Циклоны

Классификация устройств для очистки воздуха

Поршневые насосы

В поршневых насосах рабочий орган (поршень) совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, сообщая перекачиваемой жидкости энергию.

Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия, в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания.

Достоинства:

1) Они могут перекачивать различные жидкости, создавая большие напоры (до 15 МПа),

2) обладают хорошей всасывающей способностью (до 7 м) и высоким КПД – η = 0,75…0,85.

Их недостатками являются: тихоходность, неравномерность подачи жидкости и невозможность ее регулировать.

Производительность поршневого насоса Q (м³/с)?

а) простого действия:

б) двойного действия:

Насос поршневой двойного действия

где η_ν – коэффициент подачи, величина которого в среднем составляет 0,8-0,9;

F – рабочая площадь (площадь поперечного сечения) поршня, м²;

f – площадь поперечного сечения штока, м²;

b – ширина зуба, м;

s – ход порщня, м;

n – частота вращения, т.е. число двойных ходов поршня в 1 минуту.

Шестеренчатый насос состоит их корпуса и зубчатых колес. Одно из них приводится в движение, второе в зацеплении с первым свободно вращается на оси. При вращении шестерен жидкость перемещается впадинами зубьев по окружности корпуса.

Они характеризуются постоянной подачей жидкости и работают в диапазоне 500…2500 об/мин. Их КПД в зависимости от частоты вращения и давления составляет 0,65…0,85. Они обеспечивают глубину всасывания до 8 м и могут развивать напор более 10 МПа.

Производительность шестеренчатого насоса Q (м³/с) определяется по формуле:

где η_ν – коэффициент подачи;

f – площадь сечения зуба, ограниченная внешней окружностью соседней шестерни, м2;

b – ширина зуба, м;

z – число зубьев на шестерне;

n – частота вращения в 1 минуту.

Отходящие газы промышленности, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы, в которых сплошной фазой являются газы, а дисперсной – твердые частицы или капельки жидкости.

В технике выделения дисперсной фазы из газовых потоков применяется большое число аппаратов, отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц.

По способу улавливания пыли их обычно подразделяют на аппараты сухой, мокрой и электрической очистки газов.

В основе работы сухих пылеуловителей лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения. Самостоятельную группу аппаратов сухой очистки составляют пылеуловители фильтрационного действия.

В основе работы мокрых пылеуловителей лежит контакт запыленных газов с промывной жидкостью; при этом осаждение частиц происходит на капли, поверхность газовых пузырей или пленку жидкости.

В электрофильтрах осаждение частиц пыли происходит за счет сообщения им электрического заряда.

Эффективность очистки газов от пыли (степень очистки, коэффициент полезного действия) выражается отношением количества уловленного материала к количеству материала, поступившего в газоочистной аппарат с газовым потоком за определенный период времени.

Эффективность η очистки в пылеулавливающих аппаратах определяют в основном весовым методом. Рассчитывают ее несколькими способами.

По содержанию пыли в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из него:

где G – массовый расход частиц пыли (капель, тумана), содержащихся в газе;

Q _г – приведенный к нормальным условиям объемный расход газов;

с – концентрация частиц в газах. Индекс «н» относится к газам, поступающим в аппарат; индекс «к» – к газам, выходящим из аппарата.

Эффективность очистки может быть определена по концентрации пыли в газах до поступления в аппарат и по количеству уловленной пыли:

,

где G _у – количество уловленной пыли, кг/с;

а также по количеству уловленной аппаратом пыли и концентрации пыли в газах, выходящих из аппарата:

.

Известно, что эффективность очистки от частиц пыли различных размеров неодинакова. Так как лучше улавливается крупная пыль, то коэффициент очистки газов часто определяют по фракционной эффективности – степени очистки газов от частиц определенного размера.

Фракционная эффективность очистки η_{ф i} выражается формулой:

,

где Ф _{i н} и Ф _{i к} – содержание i -й фракции в газах соответственно на входе и выходе из аппарата, %.

Зная фракционную степень очистки газов, можно определить общую степень очистки (эффективность аппарата) по формуле:

Или

,

где f (d) _i – функция плотности распределения улавливаемых частиц по размерам, м^–1.

Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде коэффициента проскока частиц (степени неполноты улавливания), который представляет собой отношение концентрации частиц за аппаратом к их концентрации перед ним. Коэффициент проскока используют, когда нужно оценить конечную запыленность или сравнить относительную запыленность газов на выходе из различных аппаратов.

Коэффициент проскока K _пр рассчитывают по формуле:

.

К сухим механическим пылеуловителям относят аппараты, в которых используются следующие механизмы осаждения: гравитационный, инерционный и центробежный.

Гравитационное осаждение (седиментация) происходит в результате вертикального оседания частиц под действием силы тяжести при прохождении их через газоочистной аппарат. Аппараты, использующие этот принцип улавливания пыли, называют осадительными камерами.

Рассмотрим их основные типы.

Горизонтальная осадительная камера без внутренних устройств: 1 – корпус; 2 – пылесборные бункеры

Запыленный газовый поток медленно движется в сепарационном пространстве камеры, а частицы оседают из него в секции пылесборника.

Такая конструкция проста, но слишком громоздка, поскольку сепарационная камера должна быть весьма объемной для обеспечения достаточно медленного движения газа в горизонтальной плоскости и исключения нежелательных локальных турбулентных потоков (как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении).

В многополочной камере:

Многополочная осадительная камера: 1 – полки; 2 – затвор; 3 – люк для удаления пыли

сепарационное пространство секционировано горизонтальными полками, что существенно уменьшает продолжительность осаждения частиц, позволяет работать с более высокими скоростями газа, а также исключает вертикальное турбулентное перемешивание потока газовзвеси. Для удаления пыли полки делают наклонными; применяют встряхивающие устройства, например, вибраторы, кулачковые встряхиватели

В камере с перегородками наряду с гравитационными силами, используют и инерционные, что увеличивает эффективность очистки.

Осадительная камера с вертикальными перегородками: 1 – корпус; 2 – пылеотводящие бункеры; 3 – перегородки

Приближенный расчет осадительных камер заключается в следующем. Продолжительность t (с) прохождения газами осадительной камеры при равномерном распределении газового потока по ее сечению составляет

,

где V _к – объем камеры, м³;

Q _г – объемный расход газов, м³/с;

L, B, H – соответственно длина, ширина и высота камеры, м.

За это время под действием силы тяжести частица определенного размера (из определенной фракции) пройдет путь:

где v _ос – средняя скорость осаждения частиц данной фракции, м/с.

Фракционная эффективность многосекционной камеры с горизонтальными полками

,

где n – число секций в камере.

Циклонные аппараты являются самыми распространенными сухими механическими пылеуловителями благодаря дешевизне, простоте устройства и обслуживания, высокой производительности.

Циклонные аппараты имеют следующие достоинства:

- отсутствие движущихся частей в аппарате;

- надежность работы при температурах газов вплоть до 500 °С (для работы при более высоких температурах циклоны могут быть изготовлены из специальных материалов);

- возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;

- улавливание пыли в сухом виде;

- почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата;

- возможность успешной работы при высоких давлениях газов;

- простота в изготовлении;

- сохранение высокой фракционной эффективности очистки при увеличении запыленности газов.

Правильно спроектированные циклоны могут эксплуатироваться надежно в течение многих лет.

Недостатки циклонов:

- сравнительно высокое гидравлическое сопротивление (у высокоэффективных циклонов оно достигает 1250–1500 Па);

- плохое улавливание частиц размером менее 5 мкм;

- невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений.

Циклоны различают по способу подвода газов в аппарат:

- циклоны со спиральным,

- тангенциальным,

- винтообразным,

- а также с осевым подводом.

Циклоны с осевым (розеточным) подводом газов работают как с возвратом газов в верхнюю часть аппарата, так и без него. Последний тип аппаратов («прямоточные циклоны») отличается низким гидравлическим сопротивлением и меньшей по сравнению с другими типами эффективностью пылеулавливания. Недостатком прямоточных циклонов является необходимость отсоса части газов через бункер для отвода пыли, что способствует его абразивному износу.

