Циклоны
Общая характеристика
Сепарация пылевых частиц в циклоне осуществляется на основе использования центробежной силы. Схема циклонного аппарата показана на рис. 5.6.
Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и технологических выбросов во всех отраслях народного хозяйства. Можно утверждать, что циклоны являются наиболее распространенным видом пылеулавливающего оборудования. Их широкое распространение в значительной мере объясняется тем, что они имеют многие преимущества — простота устройства, надежность в эксплуатации при сравнительно небольших капитальных и эксплуатационных затратах. Надежность циклонов обусловлена, в частности, тем, что в их конструкции нет сложного механического оборудования.
Капитальные и эксплуатационные затраты на пылеулавливающие установки, оборудованные циклонами, значительно меньше соответствующих расходов для установок с рукавными фильтрами, а тем более электрофильтрами. Циклоны делятся на циклоны большой Производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой Диаметр и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые — сравнительно небольшого диаметра (до 500—600 мм). Очень часто применяют групповую установку этих Циклонов, соединенных параллельно по воздуху.
Рис. 5.6. Схема.
Рис. 5.7. Эффективность циклонов:
а — отечественные данные: 1 — циклон СК-ЦН-34; 2 — циклон ЦН-11: 3 — циклов ЦН-15; 4 — циклон ЦН-24: б — зарубежные данные: 1 —высокоэффективные циклоны; 2 — высокопроизводительные циклоны
Циклоны, как правило, используют для грубой и средней очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли. Принято считать, что они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером до 5—10 мкм, что является основным их недостатком. Однако циклоны, особенно циклоны высокой эффективности, улавливают не такую уж малую часть пыли размером до 10 мкм — до 80 и более процентов.
Об этом дают представление графики, рис. 5.7. Но фракционная, да и общая эффективность даже самых совершенных циклонов часто оказывается недостаточной.
В современных высокоэффективных циклонах, в конструкции которых учтены особенности улавливаемой пыли, удалось существенно повысить общую и фракционную эффективность очистки. Отмеченный выше недостаток обусловлен особенностями работы циклонов, в частности, турбулизацией потока запыленного воздуха, которая препятствует сепарации пыли.
Разработано и применяется в технике обеспыливания большое число различных типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и т. д. (рис. 5.8.).
Корпус циклона состоит из цилиндрической и конической частей.
По форме циклоны разделяют на цилиндрические (Нц > Як) и конические (Нк > Нц), где Нц и Н„ соответственно высота цилиндрической и конической части циклона. Коническая часть аппарата выполняется в виде прямого конуса, обратного конуса или может состоять из двух конусов — прямого и обратного (рис. 5.9.). Строение конической части определяет особенности движения пылевоздушного потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на процесс сепарации, а также коагуляцию некоторых видов пыли в аппарате, на устойчивость его работы при улавливании данных видов пыли.
Рис. 5.8. Типы циклонов.
Запыленный воздух поступает в циклон через патрубок, очищенный — удаляется через выхлопную трубу. В зависимости от способа подведения воздуха к циклону различают циклоны с тангенциальным и спиральным подводом воздуха. При прочих равных условиях циклоны со спиральным подводом обладают более высокой эффективностью очистки. Поток запыленного воздуха входит в корпус циклона обычно со скоростью 14—20 м/с.
Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часовой стрелки).
Ниже рассматриваются теоретические основы циклонного процесса и наиболее распространенные и характерные виды циклонных аппаратов.
Рис. 5.9. Циклоны с различной формой конической части корпуса:
а — коническая часть в виде прямого конуса: б — коническая часть в виде обратного конуса; в — коническая часть составная
Теоретические основы циклонного процесса
Улавливание пыли в циклонных аппаратах основано на использовании центробежных сил. Вопросы теории центробежной сепарации подробно рассматриваются в трудах П. А. Коузова, А. И. Пирумова и др.
Рассмотрим общепринятую схему движения газопылевого потока и сепарации пыли в циклоне. Пылегазовый поток с большой скоростью по касательной поступает в цилиндрическую часть корпуса циклона и совершает движение по нисходящей спирали вначале в кольцевом пространстве между корпусом и выхлопной трубой и продолжает это движение в конической части корпуса, делая несколько витков (рис. 5.10.).
