Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса по теме работы. постановка задач исследований 14
1.1. К выбору темы диссертации (предыстория вопроса) 14
1.2. Обзор и анализ различных способов очистки газа от взвешенных в нем механических примесей 21
1.3. Сравнительный анализ противоточных и прямоточных циклонов 43
1.4. Постановка задач исследований 60
Глава 2. Описание экспериментального стенда и измерительного оборудования 61
2.1. Экспериментальный стенд 61
2.2. Описание работы стенда 65
2.3. Выбор завихрителя 66
2.4. Подготовка смесей разной дисперсности 76
2.4.1. Классификация аэродисперсных систем. Выбор механических примесей 76
2.4.2. Получение смесей разной дисперсности 85
2.4.3. Создание рабочих смесей определенного состава 89
2.5. Выбор и разработка способов и устройств подачи механических частиц в газовый поток 91
2.6. Методика проведения экспериментов и оценка погрешности измерений физических величин 101
2.6.1. Измерение давления 102
2.6.2. Измерение массы 104
2.6.3. Измерение времени 105
2.6.4. Вычисление расхода 107
2.6.5. Вычисление эффективности очистки 107
2.6.6. Методы исследования структуры течения 108
2.7. Основные параметры экспериментов 109
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований прямоточно-центробежного сепаратора 110
3.1. Исследование структуры закрученного течения в вихревой камере 110
3.1.1. Экспериментальные методы 110
3.1.2. Длина зоны обратных токов 114
3.1.3. Исследование турбулентной структуры течения 118
3.2. Влияние основных параметров на характеристики прямоточно-центробежного сепаратора 122
3.2.1. Влияние длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели на эффективность очистки 122
3.2.2. Влияние перепада давления и концентрации частиц на эффективность очистки 125
3.2.3. Влияние длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели на расход газа протекающего через прямоточно-центробежный сепаратор 126
3.2.4. Влияние отсоса газа из бункера и размера бункера на эффективность очистки 128
3.2.5. Влияние размера частиц на эффективность очистки 131
3.3. Обобщение результатов на прямоточно-центробежные сепараторы других размеров 132
Глава 4. Повышение эффективности очистки прямоточно-центробежного сепаратора 134
4.1. Изменение базовой конструкции прямоточно-центробежного сепаратора 134
4.2. Двухбункерный прямоточно-центробежный сепаратор 137
4.3. Трехбункерный прямоточно-центробежный сепаратор 143
Заключение. Выводы 150
Библиографический список 151
Приложения 166
- Обзор и анализ различных способов очистки газа от взвешенных в нем механических примесей
- Получение смесей разной дисперсности
- Исследование турбулентной структуры течения
- Двухбункерный прямоточно-центробежный сепаратор
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В промышленности и на
практике во многих случаях требуется очистка газа (воздуха) от
механических примесей (твердых или жидких частиц). В газовой
промышленности такая задача ставится на автоматических
газораспределительных станциях, компрессорных станциях,
магистральных газопроводах и др. Также требуется очистка воздуха в тепловых электростанциях от золы и дымовых газов, на заводах по прирабатыванию угля от угольной пыли и т.д.
Развитие современных технологий предъявляет все более высокие требования к чистоте циклового воздуха, например, для газотурбинных двигателей и воздуха для компрессорных установок в газоперекачивающих агрегатах (ГПА).
Механические примеси (пыль и др.), находящиеся в воздухе, проходя через газовоздушный тракт газотурбинных и компрессорных установок, приводят к загрязнению и абразивному износу рабочих лопаток. Поэтому на входе данных установок ГПА устанавливают пылеулавливатели. Основными требованиями к ним являются простота конструкции, высокая эффективность (степень) очистки и малое гидравлическое сопротивление. В настоящее время в качестве пылеуловителей широкое применение нашли циклоны, которые способны улавливать частицы диаметром от 2-х
10-и мкм. Анализ известных противоточных и вихревых циклонов показал их довольно высокую эффективность очистки 86...92 % и 96,5...98 % соответственно, однако, они имеют существенный недостаток
высокое гидравлическое сопротивление. В противоточных циклонах гидравлическое сопротивление составляет 125... 150 мм вод. ст., а в вихревых циклонах порядка 280...370 мм вод. ст., что существенно выше регламентируемых техническими условиями на входе в ГПА ~ 40.. .60 мм вод. ст.
