Закрученные потоки - Циклонные сепараторы

Механизм работы

Основные особенности циклонов показаны на рис. 5.2. Имеются в виду перечисленные в разд. 5.1 характеристики циклонов можно отметить, что свойство 1 должно иметь умеренный уровень, чтобы имелось достаточно продолжительное время для отделения частиц, но недостаточное для того, чтобы они могли попасть обратно в поток. Свойство 2 должно иметь максимальный уровень, а 3—минимальный.

При использовании циклона в качестве сепаратора пыли предусматривается погружение выхлопной трубы в циклон, для того чтобы предотвратить попадание частиц сразу в выходное отверстие. На рис. 5.3 показано типичное распределение окружной скорости. Диаметр ядра вихря составляет 0,4 ... 0,6 Dе. Скорость распределяется по закону Рэнкина для комбинации свободного и вынужденного вихрей с показателем степени п в формуле wrn= const, изменяющимся следующим образом:

Соотношения wrn и Г = 2πrw используются при описании экспериментальных данных по закрученным течениям и течениям в циклонных камерах.
Циклонные сепараторы были впервые спроектированы и использованы в промышленности более 100 лет назад. Несмотря на достижения науки за прошедшее время, конструкция многих циклонов, установленных сегодня на предприятиях, в основе изменилась очень мало (см. рис. 5.1а). Газ, содержащий пыль, подается тангенциально в циклонный сепаратор и, двигаясь по спирали вниз, поступает в коническую часть.

Рис. 5.3. Распределения скоростей и давлен и циклонном сепараторе пыли при S = 2,48 [4]: а — окружная (сплошные кривые) и радиальная (штриховые кривые скорости); б — осевая скорость; в — динамическое (штриховые кривые) и статическое (сплошные)  давления; г —области сепарации пыли в цикле [3, 7]:

1. — статическое давление равно нулю, скорость 5,36;

1. — статическое давление 68.2 Па, скорость 0,7 м/с; статическое давление 29.4 Па; 4 — запыленный газ; чистый газ; 6 — зоны высокой концентрации пыли; стенки, на которых собирается пыль; 8 — область левого ядра; 9 — пыль; 10 — запыленный газ.

При перемещении ко дну конической части поток газа отклонясь внутрь и движется по спирали вверх к выходному окну. Частицы пыли под действием центробежных сил, создаваемых крученным движением потока, отбрасываются наружу и проходят вниз в герметичный пылесборник в нижней части корпуса.
Большинство типов циклонных воздухоочистителей (за исключением одного) имеет конфигурацию, показанную на рис. 5.1.
Центробежные силы могут в несколько раз превышать силы тяготения, и поэтому такие устройства соответствующего размера пригодны для сепарации мелких частиц размером около 1 мкм. Наименьший размер определяется воздействием турбулентности и влиянием вторичных течений. Согласно закону Стокса [3], скорость перемещения частицы относительно потока можно описать уравнением
(5.2)
Видно, что при заданной окружной скорости на входе в циклопе меньшего радиуса развиваются более значительные центробежные силы, чем в циклоне большего радиуса.
Прежде чем приступить к анализу конкретных конструкций, обсудим аэродинамику течения в типичном циклоне. В работе [4] получены результаты испытаний циклопа, конструкция которого типична для многих систем (рис. 5.3). Профили окружной скорости (рис. 5.3, а) подобны профилям этой скорости во многих вихревых или циклонных камерах различных типов. Возникает распределение типа распределения Рэикина, в котором окружная скорость монотонно увеличивается в направлении центральной зоны по закону
(5.3)
Точка перегиба профиля расположена на радиусе ≈0,4 ... ... 0,6, причем в нейтральной области потока имеется зона вынужденного вихревого течения (n≈ —1). Профили окружной скорости обладают подобием по высоте циклона, а wm ≈2Wt. Вид профилей осевой скорости указывают на существование сложного рециркуляционного течения между входной и выходной частями циклона (рис. 5.3,б); такие зоны ухудшают характеристику работы циклона и могут быть устранены путем улучшения конструкции входного устройства [5] или с помощью системы внешней циркуляции пыли и газа [3]. Между нисходящим и восходящим потоками обязательно возникает обратное течение, из-за чего обостряется проблема сепарации частиц в этой зоне вследствие воздействия массопереноса, вызываемого повышенным уровнем турбулентности. Действительно, в выполненной недавно работе [6] по циклонным камерам той же конфигурации подтверждается существование длинной тонкой кольцевой зоны рециркуляции. В центральной области потока существует «мертвая зона», характеризуемая низкими осевыми скоростями, а также узкие области осевого обратного течения [6].

