Технические науки/2. Механика

Аспирант Агарков А.М., студент Локтионов И.С.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Циклонные пылеуловители аспирационных систем, условия эксплуатации.

Наряду с объемами аспирируемого воздуха на пылевой выброс и энергоемкость аспирационных систем существенное влияние оказывают эффективность очистки и гидравлическое сопротивление пылеуловителя системы, в качестве которого в основном используются циклоны.

На сегодняшний день известно большое количество конструкций циклонов, которые в зависимости от направления потоков газов принято различать на прямоточные и противоточные.

В прямоточных циклонах процесс очистки газов от пыли можно рассматривать как двухстадийный. Вначале происходит разделение аэрозолей в вихревой камере, а затем вывод разделенных фаз из циклона (пылегазовой смеси через кольцевую щель, а очищенного газа - через выходной патрубок аппарата). Обычно отбор пылегазовой смеси составляет 10...20 % от объемов очищаемого воздуха [1].

Несмотря на низкое гидравлическое сопротивление, прямоточные циклоны практически не используются в качестве пылеуловителей АС, что объясняется как их низкой эффективностью, так и необходимостью очистки отбираемой пылегазовой смеси.

Если бы в прямоточном циклоне производился отбор пылегазовой смеси изокинетично, без нарушения образовавшегося поля концентраций и скоростей закрученного потока, то можно было бы получить высокую эффективность очистки, но для этого потребовалось бы отбирать в линию рециркуляции около 70 % основного газа [2], что естественно неприемлемо при эксплуатации в обычных аспирационных системах.

При оптимальных объемах аспирации и комплектации АС эффективным укрытием можно значительно снизить запыленность аспирируемого воздуха. Так для большинства перегрузочных узлов предприятий стеновых материалов достижимой является концентрации пыли, не превышающая 2,5 г/м³.

В данном случае наличие высокоэффективного циклонного пылеуловителя позволит осуществить очистку воздуха до норм ПДВ без применения второй ступени очистки. В настоящее время требуемой степени очистки можно добиться, например, в широко известных противоточных циклонах НИИОГаза (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М), однако это повлечёт за собой значительные энергетические затраты, обусловленные высоким гидравлическим сопротивлением указанных аппаратов (более 2,5 кПа) [3,4].

Процесс сепарации пыли в противоточных циклонах можно также разделить на две стадии. На первой из них частицы под действием центробежных сил движутся обособленно, не влияя друг на друга, и переносятся в зону осаждения к пограничному слою у стенки аппарата. В пограничном слое частицы сближаются до образования пылевых струек или пылевого шнура, который под действием нисходящего газового потока винтообразно опускается вниз к пылевыпускному отверстию и далее попадает в бункер [5], на вторую стадию очистки. В бункере завихренный поток меняет свое направление и теряет скорость, в следствии чего происходит выпадение взвешенных частиц.

Наряду с полем центробежных сил эффективность работы циклонов во многом определяется так называемыми вторичными нисходящими, восходящими и радиальными течениями, возникающими как в сепарационной полости самого циклона, так и в полости пылеосадительного бункера [6].

Нисходящие вдоль стенок течения постепенно переходят во всем объеме циклона (бункера) во вторичные восходящие вблизи оси течения, из которых формируется осевой поток очищенного газа. При этом питание осевого потока осуществляется за счет вторичных радиальных течений, направленных от периферии к оси циклона (бункера).

Радиальные течения создают условия для разделения газовой среды и движущегося вниз по стенкам пылевого шнура [7]. С другой стороны они препятствуют центробежному движению крупных частиц, захватывают со стенок и увлекают мелкие частицы в восходящий поток [6], обуславливая тем самым вторичный унос пыли и общее снижение эффективности очистки. И если теоретически, как считает А.И. Пирумов [3], в циклонах могут быть уловлены частицы любого размера, то практически сепарация пыли в них закономерно ограничивается радиальным стоком.

Влияние вторичных течений хорошо иллюстрируется при сравнении эффективности очистки газов в мокрых [4], сухих прямоточных [8] , противоточных [9] и вихревых циклонах [10], основанных на одном и том же принципе отделения частиц.

Развитие теории процесса сепарации пыли в циклонах связано с развитием представлений об аэродинамических условиях этого процесса [7].

Анализ проведенных исследований позволяет выделить три направления развития теории процесса пылеулавливания в циклонных аппаратах.

В основе первого направления лежит механика движения одиночной, изолированной частицы в силовом поле, характер которого определяется принципом работы и конструкцией аппарата. Это направление было развито путем уточнения влияния различных факторов на траекторию движения частицы в исследованиях Пирумова А.И. , Страуса В. и ряда других авторов [1, 3].

Второе направление использует методы теории подобия, предложенной Сыркиным С.Н. [11] и развитой в работах Барта В. [12] и других авторов. Согласно этой теории, разработанной на основе закономерностей для одиночной частицы, эффективность геометрически подобных циклонов при автомодельном режиме может быть выражена функцией критериев Стокса и Фруда, причем основным является критерий Стокса.

Третье направление развития теории разделения двухфазных потоков в циклонных аппаратах основано на стохастических представлениях о движении частиц в силовом поле. При этом используется математический аппарат теории случайных Марковских процессов, в основе которого лежит уравнение Эйнштейна-Колмогорова. Известна методика расчета эффективности циклона, основанная на использовании уравнения Эйнштейна-Фоккера, связывающем вероятность достижения частицей пыли определенного радиуса (границы) с силовыми и случайными факторами. Этот метод положен в основу широко известной методики расчета циклонов НИИОГаз [9].

Литература:

1. Страус В. Промышленная очистка газов. - М.: Химия, 1981. – 616 с.

2. Падва В.Ю. Оптимальные условия улавливания пыли в циклонах // Водоснабжение и санитарная техника. – 1968, № 4. - C. 6-8.

3. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1961. – 296 с.

4. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И. и др. Очистка промышленных газов от пыли. - М.: Химия, 1981. – 39О с.

5. Ebert f. Berechnung der Greneschicht-Stromung in der Zyklonabscheiders // Staub, Reinhaltung der Luft. – 1969. – Bd. 29, № 7 - S. 187-195.

6. Коузов П.А. Очистка воздуха от пыли в циклонах. - Л.: ЛИОТ ВЦСПС, 1938. – 88 с.

7. Падва В.Ю. Теоретические и экспериментальные исследования пылеуловителей: Автореф. …канд. техн. наук. - М., 1968. - 24с.

8. Калмыков А.В., Игнатьев В.И., Тюканов В.Н. Исследование прямоточных пылеотделителей на потоках запыленного газа // Сб. научных трудов "Аэродинамика, тепло - и массообмен в дисперсных потоках". - М.: Наука, 1967. - C. 8О-89.

9. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Всесоюзное объединение по очистке газов и пылеулавливанию. - Ярославль, 197О, - 94 с.

10. Медников Е.П. Вихревые пылеуловители // Обзорная информация "Пром. и сан. очистка газов". - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1975. – C. 44.

11. Сыркин С.Н. Исследование циклонов типа "Д" //Советское котлотурбостроение. - 1936, № 6. - С. 1О-14.

12. Barth W. Berechnung und Aunlegung von Zyklonabscheidern auf Grund neueror Unterauchunger // Brennatoff-Warme-Kraft. – 1956. - Bd. 8, № 1 - S. 458-462.