RU2066243C1 - Termohydrocyclone - Google Patents

Abstract

FIELD: it is used in apparatuses for liquid inhomogeneous mixtures serration under action of centrifugal forces. SUBSTANCE: used for separation of inhomogeneous liquids mixture turbohydrocyclone has: cylindrical-conical body with bush and radial blades located between bush and body at inlet and mounted with capability to rotate around its axis with one end - in bearing and another end - using bush is mounted on tenon of swirlier, that has branch-pipe for mixture introduction; several changeable fittings-on for mixture speeding-up, that are directed tangentially to blades at acute angle to plane, that is perpendicular to axis of body; branch-pipe to carry separation light product off with capability to adjust depth of submersion and with screw-type threading at end to stimulate of carrying off Canals between blades are made in the form of diffusers with outlet into stream flattening chamber, behind which lattice is mounted, that has twisted in height blades with twisting elasticity, that rotates stream in direction opposite to direction of body rotation according to rule of constancy of angular and axial speeds of stream by radius. Stream running mode is to the utmost approximated to laminar one At outlet of the body there is flexible spring-loaded nozzle for carrying separation heavy product off. In front of it at the end of conical part of body there is stabilizer, that prevent untwisting of stream in body conical part by Coriolis accelerating forces. Twisting of flexible blades and nozzle through cross-section are engaged with body angular speed so, that twisting rule and stream running mode in body do not change depending on body angular speed, that depends on speed of mixture speeding-up in swirlier fittings-on, that is - on turbohydrocyclone productivity. Between body and swirlier there is gasketing, leakage through which are pumped out into changeable fittings-on. Mixture to create hydrostatic cushions is brought through canals to bearing conjugations to decrease friction forces. EFFECT: improved process. 7 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких неоднородных смесей под действием центробежных сил, в частности для очистки нефтесодержащих сточных вод. The invention relates to devices for separating heterogeneous liquid mixtures under the action of centrifugal forces, in particular for the treatment of oily wastewater.

Известен ряд устройств для разделения жидких неоднородных смесей под действием центробежных сил, в которых решается задача повышения производительности и степени разделения смеси за счет увеличения фактора разделения:
гидроциклон (СССР; а/с N 770551 МКИ В 04 С 11/00), содержащий установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус из ферромагнитного материала с тангенциальным патрубком подачи смеси и патрубками вывода продуктов разделения, статор с электрической обмоткой, приводящий во вращение корпус гидроциклона;
центрифуга с вращающимся циклоном (США; патент N 364 8840 B 04 C 5/0), содержащая установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус с тангенциальным подводом смеси и патрубком отвода продуктов разделения, шкив для привода во вращение корпуса.There are a number of devices for separating heterogeneous liquid mixtures under the action of centrifugal forces, in which the problem of increasing the productivity and degree of separation of the mixture by increasing the separation factor is solved:
a hydrocyclone (USSR; a / c N 770551 MKI B 04 C 11/00) containing a cylindrical conical housing of ferromagnetic material mounted with the possibility of rotation in bearings with a tangential mixture supply pipe and separation products output pipes, a stator with an electrical winding leading to hydrocyclone body rotation;
a centrifuge with a rotating cyclone (USA; patent N 364 8840 B 04 C 5/0), containing a cylindrical conical housing mounted with the possibility of rotation in bearings with a tangential supply of mixture and a branch pipe for separating separation products, a pulley for driving the housing into rotation.

Общим недостатком аналогов является нерациональное, неэффективное использование энергии, расходуемой на разделение смеси. Энергия расходуется на два, одновременно происходящих в гидроциклоне процесса с противоположно направленными воздействиями на смесь; процесс разделения смеси в поле центробежных сил и процесс эмульгирования смеси, следствием чего является не полная реализация возможностей гидроциклона. A common disadvantage of analogues is the inefficient, inefficient use of energy spent on the separation of the mixture. Energy is spent on two processes simultaneously occurring in a hydrocyclone with oppositely directed effects on the mixture; the process of separation of the mixture in the field of centrifugal forces and the process of emulsification of the mixture, the consequence of which is the incomplete realization of the capabilities of the hydrocyclone.

Объясняется это тем, что в гидроциклонах с тангенциальным подводом образуется, кроме поля центробежных сил, поле напряжений сдвига между слоями смеси, которые разрушают диспергированные капли выделяемой из смеси жидкости. Величина напряжений сдвига зависит от вязкости дисперсной среды, скорости струи на входе в гидроциклон, радиуса слоя смеси. Разрушению капли противодействуют силы поверхностного натяжения и способствует величина диаметра капли. Соотношение этих величин можно в целом по аналогии с фактором разрушения назвать фактором сдвига. This is explained by the fact that in hydrocyclones with a tangential inlet, in addition to the field of centrifugal forces, a field of shear stresses is formed between the layers of the mixture, which destroy the dispersed drops of the liquid released from the mixture. The magnitude of shear stresses depends on the viscosity of the dispersed medium, the speed of the jet at the inlet of the hydrocyclone, and the radius of the mixture layer. The destruction of the drop is counteracted by the forces of surface tension and contributes to the size of the diameter of the drop. The ratio of these values can, on the whole, by analogy with the fracture factor, be called the shift factor.

