Изучение работы циклона

Цель работы:

Практическое ознакомление с работой пылеулавливающего циклона, исследование зависимости эффективности улавливания циклона (h) и его гидравлического сопротивления (ΔР_ц)от условной скорости газового потока; определение коэффициента гидравлического сопротивления циклона.

Основы теории

При переработке пищевого сырья, получении полуфабрикатов и готового продукта в промышленности образуются пыли – взвешенные в газах мелкодисперсные твёрдые частицы. Отходящие промышленные газы, содержащие пыли, подвергают пылеочистке, путём осаждения твёрдых частиц под действием различных сил: тяжести, центробежных, электростатических, и других.

Одним их наиболее простых и широко распространённых способов очистки газовых потоков от находящихся в них твёрдых частиц является центробежное разделение, которое осуществляется в циклонах различных конструкций. Работа циклона основана на использовании центробежных сил, возникающих при вращении запыленного газового потока (газовзвеси) внутри корпуса аппарата. Вращение достигается путём тангенциального ввода потока в циклон. В результате действия центробежных сил частицы пыли, взвешенные в потоке, отбрасываются на стенки корпуса и выпадают из потока. Чистый газ, продолжая вращаться, совершает поворот на 180° и выходит из циклона через расположенную по оси выхлопную трубу (рис. 1). Частицы пыли, достигающие стенок корпуса, под действием перемещающегося в осевом направлении потока и сил тяжести движутся по направлению к выходному отверстию корпуса и выводятся из циклона. Ввиду того, что решающим фактором обусловливающим движение пыли, являются аэродинамические силы, а не силы тяжести, циклоны можно располагать наклонно и даже горизонтально. На практике из-за компоновочных решений, а также для размещения пылетранспортных систем циклоны, как правило, устанавливают в вертикальном положении.

Процесс разделения неоднородных систем «Газ-твёрдые частицы» под действием центробежных сил обуславливается разностью плотностей газового потока и Рисунок 1 – Циклон

твёрдых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большуюэффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести.

Соотношение этих сил называют фактором разделения или центробежным критериемФруда (Fr):

(1)

где: mg – сила тяжести, Н;

Р_ц – центробежная сила, отбрасывающая твёрдую частицу из вращающегося потока газовзвеси к стенкам аппарата:

, (2)

где: m – масса частицы;

υ– окружная скорость, м/с;

R – радиус аппарата, м.

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

(3)

Из выражения (3) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьшением радиуса аппарата. Однако значительное увеличение скорости связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона и усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твёрдые частицы, что приводит к снижению эффективности улавливания частиц из газового потока (наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 18…25 м/с). Уменьшение радиуса циклона приводит к снижению его производительности. Поэтому часто для очистки больших количеств запыленных газов вместо циклона большого диаметра применяют несколько циклонных элементов значительно меньшего диаметра (их монтируют в одном корпусе). Такие циклоны называются батарейными циклонами, или мультициклонами (рисунок 2).

Процессы, происходящие в циклоне, весьма сложны и зависят от многих факторов, поэтому при теоретических расчётах приходится делать много допущений и упрощений.

Так, принимают, что пылевые частицы, поступающие с воздушным потоком в циклон, имеют сферическую форму, при входе запыленного потока в циклон равномерно распределены по сечению, а также то, что частицы, которые при перемещении достигли стенок, подвергаются осаждению, хотя в действительности часть этих частиц будет выброшена в выхлопную трубу вследствие турбулизации потока и т.д. Кроме того, не учитывается такой фактор, как коагуляция частиц, происходящих в циклоне.

Вследствие ряда упрощений и допущений расчёт циклона весьма приближенный. Поэтому при разработке новых конструкций циклонов необходимо в значительной мере учитывать экспериментальные данные и опыт эксплуатации циклонов в производственных условиях.

1 – корпус циклона;2 – входной патрубок; 3 –газораспределительная камера;

4 – трубные решетки; 5 – циклонные элементы; 6 – выходной патрубок для очищенного газа; 7 – коническое днище (бункер).

Рисунок 2 – Батарейный циклон

Ценность теоретических исследований состоит в том, что они позволяют выявить основные закономерности работы циклонов.

При расчёте обычно получают зависимости, характеризующие радиальную скорость перемещения частиц в циклоне, время пребывания частиц в циклоне, предельный диаметр частиц пыли, улавливаемых в циклоне.

Для получения этих зависимостей рассмотрим движение частицы пыли в циклоне.

На частицу, перемещающуюся с потоком запыленного газа в циклоне, действует центробежная сила Р_ц, под действием которой частица перемещается к стенке циклона.

