2.1.1 Пример расчета пылеосадочной камеры
Исходные данные
Рассчитать размеры пылеосадочной камеры для очистки 4500 м3 воздуха, загрязненного пылью, плотность частиц которой 700 кг/м3, а средний диаметр 2·10-5 м. Температура удаляемого воздуха 20 °С.
Решение
По номограмме (см. рисунок 3) находим скорость витания частиц пыли - v4 = 0,8 м/с.
Приняв скорость движения воздуха в пылеосадочной камере vB = 0,5 м/с, определяем площадь ее поперечного сечения
Задавая высоту камеры h = 2,5 м, найдем ее ширину
Минимальная длина камеры
Приняв
l
= 1,6 м, проверяем выполнение условия
Условие выполняется, следовательно, размеры пылеосадочной камеры определены правильно.
2.2. Расчет циклонов
Циклоны применяют в основном для улавливания из воздуха пылевых частиц II, III и IV групп дисперсности. Частицы пыли V группы в таких устройствах эффективно не улавливаются.
Циклон представляет собой полый цилиндр с конусной нижней частью, внутри которого расположена выпускная труба. Запыленный воздух подается через входной патрубок, установленный тангенциально в верхней части циклона (рисунок 4).
Рисунок 4 - Циклон:
а - общий вид; б - схема работы; 1 – входной патрубок;
2 – конусная часть; 3 – выпускная труба
В циклонах отделение взвешенных частиц от воздуха происходит за счет центробежной силы, действующей на частицы очищаемого воздуха при его вращении и одновременном движении вниз, поэтому циклоны часто называют центробежными пылеотделителями.
Энергетические потери в циклоне характеризует коэффициент сопротивления ζ, представляющий собой отношение полных потерь давления в циклоне рЦ к динамическому давлению рД в каком-либо его сечении (во входном патрубке или поперечном сечении корпуса)
Значение коэффициента ζ зависит от формы циклона.
Обычно в качестве объекта сравнения используют циклон серии ЦН-15, разработанный научно-исследовательским институтом очистки газа (НИИОГАЗ).
В этом циклоне угол наклона входного патрубка α =15°, коэффициент сопротивления движению воздуха в поперечном сечении ζПЛ = 160, коэффициент сопротивления движению на входе ζВХ = 7,6.
При наличии габаритных ограничений по высоте используют укороченный циклон ЦН-15У с несколько меньшим коэффициентом очистки воздуха.
Конструктивные размеры циклонов НИИОГАЗ серии ЦН-15 приведены на рисунке 5, а их значения - в таблице 2.
Рисунок 5 - Конструктивные размеры циклонов НИИОГАЗ серии ЦН-15:
1 - циклон; 2 - бункер; тип I - выпуск воздуха через улитку;
тип II - то же, через трубу вверх; тип III – то же, отвод вбок
Таблица 2 - Конструктивные размеры циклонов НИИОГАЗ серии ЦН-15, мм
D |
А |
d |
d1 |
d2 |
H |
h1 |
h2 |
h3 |
h4 |
h5 |
a |
b |
b1 |
l |
δ |
100 |
820 |
60 |
40 |
105 |
492 |
200 |
232 |
60 |
212 |
32 |
66 |
20 |
29 |
90 |
2 |
150 |
1190 |
90 |
60 |
155 |
720 |
300 |
345 |
75 |
297 |
48 |
99 |
30 |
41 |
110 |
2 |
200 |
1560 |
120 |
60 |
160 |
918 |
400 |
458 |
60 |
354 |
48 |
132 |
40 |
52 |
120 |
2 |
250 |
1930 |
150 |
75 |
180 |
1149 |
500 |
574 |
75 |
444 |
60 |
165 |
50 |
65 |
150 |
3 |
300 |