Обзор научно-технической литературы показал также, что наиболее перспективным устройством, которое может использоваться в качестве первой ступени грубой очистки воздуха на входе в ГПА, представляется прямоточный циклон или прямоточно-центробежный сепаратор (ПЦС). Принцип действия ПЦС основан на отделении твёрдых или жидких частиц от несущего воздушного (газового) потока в поле центробежных сил, возникающих в закрученном потоке. Закрученный поток создаётся в трубе или вихревой камере специальным завихрите лем. За счёт разности плотностей частиц и воздуха, частицы отбрасываются к стенке и выходят по периферии через кольцевую (сепарационную) щель в бункер сбора частиц, а очищенный воздух (газ) истекает через центральный патрубок, расположенный в конце вихревой камеры.
Проведенный анализ работ таких авторов как: Ю.А. Кныш, СВ. Лукачев (Самара); А.А Овчинников, В.Л Добрянский, Я.В. Зарецкий (Казань); И.Е. Идельчик, Г.К. Зиберт, Ф.Г. Банит, А.Д. Мальгин, Г.М.-А. Алиев (Москва); М.В. Василевский (Томск), В. Страус (Мельбурн), показал, что, несмотря на относительно широкое применение ПЦС, в настоящее время отсутствуют надежные расчётные методы данных устройств. Анализ также показал, что влияние основных параметров и факторов на эффективность очистки газового потока от механических примесей в ПЦС мало изучено, и отсутствуют данные по выбору его оптимальных параметров, таких как: длина вихревой камеры, ширина сепарационной щели, тип завихрителя, наличие или отсутствие отсоса газа из бункера сбора частиц, влияние размера бункера и др.
Цель диссертационной работы - На основе экспериментального исследования двухфазного турбулентного закрученного течения в прямоточно-центробежном сепараторе получить необходимые данные для выбора его оптимальных параметров.
Основные задачи диссертационной работы:
1. Определить влияние основных параметров и факторов на
эффективность очистки газового потока от механических примесей:
а) длина вихревой камеры
б) ширина сепарационной щели
в) отскок частиц от стенок вихревой камеры
г) перепад давления на ПЦС
д) концентрация частиц на входе в ПЦС
е) отсос газа из бункера сбора частиц
ж) размер бункера
з) размер частиц
2. Разработать и предложить некоторые способы и устройства
повышения эффективности очистки ПЦС.
Объект исследования - двухфазное турбулентное закрученное течение в вихревой камере ПЦС. В качестве несущей среды использовался - воздух, а в качестве дисперсной фазы - механических примесей (твердые частицы).
Предмет исследования - прямоточно-центробежный сепаратор.
Методы исследования. Визуальным методом шелковинок исследовалась структура закрученного течения; термоанемометрическим методом измерялась скорость, степень турбулентности и спектры турбулентных пульсаций газового потока; пневмометрическим методом с помощью специальной трубки, измерялось распределение статического давления вдоль оси сепаратора. Эффективность очистки определялась массовым методом с помощью электронных лабораторных весов.
Достоверность полученных результатов подтверждается и обеспечивается использованием измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку, удовлетворительным согласованием полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов в сопоставимых условиях.
Научная новизна:
- Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных
закрученных течений.
Разработаны оригинальные пылепитатели для подачи механических частиц различной дисперсности и концентрации.
- Получены новые данные по структуре двухфазных турбулентных
закрученных течений в исследуемом ПЦС. Определены границы зоны
обратных токов в зависимости от длины вихревой камеры. Показано, что
режим течения в вихревой камере - турбулентный. На основе измерения
спектров турбулентных пульсаций подтверждена прецессия оси вихревого
течения в ПЦС. Показано влияние отскока частиц от стенки вихревой
камеры на эффективность очистки.
- Экспериментально определены оптимальные значения длины
вихревой камеры и ширины сепарационной щели ПЦС.
- Доказано, что перепад давления на сепараторе в пределах 40... 120
мм вод. ст. и концентрация частиц на входе в сепаратор в исследуемом
диапазоне 0,15...7,8 х10 мг/м практически не влияют на эффективность
очистки.
