СЕПАРАТОР И НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Группа изобретений относится к области разделения сыпучих смесей по таким признакам, как вес, аэродинамическая форма частиц и свойства поверхности частиц и может найти применение в сельском хозяйстве при очистке зерна и продуктов его переработки, а также в пищевой, химической, горнорудной, металлургической и строительной отраслях промышленности для разделения сыпучих смесей на фракции.

Из уровня техники известно применение профилированных лопастей для выравнивания воздушного потока после рабочего колеса импеллера [см. SU 1 150409 A, RU 2378028 С1 ].

В документе SU 994052 А1 описан пневматический сепаратор, в котором для выравнивания воздушного потока по ширине трубопровода используется приспособление в виде ротора с лопастями.

В документе DE 1507817 А1 описана конструкция аппарата, в котором вихревой поток выравнивают с помощью конструктивного узла с лопастями и обтекатель. Аналогичные элементы содержит устройство согласно документу CN 102032585 А.

Также из уровня техники известны устройства, содержащие устройства для выравнивания потока воздуха с профилированными лопастями и обтекателем, например описаны в документах SU 1389878 А 1 и UA 101045 С2. Они применяются для разделения потока воздуха вместе с сыпучими продуктами.

ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91 ) ISA/UA Наиболее близким по сути является способ, описанный в патенте UA 70179 U, при котором поток воздуха создают в горизонтальном направлении с помощью вращения импеллера, устраняют вихрь от крыльчатки импеллера с помощью выпрямительного аппарата, ускоряют и меняют направление движения потока воздуха, пропуская его через формирователь потока.

Недостатками известного способа являются:

- низкое качество работы выпрямительного аппарата, по причине плоской формы его лопастей, которые, в отличие от профилированных лопастей, не способны убрать завихрения потока воздуха;

- значительное аэродинамическое сопротивление нагнетателя вследствие образования турбулентных зон за втулкой крыльчатки импеллера, в месте резкого перехода формы нагнетателя от круглой к прямоугольной, а также по причине использования формирователей воздушного потока, которые снижают открытую площадь выхода нагнетателя;

- значительная разница в скорости движения воздуха на выходе из нагнетателя, вызванная смещение потока в сторону завихрения, торможение потока в центре и углах из-за имеющихся зон турбулентности.

Наиболее близким по сути устройством для осуществления указанного способа является устройство для осуществления сепарации сыпучих смесей (см. Патент UA 74087 U), состоящее из корпуса, в котором установлены загрузочное устройство, камера сепарации с отражателем и приемниками готовых фракций с регулируемым входом, соединенная передней частью с рабочим органом, который формирует поток воздуха в горизонтальной плоскости а затем меняет и его направление с помощью формирователя потока, направляющего поток воздуха под необходимым углом к горизонту. Рабочий орган устройства по патенту UA 74087 U содержит электродвигатель, импеллер с крыльчаткой, расположенной на валу электродвигателя, соединенный с электродвигателем выпрямительный аппарат, камеру статического давления и формирователь воздушного потока, установленные последовательно.

Недостатками известного нагнетательного узла является неравномерность потока по сечению и завихренность, сформированного им потока воздуха, который подается в камеру сепарации, что приводит к неоднородности разделенных фракций. Кроме этого, известное устройство характеризуется сложностью конструкции и связанными с этим повышенными затратами электроэнергии.

Необходимость выпрямления потока воздуха в аэродинамических сепараторах возникает вследствие того, что для точного разделения сыпучей смеси на фракции с разным весом частиц необходимо ее пропускание через газовый поток, движущийся линейно, без закручивания, и с одинаковой скоростью по всему сечению потока.

В то же время, созданный импеллером газовый поток является вихревым, то есть закрученным в направлении вращения лопастей. Кроме того, скорость движения созданного импеллером газового потока не является однородной по всему сечению потока, а повышается от его центра к краям. Также газовый поток должен подаваться в камеру сепарации под определенным углом к горизонту, оптимальным для разделения входящих в состав сыпучей смеси частиц на фракции. Таким образом, сформированный импеллером газовый поток является непригодным для обеспечения надлежащего качества сепарации сыпучей смеси. Для обеспечения прямолинейности и одинаковой скорости движения газа или газовой смеси (например, воздуха) по всему сечению потока перед его подачей в камеру сепарации возникает необходимость устранить завихренность потока, уравновесить различные скорости движения газа или газовой смеси по всему сечению потока и направить газовый поток под необходимым углом к горизонту.

Причиной разработки нового нагнетательного узла стали результаты измерений скорости потока воздуха на выходе из нагнетателя известного образца (см. UA 74087 U). По всей плоскости сечения были обнаружены значительные отклонения от расчетной скорости газового потока. В некоторых точках значения скорости потока отличались на 60% от расчетных. Моделирование в программной среде SolidWorks Flow Simulation подтвердило полученные результаты.

