РОЗДІЛ 2
НАПРЯМ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ РУХУ ПОВІТРЯНИХ ПОТОКІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК ЦИКЛОНІВ
2.2. Напрями вдосконалення конструкцій циклонів
На роботу циклонів впливають різноманітні фактори. Факторами, що позитивно впливають на ефективність та гідравлічний опір циклона є:
1. Відведення частини очищеного повітря з циклона перед вихлопною трубою.
2. Зниження швидкості потоку повітря у вихлопній трубі.
3. Зниження радіального стоку в конічній частині циклона.
4. Зменшення перепаду статичного тиску в плоскому перерізі циклона.
Негативними факторами є:
1. Радіальний стік.
2. Вихрові потоки в просторі між вихлопною трубою та зовнішньою стінкою циклона.
3. Нестабільність потоку у приповерхневому шарі.
4. Турбулентний режим руху повітряного потоку в циклоні.
Основне технічне протиріччя, яке повинне бути вирішене при створенні нових конструкцій циклонів можна сформулювати наступним чином. Для того, щоб підвищити ефективність очищення пилогазового потоку в циклоні необхідно збільшити швидкість потоку повітря, що приводить до зростання відцентрових сил, які діють на частинку пилу. Одночасно зростання швидкості приводить до підсилення радіального стоку, збільшує кількість вихрових потоків та турбулізацію потоку, що знижує ефективність циклона. Крім того, при зростанні швидкості потоку зростають й енерговитрати на очищення. Спроби мінімізувати спад тиску суперечать намаганням підвищити ефективність вловлювання частинок. Будь-який критерій, спрямований на підвищення ефективності, пов'язаний зі зростанням енергетичних затрат.
Для формулювання напрямків вдосконалення конструкції циклона розглянемо рух потоку повітря в каналі при повороті на 90 градусів.
При русі потоку повітря по криволінійному каналу швидкості частинок потоку зменшуються зі збільшенням радіусу кривизни і, як наслідок, тиск поблизу внутрішньої стінки є меншим, ніж біля зовнішньої. Звідси випливає, що на початку криволінійного потоку поблизу внутрішньої стінки виникає конфузорна дільниця, а поблизу зовнішньої - дифузорна. З теорії приповерхневого шару відомо, що в дифузорній частині приповерхневий шар росте дуже інтенсивно, він є нестійким і може легко відірватися від стінки. Це явище є одним з основних причин турбулізації потоку повітря. Воно спостерігається в дифузорних областях криволінійного потоку. Схематично потік в коліні показаний на рис. 2.1 [75], звідки видно, що відриви є місцевими. Через те, що тиск поблизу зовнішньої стінки є більшим, ніж поблизу внутрішньої, вздовж бічних стінок, на яких швидкість близька до нуля, буде проходити перетікання потоку від зовнішньої стінки до внутрішньої, за рахунок чого утворюється парний вихор. Зі збільшенням градієнту тиску буде підсилюватися парний вихор, що є причиною виникнення радіального стоку.
Рис.2.1. Області відриву потоку в криволінійному каналі [75]
Вказані явища визначають природу втрат в криволінійному потоці, які складаються з втрат на тертя; втрат, пов'язаних з виникненням парних вихорів; і втрат, викликаних наявністю місцевих відривів потоку. Останні мають найбільшу відносну величину, а втрати на тертя складають найменшу долю загальних втрат.
Якщо використати даний висновок для руху потоку повітря в циклоні, то для зменшення втрат в циклоні передусім необхідно усунути місцеві аеродинамічні дифузори, які часто призводять до відривів приповерхневого шару, що значно турбулізує потік. Наступним кроком повинно бути зменшення інтенсивності вторинних потоків і тільки після цього потрібно шукати засоби зменшення сил тертя. Головна частина спаду тиску, близько 80%, це втрати в середині циклона на енергетичне розсіювання у в'язкому турбулентному обертальному потоці. Решта 20% втрат пов'язані з розсіюванням потоку на виході, розширенням на вході і тертям до стінки циклона.
Таким чином негативні фактори більшою чи меншою мірою пов'язані з наявністю приповерхневого шару.
Не зважаючи на детальний опис приповерхневого шару в циклоні в ряді джерел [10, 12, 64, 66, 76], не розроблено методів боротьби з його шкідливими проявами в циклонах.
На сьогоднішній день відомі наступні основні методи управління приповерхневим шаром [66, 70]:
- рух стінки в напрямі потоку;
- збільшення швидкості приповерхневого шару;
- відсмоктування приповерхневого шару;
- перехід потоку в приповерхневому шарі з ламінарного в турбулентний.
В [77] описана установка з зовнішньою стінкою, що обертається. Проте даний метод є надто незручний для широкого практичного використання, а одержаний виграш в енерговитратах незначний. Збільшення швидкості приповерхневого шару вимагає значних додаткових енерговитрат, а тому не може бути застосовано. Тому, як найбільш перспективний для подальшого вивчення був обраний метод відсмоктування приповерхневого шару.
Відсмоктування приповерхневого шару стабілізує його, а зменшення опору досягається при цьому в результаті попередження переходу ламінарного режиму потоку повітря в турбулентний [66]. Дія відсмоктування проявляється двояко. По-перше, відсмоктування зменшує товщину приповерхневого шару, а більш тонкий приповерхневий шар має меншу схильність до переходу в турбулентний стан. По-друге, відсмоктування створює в приповерхневому шарі такі профілі швидкостей, які мають більш високу границю стійкості, тобто більш високе критичне число Рейнольдса, ніж профілі швидкостей в шарі без відсмоктування [66].
При наявності відсмоктування критичне число Рейнольдса практично в 100 разів перевищує критичне число Рейнольдса без відсмоктування [66]. Потік в приповерхневому шарі зберігається при відсмоктуванні ламінарним не тільки завдяки зменшенню товщини шару, а також, і причому в значно більшій мірі, завдяки підвищенню границі стійкості для профілів швидкостей.
До позитивних наслідків відведення частини очищеного повітря з циклона слід віднести й те, що буде нейтралізований радіальний стік, який зароджується поблизу зовнішньої стінки циклона і за рахунок приєднаних мас вторинних потоків наростає до зна