RU225932U1

RU225932U1 - Гидроциклон

Info

Publication number: RU225932U1
Application number: RU2024102910U
Authority: RU
Inventors: Александр Альбертович Абрамян; Алексей Альбертович Абрамян
Original assignee: Александр Альбертович Абрамян
Filing date: 2024-02-06
Publication date: 2024-05-14

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для осуществления процессов разделения и классификации суспензий и эмульсий, в частности предназначена для очистки жидкостей от механических примесей под действием центробежных сил. Гидроциклон содержит цилиндроконический корпус, в цилиндрической части которого выполнены входной патрубок и выходной патрубок, соосный с цилиндрической частью корпуса, коническая часть снабжена соплом для выхода твердой фазы. Внутри корпуса выполнен спиральный канал, сообщенный с входным патрубком и образованный внутренней поверхностью стенки корпуса, спиральной направляющей и внешней поверхностью стенки выходного патрубка. Нижняя оконечная часть спиральной направляющей присоединена к стенке корпуса в его конической части. По своему наружному диаметру спиральная направляющая плотно примыкает к внутренней поверхности стенки гидроциклона, а по своему внутреннему диаметру спиральная направляющая плотно примыкает к внешней поверхности стенки выходного патрубка. Технический результат: повышение степени очистки жидкости от механических примесей. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к устройствам для осуществления процессов разделения и классификации суспензий и эмульсий, в частности, предназначена для очистки жидкостей от механических примесей под действием центробежных сил. Полезная модель может быть применены в химической, горнообогатительной, нефтехимической, пищевой промышленности и ряде других отраслей народного хозяйства.

Уровень техники

Известен гидроциклон, раскрытый в авторском свидетельстве СССР №893270 (дата публикации: 30.12.1981). Известный гидроциклон содержит цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком, песковой насадкой и сливным патрубком, расположенную в конической части корпуса спиральную ленту, имеющую концентрический проход. Сливной патрубок снабжен спиралью, наружный диаметр которой размещен на расстоянии от внутренней стенки цилиндрической части корпуса, равном 0,1-0,25 радиуса гидроциклона. Верхний конец спирали закреплен на цилиндрической части корпуса гидроциклона, а нижний - на сливном патрубке, установленном с возможностью осевого перемещения.

Недостаток аналога - низкая эффективность разделения суспензии на жидкую и твердую фазы. Это обусловлено тем, что в цилиндрической части корпуса существует зазор между внутренней стенкой корпуса гидроциклона и спиральной направляющей. Поток жидкости, попадая в область, соответствующую указанному зазору, неизбежно будет стремиться к рассеиванию, что снизит скорость потока в этой области и центробежную силу потока.

Известен гидроциклон, раскрытый в авторском свидетельстве СССР №1115809 (дата публикации: 30.09.1984). Известный гидроциклон содержит цилиндроконический корпус с питающим патрубком, сливной трубкой и песковой насадкой, спиральную направляющую, расположенную по всей ширине корпуса. Корпус снабжен дополнительной спиральной лентой, размещенной под спиральной направляющей и образующей с ней замкнутый спиральный канал, и конической диафрагмой в виде лепестков, кромки которых наложены друг на друга по ходу вращения потока. По внешнему периметру спиральной направляющей выполнены прорези, а лепестки диафрагмы жестко прикреплены верхней своей частью к песковой насадке и оснащены подвижной втулкой с нажимным кольцом.

Известен гидроциклон для очистки крахмальных суспензий от песка, раскрытый в патенте РФ на изобретение №2046668 (дата публикации: 27.10.1995) - прототип. Известный гидроциклон содержит вертикальный полый цилиндрический корпус, имеющий вверху крышку корпуса, питающее сопло, присоединенное к корпусу в его верхней части. Сопло питания размещено так, что поток жидкости направлен тангенциально к вертикальному полому корпусу, вертикальная выводящая трубка слива размещена соосно с корпусом и выведена вверх через крышку корпуса, ленточная направляющая спираль размещена в кольцевом пространстве, прикреплена своим началом к трубке слива между отверстием сопла питания и крышкой корпуса, а своим концом к трубке слива между отверстием сопла питания и соплом песка.

Общий недостаток аналога по авторскому свидетельству №1115809 и прототипа - низкая степень очистки жидкости, содержащей механические примеси, что обусловлено накоплением осажденных твердых частиц указанных примесей на внутренней поверхности стенки конической части корпуса. При этом непрерывный поток поступающей внутрь циклона жидкости захватывает часть накопившихся на стенках частиц и выносит их через канал выходного патрубка. Таким образом, прошедшая через гидроциклон жидкость остается насыщенной примесями.

