Циклон является устройством, предназначенным для очистки воздуха и используемым в транспортном машиностроении, химической и металлургической промышленности. Циклон состоит из корпуса, входного и выходного патрубка, выхлопной трубы. Выхлопная труба изготавливается в виде диффузора, образующего кольцевой канал совместно с конической частью корпуса. Диффузор имеет с центральный угол расширения 5-8° и степень расширения 1,5-2,0, а отношение между шириной кольцевого канала и шириной входного патрубка составляет 1,0-1,2. У выхлопной трубы установочная длина в корпусе циклона относится к диаметру самого циклона как 1,15-1,25. Корпус циклона имеет в цилиндроконическо-цилиндрическую форму.
Входной патрубок смонтирован в верхней цилиндрической части циклона под углом 58-62° по отношению к оси корпуса. Отношение между площадью поперечного сечения входного патрубка и площадью входного отверстия выхлопной трубы составляет 1,0-1,2. Ширина входного патрубка в 2,4-2,6 раза меньше, чем его высот, и в 4,0-4,5 раза меньше, чем диаметр корпуса циклона. Вход во входной патрубок исполнен в виде косого сечения, имеющего угол 15-18° по отношению к оси корпуса, а длина входного патрубка в средней части наружной стенки к диаметру его корпуса находится в соотношении 0,7-0,9. Данный циклон при его довольно малом удельном объеме, по сравнению с другими известными конструкциями, более производителен и надежен в работе в случае применения в целях защиты двигателей внутреннего сгорания средств транспорта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к области воздухоочистки и может применяться для очистки воздуха компрессоров и транспортных средств, для очистки воздуха на объектах химической и металлургической промышленности, во время уборки помещений промышленных объектов и цехов, а также для очистки воздуха в пневматических системах.
Предполагается преимущественное использование предлагаемого изобретения в воздухоочистительных системах, установленных на двигателях внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств.
Задача эффективной защиты ДВС от последствий абразивного износа и создание воздухоочистительных устройств, имеющих малые удельные объемы и не требующих периодического технического обслуживания при пересечении зараженной местности, вполне может быть решена путем разработки высокоэффективных малоразмерных циклонов с повышенной производительностью.
Известны циклоны воздухоочистительных систем транспортных средств, имеющие в своем составе корпус, тангенциально расположенный входной патрубок и трубку вывода 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 также циклон, имеющий корпус с верхней цилиндрической частью, которая конусом расширяется вниз, и нижней цилиндрической частью, имеющей угол наклона стенок в конической части 5-6o (см. авторское свидетельство N 874205, B 04 C 5/08, опубликовано в 1974 г.).
Кроме того, известен другой циклон, имеющий цилиндроконический корпус, тангенциально расположенный входной патрубок, находящийся в цилиндрической части корпуса, пылеотводящий патрубок, находящийся в конической части, и выхлопную трубу, сужающийся конец которой находится внутри корпуса. При этом конец выхлопной трубы изготовлен с постепенно увеличивающимся углом сужения (см. авторское свидетельство N 768476, B 04 C 5/13, опубликовано в 1978 г.).
Практически все рассмотренные конструктивные схемы имеют общий недостаток, который состоит в отсутствии определенных соотношений геометрических размеров, что иногда затрудняет, а иногда и полностью исключает любую возможность разработки оптимальной конструкции циклона.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в разработке конструктивной схемы, сочетающей в себе наиболее прогрессивные уже существующие и совершенно новые конструктивные подходы, направленные на создание высокоэффективного малогабаритного циклона с повышенной производительностью, позволяющего объединять циклоны в батареи, предназначенные для малогабаритных воздухоочистительных систем транспортных средств, и отыскании наиболее рационального соотношения геометрических размеров, которые позволят достичь повышения эффективности в очистке воздуха, снижения гидравлического сопротивления, повышения способности плотной по-батарейной компоновки циклонов без существенного снижения оценочных параметров во время их совместной работы. При этом увеличение эффективности в очистке воздуха должно сочетаться с одновременным воспрещением попадания вследствие рикошета в уже очищенный воздух довольно крупных частиц пыли.
Циклон для очистки воздуха включает в себя корпус цилиндроконической формы, имеющий в своем составе выходной патрубок, тангенциальный входной патрубок и выхлопную трубу, выполненную в виде диффузора, снабженного цилиндрическим участком на своем выходе.