Входные патрубки имеют обычно форму вытянутого прямоугольника, и их размер всегда несколько меньше размера погруженной части выхлопной трубы, для того чтобы гарантировать образование сильного вихря и не допустить сток жидкости непосредственно в выходную часть устройства [3, 4, 7, 8].
Рис. 5.3, г иллюстрирует процесс отделения пыли [3, 7, 9]. Обычно считается, что частицы, достигающие области r > 0,6re не сепарируются; это верно только отчасти, так как частицы перемещаются в направлении наружу под действием поля центробежных сил. Исследование процесса сепарации в циклонах показывает, что сепарация большей части пыли происходит на относительно коротком расстоянии от входа. На стенке накапливается большое количество пыли, из за чего происходит превышение предельной нагрузки (т. е. предельной массы пыли, которую может нести поток в данных условиях). Пыль стекает по спирали вдоль стенок циклона в пылесборник; оставшаяся неотделенная пыль проходит в «свободный» вихревой поток (r>0,6rе). Каждая частица движется по спирали к радиусу равновесия, где она затем подвергается воздействию турбулентного выноса, который может быть описав следующей моделью [3].
В свободном вихре частицы движутся по логарифмической спирали [3]. Скорости смещения υ (под действием центробежных сил) противодействует направленная внутрь скорость υr, которая зависит от потока количества движения, направленного радиально внутрь. В соответствии с работой [3] скорость удаления частицы с данного радиуса равна

(5.4)
где Qr— поток массы в радиальном направлении. Таким образом, для заданного размера частицы имеется радиус, на котором ∆v= 0. Имеется также предельный радиус п, определяющий минимальный размер частицы, которую можно удалить. В общем случае этот радиус соответствует пику профиля Рэнкина для окружной скорости (т. е. радиусу ri ≈0,4 ... 0,6 re).
Используя закон Стокса для скорости перемещения частицы, испытывающей сопротивление потока, и считая, что наружная часть потока представляет свободный вихрь, можно вывести следующее выражение для минимального размера удаляемой частицы:

т. е. минимальный размер частицы, которая может быть удалена, прямо пропорционален радиусу re, определяющему границу перехода от свободного вихревого течения к вынужденному.
(5.5)

Идеи непрерывного подмешивания несобранных частиц обратно в газовый поток с соответствующим средним временем пребывания. Чтобы учесть влияние взаимодействия частиц с потоком при высоких скоростях, авторы работы [59] ввели в соотношение для эффективности циклона корреляцию для скорости упругого отскока частиц (т. е. отложения или прилипания). Используя идею работ [8, 58], можно подсчитать ступенчатую или фракционную эффективность циклона по следующей формуле:
(5.7)
Здесь время релаксации τi = ρρdp/18μ,
G = 8Kc/KaKb, п — число входных патрубков циклона, a Q — расход. Различные значения G и значения других параметров даны в приведенной выше табл. 5.1. Согласно этой формуле, при высоких уровнях запыленности не происходит повышения эффективности сбора частиц. Экспоненциальная форма соотношения является следствием интегрирования дифференциального уравнения, выражающего равновесие между скоростью удаления частиц и скоростью, с которой не собранные частицы движутся к стейке (из-за обратного подмешивания). С помощью этого соотношения можно рассчитать фракционную эффективность как функцию конструктивных параметров циклона и условий его работы. Затем можно найти полную эффективность для данного распределения частиц по размерам по формуле
(5.8)
в котором mi — массовая доля частиц для диапазона размеров, обозначенного i, а величина ni — фракционная эффективность (в процентах) для размера частицы, соответствующего средней точке интервала i. Расчеты прироста эффективности при увеличении плотности частиц, скорости на входе, высоты корпуса циклона и снижения эффективности при увеличении вязкости жидкости, диаметра циклона, выходного диаметра и размера входного устройства выполняются с помощью соотношения (5.7). Влияние температуры на характеристики циклона достаточно сложное из-за увеличения вязкости жидкости, которое снижает время релаксации τ. Снижается также показатель степени п, что ухудшает фракционную эффективность [58, 59]. Однако для частиц диаметром более 30 мкм это влияние не слишком сильное. В работе [60] эффект упругого отскока учтен в соотношении для эффективности работы циклона. Скорость упругого отскока можно определить несколькими способами, два из которых, применимые для циклона, следующие:
она равна либо минимальной скорости жидкости, при  которой не происходит осаждения частиц, содержащихся в потоке, либо скорости, необходимой для захвата частицы, отложившейся на стенке, и переноса ее без осаждения. 

