Циклонные сепараторы и камеры сгорания.
5.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Устройства, использующие принцип циклона, впервые появились еще в 1885 г. и использовались для сбора пыли. Идея центробежного разделения веществ была выдвинута в 1877 г. Делавалем, Продемонстрировавшим возможность отделения сливок от молока. Он обнаружил, что путем вращения чана с молоком с частотой 6000 об/мин, приводимого в движение с помощью ременной передачи от парового двигателя, можно быстро отделить частицы жира, составляющие около 9 % объема молока. Затем можно было снять сливки в верхней части чана и удалить обезжиренное молоко из его нижней части. Обширная и подробная информация о совершенствовании сепараторов такого типа содержится в работах [1—61].
Обычно при работе циклонной камеры поступающему потоку рабочего тела придается высокое ускорение для получения желаемого разделения частиц гетерогенной смеси. Циклоны успешно применяются во многих промышленных процессах различного назначения. Возможности циклонов как разделительных устройств используются и для жидких смесей. Смеси могут содержать больше двух взаимно нерастворяющихся жидкостей в виде нестабильной эмульсин. Смесь может состоять также из жидких и газообразных компонентов. Отделение твердых частиц от среды осуществляется в тех случаях, корда среда представляет собой газ или жидкость. Циклоны используются также в качестве камер для сжигания низкокалорийных топлив, углей с высоким содержанием золы или топлив, для полного сжигания которых требуется большое время пребывания.
Типичная схема устройства и картина течения многокомпонентной жидкости в нем, а также схема отделения частиц в циклонной камере показаны на рис. 5.1а и 5.16. На рис. 51а показаны основные принципы работы, а на рис. 5.16 — характерные размеры типичных устройств. Циклон содержит цилиндрическую часть, установленную на конической части и снабженную входным патрубком, который направляет поток тангенциально внутрь цилиндрической части.
Рис. 5.1а. Схема циклонной камеры, иллюстрирующая процессы движения газа и отделении частиц.
Предполагая, что профиль скорости потока в выхлопной трубе равномерный, определим параметр закрутки S для изотермических условий следующим образом:
(5.1)
Отверстие в вершине конической части является выходным окном, а труба, частично погруженная в центр цилиндрической части, — выхлопной трубой. Эта труба обычно называется «телескопической трубкой». Нижний бункер, или сборная камера, показанная у вершины конической части, служит для сбора частиц, которые отделяются в конической части и поступают в выходное окно. В конкретных циклонах нижняя сборная камера может и не использоваться, и в этом заключается различие между устройствами закрытого и открытого типов. Формирование поля течения и отделение частиц происходят в конической части циклона (рис. 5.1а). Для описания течения в циклоне удобно использовать параметр закрутки, определение которого дано в гл. 1 (с соответствующими модификациями для учета в необходимых случаях горения). где Dе и D0 — соответственно диаметры выхлопной трубы и основной части циклонной камеры, а АТ — площадь тангенциального входного патрубка.
Течения в циклонах имеют следующие существенные характерные особенности:
- Продолжительное время пребывания, особенно в случае длинных циклонов; время пребывания в циклоне в 15 раз больше времени, рассчитанного по средней осевой скорости (т. е. для прямого потока [90]).
- Твердые или жидкие частицы могут быть отделены или на длительное время приведены во взвешенное состояние в поле центробежных сил, создаваемых закрученным движением среды («искусственная гравитация»). Таким способом можно разделить жидкости различной плотности (например, сливки отделить от молока).
Рис. 5.16. Геометрические параметры циклона (см. табл. 5.1).
- Зоны рециркуляции н повышенный уровень интенсивности турбулентности (~30%) могут возникать в потоке вследствие сдвиговых течений различных жидкостей. Можно сильно изменить форму, расположение и протяженность таких зон изменением входных тангенциальных патрубков циклонной камеры.
- Вблизи стенок могут развиваться большие радиальные и осевые пограничные слои и ослаблять центробежные силы в этих местах.
5 Вблизи выхлопной трубы (если она расположена, как обычно, на центральной оси), как правило, формируются большие тороидальные зоны рециркуляции, возникает турбулентность высокой интенсивности и образуется прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ, см. гл. 4). Эти зоны подобны зонам, образованным вихревыми генераторами, и здесь можно применить большую часть данных по закрученным потокам, приведенных в гл. 4.
