Таблица 5.4

Фракционные коэффициенты очистки жалюзийного пылеуловителя вти

d, мкм	10	15	20	25	30	40	50	60
ф, %	47	63	78	86,5	91,3	94,8	96,5	97,7

Таблица 5.5

Влияние степени отсоса на коэффициент очистки для жалюзийных пылеуловителей

Степень отсоса, %	Коэффициенты очистки , %
10	50	55	60	65	70	75	80	85
20	61	65	70	74	77	81	85	89

На коэффициент очистки большое влияние оказывает степень отсоса (табл. 5.5).

Центробежные пылеуловители. К устройствам, использующим центробежные механизм осаждения (центробежные пылеуловители) относятся одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители.

Циклоны. Выделение пыли в циклонах происходит под действием центробежных сил, возникающих в результате вращения газового потока в корпусе аппарата. Несмотря на большое многообразие конструкций циклонов, его классический вариант содержит следующие составные части: цилиндрическая часть 3 с крышкой и тангенциальным патрубком для ввода запыленного газа 1; коническая часть 4 с патрубком для отвода пыли; центральную трубку с патрубком 2 для отвода очищенного газа; пылесборник 5 (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Схема работы циклона:

1 — входной патрубок; 2 — выхлопная труба; 3 — цилиндрическая часть; 4 — коническая часть; 5 — бункер

Запыленный газ поступает в циклон по тангенциально расположенному патрубку 1 со скоростью 14–25 м/с, в результате чего он приобретает вращательное движение. Совершив 2–3 оборота в кольцевом зазоре между цилиндрической частью 3 и выхлопной трубой 2, газ винтообразно опускается вниз, причем в конической части аппарата 4, вследствие уменьшения диаметра, скорость вращения потока увеличивается. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона, благодаря чему основная масса пылевых частиц сосредотачивается в потоке газа, движущегося в непосредственной близости от стенок аппарата.

В цилиндрической части циклона 3 статическое давление, как и в каждом искривленном течении, сильно падает в направлении от периферии к центру. В основном потоке направленные во внутреннюю сторону сжимающие усилия, приходят в равновесное состояние с центробежными силами. Однако у конической стенки 4 и у его крышки начинает уже сказываться перепад давления, сжимающее поток усилие становится значительно больше центробежной силы, и поток в виде сильного вторичного вихря направляется внутрь, захватывая с собой много частиц пыли. Этот вихрь движется по спирали вниз, отбрасывая ранее увлеченные частицы обратно к стенке. Вторичный поток, искривленный вдоль конической стенки, захватывает отброшенную к стенке пыль и направляет ее вниз к бункеру 5. Без этого потока отдельные частицы, находящиеся у стенки, не смогли бы попасть вниз, поскольку направленная вверх составляющая центробежной силы является большей по сравнению с силой тяжести. О большом влиянии вторичного потока свидетельствует тот факт, что пыль выносится из лежащих и даже перевернутых циклонов. В бункере вследствие сужения в месте соединения газовый поток циркулирует слабее, чем в цилиндрической камере. Однако и в этом случае на оси вихрь имеет пониженное давление. Часть вторичного потока цилиндрической камеры в бункере перемещается вниз и вновь возвращается в ядро вихря. Благодаря этому, уже осажденная пыль может быть вновь захвачена и вынесена в район оси вихря.

Таким образом, в циклоне протекают сложные аэродинамические процессы, от совершенства которых зависит эффективность работы этих аппаратов.

Размеры и геометрические формы указанных элементов у разных циклонов могут быть различными, кроме того, некоторые из них содержат дополнительные конструктивные элементы, например, улитки, звездочки, розетки и другие устройства для подкрутки газа.

Преимущества циклонов перед другими аппаратами:

— отсутствие движущихся частей;

— надежная работа при температуре до 500С без конструктивных изменений;

— пыль улавливается в сухом виде;

— возможность улавливания абразивных пылей, для чего активные поверхности циклонов покрываются специальными материалами;

— возможность работы при высоких давлениях;

— стабильная величина гидравлического сопротивления;

— простота изготовления и возможность ремонта;

— повышение концентрации не приводит к снижению фракционной эффективности аппарата.

Недостатки:

— относительно высокое гидравлическое сопротивление (1200–1500 Па) высокоэффективных циклонов;

— низкая эффективность при улавливании пыли размером меньше 5 мкм.

Рис. 5.15. Основные конструкции циклонов по вводу газов:

а — спиральный; б — тангенциальный; в — винтообразный; г — розеточный (циклон с возвратом газов); д — розеточный (прямоточный циклон)

Циклоны различаются по способу подвода газов в аппарат, который может быть спиральным (рис. 5.15, а), тангенциальным обычным (рис. 5.15, б) и винтообразным (рис. 5.15, в), а также осевым (рис. 5.15, г, д). Последний отличается меньшим гидравлическим сопротивлением и меньшей эффективностью очистки. Недостатком прямоточных циклонов является необходимость отсоса части газов через бункер для отвода пыли, что способствует их абразивному износу. Согласно, наиболее предпочтительным по форме, с точки зрения аэродинамики, является подвод газа по спирали, однако на практике все способы подвода могут применяться с равной эффективностью.

В промышленной практике принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Аппараты первого типа отличаются более высокой эффективностью очистки, но требуют больших затрат на осуществление процесса. Циклоны второго типа имеют небольшое гидравлическое сопротивление, отличаются большой производительностью, но хуже улавливают мелкие частицы.

Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часовой стрелки).