На фиг. 1 и 2 имеются следующие обозначения:
D —диаметр внутренней полости в корпусе циклона;
D1 —диаметр внутренней полости выходного патрубка;
d — внутренний диаметр входного отверстия выхлопной трубы;
d1 — внутренний диаметр выходного отверстия выхлопной трубы;
L — длина корпуса циклона;
L1 — длина верхней части цилиндрической формы;
L2 — длина конуса корпуса циклона;
L3 — длина выходного патрубка на корпусе циклона;
L — установочная длина выхлопной трубы внутри корпуса циклона;
b — ширина входного патрубка;
— угол монтажа входного патрубка на корпусе циклона;
l1 — длина средней линии на наружной стенки входного патрубка;
— угол между плоскостью косого среза входного патрубка и осью циклонной установки;
r — радиус зига.
h1 — высота зига;
1 — центральный угол расширения диффузора.
Во время использования предлагаемого циклона по его прямому назначению в воздухоочистительных системах ДВС транспортных средств данных циклоны объединяют в батареи. Число циклонов в составе батарей определяется объемом воздуха, расходуемого двигателями. При образовании батарей выхлопные трубы циклонных установок герметично крепятся в верхней, а выходные патрубки — в нижней трубной доске. Верхняя трубная доска герметично стыкуется с коллектором очищенного воздуха, который, в свою очередь, стыкуется с всасывающим коллектором двигателя. Нижняя же трубная доска стыкуется с пылесборником воздухоочистителя, через него и с отсасывающим приспособлением, к примеру, эжектором.
Под воздействием разрежений, которые создаются двигателем и отсасывающим устройством, запыленный воздух втягивается во входные патрубки. За счет тангенциального позиционирования входного патрубка содержащий пыль воздух приобретает закрутку. Вследствие вращательного, а также поступательного движения потока, направленного к нижней части циклона, пылевые частицы отбрасываются под воздействием центробежных сил к стенке корпуса и, продолжая вращательное движение, стекают в пылесборник. Дополнительная сепарация обеспечивается благодаря повороту потока воздуха на 180o и вращательному движению воздушного потока в восходящем вихре вплоть до входа данного потока в выхлопную трубу. Очищенный воздух засасывается в выхлопную трубу и далее проходит в коллектор чистого воздуха воздухоочистителя.
В описываемой конструкции циклона факторы увеличения эффективности очистки, уменьшения гидравлического сопротивления и увеличения производительности достигаются с помощью следующих технических решений.
Необходимо отметить, что указанные ниже соотношения геометрических параметров подобраны как наиболее рациональные во всем комплексе улучшения характеристик циклона на основе многократных расчетных и экспериментальных исследований однофакторного и многофакторного экспериментов, а оценка, в конечном счете, производилась на основе рационального сочетания всех геометрических параметров.
Использовав известный вариант решения по выхлопной трубе в виде диффузора, образующего вместе с конической частью корпуса кольцевой канал, авторы подобрали наиболее рациональные диапазоны, при отобранной конструкции циклона, центрального угла расширения диффузора, равного 5-8o, уровню расширения диффузора n = 1,5-2, ширины кольцеобразного канала, равной (1,0 — 1,2) ширины входного патрубка, а также установочной длины для выхлопной трубы внутри циклона, равной (1,15 — 1,25) D. Под степенью расширения диффузора понимается такое известное в области аэродинамики понятие, как соотношение между большей площадью диффузора и меньшей. В подобранных диапазонах центрального угла и уровня расширения диффузора наблюдается наиболее рациональное восстановление гидравлических потерь в полости циклона, что, следовательно, позволяет увеличивать расход воздуха через циклон и тем самым уменьшить габариты и повысить эффективность при очистке воздуха.
Использование ширины кольцевого канала, равной или превышающей ширину входного патрубка, исключает удары частичек пыли о стенки диффузора, чем исключается явление рикошета и обеспечивается снижение гидравлических потерь в циклоне.
Установочная длина выхлопной трубы в циклоне выбранной формы имеет свое оптимальное значение как с точки зрения эффективности очистки, так и с точки зрения гидравлического сопротивления. Наиболее рациональные пределы могут быть равными 1=(1,15 — 1,25) D. В данном конкретном случае и в последующем с целью сравнения геометрических параметров принимается внутренний диаметр корпуса циклона, поскольку он чаще всего встречается в технической литературе.
