Прямоточные циклоны

Прямоточные циклоны, или вихревые газоочистители несмотря на небольшие размеры позволяют обрабатывать очень большие объемы газов. Однако вследствие высоких скоростей газового потока в прямоточных циклонах отмечается большое количество увлеченных частиц: завихрения, образующиеся у стенки, способствуют «отскоку» частиц обратно в основной газовый поток. На практике этот эффект уменьшают путем разбрызгивания воды на входе запыленного газа в установку.

Прямоточные циклоны с неподвижным импеллером (рис. VI-2) вытяжной вентилятор обычно имеют на выходе очищенного воздуха, это делается для уменьшения эррозии лопастей вентилятора. Поэтому в пылеотделительной камере, расположенной за неподвижными лопастями, где в основном и отмечается перепад Давления, создается пониженное давление по сравнению с газом, подходящим к импеллеру. Следовательно, необходимо предусмотреть дополнительный отсос в линии загрязненного газа (концентрированной пыли) для предотвращения обратного подсоса удаляемых частиц.

Рис. VI-2 Прямоточные циклоны с неподвижным импеллером. 1 — неподвижные лопасти; 2 — пылесборник;

Прямоточные циклоны по схеме действия очень просты, поэтому теоретически можно рассчитать минимальный размер частиц, которые будут полностью удалены из газового потока. Прежде чем приступить к расчету, необходимо сделать следующие допущения: отсутствие теплопередачи от окружающей среды к циклону, обусловленной охлаждением газа во время его адиабатического расширения в импеллере; перепад давления происходит только в области лопастей уравнение свободного вихревого потока справедливо для движения частицы в пылеотделительной камере частицы покидают лопасти импеллера под углом, соответствующим углу наклона лопастей.

Если предположить наличие адиабатического расширения газа при его проходе по лопастям импеллера, давление р, температура T и объем газа Q в пылеосадительной камере (обозначаемые индексом с) могут быть найдены из начальных условий (обозначенных индексом i) перед импеллером.

Q_c = Q_i (р_i/р_c)^1/y (VI.44)

T_c = T_t (р_i/p_c)^y-1(VI.45)

где y — отношение удельных теплостойкостей C_p/C_y, равное

Перепад давления в прямоточные циклоны происходит в основном в зоне импеллера и может быть рассчитан, зная площадь поверхности импеллера и стенок, соприкасающихся с газом. Экспериментально найдено, что перепад составляет около 1,25 кПа, и это значение может быть принято в качестве приближенного для зоны импеллера.

Пусть диаметр циклона D и диаметр сердечника D_c, тогда средняя скорость газов, стекающих с искривленных лопастей импеллера u_с, выражается через начальную скорость u_i  в виде следующих уравнений:

Скорость u_с может быть разложена на три составляющих; тангенциальную, осевую и радиальную (рис. VI-3). Если угол, под которым газы покидают лопасти импеллера, такой же, что и угол наклона лопасти α, и центральный сердечник простирается в пылеуловительную камеру, то средняя тангенциальная скорость u_cт равна

тогда как средняя скорость в осевом направлении u_CA равна

Время пребывания в пылеотделительной камере теперь может быть найдено из длины камеры L и осевой скорости.

Рис. VI-3. Разложение скорости движения частицы и ее траектория на выход импеллера в прямоточные циклоны: а — траектория движения частицы; б — разложение скорости; 1 — искривленные лопасти импеллера; 2 — лопасти неподвижного импеллера; a — угол лопасти.

Рис. VI-4. Силы, действующие на частицу при вращательном движении в вертикальной плоскости (изображенные параллелограммы сил основаны на движении частиц с тангенциальной скоростью 0,6 м/с и радиусом движения 0,3 м). I — центробежная сила; II — сила тяжести; III — результирующая сила.

Из общей теории циклонов (стр. 241 сл.) было найдено выражение (уравнение (VI.22)) для времени, необходимого частице диаметром d для дрейфа от внутреннего до внешнего радиуса. Тогда для данных размеров камеры становится возможным рассчитать минимальный диаметр частицы dmin, которая теоретически может быть уловлена в прямоточном циклоне.

Если предположить, что частицы в газовом потоке, покидающем импеллер, распределены равномерно, то можно также рассчитать долю частиц, диаметр которых меньше d_min. Такой расчет является несколько осторожным, поскольку распределение начинается уже на лопастях импеллера.

Если тангенциальная скорость газа в горизонтальном прямоточном циклоне невелика (менее 15 м/с для циклона диаметром  0,6 м), то сила, действующая на частицу, значительно изменяется в зависимости от положения частицы. Так, если частица находится в нижней части циклона (рис. VI-4), то к центробежному ускорению следует прибавить ускорение свободного падения.

Если в верхней точке, то из центробежного ускорения необходимо вычесть ускорение свободного падения.

В общем случае, в промежуточных положениях результирующая сила может быть найдена прибавлением к центробежному ускорению члена g_cos 0

где 0 — угол между радиусом и вертикальной осью.

Для тангенциальных скоростей больших, чем 15 м/с, и при не слишком больших диаметрах (D < 0,6 м) максимальная поправка становится меньше 0,1% и ею можно пренебречь.