Радиальному перемещению частицы пыли со скоростью J оказывает сопротивление газовая среда. Величина этого сопротивления, согласно закону Стокса, равна:

P_c=3pd (4)

Через некоторое, весьма незначительное время после ввода запыленного потока в циклон центробежная силаP_ц уравновешивается силой сопротивления среды P_с и частица пыли движется в радиальном направлении к стенкам циклона с постоянной скоростью υ

P_ц=Р_с (5)

После подстановки значенийυ и μ

(6)

Отсюда можно определить значение J, учитывая, что масса частицы m сферической формы равна

; (7)

J= (8)

Определим время, необходимое для того, чтобы частица пыли совершила путь к стенке корпуса циклона.

Дальше всех от стенки циклона находятся частицы, которые вошли в циклон около выхлопной трубы. Им предстоит пройти в радиальном направлении путь, равный R-R_o, где R–радиус циклона, м; R_o – радиус выхлопной трубы, м (рис.1.)

Запишем скорость J как производную пути r по времени и, проинтегрировав, найдем время t, необходимое для прохождения радиального пути

(9)

Степень очистки в циклоне сильно зависит от дисперсного состава частиц пыли в поступающем на очистку газе (чем больше размер частиц, тем эффективнее очистка).Определим размер наименьших частиц пыли, улавливаемых в циклоне.

Поток запыленного газа проходит цилиндрическую часть циклона за промежуток времени t₁

(10)

где: 2pR_срn –путь пройденный запыленным потолком, м (n – число оборотов, совершаемых потоком и цилиндрической части циклона, принимаемое равным 2);

J_ц – скорость потока, м/c.

Частицы, которые за время t₁ не успели пройти радиальный путь, будут унесены с потоком и не отделятся в циклоне. Таким образом, приравнивая время t, необходимое для прохождения радиального пути, ко времени t₁, найдем размер наименьших частиц, которые улавливаются в данном циклоне:

Отсюда

(11)

Работа циклона оценивается по совокупности двух его основных характеристик:

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

2. гидравлического сопротивления(энергозатрат на пылеочистку).

Понятно, что желаемым является достижение высокой эффективности улавливания при низком гидравлическом сопротивлении.

Эффективность улавливания(h) может быть определена по известным начальной (С_н) и конечной (С_к) концентрациям твердых частиц в потоке газовзвеси, проходящей через аппарат

(12)

или

(13)

где G_ул, G_н – соответственно массовый расход твердых частиц на входе в цикл и на выходе из цикла;

G_ул=G_н - G_к – массовый расход уловленных твердых частиц.

Гидравлическое сопротивление циклона можно представить как сумму потерь давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротилений (потери при входе в циклон; потери на преодоление трения в корпусе; потери при переходе газового потока из внешней зоны циклона во внутреннюю зону циклона с поворотом на 180⁰С; потери 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 ξ_ц, получим

(14)

где:r-плотность газовой среды при рабочих условиях, кг/ м³;

J_вх-средняя скорость газа во входном патрубке, м/с.

(15)

где:V-объемный расход газа, м³/ с;

f_вх-площадь живого сечения входного патрубка, м².

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

(16)

где: J_ц – условная скорость газа; для обеспечения высокой степени очистки в циклоне принимают (J_ц=3…4 м/c).

Условная скорость газа в циклоне рассчитывается по уравнению

(17)

где: D -диаметр циклона, м.

Значения коэффициентов ξ_ци ξ¢_ц зависят от конструктивных особенностей циклонов.

Выбор типа и размера циклонов производится на основе заданного расхода газов, физико-механических свойств пыли (адгезионных свойств, плотности частиц, их абразивности, дисперсного состава), требуемой степени очистки, габаритов установки, эксплуатационной надежности и стоимости очистки.

Конструкции циклонов разнообразны. Наиболее распространены цилиндрические и конические циклоны конструкции НИИОГАЗа. К цилиндрическим относятся циклоны типа ЦН-11; ЦН-15; ЦН-15У; ЦН-24 (цифры обозначают угол наклона входного патрубка).

К коническимотносятся циклоны типа СДК-ЦН-33,СК-ЦН-34 и СК-ЦН-22 (цифры обозначают отношение диаметров выхлопной трубы и корпуса в процентах). Они отличаются длиной конической частью и спиральным входным патрубком.

Цилиндрические аппараты относятся к высокопроизводительным, а конические- к высокоэффективным.

В настоящее время находят широкое применение пылеуловительные со встречными закрученными потоками (ВЗП).

В отличие от циклонов в аппарат ВЗП газ подается двумя потоками через тангенциальные вводы, снабженные завихрителями (см.рис.3). Запыленный газ может подаваться по одному из каналов, а также по обоим каналам одновременно. Первичный поток газовзвеси входящий через верхний ввод, проходит через периферийную зону аппарата, а вторичный (нижний ввод)- через центральную (приосевую) зону. Под действием центробежных сил частицы перемещаются к стенке аппарата и через зазор между отбойной шайбой и корпусом попадают в бункерную часть аппарата. Очищенный газ выводится через выхлопную трубу.