Под действием центробежной силы, возникающей при вращательном движении потока, пылевые частицы перемещаются радиально к стенкам циклона. Пыль отделяется от воздуха в основном при переходе потока в восходящий, что происходит в конической части корпуса. Поток, продолжая движение в корпусе циклона, поворачивая на 180°, входит в выхлопную трубу и, совершая в ней движение по восходящей спирали, выходит из циклона.
Пылевые частицы, выделившиеся из потока, поступают через пылевыпускное отверстие в бункер.
В циклоне создаются два вихревых потока: внешний — запыленного воздуха от входного патрубка в нижнюю часть конуса и
внутренний — относительно очищенного воздуха из нижней части конуса во внутреннюю трубу.
Процессы, происходящие в циклоне, весьма сложны и зависят от многих факторов, поэтому при теоретических расчетах 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 аппарат равномерно распределены по сечению, частицы, которые при перемещении достигли стенок, осаждаются, 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 пылевых частиц, происходящая в циклоне.
Рис. 5.10. Схема движения запыленного потока воздуха (газа) в циклонном аппарате:
....... внешний вихрь;
—————— внутренний вихрь
При разработке конструкций циклонов приходится в значительной мере учитывать экспериментальные данные и опыт эксплуатации циклонов в производственных условиях. Ценность теоретических исследований состоит в том, что они позволяют выявить основные закономерности работы циклонов.
Рассмотрим силы, действующие на частицу, движущуюся в кольцевом пространстве между цилиндрической частью корпуса циклона и выхлопной трубой.
Центробежная сила, действующая на частицу, может быть определена из выражения
Силу сопротивления среды определяем из формулы Стокса
где nr — тангенциальная скорость пылевой частицы, принимаемая равной скорости газового потока при входе в циклон, м/с;
np — скорость движения частицы в радиальном направлении, м/с;
R — расстояние от центра вращения газового потока (оси
циклона) до частицы, м;
m — масса шаровой частицы, равная rcd3p/6, кг;
d — диаметр частицы, м;
р — плотность материала частицы, кг/м3;
m — вязкость газа, Н • с/м2.
Через несколько мгновений после входа запыленного потока в циклон силы Р„ и F уравновешиваются, т. е.
и частица движется в радиальном направлении с постоянной скоростью, которую можно определить из написанного выше равенства
Из движущихся в потоке частиц наибольший путь пройдет частица, которая при входе в циклон находилась вблизи выхлопной трубы. Ее путь равен R2—R1-здесь R1 — радиус выхлопной трубы циклона, м;
R2 — радиус цилиндрической части циклона, м.
Время для прохождения этого пути:
Величина R переменная, ее среднее значение можно принять
Подставим в формулу (5.5.) значение ур из (5.4.), найдем 
Из этой же формулы можно найти размер самых малых частиц, которые успевают пройти путь (Д2 — RI) за время прохождения циклона газовым потоком, т. е. за время нахождения частицы в циклоне
где n — число оборотов, которые совершает газовый поток в циклоне (обычно принимают 2).
Данные, полученные по формулам (5.6.) и (5.7.), значительно отличаются от результатов экспериментальных исследований. Это объясняется тем, что в формулах не в полной мере учтены все факторы, влияющие на циклонный процесс.
В реальных условиях пылевые частицы, имеющий размер больше dmtn, улавливаются в циклоне далеко не полностью. В то же время часть частиц, имеющих размер меньше dmin, осаждается в циклоне. Это можно объяснить тем, что в формулах не учитывается коагуляция, происходящая в циклоне. Кроме того, часть мелких частиц увлекается потоком и осаждается вместе с более крупными частицами.
Рассмотрение формул (5.2.) — (5.7.) позволяет выявить факторы, от которых зависит эффективность улавливания пыли в циклонных аппаратах.
Увеличение скорости газового потока при входе в циклон повышает эффективность улавливания пыли, однако до некоторого значения скорости, характерного для данного вида пыли. Дальнейшее увеличение скорости не только не приводит к повышению эффективности улавливания, но значительно ее снижает. Объясняется это тем, что с возрастанием скорости в циклоне увеличивается турбулизация, которая препятствует сепарации пыли и даже способствует переходу уже отложившейся в бункере пыли вновь во взвешенное состояние и выносу ее из циклона.