Соотношение интенсивностей двух процессов определяет степень разделения смеси и эффективность использования энергии. При недостаточных центробежных силах и значительных напряжениях сдвига возможна полная эмульгация смеси, при обратном соотношении возможна высокая степень разделения. Поэтому в дальнейшем будем говорить о соотношении двух факторов, как о соотношении интенсивностей двух процессов: разделения и эмульгации. The ratio of the intensities of the two processes determines the degree of separation of the mixture and energy efficiency. With insufficient centrifugal forces and significant shear stresses, complete emulsification of the mixture is possible, with an inverse ratio a high degree of separation is possible. Therefore, in the future we will talk about the ratio of two factors, as the ratio of the intensities of two processes: separation and emulsification.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является гидроциклон (СССР; а/с N 1611454A1; B 04 C 5/103), содержащий установленный с возможностью вращения в подшипниках цилиндро-конический корпус с лопатками, тангенциальные патрубки подвода смеси, патрубки отвода продуктов разделения, выполненные с винтовой нарезкой, и конус, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, с конусностью, обратной конусности корпуса. The closest to the invention according to the technical solution is a hydrocyclone (USSR; a / c N 1611454A1; B 04 C 5/103), containing a cylindrical conical housing with blades mounted for rotation in bearings, tangential mixture supply pipes, separation products discharge pipes, made with screw thread, and a cone mounted for rotation around its axis, with a taper, reverse taper of the housing.

Недостатком прототипа является нерациональное и неэффективное использование энергии, а также сужение диапазона возможностей. The disadvantage of the prototype is the irrational and inefficient use of energy, as well as the narrowing of the range of possibilities.

Объясняется это следующим образом. This is explained as follows.

При повышении производительности гидроциклона растет скорость струи на входе, что приводит к росту факторов разделения и сдвига последнего за счет роста напряжений сдвига и к изменению их соотношения. With increasing hydrocyclone productivity, the inlet jet velocity increases, which leads to an increase in the separation and shear factors of the latter due to an increase in shear stresses and a change in their ratio.

Учитывая возможность увеличения вязкости дисперсной среды и уменьшения силы поверхностного натяжения диспергируемой жидкости, что приводит к дальнейшему росту фактора сдвига, изменение соотношения факторов будет более значительным и резко понизит степень разделения. Для предотвращения этого и для значительного повышения степени разделения у аналогов имеется возможность намного увеличить фактор разделения за счет роста угловой скорости корпуса вне зависимости от производительности. У прототипа такой возможности нет, факторы разделения и сдвига зависят от производительности, поскольку от нее зависят скорость струи на входе и угловая скорость корпуса. Изменение соотношения факторов допускается в ограниченных пределах, причем для смеси определенных жидкостей с заранее заданными вязкостью и силой поверхностного натяжения, поскольку увеличение вязкости дисперсной среды и снижение силы поверхностного натяжения диспергируемой жидкости еще более сузят пределы допускаемого изменения соотношения факторов, т.е. диапазона возможностей гидроциклона. Given the possibility of increasing the viscosity of the dispersed medium and reducing the surface tension of the dispersed liquid, which leads to a further increase in the shear factor, the change in the ratio of factors will be more significant and will sharply reduce the degree of separation. To prevent this and to significantly increase the degree of separation, analogues have the opportunity to significantly increase the separation factor due to the increase in the angular velocity of the housing, regardless of performance. The prototype does not have such an opportunity, separation and shear factors depend on productivity, since the jet velocity at the inlet and the angular velocity of the hull depend on it. A change in the ratio of factors is allowed to a limited extent, and for a mixture of certain liquids with a predetermined viscosity and surface tension, since an increase in the viscosity of a dispersed medium and a decrease in the surface tension of a dispersible liquid will further narrow the limits of the allowable change in the ratio of factors, i.e. range of hydrocyclone capabilities.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования расходуемой на разделение смеси энергии, расширение возможностей гидроциклона в смысле увеличения диапазона изменения производительности, роста степени разделения и возможности применения смесей жидкостей с изменяемыми в широких пределах вязкостью и силой поверхностного натяжения за счет снижения до нуля фактора сдвига, т. е. устранения процесса разрушения диспергируемых капель выделяемой из смеси жидкости (эмульгирования смеси). The objective of the invention is to increase the efficiency of use of the energy consumed for separation of the mixture, expanding the capabilities of the hydrocyclone in the sense of increasing the range of productivity changes, increasing the degree of separation and the possibility of using mixtures of liquids with widely varying viscosity and surface tension due to reduction of the shear factor to zero, t. e. eliminating the process of destruction of dispersible droplets released from the mixture of liquid (emulsification of the mixture).

