Состояние исследований в области конструирования циклонных пылеуловителей, цели и задачи исследования (стр. 4 )

степени очистки. На фотографии рис. 9 видно, как шаг нисходящей спирали, по которой движется пылевой слой, по мере продвижения книзу уменьшается, винтообразная траектория движения частиц превращается в горизонтальное кольцо. Это кольцо, являющееся основанием центрального вихря, препятствует продвижению рыхлого слоя в бункер.

Рис. 9. Траектория движения потока пыли в циклоне типа ЦН.

У конических циклонов существует критический расход воздуха, при превышении которого эффективность циклона начинает снижаться. Причиной этого является упомянутое вихревое кольцо вблизи пылевыпускного отверстия.

В циклоне ОК эти явления отсутствуют. Скорость внешнего вращающегося потока при его движении вниз уменьшается, а внутренний вихрь опирается на поверхность отбойного конуса и не достигает стенок циклона. Благодаря этому уменьшается отрыв пылевых частиц со стенок, обеспечивается беспрепятственное продвижение в бункер пылевого слоя, состоящего из частиц любой плотности, формы и размеров (за исключением налипающих на стенки и цементирующихся частиц). Действующие на частицы силы способствуют продвижению пылевого слоя в бункер (рис. 3,б). Поэтому степень очистки в циклоне с расширяющимся корпусом непрерывно возрастает с увеличением скорости воздуха во входном патрубке до 26 м/с и более 9.

Таким образом, циклон с обратным конусом имеет ряд неоспоримых эксплуатационных преимуществ перед коническими циклонами.

1.1.5. Разработка конструкции универсального циклона.

Конструкция циклона с обратным конусом не лишена существенных недостатков. Установлено, что в бункере циклона ОК возникает вихревой столб, который при отсутствии непрерывной выгрузки достигает поверхности слоя пыли, захватывает некоторую её часть и выносит в выхлопную трубу. Условия, существующие в пространстве под отбойным конусом, аналогичны условиям образования вихревого столба (смерча): это проникающий в бункер вращающийся кольцеобразный поток и пониженное давление в вершине отбойного конуса. С целью исключения этого явления внутрь отбойного конуса универсального циклона установили крестообразную вставку с опорными кронштейнами (рис. 5), которая препятствует возникновению вихря, вследствие чего прекратился вынос пыли из бункера.

Крепление отбойного конуса к корпусу циклона ОК с помощью горизонтальных лапок оказалось неприемлемым при улавливании волокнистых пылей, склонных к образованию хлопьев и клубков, а также различных лентообразных отходов, так как в местах крепления образуются наросты, постепенно закупоривающие пылевыпускное отверстие. Поэтому в модификации циклона, предназначенной для осаждения волокнистых пылей, отбойный конус крепится с помощью прикрепляемых к стенкам бункера удлиненных кронштейнов (7, рис. 10). К расширяющейся книзу части корпуса присоединяется короткая цилиндрическая часть высотой 0,7D. При необходимости можно осуществлять периодическую очистку оседающих  на кронштейнах хлопьев через люки в стенках цилиндрической части корпуса (8, рис. 10).

Бункер универсального циклона может быть выполнен в нескольких вариантах, причем общим для всех вариантов является исключение внезапного расширения пылевоздушного потока при переходе его через кольцеобразное пылевыпускное отверстие. Вследствие этого устраняется вторичное диспергирование пылевого слоя при его падении и вынос пыли в выхлопную трубу. Благодаря указанным особенностям конструкции универсального циклона эффективность осаждения кварцевой пыли оказалась выше, чем у циклона ЦН‑15, а сопротивление ‑ несколько ниже. Возникла необходимость в изменении конструкции входного узла циклона. В связи с тем, что входной патрубок присоединен к корпусу горизонтально, а воздушный поток устремляется вниз, под верхней крышкой улитки возникает пониженное давление. Вследствие этого происходит отрыв потока и образование циркуляционного течения, аналогичного циркуляционным зонам, образующимся при обтекании потоком любых препятствий, в том числе зданий и сооружений [10]. Необходимым условием возникновения отрыва пограничного слоя является наличие в потоке продольного градиента давления. В пространстве под верхней крышкой входного узла циклона

Рис. 10 - Универсальный циклон УЦ

1‑входная улитка; 2‑выхлопная труба; 3‑входной патрубок; 4‑цилиндрическая часть корпуса; 5‑расширяющаяся книзу часть корпуса; 6‑отбойный конус; 7‑кронштейны отбойного конуса; 8‑люк; 9‑бункер; 10‑шлюзовой затвор.

ОК такой градиент существует в направлении сверху вниз. Явление отрыва приводит к турбулизации воздушного потока, ухудшению условий осаждения пыли, снижению надёжности и к повышению гидравлического сопротивления. К примеру, при попытке применения циклона ОК для осаждения бумажных отходов в типографии лентообразные включения накапливались под крышкой входного узла вокруг выхлопной трубы и закупоривали циклон. Предложенные нами изменения входного узла устранили это явление.