Общепринятое рабочее значение скорости на входе, зависящее от диаметра циклона и находящееся в диапазоне 16 ... 30 м/с, соответствует этим результатам (рис. 5.5). В работе [59] дан также корректирующий коэффициент для отношения Wi/Us, зависящий от плотности частиц и температуры; там предлагается также хорошая и простая процедура расчета образцового циклона. Спроектировано и используется много различных типов циклонных сепараторов пыли; некоторые типичные конструкции показаны на рис. 5.6, а—д. Типы а, б, в имеют сходные характеристики удаления пыли. Осевые циклоны (типов г и д, в которых поток закручивается лопатками) не обладают такими хорошими характеристиками, как циклоны других типов, из-за того, что в них формируются неоптимальные профили окружной скорости (т. е. распределения типа вынужденного вихря). Подобный опыт уже приобретен на вихревых горелках (гл. 4) для значений S > 0,7. Поэтому осевые циклоны используются в тех случаях, когда требуется подать высокий расход воздуха при небольшом перепаде давления. Как и в случае вихревых горелок, для получения более приемлемого распределения окружной скорости здесь могут использоваться или профилированные лопатки, или лопатки с двойным углом поворота, однако сложность их изготовления настолько высока, что преимущество, приобретаемое в этой конструкции по сравнению с обычными конструкциями (рис. 5.6, а и б), представляется не столь уж значительным.
Эффективность сепарации частиц обычно выражается в виде фракционной эффективности для данного диапазона размеров частиц в зависимости от концентрации пыли. Частицы размером более 10 мкм могут легко и с высокой эффективностью удаляться с помощью обычных конструкций, однако характеристики этих конструкций быстро ухудшаются с уменьшением размера частиц, так что для частиц размером до 3 мкм эффективность составляет 20 ... 50%.

Рис 5.6. Различные схемы циклонов.

Из данных рис. 5.4 можно видеть, что эффективность сбора зависит не только от размера частиц, но и от концентрации пыли, что особенно заметно для небольших частиц (d < 5 мкм). В работе [10] указано, что эффективность сбора частиц для диапазона размеров 0 ... 3 мкм может быть удвоена. Может показаться, чт эти результаты соответствуют независимым измерениям, в которых установлено влияние концентрации пыли на перепад давления; некоторые исследования [5, 11, 12] обнаружили, что пр данном перепаде давления может происходить сильное увеличение расхода газа с увеличением концентрации пыли боле 0,25 г/м3. Однако это свидетельствует о том, что при высоки концентрациях пыли происходят существенные изменения аэродинамической структуры потока. Отсюда следует, что при ра боте устройства реализуются следующие два эффекта:

1. при данном перепаде давления наибольшие изменении расхода газа имеют место в случае больших частиц (d > 50 мкм)[11];
2. сильные изменения эффективности сбора частиц пр увеличении их концентрации происходят только в случае малых размеров частиц (d < 50 мкм) [10].

Очевидно, что оба эффекта связаны с зоной вихревого ядра вследствие того, что там частицы находятся во взвешенном ее стоянии и захватываются этой зоной на длительное время.
Для описания характеристик циклонов предлагался ряд параметров.
Безразмерный комплекс, предложенный в работе [13], привлекателен тем, что благодаря объединению всех параметров в один критерий можно на едином графике продемонстрировать влияние всех характеристик на эффективность сепарации частиц.
Этот параметр циклона z (13] определяется с помощью выражения
и зависит от отношения ускорения частиц, обусловленного сопротивлением среды (определяемого по закону Стокса), и ускорения из-за различия статических давлений с каждой стороны частицы, обусловленного существованием градиента давления, связанным с центробежными силами. Эта формула применима только к частицам, подчиняющимся закону Стокса, т. е. к частицам размером до 50 мкм при рр ≈ 1 г/см3, что соответствует значению параметра циклона z≈1. Такое ограничение не является недостатком, так как сепарация мелких частиц представляет наиболее трудную задачу.
На рис. 5.7 показано изменение эффективности сбора частиц η в зависимости от концентрации частиц и от параметра циклона z для циклонов, изображенных на рис. 5.4; этот рисунок облегчает возможность сравнивать характеристики циклонов различных типов (10).