2300 |
180 |
90 |
210 |
1377 |
600 |
687 |
90 |
531 |
72 |
198 |
60 |
78 |
180 |
3 |
350 |
2670 |
210 |
105 |
250 |
1605 |
700 |
800 |
105 |
618 |
84 |
231 |
70 |
91 |
210 |
3 |
400 |
3040 |
240 |
120 |
280 |
1833 |
800 |
913 |
120 |
705 |
96 |
264 |
80 |
104 |
240 |
3 |
450 |
3410 |
270 |
135 |
310 |
2061 |
900 |
1026 |
135 |
792 |
108 |
297 |
90 |
117 |
270 |
3 |
500 |
3780 |
300 |
150 |
325 |
2289 |
1000 |
1139 |
150 |
879 |
120 |
330 |
100 |
130 |
300 |
3 |
550 |
4150 |
330 |
165 |
350 |
2520 |
1100 |
1255 |
165 |
972 |
132 |
363 |
110 |
143 |
330 |
5 |
600 |
4520 |
360 |
180 |
365 |
2750 |
1200 |
1370 |
180 |
1060 |
144 |
396 |
120 |
156 |
360 |
5 |
650 |
4890 |
390 |
195 |
400 |
2980 |
1300 |
1485 |
195 |
1146 |
156 |
429 |
130 |
169 |
390 |
5 |
700 |
5260 |
420 |
210 |
410 |
3210 |
1400 |
1600 |
210 |
1235 |
168 |
462 |
140 |
182 |
420 |
5 |
750 |
5630 |
450 |
225 |
450 |
3435 |
1500 |
1710 |
225 |
1320 |
180 |
495 |
150 |
195 |
450 |
5 |
800 |
6000 |
480 |
240 |
470 |
3665 |
1600 |
1825 |
240 |
1405 |
192 |
528 |
168 |
208 |
480 |
5 |
Примечание: для D, d и d1 даны внутренние размеры.
Высокопроизводительный циклон ЦН-24 с углом наклона входного патрубка α = 24° применяют в качестве первой ступени очистки при значительной концентрации крупнодисперсной пыли в воздухе. Для улавливания мелких частиц диаметром (5...10)∙10 -6 м разработан циклон повышенной эффективности ЦН-11 с углом α = 11°.
Характеристики циклонов различных типов при одинаковой пропускной способности и сопротивлении 1000 Па даны в таблице 3.
Таблица 3 - Основные характеристики циклонов НИИОГАЗ
Марка циклона |
Коэффициент гидравлического сопротивления |
Высота |
||||||
ζПЛ |
ζВХ |
входного патрубка |
выхлопной трубы |
цилиндрической части |
конической части |
внешней части выхлопной трубы |
общая |
|
ЦН-11 |
250 |
6,1 |
0,48D |
1,56 |
2,06 |
2 |
0,3 |
4,36 |
ЦН-15у |
170 |
8,2 |
0,66D |
1,5 |
1,51 |
1,5 |
0,3 |
3,31 |
ЦН-24 |
80 |
10,9 |
1,11D |
2,11 |
2,11 |
1,75 |
0,4 |
4,26 |
Примечание. Для всех циклонов внутренний диаметр выпускной трубы d= 0,590.
Внутренний диаметр D, на основе которого определяют другие конструктивные размеры циклонов, может быть выбран как по таблице 2, так и из следующего ряда значений, мм: 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000.
Методика расчета и подбора циклонов заключается в следующем.
Зная производительность циклона Q, м3/ч, и оптимальную скорость движения воздуха в поперечном сечении корпуса циклона WC.ОПТ, м/с (таблица 4), вычисляют диаметр циклона
Таблица 4 - Расчетные параметры циклонов
Параметр |
ЦН-11 |
ЦН-15 |
ЦН-15у |
ЦН-24 |
СКД-ЦН-33 |
СКД-ЦН-34 |
К |
41,4 |
41,4 |
41,4 |
46,9 |
34,97 |
34,97 |
D50Ц, мкм |
2,47 |
3,06 |
3,48 |
4,71 |
1,428 |
1,297 |
σц |
0,3979 |
0,3979 |
0,3979 |
0,3979 |
0,4281 |
0,4155 |
σц2 |
0,158 |
0,158 |
0,158 |
0,158 |
0,183 |
0,1732 |
WЦ.ОПТ, м/с |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
4,5 |
2,5 |
2,5 |
Полученное значение DР округляют до ближайшего из стандартного ряда.
