Изучение работы циклона

ВВЕДЕНИЕ

Один из наиболее простых и широко распространенных способов очистки газовых потоков от находящихся в них твердых частиц является центробежное разделение таких неоднородных систем. В качестве аппаратов–пылеуловителей, в которых можно осуществить этот способ, используют так называемые циклоны различных конструкций.

Процесс разделения неоднородных смесей «газ–твердые частицы» под действием центробежных сил обуславливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящем в поле только сил тяжести. Соотношение этих сил называют фактором разделения:

,

где G = m× g – сила тяжести, Н; – центробежная сила, отбрасывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенкам циклона, Н; m – масса твердой частицы, кг; w – окружная скорость частицы (условно принимается равной скорости газового потока во входном патрубке циклона), м/с; R – радиус циклона, м.

Фактор разделения характеризует увеличение разделяющей способности в условиях действия центробежной силы:

(7.1)

Из выражения (7.1) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьшением радиуса циклона. Однако, значительное увеличение скорости газового потока 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. Работа циклона оценивается по совокупности его основных характеристик:

1) эффективности разделения (степени очистки или коэффициента полезного действия),

2) гидравлического сопротивления (достижение высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении).

Степень очистки (в %) можно рассчитать, зная начальную С_Н и конечную С_К концентрации твердых частиц в газовом потоке, проходящем через циклон.

%, (7.2)

где Сн – концентрация пыли на входе в циклон, кг/м³; Ск – концентрация пыли на выходе из циклона, кг/м³.

Степень очистки газового потока зависит от размера и плотности твердых частиц, от плотности и вязкости газового потока, от типа циклона и его геометрических размеров и, конечно, от скорости газового потока на входе в циклон. Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающей высокую степень очистки, определяется в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц, допускаемого уноса твердых частиц и др.), условия работы циклона и его гидравлического сопротивления.

Общее гидравлическое сопротивление можно представить как сумму потерь давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений, а именно: потери давления при входе в циклон, потери давления на преодоление сопротивления в корпусе циклона, потери давления при переходе газового потока из внешней зоны циклона большого диаметра во внутреннюю зону (в выхлопную трубу) с поворотом на 180°, а также потери давления на преодоление сопротивления трения в выхлопной трубе.

Выражая общее гидравлическое сопротивление через динамический напор во входном патрубке и заменяя сумму частных коэффициентов гидравлических сопротивлений через общий коэффициент гидравлического сопротивления циклона x_Ц, получим

D Р_Ц = x_Ц , (7.3)

где r – плотность газовой среды в paбочих условиях, кг/м³; w_BX – скорость газа во входном патрубке, м/с.

Скорость газа во входном патрубке определяется

, (7.4)

где F_BX – площадь поперечного сечения входного патрубка, м²; V – расход газа, м³ / с; D_пат – диаметр входного патрубка. D_пат =14 мм.

При расчете величины общего гидравлического сопротивления циклона чаще ее определяют как функцию условной скорости газа w_Ц, отнесенной к площади свободного поперечного сечения цилиндрической части корпуса циклона:

D Р_Ц = x (7.5)

Условная скорость газа в циклоне, обеспечивающая степень очистки, лежит в пределах 3, 0–3, 5 м/с и рассчитывается по уравнению:

(7.6)

Как было отмечено выше, степень улавливания при всех прочих одинаковых условиях зависит от скорости газового потока, а следовательно, и от соотношения (см. формулу 7.3 и 7.5)

Наилучшие условия очистки запыленного газа обеспечиваются, как показывают данные по эксплуатации циклонов, при значениях этого соотношения в интервале 500–750 м²/с². Выше этих значений будет перерасход энергии при практически постоянной степени очистки h, нижеэтих значений степень очистки циклона будет заметно снижаться.