Рис. 5.16. Циклоны с различной формой конической части корпуса:

а — коническая часть в виде прямого конуса; б — коническая часть в виде обратного конуса; в — коническая часть составная

По форме циклоны подразделяют на цилиндрические (высота цилиндрической части больше высоты конической части) и конические (высота цилиндрической части меньше высоты конической части). Коническая часть аппарата выполняется в виде прямого конуса, обратного конуса или может состоять из двух конусов — прямого и обратного (рис. 5.16). Строение конической части определяет особенности движения пылевоздушного потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на процесс осаждения, а также на коагуляцию некоторых видов пыли в аппарате, на устойчивость его работы при улавливании различных видов пыли.

Для изучения работы циклона важно знать минимальный размер частиц d_min, полностью улавливаемых в циклоне. Некоторые из формул, определяющих d_min, приведены в. Рассмотрим вывод одной из них. При этом принимаются следующие допущения:

а) частицы не влияют друг на друга;

б) при достижении стенки циклона частицы не могут быть снова унесены газом;

в) сопротивление движению частиц в газовой среде подчиняется закону Стокса;

г) тангенциальная скорость частицы постоянна и не зависит от ее положения.

При работе циклона на частицу, движущуюся в поле центробежных сил, действуют три составляющие.

1. Центробежная сила, отбрасывающая частицу к стенке циклона,

, (5.16)

где m — масса частицы, кг; v_t — тангенциальная составляющая скорости частицы (v_t = v_вх), м/c; R — радиус от центра до частицы, м.

2. Cила сопротивления движению частицы в радиальном направлении

, (5.17)

где d_ч — диаметр частицы, м;  — вязкость газа, Пас; v_R — радиальная составляющая скорости частицы, м/с.

3. Сила тяжести .

Вследствие малости третьей силой — силой тяжести — можно пренебречь.

Частица может двигаться в радиальном направлении, если соблюдается условие Р_ц > Р_{R .}

Приравниваем силы (граничное условие)

. (5.18)

Для частиц шарообразной формы

, (5.19)

где _ч — плотность материала частицы, кг/м³.

Подставив значение (5.19) в уравнение (5.20), определим скорость движения частицы в радиальном направлении:

, (5.20)

Принимаем

, (5.21)

где R₁ и R₂ — соответственно радиусы выхлопной трубы и цилиндрической части, м.

Из движущихся в потоке частиц, наибольший путь пройдет частица, которая при входе в циклон находилась вблизи выхлопной трубы. Ее путь равен R₂ — R₁. Время для прохождения этого пути составит

. (5.22)

Подставляя выражения (5.20) и (5.21) в уравнение (5.22) получим

. (5.23)

С другой стороны, скорость осаждения может быть выражена соотношением

, (5.24)

где D — средний диаметр движения частицы, D = 2R = R₁+ R₂; n' — число кругов, совершаемой частицей в циклоне (n' = 23).

Рис. 5.18. Конический циклон конструкции НИИОГАЗ

Приравняв уравнения (5.23) и (5.24), определим наименьший диаметр частиц, которые осаждаются в циклоне за время _s:

. (5.25)

Данные, полученные по формуле (5.25) значительно отличаются от результатов экспериментальных исследований. Это объясняется тем, что в формуле не в полной мере учтены факторы, влияющие на циклонный процесс.

Рис. 5.17. Цилиндрический циклон конструкции НИИОГАЗ

В реальных условиях, частицы, имеющие размер более d_min, улавливаются в циклоне далеко не полностью. В то же время часть частиц, имеющих размер меньше d_min, осаждаются в циклоне. Рассмотрев формулу (5.25) можно выявить факторы, от которых зависит эффективность улавливания пыли в циклонных аппаратах.

Сопротивление циклона оценивается по общепринятой формуле

, (5.26)

где  — коэффициент гидравлического сопротивления циклона

В различных отраслях промышленности, в зависимости от условий производства и требований очистки, применяют циклоны различных типов. Хотя первые циклоны появились в промышленности более 100 лет назад, работы по их усовершенствованию продолжаются. В России применяются более 20 типов циклонов. Для унификации циклонов по единой методике были проведены сравнительные испытания ряда аппаратов, на основании которых был разработан унифицированный ряд циклонов и разработаны типовые чертежи.

Основные типы циклонов

Циклоны конструкции НИИОгаза. К цилиндрическим относятся циклоны типа ЦН‑11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24. (рис. 5.17, табл. 5.4). Характерные особенности: наличие удлиненной цилиндрической части; угол наклона крышки и входного патрубка равен соответственно 11, 15, 24; одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона, равное 0,59; подвод газа винтообразный.

Площадь сечения входных патрубков у циклонов ЦН-15, ЦН-24 больше чем у циклона типа ЦН-11. Следовательно, при одинаковых диаметрах и одинаковых гидравлических сопротивлениях циклоны ЦН-15, ЦН-24 обладают большей пропускной способностью, чем циклона ЦН-11, но эффективность их ниже, особенно ЦН-24. Поэтому циклоны ЦН-24 рекомендуется применять для очистки газов с частицами пыли диаметром больше чем 20 мкм. Циклоны ЦН-15 и ЦН-15У (укороченные) имеют общепромышленное значение и находят широкое применение благодаря оптимальному соотношению между гидравлическим сопротивление и эффективностью улавливания пыли.

Условное обозначение цилиндрического циклона: ЦН — циклон конструкции НИИОгаза; 15 — угол наклона оси входного патрубка относительно горизонтали; П (Л) — правое (левое) вращение газа в улитке; число после тире — внутренний диаметр цилиндрической части циклона (мм); П — пирамидальная форма бункера. Например, ЦН-15П-600П.