- Экспериментально доказано, что отсос газа из бункера сбора
частиц, исследуемого ПЦС, с последующей подачей его на выход
очищенного газа - нецелесообразен.
- Получены новые данные по влиянию размера механических частиц
на эффективность очистки газового потока в ПЦС.
- Разработаны и исследованы два оригинальных прямоточно-
центробежных сепаратора, позволившие повысить эффективность очистки
по сравнению с базовым ПЦС на 4,2 %.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании ПЦС для очистки газовых потоков от механических примесей. Научная и практическая значимость работы подтверждена актом об использовании результатов диссертационной работы в научно-производственном предприятии «Экоэнергомаш».
Положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования газодинамической структуры турбулентного закрученного потока в ПЦС: результаты измерения распределения статического давления и турбулентных характеристик вдоль оси вихревой камеры; размеры зоны обратных токов и др.
Результаты экспериментального исследования влияния отскока частиц от стенки вихревой камеры; концентрации частиц на входе в ПЦС и перепада давления в ПЦС на эффективность очистки.
Результаты исследования влияния отсоса газа из бункера сбора частиц на эффективность очистки исследуемого ПЦС.
Результаты исследования влияния размеров частиц на эффективность очистки ПЦС.
Личный вклад автора. Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных закрученных течений в устройствах очистки газа от механических примесей. Спроектированы и изготовлены два оригинальных пылепитателя - дозатора для подачи в газовый поток частиц разных размеров и концентраций. Проведены экспериментальные исследования двухфазного турбулентного закрученного потока в ПЦС. Результаты обобщены в виде графиков и таблиц. Разработаны и исследованы две новые конструкции ПЦС. Создано устройство для очистки газа (патент на полезную модель № 118876 от 29.09.2011).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:
- на XIX Всероссийской межвузовской научно-технической
конференции в Казанском высшем военном командном училище по
тематике "Электромеханические и внутрикамерные процессы в
энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и
методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий ", 12-
14 мая в 2007г.;
на III Международной научно-практической конференции в Казанском научно-исследовательском институте авиационной технологии по тематике "Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения" (ИТМ-2008), 17-19 сентября в 2008г.;
на VII Всероссийской научно-технической конференции в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королева по тематике "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", 21-22 октября в 2010г.;
на Международной молодежной научной конференции (XIX Туполевские чтения) в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева - КАИ по научному направлению «Физико-технические проблемы создания двигателей и энергоэффективных установок» по тематике "Конструкция и рабочие процессы в тепловых двигателях, энергетических установках и энергосистемах", 24-26 мая в 2011г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Из них: три тезиса доклада научно-технических и научно-практических конференций; две статьи опубликованы в рекомендуемых ВАК журналах; получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на
Обзор и анализ различных способов очистки газа от взвешенных в нем механических примесей
В настоящее время в литературе, патентах и рекламных справочных материалах имеется большое количество конструктивных решений пылеулавливающих устройств и комплексных очистительных аппаратов.
Все оборудование для очистки газа (воздуха) от взвешенных дисперсных частиц подразделяется на две категории: аппараты сухой очистки и аппараты мокрой очистки.
Группы и виды пылеулавливающего оборудования, использующие сухие методы очистки, по сущности происходящих в них физических явлений подразделяются на гравитационные (полые, полочные), инерционные (камерные, жалюзийные, циклонные, вихревые, ротационные), фильтрационные (тканевые, волокнистые, зернистые, сетчатые, губчатые) и электрические (однозонные, двузонные) [9, 13].
В работах [9, 13] циклоны причисляют к группе инерционных пылеуловителей, хотя в работе [56] их относят к группе центробежных пылеуловителей. Согласно работе [56] циклоны отличаются от инерционных уловителей тем, что в циклоне осуществляется многовитковое вращение потока.
В свою очередь аппараты для улавливания аэрозолей мокрым способом подразделяются на инерционные (циклонные, ротационные, скрубберные, ударные), фильтрационные (сетчатые, пенные), электрические (однозонные, двузонные) и биологические (биофильтр) [9, 13].
