Патент на изобретение №2209122

(54) ЦИКЛОН-КЛАССИФИКАТОР

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для разделения крупных частиц и мелких частиц, в частности для разделения порошковых материалов на фракции в воздушном или газовом потоке. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства для разделения порошковых материалов на фракции в воздушном или другом газовом потоке, обеспечивающего высокую чистоту крупной фракции и высокую степень осаждения порошка без использования дополнительных циклонов. Поставленная задача решается с помощью циклона-классификатора для разделения дисперсных материалов, включающего корпус, осесимметричную вихревую камеру, устройства для ввода смеси дисперсных материалов и воздуха или газовоздушной среды, разгрузочные отверстия для вывода разделенных фракций и воздуха. В верхней части вихревой камеры расположено устройство для ввода смеси дисперсных материалов, по центру вихревой камеры расположена отсасывающая труба, на периферии (максимальный радиус) вихревой камеры выполнена кольцевая щель, связанная через камеру осаждения крупной фракции с устройством для ввода воздуха или газовоздушной среды, по одну сторону от кольцевой щели ниже ее и ближе к центру расположен бункер мелкой фракции, по другую сторону от кольцевой щели ниже ее расположен бункер крупной фракции. Достоинство предлагаемого аппарата состоит в том, что при его использовании применение дополнительных циклонов для очистки отходящего воздуха не требуется. Кроме того, техническая простота получения больших центростремительных ускорений позволяет добиться высокой производительности классификатора при его сравнительно небольших габаритах. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области разделения крупных частиц от мелких частиц. Циклон-классификатор является аэродинамическим устройством и предназначен для разделения порошковых материалов на фракции в воздушном или газовом потоке.

Известно устройство для выделения по крайней мере одного обладающего большим удельным весом вещества из жидкой или газообразной несущей среды под воздействием центробежных сил (патент РФ 2044574, МПК⁶ В 04 С 5/103, 1995), которое содержит корпус с размещенной в верхней части камерой закручивания потока, переходящей в разделительную камеру, верхнюю и нижнюю погружные осевые выходные трубы для отвода очищенной среды, входные концы которых расположены в разделительной камере напротив друг друга, нижнюю камеру с отверстием для вывода отделенного вещества, устройство снабжено экраном, выполненным в виде усеченного конуса, верхним меньшим основанием закрепленного на наружной поверхности нижней выходной трубы, выведенной из корпуса через боковое отверстие, выполненное в стенке нижней камеры.

Недостатком устройства является необходимость применения дополнительных устройств осаждения мелкой фракции, невысокое качество сепарации.

Известен циклон (патент РФ 2035237, МПК⁶ В 04 С /02, 1995), который содержит корпус в виде трубы, входной патрубок, винтовые направляющие лопасти, выпускную трубу очищенного потока и сборник отделенной фазы, винтовые лопасти приварены к стенке корпуса под углом 65-70^o к его образующей.

Недостатком циклона является невысокая чистота осаждаемой фракции.

Известен пылеуловитель (патент РФ 2035238, МПК⁶ В 04 С 5/08, 1995), который содержит корпус, ввод запыленного газа, выхлопную трубу, завихритель с винтовыми лопастями, продольные пылеотводные карманы, бункер, корпус выполнен в виде двух полуцилиндров, оси которых смещены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, карманы расположены между смещенными краями полуцилиндров, нижний конец выхлопной трубы выполнен в форме усеченного конуса, лопасти завихрителя установлены на наружной поверхности усеченного конуса.

Недостатком данного устройства также является невысокая чистота осаждаемой фракции, использование нескольких циклонов для сепарации и невысокое качество сепарации.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является центробежный классификатор для разделения материалов по крупности (патент РФ 2053031, МПК В 07 В 7/08, 1996), содержащий корпус, осесимметричную вихревую камеру, патрубок для ввода исходного материала с газом, отверстия для вывода разделенных фракций.

Недостатком классификатора является невысокая чистота осаждаемой фракции.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства для разделения порошковых материалов на фракции в воздушном или другом газовом потоке, обеспечивающего высокую чистоту крупной фракции и высокую степень осаждения порошка без использования дополнительных циклонов.

