Циклон для очистки воздуха
Циклон — изобретение предназначеное для очистки воздуха и относится к области транспортного машиностроения, металлургической и химической промышленности. Циклон содержит корпус, входной, выходной патрубки, выхлопную трубу. Выхлопная труба выполнена в виде диффузора, образующего с конусной частью корпуса кольцевой канал. Диффузор выполнен с центральным углом расширения 5-8° и степенью расширения 1,5-2,0, а отношение ширины кольцевого канала к ширине входного патрубка составляет 1,0-1,2. Установочная длина выхлопной трубы внутри корпуса циклона относится к диаметру циклона как 1,15-1,25. Корпус циклона выполнен в цилиндроконическо-цилиндрической форме. Входной патрубок установлен на верхней цилиндрической части корпуса циклона под углом 58-62° к оси корпуса, отношение площади поперечного сечения входного патрубка к площади входного отверстия выхлопной трубы составляет 1,0-1,2. Ширина входного патрубка в 2,4-2,6 раза меньше его высоты и в 4,0-4,5 раза меньше диаметра корпуса циклона. Вход во входной патрубок выполнен в виде косого сечения с углом 15-18° к оси корпуса, а длина входного патрубка посередине наружной стенки его к диаметру корпуса находится в соотношении 0,7-0,9. Данный циклон более производительный и надежный в работе для защиты двигателей внутреннего сгорания транспортных средств при его малом удельном объеме относительно известных конструкций. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области очистки воздуха и может быть использовано для очистки воздуха транспортных средств и компрессоров, в металлургической и химической промышленности, при уборке помещений промышленных зданий и цехов, а также для очистки воздуха в пневмосистемах.
Преимущественное использование предлагаемого изобретения — в воздухоочистительных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств.
Задача надежной защиты ДВС транспортных средств от абразивного износа и создание воздухоочистителей с малыми удельными объемами, в том числе и не требующими периодического обслуживания при преодолении радиационно-зараженной местности, может быть решена за счет создания высокоэффективных малогабаритных циклонов повышенной производительности.
Известны циклоны воздухоочистителей транспортных средств, содержащие корпус, тангенциальный входной патрубок и трубку отвода очищенного воздуха (см. В. Е. Маев и Н.Н. Пономарев. Воздухоочистители автомобильных и тракторных двигателей, М. 1971, стр. 26-31; журнал «Тракторы и сельхозмашины», М. 1962, N 1, с. 8-11).
Известен циклон, содержащий корпус, выполненный из верхней цилиндрической, расширяющейся книзу конической и нижней цилиндрической частей с углом наклона стенок конической части 5-6o (см. авт. св. N 874205, B 04 C 5/08, опубл. в 1974 г.).
Известен также циклон, содержащий цилиндроконический корпус, тангенциальный входной патрубок в цилиндрической части корпуса, пылеотводящий патрубок в конической части и выхлопную трубу, сужающийся конец которой расположен внутри корпуса, при этом конец выхлопной трубы выполнен с увеличивающимся углом сужения (см. а.с. N 768476, B 04 C 5/13, опубл. в 1978 г.).
Практически всем рассмотренным конструктивным схемам присущ общий недостаток — это отсутствие соотношений геометрических размеров, что затрудняет, а порой и исключает возможность разработки оптимальной конструкции циклона.
Основная цель настоящего изобретения — разработать конструктивную схему, сочетающую в себе наиболее прогрессивные, уже имеющиеся и новые конструктивные решения, направленные на создание малогабаритного высокоэффективного циклона повышенной производительности, позволяющего создавать батареи циклонов для малогабаритных воздухоочистителей транспортных средств, и найти наиболее рациональные соотношения геометрических размеров, благодаря которым достигается повышение эффективности очистки воздуха, снижение гидравлического сопротивления, повышается способность плотной компоновки циклонов в батареи без заметного ухудшения оценочных параметров при их совместной работе. При этом повышение эффективности очистки воздуха должно происходить с одновременным исключением попадания в очищенный воздух относительно крупных частиц пыли вследствие рикошета.
Конструкция предлагаемого циклона для очистки воздуха изображена на фиг. 1. Поперечное сечение входного патрубка представлено на фиг.2.
Циклон для очистки воздуха состоит из корпуса 1 цилиндроконической формы, включающего в себя выходной патрубок 2, тангенциального входного патрубка 3 и выхлопной трубы 4, выполненной в виде диффузора с цилиндрическим участком на выходе.
