RU218979U1 - Сотовый сепаратор с закруткой потока - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для отделения из сжатого воздуха (аэрозоли) водного конденсата, остаточной влаги в виде пара, дисперсных частиц из газов, и может быть использована в промышленности, в аппаратах воздухоснабжения пневмосистем различного назначения. Сотовый сепаратор с закруткой потока, содержащий трубный пучок из спирально-профильных труб, имеющих законцовки, выполненные в виде равносторонних многогранников, примыкающих друг к другу и соединенных между собой по граням, верхние законцовки каждой трубы выполнены в форме шестигранника, соединенных между собой беззазорно и герметично, с образованием модуля, скрепленного обечайками по законцовкам, в нижние законцовки спирально-профильных труб вставлены гладкие трубы, размером, не превышающим диаметр вписанной окружности внутренних гофр, на глубину до одного диаметра описанной окружности вставленных труб, при этом спирально-профильные трубы модуля могут быть выполнены с равными или различными углами подъема спирали, а в верхней части по центру каждой шестигранной законцовок спирально-профильных труб устанавливают обтекатели-вытеснители сферической формы, оснащенные боковыми винтообразными лопатками. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для отделения из сжатого воздуха (аэрозоли) водного конденсата, остаточной влаги в виде пара, дисперсных частиц из газов, и может быть использована в промышленности, в аппаратах воздухоснабжения пневмосистем различного назначения.

Известно устройство для осушки газов, включающее корпус с перфорированным днищем, крышку, камеры сборки влаги, кассету с сорбентом, установленную с возможностью вертикального перемещения на фиксирующем элементе из гидрофильного пористого материала, жесткого в сухом и эластичного во влажном состояниях, патрубок ввода газа в нижней части, патрубок вывода газа, подвижный контакт, закрепленный на кассете, и неподвижный контакт, закрепленный на внутренней поверхности корпуса (Авторское свидетельство СССР N 1088766, кл. B01D 53/26, 1984).

Недостатки известного устройства - низкая производительность по сжатому воздуху из-за значительного гидравлического сопротивления кассеты с сорбентом и фиксирующего элемента из гидрофильного пористого материала, ограниченные влагоемкость и ресурс работы из-за накапливания влаги в кассете и фиксирующем элементе с необходимостью периодической регенерации, а также значительные габариты для обеспечения высокой производительности процесса осушки.

Известен сепаратор-осушитель сжатого воздуха, имеющий корпус с тангенциальным входом и соосным дренажным патрубком, патрон с фильтром и адсорбентом, размещенные между перфорированными дисками, крышку с соосным выходным патрубком и пружину поджима, расположенную между крышкой и патроном, причем выходной патрубок углублен в полость между крышкой и патроном, имеет отверстия и снабжен центрирующей пружину тарелкой, расположенной ниже отверстия (Авторское свидетельство СССР N 1242220, кл. B01D 53/26, 1986).

Недостатком известного сепаратора-осушителя сжатого воздуха является большая трудоемкость изготовления и эксплуатации, высокое гидравлическое сопротивление фильтра и адсорбента, ограниченная влагоемкость из-за прохождения процесса поглощения в объеме адсорбента, который выполняет функции второго фильтра, ограниченная производительность процесса осушки, для повышения которой необходимо существенное увеличение габаритов установки.

Известно устройство для проветривания горных выработок, содержащее вентилятор, корпус с окнами, внутри которого расположен распределитель потока воздуха с проходными окнами, лопатками и с наружной уплотняющей обечайкой, при этом оно снабжено механизмом перемещения корпуса относительно распределителя потока воздуха и фиксатором их положения, а на торцевой стенке распределителя потока воздуха установлена внутренняя уплотняющая обечайка, при этом проходные окна распределителя и корпуса размещены на их торцевых стенках. (Патент RU 2301341, опубл. 20.06.2007).