Раскрытие сущности полезной модели

Техническая задача, положенная в основу настоящей полезной модели, заключается в устранении недостатков прототипа.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в повышении степени очистки жидкости от механических примесей.

В качестве полезной модели заявлен гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, в цилиндрической части которого выполнены входной патрубок и выходной патрубок, соосный с цилиндрической частью корпуса, а коническая часть снабжена соплом для выхода твердой фазы, при этом внутри корпуса выполнен спиральный канал, сообщенный с входным патрубком и образованный внутренней поверхностью стенки корпуса, спиральной направляющей и внешней поверхностью стенки выходного патрубка. В отличие от прототипа, нижняя оконечная часть спиральной направляющей присоединена к стенке корпуса в его конической части.

Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящей полезной модели могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.

В частности, выходной патрубок расположен в пределах цилиндрической части корпуса.

В частности, высота спирального канала превышает длину выходного патрубка.

В частности, направление спирального канала совпадает с направлением потока жидкости при ее поступлении внутрь корпуса гидроциклона.

В частности, по своему наружному диаметру спиральная направляющая плотно примыкает к внутренней поверхности стенки гидроциклона.

В частности, по своему внутреннему диаметру спиральная направляющая плотно примыкает к внешней поверхности стенки выходного патрубка.

В частности, площадь поперечного сечения спирального канала в пределах цилиндрической части корпуса гидроциклона равна или превышает площадь поперечного сечения входного патрубка.

В частности, площадь поперечного сечения спирального канала в пределах цилиндрической части корпуса гидроциклона является меньшей, чем 1,5 площади поперечного сечения входного патрубка.

В частности, длина выходного патрубка превышает по меньшей мере в два раза диаметр поперечного сечения входного канала.

В частности, спиральная направляющая выполнена из абразивостойкого материала.

Настоящая полезная модель раскрывает устройство, составные части которого сопряжены или соединены на предприятии-изготовителе. Предпочтительно части устройства соединены неразборными соединениями и смонтированы в корпусе гидроциклона. Устройство поставляется пользователю в сборе и не требует дополнительных операций по сборке или разборке. Относительное положение составных частей, их соединения и сопряжения приводят к получению законченного самостоятельного устройства, в котором составные части лишены определенного числа степеней свободы. Исключение отдельных узлов из конструкции заявленного устройства, приводит к утрате функциональности и возможности использования по назначению в качестве гидроциклона. Из этого следует, что полезная модель обладает конструктивным и функциональным единством.

Анализ сведений из уровня техники показал, что настоящая полезная модель охарактеризована существенными признаками, совокупность которых является неизвестной из патентной литературы. Это свидетельствует в пользу соответствия полезной модели условию патентоспособности «Новизна».

Настоящая полезная модель создана в соответствии с законами природы и знаниями современной науки о них. Это свидетельствует в пользу соответствия полезной модели условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Настоящая полезная модель проиллюстрирована двумя фигурами:

фиг. 1 иллюстрирует гидроциклон в изометрической проекции;

фиг. 2 иллюстрирует внутреннее строение гидроциклона;

фиг. 3 иллюстрирует пример осуществления гидроциклона, в котором спиральная направляющая не выходит за пределы цилиндрической части корпуса;

фиг. 4 иллюстрирует пример осуществления гидроциклона, в котором спиральная направляющая проходит через цилиндрическую и коническую части гидроциклона.

Осуществление полезной модели

В соответствии с фиг. 1 гидроциклон содержит цилиндроконический корпус, имеющий цилиндрическую часть 1 и коническую часть 2, в которой стенка корпуса сходится под углом в направлении к соплу 3 для выхода твердой фазы. Цилиндрическая часть 1 сообщена с конической частью 2. В частности, цилиндроконический корпус является цельной деталью. В частности, цилиндрическая 1 и коническая части 2 являются раздельными деталями, соединенными между собой герметичным неразъемным соединением, например, сваркой или пайкой. Верхняя часть цилиндрической части 1 имеет крышку 4, являющуюся несъемной частью корпуса. При функционировании гидроциклон должен быть ориентирован таким образом, чтобы цилиндрическая часть 1 корпуса была расположена выше конический части 2 корпуса. Корпус гидроциклона может быть выполнен из металла, сплава, полимерного или композитного материала. Например, в качестве материала для изготовления корпуса может быть использован полиуретан, нержавеющая сталь, алюминий или сочетание этих материалов.