Таким образом, для заданного распределения окружной скорости в циклоне максимальные центробежные силы получаются для меньших значений r.

Рис. 5.7. Зависимость эффективности сбора частиц η от параметра циклона z и от концентрации частиц (характеристики циклонов приведены на рис. 5.4).
1 — концентрация частиц равна 2,5 г/м3; 2—10 г/м3; 3 — 25 г/м3; 4 — 50 г/м3.
Хорошо известно, что циклоны обладают лучшей эффективностью сепарации частиц при небольшом диаметре корпуса вследствие увеличенной центробежной силы, действующей на частицу. Центробежная сила определяется из соотношения
Имеется очевидный предел, до
которого может быть уменьшена величина r поскольку циклон становится чувствительным к нарастанию слоя пыли которая затем периодически поступает непосредственно в выходной газовый канал по мере насыщения устройства. В принципе небольшие циклоны могут быть сконструированы для сепарации очень малых частиц размером d < 3 мкм, но они быстро забиваются частицами большего размера [27, 51] .

Рис. 5.8. Характеристики циклонного сепаратора пыли с впрыском воды [46].
По этой причине в тех случаях, когда имеются большие объемы газа, содержащего частицы, для получения заданной эффективности сепарации циклоны обычно соединяются параллельно [3]. С целью достижения высокой эффективности сепарации циклоны соединяются последовательно, причем каждое устройство удаляет фракцию частиц в определенном диапазоне размеров.

Следует отметить, что увеличение входной скорости свыше 20 ... 30 м/с с намерением улучшить характеристики циклона дает в лучшем случае слабый эффект, причем причина этого заключается в увеличении кинетической энергии турбулентности, которая в свою очередь усиливает обратное подмешивание и вызывает такие эффекты, как, например, образование пылевого вихря [9] В циклоне могут происходить также и некоторые другие явления, такие, как агломерация частиц под действием сил Вандер-Ваальса, капиллярных сил и сил электростатического притяжения; такое явление равносильно увеличению размера
частиц [3]. Показано, что полная эффективность сбора частиц осевым циклоном существенно увеличивается с увеличением -относительной влажности вследствие улучшения прилипания из-за адгезии частиц и жидкости Этот эффект широко используется в промышленности для повышения эффективности сепарации пыли в случае мелких частиц |46] (рис. 5.8). Вода в виде тонко распыленной струи впрыскивается перед входом в циклон, и результирующее слияние частиц, адгезия и электростатическое притяжение частиц пыли и воды приводят к образованию больших частиц, которые легко сепарируются циклоном обычного типа; это дает возможность сепарировать частицы пыли размером менее 1 мкм.

Потери давления в циклонном сепараторе пыли.

В дополнение к определению эффективности сбора пыли необходима правильная оценка потерь давления в циклоне, для того чтобы можно было рассчитать экономическую эффективность. Обычно приемлемые рабочие потери давления в циклоне составляют не более 2,5 кПа, и при этом значительное количество энергии затрачивается на создание закрученного течения. Соотношения для расчета потерь давления, как правило, эмпирические. Обычно для вычисления потерь давления в циклоне используется соотношение типа

(5.12)
в котором U — тангенциальная скорость на входе, равная либо wT, либо максимальной окружной скорости wm.