Решение поставленной задачи достигается тем, что перед входом в полость имеющего возможность вращаться вокруг своей оси цилиндро-конического корпуса турбогидроциклона размещена адаптируемая к угловой скорости корпуса решетка, состоящая из лопаток с крутильной упругостью для закрутки потока относительно корпуса по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, а на выходе тяжелого продукта разделения установлено адаптируемое к угловой скорости корпуса эластичное подпружиненное сопло, причем перед ним в конической части корпуса расположен стабилизатор для предотвращения раскрутки потока на выходе от кориолисовых ускорений. The solution to this problem is achieved by the fact that before entering the cavity of the cylinder-conical turbo-hydrocyclone body that can rotate around its axis, a lattice adapted to the angular velocity of the housing is placed, consisting of blades with torsional elasticity for swirling the flow relative to the housing according to the law of constancy of the radius of angular and axial velocities layers of flow, and at the exit of the heavy separation product, an elastic spring-loaded nozzle adapted to the angular velocity of the casing is installed, and in front of it On the other side of the case there is a stabilizer to prevent unwinding of the flow at the exit from Coriolis accelerations.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что турбогидроциклон отличается наличием адаптируемых к угловой скорости корпуса круговой лопаточной решетки, сопла и стабилизатора, т.е. заявляемый турбогидроциклон соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the turbo-hydrocyclone is characterized by the presence of a circular blade grid body, nozzle and stabilizer adaptable to the angular velocity, i.e. The claimed turbohydrocyclone meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями в данной области техники показало, что в гидроциклонах имеются тангенциальные патрубки подвода смеси, лопатки для восприятия силового воздействия струи с целью вращения корпуса, уплотнение корпуса от утечек, однако неизвестно расположение камеры выравнивания поля скоростей и давлений потока до лопаток, в которую входят диффузорные каналы между лопастями; наличие каналов подвода смеси к подшипниковым сопряжениям для образования гидростатических подушек с целью снижения сил трения; уплотнения с откачкой утечек в сменные насадки подвода смеси, расположение насадок под острым углом к плоскости перпендикулярной оси корпуса. Comparison of the claimed solution with other technical solutions in the art showed that the hydrocyclones have tangential nozzles for supplying the mixture, blades for sensing the force of the jet to rotate the housing, sealing the body against leaks, but the location of the chamber for aligning the velocity field and flow pressures to the blades is unknown , which includes diffuser channels between the blades; the presence of channels for supplying the mixture to bearing joints for the formation of hydrostatic pillows in order to reduce friction; seals with pumping leaks into interchangeable nozzles for supplying the mixture, the location of the nozzles at an acute angle to the plane perpendicular to the axis of the housing.

На фиг. 1 изображен общий вид "Турбогидроциклона"; на фиг.2 развертка продольного цилиндрического сечения турбогидроциклона по среднему диаметру проточного тракта; на фиг.3 межлопаточные каналы круговой лопаточной решетки на корневом диаметре К К; на среднем С С; на периферийном П П; на фиг.4 треугольник скоростей на выходе из завихрителя; на фиг.5 вид сверху по оси на лопатку круговой лопаточной решетки; на фиг.6 треугольники скоростей на выходе из круговой лопаточной решетки на корневом, среднем и периферийном диаметрах; на фиг.7 схема изменения горла межлопаточного канала при раскручивании вокруг продольной оси лопатки круговой лопаточной решетки. In FIG. 1 shows a general view of a “Turbohydrocyclone”; figure 2 scan of a longitudinal cylindrical section of a turbo-hydrocyclone along the average diameter of the flow path; figure 3 interscapular channels of a circular scapular lattice on the root diameter K K; on average C C; on the peripheral P P; figure 4 a triangle of speeds at the exit of the swirl; figure 5 is a top view along the axis of the blade of a circular scapular lattice; Fig.6 triangles of speeds at the exit of a circular scapular lattice on the root, middle and peripheral diameters; 7 a diagram of a change in the neck of an interscapular canal when spinning around a longitudinal axis of a blade of a circular scapular lattice.