Предлагаемой группой изобретений решаются следующие задачи: упрощение конструкции и повышение надежности нагнетательного узла аэродинамического сепаратора; сокращение энергоемкости способа осуществления сепарации, то есть энергозатрат на работу нагнетательного узла и аэродинамического сепаратора в целом; уменьшение веса и габаритов нагнетательного узла сепаратора и аэродинамического сепаратора в целом; обеспечение одинаковой скорости и плотности потока воздуха, выходящего из нагнетательного узла аэродинамического сепаратора по всему сечению потока; повышение степени однородности фракций, разделенных с помощью аэродинамического сепаратора.

Поставленный комплекс задач решается с помощью предложенной группы изобретений следующим образом.

Способ импеллерного нагнетания газа в аэродинамическом сепараторе, в соответствии с которым создают поток газа или смеси газов с помощью вращения импеллера, выпрямляют поток газа или смеси газов и выравнивают его по скорости с помощью выпрямительного аппарата и подают поток в камеру сепарации, характеризуется тем, что поток газа или смеси газов создают путем вращения импеллера и направляют под необходимым углом к камере сепарации путем установки оси вращения импеллера под углом к плоскости горизонта.

После этого, созданный импеллером поток газа или смеси газов разделяют на внутренний и внешний потоки с помощью внутреннего конического кольца выпрямительного аппарата, которое сужается в направлении движения потока газа или смеси газов.

Далее поток газа или смеси газов во внешнем контуре выпрямляют, пропуская его через профилированные лопасти внешнего контура выпрямительного аппарата, и замедляют за счет увеличения площади сечения внешнего контура.

При этом поток газа или смеси газов во внутреннем контуре выпрямляют, пропуская его через профилированные лопасти внутреннего контура, и ускоряют до скорости, равной скорости потока во внешнем контуре, за счет уменьшения площади сечения внутреннего конического кольца и использования обтекателя конической формы, расположенного в центе выпрямительного аппарата соосно с импеллером.

В соответствии с одним из вариантов осуществления способа поток газа или смеси газов создается импеллером, ось которого расположена под углом к плоскости горизонта в диапазоне от более 0 градусов до 60 градусов.

Также, по одному из вариантов осуществления способа форму сечения выпрямленного и выровненного потока газа или смеси газов изменяют с круглой на квадратную или прямоугольную, направляя его через канал подачи газового потока, выполненный в форме конфузора с плавным переходом от круглого сечения в месте соединения канала подачи газового потока с выпрямительным аппаратом к квадратному или прямоугольному сечению в месте выхода потока газа или смеси газов из нагнетательного узла.

Нагнетательный узел аэродинамического сепаратора, предназначенный для осуществления указанного способа, содержит корпус, силовой привод, рабочий орган в виде импеллера, выпрямительный аппарат и канал подачи газового потока и характеризуется тем, что выпрямительный аппарат выполнен в виде устройства, имеющего установленное соосно с импеллером внутреннее коническое кольцо, которое сужается в направлении движения газового потока и образует внутренний и внешний контуры выпрямительного аппарата. Выпрямительный аппарат нагнетательного узла также имеет установленные во внешнем и внутреннем контуре выпрямительного аппарата профилированные лопасти и конусный обтекатель, расположенный в центре внутреннего контура соосно с импеллером.

В соответствии с одним из вариантов выполнения нагнетательного узла, диаметр внутреннего конического кольца определяют в зависимости от соотношения внешнего диаметра импеллера и диаметра его втулки, а также от распределения осевой и тангенциальной скорости потока по радиусу лопасти.

В соответствии с одним из вариантов выполнения нагнетательного узла угол сужения внутреннего конического кольца выпрямительного аппарата определяют в пределах диапазона от 2 до 25 градусов, в зависимости от соотношения внешнего диаметра импеллера и диаметра его втулки. В соответствии с одним из вариантов выполнения нагнетательного узла профиль лопастей, установленных во внутреннем и внешнем контурах выпрямительного аппарата, определяют в зависимости от профиля лопастей импеллера.

В соответствии с одним из вариантов выполнения нагнетательного узла количество лопастей во внешнем контуре выпрямительного аппарата является большей, чем количество лопастей во внутреннем контуре выпрямительного аппарата.

Один из вариантов выполнения нагнетательного узла предусматривает, что угол конуса конусного обтекателя определяется в пределах диапазона от 2 до 25 градусов, в зависимости от соотношения внешнего диаметра импеллера и его втулки, а также от распределения осевой и тангенциальной скорости потока по радиусу лопасти.

