Улавливатель дисперсных частиц из газового потока

 

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области разделения двухфазных потоков, состоящих из газа и твердых дисперсных частиц.

Улавливатель дисперсных частиц из газового потока содержит камеру сепарации с осесимметрично расположенным внутри нее обтекателем, и устройства для подачи и вывода пылегазового потока, установленные на торцах камеры.

Обтекатель выполнен в виде цилиндра, длиной, соответствующей длине камеры и диаметром, равным 2/3 от диаметра камеры сепарации, с конусными торцевыми окончаниями, имеющими углы при вершине конуса 45 градусов. Устройства для подачи и вывода пылегазового потока снабжены конической сепарационной частью.

Для повышения эффективности процесса сепарации нанодисперсных примесей в центробежном пылеуловителе установлены ультразвуковые дисковые излучатели в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями, позволяющие предварительно скоагулировать наночастицы за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности (более 135 дБ). С тыльной стороны излучателей установлены отражатели.

Полезная модель позволяет повысить эффективность улавливания частиц пыли нанометрового диапазона.

1 п.ф.

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области разделения двухфазных потоков, состоящих из газа и твердых дисперсных частиц.

В связи с необходимостью улавливания вредных или ценных материалов находящихся в дисперсной фазе из газовой дисперсионной среды, возникает необходимость в разработке эффективных устройств для выделения мелких твердых частиц различных размеров (в т.ч. наночастиц) из потока газовой смеси. В этом случае традиционные центробежные и инерционные устройства улавливания аэрозолей оказываются не эффективными.

Известен улавливатель дисперсных частиц из газового потока, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком, вихревую камеру сепарации, образованную криволинейными поверхностями осаждения, разделяющимися щелевыми выводами, аксиально расположенный патрубок вывода очищенного газа, заглубленный внутрь корпуса и сообщающийся с тангенциальным входным патрубком посредством указанных щелевых выводов, пылесборный бункер, установленный в нижней части корпуса. В стенке вихревой камеры сепарации имеется окно, сообщающееся с входным патрубком. Щелевые выводы и окно снабжены регулируемыми шиберами, а углы между радиусами, проходящими через центры окна и щелевых выводов, составляют 100-140°. На торцовой стенке вихревой камеры противоположно патрубку вывода очищенного газа и соосно ему размещена обечайка с диаметром, большим диаметра этого патрубка и шириной 0,15-0,25 ширины камеры [1].

Основным недостатком известного устройства является невысокая эффективность улавливания нанодисперсных фракций пыли, вызванная интенсивной турбулизацией потока в местах щелевых выводов и, как следствие, размыванием сконцентрированного пылевого слоя, а также прорывом частиц пыли в ядро потока между обечайкой и патрубком вывода очищенного газа. При этом значения центростремительных ускорений, действующих на наночастицы не достаточны для эффективного расслоения пылегазового потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является улавливатель дисперсных частиц из газового потока по патенту [2], принятый за прототип. Прототип содержит камеру сепарации с осесимметрично расположенным внутри нее обтекателем, и устройства для подачи и вывода пылегазового потока, установленные на торцах камеры.

Анализ возможностей устройства, принятого за прототип, позволил выявить следующие существенные недостатки.

1. Четырехлопастной закручиватель потока, установленный в камере сепарации не оказывает существенного влияния на направление пылегазового потока, вследствие чего тангенциальная скорость потока слишком мала, как и центростремительное ускорение, отделяющее частицы от несущей непрерывной фазы.

2. Малая длина обтекателя, размещенного на выходе из камеры сепарации, способствует выпрямлению закрученного потока, снижая эффективность разделения дисперсных частиц от сплошной среды.

3. Образованный между камерой сепарации и обтекателем кольцевой канал малого сечения повышает гидравлическое сопротивление аппарата.

4. Недостаточная эффективность сепарации, обусловленная малым центростремительным ускорением, действующим на наночастицы, при скорости входящего потока, обеспечивающее приемлемое гидравлическое сопротивление аппарата.

Все перечисленные недостатки обуславливают низкую эффективность улавливания твердых частиц нанометрового диапазона.

Предлагаемое техническое решение - полезная модель - направлено на устранение недостатков прототипа. В предлагаемом улавливателе решается задача конструктивного совершенствования центробежного горизонтального циклона и повышения его эффективности за счет применения ультразвуковых дисковых излучателей, в качестве которых использованы изгибно-колеблющиеся диски, механически и акустически связанные с пьезоэлектрическими преобразователями.

