Файл: Пирумов, А. И. Обеспыливание воздуха.pdf

няются в соответствии с законом площадей — скорость перифе­ рийных слоев уменьшается, а скорость ‘центральных слоев уве­ личивается. В точке М (см. рис. 1.2) скорость потока равна его начальной скорости w0. Можно считать, что перестройка потока

сравнительно медленнее. В силу этого в начальный момент вре­ мени t —О можно принять vc= w 0—w(R0).

В соответствии с указанным, в правой части потока, пред­ ставленного на рис. 1.2, скорость vc направлена к его пери­ ферии. Легко убедиться, что вектор mdvc/dt направлен в ту же сторону, что и вектор центробежной силы, хотя не всегда пол­ ностью совпадает с ним. Слева от точки М эта сила обращена к центру потока.

Вектор, представленный третьим членом уравнения (1.16), всегда совпадает по направлению со скоростью w; он пред­ ставляет собой реакцию частицы, переходящей во все более замедленные слои, на тормозящее влияние среды.

Четвертый член уравнения представляет собой силу Корио­ лиса. В рассматриваемом случае она направлена также к периферии потока.

Сепарация частиц на начальном участке движения. Расчет сепарационного движения частиц в криволинейном канале мо­ жет быть произведен с помощью ЭВЦМ1.

Схема потока представлена на рис. 1.2. В неподвижной сис­

1 В работе [75] уравнение (1.15) решалось приближенно с помощью разложения функции в степенной ряд и введения некоторых упрощений.

24

Рис. 1.4. Траектории в криволинейном потоке

/ — частиц крупностью 20 мкм; 2 — то же, 60 мкм; 3 — то же, 150 мкм; 4 — то же, 60 мкм по упрощенному р асч ет

Как видно из рис. 1.4, траектории частиц представляют собой спирали с последовательно убывающими приращениями полярного радиуса, т. е. асимптотически приближающиеся к

25

тории частиц искривлены меньше, чем в области ау>ш0. Каи и следовало ожидать, чем крупнее частица, тем меньше искрив­ лена ее траектория. График позволяет оценить возможности циклонной сепарации. Частицы крупностью 20 мкм и меньше,, входящие в циклон на расстояние более Vs радиуса от его на­ ружной стенки, должны совершить более двух оборотов в сво­ ем спиральном нисходящем движении, чтобы достигнуть этой стенки. Между тем, продолжительность пребывания частицы в циклоне может не удовлетворять этому условию.

Анализ уравнений (1.17) приводит к ряду интересных выво­ дов. Прежде всего перейдем от декартовых координат к поляр­ ным, введя в уравнения значения первых и вторых производ­ ных от координат x=Rcosq> и r/=Psincp. После преобразований получим:

ном случае это произведение представляет собой тангенциаль­ ную составляющую скорости движения частицы, т. е.

циальная составляющая скорости движения частицы стремится к тангенциальной составляющей скорости воздушного потока, что в пределе приводит к квазистацйонарному состоянию дви­ жения. Оно достигается тем скорее, чем меньше время релаксаот нуля, является участком нестационарного движения частицы, в пределах которой значение е ~*1х еще существенно отличается от нуля, является участком нестационарного движения частицы, т. е. начальным участком. Длина этого участка различна для

Расчеты показали, что для частиц размером 5 мкм и более длина начального участка соизмерима с общей протяженностью пути, проходимого частицей в циклонных аппаратах.

2S

Отметим, что из выражений (1.18) и (1.20) имеем:

Сепарация частиц за пределами начального участка движе­ ния. В этом случае время t достаточно велико и уравнение

(1.22) принимает вид [96, 119]

быть решено в элементарных функциях. Принимая обозначение dR/dt— vR, приведем уравнение (1.22) к следующему виду:

В фазовой плоскости (R, vR) уравнение (1.24) представляет собой изменение углов наклона касательных к кривой vR в за­ висимости от R (рис. 1.5). Очевидно, что значение dvR/dR = 0 соответствует максимуму скорости vR. Из уравнения (1.24) в этом случае имеем:

Уравнение (1.26) представляет собой кубическую гиперболу, на которой расположена точка, соответствующая максимально­ му значению vR, т. е. точка максимума функции vR= f(R).

