книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

показало, что при значениях Лі = 1,4 для г|-<1,0 и п2 = 0,75 для г|>1,0

опытные данные согласуются с расчетом .(рис. 65). Увеличение разме­ ров входных сопл при неизменной скорости входа воздуха приводит

ствовать выгоранию топли­ ва и тепловой обработке частиц материала, так как последние, попав в указанную область, будут перемещаться в поперечном направлении, что обусловит увеличение времени их пребывания в камере.

Влияние длины горловины -f- сказывается лишь на распростра-

нении и формировании обратного4кольцевого тока. С изменением I

от 0 до 0,71 величина области обратного кольцевого тока непрерывно уменьшается вплоть до его вырождения (рис. 67). Это вызвано тем, что с удлинением горловины увеличивается протяженность канала, и обратный кольцевой ток не может преодолеть сопротивление двух опускных вихрей. При длинной горловине обратный кольцевой ток локализуется вблизи ее среза и почти не проникает в зону кольцевого канала. В некоторых работах [41, 47] оптимальным вариантом цик­ лонной камеры с верхним выводом газов считается именно камера с длинной горловиной. Тогда в кольцевом канале происходит упоря­ дочение потоков и зона обратных токов уменьшается до нуля, в ре-

160

зультате чего снижается расход энергии на дутье. Однако, совершен­ но игнорируется роль обратного тока, выполняющего функцию стаби­ лизатора воспламенения и горения топлива, что для энерготехнологи­ ческих циклонных камер является одним из определяющих фак­ торов.

Рис. 66. Влияние пережима на величину аксиальной скорости при Рпх/Рц = 0,024 и Іг/Нц —0,71. а — в зоне Б; б — в горловине; в — в зоне А.

Полное сопротивление циклонных камер с верхним выводом га­ зов описывается зависимостью

„Я ( Іг \0.75

А-Рст = 14,5 . (3.48)

Последняя охватывает широкий диапазон изменения конструктивных

видно из графика, хорошо согласуется с опытом (рис. 68). Необходи­ мо подчеркнуть, что гидравлическое сопротивление циклонных камер с верхним выводом газов существенно выше, чем обычных.

Для надлежащей тепловой обработки сырья в энерготехнологи­ ческой циклонной камере сжигание топлива должно протекать по возможности на более коротком участке, а циклон — обладать разви-

той поверхностью для повышения степени улавливания перерабаты­ ваемого в нем сырья.

В связи с этим была предложена серия циклонных камер с коль­ цевым стабилизирующим каналом [48—54]. Принципиальная схема одной из них представлена на рисунке 69. Преимущество таких камер Е том, что кольцевой канал с радиусом кривизны, близким к ширине канала, способствует рециркуляции газов к корню факела и стаби­ лизирует воспламенение топлива непосредственно у устья входных сопл. Кроме того, поперечная циркуляция потока, возникающая в таких каналах [55], обусловливает увеличение времени пребывания частиц в зоне высоких температур, ускоряя их термическую обра­ ботку.

В исследованиях, проведенных на модели (рис. 70) при неизмен­

ном пережиме циклона и длине горловины ~ =0,4; ~ =0,71; ши-

162

и 0,036; количество вводов воздуха и угол наклона нижнеи кромки канала а = 0 и 30°.

Опыты показали, что в нижней части камеры (сечения ѴП и VIII), а также в горловине характер распределения составляющих скорости и статического давления практически оста­ ется тем же, что и в обыч­ ной камере с верхним вы­ водом газов. В стабилизи­

выраженных перегибов, на­ блюдаемых для вращатель­ ной скорости в обычных циклонах, почти постоянен по ширине и высоте канала вдоль всех радиусов и мо­ жет быть описан уравнени­ ем

практически неизменным. При °х ■=0,036 эта закономерность сох-

* ВХ

личеыием площади входа воздуха.

Такой характер движения жидкости в кольцевом канале способ­ ствует повышению сепарационного эффекта и полностью подтверж­ дает перечисленные выше преимущества циклонной камеры со стабилизирующим кольцевым каналом по сравнению с обычной ка­ мерой и с верхним выводом газов.