Сущность технического решения заключается в том, что в известном улавливателе дисперсных частиц из газового потока, содержащем камеру сепарации с осесимметрично расположенным внутри нее обтекателем, и устройства для подачи и вывода пылегазового потока, установленные на торцах камеры, обтекатель выполнен в виде цилиндра, длиной, соответствующей длине камеры и диаметром, равным 2/3 от диаметра камеры сепарации, с конусными торцевыми окончаниями, имеющими углы при вершине конуса 45 градусов. Устройства для подачи и вывода пылегазового потока снабжены конической сепарационной частью, на большем основании которой, под углом 20 градусов к оси симметрии камеры сепарации установлены ультразвуковые излучатели в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. С тыльной стороны излучателей установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметром основания, равным диаметру излучателя, дополненные расходящимися конусами с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя, внешним диаметром, соответствующими диаметру большего основания конической сепарационной части устройств подачи и вывода пылегазового потока и углом раскрытия в 90 градусов.

Установленный соосно оси симметрии камеры сепарации обтекатель снижает негативное влияние вихревого ядра потока, способствуя уменьшению раскручиваемости потока и соответственно большему отклонению траекторий твердых частиц в направлении горизонтальных щелей в цилиндрической трубе камеры сепарации.

Коническая сепарационная часть позволяет улучшить условия расслоения пылегазового потока из-за того, что осаждение пыли происходит при безотрывном движении пылегазового потока с нарастающей скоростью по плавно убывающему радиусу кривизны, что способствует глубокому расслоению пылегазовой смеси. Сконцентрированный у поверхности осаждения пылевой слой удаляется через кольцевой канал между диффузорным патрубком камеры сепарации и боковой стенкой первого бункера.

Устройство вывода пылегазового потока снабжено конической сепарационной частью и тангенциальным патрубком для снижения гидравлического сопротивления.

Снаружи камеры сепарации установлен корпус, герметично разделенный тремя внутренними перегородками, которые образуют четыре изолированных бункера для сбора частиц. Между бункерами должна быть обеспечена герметичность для исключения перетекания газового потока и уноса уловленных частиц из бункеров.

Внутри камеры сепарации выполнены три пары горизонтальных щелей, радиально расположенных с интервалом 120° в зоне второго и третьего бункеров, одна пара из которых выполнена в верхней части трубы, все щели выполнены с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу газовому потоку. В зоне первого бункера в камеры сепарации не выполнены горизонтальные щели, т.к. они ухудшают условия крутки потока, вследствие чего эффективность улавливания получается не большой.

Предлагаемая конструкция улучшает эффективность улавливания наночастиц частиц до 50%, но такой эффективности не достаточно для практического применения предлагаемого аппарата.

Для повышения эффективности процесса сепарации твердых наночастиц в центробежных пылеуловителях необходимо укрупнение наночастиц под действием высокоинтенсивных (более 135 дБ) ультразвуковых колебаний (ультразвуковая коагуляция аэрозолей) [3].

В предложенном устройстве повышение эффективности сепарации наночастиц в сравнении с известными устройствами обеспечивается установкой двух ультразвуковых излучателей. При этом ультразвуковые дисковые излучатели воздействуют на частицы упругими колебаниями, распространяемыми внутри технологического объема, по которому движется пылегазовый поток. Это приводит к их взаимным колебаниям и объединению[4]. Объединяясь, агломераты частиц увеличивают свою массу, вследствие чего легче сепарируются под действием центростремительных ускорений, действующих на них в аппарате.

Ультразвуковые излучатели выполнены определенной формой и расположены таким образом, что бы обеспечить условия равномерного распространения ультразвуковых колебаний в объеме камеры сепарации с уровнем звукового давления не ниже 135 дБ, но не выше определенного уровня, при котором начинается процесс диспергирования агломератов частиц. Верхний уровень звукового давления зависит от свойств и размеров сепарируемых частиц.

Первый дисковый излучатель размещен на большем основании устройства подачи пылегазового потока под углом 20 градусов к оси симметрии камеры сепарации. Второй дисковый излучатель установлен на большем основании устройства вывода пылегазового потока параллельно первому.

