Визуальные исследования движения вихревого потока в циклоне

Исследования проводились на модели циклона диаметром 300 мм, изготовленного из органического стекла. Воздух на входе в циклон запылялся древесной шлифовальной пылью. Рис. 2.29

При визуальном наблюдении через прозрачные стенки циклона можно было видеть в циклоне наличие двух винтообразных вихревых потоков - внешнего и внутреннего. Радиус внешнего вихря соответствовал радиусу корпуса циклона, внутреннего - радиусу выхлопной трубы. Внешний вихрь опускался вниз, затем поворачивался и переходил во внутренний вихрь, поднимаясь вверх.        В момент поворота внешнего вихря на 180° появляются инерционные силы, которые способствуют выводу уловленной пыли со стенок циклона в бункер. Одновременно было обнаружено, что в случае установки в выхлопной трубе различного типа звездочек, лопастных раскручивателей, происходило разрушение внутреннего вихря и частицы древесной пыли плохо выводились из конуса циклона в бункер.        Поэтому установка в выхлопных трубах циклона различных раскручивателей потока, с целью уменьшения сопротивления, снижает надежность работы циклона и ухудшает эффективность улавливания.        Эти выводы относятся к циклонам со спиральным входом.

Для циклонов с винтовым входом газа одиночного исполнения, установка раскручивателей, в отдельных случаях, приводит к снижению сопротивления циклона.        Однако, при установке раскручивателей в групповых циклонах эффект получается отрицательным, отдельные циклоны начинают заби­ваться пылью, что приводит к падению степени очистки.        Эффективность циклона иногда оценивается коэффициентом сепа­рации - "с". Этот коэффициент показывает, во сколько раз центробежное ускорение, действующее на частицу пыли в циклоне, больше ускорения силы тяжести, т.е.                                                                       (2.20)

       Применяя это выражение для оценки сепарационной особенности внешнего и внутреннего вихря, получим, что внутренний вихрь имеет коэффициент сепарации в десятки раз больше коэффициента сепарации внешнего вихря. Внутренний вихрь создает высокое разрежение в бункере циклона, что отрицательно влияет на величину подсоса постороннего воздуха, а, следовательно, и степени очистки циклона.        Для устранения высокого разрежения в бункере, особенно при улавливании легких пылей с невысокой плотностью - сажа, мучная пыль, древесная, циклоны обычно располагаются на нагнетательной стороне вентилятора. Иногда для устранения попадания внутреннего вихря в бункер, по оси циклона устанавливается конусный обтекатель "Волчек" или в зоне пылеприемного отверстия бункера размещается цилиндрическая вставка с экраном.        Однако, указанные выше устройства применяются в основном для одиночных циклонов. Установка их в групповых циклонах снижает надежность работы и степень очистки циклона.

Влияние конструктивных параметров циклона на его характеристики.

а) Форма корпуса циклона

При разработке новых конструкций циклонов приходится выбирать его форму. Наибольшее распространение получили циклоны с цилиндроконической и конической формой корпуса. Известны также циклоны с обратным конусом и цилиндрические (14)        Многообразие формы корпуса указывает на отсутствие правильного решения о выборе его формы. В связи с этим обстоятельством были проведены испытания циклона диаметром Д=300 мм с разной формой корпуса от конической до цилиндроконической. При этом общая высота циклона сохранялась постоянной, равной 3,2Д, изменялось только соотношение длины цилиндрического участка к высоте циклона – Н_цил/Д. Рис. 2.30.

Результаты испытаний по определению степени очистки и гидравлического сопротивления в зависимости от Нцил/Д представлены на рис. 2.31. Анализ результатов показывает, что циклоны конической формы имеют более высокий коэффициент сопротивления. При наличии цилиндрического участка сопротивление циклона снижается, степень очистки остается постоянной. Оптимальная длина цилиндрического участка равна длине конусной части циклона, т.е. 1,6 Д.

При дальнейшем увеличении цилиндрического участка наблюдается падение степени очистки из-за неудовлетворительного отвода уловленной пыли в бункер ввиду увеличения угла конуса циклона.        Разрежение в бункере (рис.2.32 ) при наличии цилиндрического участка снижается, что уменьшает вероятность возникновения подсоса в бункер через неплотности разъемных соединений.       

Выводы по форме корпуса циклона

1. Оптимальной формой корпуса циклона следует считать цилиндроконическую с развитой длиной цилиндрического участка.        2. Коническая форма корпуса циклона имеет высокое гидравлическое сопротивление, повышенное разрежение в бункере, обладает меньшей стойкостью к абразивному износу.        3. Циклоны с обратным конусом и цилиндрической формой корпуса уступают по эффективности улавливания циклонам по п.1 и 2. Циклоны с обратным конусом применяются для улавливания волокнистых и абразивных пылей.

