3 Лабораторная Работа № 2 (4 часа): «Изучение работы циклона»

3.1 Цель работы

1. Изучение конструкции и принципа работы циклона.

2. Исследование зависимости степени очистки циклона и его гидравлического сопротивления от скорости газового потока.

3. Определение оптимальной скорости газового потока w_опт и коэффициентов гидравлического сопротивления циклона (ξ_вх , ξ_ц).

3.2 Подготовка к лабораторной работе

1. Изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии, а также в рекомендованной литературе ([1], С. 44–59, 84–93; [2], С. 217–226).

2. Выучить определения основных понятий и терминов темы (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

аэрозоли;

дисперсность;

коагуляция;

коалисценция;

монодисперсные системы;

полидисперсные системы;

пыль;

степень разделения неоднородных систем;

туман.

3.3 Теоретические сведения

3.3.1 Сущность процесса разделения

Одним из наиболее простых и широко распространенных способов очистки газовых потоков от находящихся в них твердых частиц является центробежное разделение неоднородных систем. Этот метод осуществляют в аппаратах, называемых циклонами. Циклоны – устройства для разделения пылей и суспензий (гидроциклоны). В них реализуется вихревое движение и отделение частиц повышенной

плотности. В настоящее время благодаря простоте конструкции, малым габаритам и надежности в работе это одно из наиболее часто применяемых устройств пылеочистительной техники.

К числу недостатков циклонов относятся ограниченный предельный размер улавливаемых твердых частиц (не ниже 5…10 мкм), неприменимость при высокой влажности и слипаемости последних, а также истираемость внутренней поверхности.

Сущность циклонного процесса заключается в том, что поток газа, несущий взвешенные частицы, вводят в аппарат тангенциально через входную трубку 1 (рисунок 3.1) с расчетной скоростью 10…40 м/с, воздушный поток начинает вращаться, совершая при прохождении через аппарат несколько оборотов. Содержащиеся в газе твердые частицы отбрасываются центробежной силой к стенке корпуса 2, опускаются в коническое днище 3 и удаляются из аппарата. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выводную трубу 4, попадая на производство, или выбрасывается в атмосферу.

Траектории движения газовой струи и твердых частиц в циклоне являются сложными. В цилиндрической части циклона поступающая через патрубок смесь закручивается, образуя вихрь, и одновременно движется вниз. В конической его части поток вначале опускается, а потом, продолжая вращаться, поднимается вверх и удаляется через центральный цилиндрический патрубок. Твердые частицы, скорость которых гасится при соударениях со стенками корпуса, опускаются вдоль стенок и удаляются через нижний патрубок, на котором устанавливают шлюзовый затвор. Таким образом, внутри циклона возникают два вращающихся потока – нисходящий на периферии и восходящий в центральной части.

На частицу газового потока, находящуюся в циклоне, действуют центробежная сила, отбрасывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенке циклона:

F_ц = m∙w²/r, (3.1)

и сила тяжести:

F_g=m∙g , (3.2)

где m – масса частицы, кг;

w – окружная скорость потока, несущего частицу, м/с;

r – радиус циклона, м.

1 – входная труба; 2 – корпус; 3 – коническое днище;

4 – выхлопная труба

Рисунок 3.1 – Схема циклона

Соотношение этих сил называют фактором разделения, или центробежным фактором:

К_р = F_ц / F_g = w²/(r∙g). (3.3)

Фактор разделения характеризует увеличение разделяющей способности в условиях действия центробежной силы и показывает, во сколько раз центробежное ускорение больше ускорения силы тяжести.

В промышленных аппаратах соотношение между w и r таково, что центробежная сила не меньше чем на два порядка превышает силу тяжести.

Скорость осаждения частиц в циклоне определяется по общей формуле осаждения в поле силы тяжести при замене ускорения силы тяжести центробежным ускорением:

(3.4)

где – скорость газового потока на входе в циклон, м²;

– радиус входа тангенциальной газовой струи в циклон, м;

– коэффициент гидравлического сопротивления.

Как видим, скорость осаждения увеличивается с уменьшением радиуса входа струи в циклон (при постоянной скорости входа ).

Из выражения (3.3) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьшением радиуса циклона. Но значительное увеличение скорости связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона и усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твердые частицы, что приводит к ухудшению очистки газа. Обычно наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 20…25 м/с.

Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающее высокую степень очистки, определяется в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц и др.), условий работы циклона и его гидравлического сопротивления (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Зависимость гидравлического сопротивления

циклона и степени очистки от скорости газа