Цилиндрическая часть 1 корпуса снабжена входным патрубком 5 и выходным патрубком 6.

Входной патрубок 5 расположен в верхней части цилиндрической части 1 корпуса и предназначен для подачи загрязненной жидкости или суспензии для их очистки от механических примесей. Входной патрубок 5 может иметь винтовую резьбу для подключения гидроциклона к трубопроводу. При этом наличие резьбы на входном патрубке 5 не обязательно, поскольку гидроциклон может быть подключен к трубопроводу и иным образом. В частности, продольная ось входного патрубка 5, по существу, перпендикулярна продольной оси корпуса гидроциклона. В частности, входной патрубок 5 может иметь наклон, т.е. быть выполненным под углом к продольной оси корпуса гидроциклона.

Выходной патрубок 6 установлен в крышке 4 цилиндрической части 1 корпуса, выполнен соосным с цилиндрической частью 1 корпуса и предназначен для выхода очищенной жидкости. Выходной патрубок 6 может иметь винтовую резьбу для подключения гидроциклона к трубопроводу. При этом наличие резьбы на выходном патрубке 6 не обязательно, поскольку гидроциклон может быть подключен к трубопроводу и иным образом.

В соответствии с фиг. 2 выходной патрубок 6 расположен в пределах цилиндрической части корпуса. В частности, выходной патрубок 6 не пересекает границу между цилиндрической частью 1 и конической частью 2 корпуса.

Внутри корпуса выполнен спиральный канал, образованный внутренней поверхностью стенки 7 корпуса, спиральной направляющей 8 и внешней поверхностью стенки выходного патрубка 6. Спиральный канал проходит через цилиндрическую 1 и коническую части 2 корпуса. Спиральный канал сообщен с входным патрубком 5 так, чтобы поток жидкости, проходящий через входной патрубок 5, попадал внутрь спирального канала. Направление спирального канала при этом совпадает с направлением потока жидкости при ее поступлении внутрь корпуса гидроциклона. В частности, направление потока жидкости может быть представлено направлением движения по часовой стрелке. Спиральная направляющая 8 выполнена в виде спиральной ленты, при этом витки спирали выполнены уплощенными. В частности, спиральная направляющая изготовлена из абразивостойкого материала. Например, в качестве такого материала может быть использован полиуретан. При этом в качестве указанного материала может быть использован любой материал, способный выдерживать высокую абразивную нагрузку.

В частности, первая оконечная часть спиральной направляющей 8 соединена с входным патрубком 5, при этом оконечная часть верхнего витка спиральной направляющей может быть прикреплена к нижней поверхности входного патрубка 5. В частности, первая оконечная часть спиральной направляющей 8 не обязательно соединена с входным патрубком 5, при этом оконечная часть верхнего витка спиральной направляющей может быть расположена ниже уровня нижней части входного патрубка 5.

По своему внешнему диаметру витки спиральной направляющей 8 плотно примыкают к внутренней поверхности стенки 7 корпуса гидроциклона. По своему внутреннему диаметру витки спиральной направляющей, находящиеся в пределах цилиндрической части 1 корпуса, плотно прилегают к внешней стенке выходного патрубка 6. В частности, витки спиральной направляющей 8 примыкают к внутренней поверхности стенки 7 корпуса и внешней поверхности стенки выходного патрубка 6 так, что между витками и указанными стенками отсутствуют зазоры. В частности, спиральная направляющая 8 соединена с выходным патрубком 6 и стенками неразъемным соединением. В зависимости от материала изготовления гидроциклона указанное соединение может быть обеспечено спаиванием, сваркой или сплошным литьем. В последнем случае спиральная направляющая 8 и выходной патрубок 6 представляют собой цельную деталь. Места примыкания витков спиральной направляющей к стенкам выходного патрубка и гидроциклона являются непроницаемыми для потока среды. Иными словами, поток среды не может проникнуть между указанными местами и остается ориентированным по спирали по всей длине спирального канала. Это дополнительно позволяет повысить степень очистки жидкости от твердой фазы, т.к. препятствует рассеиванию жидкости внутри спирального канала.

Вторая оконечная часть спиральной направляющей 8 присоединена к внутренней поверхности стенки корпуса в его конической части. В частности, оконечная часть нижнего витка спиральной направляющей прикреплена к стенке конической части корпуса вблизи сопла выхода твердой фазы. Это позволяет сохранить высокую скорость потока жидкости и противодействовать его рассеиванию с наибольшей эффективностью, в том числе, и в нижней части корпуса. Признак «вблизи» в данном контексте означает, что расстояние между местом присоединения второй оконечной части спиральной направляющей меньше, чем расстояние между указанным местом присоединения и уровнем перехода цилиндрической части корпуса в коническую.