Недостатками устройства является вращающийся распределитель, который снижает производительность нагнетательного вентилятора, а возникающая пульсация выходящего потока воздуха не обеспечивает проветривание всего объема забойного пространства, что приводит к образованию застойных зон. Устройство необходимо устанавливать максимально близко к рабочей зоне забоя, что усложняет условия работы персонала из-за постоянного шума вентилятора.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту являются циклонные сепараторы, влагоотделители к нагревательным установкам осушки воздуха А500У-02, А600У-02, А800У-02 и А1000У-02. Установки служат для осушки и очистки воздуха от пыли и масляных паров и предназначены для питания пневматических и пневмогидрав-лических устройств в машинах, агрегатах и системах, а также для технологических целей. В частности, SU 2226128 кл. В04С 5/10, 2004), включающий цилиндрический корпус с коническим днищем, тангенциально расположенным штуцером для ввода в аппарат запыленного газового потока и штуцером для удаления пыли, выхлопную трубу, при этом цилиндрический корпус от входного патрубка с коническим днищем помещены соосно в цилиндрический корпус с коническим днищем большего диаметра, образуя между ними зазор, а на цилиндрическом корпусе меньшего диаметра расположены продольные щели постоянной ширины.

Недостатком является наличие продольных щелей постоянной ширины на цилиндрическом корпусе для исключения отскока твердых частиц, что не исключает возможности попадания твердых частиц в коническую часть, не содержащую таких щелей; их отскок и возврат в газовый поток, удаляемый из циклона в выхлопную трубу, приводит к снижению эффективности очистки. При этом происходит значительная эрозия стенок циклона-сепаратора. Эти негативные явления проявляются в большей степени с увеличением концентрации твердых частиц в пылегазовом потоке и скорости его вращения.

Технический результат полезной модели является удаление аэрозоли водного конденсата.

Для достижения технического результата предложен сотовый сепаратор с закруткой потока, содержит трубный пучок из спирально-профильных труб, имеющих законцовки, выполненные в виде равносторонних многогранников, примыкающих друг к другу и соединенных между собой по граням, верхние законцовки каждой трубы выполнены в форме шестигранника, соединенных между собой беззазорно и герметично, с образованием модуля, скрепленного обечайками по законцовкам, в нижние законцовки спирально-профильных труб вставлены гладкие трубы, размером, не превышающим диаметр вписанной окружности внутренних гофр, на глубину до одного диаметра описанной окружности вставленных труб, при этом спирально-профильные трубы модуля могут быть выполнены с равными или различными углами подъема спирали, а в верхней части по центру каждой шестигранной законцовок спирально-профильных труб устанавливают обтекатели-вытеснители сферической формы, оснащенные боковыми винтообразными лопатками.

Технический результат полезной модели обеспечивается за счет следующих решений:

замены центральной конической трубы на сотовый СПТ блок, имеющий правильную шестигранную форму сечения законцовок, соединенных герметично, для снижения гидросопротивления потока, что упрощает и удешевляет изготовление пучка, делает соединение труб более прочным и приводит к увеличению турбулизации и уменьшению вязкого пристенного слоя, что приводит к увеличению скорости потока, уменьшению трения о стенки и уменьшению степени загрязнения поверхностей и со-леотложения;

предоставления более широких возможностей выбора величины вписанного диаметра законцовок при ее изготовлении, для получения любого требуемого расстояния между смежными трубами в пучке - от нуля и выше, что дает проектировщику возможности отдавать предпочтение расчетному соотношению между сечениями межтрубного и внутритрубного потоков с учетом их реологических свойств;

увеличению прочности соединения труб, так как правильные шестигранные соты являются более прочной конструкцией;

увеличения усталостной прочности материала, так как продольная пружинность СПТ гасит вибрацию, гидроудары и теплоудары, что позволяет дольше сохранять правильную геометрию конструкциям законцовок СПТ;

повышения радиальной жесткости, что позволяет исключить промежуточные поддерживающие перегородки;

появления возможности модульной конструкции сотового трубного пучка унифицирования, что упрощает изготовление, сборку-разборку, осмотр, чистку и ремонт трубного пучка.

Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами:

на фиг. 1 - Схема спирально-профильной трубы (СПТ): D - диаметр наружный гофрированной части трубы, D_n - исходный наружный диаметр, d₀ - диаметр внутренний (гофрированная часть трубы), L - дина гофрированной части, l - длина шестигранной законцовки, Н - общая длина СПТ, s - толщина стенки, b - размер между параллельными гранями (под ключ), α - угол подъема винтовой линии, h - высота гофры;

на фиг.2 - внешний вид СПТ;

на фиг.3- схема сотового сепаратора осушителя с закруткой потока,

где 1 - секция верхняя, 2 - секция средняя, 3 - секция нижняя, 4 - воронка конфузор, 5 - сотовый блок, 6 - газоотводный патрубок, 7 - воздухосборник отсортированного газа, 8 - сливной патрубок, 9 - плита средняя, 10 - сливной патрубок, 11 - вытеснитель, 12 - лопатки винтообразные, 13 - коллекторная область средней секции, 14 - коллекторная область нижней секции;

на фиг. 4 - вид по разрезу А-А (фиг. 3), поперечное сечение корпуса сепаратора;

на фиг. 5 - вид по разрезу Б-Б (фиг. 3), поперечное сечение корпуса сепаратора.

Таблица 1. Сравнение технических показателей влагоотделителей нагревательных установок осушки воздуха А1000У-02 (УОА-100-МП40) с сотовым СПТ сепаратором

Таблица 2. Технические характеристики 12-ти гофровой СПТ

Таблица 3. Изменения давления при различных скоростях течения воздуха

Корпус сепаратора состоит из трех секций (1, 2, 3), соединенных между собой съемным-разъемными соединениями.

Верхняя секция (1) корпуса состоит из трубной цилиндрической законцовки, соединяющей-сепаратор через вентиль с нагнетающим насосом и конической частью по типу диффузор, переходящей в расширяющуюся воронку конической формы, расположенную на границе между верхней секцией (1) и средней секцией (2) корпуса сепаратора.

Средняя секция (2) корпуса сепаратора цилиндрической формы включает воронку по типу конфузор (4), в ссуженной части которой расположена сотовый блок (5), состоящий из нескольких спирально-профильной труб (СПТ), соединенных между собой шестигранными законцовками по типу пчелиный соты (шестигранная конструкция сотового блока труб (5) является идеальной как по прочности, так и по гидродинамике проходящих через нее потоков).

Нижняя секция (3) корпуса сепаратора цилиндрической формы содержит блок, газоотводный патрубок (6), верхняя часть которых расположена соосно с сотовым блоком СПТ (5), а нижняя часть - с трубой (7), которая через цилиндрическую законцовку, оканчивающуюся вентилем, связана с фильтром грубой очистки типа РЕ или SB (на фигуре не показана). На дне нижней секции (3) установлен сливной патрубок (8).

Между средней (2) и нижней (3) секций сильфона расположена плита (9), в которую вмонтирован сотовый блок труб (5) и сливной патрубок (10).

На входе и выходе потока она плавно переходит в спирально-профильную поверхность, образуя матрицу теплообмена. Благодаря этому внутритрубный поток закручивается, а межтрубный получает оребрение, что в совокупности обеспечивает высокую теплопередачу, низкое гидросопротивление и низкую степень загрязненности и солеотложения по сравнению с гладкими трубами, включающими также завихрители и турбулизатры.

Законцовки трубы выполнены в виде правильных шестигранных призм (фиг. 1), а основная часть трубы имеет спирально-профильную шестизаходную боковую поверхность, при этом D_n≥d, где D_n - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение законцовки, d - описанный наружный диаметр спирально-профильной части СПТ, l - длина законцовки, увеличивая которую, можно увеличить площадь граней и силу сцепления труб в пучке.

Работа циклонного сепаратора

Сжатый воздух от компрессора с аэрозолью воды попадает в конфузор-воронку (4) фиг. 2, обтекает вытеснители (11) и винтообразные лопатки (12), и по стенке воронки стекает во внутреннюю винтовую поверхность спиральных гофров проходя сброс аэрозоли воды.

С одной стороны, сжатый воздух вовлекается во вращательное движение с высокой скоростью внутри СПТ, вокруг оси СПТ, прижимаясь к стенкам внутри сотового блока (5). Под воздействием сильных центробежных сил капельки воды в спиральной циклонной области сотового блока (5) оседают на внутренней стенке СПТ и стекают в коллекторную область (13), а очищенный сжатый воздух через газоотводные патрубки (6) поступает в воронку воздухосборника (7) (фиг. 3).