Поставленная задача решается с помощью циклона-классификатора для разделения дисперсных материалов, включающего корпус, осесимметричную вихревую камеру, устройства для ввода смеси дисперсных материалов и воздуха или газовоздушной среды, разгрузочные отверстия для вывода разделенных фракций и воздуха. В верхней части вихревой камеры циклона-классификатора расположено устройство для ввода смеси дисперсных материалов, по центру вихревой камеры расположена отсасывающая труба, на периферии (максимальный радиус) вихревой камеры выполнена кольцевая щель, связанная через камеру осаждения крупной фракции с устройством для ввода воздуха или газовоздушной среды, по одну сторону от кольцевой щели ниже ее и ближе к центру расположен бункер мелкой фракции, по другую сторону от кольцевой щели ниже ее расположен бункер крупной фракции.

Отсасывающая труба, предпочтительно перфорированная и заглушенная с торца, имеет аксиальные барьеры, барьеры выполнены с острой кромкой.

Устройство для ввода воздуха или газовоздушной среды в циклоне-классификаторе имеет спиральный ввод с входным патрубком, кольцевым выходом, камерой подачи воздуха, которая через кольцевой выход связана с камерой осаждения, расположенной соосно кольцевой щели и над бункером крупной фракции.

Камера подачи воздуха имеет линейно изменяющееся по азимутальному углу сечение.

В кольцевом выходе предпочтительно установлен завихритель с отклоняющими лопатками.

Бункера крупной и мелкой фракций снабжены тормозными лопатками.

Бункера мелкой и крупной фракций и устройство для ввода воздуха или газовоздушной среды предпочтительно объединяют в моноблочный накопитель, представляющий собой нижнюю часть циклона классификатора.

Классификатор разделяет подаваемый в него порошок на три фракции: крупную, мелкую и летучую. Крупная и мелкая фракции накапливаются в бункерах классификатора, а летучую фракцию необходимо выделять из отходящего воздуха с помощью фильтров тонкой очистки (рукавного, электростатического и т.д.). В силу предъявленных к аппарату на стадии разработки требований, из перечисленных фракций повышенной чистотой отличаются крупная и летучая фракции.

При работе классификатора сырье и воздух подаются в него раздельно, сырье – с помощью питателя, а воздух – с помощью нагнетателя. Тип и конструкция питателя и нагнетателя принципиального значения не имеют при обязательном соблюдении, однако, требований необходимой равномерности, однородности и симметричности подачи. В качестве нагнетателя возможно использование вентилятора или компрессора, а в качестве питателя предлагается использовать устройство вибрационного или центробежного принципа действия.

Для удовлетворительной классификации в циклоне-классификаторе пригодны порошки, для которых выполняется условие W_yn, где W_y – равновесная (установившаяся) скорость оседания наиболее крупных частиц в поле тяжести, а V_n = V(R) – азимутальная скорость потока на периферии вихревой камеры радиуса R.

В большинстве известных классификаторов используется принцип действия, основанный на количественном различии параметров движения разнородных частиц в поле массовой силы. Предлагаемый циклон-классификатор имеет в основе тот же принцип действия. В качестве массовой силы используется центробежная сила, действующая на вращаемые воздушным потоком частицы, а различие в характере их движения обеспечивается силой вязкого сопротивления, зависящей от размеров частицы. При этом используется различие только в радиальном движении частиц и границы разделения фракций по размерам обусловлены достижением баланса центробежной силы и вязкого сопротивления в радиальном потоке воздуха в окрестности сепарирующего элемента конструкции.

Конструкция циклона-классификатора такова, что во время работы во всей вихревой камере, кроме области, прилегающей к ее кольцевому входу, радиальная компонента U скорости воздуха много меньше азимутальной (вращательной) компоненты V. При этом для обеспечения высокой производительности классификатора при сравнительно небольших его габаритах V_n выбирается так, чтобы на максимальном радиусе R вихревой камеры центростремительное ускорение a= V_n ²/R в несколько раз (а может быть и на несколько порядков) превышало ускорение свободного падения g.

Общий вид циклона-классификатора показан на фиг.1. На фиг.2 изображен его горизонтальный разрез на уровне главных элементов конструкции, а на фиг. 3 – вертикальное сечение области сепарации в укрупненном масштабе.