Излучатели выполнены в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. Такая конструкция излучателей позволяет излучать колебания каждым участком диска в одной фазе, приводящее к большему выходу энергии, поскольку волновое сопротивление изгибно-колеблющегося излучателя лучше согласуется с волновым сопротивлением газа. Также такого рода конструкция излучателя позволяет получить более равномерное распределение амплитуды колебаний по поверхности излучателя.

Пьезоэлектрический преобразователь, продольно колеблющийся вдоль акустической оси, акустически связанный с совершающим изгибные колебания излучателем дисковой формы питается ультразвуковым электронным генератором.

С тыльной стороны излучателей установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов.

Диаметр основания центральных конусов равен диаметру излучателя, дополненные расходящимися конусами с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя, внешним диаметром, соответствующими диаметру большего основания конической сепарационной части устройств подачи и вывода пылегазового потока и углом раскрытия в 90 градусов.

Применение отражателей описанной формы обеспечивает формирование ультразвуковых колебаний с двух поверхностей излучателя

Таким образом, обеспечивается равномерное распределение звукового давления внутри камеры сепарации, для эффективной коагуляции.

Камера сепарации, позволяет увеличить время пребывания твердых частиц в центробежном и ультразвуковом поле, тем самым улучшает эффективность процесса коагуляции частиц и способствует расслоению пылегазовой смеси, повышая эффективность их улавливания.

Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг.1-5.

На фиг.1 представлен общий вид улавливателя дисперсных частиц из газового потока;

на фиг.2 представлен продольный разрез предлагаемого улавливателя дисперсных частиц;

на фиг.3 представлен вид слева предлагаемого улавливателя дисперсных частиц;

на фиг.4 - разрез Б-Б по фиг.1 (расположение горизонтальных щелей с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу газовому потоку);

на фиг.5 представлен выносной элемент А из фиг.3.

Улавливатель дисперсных частиц из газового потока включает камеру сепарации 1, устройство подачи пылегазового потока 2 с конической сепарационной частью, на большем основании которой, под углом 20 градусов к оси симметрии камеры сепарации установлен первый ультразвуковой излучатель 5.

Камера сепарации 1, расположена горизонтально, на входе которой установлен диффузорный патрубок 9, образующим между боковой стенкой первого бункера первый кольцевой канал. Снаружи камеры сепарации 1 установлен корпус 11, разделенный тремя внутренними перегородками 12, которые образуют четыре изолированных бункера 13 для сбора частиц.

Внутри камеры сепарации 1 выполнены три пары горизонтальных щелей 14, радиально расположенных с интервалом 120° в зоне второго и третьего бункеров, одна пара из которых выполнена в верхней части трубы, все щели выполнены с фронтальными кромками 15, отогнутыми навстречу газовому потоку.

Обтекатель 4, установленный в центре камеры сепарации 1 выполнен в виде цилиндра длиной, соответствующей длине камеры и диаметром, равным 2/3 от диаметра камеры сепарации 1, с конусными торцевыми окончаниями, имеющими углы при вершине конуса 45 градусов. Он снижает негативное влияние вихревого ядра потока, способствуя уменьшению раскручиваемости потока и соответственно большему отклонению траекторий твердых частиц в направлении горизонтальных щелей 14 в камеры сепарации 1.

Устройство вывода пылегазового потока 3 с конической сепарационной частью, расположен соосно с камерой сепарации 1, на большем основании которой, под углом 20 градусов к оси симметрии камеры сепарации установлен второй ультразвуковой излучатель 6

При этом диффузорный вход 10 устройства вывода пылегазового потока 3 встроен внутрь камеры сепарации 1 с образованием постоянного кольцевого зазора с внутренней поверхностью камеры сепарации.

Ультразвуковые излучатели 5 и 6 выполнены в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. С тыльной стороны излучателей 5 и 6 установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов 8 с углом раскрытия в 90 градусов.

Диаметр основания центральных конусов равен диаметру излучателя 6, дополненные расходящимися конусами 7 с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя, внешним диаметром, соответствующими диаметру большего основания конической сепарационной части устройств подачи и вывода пылегазового потока и углом раскрытия в 90 градусов.

Улавливатель дисперсных частиц из газового потока работает следующим образом.

Сепарируемый пылегазовый поток подводится через входной патрубок в устройство подачи пылегазового потока 2, который формирует в нем вращательное движение пылегазового потока.

В результате движения по криволинейной траектории под действием центробежных сил происходит его расслоение на концентрированный периферийный слой и очищенный внутренний слой потока.