На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения:
D — внутренний диаметр корпуса циклона;
D1 — внутренний диаметр выходного патрубка;
d — внутренний диаметр входного отверстия выхлопной трубы;
d1 — внутренний диаметр выходного отверстия выхлопной трубы;
L — длина корпуса циклона;
L1 — длина верхней цилиндрической части;
L2 — длина конической части корпуса циклона;
L3 — длина выходного патрубка корпуса циклона;
L — установочная длина выхлопной трубы внутри корпуса циклона;
b — ширина входного патрубка;
— угол установки входного патрубка на корпусе циклона;
l1 — длина средней линии наружной стенки входного патрубка;
— угол между плоскостью косого среза входного патрубка и осью циклона;
r — радиус зига.
h1 — высота зига;
1 — центральный угол расширения диффузора.
При использовании предлагаемого циклона по прямому назначению в воздухоочистителях ДВС транспортных средств из этих циклонов собирают батареи. Количество циклонов в батареях определяется значением расхода воздуха двигателями. При изготовлении батарей выхлопные трубы циклонов герметично закрепляются в верхней трубной доске, а выходные патрубки — в нижней трубной доске. Верхняя трубная доска герметично соединяется с коллектором очищенного воздуха, который в свою очередь соединяется со всасывающим коллектором двигателя, а нижняя трубная доска соединяется с пылесборником воздухоочистителя и через него с отсасывающим устройством, например эжектором.
Под действием разрежений, создаваемых двигателем и отсасывающим устройством, запыленный воздух засасывается во входные патрубки 3. За счет тангенциальности входного патрубка запыленный поток воздуха получает закрутку. Вследствие вращательного и поступательного движения потока в низ циклона частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются к стенке корпуса и, вращаясь, стекают в пылесборник. Дополнительная сепарация происходит за счет поворота потока воздуха на 180o и при вращательном движении потока в восходящем вихре до входа потока в выхлопную трубу. Очищенный воздух всасывается в выхлопную трубу и далее в коллектор очищенного воздуха воздухоочистителя.
В предлагаемой конструкции циклона факторы повышения эффективности очистки, снижения гидравлического сопротивления и повышения производительности достигаются следующими техническими решениями.
Следует отметить, что приведенные ниже соотношения геометрических параметров выбраны как наиболее рациональные во всем комплексе повышения характеристик циклона на основании многочисленных расчетно-экспериментальных исследований как однофакторного, так и многофакторного экспериментов, а оценка в конечном счете производилась по наиболее рациональному сочетанию всех геометрических параметров.
Использовав известное решение по выхлопной трубе в виде диффузора, образующего с конической частью корпуса циклона кольцевой канал, авторами были найдены наиболее рациональные диапазоны для выбранной конструкции циклона центрального угла расширения диффузора, равного 5-8o, степени расширения диффузора n = 1,5-2, ширины кольцевого канала, равной (1,0 — 1,2) ширины входного патрубка, а также установочной длины выхлопной трубы внутри циклона, равной (1,15 — 1,25) D. Под степенью расширения диффузора принимается такое общеизвестное в аэродинамике понятие, как соотношение большей площади диффузора к меньшей. В выбранных диапазонах центрального угла и степени расширения диффузора происходит наиболее рациональное восстановление гидравлических потерь в циклоне, следовательно, можно увеличивать расход воздуха через циклон и тем самым уменьшать габариты и повышать эффективность очистки воздуха.
Применение ширины кольцевого канала, равной или более ширины входного патрубка, исключает ударный вход частичек пыли о стенки диффузора и тем самым исключает явление рикошета и снижает гидравлические потери в циклоне.
Установочная длина выхлопной трубы в выбранной формы циклоне имеет свое оптимальное значение и по эффективности очистки и по гидравлическому сопротивлению. Наиболее рациональные пределы могут быть приняты равными 1=(1,15 — 1,25)D. В данном случае и в дальнейшем для сравнения геометрических параметров принят внутренний диаметр корпуса циклона как наиболее часто встречающийся в технической литературе.
По нашему мнению, новым отличительным признаком является и корпус циклона цилиндро-конусно-цилиндрической формы со следующими соотношениями размеров:
Форма корпуса циклона и соотношения размеров, его составляющих, по форме в отношении диаметра корпуса выбраны в зоне наиболее рациональных с точки зрения компоновочных возможностей такого циклона в батарею, получения наиболее плотной компоновки, т.е. минимально возможных объемно-габаритных показателей, и гидравлического сопротивления обтеканию пучка циклонов потоком воздуха, при этом обеспечивается высокая эффективность очистки и низкое сопротивление самих циклонов.
Новыми отличительными признаками, по нашему мнению, обладает циклон и по части входного патрубка.