Турбогидроциклон для разделения смеси неоднородных жидкостей (фиг.1) состоит из разъемного по длине цилиндро-конического корпуса 1, имеющего возможность вращаться и посаженного с одной стороны в подшипник 2, с другой стороны посредством втулки 3 на шип 4 завихрителя 5, содержащего несколько сменных насадков 6, служащих для разгона смеси, поступающей в завихритель 5 по патрубку 7. Лопастями 8 втулка 3 соединена в единое целое с корпусом 1. За лопастями 8 находится камера 9 для выравнивания потока смеси, за ней на втулке 3 установлена решетка 10, состоящая из закрученных вдоль продольной оси по высоте лопаток 11 (см. фиг.2), обладающих крутильной упругостью вдоль продольной оси. В завихрителе 5 по оси турбогидроциклона на резьбе 12 установлен патрубок 13 для отвода легкой фракции смеси, способный погружаться на определенную глубину с помощью резьбы 12, и оснащенный на заборном конце винтовой нарезкой 14 для стимуляции отвода фракции. Turbohydrocyclone for separating a mixture of inhomogeneous liquids (Fig. 1) consists of a cylindrical-conical housing 1 that is detachable along the length of the cylinder 1, which can rotate and is seated on one side in the bearing 2, on the other hand through the sleeve 3 on the spike 4 of the swirler 5, containing several interchangeable nozzles 6, which serve to disperse the mixture entering the swirl 5 through the nozzle 7. By blades 8, sleeve 3 is connected integrally with the housing 1. Behind the blades 8 there is a chamber 9 for equalizing the mixture flow, behind it on the sleeve 3 there is a grid 10, consisting of box of blades 11 twisted along the longitudinal axis along the height along the height (see FIG. 2), having torsional elasticity along the longitudinal axis. In the swirler 5 along the axis of the turbo-hydrocyclone, a pipe 13 is installed on the thread 12 for removal of the light fraction of the mixture, capable of immersing to a certain depth with the help of thread 12, and equipped with a screw thread 14 on the intake end to stimulate the removal of the fraction.

На выходе корпуса 1 с помощью фланца 15 закреплено сопло 16, выполненное из эластичного упругого материала. В стенки сопла 16 замурованы равномерно распределенные по окружности упругие пластины 17 для обеспечения продольной упругости стенок сопла 16 с грузами 18 для увеличения инертной массы кромок сопла 16. At the outlet of the housing 1 by means of a flange 15, a nozzle 16 is mounted, made of an elastic elastic material. The walls of the nozzle 16 are walled up with uniformly distributed around the circumference elastic plates 17 to provide longitudinal elasticity of the walls of the nozzle 16 with weights 18 to increase the inert mass of the edges of the nozzle 16.

На кромки сопла 16 насажен пружинные механизм 19. Перед соплом 16 на выходе из корпуса 1 в конической части его установлен стабилизатор 20 для предотвращения раскрутки потока от кориолисовых ускорений. Для снижения сил трения при вращении корпуса 1 в подшипнике 2 и на шипе 4 предусмотрены для образования гидростатических подушек в подшипниковых сопряжениях, каналы 21 в завихрителе 5 и 22 в корпусе 1. A spring mechanism 19 is mounted on the edges of the nozzle 16. A stabilizer 20 is installed in front of the nozzle 16 at the outlet of the housing 1 in its conical part to prevent the flow from coriolis acceleration. To reduce the friction forces during rotation of the housing 1 in the bearing 2 and on the spike 4 are provided for the formation of hydrostatic pillows in bearing mates, channels 21 in the swirler 5 and 22 in the housing 1.

Между корпусом 1 и завихрителем 5 имеется лабиринтное уплотнение 23, утечки из которого откачиваются по каналам 24 в насадки 6. Between the housing 1 and the swirl 5 there is a labyrinth seal 23, leaks from which are pumped out through the channels 24 into the nozzles 6.

Турбогидроциклон работает следующим образом. Turbohydrocyclone works as follows.

Смесь подается патрубком 7 в завихритель 5, разгоняется на насадках 6 и струей под углом α₁ к торцу корпуса (как показано на фиг.2, 4) направляется по касательной к среднему диаметру проточной части корпуса 1 (обозначен на фиг. 1 как сечение А А), на лопасти 8 со скоростью С₁. В результате силового воздействия струи корпус 1 вращается с окружной скоростью U₁ на среднем диаметре, при этом смесь с относительной скоростью W₁ входит в каналы между лопастями 8, где она снижает скорость до W₂ за счет диффузорности каналов, попадает в камеру 9, где происходит выравнивание поля скоростей и давлений. Из камеры 9 смесь попадает на решетку 10, состоящую из лопаток 11, закрученных по высоте так (как показано на фиг.5), что между ними образуются конфузорные каналы (показано на фиг.2; 3), причем угол выхода и конфузорность каналов меняется по высоте лопаток 11 от β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{к}}{\text{3}}$ на корневом К К до β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{с}}{\text{3}}$ на среднем С С и β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{п}}{\text{3}}$ периферийном П П диаметрах.The mixture is supplied by nozzle 7 to the swirl 5, accelerates on nozzles 6 and is jetted at an angle α ₁ to the end of the housing (as shown in FIGS. 2, 4) and is tangential to the average diameter of the flowing part of the housing 1 (indicated in FIG. 1 as section A A), on the blade 8 with a speed of C ₁ . As a result of the force impact of the jet, the housing 1 rotates with a peripheral speed U ₁ on an average diameter, while the mixture with a relative speed W ₁ enters the channels between the blades 8, where it reduces the speed to W ₂ due to the diffuser of the channels, enters the chamber 9, where there is an alignment of the velocity and pressure fields. From the chamber 9, the mixture enters the grating 10, consisting of blades 11, twisted in height so (as shown in Fig. 5) that confusor channels are formed between them (shown in Fig. 2; 3), and the exit angle and confuser of the channels change the height of the blades 11 from β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{to}}{\text{3}}$ on the root K K to β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{from}}{\text{3}}$ on average C C and β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{P}}{\text{3}}$ peripheral P P diameters.