Рисунок 3 – Пылеуловитель со встречными закрученными потоками

Аппараты ВЗП превосходят циклы (типа ЦН и др.), как по эффективности сепарации, так и по экономическим показателям: коэффициент гидравлического сопротивления аппарата ВЗП в 2,7÷3 раза,а удельные энергозатраты на 20÷40% ниже, чем у циклона. Эффективность улавливания у аппарата ВЗП на 4÷6% выше, чем у циклона.

Описание экспериментальной установки

Лабораторная установка, схема которой изображена на рисунке 4 состоит из циклона 4 (внутренний диаметр циклона 0,2м, размер входного патрубка 0,13´0,05 м, внутренний диаметр выхлопной трубы 0,12 м), который установлен после аппарата взвешенного (псевдоожиженного слоя). Частицы твердого материала, уносимые из слоя, попадают через систему воздуховодов во входной тангенциальный патрубок циклона. Условленные в циклоне частицы материала собираются в сборнике. Расход воздуха регулируется при помощи заслонки.

В качестве измерительных приборов использованы: трубка Пито-Прандтля, подсоединенная к микроманометру ММН-240, служащая для определения расхода воздуха; дифференциальный манометр для определения гидравлического сопротивления циклона.

1 – вентилятор; 2 – аппарат кипящего слоя; 3 – аппарат фонтанирующего слоя; 4 – циклон; 5 – сборник уловленного материала; 6,7 – поворотные краны; 8,9 – трубки Пито-Прандтля; 10 – блок U-образных манометров; 11 – газораспределительная решётка; 12,13 – сетки; 14 – мерная линейка

Рисунок 4 – Схема экспериментальной установки

Методика проведения работы

Эксперименты по исследованию работы циклона проводят в два этапа. На первом этапе определяют гидравлическое сопротивление циклона в зависимости от расхода, незапыленного газового потока; на втором - эффективность улавливания циклона в зависимости от расхода газового потока при постоянной концентрации твердых частиц в нем.

На первом этапе исследование циклона проводят на не запыленном воздухе. Включают вентилятор и устанавливают с помощью заслонки необходимый расход воздуха в пределах, заданных преподавателем (5…7 значений расходов). При установленном расходе воздуха снимают показания микроманометра ММН-240 и дифференциального манометра, которые заносят в таблицу 1.

На втором этапе определяют эффективность улавливания циклона при различных значениях расхода воздуха. Для этого в аппарат взвешенного слоя, работающий в режиме пневмотранспортёра, вводят постоянно одно и тоже количество материала и измеряют количество материала, уловленного в циклоне. Опыты повторяют 5….7 раз при различных расходах воздуха с сохранением постоянной концентрации твердых частиц в газовом потоке. Полученные в каждом опыте данные заносят в таблицу 1.

Обработка опытных данных и составление отчета

По результатам экспериментов для каждого опыта определяют:

1.Расход воздуха V, м₃/c

2.Скорость газового потока во входном патрубке циклона J_вх и условную скорость газового потока в циклоне J_ц по уравнениям (15) и (16)

3.Коэффициенты гидравлических сопротивлений и по уравнениям (14) и (16)

4.Соотношение

5.Эффективность улавливания циклона по уравнению (13)

По результатам расчета необходимо построить:

1) График зависимости

2) График зависимости h= , определить оптимальную скорость воздуха, соответствующую высокой эффективности улавливания при малом гидравлическом сопротивлении циклона.

Таблица 1 – Результаты измерений

№	Показание дифманометраприсоединён-ного к циклону	Количество материала на входе в циклон Gн, кг	Коли-во уловлен-ногома-териала, Gул, кг	Объём-ный расход воздуха, V,м3/с	Скорость воздуха во входном патрубке циклона, , м/с	Условнаяскорость воздуха в циклоне , м/с	Коэффицент гидравличес- когосопротив-ления циклона	Эффек-тивность улавли-вания циклона, h, %
мм.вод.ст.	Па

Контрольные вопросы к работе

1.Перечислите аппараты, применяемые для улавливания пыли?

2.Устройство и принцип работы циклона?

3.Что понимают под фактором разделения?

4.За счет чего в циклоне возникает центробежная сила?

5.Как влияет диаметр циклона и скорость газового потока на его разделяющую способность?

6.С какой целью в промышленной практике прибегают к применению батарейных циклонов?

7.Что понимают под гидравлическим сопротивлением циклона и как его рассчитать?

8.Что понимают под степенью очистки циклона?

Лабораторная работа № 3