Имеются работы [57, 58, 59, 77, 78, 79, 80, 81] где описываются способы очистки газа от механических примесей при подготовке углеводородных газов и конденсатов в нефтяной промышленности. Необходимо отметить, что используемые методы удаления примеси из рабочей среды во многом сходны, что и при очистке воздуха на магистральных газопроводах газоперекачивающего оборудования (например, ГПА-16 "Волга").
Фильтрующие пылеуловители (тканевые фильтры).
Для тонкой очистки газов от твердых и жидких частиц применяют процесс фильтрования. Фильтрование заключается в пропускании загрязненной среды через фильтровальные перегородки (материалы), которые допускают прохождение газа, но задерживают механические примеси [68].
Тканевые фильтры применяются для улавливания сухих пылей любой концентрации, если имеется возможность регенерации фильтровальных материалов обратной продувкой, встряхиванием или в результате других механических воздействий от накопившегося пылевого слоя. Улавливающая способность может достигать более 99% и мало зависит от дисперсности улавливаемой пыли.
Из пылеуловителей, улавливающих пыль фильтрацией через пористые материалы, можно выделить рукавные фильтры.
Проанализируем схему самовстряхивающегося рукавного фильтра с автоматической продувкой (рис. 1.4).
Подлежащие очистке газы по трубе №1 поступают в нижнюю часть корпуса и через решетку со специальными штуцерами, на которые плотно одеты рукава, проходят через рукава из пористой ткани. Рукава подвешиваются на кронштейнах, позволяющих регулировать их натяжение. Скорость прохождения газов через поверхность рукавов небольшая и достигает всего 1-5 см/с. Так как отверстия в ткани рукавов невелики, то пыль (не менее 3 мкм) задерживается в них и откладывается на их поверхности. Воздух фильтруется как через ткань, так и через слой пыли. Очищенные газы попадают в камеру, а из нее по трубе №3 выбрасываются в атмосферу.
Но если слой пыли на рукавах будет слишком толстым, то сопротивление движению воздуха станет настолько большим, что вентилятор не сможет протягивать через фильтр нужное количество воздуха. Поэтому рукава периодически очищаются в процессе работы.
Следует отметить, что эффективность очистки данного фильтра будет разная, от минимальной до максимальной (по мере заполнения пылью фильтра). Один из способов очистки заключается в том, что часть рукавов, помещенных в одной камере, отключается от трубы №3 клапаном №2 и в камеру не поступает запыленный воздух.
Способ очистки рукавов в первую очередь зависит от материала, из которого они изготовлены. При температуре газов ниже 70С рукава могут быть изготовлены из хлопчатобумажной ткани, например, из сатина. При температуре газов до 95С широко применяются рукава из чистой натуральной шерсти, со специальной обработкой материала. Очищать такие рукава от пыли можно интенсивным встряхиванием.
В последние годы в целях использования рукавных фильтров для очистки газов с повышенной температурой (135, 180С) стали применять как в России, так и за рубежом искусственные ткани (лавсан - при температуре 135, нитрон - до 180, стеклоткань - до 315С). Такие «секущиеся» ткани можно очищать только путем обратной продувки, в процессе которой они несколько раз сжимаются и снова принимают цилиндрическую форму.
Дополнительные сведения по рукавным фильтрам, и патентно-конъюнктурный анализ мирового рынка пылеулавливающего и газоочистного оборудования подробно изложены в работе [50].
В процессе рассмотрения автором работ [3, 5, 6, 4, 8, 7, 9, 13] было выяснено, что тканевые фильтры рукавного типа имеют, как достоинства, так и серьезные недостатки. Достоинства: способность к регенерации; возможность работы фильтра при температурах до 315С, низкая стоимость фильтров. Недостатки: скорость прохождения газов через поверхность рукавов небольшая, всего 1-5 см/с; при увеличении слоя пыли на внутренней поверхности рукавов увеличивается гидравлическое сопротивление аппарата; требуется продувочный вентилятор; ткани, из которых создаются рукава, не выдерживают больших гидравлических нагрузок; подсосы в местах крепления рукава к решетке или в местах крепления решетки к корпусу аппарата загружают рукавный фильтр посторонним воздухом и вызывают повышение аэродинамического сопротивления фильтра; высокая чувствительность к влаге, при снижении температуры газов до точки росы происходит конденсация паров воды, в результате чего пыль, осевшая на фильтровальном элементе, увлажняется и замазывает поры фильтровального материала; необходимость периодической смены рукавов; относительно не большой срок службы фильтровальных элементов.