Направление выхода каналов противоположно направлению вращения U₁ корпуса 1. Площадь проходных сечений каналов на выходе в сумме значительно меньше кольцевой площади от корня К К до периферии П П, поэтому для проталкивания смеси через решетку 10 необходим перепад давлений на ней. Поток смеси, проходя через решетку 10, закручивается в относительном движении против направления вращения корпуса 1 по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, что как известно из гидравлики, обеспечивает равновесие потока в радиальном направлении.The direction of the exit of the channels is opposite to the direction of rotation U _{1 of the} housing 1. The area of the passage sections of the channels at the output is much smaller than the annular area from the root K K to the periphery of P P, therefore, to push the mixture through the grate 10, a pressure differential is required on it. The flow of the mixture passing through the grate 10 is twisted in relative motion against the direction of rotation of the housing 1 according to the law of constancy in the radius of the angular and axial velocities of the layers of the flow, which, as is known from hydraulics, ensures equilibrium of the flow in the radial direction.

До решетки 10 поток вращается вместе с корпусом 1 с угловой скоростью ω₂ и давление определяется суммой статистического давления, постоянного по радиусу, и переменного давления по радиусу, определяемого полем центробежных ускорений за счет вращения потока, сумма при этом, как видно из вышесказанного, также меняется по радиусу.Prior to the grating 10, the flow rotates together with the housing 1 with an angular velocity ω ₂ and the pressure is determined by the sum of the statistical pressure constant over the radius and variable pressure over the radius determined by the centrifugal acceleration field due to the rotation of the flow, while the sum, as can be seen from the above, also varies in radius.

За решеткой 10 поток закручивается с угловой скоростью ω₃ в относительном движении против направления вращения корпуса 1 и давление определяется также суммой статистического давления, постоянного по радиусу и меньшего по величине, чем статистическое давление перед решеткой 10, и переменного по радиусу давления, определяемого полем центробежных ускорений и меньшего по величине, чем соответствующее давление перед решеткой 10, поскольку абсолютная угловая скорость потока за решеткой 10 меньше угловой скорости потока перед решеткой 10 на величину угловой скорости потока в относительном движении ω₃ за решеткой 10.Behind the grating 10, the flow is twisted with an angular velocity ω ₃ in relative motion against the direction of rotation of the housing 1 and the pressure is also determined by the sum of the statistical pressure constant in radius and smaller in magnitude than the statistical pressure in front of the grate 10 and variable in the radius of pressure determined by the centrifugal field accelerations and smaller in magnitude than the corresponding pressure in front of the grating 10, since the absolute angular velocity of the flow behind the grating 10 is less than the angular velocity of the flow in front of the grating 10 Inu angular velocity relative motion ω ₃ for the grating 10.

Перепад давлений на решетке 10, закрутка и конфузорность каналов между лопатками 11 меняется по радиусу так, что обеспечивают заданный закон закрутки потока в относительном движении за решеткой 10; постоянство по радиусу угловой и осевой скоростей потока. The differential pressure on the grate 10, the twist and confusion of the channels between the blades 11 varies in radius so as to provide a given law of swirling the flow in relative motion behind the grate 10; constancy of the radius of the angular and axial flow velocities.

Как видно из фиг.6, величина скорости потока в относительном движении меняется по радиусу от W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{к}}{\text{3}}$ на корневом до W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{с}}{\text{3}}$ на среднем и W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{п}}{\text{3}}$ периферийном диаметрах, причем величины скоростей таковы, что обеспечивают режим течения потока близким к ламинарному, а окружные составляющие W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{к}}{\text{3и}}$ ; W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{с}}{\text{3и}}$ ; W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{п}}{\text{3и}}$ и осевая составляющая W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{3}}$ согласно закону закрутки потока следуют зависимости

где r радиус слоя потока, что позволяет считать поток вращающимся и поступательно перемещающимся в движение относительно корпуса 1 вдоль оси как единое целое, что предполагает равенство нулю напряжений сдвига между слоями потока. Отсутствие напряжений сдвига и минимальная турбулизация потока позволяют считать фактор сдвига практически равным нулю.As can be seen from Fig.6, the magnitude of the flow velocity in relative motion varies along the radius from W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{to}}{\text{3}}$ on root to w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{from}}{\text{3}}$ on average and w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{P}}{\text{3}}$ peripheral diameters, and the magnitudes of the velocities are such that they provide a flow regime close to laminar, and the peripheral components W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{to}}{\text{3rd and}}$ ; W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{from}}{\text{3rd and}}$ ; W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{P}}{\text{3rd and}}$ and axial component W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{3}}$ according to the law of swirling flow, dependencies follow

where r is the radius of the flow layer, which allows the flow to be considered to be rotating and translationally moving in motion relative to the housing 1 along the axis as a whole, which assumes that the shear stresses between the flow layers are equal to zero. The absence of shear stresses and minimal turbulization of the flow allow us to consider the shear factor to be practically equal to zero.