Сконцентрированный у внутренней поверхности сепарационной части устройства подачи пылегазового потока 2 пылевой слой частично удаляется через кольцевой зазор между диффузорным патрубком 9 и боковой стенкой первого бункера.

Прошедший через диффузорный патрубок 9 пылегазовый поток попадает в камеру сепарации 1, встречая на своем пути обтекатель 4. Твердые частицы, двигаясь далее по спиральной траектории под действием центробежных сил, смещаются к внутренней поверхности камеры сепарации 1 и, наталкиваясь на фронтальные кромки 15, отбрасываются через продольные горизонтальные щели 14 в изолированные бункера 13. Продолжая движение по спиральной траектории в направлении патрубка вывода очищенного газа, частицы, находящиеся в пылегазовом потоке отжимаются к внутренней поверхности камеры сепарации 1 и движутся в кольцевой зазор, образованный диффузорным входом 10 и внутренней поверхностью камеры сепарации 1. Очищенный от частиц газ, плавно раскручиваясь, удаляется из пылеуловителя через устройство вывода газового потока 3.

Одновременно с подачей запыленного потока происходит ультразвуковое воздействие на взвешенные наночастицы. Процесс коагуляции осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими сторонами дисковых излучателей 5 и 6, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.

Таким образом, обеспечивается равномерность ультразвукового воздействия по всему диаметру технологического объема с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя. Расчетным путем выявлено, что расположение оси дисковых излучателей 5 и 6 под углом 20 градусов к горизонтальной оси камеры сепарации является оптимальным для достижения равномерного распределения уровня звукового давления.

Для определения эффективности предложенного аппарата для улавливания наночастиц и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию ультразвуковых дисковых излучателей позволяет повысить эффективность улавливания наночастиц размером 30-50 нм с 50% до 98% за счет реализации процесса коагуляции.

Уровень звукового давления в 135 дБ, является достаточным для коагуляции наночастиц в камере сепарации при расчетном расходе запыленного газа 500 м3 /час, но не должен превышать определенного уровня, при котором начинается процесс диспергирования агломератов частиц.

Разработанный ООО «Центр ультразвуковых технологий» улавливатель дисперсных частиц из газового потока прошел лабораторные и технические испытания, и был практически реализован в действующей установке. Мелкосерийное производство планируется начать в 2013 году.

Список литературы, использованной при составлении заявки

1. А.с. 1337121 СССР. Пылеотделитель / Василевский М.В., Анисимов Ж.А., Росляк А.Т., Зятиков П.Н.: опубл. 15.09.87, Бюл. 34.

2. Многоступенчатый центробежный пылеуловитель: пат. 2394629 Рос. Федерация: МПК7 B01D 45/12 / Гаркуша Н.Н., Тарасов В.П.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) - 2009109654/15; заявл. 17.03.2009; опубл. 20.07.2010.

3. Хмелев В.Н.. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей (монография) Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 235 с.

4. Shalunov A.V. Ultrasonic Oscillating System for Radiators of Gas Media [Текст] / A.V. Shalunov, A. N. Lebedev, S.S. Khmelev, N.V. Kuchin, A. V. Shalunova // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2008. - Novosibirsk: NSTU, 2008. - pp.226-271.

Улавливатель дисперсных частиц из газового потока, включающий камеру сепарации с осесимметрично расположенным внутри нее обтекателем и устройства для подачи и вывода пылегазового потока, установленные на торцах камеры, отличающийся тем, что обтекатель выполнен в виде цилиндра, длиной, соответствующей длине камеры и диаметром, равным 2/3 от диаметра камеры сепарации, с конусными торцевыми окончаниями, имеющими углы при вершине конуса 45º, а устройства для подачи и вывода пылегазового потока снабжены конической сепарационной частью, на большем основании которой, под углом 20º к оси симметрии камеры сепарации установлены ультразвуковые излучатели в виде изгибно-колеблющихся дисков ступенчато-переменной толщины, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями, с тыльной стороны излучателей установлены отражатели, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90º и диаметром основания, равным диаметру излучателя, дополненные расходящимися конусами с внутренним диаметром, соответствующим диаметру излучателя, внешним диаметром, соответствующими диаметру большего основания конической сепарационной части устройств подачи и вывода пылегазового потока, и углом раскрытия в 90º.



 

Наверх