Отбрасывая в порядке первого приближения первый член в

уравнении (1.23), получим равенство

Ь2

совпадающее с уравнением (Ы 0), поскольку vc—vR. Очевидно, что на рис. 1.5 уравнение (1.27) представляет собой кривую 1, а

27

ее участок в области между значениями Ям и R2 дает величины скорости vr, принимаемые при пользовании формулами типа (1.10) для расчетов сепарации. Действительная величина ско­ рости определяется кривой 2, а погрешность расчета оценивает­ ся площадью, заключенной между кривыми 1 и 2.

частиц для рассмотренного выше течения. Положение частицы

Вычисленная для частицы размером 60 мкм при Яо— 0,2 м траектория нанесена на рис. 1.4 (кривая 4) для возможности сопоставления ее с приведенными на том же графике более точными траекториями частиц. В то время как истинные тра­ ектории на всем протяжении отклоняются от прямой первона­ чального движения в направлении течения, т. е. частицы как бы «сдуваются» потоком, траектории, построенные по упрощенной формуле, отклоняются в противоположную сторону. Такой характер движения не может быть объяснен действием какихлибо физических факторов. Он, несомненно, является следстви­ ем того, что величина членов дифференциального уравнения, отброшенных при составлении упрощенной формулы, соизмери­ ма с величиной оставленных членов, т. е. настолько велика, что их игнорирование приводит не только к количественным, «о и к качественным погрешностям.

С уменьшением т вносимая погрешность пропорционально уменьшается, однако остается существенной. Приближение к истинному значению vR можно получить, подставляя в уравне­ ние (1.23) его величину по выражению (1.27). После преобразо­ ваний получим в качестве второго приближения

х № 3 t 3 fe4

vi r —

Аналогично можно получить последующие приближения. Расчеты показали, что для рассмотренного примера вблизи значения Я2 второе и третье приближения достаточно точно оп­ ределяют величину vR, однако в области между значениями Ям и Я* истинные значения скорости таким путем получить нельзя.

28

На рис. 1.5 показано изменение скорости движения части­ цы, вошедшей в поток в равновесной точке М. Для других час­ тиц фазовая картина изменения vR отличается расположением гипербол 1. Из рис. 1.5 следует, что выражениями типа (1.10) можно пользоваться для оценки величины радиальной состав­ ляющей скорости движения частиц за пределами начального участка, а для мелких частиц — вблизи наружных стенок. Рас­ считывать с их помощью траекторию частиц и соответственно «минимальные диаметры» сепарирующихся частиц нельзя, так как при этом вместо истинной скорости vR, изменяющейся по кривой АВ, принимаются значения скорости по кривой А'В'У намного большие на участке Rm R*.

Сепарация пыли в пограничных областях турбулентных потоков

Сепарация пыли вблизи границ потоков отличается рядом особенностей, обусловленных закономерностями распределения поперечных пульсаций скоростей турбулентных потоков. Из­ вестно, что средней части потока, удаленной от его твердых границ и отличающейся постоянством распределения скорос­ тей, свойственна более или менее изотропная турбулентность,, т. е. здесь среднеквадратичные пульсации скоростей одинаковы во всех направлениях. Если выделить мысленно в этой части потока, например горизонтального, горизонтальную площадку, то вследствие существования поперечных пульсаций скоростей через эту площадку будет происходить перенос объемов воздуха как сверху вниз, так и снизу вверх. Количество воздуха, пере­ мещающегося в противоположных направлениях, должно быть совершенно одинаковым, так как в противном случае в верхней либо в нижней части потока образовались бы -пустоты, что не­ возможно.

Рассмотрим движение частицы, находящейся в потоке, вблизи выделенной площадки. Очевидно, что такая частица бу­ дет вовлечена в пульсирующее поперечное движение, при этом в тем большей мере, чем меньше ее размеры и масса. Степень увлечения частицы размером 1 мм (при плотности, равной 1) составляет всего 2%, но частица размером 100 мкм увлека­ ется на 70%, а частица размером менее 30 мкм — практически полностью [ПО].

Частица, перенесенная, например, из слоя, расположенного под площадкой, в слой, расположенный над площадкой, в дальнейшем может быть вновь перенесена под площадку либо унесена в верхнюю часть потока. Так как движение обмени­ вающихся объемов воздуха хаотично и определяется случай­ ными причинами, движение частиц подчиняется статистическим закономерностям. Если распределение частиц по вертикальному сечению потока было равномерным, то при отсутствии внешних

2»