Затем на основе принятого значения диаметра циклона D находят его другие конструктивные параметры (см. таблицы 2 и 3) и рассчитывают действительную скорость движения запыленного воздуха в циклоне, м/с
Далее определяют фракционный коэффициент очистки циклонов, %
где Ф(х) - логарифмическая функция вероятностного распределения, определяемая в зависимости от параметра распределения х по таблице 5.
Таблица 5 - Логарифмическая функция вероятностного распределения
х, х’ |
Ф(х) Ф(х’) |
х, х’ |
Ф(х) Ф(х’) |
х, х’ |
Ф(х) Ф(х’) |
х, х’ |
Ф(х) Ф(х’) |
х, х’ |
Ф(х) Ф(х’) |
0,01 |
0,0080 |
0,44 |
0,3401 |
0,87 |
0,6157 |
1,30 |
0,8064 |
1,73 |
0,9164 |
0,02 |
0,0160 |
0,45 |
0,3473 |
0,88 |
0,6211 |
1,31 |
0,8098 |
1,74 |
0,9181 |
0,03 |
0,0239 |
0,46 |
0,3545 |
0,89 |
0,6265 |
1,32 |
0,8132 |
1,75 |
0,9199 |
0,04 |
0,0319 |
0,47 |
0,3616 |
0,90 |
0,6319 |
1,33 |
0,8163 |
1,76 |
0,9216 |
0,05 |
0,0399 |
0,48 |
0,3688 |
0,91 |
0,6372 |
1,34 |
0,8198 |
1,77 |
0,9233 |
0,06 |
0,0478 |
0,49 |
0,3759 |
0,92 |
0,6424 |
1,35 |
0,8230 |
1,78 |
0,9246 |
0,07 |
0,0558 |
0,50 |
0,3829 |
0,93 |
0,6475 |
1,36 |
0,8262 |
1,79 |
0,9263 |
0,08 |
0,0638 |
0,51 |
0,3899 |
0,94 |
0,6528 |
1,37 |
0,8293 |
1,80 |
0,9281 |
0,09 |
0,0717 |
0,52 |
0,3969 |
0,95 |
0,6579 |
1,38 |
0,8324 |
1,81 |
0,9297 |
0,10 |
0,0797 |
0,53 |
0,4039 |
0,96 |
0,6629 |
1,39 |
0,8355 |
1,82 |
0,9312 |
0,11 |
0,0876 |
0,54 |
0,4108 |
0,97 |
0,6680 |
1,40 |
0,8385 |
1,83 |
0,9328 |
0,12 |
0,0955 |
0,55 |
0,4177 |
0,98 |
0,6729 |
1,41 |
0,8415 |
1,84 |
0,9342 |
0,13 |
0,1034 |
0,56 |
0,4245 |
0,99 |
0,6778 |
1,42 |
0,8444 |
1,85 |
0,9357 |
0,14 |
0,1113 |
0,57 |
0,4313 |
1,00 |
0,6827 |
1,43 |
0,8475 |
1,86 |
0,9371 |
0,15 |
0,1192 |
0,58 |
0,4381 |
1,01 |
0,6875 |
1,44 |
0,8501 |
1,87 |
0,9385 |
0,16 |
0,1271 |
0,59 |
0,4448 |
1,02 |
0,6923 |
1,45 |
0,8529 |
1,88 |
0,9399 |
0,17 |
0,1350 |
0,60 |
0,4515 |
1,03 |
0,6970 |
1,46 |
0,8557 |
1,89 |
0,9412 |
0,18 |
0,1428 |
0,61 |
0,4581 |
1,04 |
0,7017 |
1,47 |
0,8584 |
1,90 |
0,9426 |
0,19 |
0,1507 |
0,62 |
0,4647 |
1,05 |
0,7063 |
1,48 |
0,8611 |
1,91 |
0,9439 |
0,20 |
0,1585 |
0,63 |
0,4713 |
1,06 |
0,7109 |
1,49 |
0,8638 |
1,92 |
0,9451 |
0,21 |
0,1663 |
0,64 |
0,4778 |
1,07 |
0,7154 |
1,50 |
0,8664 |