С нашей точки зрения, совершенно новым отличительным признаком является также и корпус самого циклона конусно-цилиндрической формы со следующими соотношениями его размеров:
Форма корпуса циклона и соотношения составляющих его размеров по форме относительно диаметра корпуса выбраны в диапазоне наиболее рациональных с точки зрения возможностей компоновки таких циклонов в батарею с целью получения наиболее плотной компоновки, т.е. минимально возможных габаритно-объемных показателей, и гидравлического сопротивления обтеканию потоком воздуха пучка циклонов. При этом обеспечивается высокая степень очистки и низкое сопротивление самих циклонов.
Новые отличительные признаки, с нашей точки зрения, имеет циклон и по входному патрубку.
Во-первых, для оговоренных выше условий определен наиболее рациональный диапазон угла монтажа входного патрубка на корпусе по отношению к оси циклона, который находится в пределах от 58 до 62o. В данном конкретном случае подбиралось наиболее рациональное сочетание эффективности очистки и гидравлического сопротивления с учетом условия, что при увеличении возрастают гидравлическое сопротивление и эффективность очистки воздуха, и, наоборот, при уменьшении снижаются гидравлическое сопротивление и эффективность очистки.
Как правило, в уже известных конструкциях циклонов площадь проходного сечения входного патрубка равняется площади входного сечения выхлопной трубы. У описываемого циклона это соотношение находится в интервале (1,0 — 1,2), что обусловлено в первую очередь тем, что описываемый циклон предназначен в основном для работы с отсосом, т.е. часть воздуха, составляющая (10-20)% от очищенного воздуха, выбрасывается (отсасывается) из пылесборника вместе с содержащейся пылью. При выбранном ранее соотношении между шириной кольцевого канала и шириной входного патрубка увеличение площади входного патрубка может быть достигнуто только за счет увеличения его высоты. Увеличение проходного сечения входного патрубка производится также с целью дополнительного снижения гидравлических потерь в самом циклоне.
Для описываемой конструкции циклона самыми рациональными диапазонами соотношений геометрических размеров, определяющих площадь проходного сечения входного патрубка, явились следующие:
В описываемом циклоне, с нашей точки зрения, новый отличительный признак состоит в самой форме входного патрубка.
Известно, что увеличение длины патрубка обусловливает улучшение эффективности очистки, но при объединении циклонов в батарею длина входного патрубка ограничена в значительной степени, особенно малая длина получается у верхней стенки в случае использования наклонно установленного входного патрубка. Во избежание этого недостатка предлагается входной патрубок с косым сечением, который не ограничивает компоновки циклонов в батарею, существенно удлиняет верхнюю часть входного патрубка и не перекрывает входное сечение соседних циклонов.
При этом для последующего снижения гидравлических потерь в циклоне входной патрубок имеет входные кромки в виде дуги окружности.
Для данного циклона зоной наиболее рациональных соотношений размеров явились следующие:
угол косого сечения — 15-18; l1/D = 0,7— 0,9.
Поскольку заявляемый циклон в основном предназначается для применения в батареях, а одним из самых распространенных способов крепления циклонов в трубных досках батарей является развальцовка циклонов, заявляемый циклон снабжается на выходных цилиндрических частях выхлопной трубы и выходного патрубка зигами со следующими соотношениями геометрических размеров h1:r = 1-1,5
Установлено экспериментальным путем, что выход радиуса зига на корпусе циклона за пределы установленных соотношений ведет к ухудшению эффективности очистки вследствие появления явления рикошета, а уменьшение — к снижению надежности прочности и уплотнения. В целях унификации геометрические параметры зига на выхлопной трубе приняты такими же, что и на корпусе циклона.
ФОРМУЛА ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Циклон для очистки воздуха, имеющий корпус с тангенциальным входным, выходным патрубками и выхлопной трубой, характеризующийся 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 в соответствии с пунктом 1, отличающийся тем, что корпус циклона имеет цилиндроконическо-цилиндрическую форму 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 в соответствии с пунктами 1 или 2, характеризующийся 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 в средней части наружной стенки входного патрубка находится в соотношении 0,7-0,9 к диаметру корпуса.
4. Циклон по любому из пунктов с 1 по 3, характеризующийся тем, что цилиндрические части выхлопной трубы и выходного патрубка оснащены зигами.