б) Диаметр циклона

Согласно теории центробежной сепарации с увеличением диаметра циклона происходит снижение степени очистки.        Для оценки влияния диаметра циклона на степень очистки и гидравлическое сопротивление были проведены испытания циклона с винтовым входом газа типа ЦН-24 в интервале изменения диаметров 100 мм - 1000 мм на грубой – d₅₀= 90 мкм - и молотой d₅₀= = 24 мкм - золе.        Результаты испытаний, показанные на рис. 2.33, свидетельствуют, при улавливании грубой золы степень очистки не зависит от диаметра циклона в интервале 100-600 мм, для диаметра более 600 мм степень очистки снижается (15).

О тсутствие повышения степени очистки для циклонов небольшого диаметра объясняется эффектом рикошета крупных частиц пыли о стенки циклона, а также их разрушением при трении о стенки циклона.        При улавливании мелкой золы степень очистки резко повышается в циклонах малого диаметра - менее 200 мм.        Начиная с диаметров 300 мм и более, снижение степени очистки замедляется. Зависимость изменения степени очистки циклона с винтовым входом на молотой золе от диаметра циклона удовлетвори­тельно апроксимируется уравнением:       (2.21)        где: h₁>h₂ - коэффициенты очистки циклонов, соответственно диаметром Д₁ и Д₂        n - показатель степени. Для малых диаметров ЦН-24, ЦН-15 менее 300 мм n = 0,6, для диаметров более 300 мм n = 0,25. Для циклона СЦН-40 n=0,18

        Коэффициент сопротивления циклона с винтовым входом типа ЦН-24 изменяется с ростом диаметра незначительно, в пределах 65-75.        Влияние диаметра на степень очистки для циклонов со спираль­ным входом происходит в меньшей степени, чем в циклонах с винтовой крышкой.        На рис. 2.34 показана характеристика изменения степени очистки и гидравлического сопротивления циклона со спиральным входом в зависимости от диаметра в интервале 300-1600 мм.        Пунктиром показан теоретический расчет снижения степени очистки (16). Как видно, теоретический расчет дает явно заниженные значения степени очистки для циклонов больших диаметров. Ошибка по уносу достигает 40%.

       Для выяснения причин отклонения фактических значений степени очистки от теоретических расчетов были проведены замеры тангенци­альных составляющих скоростей V_т в циклонах диаметром 300, 1200, 1600 мм. Измерения производились 3-х канальным цилиндрическим зондом. Результаты измерений показаны. На рис. 2.35. Площадь, ограниченная кривой V_т, определяет величину циркуляции в циклоне от которой зависит сепарация пыли в циклоне.                          (2.22)

    Циркуляция - мера измерения вращательного движения газа. Из полученных результатов видно, с увеличением диаметра циклона повышается циркуляция потока в циклоне, что препятствует резкому снижению степени очистки при увеличении диаметра циклона.        Зная величину относительного изменения циркуляции потока при увеличении диаметра циклона, можно определить величину повышения коэффициента сопротивления циклона из соотношения:        (2.23)

где: Г₁, Г₂ - величина циркуляции потока в циклонах диаметрами Д₁ и Д₂, измеряемых по графику рис. 2.35 z_n1;z_n2 - коэффициенты сопротивления циклонов диаметрами Д₁ и Д₂

     

 

 

 

        Результаты расчета коэффициента сопротивления представлены на рис.2.36 Коэффициент сопротивления указан в относительных единицах к циклону диаметром 300 мм ( z_n = 950).

Кривая апроксимируется уравнением:        где: Д - диаметр циклона, м. Фактическая величина коэффициента сопротивления zn, измеренная по перепаду давлений на циклонах оказалась больше теоретической. Это объясняется наличием дополнительных сопротивлений примыкающих участков газоходов к циклону, которые не учтены в теоретическом расчете. Определение величины снижения степени очистки для циклонов большого диаметра со спиральным входом в диапазоне изменения диаметра 300-2000 мм можно производить по уравнению (2.21), в котором показатели степени " n " следует принимать 0,18.

в) Выхлопная труба циклона

Исследования влияния выхлопной трубы на характеристики циклона проводились на кварцевой пыли d₅₀ = 14 мкм, запыленность 5 г/м³, скорость во входном патрубке V_вх = 22 м/сек, в плане V_пл = 1,75 м/сек. Циклон - со спиральным входом, диаметр - 400 мм, Н = 3,6 Д.        На рис.2.37 показано изменения коэффициента очистки и гидравлического сопротивления в зависимости от диаметра выхлопной трубы.

Оптимальный диаметр выхлопной трубы находится в пределах 0,32 - 0,40 Д. Увеличение диаметра более 0,4 Д приводит к падению степени очистки.

Влияние заглубления выхлопной трубы в циклоне показано на рис.2.38 Оптимальная высота заглубления выхлопной трубы соответствует 1,1-1,25а, где а - высота входного патрубка.        При отсутствии выхлопной трубы степень очистки циклона снижается с 95% до 93,5%.        Влияние формы выхлопной трубы оценивалось для трубы конического вида. Установка конической трубы с диаметром устья - 0,4Д, на выходе - 0,5Д, приводит к снижению степени очистки и гидравлического сопротивления. Применение таких труб нерационально также по причине повышения стоимости изготовления.