Значения ζ для различных конструкций циклонов даны в таблице

Значения находятся в интервале 1 ... 27. Основные потери давления имеют место в тангенциальном входном устройстве и в зоне выхода газа. Улиточные входные устройства (с одним входным каналом) и наклоненные вниз входные патрубки могут снизить потери на входе. В работе [59] показано, что потери давления можно связать с геометрическими пара метрами циклона следующим образом:
(5.13
ЗдесьК — постоянная, зависящая от геометрии входного устройства (см. табл. 5.1) Величина N представляет уровень скоростного напора на входе, для К принимается значение К = 16, если на входе нет направляющих лопаток, и К = 7,5 при наличии на входе спрямляющих лопаток. Соотношение (5.13) можно привести к следующему виду:
(5.14
Поскольку потери давления сильно зависят от скорости нг входе, очевидно, что высокие скорости обусловливают не только повторный захват пыли, но также и чрезмерные потери давления.
Из-за высокого содержания энергии в закрученном потоке основные потери давления в циклонных сепараторах пыли относятся к зоне выхода. Во многих работах [3, 5, 11, 12] предприняты попытки преобразовать энергию вращательного движения потока в энергию давления с минимальными потерями Конические тела, установленные в центре и простирающиеся от выходной части вниз до окна для сбора пыли, могут уменьшить значение ζ на величину до 65 %. В работе [12] показано, каким образом можно достичь снижения потерь давления на 22 % путем раскрутки выходящего потока без снижения статического давления и дальнейшего расширения результирующего, преимущественно осевого, потока для преобразования энергии вращения в энергию давления. Это реализуется путем установки лопаточной решетки в выходном канале в двух калибрах ниже по потоку от выходного сечения
В МГД-генераторе линейно изменяющегося напряжения газы перед входом в канал генератора раскручиваются. В камере сгорания МГД-генератора восстановление давления в диффузоре зависит от степени расширения, длины, стеснения входа пограничным слоем и от отношения высоты к ширине. Если пограничный слой тонкий, характеристики улучшаются с увеличением степени расширения, но лишь до тех пор, пока нет отрыва потока. Склонность к отрыву потока усиливается с увеличением стеснения сечения пограничным слоем (с уменьшением отношения площади невязкого ядра потока к геометрической площади). В работе [5] выполнена серия подробных испытаний с целью исследования снижения потерь давления при использовании выходных устройств различной геометрии. В этой работе получены такие же результаты, как и в работе [12], с помощью центральных тел и, кроме того, показано, что

Рис. 5.9а. Тангенциальный диффузор, применяемый для восстановления давления закрученного потока с высокой скоростью [5].

Рис. 5.9б. Циклонный сепаратор пыли с наклоненным вниз входным патрубком, применяемым для снижения потерь давления [51
если расположить диффузор так, чтобы выходящей из циклона закрученный поток поступал в него с минимальными потерями на отрыв (рис. 5.9,а), то можно достичь высокого уровня восстановления давления вплоть до 49 % по сравнению со случаем, когда выходящий поток проходит прямо в коленчатый патрубок того же диаметра, что и выходной канал. По сравнению с конструкцией, в которой газ из циклона выходит прямо в атмосферу, в трубу большого диаметра, или в ресивер, выигрыш невелик. В работе |5] показано также, как можно получить существенное снижение потерь давления на входе (до 60%) путем наклона тангенциального входного патрубка циклона (вниз к основанию, рис. 5.9, б).

Центробежные сепараторы других типов.

В работах [52—55] описан другой тип циклонного пылеочистителя с закрученным потоком, который имеет две независимые регулируемые подачи газа (рис. 5.10) Загрязненные газы проходят по центральному каналу через лопаточный завихрители, служащий для создания вынужденного вихревого течения Чистый газ вводится тангенциально в верхней части устройства для создания во внешней области течения такого распределения скорости, которое характерно для свободного вихря. Параметры потока такие же, как в обычном циклоне, за исключением того, что загрязненный газ подводится закрученным в центральную область свободного вихря, где центробежные силы и, следовательно, силы разделения наибольшие.

Рис. 5.10. Пылеочиститель с закрученным потоком [52—55].
В рассматриваемом циклоне в противоположность обычному циклонному сепаратору концентрация пыли не влияет непосредственно на эффективность сепарации из-за другой струн туры вторичных течений в устройстве. Размер сепарируемы частиц на порядок меньше, чем в обычном циклоне. За улучшение характеристик требуется все же компенсация в виде гораздо больших потерь давления и необходимости подачи вторичного воздуха.
Значительно более высокие центробежные силы могут быт получены в центрифуге, где в принципе можно разделить молекулы и изотопы различной массы На практике ультрацентрифуги нашли сейчас промышленное применение в страна; Западной Европы и Великобритании в производстве обогащенного урана. Основным препятствием при применении таки: устройств является их высокая стоимость.
Ряд опубликованных работ касается гидроциклонов, которые производят центробежное разделение жидкости и газа и взвеси частиц в жидкости [50, 56, 57]. Гидроциклоны не так эффективны, как сепараторы, из-за малого различия плотностей разделяемых веществ.