С другой стороны, сжатый воздух вокруг сотового блока (5) огибает воронку конфузор (4) по стенке средней секции (2), разделяется на две части, одна из которых перемещается вдоль стенки средней секции (2), другая - распространяется по объему средней секции (2), в коллекторной области (14) отделяется от внешней циклонной винтовой области (5) и, отражаясь от поверхности средней плиты (9), поток сжатого воздуха уносит часть конденсата через сливной патрубок (10) в коллекторную область (14) нижней плиты (3), удаляется в водосборник через сливной патрубок (8). Сжатый воздух, не попадающий в коллекторную область (13), поступает в верхнюю секцию (1) через щелевой зазор между воронкой конфузора (4) и стенкой диффузора верхней секции (1), перемешиваясь с поступающим сжатым воздухом от компрессора, перемещается внутрь сотового блока (5) (фиг. 4).

Для отвода конденсата устанавливается электронный конденсатоотводчик, так как уровень конденсата не должен выходить за пределы коллекторной области (13).

В табл. 1. приведены сравнительные технические показателий влагоотделителей нагревательных установок осушки воздуха А1000У-02 (УОА-100-МП40) и сотового СПТ сепаратора.

Пример работы циклонного сепаратора с закруткой потока

Сотовый сепаратор по предложенной полезной модели имеет трубный пучок, состоящий из 7 спирально-профильных труб.

Согласно полезной модели сепаратор состоит из пучка параллельных труб, концы которых (законцовки) выполнены в форме правильных шестигранных призм и соединены между собой беззазорно и герметично так, что образуется правильная сотовая конструкция, при этом диаметр вписанной в шестигранник окружности равен или больше внешнего описанного диаметра остальной части трубы.

Соединение может быть неразъемным на основе сварки, пайки, клейки, завальцовки, «микровзрыва», сварки трением или разъемным, использующим пластичные герметизирующие прокладки.

Несколько труб, соединенных таким образом между собой, могут образовать на торцах законцовок разные фигуры, в том числе снова правильный шестиугольник. Такое соединение труб может рассматриваться как модуль (в частном случае модуль состоит из одной трубы). Отдельные модули могут собираться в трубный пучок произвольного размера и соединяться как неразъемным, так и разъемным способом. Для увеличения надежности разъемных креплений применяется механический замковый способ крепления законцовок друг с другом. Для этого на гранях скрепляемых законцовок выполняется одна или несколько пар смежных поклевок - одна вогнутая, другая выпуклая - так, что при смыкании граней соседних законцовок пеклевка одной грани заходит через пластическую прокладку в пеклевку другой грани, образуя замок, препятствующий осевому смещению труб относительно друг друга.

Разъемное соединение модулей в трубный пучок через пластическую герметичную прокладку, позволяет снизить степень разрушающих конструкцию вибраций и неравномерного расширения ее частей и дольше сохранить правильную геометрию трубного пучка в процессе эксплуатации. Это также позволяет отказаться от устройства перегородок, разделяющих и поддерживающих трубы в пучке.

По внешнему контуру законцовок трубный пучок скрепляется обечайкой, которая служит для: скрепления труб в модуле и модулей в трубном пучке; неразъемного или разъемного, например фланцевого, соединения трубного участка с патрубками, подводящими и отводящими входной и выходной потоки; герметичной изоляции потока, проходящего через входной патрубок; отделения внутритрубного пространства от потоков, циркулирующих в межтрубном пространстве.

Для замыкания межтрубного пространства трубный пучок с патрубками может быть снабжен корпусом (кожухом) с патрубками для подвода и отвода межтрубного потока, при этом корпус герметично соединен разъемным или неразъемным способом с трубным пучком по линии обечайки. Указанное соединение может быть как жестким, так и не жестким («плавающим» в направлении оси трубного пучка) для снижения степени разрушающей вибрации. Шестигранный профиль законцовок СПТ позволяет конструировать разные формы корпусов теплообменных аппаратов, в том числе: ромбические, квадратные, прямоугольные, шестигранные, восьмигранные и круглые, при сохранении одинаковыми межосевых расстояний между центрами осей труб.

Между законцовками располагается основная часть трубы - спирально-профильная боковая поверхность, при этом указанная поверхность может состоять из нескольких зон произвольной относительной длины, каждая из которых имеет свою геометрическую форму: число заходов, глубину и форму канавок, угол подъема спирали (зона может иметь и простую гладкостенную поверхность).

