Циклон очистка воздуха

Расчет центробежных пылеуловителей (циклонов)

Циклоны позволяют разделить пыли в поле центробежных сил. Циклоны выпускают с корпусом диаметром от 100 до 1000 мм. Эффективность их работы характеризуется фактором разделения. Степень очистки газов зависит от конструкции циклона, размера частиц и их плотности. Например, если КПД циклона при улавливании частиц диаметром 25 мкм составляет 95 %, то при диаметре частиц 10 мкм КПД снижается до 70 %. Степень очистки газов от пыли часто определяют по нормалям и номограммам, составленным на основании экспериментальных данных. Циклон, представленный на рис. 7 обладает небольшим гидравлическим сопротивлением и позволяет достигать относительно высокой степени очистки.

Наиболее предпочтительным по форме с точки зрения аэродинамики является подвод газов по спирали, однако по практическим данным, все способы подвода могут применяться с равной эффективностью.

Сущность циклонного процесса заключается в следующем: газовый поток со взвешенными частицами вводится в аппарат через входную трубу со скоростью 10…40 м/с. Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выводной трубы поток начинает вращаться вокруг последней, совершая несколько витков при прохождении через аппарат. Под действием возникающих центробежных сил взвешенные частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности корпуса, а затем соскальзывают в коническое днище и удаляются из циклона через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выводную трубу.

Точный расчет циклонов достаточно сложен, поэтому их рассчитывают упрощенно по величине гидравлического сопротивления DР.

Фиктивная скорость газа (в м/с) в цилиндрической части циклона может быть определена по формуле:

, (3.1)

где Dр/rг – фактор разделения;

xц – коэффициент гидравлического сопротивления.

Для циклона, показанного на рис. 7, отношение DР/rг составляет 500…750 м2/с2.

Значение коэффициента гидравлического сопротивления xц, отнесенного к vф, принимают по опытным данным.


Диаметр цилиндрической части циклона (в м) определяют по заданной производительности:

, (3.2)

где V – объемный расход запыленного газа, м3/с.

Определив диаметр цилиндрической части циклона Dц, находят все остальные его размеры. На рис. 7 показаны размеры циклона в зависимости от диаметра его цилиндрической части.

Особенность циклона конструкции, представленной на рис. 7 – наклонный патрубок для поступающего газа. От угла наклона патрубка зависит степень очистки газа:

— циклон с углом 24° (ЦН-24) обеспечивает большую производительность при малом гидравлическом сопротивлении и предназначается для улавливания крупных частиц. Коэффициент гидравлического сопротивления xц = 60;

— циклон с углом 15° (ЦН-15) обеспечивает хорошую степень очистки при сравнительно невысоком гидравлическом сопротивлении xц = 160;

— циклон с углом 11° (ЦН-11) обеспечивает высокую степень очистки xц = 250;

Удаление пыли из газов в циклоне протекает в две стадии. На первой стадии частицы переносятся в зону осаждения. Этот процесс осуществляется за счет центробежной силы. Вторая стадия заключается в отделении частиц.

Она начинается тогда, когда концентрация частиц в газовом потоке превышает предельную нагрузку, т.е. количество пыли, которое в состоянии переносить газовый поток в данных условиях с учётов влияния стенок.

Принципиально циклон работает по следующей схеме (см. рис. 7). Газы, направляющиеся в аппарат, поступают в цилиндрическую часть циклона, приобретают движение по спирали с увеличивающейся скоростью от периферии к центру внутрь, спускаются по наружной спирали, затем поднимаются по внутренней спирали и выходят через выхлопную трубу. Обычно в циклонах центробежное ускорение в несколько сот, а то и тысячу больше ускорения силы тяжести. Поэтому даже весьма маленькие частицы пыли не в состоянии следовать за линиями тока газов и под влиянием центробежной силы выносятся из кривой движения газов по направлению к стенке.

В цилиндрической камере циклона статическое давление, как и в каждом искривленном течении, сильно падает в направлении от периферии к центру. В основном потоке направленные во внутреннюю сторону сжимающие усилия приходят в равновесное состояние с центробежными силами газов. Более медленно текущий у стенки циклона пограничный слой испытывает соответственно меньшие центробежные силы.

Однако у конической стенки циклона и у его крышки перепад начинает сказываться. Сжимающее поток усилие становится значительно больше центробежной силы, и он в виде сильного вторичного вихря направляется внутрь, захватывая с собой много частиц пыли. Но так как затем поток еще несколько раз по пути вниз обернется вокруг выхлопной трубы, частицы могут быть вновь отброшены к стенке аппарата.

