 |
Расчет центробежных пылеуловителей (циклонов)
|
|
|
|
Циклоны позволяют разделить пыли в поле центробежных сил. Циклоны выпускают с корпусом диаметром от 100 до 1000 мм. Эффективность их работы характеризуется фактором разделения. Степень очистки газов зависит от конструкции циклона, размера частиц и их плотности. Например, если КПД циклона при улавливании частиц диаметром 25 мкм составляет 95 %, то при диаметре частиц 10 мкм КПД снижается до 70 %. Степень очистки газов от пыли часто определяют по нормалям и номограммам, составленным на основании экспериментальных данных. Циклон, представленный на рис. 7 обладает небольшим гидравлическим сопротивлением и позволяет достигать относительно высокой степени очистки.
Наиболее предпочтительным по форме с точки зрения аэродинамики является подвод газов по спирали, однако по практическим данным, все способы подвода могут применяться с равной эффективностью.
Сущность циклонного процесса заключается в следующем: газовый поток со взвешенными частицами вводится в аппарат через входную трубу со скоростью 10...40 м/с. Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выводной трубы поток начинает вращаться вокруг последней, совершая несколько витков при прохождении через аппарат. Под действием возникающих центробежных сил взвешенные частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности корпуса, а затем соскальзывают в коническое днище и удаляются из циклона через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выводную трубу.
Точный расчет циклонов достаточно сложен, поэтому их рассчитывают упрощенно по величине гидравлического сопротивления DР.
Фиктивная скорость газа (в м/с) в цилиндрической части циклона может быть определена по формуле:
|
|
|
, (3.1)
где Dр/rг – фактор разделения;
xц – коэффициент гидравлического сопротивления.
Для циклона, показанного на рис. 7, отношение DР/rг составляет 500…750 м2/с2.
Значение коэффициента гидравлического сопротивления xц, отнесенного к vф, принимают по опытным данным.
Диаметр цилиндрической части циклона (в м) определяют по заданной производительности:
, (3.2)
где V – объемный расход запыленного газа, м3/с.
Определив диаметр цилиндрической части циклона Dц, находят все остальные его размеры. На рис. 7 показаны размеры циклона в зависимости от диаметра его цилиндрической части.
Особенность циклона конструкции, представленной на рис. 7 – наклонный патрубок для поступающего газа. От угла наклона патрубка зависит степень очистки газа:
- циклон с углом 24° (ЦН-24) обеспечивает большую производительность при малом гидравлическом сопротивлении и предназначается для улавливания крупных частиц. Коэффициент гидравлического сопротивления xц = 60;
- циклон с углом 15° (ЦН-15) обеспечивает хорошую степень очистки при сравнительно невысоком гидравлическом сопротивлении xц = 160;
- циклон с углом 11° (ЦН-11) обеспечивает высокую степень очистки xц = 250;
Удаление пыли из газов в циклоне протекает в две стадии. На первой стадии частицы переносятся в зону осаждения. Этот процесс осуществляется за счет центробежной силы. Вторая стадия заключается в отделении частиц. Она начинается тогда, когда концентрация частиц в газовом потоке превышает предельную нагрузку, т.е. количество пыли, которое в состоянии переносить газовый поток в данных условиях с учётов влияния стенок.
Принципиально циклон работает по следующей схеме (см. рис. 7). Газы, направляющиеся в аппарат, поступают в цилиндрическую часть циклона, приобретают движение по спирали с увеличивающейся скоростью от периферии к центру внутрь, спускаются по наружной спирали, затем поднимаются по внутренней спирали и выходят через выхлопную трубу. Обычно в циклонах центробежное ускорение в несколько сот, а то и тысячу больше ускорения силы тяжести. Поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за линиями тока газов и под влиянием центробежной силы выносятся из кривой движения газов по направлению к стенке.
|
|
|
В цилиндрической камере циклона статическое давление, как и в каждом искривленном течении, сильно падает в направлении от периферии к центру. В основном потоке направленные во внутреннюю сторону сжимающие усилия приходят в равновесное состояние с центробежными силами газов. Более медленно текущий у стенки циклона пограничный слой испытывает соответственно меньшие центробежные силы.
Однако у конической стенки циклона и у его крышки перепад начинает сказываться. Сжимающее поток усилие становится значительно больше центробежной силы, и он в виде сильного вторичного вихря направляется внутрь, захватывая с собой много частиц пыли. Но так как затем поток еще несколько раз по пути вниз обернется вокруг выхлопной трубы, частицы могут быть вновь отброшены к стенке аппарата.
