diameter and a length that adjust the cyclone cavity to resonance with a collection chamber, an axial outlet pipe is connected to the wall with the possibility of vertical movement and a change in the gap between it and the output fitting, the acoustic vibration receiver is connected by acoustic coupling to an acoustic-electric converter, which is connected in series by electrical coupling to a broadband frequency filter, an electric signal amplifier, powered by an external source of electric current, and an electro-acoustic transducer, and the last of them is combined by acoustic communication with the camera screwing.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что в стенке, отделяющей камеру-сборник от камеры закручивания, в области минимального сечения тангенциального соплового ввода размещен приемник акустических колебаний, который сообщается с камерой-сборником акустической связью, а отверстия в стенке имеют такие диаметры и длины, которые настраивают внутреннюю полость циклона в резонанс с камерой-сборником. Кроме того, приемник акустических колебаний связан акустической связью с акустико-электрическим преобразователем, который последовательно соединен электрической связью с широкополосным фильтром частот, усилителем электрических сигналов, питающимся от внешнего источника электрического тока, и электроакустическим преобразователем, а последний из них совмещен акустической связью с камерой закручивания. The proposed technical solution differs from the prototype in that in the wall separating the collection chamber from the swirling chamber, in the region of the minimum cross section of the tangential nozzle input, an acoustic oscillation receiver is placed which communicates with the collection chamber by acoustic coupling, and the holes in the wall have such diameters and lengths which adjust the inner cavity of the cyclone in resonance with the collection chamber. In addition, the receiver of acoustic vibrations is connected by acoustic communication with an acousto-electric transducer, which is serially connected by electrical communication with a broadband frequency filter, an electric signal amplifier powered by an external electric current source, and an electro-acoustic transducer, and the last of them is combined by acoustic coupling with a swirling chamber .

Таким образом, наличие в предложенной конструкции новых элементов доказывает соответствие предложенного технического решения критерию "новизна". Thus, the presence of new elements in the proposed design proves that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

В конструкции прототипа обтекание закрученным потоком воздуха выпуклой сферической поверхности, расположенной на нижнем конце осевой трубы, приводит к отрыву потока в некоторой точке. Причем точка отрыва потока может перемещаться из-за неустойчивости процесса отрыва. Изменение положения точки отрыва потока с криволинейной поверхности приводит к возникновению и поддерживанию акустических колебаний в потоке, которые способствуют конденсации влаги и коагуляции твердых частиц, что повышает степень очистки данного циклона. Камера-сборник в конструкции прототипа может служить резонатором и способствует росту амплитуды акустических колебаний в полости циклона - прототипа. Новые элементы предложенного устройства: приемник акустических колебаний, имеющий акустическую связь с камерой-сборником, и отверстия определенного диаметра и длины, настраивающие внутреннюю полость циклона в резонанс с камерой-сборником, позволяют использовать акустическую энергию потока, имеющего в месте расположения приемника акустических колебаний наибольшую скорость и, следовательно, наибольшую кинетическую энергию, для создания в камере-сборнике и в полости циклона акустических колебаний большей интенсивности, чем в прототипе. In the design of the prototype, a swirling flow of air around a convex spherical surface located at the lower end of the axial tube leads to a separation of the flow at some point. Moreover, the point of separation of the flow can move due to the instability of the separation process. Changing the position of the point of separation of the flow from a curved surface leads to the emergence and maintenance of acoustic vibrations in the flow, which contribute to the condensation of moisture and coagulation of solid particles, which increases the degree of purification of this cyclone. The collection chamber in the design of the prototype can serve as a resonator and contributes to the increase in the amplitude of acoustic vibrations in the cavity of the cyclone - the prototype. New elements of the proposed device: the acoustic vibration receiver, which has an acoustic connection with the collection chamber, and the holes of a certain diameter and length, which adjust the internal cavity of the cyclone in resonance with the collection chamber, make it possible to use the acoustic energy of the flow that has the highest speed and, therefore, the greatest kinetic energy, to create in the collection chamber and in the cyclone cavity acoustic vibrations of greater intensity than in the prototype e.

