Повітряний сепаратор відцентрової дії

Изобретение относится к сепараторам, предназначенным для сепарирования потока твердых частиц во взвешенном состоянии в потоке газа, размеры которых превышают заранее определенную величину. Известны сепараторы, имеющие направляющие лопатки, расположенные по цилиндрическим образующим с вертикальной осью и предназначенные для сообщения потоку, проникающему в этот цилиндрический объем, вращательного движения вокруг оси цилиндра, ротор, помещенный внутрь указанного цилиндра, ось которого совпадает с осью цилиндра и который снабжен вертикальными лопатками, равномерно распределенными по периферии, и центральное выходное отверстие, расположенные над или под ротором и там, где засасывается поток газа с частицами, размеры которых меньше заранее определенной величины. В сепараторах такого типа взвешенные в потоке газа частицы подвергаются воздействию двух противоборствующи х сил: центробежной силе, возникающей в результате вращательного движения, и увлекающей силе, обусловленной центростремительным потоком газа к центральному выходному отверстию. Сепарация крупных частиц выполняется на уровне внешней цилиндрической поверхности ротора. Если распределение потока газа по всей высоте турбины однородно, имеется лишь один критический диаметр или диаметр отсечки, соответствующий частице в равновесии на внешней поверхности ротора. Частицы с диаметрами больше критического отбрасываются к направляющим лопаткам центробежной силы и падают под воздействием гравитации в сборных бункер, размещенный над лопатками, тогда как частицы с диметром меньше критического увлекаются газовым потоком через ротор к центральному отверстию. В известном аппарате ротор снабжен лопатками малой ширины, расположенными на периферии и в рабочем режиме в центре ротора формируется вихрь, в котором рассеивается заметная часть кинетической энергии потока газа. В качестве прототипа заявляемого изобретения принят воздушный сепаратор центробежного действия, включающий кожух в виде тела вращения, расположенный в нем ротор с периферийными лопатками, установленные вокруг ротора с возможностью поворота на вертикальной оси направляющие лопатки, приспособление для введения исходного материала, патрубки для отвода тяжелых частиц и отвода потока газа с частицами размером менее заранее определенного размера и расположенный под направляющими лопатками коаксиально кожуху и сообщенный со вспомогательным патрубком отвода тяжелых частиц бункер в виде обратного конуса (Авт.св. №55237, кл. B07B7/083, 1939). Недостатком известного изобретения является наличие турбулентного потока между направляющими лопатками и ротором, что приводит к существенным потерям кинетической энергии газового потока. Для компенсации этих потерь и обеспечения оптимального режима сепарирования необходимо увеличивать мощность приводного двигателя, что делает процесс сепарации неэкономичным в виду большого расхода энергии. В основу изобретения поставлена задача улучшения характеристик и снижения расхода энергии воздушного сепаратора центробежного действия путем снабжения его дополнительными лопатками и выбора их оптимальной формы и месторасположения, что обеспечивает направление потока газа от периферийных лопаток к центральному выходу ротора и уменьшение его скорости, исключая тем самым возникновение турбулентности вн утри ротора и потерю полезной энергии газового потока. Поставленная задача решается тем, что воздушный сепаратор центробежного действия, включающий кожух в виде тела вращения, расположенный в нем ротора с периферийными лопатками, установленные вокруг ротора с возможностью поворота на вертикальной оси направляющие лопатки, приспособление для введения исходного материала, патрубки для отвода тяжелых частиц и отвода потока газа с частицами размером менее заранее определенного размера и расположенный под направляющими лопатками коаксиально кожуху и сообщенный со вспомогательным патрубком отвода тяжелых частиц бункер в виде обратного конуса, согласно изобретения, снабжен установленными на роторе между периферийными лопатками и его осью дополнительными лопатками