Вторичный поток, искривленный вдоль конической стенки, захватывает отброшенную к стенке пыль и направляет ее вниз к пылеосадительной камере (бункеру). Без этого потока отдельные частицы, находящиеся у стенки, не могли бы попасть вниз, поскольку направленная вверх составляющая центробежной силы является большей по сравнению с силой тяжести. О большом влиянии вторичного потока свидетельствует тот факт, что пыль выносится из лежащих и даже перевернутых циклонов.
В пылеосадительной камере (вследствие сужения в месте соединения) газовый поток циркулирует слабее, чем в цилиндрической камере. Однако и в этом случае на оси вихрь имеет пониженное давление. Часть вторичного потока цилиндрической камеры в пылеосадительной камере перемещается вниз и вновь возвращается в ядро вихря. Благодаря этому уже отсепарированная пыль может быть вновь захвачена и вынесена в район оси вихря.
Газовый поток, перемещающийся по трубе, имеет ограниченную несущую способность (так называемую загруженность) по пыли. Это еще в большей степени относится к циклонам, потому что вместо силы тяжести здесь сказывается во много раз большая центробежная сила.
|
|
|
Обычно теоретические исследования очистки газов в циклонах приводят к получению формулы, характеризующей критический (минимальный) диаметр частиц dкр (в м), полностью улавливаемых аппаратом:
, (3.3)
где mг – коэффициент динамической вязкости газов, Па×с;
Vг – объемный расход газов, м3/с;
– скорость газов на входе в циклон, м/с;
rг – плотность газов, кг/м3;
rч – плотность частиц пыли, кг/м3;
Dтр – диаметр выхлопной трубы, м, (0,58 Dц);
Dц – диаметр цилиндрической части циклона, м;
Dв – диаметр выходного сечения конической части, м, (0,35 Dц);
Н – высота цилиндрической + конической частей аппарата, м, (2 Dц + Нц);
Нц – высота цилиндрической части, м, (0,825 + 0,775 + 0,66) Dц;
hтр – высота заглубления выхлопной трубы, м, (0,775 + 0,66) Dц.
Расчет эффективности очистки h (в %) в циклонах ведется на основании дисперсного (фракционного) состава пыли на входе в циклон по формуле:
, (3.4)
где hфр1, hфр2, …, hфр n – коэффициенты парциальной эффективности очистки в данном циклоне (средние для определенной фракции), доли единицы;
Ф1, Ф2, …, Фn – содержание частиц данной фракции в пыли на входе в циклон, вес. %.
ЗАДАЧА 3.1
Рассчитать циклон для выделения частиц сухого молока из воздуха, выходящего из распылительной сушилки.
Исходные данные:
| Наименьший размер частиц d, мкм | Массовый расход воздуха Gг, кг/ч | Температура t, oC | DP/rг | Коэффициент сопротивления цилинд. части, xц | Скорость газов на входе в циклон, v’г, м/с |
| 9,5 | 72,0 | 11,75 |
Решение:
Для улавливания частиц сухого молока размером 13,5 мкм выберем циклон типа ЦН-11. Рассчитаем фиктивную скорость газа в цилиндрической части циклона:
Вычислим плотность воздуха при заданной t ̊ C:
Определим гидравлическое сопротивление циклона:
Определим объемный расход:
Определим диаметр циклона:
ЗАДАЧА 3.2
Рассчитать критический диаметр частиц пыли с учетом решения задачи 3.1
|
|
|
Исходные данные:
| Наименьший размер частиц d, мкм | Массовый расход воздуха Gг, кг/ч | Температура t, oC | DP/rг | Коэффициент сопротивления цилинд. части, xц | Скорость газов на входе в циклон, v’г, м/с | Плотность газа ρг, кг/м3 | Плотность частиц пыли ρч, кг/м3 |
Диаметр циклона,
 , м
|
| 9,5 | 72,0 | 11,75 | 0,77 | 0,542 |
Решение:
Находим диаметр выхлопной трубы:
Определим диаметр выходного сечения конической части:
Определим высоту цилиндрической части:
Определим высоту цилиндрической + конической части аппарата:
Определим высоту заглубления выхлопной трубы:
Определим критический диаметр частиц пыли:
|
|
|
