Состояние исследований в области конструирования циклонных пылеуловителей, цели и задачи исследования (стр. 5 )

Верхняя стенка входного патрубка должна иметь наклон во избежание возникновения отрывных зон, турбулизирующих поток в циклоне. Расширяющийся книзу корпус имеет преимущества перед суживающимися корпусами, так как абразивное истирание стенок у него намного меньше, практически отсутствуют подсосы воздуха через бункер, нет препятствий для прохода в бункер любой пыли и отходов.

Что касается эффективности, то у всех циклонов она находится примерно на одном уровне, и предпочтение следует отдавать более экономичным и надёжным в эксплуатации конструкциям.

1.2. Исследования связи между конструктивными, аэродинамическими параметрами и эффективностью пылеулавливания циклонных аппаратов.

1.2.1. Взаимозависимость эффективности очистки воздуха от пыли и высокого гидравлического сопротивления от радиального стока и турбулентного режима движения воздушного потока.

Среди устройств для очистки аспирационного воздуха на деревообрабатывающих предприятиях наибольшее распространение получили циклоны [20]. По сравнению с другими пылеулавливающими аппаратами они имеют такие преимущества как простота конструкции, отсутствие подвижных частей, постоянное гидравлическое сопротивление, способность работать при высоких температурах и абразивности потока. За время, прошедшее с момента изобретения циклона, его конструкция претерпела значительные изменения, однако не удалось избавиться его основных недостатков. На предприятиях деревообрабатывающей отрасли сложилась ситуация, когда циклоны используют как первую ступень очистки перед рукавными фильтрами. Компоновка циклон-фильтр имеет гидравлическое сопротивление 1700-2100 Па, что приводит к значительному перерасходу электроэнергии на деревообрабатывающих предприятиях. В работах [21-23] указано, что до 50% электроэнергии, потребляемой деревообрабатывающими предприятиями, расходуется на аспирацию и очистку выбросов. Поэтому задача создания новых конструкций пылеочистного оборудования является актуальной на сегодня.

Во многих работах [3, 6, 24] основной причиной низкой эффективности при очистке воздуха от мелкодисперсной пыли и высокого гидравлического сопротивления называют явление радиального стока.

Рисунок 2.6 Изображение радиального стока и потоков воздуха в циклоне по данным различных источников.

Механизм возникновения радиального стока может быть описан следующим образом. Для частиц потока, которые размещены далеко от неподвижной основы (внешней стенки), радиальный градиент давления уравновешивается центробежной силой. Вблизи этой основы тангенциальная скорость частиц вследствие трения уменьшается, а значит уменьшается и центробежная сила. Поскольку радиальный градиент статического давления остается неизменным, то равновесие между силами статического давления и центробежными нарушается и возникает радиальный поток, направленный к оси вращения. Этот поток, в свою очередь, вызывает осевой поток, направленный вдоль нормали к основанию циклона. В результате этого в циклоне возникают так называемые "вторичные потоки", в которых задействовано 10% газового потока [25]. Описание вторичных потоков представлено в работах [3, 6, 25], (рисунок 2.6а-в). В пространстве ниже выхлопной трубы возникает радиальный сток, оказывающий значительное влияние на эффективность циклона. Наибольшая интенсивность радиального стока наблюдается в конической части циклона. Радиальная составляющая скорости потока воздуха противодействуют сепарационному движению частиц пыли к стенке, определяя своей величиной размер частиц, которые будут ими вынесены в выхлопную трубу циклона. Максимальное значение радиальной составляющей скорости потока воздуха равно половине значения тангенциальной составляющей на удалении от стенки [7]. Особенно негативное воздействие радиального стока проявляется на отделении мелких фракций пыли, поскольку по своим размерам они близки к молекулам воздуха и величина центробежной силы, действующей на них, является незначительной по сравнению с захватывающим действием радиального стока.

Кроме радиального стока, значительное влияние на характеристики циклона имеет турбулентность потока воздуха, которая проявляется в турбулентных пульсациях и завихрениях потока, влияние которых на сепарационные характеристики циклона является значительным.

На сегодня еще не создана полная и точная теория инерционной сепарации, что затрудняет дальнейшее совершенствование конструкций циклонов. В условиях недостаточного знания механизма циклонной сепарации одним из основных методов создания новых эффективных сепараторов, наряду с теоретическими исследованиями, есть путь эмпирических поисков, анализа и совершенствования удачных конструктивных решений [3]. Именно поэтому перед созданием новых циклонов необходимо провести анализ существующих конструкций, серийно используемых в промышленности и разработок, которые появились в последнее время и не получили еще широкого применения. Задачей такого анализа является определение факторов, влияющих на характеристики циклонов.