1,93 |
0,9464 |
0,22 |
0,1741 |
0,65 |
0,4843 |
1,08 |
0,7199 |
1,51 |
0,8690 |
1,94 |
0,9476 |
0,23 |
0,1819 |
0,66 |
0,4907 |
1,09 |
0,7243 |
1,52 |
0,8715 |
1,95 |
0,9488 |
0,24 |
0,1897 |
0,67 |
0,4971 |
1,10 |
0,7287 |
1,53 |
0,8740 |
1,96 |
0,9500 |
0,25 |
0,1974 |
0,68 |
0,5035 |
1,11 |
0,7330 |
1,54 |
0,8764 |
1,97 |
0,9512 |
0,26 |
0,2051 |
0,69 |
0,5098 |
1,12 |
0,7373 |
1,55 |
0,8789 |
1,98 |
0,9523 |
0,27 |
0,2128 |
0,70 |
0,5161 |
1,13 |
0,7415 |
1,56 |
0,8812 |
1,99 |
0,9534 |
0,28 |
0,2205 |
0,71 |
0,5223 |
1,14 |
0,7457 |
1,57 |
0,8836 |
2,00 |
0,9545 |
0,29 |
0,2282 |
0,72 |
0,5285 |
1,15 |
0,7499 |
1,58 |
0,8859 |
2,05 |
0,9596 |
0,30 |
0,2358 |
0,73 |
0,5346 |
1,16 |
0,7540 |
1,59 |
0,8882 |
2,10 |
0,9643 |
0,31 |
0,2434 |
0,74 |
0,5407 |
1,17 |
0,7580 |
1,60 |
0,8904 |
2,15 |
0,9684 |
0,32 |
0,2510 |
0,75 |
0,5467 |
1,18 |
0,7620 |
1,61 |
0,8926 |
2,20 |
0,9722 |
0,33 |
0,2586 |
0,76 |
0,5527 |
1,19 |
0,7660 |
1,62 |
0,8948 |
2,25 |
0,9756 |
0,34 |
0,2661 |
0,77 |
0,5587 |
1,20 |
0,7699 |
1,63 |
0,8969 |
2,30 |
0,9786 |
0,35 |
0,2737 |
0,78 |
0,5646 |
1,21 |
0,7737 |
1,64 |
0,8990 |
2,35 |
0,9812 |
0,36 |
0,2812 |
0,79 |
0,5705 |
1,22 |
0,7775 |
1,65 |
0,9011 |
2,40 |
0,9836 |
0,37 |
0,2886 |
0,80 |
0,5763 |
1,23 |
0,7813 |
1,66 |
0,9031 |
2,45 |
0,9857 |
0,38 |
0,2961 |
0,81 |
0,5821 |
1,24 |
0,7850 |
1,67 |
0,9051 |
2,50 |
0,9876 |
0,39 |
0,3035 |
0,82 |
0,5878 |
1,25 |
0,7887 |
1,68 |
0,9070 |
2,55 |
0,9892 |
0,40 |
0,3108 |
0,83 |
0,5935 |
1,26 |
0,7923 |
1,69 |
0,9090 |
2,60 |
0,9907 |
0,41 |
0,3182 |
0,84 |
0,5991 |
1,27 |
0,7959 |
1,70 |
0,9109 |
2,65 |
0,9920 |
0,42 |
0,3255 |
0,85 |
0,6047 |
1,28 |
0,7995 |
1,71 |
0,9127 |
2,70 |
0,9931 |
0,43 |
0,3328 |
0,86 |
0,6102 |
1,29 |
0,8029 |
1,72 |
0,9146 |
|
|
Величину х вычисляют по формуле
где d' - наибольший размер частиц фракций пыли, для которой определяют коэффициент очистки, мкм (таблица 6);
d50u - диаметр частиц, которые в условном циклоне улавливаются на 50 %, мкм (см. таблицу 4);
К - коэффициент, значения которого зависят от типа циклона (см. таблица 4);
µ - динамическая вязкость воздуха, Па∙с;
ρп - плотность частиц пыли, кг/м3 (см. таблицу 6);
σЦП - характеристика полидисперсности пыли или дисперсия.