Наличие в предложенном устройстве широкополосного фильтра и усилителя электрических колебаний позволяет изменять частоту и интенсивность акустических колебаний, передающихся в камеру закручивания циклона, настраивать их оптимальным образом с целью увеличения конденсации влаги, коагуляции твердых частиц и повышения, в конечном итоге, степени очистки циклона. The presence in the proposed device of a broadband filter and an amplifier of electrical vibrations allows you to change the frequency and intensity of acoustic vibrations transmitted to the cyclone swirl chamber, adjust them optimally in order to increase moisture condensation, coagulation of solid particles and ultimately increase the degree of purification of the cyclone.

Таким образом, применение новых элементов в сочетании с известными элементами приводит к снижению температуры точки росы и повышению степени очистки циклона, что обуславливает полезность отличий предложенного технического решения. Thus, the use of new elements in combination with known elements leads to a decrease in dew point temperature and an increase in the degree of purification of the cyclone, which determines the usefulness of the differences in the proposed technical solution.

Отличительные признаки в своей совокупности не были выявлены в других технических решениях в данной области техники, они являются необходимыми и достаточными для достижения поставленной цели, то есть повышения степени очистки сжатого газа. Distinctive features in their totality were not identified in other technical solutions in this technical field, they are necessary and sufficient to achieve the goal, that is, to increase the degree of purification of compressed gas.

На фиг. 1 показан продольный разрез предложенного циклона; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 показаны элементы конструкции по п. 2 формулы изобретения. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the proposed cyclone; in FIG. 2 is a section AA of FIG. one; in FIG. 3 is a section BB of FIG. 2; in FIG. 4 shows the structural elements of claim 2.

Циклон содержит штуцер 1 подвода сжатого газа, тангенциальный сопловый ввод 2, камеру 3 закручивания, верхнюю 4 и нижнюю 5 обечайки, соединенные внешней сферической стенкой 6, осевую отводящую трубу 7, имеющую на нижнем конце внутреннюю сферическую стенку 8, переходящую в половину тора 9 с отверстием 10 для отвода жидкости, патрубок 11 для удаления масла, влаги и твердых частиц, выходной штуцер 12, камеру-сборник 13 с торцовой стенкой 14, имеющей отверстия 15, приемник 16 акустических колебаний, выполненный в виде резонаторной полости, размещенный в области минимального сечения тангенциального соплового ввода и сообщающийся с полостью тангенциального соплового ввода 2 узкой целью 17, а с камерой-сборником 13 - акустической связью, выполненной в виде отверстия 18. The cyclone contains a nozzle 1 for supplying compressed gas, a tangential nozzle inlet 2, a swirl chamber 3, an upper 4 and a lower 5 shell, connected by an external spherical wall 6, an axial outlet pipe 7 having an inner spherical wall 8 at the lower end that passes into a half of the torus 9 s a hole 10 for draining liquid, a pipe 11 for removing oil, moisture and solid particles, an outlet fitting 12, a collection chamber 13 with an end wall 14 having openings 15, a receiver 16 of acoustic vibrations made in the form of a resonator cavity, placed in the region STI minimum cross section of a tangential entry nozzle and communicating with the cavity 2 of the tangential entry nozzle 17 narrow purpose, and with collecting chamber 13 - acoustic communication performed in the form of holes 18.

Кроме того, в циклоне размещен в камере-сборнике 13 акустико-электрический преобразователь 19, соединенный акустической связью с приемником 16, а электрической связью - с находящимися вне циклона широкополосным фильтром 20 и усилителем 21, а также электроакустическим преобразователем 22, причем последний совмещен акустической связью с камерой 3 закручивания. In addition, in the cyclone, an acoustic-electric transducer 19 is placed in the collection chamber 13, which is connected by an acoustic connection to the receiver 16, and by an electric communication with a broadband filter 20 and an amplifier 21 located outside the cyclone, as well as an electro-acoustic transducer 22, the latter being combined with an acoustic coupling with camera 3 swirling.

Циклон работает следующим образом. The cyclone works as follows.

