В статье рассмотрен классический вид конструкции циклонного пылеуловителя. Проанализированы особенности работы циклонного аппарата и особенности движения пылевой смеси в циклоне. Предложены пути модернизации конструкции циклона.
Сухие пылеуловители работают по принципу отделения тяжелых частиц от газов силами инерции (при раскрутке газов или их резком повороте). Весьма широко на предприятиях для очистки запыленного воздуха применяются циклонные пылеуловители.
Циклоны — наиболее распространенные пылеулавливающие агрегаты [1], они применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической, нефтяной и деревообрабатывающей промышленности, при производстве строительных материалов, в энергетике и др.
При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 80–95 % от частиц пыли размером более 10 мкм. Циклоны пылеуловители являются надежными устройствами очистки, т. к. в их конструкции нет сложного механического оборудования, а сепарация пылевых частиц осуществляется под воздействием центробежной силы.
Принцип работы
Пылевая смесь со взвешенными в ней твердыми частицами через входной патрубок подается в цилиндрическую часть циклонного аппарата и совершают движение сверху вниз по наружной спирали. Под действием центробежной силы фракции пыли отделяются, и по стенкам циклона перемещаются вниз в сборный конус. Обычно в циклонах центробежное ускорение от нескольких сотен, до тысяч раз больше ускорения силы тяжести, поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за газом, и под влиянием центробежной силы движутся к стенке. Накопленная пылевая смесь движется вдоль стенки по спирали вниз в пылевой бункер. Чистый воздух по мере движения сверху вниз частично меняет свое направление, поступая в осевую зону циклона. Чистый воздух подается в воздуховод для очищенного воздуха (сверху или сбоку циклона), частицы пылевой смеси вследствие своей инерционности этого сделать не успевают и попадают в бункер [2].
Особенности конструкции циклона
Классический пылеуловительный циклон состоит из двух частей — цилиндрической и конической. Входной патрубок, через который в циклон подается очищаемый газ, установлен на цилиндрической части и направляет поток внутрь установки тангенциально. Коническая часть циклона расположена вершиной вниз, которая является выходным окном для сброса сепарированных частиц пыли в бункер. По продольной оси установки расположена труба, которая частично погружена в центр цилиндрической части, называемая выхлопной трубой. Цилиндрическая и коническая части циклона крепятся на бункере для сбора отсеянных частиц. В некоторых конструкциях циклонов нижняя сборная камера может и не использоваться. В этом заключается различие между устройствами закрытого и открытого типов [5].
Классическая схема устройства и схема отделения частиц в циклонной камере показаны на рис.1.
Рис. 1. Схема устройства циклона: 1 — запылённый газ; 2 — чистый газ; 3 — зоны высокой концентрации пыли; 4 — конус; 5 — область вихревого ядра; 6 — выгрузка пыли [5]
Особенности работы циклона
В результате анализа движения запыленного газа в циклоне возможно установить следующие характерные зоны — рис. 2. Зона рециркуляции 1, представляющая собой продолговатый овал, отрицательно влияет на сепарацию пыли. На выходе из циклона в зоне 2 скорости газа в трех главных направлениях служат величинами одного порядка. Зона 3 служит центральной тороидальной областью рециркуляции на выходе. Выхлопная труба 4, которая частично погружена в центр установки, уменьшает «диффузию» частиц через прилегающий слой по длине верхней крышки пылеуловителя. Существенное влияние на работу устройства оказывает наличие прилегающего слоя у нижней торцевой стенки 5. В связи с этим ее выполняют конусной. Обращение вихревого движения газа происходит в зоне 6. При изменении направления движения вихря окружная скорость становится значительно больше, чем две другие. Входной патрубок для подачи газа на очистку в циклон расположен в зоне 7. Благодаря области сильного поля центробежных сил близ стенки 8 обеспечивается сепарация частиц и увеличивается время пребывания их в аппарате [5].
Рис. 2. Схема течения газа в циклоне: 1 — кольцевая зона; 2 и 3 — зоны на выходе из аппарата; 4 — выхлопная труба; 5 — зона пограничного слоя; 6 — зона обращения движения; 7 — зона входа; 5 — зона пограничного слоя; 6 — зона обращения движения; 7 — зона входа; 8 — зона разделения [5]
Путем модернизации конструкции циклона возможно решить вопрос с одним из недостатков, а именно снизить гидравлическое сопротивление.
Метод центробежного осаждения частиц из запыленного потока газовоздушной смеси, является едва ли не единственным в случае умеренных объемных расходов газа. Это объясняется простотой устройства и высокой эффективностью очистки воздуха.
Рассмотрим циклон в котором совершается устойчивое круговое движение с постоянной угловой скоростью.
В зоне переноса частиц инерционные центробежные силы во много раз превосходят гравитационные силы. Но действие центробежных сил в классическом циклоне кратковременное, так как возникающие при круговом движении потока сжимающие его силы направлены от периферии к центру вихря; происходит движение газового потока от стенки аппарата к его оси, которое противодействует вылету частицы пыли. При переходе цилиндрической части в коническую — конфузор перепад статического давления в потоке газа происходит более резко, сжимающее поток усилие становится значительно больше центробежной силы, поток в виде сильного вихря направляется внутрь, захватывая с собой частицы пыли [4].
Движение частицы вниз происходит только благодаря воздействию вторичного потока газа, искривленного вдоль конической стенки, при этом ему приходится преодолевать и силу трения частиц о стенку аппарата.
В данной конструкции при сохранении первого условия можно добиться менее стремительно увеличения коэффициента сопротивления. В классическом циклоне гидравлическое сопротивление продолжит неизбежно возрастать.
Модернизированный циклон работает следующим образом:
Запыленный воздушный поток нагнетается в корпус пылеуловителя через входной патрубок. За счет центробежной силы в цилиндрической полости циклона начинается отделение частиц пыли из потока. Затем запыленный поток поступает в конническую полость циклона. Очищенный воздух удаляется через выходной патрубок. Частицы уловленной пыли удаляются через патрубок [3].
Использование циклонных пылеуловителей очистки призвано обеспечить максимальное снижение выбросов загрязненных веществ. В современной промышленности очень широко используются циклонные аппараты, но по ряду причин они не удовлетворяют современным требованиям по качеству очистки. Разрабатываемые и внедряемые методы модернизации циклонов позволят без существенных затрат увеличить эффективность очистки воздуха, без увеличения энергозатрат, а также увеличить срок службы циклона.
Литература:
1. Штокман Е. А. Очистка воздуха. Издательство: Ассоциация строительных вузов (АСВ), 2007. — 312 c.
2. Вальдберг А. Ю. Исянов Л. М. Тарат Э. Я. Технология пылеулавливания / — Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1985. — 192 с..
3. Веригин А. Н., Федоров В. Н., Малютин М. С. Конструкция современных циклонов для пылеулавливания Издат.: С.-Петербургского университета, 2000 г., 336с.
4. Очистка воздуха и обезвреживание отходящих газов: тез.докл. конф., 17–18 окт. 1991 г. / Под ред.Ю. И. Шумяцкого. — Пенза: [б. и.], 1991. — 128 с.
5. Конструкция современных циклонов для пылеулавливания. — URL: http://www.ntds.ru/statyi/120_cikloni.pdf (Дата обращения 18.06.2016).
