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

покрываются жидкой пленкой расплава. При переработке сырья, в котором конечным продуктом являются возгоны (окислы свинца, цинка, редких металлов и др.), улавливание последних на стенках камеры разделения вызывает обогащение шлака окислами металлов, что ухудшает экономические показатели процесса.

Естественно, что конструктивные соотношения основных разме­ ров камеры разделения и отстойника предопределяются закономер­ ностями распространения закрученной струи, вытекающей из цикло­ на в ограниченное пространство.

Основные особенности сильно за­ крученных струй можно проследить по аэродинамической схеме течения. Вра­ щающаяся струя газа или жидкости, вытекающая в среду, обладающую теми же физическими свойствами, что и жид­ кость в струе, вследствие вязкости (мо­ лекулярной и преимущественно тур­ булентной) вовлекает в движение окру­ жающую жидкость, передавая ей часть начального импульса и момента коли­ чества движения. При этом составляю­ щие тангенциальной и осевой скорости в поперечных сечениях струи с удале­ нием от сопла уменьшаются и в конеч­

ном счете сводятся к постепенному выравниванию начального распре­ деления скорости.

170

Характерной особенностью сильно закрученных струй, к каким можно отнести факел, выходящий из циклона, является образование вблизи сопла на расстоянии двух-трех калибров области возвратного течения жидкости. На достаточном удалении от зоны циркуляции наблюдается обычное, слабо закрученное струйное течение.

Задача распространения в безграничном пространстве полой ко­ нической струи кратко сводится к тому [56], что для составляющих скорости в рассматриваемом движении получены следующие урав­ нения :

а-

Ѵ2= 2х

х/ ~ ar~ sh\~2art

ѵг= 2х

сЛ2(

- V —

2 У 16г.--

где V г, ѴГ и Ѵ9— осевая, радиальная и вращательная составляю­ щие скорости;

X— направление по оси струи;

ри V — плотность и вязкость жидкости (газа);

.г Ѵ'* ’ R — радиус струи;

Lo — момент количества движения в конической струе; К 0— постоянная, равная сумме радиальных проекций секундных количеств движения элементарных объемов струи, расположенных на данном ра­

диусе.

Секундный расход жидкости сквозь полное сечение струи равен

171

(3.50)

где а — постоянная интегрирования.

Значение давления для внутренней полости конической радиаль­ но-щелевой струи имеет вид

(3.51)’

где Ѳ — угол раскрытия струи.

Последнее уравнение показывает, что благодаря центробежному эффекту внутри струи образуется разрежение, обусловливающее воз­ никновение возвратного течения жидкости.

Недостатком, ограничивающим область применения приведенно­ го решения, являются сделанные допущения. Одно из них — прене­ брежение радиальными скоростями, и второе — принятие малости

кдиафрагме, поперечный градиент давления велик и исключение из анализа этих величин для сильно закрученных струй может привести

кзначительным погрешностям.

считано распределение компонент скорости и давления поперек за­ крученной струи.

В результате обобщения обширного экспериментального матери­ ала предложены безразмерные зависимости для определения состав­

где Ѵу — средняя по сечению скорость в устье струи; d — диаметр

струи; X — продольная координата струи; а и ß — постоянные инте­

грирования, идентичные формуле Г. Н. Абрамовича [58] для свободной незакрученной струи и отличаются лишь коэффициентами. Закручи­ вание потока достигалось тремя способами [57]. Для нашего случая наибольший интерес представляет струя, закрученная за счет танген­ циальной подачи воздуха в цилиндрическую камеру, причем только

172

б начальном ее участке (j- ^ 5 ). Здесь обратный ток зарождается

вблизи сечения —■—1 и распространяется вверх и вниз по течению в зависимости от степени закрутки. В сильно закрученной струе обрат­ ный ток достигает устья, а начало его не выходит за сечение = 2,0.

Рис. 77. Профили тангенциальной и радиальной составляющих скоро­ сти на различных радиусах (УцХ= 24 м/сек, da= [70 мм).

Изменение по радиусу радиальной составляющей скорости Ѵг внутри обратного тока имеет положительное значение, затем отрица­ тельное (подсос к обратному току), далее снова становится положи­ тельным вместе с распространением струи.

Тангенциальная скорость в направлении от оси быстро возрас­ тает и после перехода через максимум сначала быстро, а затем мед­ ленно снижается до нуля.

Дальнобойность закрученных струй в большой мере зависит от степени закрутки, и во всех случаях быстрота падения осевой скоро­ сти по сравнению с прямоточной струей достаточно велика. Исследо­ вания закрученной изотермической струи [59—61], вытекающей из циклона, установленного над камерой разделения, позволили вы­ явить ее основные закономерности (рис. 77). Как видно из рисунка, в зависимости от направления радиуса, вдоль которого проводились измерения, компоненты скорости изменяются по-разному.

173

Локальная характеристика крутки струи Ѵг в зависимости от

расстояния до оси потока, представленная на рисунке 78, отчетливо показывает, что радиальная составляющая скорости затухает мед­ леннее, чем тангенциальная. Действительно, на расстоянии от оси

Режим течения струи, выходящей из гладкостенной модели циклона, получается разомкнутым.