Для увеличения поверхности сепарации на профильную часть СПТ устанавливают оребрение в виде ленты, навитой по спирали, либо колец в виде отдельных лепестков. Лента и лепестки закрепляются по вершинам гофров спирали беззазорно.

Внутренняя поверхность СПТ создает внутри закрутку потока по спирали, а внешняя - оребрение для межтрубного потока.

Технико-экономические показатели эффективности сотового теплообменного аппарата со спирально-профильными трубами выражаются в повышении теплотехнических и гидравлических параметров теплообменных аппаратов, увеличении их компактности и удельной теплопроизводительности, снижении себестоимости изготовления, а также в повышении эксплуатационной надежности и снижении эксплуатационных расходов, табл. 2.

В табл. 2. представлены технические характеристики 12-ти гофровой СПТ

Сравнительный анализ работы СПТ сепаратора.

Изменение сопротивления потоку воздуха в нормальных условиях - число Рейнольдса для сопоставимой трубы

.

При течении воздуха в нормальных условиях и температуре 15°С для высота гофры 10 мм число Рейнольдса составляет

Скорость течения в расчете на СОТ

.

Известно, что для гладкой цилиндрической трубы критическое число Re_C0T, при которой нарушается ламинарность течения составляет Re>2300, а при Re>(15000÷20000) имеет место режим развитой турбулентности ([И.Е. Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М. Машиностроение, 1975]).

Измеренные значения ДР при трех скоростях течения воздуха в нормальных условиях при температуре 25…30°С приведены в табл. 3.

В табл. 3 приведены значения давлений при различных скоростях течения воздуха Из табл. 3 видно, что в первом приближении зависимость сопротивления от скорости V квадратичная и наблюдается не стационарность показаний сопротивления, т.е. величина ΔР непрерывно флуктуирует в приведенных в скобках диапазоне значений сопротивления.

В общем случае сопротивление

где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления трубы, ρ - плотность газа ([И.Е. Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М. Машиностроение, 1975]).

Из анализа экспериментальных данных следует, что при Re<100000 коэффициент гидравлического сопротивления ξ спирально-профильной трубы возрастает с увеличением скорости течения воздуха V_сот.

2. Сепарационные характеристики СПТ.

Осаждение модельных частиц турбинного масла и воды в СПТ представлено в табл. 4.

Эффективные инерционно субмикронные частицы турбинного масла с d=0,2…0,3 мкм практически не осаждаются в СПТ, поскольку число Стокса, определяющее их инерционный захват, составляет

St=0,00022,

где

L=(t⋅V_сот) - длина инерционного пробега частицы, d - характерный размер осадочного элемента, в качестве которого принимается высота гофры 1 см;

- характерное время релаксации частицы диаметром d и плотностью ρ в газе с динамической вязкостью η; для воздуха η=1,84⋅10⁴ пуаз, ρ≈0,9 г/см³.

Эффективное инерционное осаждение наблюдается при St>0,2…0,5 (в зависимости от типа осадителя).

Грубодисперсные частицы водного тумана осаждаются достаточно эффективно, при этом St=14,9, т.е. предложенные спирально-профильные трубы могут быть рекомендованы для эффективного использования в качестве сепаратора грубодисперсного аэрозоля с d>20…30 мкм.

Claims (3)

1. Сотовый сепаратор с закруткой потока, содержащий трубный пучок из спирально-профильных труб, имеющих законцовки, выполненные в виде равносторонних многогранников, примыкающих друг к другу и соединенных между собой по граням, верхние законцовки каждой трубы выполнены в форме шестигранника, соединенных между собой беззазорно и герметично, с образованием модуля, скрепленного обечайками по законцовкам, отличающийся тем, что в нижние законцовки спирально-профильных труб вставлены гладкие трубы, размером, не превышающим диаметр вписанной окружности внутренних гофр, на глубину до одного диаметра описанной окружности вставленных труб.

2. Сотовый сепаратор с закруткой потока по п. 1, отличающийся тем, что спирально-профильные трубы модуля могут быть выполнены с равными или различными углами подъема спирали.

3. Сотовый сепаратор с закруткой потока по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части по центру каждой шестигранной законцовки спирально-профильных труб устанавливают обтекатели-вытеснители сферической формы, оснащенные боковыми винтообразными лопатками.

Images