для направления потока газа от периферийных лопаток к центральному выходному отверстию ротора. При этом дополнительные лопатки распределены по всей высоте ротора расположены в радиальных плоскостях или наклонены по отношению к этим плоскостям. Кроме того, сепаратор снабжен приспособлением регулирования и стабилизации скорости вращения ротора посредством ориентации направляющих лопаток, при этом сам ротор установлен на валу с возможностью свободного вращения. Периферийные лопатки ротора профилированы с образованием между лопатками расширяющихся к оси ротора каналов, а приспособление для введения исходного материала выполнено в виде расположенного в нижней части кожуха патрубка, коаксиального кожуху, при этом верхняя часть патрубка расположена внутри кожуха и образует с ним кольцевой объем, сообщенный с патрубком отвода тяжелых частиц. Сепаратор также снабжен одним или несколькими кольцевыми дефлекторами, закрепленными на бункере выше верхнего торца патрубка введения исходного материала. Центральная часть концевой стенки ротора, противоположной выходному центральному отверстию, выполнена в форме усеченного конуса или близкой к конусу поверхности вра щения. Кроме того, сепаратор снабжен дополнительным патрубком для введения исходного материала, при этом выходное отверстие этого патрубка расположено над ротором. Благодаря введению второго набора лопаток значительная часть кинетической энергии газового потока используется для поворота ротора, что позволяет уменьшить мощность приводного двигателя. В некоторых условиях применения возможно даже устранить двигатель, поскольку скорость ротора, от которого зависит диаметр отсечки, подстраивается регулировкой ориентации направляющих лопаток. Для увеличения точности отсечки придают каналам, ограниченным периферийными лопатками ротора, сечение, которое растет от внешней стороны ротора к внутренней так, чтобы центробежная сила и сила тяги, действующие на зерна, диаметр которых равен диаметру отсечки, уравновешивались на всей длине указанных каналов. Как и во всех аппаратах такого типа, направляющие лопатки и ротор заключены в кожух, который образует вокруг направляющих лопаток кольцевую камеру, в которую поступает газовый поток и в случае необходимости сортируемый материал. Газовый поток может поступать в эту камеру по касательной или параллельно оси и аппарата в нижней части. Сырье может быть взвешено в газовом потоке перед входом в камеру или вводится раздельно через верхнюю часть между ротором и направляющими лопатками, эти два варианта запитывания могут также использоваться одновременно. Бункер в форме перевернутого конуса помещается над ротором и направляющими лопатками для сбора частиц, размеры которых превышают диаметр отсечки, кожух имеет форму тела вращения концентричен по отношению к ротору и окружает указанный бункер, образуя вокруг него проход кольцевого сечения, вертикальный канал соединен с основанием указанного кожуха под бункером и коаксиален с ним для подвода газового потока с частицами для сортировки в камеру через указанный проход, в плоскости, где канал примыкает к указанному кожуху, диаметр последнего превышает диаметр канала так, чтобы газ с частицами подвергался на входе в кожух расширению, благоприятствующему падению тяжелых частиц на дно кожуха. Указанный канал может продолжаться вверх над дном кожуха и образовывать с ним кольцевой объем, где будут собираться крупные частицы, сепарированные потоком воздуха в созданной таким образом зоне расширения, причем дно кожуха наклонено и снабжено в самой низкой точке отверстием для эвакуации частиц. На внешней стороне бункера для отклонения газового потока и стимуляции сепарации больших частиц могут быть закреплены одни или несколько дефлекторов, образованных плоскими или в форме усеченного конуса кольцевыми элементами. На фиг.1 изображен сепаратор, вертикальное сечение; на фиг.2 - то же, горизонтальное сечение; на фиг.3 прямое сечение двух лопаток ротора аппарата. Сепаратор имеет кожух 1, образующий корпус аппарата и образованный из верхней цилиндрической части, промежуточной части в форме перевернутого