Вторичный поток, искривленный вдоль конической стенки, захватывает отброшенную к стенке пыль и направляет ее вниз к пылеосадительной камере (бункеру). Без этого потока отдельные частицы, находящиеся у стенки, не могли бы попасть вниз, поскольку направленная вверх составляющая центробежной силы является большей по сравнению с силой тяжести. О большом влиянии вторичного потока свидетельствует тот факт, что пыль выносится из лежащих и даже перевернутых циклонов.

В пылеосадительной камере (вследствие сужения в месте соединения) газовый поток циркулирует слабее, чем в цилиндрической камере. Однако и в этом случае на оси вихрь имеет пониженное давление. Часть вторичного потока цилиндрической камеры в пылеосадительной камере перемещается вниз и вновь возвращается в ядро вихря. Благодаря этому уже отсепарированная пыль может быть вновь захвачена и вынесена в район оси вихря.

Газовый поток, перемещающийся по трубе, имеет ограниченную несущую способность (так называемую загруженность) по пыли. Это еще в большей степени относится к циклонам, потому что вместо силы тяжести здесь сказывается во много раз большая центробежная сила.

Обычно теоретические исследования очистки газов в циклонах приводят к получению формулы, характеризующей критический (минимальный) диаметр частиц dкр (в м), полностью улавливаемых аппаратом:

, (3.3)

где mг – коэффициент динамической вязкости газов, Па×с;

Vг – объемный расход газов, м3/с;

– скорость газов на входе в циклон, м/с;

rг – плотность газов, кг/м3;

rч – плотность частиц пыли, кг/м3;

Dтр – диаметр выхлопной трубы, м, (0,58 Dц);

Dц – диаметр цилиндрической части циклона, м;

Dв – диаметр выходного сечения конической части, м, (0,35 Dц);

Н – высота цилиндрической + конической частей аппарата, м, (2Dц + Нц);

Нц – высота цилиндрической части, м, (0,825 + 0,775 + 0,66) Dц;

hтр – высота заглубления выхлопной трубы , м, (0,775 + 0,66) Dц.

Расчет эффективности очистки h (в %) в циклонах ведется на основании дисперсного (фракционного) состава пыли на входе в циклон по формуле:

, (3.4)

где hфр1, hфр2, …, hфр n – коэффициенты парциальной эффективности очистки в данном циклоне (средние для определенной фракции), доли единицы;

Ф1, Ф2, … , Фn – содержание частиц данной фракции в пыли на входе в циклон, вес. %.

ЗАДАЧА 3.1

Рассчитать циклон для выделения частиц сухого молока из воздуха, выходящего из распылительной сушилки.

Исходные данные:

Наименьший размер частиц d, мкм Массовый расход воздуха Gг, кг/ч Температура t, oC DP/rг Коэффициент сопротивления цилинд. части, xц Скорость газов на входе в циклон, v’г, м/с
9,5 72,0 11,75

Решение:

Для улавливания частиц сухого молока размером 13,5 мкм выберем циклон типа ЦН-11. Рассчитаем фиктивную скорость газа в цилиндрической части циклона:

Вычислим плотность воздуха при заданной t ̊ C:

Определим гидравлическое сопротивление циклона:

Определим объемный расход:

Определим диаметр циклона:

ЗАДАЧА 3.2

Рассчитать критический диаметр частиц пыли с учетом решения задачи 3.1

Исходные данные:

Наименьший размер частиц d, мкм Массовый расход воздуха Gг, кг/ч Температура t, oC DP/rг Коэффициент сопротивления цилинд. части, xц Скорость газов на входе в циклон, v’г, м/с Плотность газа ρг, кг/м3 Плотность частиц пыли ρч, кг/м3 Диаметр циклона, , м
9,5 72,0 11,75 0,77 0,542

Производственная деятельность большинства промышленных предприятий сопровождается загрязнением воздуха рабочей зоны производственных помещений мельчайшими твердыми частицами, называемыми промышленной или производственной пылью.

Очистка воздуха от промышленной пыли на предприятиях входит в число важнейших мероприятий по охране труда и поддержанию экологической чистоты окружающей обстановки:

  • в части охраны труда – обеспечение санитарно-гигиенических нормативов ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны;
  • в части охраны окружающей экологии – обеспечение чистоты вентиляционных выбросов в атмосферу за счет применения пылеулавливающего оборудования и системы пылеочистки предприятия, не допускающих попадания производственной пыли в окружающую среду.

Наибольшее распространение в производственных системах пылеочистки получили циклонные пылеуловители, применяемые для снижения уровня запыленности воздуха и удаления его из производственных помещений на деревообрабатывающих предприятиях, заводах ЖБИ и металлоконструкций, предприятиях химической и других отраслей.