После решетки 10 поток двигается по цилиндрической части вращающегося корпуса 1, где происходит эффективное разделение смеси за счет достижения фактора сдвига до нуля и максимально возможного фактора разделения при данной скорости струи смеси из насадков 6. Угловая и осевая скорости потока в относительном движении неизмеримо малы по сравнению с угловой и окружной скоростями вращения корпуса 1, а угловая скорость корпуса 1 максимально возможна при этой скорости струй из насадков 6 потому, что режим взаимодействия корпуса 1 и струй из насадков 6 соответствует режиму работы гидротурбины "разнос", когда с нее внешняя работа не снимается и компенсируются только лишь неизбежные потери на трение. After the grating 10, the flow moves along the cylindrical part of the rotating housing 1, where the mixture is effectively separated by achieving a shear factor to zero and the maximum possible separation factor at a given speed of the mixture jet from nozzles 6. The angular and axial flow velocities in relative motion are immeasurably small compared to with the angular and peripheral speeds of rotation of the housing 1, and the angular velocity of the housing 1 is the maximum possible at this speed of jets from nozzles 6 because the interaction mode of the housing 1 and jets from nozzles 6 corresponds to the working water turbine "spacing" when it with external work is not removed and is compensated only unavoidable frictional losses.

За цилиндрической частью корпуса 1, где сохранялись закрутка и режим течения потока, заданные решеткой 10, и произошло полное разделение смеси, поток попадает в коническую часть и полностью смыкается по всему сечению, при этом закрутка и режим течения могут быть несколько нарушены по сравнению с заданными, но это не влияет на эффективность разделения, поскольку разделение полностью завершилось в цилиндрической части корпуса 1 и отделившаяся легкая фракция смеси отведена патрубком 13 за пределы турбогидроциклона. Общий характер закрутки и режима течения потока сохраняется и в конической части корпуса 1. Сдвиговые напряжения исчезающе малы и затраты энергии на работу сил внутреннего трения потока в конической части корпуса весьма незначительны. Behind the cylindrical part of the casing 1, where the swirl and the flow pattern preset by the grill 10 were preserved, and the mixture was completely separated, the flow falls into the conical part and completely closes over the entire cross section, while the swirl and flow pattern can be somewhat disturbed compared to the set , but this does not affect the separation efficiency, since the separation is completely completed in the cylindrical part of the housing 1 and the separated light fraction of the mixture is diverted by the pipe 13 outside the turbo-hydrocyclone. The general nature of the swirl and the flow pattern is preserved in the conical part of the housing 1. Shear stresses are vanishingly small and the energy consumption for the work of the internal friction forces of the flow in the conical part of the housing is very small.

В конической части корпуса 1 установлен стабилизатор 20, представляющий собой ряд равномерно расположенных по окружности, установленных по радиусу пластин, которые на входе конической части корпуса 1 закручены по винтовой линии, совпадающей по направлению с закруткой потока в относительном движении, далее пластины плавно переходят в прямую линию, направление которой совпадает с осью корпуса 1. A stabilizer 20 is installed in the conical part of the housing 1, which is a series of plates evenly spaced around the radius of the plates, which are twisted at the inlet of the conical part of the housing 1 along a helical line coinciding in direction with the flow swirl in relative motion, then the plates smoothly go straight a line whose direction coincides with the axis of the housing 1.

Стабилизатор 20 служит для предотвращения раскручивания потока в конической части при его смыкании за счет кориолисовых ускорений с тем, чтобы после центробежных сил в потоке в конической части корпуса 1 не превысило по уровню давлений поле центробежных сил в потоке в цилиндрической части и не произошло нарушение заданных решеткой 10 закрутки и режима течения потока в цилиндрической части. The stabilizer 20 serves to prevent unwinding of the flow in the conical part when it closes due to Coriolis accelerations so that after centrifugal forces in the flow in the conical part of the housing 1 does not exceed the pressure field of the centrifugal forces in the flow in the cylindrical part and there is no violation of the lattice specified 10 swirls and flow patterns in the cylindrical part.

После конической части корпуса 1 тяжелый продукт разделения проходит через сопло 16, площадь проходного сечения которого согласована с площадью проходного сечения решетки 10 таким образом, чтобы в корпусе 1 состоялись заранее заданные закрутка, режим течения и баланс притока и оттока смеси. After the conical part of the casing 1, the heavy separation product passes through the nozzle 16, the passage cross-sectional area of which is coordinated with the passage cross-sectional area of the grating 10 so that the predetermined swirl, flow regime and balance of the mixture inflow and outflow take place in the housing 1.