усеченного конуса из нижней цилиндрической части, соединяющейся с малым основанием усеченного конуса, и из наклонного дна, имеющего в своей самой нижней точке эвакуационное отверстие 2. Впускной канал 3 газа, загруженного частицами, которые необходимо отсортировать, пересекает дно кожуха и продолжается вверх приблизительно до плоскости соединения промежуточного и нижнего участков. Канал 3 располагается коаксиально кожуху, а его конец расширяется. В своей верхней части кожух закрыт крышкой 4, имеющей центральное отверстие, к краю которого присоединен канал 5 для эвакуации газов. Ротор 6 помещается в верхней части кожуха коаксиально с ним. Он крепится на нижнем конце вертикального вала 7,установленного с помощью подшипников качения в трубчатом суппорте 8, закрепленном на крышке 4. Вал 7 соединен с группой 9 управления (двигателем) переменной скорости, обеспечивая вращение ротора с требуемой скоростью. Ротор 6 имеет большое число вертикальных направляющих лопаток 10, равномерно расположенных по периферии. Нижние и верхние концы лопаток закреплены соответственно на дне 11, образованном плоскими кольцом и центральным усеченным конусом, жестко связанным с валом 7, и на кольце 12. Соединение с перегородкой 13, жестко связанное с крышкой 4, обеспечивает герметичность между последней и ротором. Лопатки 10 допускают в качестве плоскости симметрии плоскость, содержащую ось ротора, а каналы, выполненные между лопатками, имеют ширину, которая растет с внешней стороны ротора к внутренней (L1 < L2) так, что центробежная сила и сила тяги, действующая на частицу с критическим диаметром (диаметр отсечки), уравновешены практически на всей длине каналов. Обозначая как Fc1, Ft1 - центробежные силы и силу тяги на входе в канал, a Fc2, Ft2 - силы на выходе из канала, можно выразить этом условие работы в виде соотношений: Fc1 = Ft 1 и Fc2 = Ft 2 Профиль лопаток 10 может быть легко определен на основе этих математических формул, выражающих равенство центробежных сил и силы тяги, действующи х на частицу с заданными плотностью и диаметром, с заданной скоростью ротора. Условия равновесия могут быть удовлетворены с профилем лопаток, заданным для различных диаметров отсечки, согласуя различные скорости вращения ротора. Вместо радиального расположения лопатки 10 могут образовывать угол с радиальными плоскостями, причем ширина каналов, ограниченных лопатками, постепенно растет с внешней стороны к внутренней. Ротор имеет набор дополнительных лопаток 14, расположенных между лопатками 10 и осью ротора. В представленном примере лопатки 14 выполнены из плоских листов, расположенных в вертикальных плоскостях, содержащих ось ротора, и закрепленных на центральной части в виде усеченного конуса дна 11 и на верхнем кольце 12. Функция дополнительных лопаток 14 состоит и в предотвращении формирования вихря внутри ротора и позволяет рекуперировать значительную часть энергии газового потока, пересекающего ротор. Лопатки 14 могут быть наклонены и/или образуют угол с плоскостями, содержащими ось ротора, причем они могут также быть профилированы как лопатки турбины. Ротор, образованный таким образом, подобен ротору центробежного компрессора, который работает в приемных турбомашинах, отбирающих энергию от потока сплошной жидкости для ее преобразования в механическую энергию. Такая конструкция ротора позволяет устранить вихрь, который формируется внутри ротора, если бы он был лишен лопаток 14 и, следовательно, рекуперировать энергию, которая иначе была бы потеряна в вихре, и посредством снижения скорости газа уменьшить абразивный износ и потери давления. Ротор окружен круговыми рядами вертикальных периферийных лопаток 15, равномерно расположенных вокруг ротора. Эти лопатки снабжены по концам цапфами 16, размещенными в отверстиях верхнего кольца 17, закрепленного на верхнем конце кожуха и нижнего кольца 18, установленного на верхнем крае бункера в виде усеченного конуса 19, помещенного под ротором на участке в виде усеченного конуса кожуха, и поддерживаемого лапами 20, закрепленными на кожухе. Верхние цапфы снабжены рычагами 21, связанными между собой кольцевой