Электрические пылеуловители.
Проанализировав работы [3, 5, 4, 7, 9, 13] можно сказать, что электрофильтры применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической и целюлозно-бумажной промышленности, промышленности строительных материалов, стекольных заводах в топливно-энергетическом хозяйстве: для очистки обжиговых и отходящих газов из печей, сушилок электролитных и стеклоплавильных ванн, любых газов термических процессов, а также в цементной промышленности. Широкая применяемость этих фильтров объясняется и тем, что они могут работать при температурах газов до 250С и работают тем лучше, чем выше влажность газов.
Электро-пылеосадительная установка состоит из специальной подстанции с выпрямительным устройством, в котором создается постоянный ток с напряжением в 60 - 80 тысяч в, и электрофильтра, в корпусе которого расположены коронирующие и осадительные электроды.
Осадительные электроды имеют различную форму, но все они представляют поверхности, между которыми на параллельных им рамах натянуты проволоки коронирующих электродов. По существу электрофильтр представляет огромный электрический конденсатор, обкладки которого находятся под таким высоким напряжением, что на проволоках возникает коронный разряд. Коронирующие проволоки подключены обычно к отрицательному источнику тока, а осадительные - к положительному и заземлены. В качестве диэлектрика в этом «конденсаторе» служит газ, который необходимо очистить от пыли.
Получение смесей разной дисперсности
Наиболее важной характеристикой ПЦС является эффективность его очистки. Для определения эффективности очистки необходимо знать характеристику подаваемых частиц, а в частности их размер и форму.
Дисперсный состав пыли определяют на основе лабораторных исследований. Выбор метода определяется видом пыли, требуемой точностью, наличием соответствующего оборудования и др. [13].
Применяют следующие основные методы определения дисперсности состава пыли: ситовый анализ; седиментометрия; микроскопический анализ; центробежная сепарация [13].
Хотя ситовый анализ применяют, как правило, для исследования грубой пыли, в которой масса частиц менее 100 мкм составляет не более 10% согласно [13], в данном экспериментальном исследовании был применен именно он, потому, что имеющееся оборудование в лаборатории «КНИТУ-КАИ» им. А.Н. Туполева, а именно набор сит с металлическими сетками (рис.2.16) с размерами ячеек: 26, 40, 64, 94, 125, 160, 200, 250 мкм позволил с необходимой и достаточной точностью получить частицы механических примесей (описанных выше) нужной дисперсности. Все проволочные тканые сетки с квадратными ячейками имели сертификат качества и изготавливались из нержавеющих металлов и сплавов согласно ТУ 14-4-507-99, ТУ 14-4-167-91, ГОСТ 6613-86.
Получение частиц определенной дисперсности происходило путем просеивания смеси речного песка, речной гальки и оксида алюминия через сетки с разными размерами ячеек. Были получены восемь фракций частиц с размерами, лежащими в интервалах: 1-26, 26-40, 40-64, 64-94, 94-125, 125-160, 160-200, 200-250 мкм (рис.2.17, 2.18). Необходимо отметить, что микротальк не проходил процедуру просеивания и в экспериментах приравнивался к группе частиц в интервале от 1 до 26 мкм, так как согласно ГОСТу 19284-79 основная его часть частиц дисперсностью до 20 мкм составляла 90% и соответствовала вышеуказанному ГОСТу. Микротальк марки МТ-ГШМ согласно ГОСТу 19284-79 имеет следующее распределение частиц по размерам", менее 5 мкм -40%, от 5 до 10 мкм - 30%, от 10 до 20 мкм - 20%, от 20 до 45 - 9,5%, от 45 мкм до 56 мкм - 0,5% (рис.2.19, б).
Чтобы удостоверится, соответствуют ли частицы указанным размерам, частицы были рассмотрены под микроскопом ЛОМО-Биолам СП с 48-и кратным увеличением. Качественная картина частиц разной дисперсности под микроскопом представлена на рис.2.18.