На основе проведенного анализа известных конструкций циклонов автор  работы [26] сформулировал факторы, влияющие на характеристики циклона. Факторами, негативно влияющими на процесс очистки воздуха от пыли в циклоне, являются:

• радиальный сток;

• вихревые потоки в пространстве между выхлопной трубой и внешней стенкой циклона;

• турбулентный режим движения воздушного потока в циклоне.

Факторами, положительно влияющими на эффективность и гидравлическое сопротивление циклона были названы следующие:

• отвод части очищенного воздуха из циклона перед выхлопной трубой;

• снижение скорости потока воздуха в выхлопной трубе;

• снижение радиального стока в конической части циклона;

• уменьшение перепада статического давления в плоском сечении циклона.

Основное техническое противоречие, которое должно быть решено при создании новых конструкций циклонов, можно сформулировать следующим образом. Для того чтобы повысить эффективность очистки пылегазового потока в циклоне, необходимо увеличить скорость потока воздуха, что приводит к росту центробежных сил, действующих на частицу пыли. Одновременно рост скорости приводит к усилению радиального стока, увеличивает количество вихревых потоков и турбулентность потока, снижает эффективность циклона. Кроме того, при возрастании скорости потока растут и энергозатраты на очистку. Попытки минимизировать спад давления противоречат попыткам повысить эффективность улавливания частиц. Любой критерий, направленный на повышение эффективности, связанный с ростом энергетических затрат. Решить такое противоречие конструктивным путем невозможно. Поэтому необходимо было найти новый метод улучшения характеристик циклонов.

Для формулировки направлений совершенствования конструкции циклона рассматривали движение потока воздуха в канале при повороте на 90 градусов (рисунок 2.7).

  Рисунок 2.7  Рисунок 2.8  Рисунок 2.9

Движение потока воздуха  Схема потоков  Потоки вблизи вогнутой  в колене  между цилиндрами  стенки

При движении потока воздуха по криволинейному каналу скорости частиц потока уменьшаются с увеличением радиуса кривизны и, как следствие, давление вблизи внутренней стенки является меньшим, чем у наружной. Отсюда следует, что в начале криволинейного потока вблизи внутренней стенки возникает конфузорный участок, а вблизи внешней - дифузорный. Из теории приповерхностного слоя известно, что в дифузорной части приповерхностный слой растет очень интенсивно, он является неустойчивым и может легко оторваться от стенки. Это явление является одним из основных причин турбулизации потока воздуха. Оно появляеися только в дифузорних областях криволинейного потока [27]. Схематично поток в колене показан на рисунке 2.7, откуда видно, что отрывы являются местными. Так как давление вблизи внешней стенки является большим, чем вблизи внутренней, вдоль боковых стенок, на которых скорость близка к нулю, будет проходить перетекание потока от наружной стенки к внутренней, за счет чего образуется парный вихрь. С увеличением градиента давления будет усиливаться парный вихрь, что является причиной возникновения радиального стока.

Во время движения потока воздуха между двумя цилиндрами, внутренний из которых вращается, начиная с определенных чисел Рейнольдса, между цилиндрами возникают завихрения с правым и левым вращением (рисунок 2.8), которые усиливают вторичные потоки и существенно увеличивают гидравлическое сопротивление. Такие завихрения описаны в работах [6, 27, 28] и подтверждаются современными исследованиями с помощью лазерных анемометров и специализированных компьютерных программ (CFD) (рисунок 2.6в).

Аналогичного рода нестабильность потока, связанная с трехмерными возмущениями, возникает в приповерхностном слое у вогнутых стенок [28] (вблизи выпуклых стенок такая нестабильность не наблюдается). Возмущающая завихрения имеют форму, которая представлена на рисунке 2.9. Оси таких завихрений параллельные скорости основного потока.

Указанные явления определяют природу потерь в криволинейном потоке, которые состоят из потерь на трение; потерь, связанных с возникновением четным вихрей; потерь, вызванных наличием местных отрывов потока. Все эти явления связаны с существованием приповерхностного слоя, а также с его отрывом от стенки.

Если использовать этот вывод для движения потока воздуха в циклоне, то для уменьшения потерь в циклоне, прежде всего, необходимо устранить местные аэродинамические диффузоры, которые часто приводят к отрыву приповерхностного слоя и значительной турбулезации потока. Следующим шагом должно быть уменьшение интенсивности вторичных потоков и только после этого нужно искать способы уменьшения сил трения. Главная часть спада давления, около 80%, это потери в середине циклона на энергетический рассеяния в вязкой турбулентном вращательном потоке. Остальные 20% потерь связаны с рассеянием потока на выходе, расширением на входе и трением к стенке циклона [25]. Поэтому в циклоне прежде всего необходимо бороться с негативными проявлениями приповерхностного слоя, а не с радиальным стоком. Существование радиального стока и значительная степень турбулизации воздуха в циклоне есть только последствиями существования и отрыва приповерхностного слоя.