Таблица 6 - Характеристика некоторых видов пыли
Наименование пыли, место ее образования |
Плотность частиц пыли, кг/м3 |
Параметр d50,мкм |
Дисперсия σЦП |
Размер частиц, мкм Суммарная масса частиц, % |
||||||
Известняк: помол в шахтной мельнице |
2706 |
25
|
2 |
2,5 1,5 |
4,0 3,0 |
6,3 7,0 |
10 14 |
16 28 |
25 50 |
40 80 |
обжиг в известковой печи |
2700 |
29 |
- |
4,0 1,5 |
6,3 3,1 |
10 7,5 |
16 18 |
25 41 |
40 72 |
- |
сушка в сушильном барабане |
2900 |
2,9 |
2,07 |
1,0 8,0 |
1,6 21 |
2,5 42 |
4,0 70 |
6,3 86 |
10 96 |
- |
Смесь известняка, шлака и колошниковой пыли |
2800 |
4,5 |
- |
1,6 6,0 |
2,5 17,5 |
4,0 42 |
6,3 80 |
10 99 |
- |
- |
Доломит, обжиг во вращающейся печи |
2960 |
25
|
- |
2,5 5,0 |
4,0 8,0 |
6,3 11 |
10 20 |
16 31 |
25 50 |
40 74 |
Клинкер, обжиг во вращающейся печи |
2750 |
2,8 |
2,3 |
1,0 13 |
1,6 26 |
2,5 45 |
4,0 65 |
6,3 82 |
10 93 |
- |
Пыль асфальтобетонного завода, сушка продукта в барабане |
2600 |
20 |
- |
1,6 2,3 |
2,5 4,0 |
4,0 7,5 |
6,3 12,4 |
10 23 |
16 38 |
25 64 |
Доменный шлак, сушка в барабане цементного цеха |
2910 |
17,5 |
3,5 |
1,6 4,0 |
2,5 8,0 |
4,0 14 |
6,3 22
|
10 35 |
16 47 |
25 60 |
Общая эффективность пылеулавливания, %
Значения функции Ф(х) определяют по таблице 5.
Величину х' находят по формуле
где d50 - медиана распределения (диаметр частиц, при котором суммарная масса всех частиц, имеющих размер менее d50, составляет 50 % массы всей пыли);
d16 - диаметр частиц улавливаемой пыли, при котором суммарная масса всех частиц диаметром менее d16 составляет 16 % массы всей пыли.
Параметры d50 и d16 принимают по таблице 6.
Если очистка воздуха от пыли производится в нескольких последовательно установленных циклонах, то процесс очистки должен начинаться в циклоне большего диаметра, так как с уменьшением диаметра коэффициент очистки циклонов возрастает. При этом общий коэффициент очистки
где η1…ηn - коэффициенты очистки соответственно первого, второго и n-го циклонов в процентах.
Сопротивление циклона, Па
где ρt - плотность очищаемого воздуха при конкретной заданной температуре t, которую можно определить по формуле: ρt = 353/(273 + t).
Сопротивление циклона можно также рассчитать по формуле
где qc - секундный расход воздуха через циклон, м3/с;
D - диаметр корпуса циклона, м.