У нас вы можете приобрести циклонные пылеулавливатели следующих моделей:

Принцип работы циклонных пылеуловителей

Циклонные пылеуловители, чаще называемые просто циклонами, относятся к категории механических инерционных осадителей, в которых частицы пыли, взвешенные в воздухе, осаждаются на внутренних стенках циклона под действием силы инерции (центробежной силы), возникающей при тангенциальном вводе воздушного потока в камеру пылеулавливающего устройства. Для технической реализации инерционного осаждения пыли в циклоне используется конструктивное решение, являющееся базовым для всех многочисленных конструкций. Классический вариант циклона-пылеуловителя представлен следующими конструктивными элементами:

  • поз. 1 – бункер-пылесборник;
  • поз. 2 – коническое днище циклона;
  • поз. 3 – цилиндрическая обечайка корпуса циклона;
  • поз. 4 – тангенциальный патрубок для ввода запыленного воздуха;
  • поз. 5 – крышка циклона;
  • поз. 6 – патрубок для вывода очищенного воздуха;
  • поз.

    7 – центральная выхлопная труба.

Корпус циклона собран из цилиндрической обечайки (поз. 3), конического днища (поз. 2) и крышки (поз. 5). Днищу (поз. 2) и бункеру-пылесборнику (поз. 1) придается коническая либо пирамидальная форма. Тем самым обеспечивается полноценный сбор осажденной пыли в пылесборнике и последующая ее выгрузка по мере заполнения бункера. Нормальная работа циклона будет обеспечена только при герметичном бункере, иначе пыль с потоками уходящего воздуха будет просачиваться через верхние выходные каналы.

Тангенциальный патрубок (поз. 4), называемый также тангенциальным вводом, необходим для направления входящего воздушного потока по образующей поверхности цилиндрической обечайки корпуса (поз. 3).

Это важно! Тангенциальным (от лат. tangens – касающийся) принято называть направление по касательной к формообразующей кривой пространственного тела. В случае цилиндрической формы корпуса циклона тангенциальный патрубок приваривают таким образом, чтобы направление движения входящего воздушного потока соответствовало направлению касательной к образующей цилиндра, то есть, к окружности.

При тангенциальном вводе поток воздуха вместе с частицами пыли приобретает винтообразное движение вокруг центральной выхлопной трубы, направленное вниз вдоль конического днища к бункеру-пылесборнику.

Размеры и геометрические формы базовых конструктивных элементов различных модификаций циклонов могут существенно различаться. Некоторые модели циклонов оснащаются улитками, звездочками, розетками и другими специфическими устройствами для подкрутки очищаемого воздуха.

Принцип инерционной сепарации, используемый в работе циклона, состоит в следующем.

  1. Поток запыленного воздуха подается в корпус циклона через тангенциальный патрубок (поз. 4) по касательной к его цилиндрической обечайке (поз. 3).
  2. В циклоне формируется вращательно-поступательное движение воздушного потока, в процессе которого на частицы пыли начинает воздействовать центробежная сила.
  3. Под воздействием центробежной силы пылевидные частицы выбрасываются из воздушной массы к стенкам циклона, прижимаются к их поверхности, оседают на них и стекают вниз в пылесборник.

Обратите внимание! Величина центробежной силы при вращении в циклоне определяется по формуле:

F = m*( Vtang )2 /R, где m – масса частицы пыли, Vtang — тангенциальная составляющая скорости движения входящего воздушного потока; R – радиус цилиндрической обечайки циклона.

Для типичных условий эксплуатации циклонов, когда Vtang = 15 м/с и R = 60 см (диаметр циклона составляет 1,2 м), величина центробежной силы F почти в 39 (!) раз превышает силу тяжести, которая «тянет» пылинку вниз. В отдельных конструкциях циклонов ее значение в сотни раз превышает показатель силы тяжести. Поэтому центробежная сила резко увеличивает интенсивность осаждения пыли в камере циклона.

  1. Очищенный от пыли воздушный поток по центральной выхлопной трубе (поз. 7) выводится через патрубок (поз. 6) из циклона в атмосферу.