В соответствии с одним из вариантов выполнения нагнетательного узла канал подачи газового потока может быть выполнен в виде конфузора, который в области сообщения с выпрямительным аппаратом имеет круглое сечение и плавно переходит в квадратное или прямоугольное сечение на противоположном конце корпуса.

Аэродинамический сепаратор для разделения сыпучих смесей, в котором применены указанные способ и устройство содержит корпус, загрузочное устройство, горизонтальную камеру сепарации с приемниками разделенных фракций и нагнетательный узел, содержащий корпус, силовой привод, импеллер и выпрямительный аппарат и характеризуется тем, что выпрямительный аппарат имеет установленное соосно с импеллером внутреннее коническое кольцо, которое образует внутренний и внешний контуры выпрямительного аппарата, установленные во внутреннем и внешнем контурах выпрямительного аппарата профилированные лопасти и расположенный в центре внутреннего контура соосно с импеллером конусный обтекатель.

В соответствии с одним из вариантов реализации сепаратора угол наклона оси импеллера к плоскости горизонта может быть в диапазоне от более 0 градусов до 60 градусов.

Суть воплощенного в группе изобретений технического решения поясняется чертежами, где: фиг. 1 - нагнетательный узел аэродинамического сепаратора; фиг. 2 - выпрямительный аппарат нагнетательного узла аэродинамического сепаратора; фиг. 3 - аэродинамический сепаратор.

Нагнетательный узел аэродинамического сепаратора (фиг. 1) содержит корпус 1 и установленный соосно привод 2, импеллер 3 и выпрямительный аппарат 4, имеющий внутреннее коническое кольцо 5, профилированные лопасти внутреннего и внешнего контуров 6 и конусный обтекатель 7.

Выпрямительный аппарат (фиг. 2) выполнен в виде устройства, содержащего внутреннее коническое кольцо 5, лопасти внутреннего и внешнего контуров 6 и конусный обтекатель 7.

Аэродинамический сепаратор (фиг. 3) выполнен в виде устройства, содержащего корпус 8, загрузочное устройство 9, камеру сепарации 10, приемники разделенных фракций 1 1 и нагнетательный узел 12.

Принцип работы нагнетательного узла 12 аэродинамического сепаратора заключается в том, что поток газа или газовой смеси создают путем вращения импеллера 3 в соответствующей среде газа или газовой смеси с помощью силового привода 2. На фиг. 1, фиг. 3 для примера в качестве силового привода 2 использован электродвигатель, на валу которого установлен импеллер 3. Однако, в качестве силового привода может быть использован любой силовой привод, способный создавать необходимый крутящий момент и частоту вращения, используя любой имеющийся вид энергии.

Газовый поток направляют в необходимом для сепарации направлении путем направления в соответствующем направлении оси вращения импеллера 3.

По одному из вариантов осуществления способа, поток газа или газовой смеси создается импеллером 3, установленным под углом к горизонтальной плоскости в диапазоне от более 0 градусов до 60 градусов путем установки импеллера 3 под соответствующим углом к горизонтальной плоскости. Это позволяет сформировать газовый поток в оптимальном для осуществления сепарации направлении и устраняет необходимость изменения направления газового потока специальными формирователями потока, которые используются в известных аналогах.

С помощью конического кольца 5, которое образует внутренний и внешний контуры выпрямительного аппарата 4 и имеет форму сопла, создается два контура с переменной площадью поперечного сечения: внешний контур - между коническим кольцом 5 и корпусом 1 нагнетательного узла 12, внутренний контур - между коническим кольцом 5 и конусным обтекателем 7.

Созданный импеллером 3 газовый поток, который является вихревым, то есть закрученным в направлении вращения лопастей импеллера 3, и имеет неоднородную скорость движения газа или газовой смеси по сечению потока, разделяют на внутренний и внешний потоки путем его пропускания через внутренний и внешний контуры выпрямительного аппарата. Такое разделение газового потока обеспечивает возможность по-разному влиять на физические характеристики внутреннего и внешнего потоков.

Газовый поток во внутреннем контуре выпрямляют, превращая тангенциальную составляющую скорости потока в осевую, путем пропускания потока через лопасти внешнего и внутреннего контуров 6 выпрямительного аппарата 4, увеличивая тем самым общий коэффициент полезного действия устройства. Профилированные лопасти выпрямительного аппарата установлены максимально близко к лопастям импеллера.

При этом вариантами реализации устройства предусмотрено, что диаметр основания конуса внутреннего конического кольца 5 определяется в зависимости от диаметра втулки и внешнего диаметра импеллера 3, а также что угол сужения внутреннего конического кольца 5 определяется в пределах диапазона от 2 до 25 градусов. Это обеспечивает получение потока, равномерного по скорости по всему сечению.