Исследование турбулентной структуры течения
Исследование турбулентной структуры течения воздушного потока производилось на экспериментальном стенде (рис.3.6) с помощью многофункционального термоанемометра ИРВИС-ТА5.1. Подробное описание прибора и метода измерений дано в параграфе 3.1.1. Чтобы не оказывать влияние на структуру вихревого течения, датчик термоанемометра вводился со стороны торца завихрителя вдоль оси вихревой камеры ПЦС.
Измерения проводились без отсоса воздуха из бункера сбора примесей {тг1тх = 0) при следующих рабочих параметрах. Перепад давления на ПЦС был ДРП11С=60 и 120 мм вод. ст. Длина вихревой камеры по отношению к ее диаметру составляла l/d=\,5. Ширина сепарационной щели устанавливалась 2Ш=0,35.
На рис.3.7 представлена осциллограмма мгновенной скорости воздушного потока по времени для отдельно взятой точки, удаленной от торцевой стенки завихрителя на расстоянии X — 1,1. Значения мгновенной скорости измерялись на оси вихревой камеры. Видно, что течение характеризуется интенсивной пульсацией скорости воздушного потока и для данной точки находится в пределах 5...20 м/с.
На рис.3.8 изображен профиль осредненной скорости воздушного потока. Значения локальных скоростей воздушного потока измерялись вдоль оси вихревой камеры.
По данным осредненной скорости воздушного потока мы выделяем ЗОТ, которая находится в следующих пределах х — 1,1... 1,6 (рис.3.3).
В работе использовался однониточный термоанемометр и распознавание направление движения потока воздуха с помощью него, не представлялось возможным. Однако предполагалось, что на основе ранее полученных данных методом шелковинок и данных, полученных в программном пакете FLUENT о направлении движения потока и ЗОТ, значения скоростей были инвертированы в отрицательные.
Далее на рис.3.9 представлен график изменения степени турбулентности воздушного потока по координатам длины вихревой камеры. Измерение параметров производилось на оси вихревой камеры.
Измерения показали, что поток характеризуется высокой степенью турбулентности 30...35% (рис.3.9).
В заключение на рис.3.10 представлены спектры турбулентной энергии воздушного потока, которые измерялись вдоль оси вихревой камеры, на разных расстояниях от завихрителя при ДРПЦС=60 мм вод. ст. (рис.3.10, а) и при ДЛпкгТЗО мм вод. ст. (рис.3.10, б). Анализ спектров турбулентной энергии показал, что на некоторой резонансной частоте -1000... 1500 Гц возникает интенсивная пульсация скорости воздушного потока (рис.3.10, а, х=0,11 и рис.3.10, б, х=0,11), которая объясняется известным явлением - как прецессия оси вихревого течения [20].
Двухбункерный прямоточно-центробежный сепаратор
В качестве решения указанной проблемы в конце параграфа 4.1, предложена усовершенствованная схема ПЦС с рециркуляцией газа и двумя бункерами (рис.4.3).
Двухбункерный ПЦС имеет два бункера для сбора примесей, которые располагаются по концам вихревой камеры. Сквозной тангенциальный лопаточный завихритель располагается вблизи бункера противоположно сепарационной щели. Условно бункеры были разделены на основной бункер №1 (Б]), в котором оседает большая часть примесей, и дополнительный бункер №2 (Б2) в котором оседает примесь вышедшая как из вихревой камеры и завихрителя, так и из трубопровода рециркуляции газа.
Двухбункерный ПЦС был изготовлен в натуральную величину. Его фотография в составе экспериментального стенда представлена на рис.4.4.
В связи с замеченным явлением указанного выше, данная схема ПЦС была включена в общую схему устройства для очистки газа (рис.4.5) и была защищена авторскими правами [105].