Циклон-классификатор состоит из следующих основных узлов:
В верхней части циклона располагается корпус 1, образующий внутри осесимметричную вихревую камеру 2 с кольцевой щелью 3 подачи воздуха на периферии (максимальном удалении от оси). В верхней части вихревой камеры и на ее оси располагается устройство для ввода смеси дисперсных материалов – питатель 4 с загрузочной трубой 5. В нижней части вихревой камеры для удаления мелкой фракции имеется кольцевой отвод 6 в бункер 7 сбора мелкой фракции, снабженный тормозными лопатками 8. На оси вихревой камеры расположена заглушенная с торца перфорированная отсасывающая труба 9, снабженная аксиальными барьерами 10 с выступающей в сторону перфорации острой кромкой.

На среднем уровне циклон опоясывают спиральный ввод 11 с входным патрубком 12, кольцевым выходом 14 и камерой подачи воздуха 13, имеющей сечение S, линейно изменяющееся по азимутальному углу , S=(S_o/2)+К, где S_o – сечение входного патрубка, К – произвольная положительная константа. В кольцевом выходе 14 располагается завихритель 15 с отклоняющими лопатками 16, установленными под углом к радиусу и задающими требуемое соотношение радиальной и азимутальной (вращательной) компонент скорости воздуха. Ближе к оси циклона и рядом с завихрителем имеется осесимметричная камера 17 осаждения крупной фракции с расположенным снизу кольцевым отводом 18 в бункер 19 сбора крупной фракции, снабженный тормозными лопатками 20.

Воздух из циклона отводится через сообщающийся с отсасывающей трубой 9 выходной патрубок 21 с отверстием. Бункера 7, 19, спиральный ввод 11 и патрубки 12 и 21 конструктивно могут быть объединены в моноблочный накопитель 22, расположенный в нижней части циклона. Бункера 7, 19 имеют разгрузочные патрубки 23, 24 с отверстиями.

Циклон-классификатор работает следующим образом:
Нагнетатель подает воздух во входной патрубок 12 спирального ввода 11. Из патрубка воздух попадает в камеру 13 линейно изменяющегося по азимутальному углу сечения, двигаясь по ней вокруг оси циклона, вытесняется в осесимметричный кольцевой выход 14 и покидает спиральный ввод 11. Внутри кольцевого выхода 14 располагаются отклоняющие лопатки 16 завихрителя 15, которые обеспечивают требуемое соотношение радиальной и азимутальной компонент скорости воздуха на выходе 14 из спирального ввода 11. Осевая симметрия кольцевого выхода 14 и расположение отклоняющих лопаток 16, а также описанная конструкция камеры 13 обеспечивают осевую симметрию воздушного потока, входящего в камеру осаждения 17 и далее в вихревую камеру 2.

Покинув камеру 13, воздух проходит через осесимметричную камеру 17 осаждения крупной фракции, в нижней части которой имеется кольцевой отвод 18 в накопительный бункер 19, снабженный тормозными лопатками 20. Далее воздух покидает камеру осаждения 17 через кольцевую щель 3 и попадает в осесимметричную вихревую камеру 2. Из вихревой камеры 2 воздух удаляется через аксиально расположенную перфорированную отсасывающую трубу 9 и через отводной патрубок 21 направляется либо (в основной части потока) снова на вход нагнетателя, и затем во входной патрубок 12, либо на фильтр тонкой очистки, либо в атмосферу. Описанная выше конструкция отсасывающей трубы 9 препятствует аксиальному стоку в нее и забору из вихревой камеры 2 крупных частиц вместе с торцевыми пограничными слоями. Перфорация трубы 9 вносит дополнительное гидравлическое сопротивление воздушному потоку и обеспечивает более однородные вдоль оси условия сепарации летучей фракции.

Исходный сыпучий материал по загрузочной трубе 5 подается на питатель 4, по возможности, осесимметрично рассеивается им внутри вихревой камеры 2 и подхватывается вращательным воздушным потоком. Ускоренные воздухом частицы порошка в большей своей части центробежной силой отбрасываются к периферии вихревой камеры и движутся во вращательном воздушном потоке вблизи стенки камеры.

Частицы крупной фракции отделяются на осесимметричной периферийной кольцевой щели 3, покидают вихревую камеру 2 радиальным противотоком по отношению к воздуху и попадают в камеру осаждения 17, где рано или поздно попадают в кольцевой отвод 18, тормозятся лопатками 20 и осыпаются в бункер 19 накопления крупной фракции. В силу конструкции циклона-классификатора в просвете кольцевой щели 3 достигается максимальное для всей вихревой камеры отношение U/V, таким образом, условие сепарации крупной фракции достигается только в этом месте.