При увеличении производительности турбогидроциклона увеличивается и скорость струи из насадков 6-C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ , что вызывает, как видно из треугольника скоростей на фиг.4, пропорциональное увеличение окружной скорости U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ корпуса 1 на среднем диаметре, т.е. угловой скорости и также скорости смеси в относительном движении W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ что позволяет обеспечить необходимое увеличение расхода через каналы между лопастями 8, поскольку геометрия сопряжения завихрителя 5 и корпуса 1 не изменилась (средний диаметр и угол α₁), это позволяет утверждать о наличии пропорциональной зависимости частоты вращения корпуса 1 от производительности.With an increase in turbohydrocyclone productivity, the speed of the jet from 6-C nozzles also increases. $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ , which causes, as can be seen from the velocity triangle in figure 4, a proportional increase in peripheral speed U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ housing 1 on an average diameter, i.e. angular velocity and also the velocity of the mixture in relative motion W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ which allows to provide the necessary increase in flow through the channels between the blades 8, since the geometry of the coupling of the swirler 5 and the casing 1 has not changed (average diameter and angle α ₁ ), this suggests the presence of a proportional dependence of the rotational speed of the casing 1 on performance.

Характер протекания процессов разделения в турбогидроциклоне сохранился таким же, что описано раньше. Стремление сохранить не только закон закрутки потока после прохождения решетки 10, но и режим течения, максимально приближенный к ламинарному при увеличении производительности, потребовало решения задачи о сохранении или во всяком случае незначительном увеличении по необходимости уровня скоростей потока в относительном движении за решеткой 10. The nature of the processes of separation in the turbo-hydrocyclone has remained the same as described previously. The desire to preserve not only the law of swirling the flow after passing through the grating 10, but also the flow regime, which is as close as possible to the laminar one with increasing productivity, required the solution of the problem of maintaining or at least insignificantly increasing, as necessary, the level of flow velocities in relative motion behind the grating 10.

Для этого лопатки 11, закрученные по высоте и обладающие крутильной упругостью относительно продольной оси, под воздействием увеличившейся центробежной силы раскручиваются, как известно из механики, так, чтобы изменение угла выхода с β₃ на β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{3}}$ (см. фиг.7) и выходной площади конфузорного канала с d₂ на d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{2}}$ вызвало, если посмотреть треугольники скоростей на фиг.6, незначительное увеличение относительной скорости потока W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{3}}$ , при увеличении ее осевой составляющей W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{3}}$ ,, соответствующей производительности, при сохранении закона закрутки. Для осуществления этого лопатка 11 должна обладать определенной, заранее заданной характеристикой крутильной упругости в зависимости от центробежной силы, т.е. угловой скорости корпуса 1 или производительности турбогидроциклона.To do this, the blades 11, twisted in height and having torsional elasticity relative to the longitudinal axis, under the influence of the increased centrifugal force are untwisted, as is known from mechanics, so that the change in the exit angle from β ₃ to β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{3}}$ (see Fig.7) and the output area of the confuser channel from d ₂ to d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{2}}$ caused, if you look at the velocity triangles in Fig.6, a slight increase in the relative flow rate W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{3}}$ , with an increase in its axial component W $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{01}}{\text{3}}$ ,, corresponding performance, while maintaining the law of twist. To accomplish this, the blade 11 must have a predetermined torsional elasticity characteristic depending on the centrifugal force, i.e. angular velocity of housing 1 or turbo-hydrocyclone productivity.

Такую характеристику лопатке можно обеспечить специальными мерами: изменением толщины профиля лопатки 11 по высоте, изготовлением ее составной из нескольких пластин, причем число пластин меняется по высоте, прорезями вдоль лопатки 11 и т.п. This characteristic of the blade can be provided with special measures: changing the thickness of the profile of the blade 11 in height, making it composite of several plates, the number of plates changing in height, cuts along the blade 11, etc.

Характер процесса разделения в цилиндрической части корпуса 1 не отличается от ранее описанного за исключением того, что уменьшается время пребывания смеси в турбогидроциклоне за счет увеличения осевой скорости потока, но это обстоятельство не должно сказываться на результатах процесса разделения, поскольку одновременно вырос фактор разделения. После цилиндрической части корпуса 1 поток поступает в коническую, где происходит его смыкание, при этом поток переходит с больших радиусов на меньшие, но раскрутки потоки не происходит, поскольку раскрутку предотвращает стабилизатор 20. The nature of the separation process in the cylindrical part of the housing 1 does not differ from the previously described except that the residence time of the mixture in the turbo-hydrocyclone decreases due to an increase in the axial flow velocity, but this fact should not affect the results of the separation process, since the separation factor has simultaneously increased. After the cylindrical part of the housing 1, the flow enters the conical, where it closes, while the flow passes from large radii to smaller ones, but the flows do not unwind, since the stabilizer 20 prevents unwinding.

