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.

Qc = Qi (рi/рc)1/y (VI.44)

Tc = Tt (рi/pc)y-1(VI.45)

где y — отношение удельных теплостойкостей Cp/Cy, 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 Dc, тогда средняя скорость газов, стекающих с искривленных лопастей импеллера uс, выражается через начальную скорость ui  в виде следующих уравнений:

Скорость uс 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 ucт равна

тогда как средняя скорость в осевом направлении uCA 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 dmin. 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 gcos 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.