Осевой шаг спиральной направляющей 8 выполнен переменной величины и зависит от площади поперечного сечения спирального канала. Осевой шаг спиральной направляющей 8 подбирают таким образом, чтобы диапазон значений для площади поперечного сечения спирального канала S_сп выражался следующей зависимостью

,

где S_патр - площадь поперечного сечения канала входного патрубка;

S_сп - площадь поперечного сечения спирального канала.

В результате, площадь поперечного сечения спирального канала в пределах цилиндрической части корпуса гидроциклона равна или превышает площадь поперечного сечения входного патрубка 5 и при этом является меньшей, чем 1,5 площади поперечного сечения входного патрубка 5. Указанное выполнение спирального канала позволяет обеспечить его пропускную способность на единицу площади на том же уровне, что и пропускная способность входного патрубка 5, и при прочих равных условиях обеспечить максимальный объем очистки жидкости в единицу времени. При этом в случае, если площадь поперечного сечения спирального канала превысит в 1,5 раза площадь поперечного сечения входного патрубка, то скорость потока жидкости существенно снизится, что снизит эффективность разделения твердой и жидкой фазы.

Высота спиральной направляющей 8 по вертикали L_спир превышает длину выходного патрубка 6 L_{вых патр}. Диапазон значений длины выходного патрубка 6 L_{вых патр} выражается следующей зависимостью

,

где d - внутренний диаметр отверстия входного патрубка.

В результате, длина выходного патрубка 6 превышает по меньшей мере в два раза диаметр поперечного сечения входного патрубка 5. Благодаря такому выполнению обеспечивается формирование и уравновешивание потока жидкости при ее первоначальном попадании в цилиндрическую часть 1 корпуса гидроциклона.

Число витков спиральной направляющей 8 зависит от ее осевого шага и не ограничивается конкретным количеством. В частности, спиральная направляющая 8 может иметь не менее 3 витков. В примере, представленном на фиг. 2, спиральная направляющая 8 имеет 5 витков.

Ограничение рассеивания потока жидкости обеспечивается спиральным каналом.

Сопло для выхода твердой фазы 3 может дополнительно содержать насадку для выброса шлама или шламовую емкость.

Заявленный гидроциклон работает следующим образом.

Очищаемую жидкость через канал входного патрубка 5 подают в цилиндрическую часть 1 корпуса гидроциклона, где поток очищаемой жидкости попадает в спиральный канал. Указанный канал формирует направленное тангенциальное движение жидкости и снижает турбулентность потока. Благодаря этому поддерживается тангенциальная скорость потока на максимальном уровне. Жидкость, находящаяся во всем внутреннем пространстве гидроциклона, вращается вокруг его оси. Вращение поддерживается постоянной циркуляцией жидкости через гидроциклон. Возникшие центробежные силы прижимают плотные механические примеси (твердую фазу, шлам) к внутренней стенке 7 гидроциклона на протяжении всего пути движения жидкости.

При движении жидкости в зоне ниже выходного патрубка 6, очищенная жидкость направляется в канал выходного патрубка 6. Спиральная направляющая 8 в области ниже выходного патрубка 6 предотвращает рассеивание потока жидкости, благодаря чему исключается перемешивание уже отделенных твердых частиц с очищаемой жидкостью. Осажденные твердые частицы под действием силы тяжести направляется вдоль внутренней стенки 7 гидроциклона и нижней части спиральной направляющей вниз в сторону сопла 3 для выхода твердой фазы.

Предложенная конструкция гидроциклона позволяет повысить степень очистки жидкости (суспензии) от механических примесей, при этом с выходного патрубка гидроциклона подается очищенная жидкость, а твердые частицы, содержащиеся в исходной жидкости (твердая фаза суспензии), осаждаются в направлении сопла для выхода твердой фазы.

Преимущества заявленного гидроциклона иллюстрируются следующим примером.

На фиг. 3 представлено схематическое изображение гидроциклона, в котором спиральная направляющая не пересекает границу цилиндрической и конической частей корпуса. В гидроциклоне с такой конструкцией спиральный канал выступает в качестве ограничителя рассеивания потока только в цилиндрической части корпуса.