Во внутреннем и внешнем контуре выпрямительного аппарата 4 установлены профилированные лопасти 6, которые выпрямляют завихренность газового потока, создаваемого импеллером 3. При этом, один из вариантов реализации устройства предусматривает, что профиль лопастей внутреннего и внешнего контура 6 выпрямительного аппарата 4 определяется в зависимости от соотношения осевой и тангенциальной составляющих скорости потока. Это позволяет сделать поток более равномерным и повысить общий коэффициент полезного действия устройства. Кроме этого, один из вариантов реализации устройства предусматривает, что количество лопастей 6, установленных во внутреннем и внешнем контурах выпрямительного аппарата 4, должно быть разным, (во внешнем контуре больше), что уменьшает сопротивление движению газа через внутренний контур, при достаточной эффективности выпрямительного аппарата в целом.

В центре внутреннего контура выпрямительного аппарата 4, сразу за 5 втулкой крыльчатки импеллера 3 и соосно ей установлен конусный обтекатель 7, выполненный в форме конуса, вершина которого направлена в направлении движения газового потока и который предотвращает срыв потока за втулкой импеллера 3, уменьшает энергетические затраты на осуществление процесса нагнетания газового потока. При этом один из ю вариантов реализации устройства предусматривает, что угол конуса конусного обтекателя 7 определяется в пределах диапазона от 2 до 25 градусов, в зависимости от угла конуса конического кольца 5, что обеспечивает равномерный по скорости поток.

Таким образом, на выходе из выпрямительного аппарата 4 в канал i s подачи газового потока обеспечивается поток газа или газовой смеси, который является линейным, лишенным закручиваний или вихрей и однородным по скорости и давлению по всему сечению.

Также, один из вариантов реализации устройства предусматривает возможность выполнения канала подачи газового потока в виде конфузора,

20 который в области сообщения с выпрямительным аппаратом имеет круглое сечение и плавно переходит в прямоугольное или квадратное сечение на противоположном конце корпуса. Это позволяет сформировать газовый поток прямоугольного или, соответственно, квадратного сечения, что является оптимальным для пропускания через него сыпучей смеси,

25 которую нужно разделить на фракции.

Предлагаемое устройство обеспечивает значительно более высокую равномерность скоростей во всех точках сечения газового потока. Максимальные отклонения скорости составили 5%. Это было подтверждено компьютерным моделированием и фактическим замерам скоростей на рабочих образцах устройства.

Сепаратор для разделения сыпучих смесей (фиг. 3) с применением описанных способа и устройства имеет корпус 8, в котором установлены его конструктивные узлы: нагнетательный узел 12 загрузочное устройство 9, камера сепарации 10 и приемники разделенных фракций 1 1.

Камера сепарации 10 установлена горизонтально и оборудована приемниками разделенных фракций.

Загрузочное устройство 9 сепаратора выполнено в форме бункера, который оснащен устройством для дозирования подачи смеси.

Нагнетательный узел 12 сепаратора характеризуется тем, что он имеет корпус 1, в котором последовательно установлен силовой привод 2, импеллер 3 с возможностью вращения, выпрямительный аппарат 4 и канал подачи газового потока.

Как правило, силовым приводом 2 импеллера 3 является электродвигатель, на валу которого устанавливается импеллер 3. В качестве силового привода 2 также может использоваться любой силовой привод, способный создавать необходимый крутящий момент и частоту вращения, с использованием любого вида энергии.

Выпрямительный аппарат 4 нагнетательного узла 12 сепаратора характеризуется тем, что содержит внутреннее коническое кольцо 5, имеющее форму сопла, то есть сужается в направлении движения газового потока, которое разделяет выпрямительный аппарат на два контура - внутренний и внешний, профилированные лопасти 6, установленные во внутреннем и внешнем контурах, и установленный соосно с импеллером конусный обтекатель 7. Канал подачи газового потока нагнетательного узла 12 может быть выполнен в виде конфузора с плавным переходом от круглого сечения в месте соединения с выпрямительным аппаратом в квадратное или прямоугольное сечение в месте его соединения с камерой сепарации.

По одному из вариантов реализации устройства, нагнетательный узел 12 установлен под углом к горизонтальной плоскости, благодаря чему газовый поток попадает в камеру сепарации 10 под необходимым углом, без необходимости использования дополнительных формирователей газового потока, используемых в аналогичных устройствах.

Новым в предложенном устройстве является конструкция нагнетательного узла 12, установка нагнетательного узла под углом к плоскости горизонта и отсутствие необходимости применения формирователей газового потока.

Использование наклонного нагнетательного узла, плавный переход сечения от круглого к прямоугольному, использование профилированных лопастей выпрямительного аппарата и отсутствие формирователей газового потока значительно сократили потери скорости потока, что позволило снизить потребление энергии в 2-3 раза.