163

Распределение радиальной составляющей на прямой полке ка­ нала непрерывно возрастает от стенки к оси циклона. Такой характер изменения радиальной скорости у торцов канала полностью согла­ суется с теоретическими данными [55, 66], по которым приле­ гающие к плоскости элементарные объемы потока теряют окруж­ ную скорость, что обусловливает исчезновение поля центробежных сил на плоскости.

Рис. 70. Распределение тангенциальной скорости в циклоне со стабилизирующим кольцевым каналом.

1 Анализ движения жидкости в кольцевом канале показывает, что здесь возникают два дополнительных поперечных вихря, типич­ ных для вторичной циркуляции в криволинейных каналах.

164

Распределение статического давления для всех зон почти не от­ личается от полученного в циклонной камере без стабилизирующего канала. Гидравлическое сопротивление циклона с приемлемой точ­

ностью описывается зависимостью (3.48) и определяется в основном

]? .

отношением вх- .

* вых

ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОЙ ВЗВЕСИ НА ВРАЩАЮЩИЙСЯ ПОТОК

Рассмотренные выше закономерности вращающегося потока от­ носятся к однофазным изотермическим и неизотермическим потокам.

В топочных, и в особенности в технологических агрегатах, воз­ душный поток не только участвует в реакциях, но и служит агентом, транспортирующим реагирующие частицы.

Возникает необходимость подробнее рассмотреть аэродинамику двухфазного потока и выяснить обратное влияние твердой взвеси на несущую ее газовую среду. Из-за сложности это явление изучено крайне слабо даже для прямолинейного потока, поэтому для нашего случая задача может быть проанализирована лишь качест­ венно.

При малых концентрациях твердой или жидкой взвеси прини­ мается, что она не оказывает заметного влияния на движение воз­ душного потока и полагается, что такой поток идентичен однофаз­ ному. Однако в технологических циклонных камерах содержание твердой фазы достигает таких значений, когда она начинает оказы­ вать влияние на закономерности движения несущей среды. Особое значение эта проблема приобретает для камер, работающих на возду­ хе, обогащенном кислородом, или техническом кислороде, так как в этом случае количество твердой взвеси почти на порядок выше, чем в циклонах, работающих на подогретом воздушном дутье.

Первые исследования, проведенные на моделях горизонтальных циклонных топок с изотермическим запыленным потоком [38], по­ казали, что наличие в нем твердых частиц оказывает заметное влия­ ние на аэродинамические характеристики потока, вызывает перест­ ройку полей скорости и давления.

Подача в поток твердых частиц сопровождается уменьшением

ниже, чем в однофазном при том же расходе воздуха через циклон (рис. 72). Несколько перестраивается и поле осевых скоростей. Сни­ жение коэффициента сопротивления для запыленного потока нахо­ дится в прямой зависимости от уровня падения его фактической крутки. Такое же влияние на коэффициент сопротивления оказывает

165

шероховатость стенок циклонной камеры или введение в поток мери­ тельного инструмента. Это обусловлено тем, что часть механической энергии потока затрачивается на поддержание твердой фазы во взве­ шенном состоянии и перемещение ее с определенной скоростью. Соот­ ветственно этому уменьшается доля энергии, расходуемая на враще­ ние среды, сопровождающееся сни­ жением ее скорости. Поэтому ко­ эффициент «сохранения крутки» (е) двухфазного потока меньше, чём воздушного.

Опыты показали [39], что вво­ димые в любой точке объема го-

ризонтального циклона частицы перемещаются на периферию, а за­ тем транспортируются мощным осевым током к выходному сечению камеры.

Если выходное сопло оформлено в виде конуса, выступающего во внутрь циклона, то в пространстве между ним и боковой стенкой, где образуется так называемый кольцевой обратный ток, наблюдает­ ся циркуляция твердой взвеси, частично выбрасываемой в объем ка­ меры, достигающей иногда передней стенки циклона и частично вы­ носимой из циклона.