Сжатый воздух или газ поступает через штуцер 1 и тангенциальный сопловый ввод 2 в камеру 3 закручивания, где приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил частицы масла, воды и механических примесей отбрасываются на поверхность обечайки 4, сферической стенки 6 и обечайки 5, откуда удаляются через патрубок 11. Обтекание потоком газа выпуклых криволинейных поверхностей 8 и 9 сопровождается отрывом потока под действием вторичного центробежного эффекта. Из-за неустойчивости процесса отрыва его место периодически меняет свое положение, что вызывает акустические колебания с собственной частотой циклона. Акустические колебания, совершаемые поперек вращающегося газового потока, приводят к каплеобразованию влаги и коагуляции твердых частиц, что повышает степень очистки циклона. Для усиления акустического воздействия на газовый поток на имеющееся акустическое поле накладываются колебания, индуцированные в камере-сборнике 13 с помощью приемника акустических колебаний 16. Приемник 16 расположен в области минимального проходного сечения тангенциального соплового ввода 2, где скорость газового потока максимальна. Поэтому в резонаторной полости приемника 16 образуются колебания высокой интенсивности, которые передаются через отверстие 18, являющееся акустической связью, в камеру-сборник 13, откуда через отверстия 15 передаются в камеру 3 закручивания. Осевая отводящая труба 7 соединена со стенкой 14 с возможностью вертикального перемещения и изменения зазора между трубой 7 и выходным штуцером 12, что позволяет регулировать собственную частоту камеры-сборника 13 при изменении зазора. Подбирая диаметр и длину отверстий 15, а также изменяя зазор между трубой 7 и выходным штуцером 12, колебания, индуцируемые камерой-сборником 13 в камеру 3 закручивания, настраиваются на оптимальную частоту, например на частоту собственных колебаний циклона или близкую к ней. Наложенные акустические поля интенсифицируют процесс каплеобразования, что приводит к конденсации влаги из газового потока, к снижению температуры точки росы и, как следствие, к повышению степени очистки циклона. Compressed air or gas enters through the nozzle 1 and the tangential nozzle inlet 2 into the swirl chamber 3, where it acquires a rotational movement. Under the action of centrifugal forces, particles of oil, water and mechanical impurities are thrown onto the surface of the shell 4, the spherical wall 6 and the shell 5, from where they are removed through the pipe 11. The flow of gas around the convex curved surfaces 8 and 9 is accompanied by a separation of the flow under the action of the secondary centrifugal effect. Due to the instability of the separation process, its place periodically changes its position, which causes acoustic vibrations with the natural frequency of the cyclone. Acoustic vibrations perpendicular to the rotating gas flow lead to droplet formation of moisture and coagulation of solid particles, which increases the degree of purification of the cyclone. To enhance the acoustic effect on the gas stream, the vibrations induced in the collection chamber 13 with the aid of the acoustic vibration receiver 16 are superimposed on the existing acoustic field 16. The receiver 16 is located in the region of the minimum passage section of the tangential nozzle inlet 2, where the gas flow velocity is maximum. Therefore, in the resonator cavity of the receiver 16, high-intensity oscillations are generated, which are transmitted through the hole 18, which is an acoustic coupling, to the collection chamber 13, from where they are transmitted through the holes 15 to the swirl chamber 3. The axial outlet pipe 7 is connected to the wall 14 with the possibility of vertical movement and change of the gap between the pipe 7 and the output fitting 12, which allows you to adjust the natural frequency of the collection chamber 13 when changing the gap. Selecting the diameter and length of the holes 15, as well as changing the gap between the pipe 7 and the outlet fitting 12, the vibrations induced by the collection chamber 13 into the swirl chamber 3 are tuned to the optimal frequency, for example, or close to the natural frequency of the cyclone. The superimposed acoustic fields intensify the process of droplet formation, which leads to condensation of moisture from the gas stream, to a decrease in the dew point temperature and, as a result, to an increase in the degree of purification of the cyclone.