Для струи, вытекающей из циклона с шероховатыми стенками, характерна форма конической полой струи, в которой угол разноса определяется не раздаточным конусом, а степенью закрутки, т. е. ско­ ростью потока, поступающего тангенциально в циклон, и формой вы­ ходного сопла (диафрагмы). Дальнобойность закрученной струи, вы­ ходящей из цикла с шероховатыми стенками больше, чем у циклона

сгладкими стенками (рис. 79).

Вработе [62] принимается, что распространение изотермической турбулентной струи определяется не состоянием начального скорост­ ного поля и коэффициентом структуры сопла, а начальным импуль­ сом и формой выходной диафрагмы и, что для всех струй данной формы угол турбулентного расширения постоянный для участка, рас­

положенного на расстоянии -т-< 5.

“д

Такие условия почти полностью согласуются с условиями выте­ кания струи из циклонной камеры с шероховатыми стенками (рис. 80).

174

175

rjl

чина постоянная и равна 0,14 [61],

Результаты расчета по формуле (3.58) хорошо согласуются с эк­ спериментом (рис. 81). Небольшое расхождение в начальной части струи объясняется тем, что в принятой схеме расчета вытекание струи исходит из точки, а не из конечного источника (диафрагмы). По формуле (3.61) можно определить необходимое расстояние от диафрагмы до поверхности расплава или порога по выбранной мак­ симальной скорости потока у этих поверхностей.

Угол раскрытия закрученной неизотермической струи, вытекаю­ щей из циклона в виде горящего факела, находится в пределах 25—32° [61]. Использование этих данных позволяет выбрать опти­ мальное расстояние от диафрагмы циклона до порогатак же, как и ширину отстойника, что весьма существенно для циклонных агре­ гатов, предназначенных для пироселекции с возгонкой металлов.

Поскольку кратность обогащения возгонов металлами в значи­ тельной мере определяется величиной пылеуноса и потерь металла

176

-со шлаком, при соответствующей компоновке ограждающих поверх­ ностей разделительной камеры, как это будет показано ниже, можно подобрать оптимальные показатели технологического процесса.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАКРУЧЕННОЙ СТРУИ С ВАННОЙ РАСПЛАВА

Если циклонная камера расположена над расплавом, закручен­ ный лоток газов имеет значительную энергию и, соприкасаясь с по­ верхностью расплава, вовлекает его во вращение. В связи с этим, кроме химического воздействия расплава, на огнеупорные стенки отстойника влияет эрозия, вызывающая быстрый износ футеровки. В первых установках циклонная камера размещалась по схеме, пред­ ставленной на рисунке 76. В этом случае вращающимся потоком га­ зов, насыщенным содержащимися в нем каплями расплава, быстро изнашивалась верхняя часть стен отстойника в области, расположен­ ной под циклоном. Нижняя часть на границе раздела расплав — газовая среда также изнашивалась в течение короткого срока на укрупненной и полупромышленной установках [63, 64]. Влияние вы­ ходящего потока на эрозию стен можно уменьшить, увеличив габа­ риты отстойника до таких величин, когда скорость вращения распла­ ва у его стен окажется близкой к нулю. Для этого необходимо решить задачу увлечения расплава во вращение газовой струей. Допускаем, что струя воздействует на расплав только в пределах окружности, которую на нем описывает продолжение внешних границ закручен­ ной струи, а вне ее вращение расплава распространяется силами вязкости.

Допускаем далее, что влияние закрученной струи на жидкость равно воздействию, оказываемому на нее фиктивным диском с им­ пульсом, равным количеству движения, передаваемого жидкости воздушной струей, и радиусом, равным радиусу окружности макси­ мальных скоростей.

При анализе структуры струи рассматриваются только значения Ѵ9 и Ѵ2, вызывающие возмущение жидкости. Радиальная состав­ ляющая незначительна и в расчет не принимается.

Для нахождения вращательной скорости в расплаве использова­ но решение задачи, впервые полученное Т. Карманом, об увлечении вязкой несжимаемой жидкости наложенным на нее вращающимся диском. Суммарный момент количества движения для закрученной струи в сечении, перпендикулярном оси, равен

(3.62)

О

где G(|) — функция, определяемая при численном решении урав__ нений Навье-Стокса;

л— безразмерная координата.

Учитывая, что ц= рѵ, получим

Заменив мж через Ѵ9Ж и используя уравнение (3.64), найдем

О

Введя коэффициент k, учитывающий долю количества движения, пе­ реданного струей расплаву, и приравняв значения выражений (3.62) и (3.66), получим

178

Здесь Mo — момент количества движения закрученной струи; ~ оо

Хо= 1іт 2лрх sin© I V 2dR —постоянная, равная сумме радиаль­

ных проекций секундных количеств движения элементарных объемов струи, расположенных на данном радиусе.

Исследовав полученное решение (3.68), можно найти радиус ли­ нии максимальных скоростей

и значение максимальной скорости

Х 3К о

2УЗ

( КМйу Г■

Иитах— 0,137 1 -

Рг^г (3.72)

Опыты [60, 61] показали, что значения коэффициента передачц энергии от газовой струи к жидкости К при различных вязкостях и расстояниях от выходной диаграммы находятся в пределах 0,28—0,8» На рисунке 82 для сравнения приведены экспериментальный и расчетный профили вращательной скорости жидкости по завися-

мости (3.68). Смещение максимума скорости объясняется тем, что четкой зависимости йГ=/(ѵж) выявить не удалось. Расчеты показали,

£79