При совершенствовании конструкции входного узла исходили из необходимости обеспечения наилучшей организации движения воздушного потока в циклоне и создания благоприятных условий для осаждения пыли. Для этого необходимо было обеспечить оптимальное время пребывания воздушного потока в циклоне (или число витков потока в пределах циклона) и максимальный градиент концентрации пыли в радиальном направлении, а также увеличить расстояние между пыленесущим слоем воздушного потока и граничной поверхностью центрального вихря, выходящего в выхлопную трубу.

Градиент концентрации пыли зависит от величины сил, действующих на частицы в зоне сепарации, интенсивности турбулентности и толщины слоя взвесенесущего воздушного потока, формируемой входным патрубком. Число витков зависит от угла наклона входного патрубка к горизонту и угла конусности корпуса. Расстояние между пыленесущим слоем и центральным вихрем определяется главным образом конструкцией входного узла.

Увеличить центробежную силу можно путем повышения скорости потока и уменьшения диаметра циклона. Однако эти возможности ограничены необходимостью обеспечения заданной производительности и предельного значения гидравлического сопротивления циклона. Повышенная турбулентность воздушного потока существенно снижает степень очистки воздуха в циклоне. Но эта величина не поддается существенному регулированию. К примеру, коэффици

ент диффузии зависит от сопротивления циклона (величины диссипируемой энергии) и от диаметра циклона (масштаба турбулентности). Снижая сопротивление циклона путем тщательной зачистки сварных швов на внутренней поверхности корпуса, устраняя выступы и вмятины, можно несколько снизить коэффициент диффузии и повысить эффективность пылеосаждения.

Рис. 11 - Траектория движения струйки пылевого потока в универсальном циклоне.

Целесообразно также предусматривать присоединение к входному патрубку прямого участка воздуховода длиной (5‑10)D (D ‑диаметр цилиндрической части корпуса, примыкающей к входному узлу циклона).

Уменьшить толщину слоя очищаемого потока воздуха в циклоне можно путем уменьшения ширины входного патрубка (толщины слоя воздушного потока при входе в циклон) и распределения потока по всей внутренней поверхности корпуса. В циклоне УЦ входной патрубок (см. рис. 5) выполнен плоским шириной 0,26D и высотой 0,8D; к корпусу присоединен тангенциально. Внешняя стенка входного узла изогнута по сходящейся спирали и при повороте потока на 270° сопрягается с образующей цилиндра. Верхняя стенка входной улитки наклонена под углом к горизонту таким образом, что при повороте потока на 270° заканчивается на уровне половины высоты сечения входного патрубка; нижняя стенка расположена горизонтально. Благодаря такой конструкции входного узла оказалось возможным устранить вихреобразование вследствие отрыва потока под верхней крышкой входного узла и распределить воздушный поток почти по всему периметру сечения корпуса (рис. 11). Воздушный поток в циклоне УЦ движется не узкой лентой, как в большинстве циклонов других типов, а широким тонким слоем, распределенным почти по всей внутренней поверхности, что улучшает условия пылеосаждения. Пыленесущий слой воздушного потока в циклоне отдален от границ ядра вихря и по мере продвижения к пылевыпускному отверстию все более отдаляется от него, что исключает возможность вторичного уноса пыли. Горизонтальная нижняя стенка входного патрубка препятствует быстрому продвижению потока вниз и тем самым способствует увеличению числа витков потока.

Причиной износа стенок циклонов являются многочисленные удары твердых остроугольных частиц и царапающий эффект при скольжении слоя пыли. У конических циклонов наиболее уязвимыми местами являются зона вихревого кольца вблизи пылевыпускного отверстия (превалирует истирающее действие быстро вращающегося пылевого слоя) и входной патрубок (ударный  и истирающий эффект). Сила удара зависит, кроме прочего, от величины угла между направлением движения частицы и касательной к стенке в месте удара (этот угол тем меньше, чем больше радиус вращения и чем ближе к внешней стенке находятся частицы). Поэтому чем меньше этот угол, тем меньше сила удара: удар получается скользящим. С этой точки зрения в циклоне УЦ опасность абразивного износа минимальна, поскольку радиусы как входного узла, так и корпуса велики, слой входящего потока тонок, а локальные скорости значительно меньше, чем в конических циклонах.

Результаты лабораторных и производственных испытаний универсального циклона подтвердили обоснованность конструктивных решений.

На основании изложенного, можно сделать некоторые рекомендации специалистам, конструирующим  или модернизирующим пылеотделители. С целью повышения эффективности и снижения абразивного износа входной патрубок целесообразно выполнять по возможности более плоским, прилегающим к корпусу. Патрубок квадратного сечения и, в особенности, круглого сечения, к тому же прилегающий к выхлопной трубе, применять нецелесообразно по следующим причинам. Воздушный поток входит в корпус закрученным вдоль продольной оси, вследствие чего концентрация пыли оказывается выше у стенок канала, чем в средине потока; входящий поток соприкасается с выходящим в выхлопную трубу вихрем; поперечный градиент концентрации на начальном участке входящего потока практически отсутствует; закрученный входящий поток вносит в корпус повышенную турбулентность. Эти факторы препятствуют осаждению частиц пыли на стенки корпуса.