Двухбункерный ПЦС работает следующим образом. Газ, содержащий примесь в виде твердых или жидких частиц, поступает в сквозной тангенциальный лопаточный завихритель 1. Далее приобретя крутку, направляется в вихревую камеру 2, где разделяется на два потока. Первый поток, в котором наибольшее количество примеси, движется по периферии вихревой камеры 2. Под действием центробежной силы происходит практически полное разделение фаз очищаемого газа. Второй поток, содержащий очищенную газовую фазу, движется в приосевой зоне вихревой камеры 2, выходит из нее через патрубок отвода очищенного газа 4 к потребителю газа (не указан). Взвешенная фаза, движущаяся спиральным потоком по периферии вихревой камеры 2, захватывается сепарационным кольцом 3 и затем под действием сил тяжести и инерции попадает в бункер №1 6 и там оседает. Незначительная часть газового потока, попавшая через сепарационное кольцо 3 в бункер №1 б, двигается в зону перепуска газа, откуда по изогнутой перепускной трубе 5 попадает в бункер №2 7. Через патрубок 8 происходит отсос перепускного газа из бункера №2 7 в вихревую камеру 2.
Так как в вихревой камере 2 газовый поток движется по спиральной траектории, то при выходе газа из завихрителя 1, в вихревой камере 2 образуется зона обратного течения газа. Под действием разрежения в зоне обратных токов, некоторое количество газа с примесью из завихрителя 1, двигаясь в обратном направлении относительно основного потока, также попадает в бункер №2 7. Так как скорость движения восходящих потоков в бункере №2 7 по сечению не велика, то примесь там оседает.
Перепускной газ, попавший в бункер №2 7 из бункера № 1 6 из-за разности давлений в них и частично очищенный закрученный поток газа, поступивший в бункер №2 7 из завихрителя 1, направляются в вихревую камеру 2 через патрубок 8, т. е. из зоны повышенного давления в зону пониженного давления, чем ликвидируется возрастание подпора в бункере №1 6, и кроме того, газ получает дополнительную очистку, проходя повторно через вихревую камеру 2.
Исследование двухбункерного ПЦС производилось как с рециркуляцией газа, так и без рециркуляции газа.
Приведём некоторые результаты, полученные экспериментально для ПЦС с двумя бункерами.
На рис.4.6 представлен график изменения эффективности очистки двухбункерного ПЦС от длины вихревой камеры при разных значениях ширины сепарационной щели.
Видно, что эффективность очистки достигает своего максимума 96,8% при значениях ширины щели 2h/d=0,35, и длины вихревой камеры l/d=l,5...2,0.
На следующем графике (рис.4.7) представлены результаты экспериментов эффективности очистки двухбункерного ПЦС с учетом ранее полученного оптимального случая при 2h/d=0,35, но с 10-ти процентной рециркуляцией газа. По полученным результатам видно, что рециркуляция газового потока положительно влияет на эффективность очистки, которая, при lld=2,5, достигалась 97,7%. Кривая эффективности на графике (рис.4.7) немонотонна. Она показывает периодический характер изменения r\ =f(l/d). Как выяснилось, такой характер изменения ц связан с отскоком частиц от стенки вихревой камеры. Максимальная эффективность очистки достигалась при I/d=2,5.
Отличие физического процесса данного сепаратора от исследованного ранее (базового) заключался в том, что появился еще один механизм сепарации частиц. Под действием центробежных сил поток разделился на две части: левую и правую (см. рис.4.3). Процесс сепарации в правой части аналогичен исследуемому ранее физическому процессу.
В левой части под действием центробежных сил периферийная часть закрученного потока устремляется в бункер №2 и затем резко разворачивается на 180 и возвращается обратно в сепаратор, в зону пониженного давления вблизи оси вихря. При этом происходит резкий поворот потока, при котором частицы не успевают "следить" за газом и по инерции попадают в бункер№2.
Эксперименты показали, что давление в бункере №2 меньше чем в бункере №1. Это позволило организовать рециркуляцию газовой смеси из бункера №1 в бункер№2. При этом эффективность сепаратора как показали эксперименты на пылегазовой смеси: АРЩС=60 мм вод. ст.; I/d=2,5; 2h/d=0,35; т2/іЩ = ОД; Й?4З=128 мкм повысилась с 94,4% до 97,7%.
Следует отметить, что в схеме на рис.4.8 рециркулирующий газ т2, несущий тонкодисперсные частицы, попадает в приосевую зону вихревой камеры, и с некоторой вероятностью частицы уносятся в патрубок отвода очищенного газа.