арматурой так, чтобы при любой ориентации все лопатки 15 образовывали один и тот же угол с соответствующей радиальной плоскостью. Привод воздействием на кольцевую арматуру позволяет регулировать на расстоянии ориентацию лопаток 15. На бункере 19 установлены дефлекторы 22 для улучшения сепарации. Сепаратор снабжен также каналами 23 для эвакуации частиц из бункера 19 и дополнительным входом 24 для введения сортируемых частиц. Сепаратор работает следующим образом. Поток газа с частицами для сортировки подается снизу вверх по каналу 3. Когда поток достигнет верхнего конца канала 3 он подвергается внезапному расширению вследствие значительной разницы диаметров канала 3 и кожуха 1, который его окружает на этом уровне. Отсюда следует уменьшение скорости газа, что позволяет наиболее крупным частицам падать на дно кожуха в кольцевое пространство, выполненное между верхним каналом 3 и кожухом 1, и быть отведенными через отверстие 2. Один или несколько дефлекторов 22 могут быть установлены на бункере 19 над каналом 3 для улучшения этой сепарации. Затем поток газа поднимается по верхней части кожуха 1, сохраняя скорость практически постоянной, вытекает между периферийными лопатками 15, которые сообщают ему круговое движение, и проникает в ротор через каналы, выполненные между направляющими лопатками 10. Частицы, размеры которых меньше диаметра отсечки, увлекаются в ротор газовым потоком и отводятся с ним через канал 5, который связан с устройством всасывания вентилятора через пылеулавливатель, обеспечивающий сепарацию частиц газового потока. Частицы, размеры которых превышают диаметр отсечки, удерживаются с внешней стороны ротора центробежными силами и падают под воздействием гравитации в бункер 19 через кольцевое окно, выполненное между ротором и кольцом 18. Если одна из этих крупных частиц случайно проникнет в каналы ротора, она будет отброшена во вне, поскольку профиль этих каналов обеспечивает, чтобы центробежная сила, действующая на такую частицу, превышала тянущую силу по всей длине канала. Частицы, собранные в бункере 19, эвакуируются через канал 23. Часть сортируемых частиц может быть введена через один или несколько входов 24, расположенных над кольцом 12 ротора, и отброшена центробежной силой к юбке, окружающей кольцо 12, для падения, затем в пространство между лопатками 15 и ротором, и введены в газовый поток, циркулирующий в поперечном направлении. Диаметр отсечки зависит (для заданного расхода газа) от скорости вращения ротора. Она поддерживается на уровне выбранного значения регулированием скорости двигателя 9. Поскольку мощность, переданная ротору газовым потоком, который его пересекает, может превышать мощность, которая необходима для его вращения с номинальной скоростью, двигатель 9 должен иметь возможность работать в режиме торможения с регулированием скорости. Ориентация лопаток 15 в зависимости от скорости ротора регулируется таким образом, чтобы касательная составляющая скорости газа и частиц на периферии ротора была бы равна периферийной скорости ротора. Эта регулировка может быть выполнена вручную или автоматически. Это мероприятие позволяет предотвратить удары частиц с лопатки ротора и получить однородную скорость жидкости на всей ширине каналов между лопатками ротора. В некоторых случаях возможно устранить двигатель 9 и установить ротор холостым образом. В этом случае ротор удерживается при номинальном значении скорости вращения, соответствующем выбранному диаметру отсечки, регулировкой ориентации лопаток 15. Эта возможность приводит к значительной экономии, поскольку она позволяет не только устранить двигатель привода ротора, но и использовать более легкую конструкцию суппорта для ротора. Вместо того, чтобы подводить поток газа по оси снизу, это можно делать тангенциально в кожухе на уровне лопаток 15. Увеличение прямого сечения от входа до выхода каналов, выполненных между лопатками ротора, выполняется исключительно увеличением их ширины. Можно рассмотреть также рост их высоты, заменяя периферийную плоскую часть диска (дно 11) и плоское кольцо 12 конусообразными кольцами, используя их большую базу.