Частицы мелкой фракции не могут покинуть вихревую камеру 2 ни через отсасывающую трубу 9, ни через кольцевую щель 3, так как этому препятствуют условия сепарации фракций. По мере своего движения внутри вихревой камеры 2 они рано или поздно достигают расположенного на ее дне кольцевого отвода 6 и через ряд тормозных лопаток 8, ссыпаются в бункер 7 накопления мелкой фракции.

Изменение условий сепарации (и, следовательно, граничных размеров) фракций достигается изменением отношения U/V на соответствующем сепарирующем элементе. Для увеличения граничного размера необходимо увеличивать этот параметр, а для снижения – уменьшать. Так, например, для изменения граничного размера крупной фракции используют изменение ширины сепарирующей кольцевой щели 3 или изменение угла установки отклоняющих лопаток 16, а для изменения граничного размера летучей фракции можно изменять длину отсасывающей трубы 9 или варьировать ее диаметр. Изменение такого параметра, как расход воздуха, при неизмененных геометрических характеристиках циклона-классификатора со всей очевидностью не изменяет отношения U/V, однако, если условие сепарации лежит в области применимости закона Стокса для вязкого сопротивления, то этот прием также можно использовать, причем его практическая применимость относится, скорее всего, к условию сепарации летучей фракции.

Если условие сепарации лежит в области квадратичной зависимости вязкого сопротивления от относительной скорости частицы (для предлагаемого циклона-классификатора это наиболее практически значимый случай), то небольшие колебания подачи воздуха практически не смогут привести к заметному смещению граничного размера фракции, что обеспечивает высокое качество сепарации и является несомненным достоинством предлагаемой конструкции.

Другое достоинство предлагаемого аппарата состоит в том, что при его использовании применение дополнительных циклонов для очистки отходящего воздуха не требуется. Кроме того, техническая простота получения больших центростремительных ускорений позволяет добиться высокой производительности классификатора при его сравнительно небольших габаритах.

Формула изобретения

1. Циклон-классификатор для разделения дисперсных материалов, включающий корпус, осесимметричную вихревую камеру, устройства для ввода смеси дисперсных материалов и воздуха или газовоздушной среды, отверстия для вывода разделенных фракций и воздуха, отличающийся тем, что в верхней части вихревой камеры расположено устройство для ввода смеси дисперсных материалов, по центру вихревой камеры расположена отсасывающая труба, на периферии вихревой камеры выполнена кольцевая щель, связанная через камеру осаждения крупной фракции с устройством для ввода воздуха или газовоздушной среды, по одну сторону от кольцевой щели ниже ее и ближе к центру расположен бункер мелкой фракции, по другую сторону от кольцевой щели ниже ее расположен бункер крупной фракции.

2. Циклон-классификатор по п.1, отличающийся тем, что отсасывающая труба выполнена перфорированной и заглушенной с торца.

3. Циклон-классификатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что перфорированная отсасывающая труба имеет аксиальные барьеры.

4. Циклон-классификатор по п.3, отличающийся тем, что барьеры выполнены с острой кромкой.

5. Циклон-классификатор по п. 1, отличающийся тем, что устройство для ввода воздуха или газовоздушной среды имеет спиральный ввод с входным патрубком, кольцевым выходом, камерой подачи воздуха, которая через кольцевой выход связана с камерой осаждения, расположенной соосно кольцевой щели и над бункером крупной фракции.

6. Циклон-классификатор по п.5, отличающийся тем, что камера подачи воздуха имеет линейно изменяющееся по азимутальному углу сечение.

7. Циклон-классификатор по п.6, отличающийся тем, что в кольцевом выходе установлен завихритель с отклоняющими лопатками.

8. Циклон-классификатор по п.1, отличающийся тем, что бункера крупной и мелкой фракции снабжены тормозными лопатками.

9. Циклон-классификатор по п.1, отличающийся тем, что бункера мелкой и крупной фракции и устройство для ввода воздуха или газовоздушной среды объединены в моноблочный накопитель, представляющий собой нижнюю часть циклона-классификатора.

РИСУНКИ