Преимущества и недостатки циклонов

Циклонные агрегаты отличаются следующими достоинствами:

  • простой конструкцией, не имеющей движущихся частей;
  • несложной технологией изготовления, обеспечивающей повышенную ремонтопригодность;
  • невысокой стоимостью по сравнению с другими типами пылеосадителей;
  • высокой надежностью, длительным ресурсом безаварийной работы при очистке газовых сред, не содержащих взвешенные абразивные частицы;
  • типовые модели циклонов допускают эксплуатацию при температуре до 500 град. Ц без внесения конструктивных изменений;
  • сравнительно малым энергопотреблением в сравнении с другими устройствами пылеочистки;
  • при покрытии активных поверхностей износостойкими материалами циклоны можно использовать для осаждения абразивной пыли;
  • высокую производительность и эффективность;
  • при повышении концентрации пыли фракционная эффективность циклона не снижается;
  • возможность использования для очистки агрессивных газов и газовых смесей.

К недостаткам циклонных пылеуловителей относят следующие факторы:

  • высокое гидравлическое сопротивление, достигающее 1500 Па;
  • небольшой ресурс работы при очистке сред с абразивной пылью;
  • низкую эффективность при улавливании частиц размерами менее 5 мкм;
  • невозможность использования для улавливания слипающей пыли.

Эффективность циклонов

Эффективность работы циклонов характеризуется степенью очистки, показывающей в процентном выражении количество осевшей пыли в сравнении с содержанием пыли в поступающем воздухе. Для наиболее распространенных циклонов типа ЦН эффективность очистки достигает следующих показателей:

  • до 99,5% — для частиц условного диаметра 20 мкм;
  • до 95% — для частиц диаметром 10 мкм;
  • 83% — для малых частиц диаметром 5 мкм.

Применение циклонных пылеуловителей существенно снижает уровень профессиональных заболеваний работников предприятий и повышает надежность работы используемого оборудования. Установка циклонов способствует минимализации потерь сырья за счет рециклинга осажденной пыли и сохраняет чистоту экологии окружающей среды.

Рассчитать циклон для улавливания пыли. Объем пыльного воздуха Q=12000 м3/ч, объемный вес пыли y2=2600 кг/м3, входная скорость воздуха в циклон равна 16 м/с. Вес отдельных фракций пыли в процентах от общего веса следующий: при размерах пылинок до 3u весовое отношение фракции пыли составит 1,8 %; до 5u – 4,4 %; до 5u – 5,8 %; до 11u – 6,2 %; до 15u – 10%; выше 15u – 71,8%. Степень очистки циклона должна составлять около 90 %. Скорость в выхлопной трубе циклона обычно принимается равной 6 м/сек, поэтому площадь выхлопной трубы

fвых=12000/ 3600 * 6 = 0,555 м2

откуда ее диаметр D1=840мм, следовательно R1=420 мм.

Площадь трубы, подводящей пыльный воздух к циклону, определится из условия

f=12000 / 3600 * 16 = 0.209 м2

откуда её диаметр d=165мм.

Перед самым входом в циклон круглое сечение подводящей трубы переходит в прямоугольное, при этом отношение высоты этого сечения к ширине обычно принимается равным 1,5, поэтому

f= 0.209 = ab = 1.5 bb

откуда а = 560 мм, b = 370 мм.

Наружный радиус циклона

R2 = R1 + b = 420 + 370 = 790 мм

Средний радиус циклона

R0 = (420 + 790)/2 = 605 мм

Средняя окружная скорость воздух в циклоне бывает меньше скорости в нагнетательной трубе перед циклоном. На основании практических данных принимают

w = v= 16 = 11.4 м/сек.

1,4 1,4

В этом случае угловая скорость вращения частицы в средней части циклона, вокруг оси, будет равна

Qв.о. = 11,4 / 0,605 = 18,85 1/сек

При обычной температуре воздуха поступающего в циклон, t = 150 С, y1= 1.226 кг/м3 кинематическая вязкость воздуха l= 14,4 * 10-6 м2/сек.

Объемный вес пылинок по условию задачи равен y2=2600 кг/м3, степень очистки воздуха должна быть не менее 90 %. При данной степени очистки в циклоне должны осаждаться все пылинки, имеющие диаметр более 10u = 1*10-5 м.

Подставляя все полученные величины в уравнение (9), получим время, в течение которого частица пыли с минимальным диаметром и наиболее невыгодно расположенная, т.е. находящаяся у внутренней стенки циклона, дойдет до наружной его стенки

t = 18*14.4*1010*1.226 ln 790

106 * 18.852 * 2600 420

или

t = 3.42 ln 1.88 = 3.42 lg 1.88 = 2 сек.

При окружной скорости w = 11,4 м/сек длина пути невыгодно расположенной пылинки

lпуть = wt = 11.4 * 2 = 22.8 м

Средняя длина пути каждого витка приближенно может быть принята равной длине средней окружности

2nR0 = 2*3.14*0.605 = 3.8 м

Тогда необходимое число витков

N = 22.8/3.8 = 6

Высота каждого витка может быт принята равной высоте прямоугольного канала перед входом в циклон, поэтому высота в цилиндрической части циклона

H = an = 0.56 * 6 =3.36 м

Принимая 15% запаса, получим окончательно

Н = 1,15* 3,36 = 3,9 м

Диаметр d3 отверстия для удаления осажденной пыли в циклоне принимается около 250 мм.