Из корпуса 1 поток попадает в сопло 16, которое под воздействием увеличившихся центробежных сил, вызванных увеличением угловой скорости корпуса 1, пропорциональным росту производительности турбогидроциклона, увеличивает площадь проходного сечения в соответствии с требованием сохранения закрутки, режима течения и баланса притока и оттока смеси в корпусе 1. Происходит это следующим образом: давление потока и воздействие центробежных сил грузов 18, пластин 17, стенок самого сопла 16, с одной стороны, преодолевают силу упругости пластин 17, стенок сопла 16 и силу противодействия пружинного механизма 19, с другой стороны, силовая характеристика которого зависит от угловой скорости, а значит и от производительности, заранее задана (что возможно обеспечить специальными мерами известными из механики) и раскрывает горло сопла 16, увеличивая его площадь на необходимую величину. From the housing 1, the flow enters the nozzle 16, which, under the influence of increased centrifugal forces caused by an increase in the angular velocity of the housing 1, which is proportional to the growth of the turbo-hydrocyclone productivity, increases the flow area in accordance with the requirement to preserve the swirl, flow regime, and balance the flow of the mixture in and out in housing 1 This happens as follows: the flow pressure and the action of the centrifugal forces of the cargo 18, the plates 17, the walls of the nozzle 16, on the one hand, overcome the elastic force of the plates 17, the wall to the nozzle 16 and the reaction force of the spring mechanism 19, on the other hand, the power characteristic of which depends on the angular velocity, and therefore on the performance, is predetermined (which can be provided by special measures known from mechanics) and opens the throat of the nozzle 16, increasing its area by necessary size.

Использование изобретения позволяет значительно повысить производительность, степень разделения и расширить диапазон возможностей турбогидроциклона по разделению смесей жидкостей с изменяемыми в широких пределах вязкостью и силой поверхностного натяжения, а также рационально и эффективно использовать расходуемую энергию, поскольку на работу турбогидроциклона не оказывает никакого практического влияния фактор сдвига (близок или равен нулю), а фактор разделения, как показывают предварительные расчеты, может достигать величины 5000 10000 и определяется только скоростью струи из насадков 6, ограничиваемой по соображениям предупреждения кавитации. The use of the invention allows to significantly increase the productivity, degree of separation and expand the range of capabilities of a turbohydrocyclone for separating mixtures of liquids with widely varying viscosity and surface tension, as well as to rationally and efficiently use the energy consumed, since the shift factor does not have any practical effect on the operation of the turbohydrocyclone ( close or equal to zero), and the separation factor, as shown by preliminary calculations, can reach 5000 100 00 and is determined only by the speed of the jet of nozzles 6, limited for reasons of preventing cavitation.

На практике фактор разделения у гидроциклонов достигает величины 500 - 2000 при довольно значительной величине фактора сдвига. In practice, the separation factor for hydrocyclones reaches 500–2000 with a rather significant shear factor.

Claims (1)

Турбогидроциклон, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндроконический корпус с лопастями, тангенциальный подвод смеси, патрубок отвода легкого продукта разделения с винтовой нарезкой, установленный с возможностью регулирования по глубине погружения, завихритель со сменными тангенциальными насадками, отличающийся тем, что установлены адаптируемые к угловой скорости корпуса решетка из лопаток с крутильной упругостью перед входом в полость корпуса, закручивающая после себя поток в направлении, противоположном вращению корпуса по закону постоянства по радиусу угловой и осевой скоростей слоев потока, и эластичное подпружиненное сопло на выходе тяжелого продукта, стабилизатор для предотвращения раскрутки потока от кориолисовых ускорений, и камера выравнивания потока, в которую выходят диффузорные каналы между лопастями, каналы подвода смеси к подшипниковым сопряжениям для образования гидростатических подушек для снижения сил трения, уплотнение с откачкой утечек в сменные насадки, установленные под острым углом к плоскости, перпендикулярной оси корпуса. A turbohydrocyclone comprising a rotatable cylindrical housing with blades, a tangential mixture supply, a discharge pipe for a light separation product with screw thread, mounted with adjustable depth of immersion, a swirl with interchangeable tangential nozzles, characterized in that a grill adapted to the angular speed of the housing is installed of blades with torsional elasticity in front of the entrance to the cavity of the body, swirling after itself the flow in the opposite direction of the housing according to the law of constancy in the radius of the angular and axial velocities of the flow layers, and an elastic spring-loaded nozzle at the exit of the heavy product, a stabilizer to prevent the flow from coriolis accelerations, and a flow equalization chamber into which diffuser channels between the blades exit, channels for supplying the mixture to the bearing mates for the formation of hydrostatic pads to reduce friction, sealing with pumping leaks into replaceable nozzles installed at an acute angle to a plane perpendicular to the axis of the core pusa.

Images