Как показано ниже в этой главе, путем надлежащего конструирования можно в зависимости от назначения циклона усилить одну из перечисленных выше особенностей.
Поток жидкости, поступающий в циклон, несколько наклонен вниз, и вертикальная составляющая скорости потока вблизи стенки конуса при перемещении жидкости вниз продолжает увеличиваться из-за конической формы канала. Перемешается к центру конуса, жидкость меняет направление движения и начинает перемещаться вверх. Значение осевой скорости внутри вынужденного вихря, направленной вверх, во много раз превышает значение осевой скорости у стенки конуса. Радиальная скорость жидкости в вихревом потоке продолжает увеличиваться по направлению к вершине конуса. В некотором горизонтальном сечении радиальная скорость достигает максимума у стенки конуса и обращается в нуль где-то между стенкой конуса и его осью. Вблизи выхлопной трубы радиальная скорость меняет знак, в результате чего появляется рециркуляционное движение, или вихревой поток. Высокое значение радиальной скорости у стеки конуса обусловлено отклонением жидкости от осевого движения под действием стенки конуса и увеличением вследствие этого радиальной скорости. Частицы, движущиеся с жидкостью, подвержены воздействию потока жидкости и сил инерции. Из-за сопротивления жидкости движению отдельных частиц поле течения в вихревом потоке в целом определяет траекторию частицы. Тем не менее центробежные силы, действующие на частицу, противостоят увлечению их жидкостью в радиальном направлении и удерживают частицы от их перемещения к оси конуса. Центробежная сила есть следствие инерции, связанной с массой движущейся частицы, стремящейся перемещаться по прямой линии. Эту центробежную силу можно представить в виде
где С1 — постоянная, рр и ра — плотности частицы и жидкости.
Эффективность работы циклона обусловлена наличием больших центробежных сил. Из последнего уравнения ясно, что большие центробежные силы возникают в случае больших и плотных частиц, находящихся на малых радиусах, а также в случае малой плотности жидкости и высокой окружной скорости. Радиальная скорость снижает эффективность сепарации циклона. Это снижение обусловлено силами сопротивления со стороны жидкости, стремящимися увлечь частицу. Эта сила сопротивления приближенно определяется выражением
в котором μ — вязкость жидкости, ν — радиальная скорость жидкости. Эффективность вихревой сепарации может быть усилена снижением сил сопротивления как в радиальном, так и осевом направлениях, которое достигается уменьшением размера частиц и использованием жидкости с малой вязкостью.
Размер частицы влияет сильнее (≈dp) на величину центробежной силы, чем на величину силы сопротивления (~dp).
Следовательно, чем больше частицы, тем выше эффективность сепарации. Силы, воздействующие на частицы (центробежные силы и силы сопротивления), устанавливают равновесное положение в вихревом потоке. Эти равновесные положения представляют собой точки или радиусы, на которых силы сопротивления уравновешиваются центробежными силами; совокупность этих точек можно представить в виде воображаемой цилиндрической поверхности внутри циклонной камеры Положение ра диуса равновесного состояния частицы по отношению к лиии1 нулевой осевой скорости важно для определения направления в котором будет унесена частица — вниз или вверх. Поскольку вся жидкость и все частицы, расположенные между линией нулевой осевой скорости и осью конуса, движутся к выхлопной трубе, важно установить точку равновесия в надлежаще» месте для достижения определенной степени сепарации. Частицы, находящиеся в равновесии в радиальном направлении между линией нулевой осевой скорости и стенкой конуса цик лонной камеры, будут перемещаться с потоком вниз и отделиться от потока жидкости в системе.
Итак, в циклонных камерах окружная скорость, соответствующие ей центробежные силы и градиенты давления определяют поле течения. Поле течения в осевом и радиальном на правлениях зависит от осевых градиентов окружной скорости которые обусловливают градиент давления, создаваемый центробежными силами, но, поскольку все указанные градиенты меньше, чем в вихревых горелках, осевая и радиальная скорости меньше окружной скорости в большей части поля течения Таким образом, с помощью небольших изменений конструкции и соответственного расположения тангенциальных входных патрубков можно сильно изменить распределение радиальной и осевой скоростей — этот вопрос подробно обсуждается ниже Влияние геометрических изменений конструкции тангенциальных входных патрубков заключается в воздействии на размеры и форму внутренней зоны циркуляции.