Коническая часть циклона принимается с углом между его образующими в 30 – 40 0;выбирая среднее значение a=350, высоту конической части получим из условия

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра «Экология и безопасность жизнедеятельности»

ОТЧЕТ

по практическому занятию по дисциплине

«Экология»

на тему : » Расчет циклона для очистки воздуха»

г. Углич 1999 г.

ВВЕДЕНИЕ

Различные производственные процессы могут загрязнять атмосферный воздух взвешенными твердыми или жидкими частицами, которые делятся на пыль, дым и туман.

Для улавливания взвешенных частиц применяется различная аппаратура, в составе которой значительное место занимают циклонные аппараты, которые являются наиболее аппаратурой для сухого механического пылеулавливания.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вид пыли: пыль красителей.

Дисперсный состав пыли:

Lg sM =0.4,

dM =8 мкм;

Количество очищаемого газа :

Q=1.3 м2 /с;

Плотность частиц:

r=1910 кг/м3 ;

Вязкость газа:

m=22.1*106 H*c/м2 .

ВЫБОР ТИПА ИСПОЛЬЗУЕМОЙ АППАРАТУРЫ

Исходя из исходных данных (дисперсного состава пыли) находим ближайшее значение Lg sM из и по нему выбираем тип циклона.

Конический циклон СДК-ЦН-33 со следующими параметрами:

оптимальная скорость WОПТ =2 м/c;

дисперсный состав пыли Lg s=0.364;

d50 =2.31 мкм.

РАСЧЕТ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ АППАРАТУРЫ

1. Диаметр циклона

где D — диаметр циклона, м;

Q — производительность циклона, м3 /c;

WОПТ — оптимальная скорость, м/c.

В соответствии с типом циклона по его диаметру определяем геометрические размеры циклона которые приведены в долях внутреннего диаметра:

hТ =0.535(481 мкм);

HЦ =0.535(481 мкм);

НК =0.3(270 мкм);

d=0.334(300 мкм);

dl=0.334(300 мкм);

a=0.535(481 мкм);

ha=0.25(225 мкм).

Полученное значение диаметра округляем до ближайшего типового значения D=900 мкм.

По выбранному диаметру циклона определяем действительную скорость газа в циклоне

где W — действительная скорость газа, м/c;

n — число циклонов.

Для проведения оценки эффективности очистки газов в циклоне сначала необходимо рассчитать диаметр частиц

где

— диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50%;— диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50% (для типового циклона СДК-ЦН-33=2.31 мкм);

D — диаметр циклона, м;

DT — диаметр типового циклона(DT =0.6 м);

r — плотность частиц, кг/м3 ;

rТ — плотность частиц для типового циклона(rТ =1930 кг/м3 );

m — вязкость газа, Н*с/м2 ;

mТ — вязкость газа для типового циклона(mТ =22.2*10-6 Н*с/м2 ;

W действительная скорость газа, м/с;

WТ действительная скорость газа для типового циклона(WТ =3.5 м/с).

Далее определяется параметр X

где dM и Lg sM — дисперсный состав пыли (см. исходные данные);

Lg s дисперсный состав пыли для данного типа циклона (см. параметры конического циклона СДК-ЦН-33).

По значению параметра X определяем значения нормальной функции распределения Ф(X)

Ф(X)»0.89.

Теперь определяем эффективность очистки газов в циклоне

где h — эффективность очистки;

Ф(X) — значение нормальной функции распределения параметра.

Схема конического циклона представлена на рис.1.

Схема конического циклона

D — внутренний диаметр циклона;

Н — высота циклона;

hT — высота выхлопной трубы;

НЦ — высота цилиндрической части;

НК — высота конуса цилиндра;

d — внутренний диаметр выхлопной трубы;

dl — внутренний диаметр выпускного отверстия;

a — высота входного патрубка;

hВ — высота внешней части выхлопной трубы;

Рис. 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный расчет параметров циклона, который предназначен для очистки воздуха от пыли красителей, дает максимально оптимальную эффективность очистки атмосферы, что очень важно на производстве лакокрасочной продукции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1.Сборник расчетных работ по выполнению практических занятий.

Учебное пособие. Под ред. Гетия И.Г.- М.; 1997 г.

Добавить комментарий

Закрыть меню