Увеличение массы пылевых частиц облегчает их улавливание и, следовательно, повышает эффективность очистки. Таким образом, коагуляция пыли путем ее предварительной обработки или непосредственно в циклонном аппарате весьма желательна.
Вязкость газа увеличивается при повышении температуры. При этом несколько снижается эффективность улавливания пыли.
Конструкции циклонов
Циклоны НИИОГаз. В институте НИИОГаз разработан ряд конструкций цилиндрических и конических циклонов. Широкое распространение получили цилиндрические циклоны (рис. 5.11.) ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24. Цифровое обозначение циклона соответствует углу наклона крышки аппарата и патрубка, подводящего запыленный поток. Для данных циклонов характерна удлиненная цилиндрическая часть корпуса. Циклон ЦН-15у имеет укороченную коническую часть. Его применяют при ограничении по высоте, он имеет несколько худшие показатели, чем ЦН-15.
Циклон ЦН-11 предназначен для очистки воздуха (газов) от сухой неслипающейся неволокнистой пыли, образующейся в различных помольных и дробильных установках и при транспортировании сыпучих материалов.
Для улавливания взрывоопасной и легковозгораемой пыли циклоны ЦН должны быть выполнены по специальным чертежам и не иметь узлов, где могло бы происходить скопление пыли, и должны быть снабжены необходимым количеством взрывных клапанов.
Цилиндрические циклоны ЦН в зависимости от требуемой производительности можно устанавливать одиночно или компоновать в группы по два, четыре, шесть, восемь циклонов (рис. 5.12.).
Рис. 5.11. Циклон ЦН конструкции НИИОГаз. Рис. 5.12. Групповая установка циклонов ЦН.
Соотношение размеров (в долях внутреннего диаметра) для циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24 дано в табл. 5.2.
Таблица 5.2.
Соотношение размеров (в долях внутреннего диаметра) для циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24
| Наименование | Тип циклона | |
| ЦН-15 ЦН-15у ЦН-24 | ЦН-11 | |
| Внутренний диаметр выхлопной трубы, d | 0,59 для всех типов | |
| Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия, d1 | 0,3—0,4* для всех типов | |
| Ширина входного патрубка в циклоне (внутренний размер), b | 0,2 для всех типов | |
| Ширина входного патрубка на входе (внутренний размер), b1 | 0,26 для всех типов | |
| Длина входного патрубка, l | 0,6 для всех типов | |
| Диаметр средней линии циклона, Dcp | 0,8 для всех типов | |
| Высота установки фланца, hфп | 0,1 для всех типов | |
| Угол наклона крышки и входного патрубка циклона, a | 15° 15° 24° | 11° |
| Высота входного патрубка (внутренний диаметр), а | 0,66 0,66 1,11 | 0,48 |
| Высота выхлопной трубы, hт | 1,74 1,5 2,11 | 1,56 |
| Высота цилиндрической части циклона, Нц | 2,26 1,51 2,11 | 2,06 |
| Высота конуса циклона, Нк | 2,0 1,50 1,75 | 2,0 |
| Высота внешней части выхлопной трубы, hв | 0,3 0,3 0,4 | 0,3 |
| Общая высота циклона, Н | 4,56 3,31 4,26 | 4,38 |
* Больший размер принимается при малых D и большой запыленности
Фракционная эффективность циклонов ЦН-11 и ЦН-15 представлена на рис. 5.13.
К коническим циклонам НИИОГаз относятся аппараты СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М (рис. 5.14, табл. 5.3.). Циклоны имеют удлиненную коническую часть и спиральный входной патрубок. Циклоны обладают высокой эффективностью очистки. Они предназначались для улавливания сажи.
Рис. 5.13. Фракционная эффективность циклонов ЦН НИИОГаз:
1 - ЦН-11; 1 - ЦН-15; 3 - ЦН-15у; 4 - ЦН-24; 5 - СДК-ЦН-33; в — СК-ЦН-34
Таблица 5.3.
