К вопросу о принципах работы инерционных сепараторах

№100-1,

технические науки

В данной статье рассмотрены основные принципы работы инерционных пылеуловителей. Приведены расчетные формулы, позволяющие установить диаметр улавливаемых частиц.

Похожие материалы

Для решения проблемы повышения эффективности процесса обеспыливания воздушных выбросов предприятий разрабатываются новые технологии и устройства. Основной характеристикой при выборе и оценке работы пылеуловителя является эффективность обеспыливания, то есть отношение количества уловленной пыли к общему количеству пыли, содержащемуся в обеспыливаемом газе. Различают три вида коэффициентов эффективности пылеуловителей:

  1. общую весовую эффективность \eta_{o}, то есть отношение веса всей уловленной пыли к общему весу пыли, содержащейся в газе при входе в данный пылеуловитель;
  2. частичную весовую эффективность \eta_{ch}, которая характеризует степень осаждения только частиц пыли, определяемых по заданному интервалу для скорости витания;
  3. фракционную эффективность \eta_{f}, то есть отношение весов уловленной и поступившей в сепаратор пыли данной фракции. Этот коэффициент очень трудно однозначно определить, хотя он играет принципиальную роль для характеристики пылеуловителя. Он позволяет получить представление о работе данного пылеуловителя при отделении различных видов пыли — от монодисперсных (которые на практике не встречаются) до полидисперсных.

Современное пылеулавливающее оборудование включает инерционные пылеуловители, механические и электрические фильтры, аппараты, действие которых основано на применении термического, магнитного, диффузионного, акустического и других механизмов осаждения и их различных комбинаций. Наибольшее распространение получили инерционные аппараты для сухой и мокрой очистки от пыли, при чем предпочтение отдают сухим пылеуловителям, не связанным с расходом технологической воды и ее последующей очисткой. Во многих случаях, например, после пневмосушилок, систем пневмотранспорта и т.п., сухие инерционные пылеуловители оказываются единственно приемлемыми.

Осаждение пыли в сухих инерционных пылеуловителях происходит главным образом за счет сил тяжести и инерции при применении направления движения газового потока (пылеосадительные и жалюзные пылеуловители), либо за счет центробежной силы (циклоны и инерционные аппараты).

К простейшим пылеулавливающим устройствам можно отнести пылеосадочные камеры. В них отделение пыли происходит в результате ее оседания под действием собственного веса. Длина камеры, необходимая для полного осаждения из ламинарного потока всех частиц со скоростью витания w, определяется формулой:

L=\frac{UH}{w}

где U — скорость воздушного потока, H — высота пылеосадочной камеры.

При этом, если поток полностью заполняет поперечное сечение камеры, эффективность пылеосаждения не зависит от распределения скоростей U по этому сечению. Чтобы добиться такого условия, устройства оснащаются дополнительными воздухораспределительные отводами, поток запыленного воздуха, входя в камеру через отверстие небольшого диаметра, образует струю ограниченного сечения и пройдет через камеру с высокой скоростью.

Вследствие большого размера камер течение в них практически всегда является турбулентным. Турбулентная структура потока вносит существенные коррективы в закономерности гравитационного осаждения.

График на рисунке 1 оценивает предельные возможности пылеосадочных камер и может быть использован для составления предварительного суждения о целесообразности использования камер.

Зависимость граничного размера оседающих частиц от средней скорости турбулентного потока в пылеосадочной камере
Рисунок 1. Зависимость граничного размера оседающих частиц от средней скорости турбулентного потока в пылеосадочной камере

Известно, что средней части потока, удаленной от его твердых границ и отличающейся постоянством распределения скоростей, свойственна более или менее изотропная турбулентность, то есть здесь среднеквадратичные пульсации скоростей одинаковы во всех направлениях. Количество воздуха, перемещающегося в противоположенных направлениях, должно быть совершенно одинаковым, так как в противном случае в верхней или в нижней части потока образовались бы пустоты, что невозможно.

Так как движение обменивающихся объемов воздуха хаотично и определяется случайными причинами, движение частиц подчиняется статистическим закономерностям. Если распределение частиц по вертикальному сечению потока было равномерным, то при отсутствии внешних сил турбулентное перемешивание не может нарушить этого распределения. При неравномерном начальном распределении частиц перемешивание приводит к их распространению по всему сечению.

Вблизи стенок положение меняется, так как здесь результирующая пульсаций скоростей не равна нулю, иначе говоря, здесь происходит обмен массами воздуха, обладающими различными скоростями. Вследствие этого у дна потока частицы, подхватываемые поднимающимися массами, получают больший импульс, чем частицы, увлекаемые вниз. Устанавливается закономерный процесс турбулентного переноса, препятствующий осаждению частиц на дне.

Экспериментальные исследования распределения пульсаций скоростей позволили подойти к количественной оценке явления взвешивания частиц потоками. Получено, что среднеквадратичные пульсации скорости Vср увеличиваются по направлению к стенкам по следующей закономерности:

\sqrt{(V_{sr})^{2}}=1,05U_{sr}\sqrt{0,125\frac{\lambda}{k_{1}}\big(1+1,72\big(\frac{l}{R}\big)^{1,8}\big)}, (1)

где Uср — средняя скорость течения в канале, \lambda — коэффициент трения, k1 — коэффициент корреляции, l — расстояние от оси до рассматриваемой точки, R — радиус канала.

Как видно из формулы (1), наименьшее значение пульсаций скорости соответствует оси потока, когда l=0, а наибольшее — его периферической части, например, вблизи дна камеры. Подобная закономерность наблюдается в распределении пульсаций скорости и в циклонах.

Граничный размер частиц, оседание которых затруднено турбулентными пульсациями, приближенно можно оценить исходя из соотношения их скорости витания и пульсаций скорости. Частицы определенного размера будут совершать беспорядочное движение в том районе потока, где усредненная по времени поперечная пульсация скорости равна скорости их витания. Частица, вышедшая по случайным причинам из этого района, испытывает воздействие скоростей либо больших, чем ее скорость витания, и тогда вновь поднимается до прежнего уровня, либо меньших, чем ее скорость витания, и в этом случае оседает до прежнего уровня.

Пользуясь выражением (1) и формулой Стокса для скорости витания частицы w=\frac{d^{2}}{18\mu_{B}}\rho g, где d — диаметр частицы, \rho — плотность частицы, \mu_{B} — динамическая вязкость воздуха, g — ускорение свободного падения, из условия w(d)=\sqrt{(V_{sr})^{2}} получим диаметр для граничного размера частиц:

d_{gr}=4,35\sqrt{\frac{U_{sr}}{a}\frac{\mu_{B}}{\rho g}\sqrt{0,125\frac{\lambda}{k_{1}}\big(1+1,72\big(\frac{l}{R}\big)^{1,8}\big)}} (2)

где а — отношение среднеквадратичных значений пульсаций скоростей.

Частицы размером d<d_{gr} будут находиться во взвешенном состоянии, а размером d>d_{gr} — достигнут дна канала.

При этом частицы диаметром меньше граничного также могут осесть на дно, если первоначально они находились вблизи границ потока, но доля таких частиц носит вероятностный характер.