3. Центробежное разделение

Центробежная сила инерции возникает при движении некоторой массы (потока, частиц и т. п.) по криволинейной траектории. Центробежная сила направлена по радиусу кривизны траектории от центра кривизны к периферии, противоположно направлению центростремительной силы, искривляющей траекторию движения рассматриваемой массы. Центробежная сила пропорциональна квадрату окружной скорости w_окри обратно пропорциональна радиусуrкривизны траектории:

Fцб = mw2окр/r,

(12)

где m – масса вещества потока или частицы, движущихся по криволинейному пути.

3.1. Очистка запыленных газов

Центробежная очистка запыленных газов производится в циклонах(рис. 13). Пылегазовая смесь (Г + Т) вводится в корпус1тангенциально, через патрубок3. Поток газа вынужден двигаться по спиральной траектории вдоль внутренней поверхности стенки корпуса в кольцевом зазоре между корпусом1и центральной трубой2.

Частицы пыли, вошедшие вместе с газом, в начале своего пути не взаимодействуют с внутренней стенкой корпуса и, следовательно, в первые моменты стремятся сохранить прямолинейную скорость, равную скорости входящего вциклон газа. Но на газовый поток сразу же начинает действовать центростремительная сила реакции стенки корпуса, и поток под воздействием этой силы изменяет траекторию движения на криволинейную.

Рис. 13. Циклон для очистки газов:

1 – корпус; 2 – центральная труба; 3 – входной тан-генциальный патрубок; 4 – приемная емкость для пыли

Возникающая разность векторов скоростей газа и частицы приводит к появлению силы гидродинамического воздействия на частицу со стороныгазового потока. Эта силаи является центростремительной

силой, искривляющей траекторию движения частиц, которые также начинают двигаться по спиральной траектории,но с бо^льшим радиусом кривизны по сравнению с кривизной траектории потока газа.

По мере движения в кольцевом пространстве циклона частица приближается к внутренней стенке корпуса и в конечном счете оказывается на стенке, которая тормозит ее движение по окружности. На внутренней стенке корпуса в его нижней части концентрируется значительная часть частиц, откуда они поддействием силы тяжести медленносползают вдоль стенки в приемную емкость 4.

Газовый поток, из которого выделилась дисперсная твердая фаза, вынужден разворачиваться и выходить через центральную трубу 2.

Практически важным обстоятельством при циклонной очистке газов является требование герметичного подключения к циклону приемной емкости 4. Объясняется это тем, что почти всегда циклоны работают под некоторым разрежением по отношению к внешнему атмосферному давлению, что позволяет избежать попадания пыли в помещение через возможные неплотности соединений. Следовательно, если в месте подключения емкости 4 к нижней части корпуса имеется малейшая неплотность, то через нее в циклон будет поступать небольшое количество атмосферного воздуха, которого, однако, часто оказывается достаточно, чтобы подхватить и направить в выхлопную трубу 2 сползающий сверху слой уже выделенных из газового потока мелких частиц. При этом будет казаться, что разделительная способность самого циклона неудовлетворительна.

К сожалению, расчет траекторий движения частиц в циклонных аппаратах на основе строгого физико-математического анализа действующих на частицы сил оказывается практически невозможным. Так, кажущаяся простота выражения (12) дляцентробежной силы, действующей на частицу при ее криволинейном движении, существенно осложняется тем, что окружная скорость частицы w_окр и радиус кривизны траектории ее движения r непрерывно изменяются и сами являются функциями всех возможных сил, действующих на частицу. Ситуация дополнительноосложняется вращением частиц вокруг своих центров тяжести, заметным воздействием на мелкие частицы турбулентных пульсаций газового потока, частиц друг на друга и т. п.

Все отмеченные обстоятельства приводят к тому, что расчет основных показателей работы циклонов производится на основе имеющихся рекомендаций по значению так называемой фиктивной скорости w_ф =V_c/(^/₄D_ц²) газового потока в циклоне.Фиктивной скорость w_ф называется потому, что с такой скоростью газовыйпоток не перемещается нигде внутри циклона. Со скоростьюw_ф газ с объемным расходом V_c (м³/с) двигался бы вдоль оси циклона с внутренним диаметромD_цпри отсутствии в нем центральной трубы.Действительные скорости вращающегося вокруг центральной трубыгазового потока намного превышают значенияw_ф.

Многочисленными опытами установлено, что циклоны стандартных соотношений их геометрических размеров удовлетворительно отделяют частицы пыли размером до нескольких микрометров при значениях фиктивной скорости газа w_ф= 2–3 м/с. По величине этой рекомендованной фиктивной скорости определяется необходимый диаметр циклона по задаваемой величине расхода запыленного газа:

(13)

При меньшей скорости газового потока центробежная сила,действующая на частицы, оказывается слишком малой, и эффективностьразделения в циклоне также мала(см. формулу (12)). С другой стороны, может показаться, что значение скоростиw_фи пропорциональное ей значение окружной скоростиw_окрдолжны быть как можно большими, так как при этом быстро увеличивается центробежная силаF_цб. Однако одновременно с ее увеличением при возрастании скоростей газа в нижней части циклона вблизи входа уже очищенного газа в центральную выхлопную трубу2появляются вторичные газовые вихри, которые подхватывают выделенную из газового потока пыль и выносят ее в центральную трубу.

Рис. 14. Батарея мультициклонов:

1 – общий корпус; 2 – корпус муль-тициклона; 3 – завихритель газового потока; 4 – секторный затвор

При значительных производительностях по запыленному газу (V_c > 0,2 м³/с) диаметр циклона получается близким к 1 м,при этом траектория частицы имеет малую кривизну. Соответственно мала и центробежная сила, отделяющая частицу от газового потока. Поэтому диаметры циклона больше 0,8 м обычно не используются, а очистку газов производят в параллельно устанавливаемых циклонах обычного диаметра. Общий расход газа при этом разбивается на параллельные потоки, которые очищаются от пыли в циклонах нормализованных размеров. Здесь важно организовать равномерную загрузкупараллельно работающих циклонов одинаковыми по величине расходами газа, чтобы длявсех циклонов соблюдалось условие по рекомендованному значению фиктивной скоростиw_ф.Существуют специальные конструкции распределительныхустройств, обеспечивающих равномерное распределение газапо параллельным циклонам.

Значительные расходы запыленных газов можно подвергать разделению в батареях мультициклонов (рис. 14), где не требуется сложных распределительных устройств для равномерной тангенциальной подачи газа в каждый из параллельных циклонов. Запыленный газ здесь входит в каждый из мультициклонов параллельно его оси и приобретает вращательное движение (закрутку) при прохождении специального завихрителя 3, расположенного в кольцевом рабочем пространстве. Отделенная от газа пыль под действием силы тяжести медленно ссыпается из всех мультициклонов в общий корпус 1 с коническим днищем и выгружается из его центральной части через секторный затвор 4. Распределительное устройство отсутствует, кроме того здесь нет необходимости в тщательной герметизации соединения корпуса большого числа мультициклонов с приемником пыли, как это требуется при разделении в циклонах.

Аналогичную конструкцию имеют гидроциклоны, предназначенные для разделения суспензий. Для расчета гидроциклонов в специальной литературе даются соответствующие рекомендации.

Разделение запыленных газов и суспензий в циклонах и гидроциклонах, как правило, не так эффективно, как разделение в рукавных фильтрах и центрифугах.