Соотношение размеров (в долях диаметра D) для циклонов СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М
| Наименование | Тип циклона | ||
| СДК-ЦН-33 | СК-ЦН-34 | СК-ЦН-34М | |
| Внутренний диаметр цилиндрической части, D | До 3500 мм | До 4000 мм | |
| Высота цилиндрической части, Нц | 0,535 | 0,515 | 0,4 |
| Высота конической части, Нк | 3,0 | 2,110 | 2,6 |
| Внутренний диаметр выхлопной трубы, d | 0,334 | 0,340 | 0,22 |
| Внутренний диаметр пыле-выпускного отверстия, d1 | 0,334 | 0,229 | 0,18 |
| Ширина входного патрубка, b | 0,264 | 0,214 | 0,18 |
| Высота внешней части выхлопной трубы, hв | 0,2—0,3 | 0,2—0,3 | 0,3 |
| Высота установки фланца, hфп | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Высота входного патрубка, a | 0,535 | 0,515 | 0,4 |
| Длина входного патрубка, l | 0,6 | 0,6 | 0,6 |
| Высота заглубления выхлопной трубы, hr | 0,535 | 0,515 | 0,4 |
| Текущий радиус улитки, р | D/2+вф/2к | D/2+вф/к | D/2+вф/к |
| Номер | Произ вод и-тель-ность | Размеры, мм | Масса, | ||||||||
| циклона | ,м3/ч | А1 | А2 | Аз | В | Н | h | h1 | d | d1 | |
| 1,5 | |||||||||||
| 4,5 | |||||||||||
| 7,5 | |||||||||||
| 8,5 | |||||||||||
Циклоны ВЦНИИОТ. Циклоны с обратным конусом разработаны ВЦНИИОТ (г. Москва) (рис. 5.16, табл. 5.5.).
Таблица 5.5.
Соотношение размеров (в долях диаметра D) для циклонов типа ВЦНИИОТ
| Наименование | Величина |
| Внутренний диаметр цилиндрической части, D | До 1000 мм |
| Высота цилиндрической части, Нц | 2,0 |
| Высота конической части, Нк | 3,0 |
| Внутренний диаметр выхлопной трубы, d | 0,5 |
| Диаметр нижней части конуса, D1 | 1,6 |
| Диаметр внутреннего конуса, D2 | 1,4 |
| Диаметр отверстия внутреннего конуса, d1 | 0,1 |
| Высота внутреннего конуса, hк | 0,68 |
| Высота заглубления выхлопной трубы, h | 2,1 |
| Полная высота циклона, Н | 5,2 |
| Длина входного патрубка, / | 0,6 |
| Высота входного патрубка, а | 1,0 |
| Ширина входного патрубка, Ь | 0,25 |
Применяют для улавливания сухой не слипающейся, не волокнистой и абразивной; а также слабослипающейся (сажа, тальк) пыли. Пылегазовый поток проходит в бункер через кольцевую щель между двумя соосными конусными поверхностями. Обеспыленный газ (воздух) возвращается в корпус циклона через отверстие в вершине внутреннего конуса.
Для унификации циклонов (их в нашей стране применяется несколько десят-I ков типов) в институте охраны труда > (Санкт-Петербург) были проведены сравнительные испытания по единой методике. По результатом испытаний циклон; ЦН-11, как обладающий наибольшей эффективностью и хорошо приспособленный для групповой установки, был рекомендован для преимущественного применения. Циклоны ЦН-15, СИОТ и ВЦНИИ-• ОТ несколько уступают по эффективности циклону ЦН-11, но имеют определенные преимущества в отношении габаритов: циклон СИОТ по высоте на 30 % Меньше, чем ЦН-11, но больше его по
Рис. 5.16. Циклон ВЦНИИОТ.
Рис. 5.15. Циклон конструкции СИОТа: 1 — корпус: 2 — раскрушватель; 3, 4 — входной и выходной патрубки:
5 — крышка корпуса;
6 — пылеотводящий патрубок; 7 — раскручиватеяь; 8 — колпак
Циклоны СИОТ (Свердловский институт охраны труда) полностью лишены цилиндрической части. Выхлопная труба опущена в верхнюю часть конуса. Входной патрубок имеет треугольное сечение (рис. 5.15, табл. 5.4.). Циклоны СИОТ применяют для очистки газов (воздуха) от сухой неволокнистой, неслипающейся пыли.
При установке циклона на всасывающей линии вентилятора очищенный газ (воздух) выходит из аппарата через раскручиватель с винтовой крышкой, а при установке на нагнетательной линии — через шахту с колпаком или раскручивателем в виде плоского щита. _