Акустико-электрический преобразователь 19 преобразует акустические колебания, получаемые от приемника 16, в электрические колебания, которые, проходя через фильтр 20, изменяют частоту, проходя через усилитель электрических колебаний 21, усиливаются от внешнего источника электрического тока и поступают в электроакустический преобразователь 22, где преобразуются в акустические колебания определенной частоты и интенсивности, оптимальные для каплеобразования в циклоне, и затем передаются в камеру 3 закручивания. Применение внешнего источника электрического тока позволяет значительно повысить интенсивность акустических колебаний, увеличить конденсацию влаги и каплеобразование. The acoustic-electric transducer 19 converts the acoustic vibrations received from the receiver 16 into electric vibrations, which, passing through the filter 20, change the frequency, passing through the electric oscillation amplifier 21, are amplified from an external source of electric current and fed to the electro-acoustic transducer 22, where they are transformed into acoustic vibrations of a certain frequency and intensity, optimal for droplet formation in the cyclone, and then transmitted to the swirl chamber 3. The use of an external source of electric current can significantly increase the intensity of acoustic vibrations, increase moisture condensation and droplet formation.

Предложенный циклон не только сепарирует капельную влагу, но и осушает сжатый газ, что видно из результатов замеров температуры точки росы сжатого воздуха до циклона и после него, представленных в таблице. The proposed cyclone not only separates droplet moisture, but also drains the compressed gas, as can be seen from the results of measurements of the temperature of the dew point of the compressed air before and after the cyclone, presented in the table.

Из таблицы видно, что величина температуры точки росы сжатого воздуха на выходе различна при различном влагосодержании исходного сжатого воздуха, что не может быть объяснено уменьшением статической температуры воздушного потока за счет его высокой скорости движения. Снижение температуры точки росы до -8^oC можно объяснить действием акустических колебаний. Если акустические колебания совершаются поперек потока газа, содержащего частицы влаги или механических примесей, то на частицы действуют силы, сближающие частицы, так как статическое давление газовой среды между частицами становится меньше, чем с противоположных сторон.The table shows that the dew point temperature of the compressed air at the outlet is different for different moisture contents of the original compressed air, which cannot be explained by a decrease in the static temperature of the air flow due to its high speed. The decrease in dew point temperature to -8 ^o C can be explained by the action of acoustic vibrations. If acoustic vibrations occur across the gas stream containing particles of moisture or mechanical impurities, then forces bringing together the particles act on the particles, since the static pressure of the gas medium between the particles becomes less than from opposite sides.

Анализ результатов испытаний циклона по п. 1 предложенной формулы изобретения показал, что влагосодержание сжатого воздуха снижается на 50 - 60% независимо от степени сухости исходного сжатого воздуха. По сравнению с прототипом, у которого эффект осушения сжатого воздуха был заметен лишь при положительной температуре точки росы исходного сжатого воздуха, у предложенного циклона эффект осушения одинаков как при положительных, так и при отрицательных температурах точки росы исходного сжатого воздуха. Analysis of the test results of the cyclone according to claim 1 of the proposed claims showed that the moisture content of compressed air is reduced by 50-60%, regardless of the degree of dryness of the original compressed air. Compared with the prototype, in which the effect of drying compressed air was noticeable only at a positive temperature of the dew point of the compressed air, the proposed cyclone has the same drying effect at both positive and negative temperatures of the dew point of the compressed air.

Claims

1. A cyclone containing a housing consisting of an upper shell with an inlet fitting and a tangential nozzle inlet and a lower shell of a larger diameter, interconnected by an external spherical wall, an axial outlet pipe having an inner spherical wall at the lower end, which is equidistant to the outer and passes into a toroidal surface , a swirl chamber formed by the internal cavity of the tangential nozzle inlet, an outlet fitting and a collection chamber located above the tangential nozzle inlet, separated from the kame An acoustic wave receiver, which is made in the form of a resonator cavity, communicates with a tangential nozzle input cavity with a narrow slit and has an acoustic connection in the form of a chamber with a collection chamber and acoustic communication in the form of a hole with a wall and holes communicating with it. holes in the wall, and holes in the wall, communicating the collection chamber with the swirl chamber, have a diameter and length that adjust the cyclone cavity in resonance with the collection chamber, axial bend The drawer pipe is connected to the wall with the possibility of vertical movement and change of the gap between it and the outlet fitting.

2. The cyclone according to claim 1, characterized in that the acoustic vibration receiver is connected acoustically to an acousto-electric transducer, which is serially connected by an electric coupling to a broadband frequency filter, an electric signal amplifier powered by an external electric current source, and an electro-acoustic transducer, and the last of them is combined by acoustic communication with a swirling chamber.