Во-первых, определен наиболее рациональный для оговоренных выше условий диапазон угла установки входного патрубка на корпусе относительно оси циклона = 58-62o. В данном случае выбиралось наиболее рациональное сочетание эффективности очистки и гидравлического сопротивления исходя из условия, что при увеличении увеличивается гидравлическое сопротивление и повышается эффективность очистки воздуха, и, наоборот, при уменьшении снижается и гидравлическое сопротивление и эффективность очистки.
Обычно в известных конструкциях циклонов площадь проходного сечения входного патрубка равна площади входного сечения выхлопной трубы. У заявляемого циклона это соотношение находится в пределах (1,0 — 1,2) и обусловлено прежде всего тем, что заявляемый циклон предназначен в первую очередь работать с отсосом, т.е. часть воздуха, равная (10-20)% от очищенного воздуха, удаляется (отсасывается) из пылесборника вместе с пылью. При выбранном ранее соотношении ширины кольцевого канала и ширины входного патрубка увеличение площади входного патрубка может быть осуществлено только за счет увеличения его высоты, увеличение проходного сечения входного патрубка выполняется и с целью дальнейшего снижения гидравлических потерь в циклоне.
Для заявленной конструкции циклона наиболее рациональной зоной соотношений геометрических размеров, определяющих площадь проходного сечения входного патрубка, оказались следующие:
В заявляемом циклоне, по нашему мнению, новым отличительным признаком является сама форма входного патрубка.
Общеизвестно, что увеличение длины патрубка приводит к улучшению эффективности очистки, но при компоновке циклонов в батарею длина входного патрубка сильно ограничена, особенно малой длины получается верхняя стенка при использовании наклонно установленного входного патрубка. Для исключения этого недостатка предлагается входной патрубок с косым сечением, который не ограничивает компоновку циклонов в батарею, существенно удлиняет верхнюю часть входного патрубка и не позволяет перекрывать входное сечение соседних циклонов.
При этом для дальнейшего снижения гидравлических потерь в циклоне входной патрубок снабжен входными кромками в виде дуги окружности.
Для заявляемого циклона зоной наиболее рациональных соотношений размеров выявились следующие:
угол косого сечения составляет = 15-18o; l1/D = 0,7 — 0,9.
В связи с тем, что заявляемый циклон преимущественно предназначается для использования в батареях, а одним из наиболее распространенных способов крепления циклонов в трубных досках батарей является развальцовка циклонов, то заявляемый циклон снабжается на выходных цилиндрических частях выхлопной трубы и выходного патрубка зигами со следующими соотношениями геометрических размеров h1:r = 1-1,5
Экспериментально установлено, что увеличение радиуса зига на корпусе циклона за пределы установленных соотношений приводит к ухудшению эффективности очистки вследствие появления рикошета, а уменьшение — к снижению надежности уплотнения и прочности. Геометрические параметры зига на выхлопной трубе приняты теми же, что и на корпусе циклона, в целях унификации.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Циклон для очистки воздуха, содержащий корпус с тангенциальным входным, выходным патрубками и выхлопной трубой, отличающийся тем, что выхлопная труба выполнена в виде диффузора, образующего с конусной частью корпуса кольцевой канал, ширина которого находится в соотношении 1,0 — 1,2 к ширине входного патрубка, при этом центральный угол расширения диффузора составляет 5 — 8°, а степень расширения диффузора 1,5 — 2, причем установочная длина выхлопной трубы внутри корпуса находится в соотношении 1,15 — 1,25 к диаметру циклона, а на выходе выхлопная труба включает в себя цилиндрический участок.
2. Циклон по п.1, отличающийся тем, что корпус циклона выполнен в цилиндроконическо-цилиндрической форме со следующими соотношениями размеров:
где D — внутренний диаметр корпуса циклона;
D1 — внутренний диаметр выходного патрубка;
L — длина корпуса;
L1 — длина верхней цилиндрической части;
L2 — длина конической части;
L3 — длина выходного патрубка.
3. Циклон по п.1 или 2, отличающийся тем, что входной патрубок установлен на верхней цилиндрической части корпуса циклона под углом 58-62° к оси корпуса, площадь поперечного сечения входного патрубка находится в соотношении 1,0-1,2 к площади входного отверстия выхлопной трубы, ширина входного патрубка в 2,4-2,6 раза меньше его высоты и в 4,0-4,5 раза меньше диаметра корпуса циклона, вход во входной патрубок выполнен в виде косого сечения с углом 15-18° к оси корпуса и снабжен кромками в виде дуги окружности, при этом длина входного патрубка по середине наружной стенки входного патрубка находится в соотношении 0,7-0,9 к диаметру корпуса.
4. Циклон по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что цилиндрические части выхлопной трубы и выходного патрубка оснащены зигами.