Вокруг оси гидроциклона поток жидкости, включая содержащиеся в ней твердые частицы, перемещается с угловой скоростью ω. При этом в противоположную сторону от центра вращения направлена центробежная сила F_ц, со стороны внутренней стенки гидроциклона действует сила реакции опоры N₁, сила тяжести mg направлена вниз. Если пренебречь силой трения, то это все силы, действующие на твердые частицы при движении потока жидкости по спиральному каналу внутри корпуса гидроциклона.

Чем выше расход жидкости через гидроциклон, тем выше ее угловая скорость ω, выше центробежная сила F_ц и выше реакция опоры N₁. Направление движения шлама относительно осей Х и Y зависит от направления проекции равнодействующей всех сил на соответствующую ось F_x и F_у, что выражается следующими зависимостями

,

где F_x - проекция равнодействующей всех сил на ось х;

F_у - проекция равнодействующей всех сил на ось у;

ω - угловая скорость движения шлама;

F_ц. - центробежная сила;

N₁ - реакция опоры витков направляющей ленточной спирали в цилиндрической части корпуса гидроциклона;

mg - сила тяжести, где m - масса шлама, g - ускорение свободного падения;

N_1у - проекция силы реакции опоры N₁ на ось Y;

N_1х - проекция силы реакции опоры N₁ на ось Х.

Направление движения шлама направлено вверх при следующей зависимости

При таком соотношении происходит накопление твердых частиц в переходной зоне между цилиндрической и конической частями корпуса гидроциклона. При таких условиях поток очищенной жидкости имеет возможность захватить часть скопившихся твердых частиц на входе в выходной патрубок, что снижает степень очистки жидкости от механических примесей.

На фиг. 4 представлено схематические изображение гидроциклона, в котором спиральная направляющая проходит через цилиндрическую и коническую части корпуса, т.е. такой гидроциклон получен в соответствии с заявленной полезной моделью. В гидроциклоне с такой конструкцией спиральный канал выступает в качестве ограничителя рассеивания потока как в цилиндрической, так и в конической частях корпуса.

Наличие направляющей ленточной спирали в конической части корпуса гидроциклона позволяет реакции опоры N₂ действовать на твердые частицы со стороны нижней стенки витков спиральной направляющей. Наличие силы N₂ приводит к возникновению следующей зависимости

,

где F_у - проекция равнодействующей всех сил на ось Y;

N_1у - проекция силы реакции опоры N₁ на ось Y;

N₂ - реакция опоры витков направляющей ленточной спирали в конической части корпуса гидроциклона;

mg - сила тяжести, где m - масса осажденных твердых частиц, g - ускорение свободного падения.

Исходя из данной зависимости, проекция равнодействующей всех сил на ось у F_y при любом расходе жидкости будет иметь отрицательное значение.

Таким образом, твердые частицы (шлам), сепарируемый от жидкости или суспензии, всегда будет перемещаться вниз в направлении сопла выхода для выхода твердой фазы как под действием гравитации, так и под действием сил реакции опоры со стороны направляющей спирали в тангенциальном потоке, что предотвращает его накопление во всех зонах и снижает возможность его захвата очищенной жидкостью при ее движении в выходной патрубок.

Claims

1. Гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, в цилиндрической части которого выполнены входной патрубок и выходной патрубок, соосный с цилиндрической частью корпуса, коническая часть снабжена соплом для выхода твердой фазы, при этом внутри корпуса выполнен спиральный канал, сообщенный с входным патрубком и образованный внутренней поверхностью стенки корпуса, спиральной направляющей и внешней поверхностью стенки выходного патрубка, причем нижняя оконечная часть спиральной направляющей присоединена к стенке корпуса в его конической части, а по своему наружному диаметру указанная спиральная направляющая плотно примыкает к внутренней поверхности стенки гидроциклона, отличающийся тем, что по своему внутреннему диаметру указанная спиральная направляющая плотно примыкает к внешней поверхности стенки выходного патрубка.

2. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что выходной патрубок расположен в пределах цилиндрической части корпуса.

3. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что высота спирального канала превышает длину выходного патрубка.

4. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что направление спирального канала совпадает с направлением потока жидкости при ее поступлении внутрь корпуса гидроциклона.

5. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения спирального канала в пределах цилиндрической части корпуса гидроциклона равна или превышает площадь поперечного сечения входного патрубка.

6. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения спирального канала в пределах цилиндрической части корпуса гидроциклона является меньшей, чем 1,5 площади поперечного сечения входного патрубка.

7. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что длина выходного патрубка превышает по меньшей мере в два раза диаметр поперечного сечения входного канала.

8. Гидроциклон по п. 1, отличающийся тем, что спиральная направляющая выполнена из абразивостойкого полимерного материала.