а) спиральный; б) тангенциальный; в) винтообразный; г) осевой розеточный циклон с возвратом газов; д) осевой розеточный прямоточный циклон

Рисунок - Основные виды конструкций циклонов (по способу подвода газов)

Направляемые на очистку газы поступают в цилиндрическую часть циклона и совершают движение сверху вниз по наружной спирали. Частицы пыли отбрасываются центробежной силой к стенке. Обычно в циклонах центробежное ускорение в несколько сотен, а то и в тысячу раз больше ускорения силы тяжести, поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за газом, а под влиянием центробежной силы движутся к стенке. Частицы движутся вдоль стенки по спирали вниз в пылевой бункер. Газовый поток по мере движения сверху вниз частично меняет свое направление, поступая в осевую зону циклона. Часть газового потока снизу поворачивает вверх, частицы пыли вследствие своей инерционности этого сделать не успевают и попадают в бункер. При этом возможен так называемый обратный вынос пыли, когда часть газа тоже попадает в бункер и оттуда выносит с собой мелкие частицы пыли.

Рисунок – Схема работы циклона

Поскольку на эффективность пылеочистки в циклоне силы тяжести влияют значительно меньше, чем центробежные силы, циклоны можно располагать в любом положении, даже горизонтальном. Однако для рациональной компоновки оборудования чаще их устанавливают вертикально.

Циклоны разделяют на цилиндрические и конические. В цилиндрических циклонах корпус выполнен с удлиненной цилиндрической частью(H _ц > H _к), а в конических(H _к > H _ц) – с удлиненной конической частью, H _ц и H _к соответственно высота цилиндрической и конической части циклона.

Циклоны можно устанавливать как на всасывающей, так и на нагнетательной линии. Однако для того, чтобы продлить срок службы вентилятора (особенно на потоках с абразивными или липкими пылями), циклоны следует устанавливать на всасывающей линии перед вентилятором. В противном случае пыль попадает в вентилятор и вызывает его преждевременный износ и поломку.

Герметичность циклонов вместе с бункером – необходимое условие их нормальной работы: даже незначительные подсосы воздуха через бункер резко снижают эффективность очистки.

Основной характеристикой циклона является внутренний диаметр его корпуса D. Рассчитывается он обычно исходя из условной осевой скорости газа v_у, отнесенной к полному сечению аппарата:

, (10.3.3.15)

где Q _г – общий объемный расход газа в системе пылеочистки;

z – число групп циклонов в установке;

n – число циклонов в группе.

Оптимальной считается условная осевая скорость в корпусе до 4,0 м/с. Скорость 2,5 м/с рекомендуется при очистке от абразивной пыли.

При рассчитанном диаметре одиночного циклона более 1800 мм целесообразна их групповая компоновка. Увеличение количества циклонов в группе уменьшает их диаметр и увеличивает степень очистки.

На выбор диаметра циклона (в метрах) накладывается также дополнительное условие:

,

где x _н – начальная запыленность газа, кг/м³;

k = 2 – для слабо слипающейся пыли;

k = 8 – для сильно слипающейся пыли.

Диаметр циклона округляют до величин из стандартного ряда: 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм.

Затем вычисляют действительную условную осевую скорость газа в циклоне

(10.3.3.17)

Она не должна отклоняться более, чем на 15 %, от оптимальной для данного типа циклона.

Рисунок Схема группового циклона прямоугольной компоновки: 1 – заглушка; 2 – сборник чистого газа; 3 – кольцевой диффузор; 4 – циклон; 5 – косынка; 6 – люк; 7 – бункер; 8 – коллектор запыленного газа	Группа циклонов

Гидравлическое сопротивление является важным показателем работы циклона. Оно определяет выбор вентилятора и энергозатраты на транспортирование запыленного газа.

В циклоне газ проходит последовательно входной патрубок, цилиндрическую и коническую части и выхлопную трубу. При этом он совершает вращательное движение, проходя на своем пути внезапные сужение, расширение и повороты. Расчленить этот путь на отдельные составляющие практически невозможно, и поэтому потери давления в циклоне рассматриваются подобно единичному местному сопротивлению.