Увеличение загрузки камеры выше определенных пределов со­ провождается сепарацией некоторой доли частиц из потока и образо­ ванием «завала». При наступлении такого режима в циркулирующем

166

слое наблюдается пульсирующее движение взвеои до тех пор, пока часть твердой фазы не выпадет в неподвижный слой, расположенный в нижней части камеры, и лишь после такой «разгрузки» пульсация прекращается. Аналогичное явление наблюдается и при перегрузке

лучены на моделях «сухих» камер, где условия эвакуации твердой взвеси существенно отличаются от реальных, когда частицы плавят­ ся, попадают на стенку и в жидком виде вытекают из камеры. С по­ лученным расплавом могут быть удалены прилипшие к нему твердые частицы. Таким образом, критический режим в реальных устройст­ вах должен наступить при существенно большей весовой нагрузке.

Как показали опыты [40], горизонтальные циклонные камеры плохо справлялись с эвакуацией больших количеств расплава, полу­ чаемых при переработке сульфидных медных концентратов. Вследст­ вие этого технологические циклоны, как правило, располагаются вертикально, что способствует равномерному распределению расплава на стенках камеры и существенно облегчает его удаление из циклона. Кроме того, выходное сопло таких камер оформляется в виде плоско­ го пережима, что в совокупности с повышенной радиальной скоро­ стью газов, возникающей в торцах камеры, практически исключает возможность образования «завалов». При этом замена выступающего во внутрь циклона конического сопла плоским пережимом не оказала ощутимого влияния на аэродинамическую структуру потока [40].

Тщательные, хорошо имитирующие реальные условия опыты по изучению аэродинамики двухфазного потока на моделях вертикаль­

167

ных циклонных камер с удалением частиц стекающей по стенке жид­ костью, проведены в МЭИ [70, 71].

Исследования, осуществленные при различных соотношениях

<*д

57

фаза, характеризуемая максимальной концентрацией твердой взвеси, падение тангенциальной скорости наибольшее. В пристенной области скорость струи по сравнению с входной скоростью практически не изменяется. Вследствие сепарации частиц на жидкую пленку по вы­ соте циклона уменьшается местная объемная концентрация твердой взвеси, и соответственно возрастает тангенциальная составляющая скорости.

Показано также, что при значениях К ср -<0,5 коэффициент со­ хранения крутки (s) за исключением опускной пристенной области находится на уровне значений, близких к незапыленному потоку.

Такая картина движения твердой взвеси характерна для кон­ центрации обычных плавильных процессов, осуществляемых на подо­ гретом воздушном дутье. В автогенных процессах, которые, как пра­ вило, проводятся на техническом кислороде, концентрация твердой взвеси может достигать значительных величин К ср ^ 3,0, характер­ ных, например, для КИВЦЭТного агрегата. В этом случае влияние твердой взвеси становится заметным и должно учитываться.

В случае аксиальной подачи сырья в периферийную часть каме­ ры при высоких значениях К ср наблюдается усиленное отклонение потока в сечении воздушных сопл от стен циклона к его оси [69]. По мнению авторов [69], основное влияние на разрушение газовой струи оказывает поступающая в циклон почти неподвижная и сплошная струя твердой взвеси, которую должен обтекать воздушный поток. Перемещение аксиальной подачи твердой фазы к центру камеры на расстояние 7'о=0,5і?ц влияет на воздушный поток так же, как и цент­ ральная подача частиц с помощью конуса-рассекателя. Очевидно, это объясняется тем, что в последнем случае благодаря конусному рассе­ кателю твердые частащы отбрасываются к периферии и попадают в пространство, близкое к описываемому радиусом г0 = 0,5Вц.

Можно предполагать, что тангенциальный ввод твердых частиц совместно с воздухом позволит уменьшить влияние твердой взвеси на вращающийся газовый поток, так как в этом случае частицы, по­ ступающие в циклон, могут иметь скорость, близкую к скорости воз­ душного потока.

При такой подаче материала исчезает обратный кольцевой ток газов, и в пристенной области образуется относительно толстый слой перемещающихся твердых частиц, который отклоняет воздушный по­ ток к оси камеры [72].

168