Расчет циклона для очистки воздуха от пыли

РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ

Методические указания к выполнению практической работы

по дисциплине «Производственная санитария и гигиена труда»

для студентов специальности

280102 «Безопасность технологических процессов и производств»

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 2

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 3

3. РАСЧЕТ ПЫЛЕОСАДОЧНЫХ КАМЕР 5

4. РАСЧЕТ ЦИКЛОНОВ 8

5. РАСЧЕТ РУКАВНЫХ ФИЛЬТРОВ 15

6. РАСЧЕТ ЯЧЕЙКОВЫХ ФИЛЬТРОВ 18

Задание для выполнения практической работы 28

Пыль – это мельчайшие твердые частицы, которые могут находиться в воздухе в течение длительного времени во взвешенном состоянии.

Для расчета устройств очистки воздуха от пыли определяющими факторами являются происхождение и степень измельчения пыли.

По происхождению пыль классифицируется:

1. Органическая (растительная, животная, искусственная органическая)

2. Неорганическая (минеральная, металлическая)

3. Смешанная пыль.

По степени измельчения (дисперсности) различают следующие группы пыли (рис. 1):

I — очень крупнодисперсная пыль с характерным медианным размером d>150·10 -6 м (определяется при условии, что количество частиц крупнее или мельче указанного размера составляет 50%);

II — крупнодисперсная пыль с d= (40. 150) · 10 -6 м (например, мелкозернистый песок, синтетические моющие средства);

III — среднедисперсная пыль, у которой размер d= (10. 40) · 10 -6 м;

IV—мелкодисперсная пыль с d— (1. 10) · 10 -6 м (например, сахарная пудра);

V — очень мелкодисперсная пыль с d -6 м.

Рис. 1 Классификационная номограмма пылей по их дисперсности:

I. V— классификационные группы пылей по их дисперсности; 1 — уголь, измельченный в шаровой мельнице; 2— мелкозернистый кварцевый песок; 3— пылевидный кварц; 4— цемент; 5— дым мартеновских печей; 6— атмосферная пыль

Пыль может оказывать различное действие на организм: раздражающее, аллергическое, фиброгенное, токсическое. Характер действия пыли на организм зависит от физико-химических свойств пылевых частиц.

Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от количества вдыхаемой пыли, от степени дисперсности, от формы частиц, от степени твердости, электрического заряда, растворимости и от химического состава пыли.

Содержание пыли в воздухе производственных помещений не должно превышать предельно-допустимых концентраций (ПДК), установленных нормами ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Универсальных пылеулавливающих устройств, эффективно задерживающих любой вид пыли при различных ее концентрациях, не существует. Поэтому по степени очистки загрязненного воздуха все пылеулавливающие устройства делят на три группы:

грубой очистки с коэффициентом эффективности пылеулавливания η, изменяющимся в пределах от 50 до 70 % (простые пылеосадочные камеры, циклоны больших размеров и др.);

средней очистки с η = 70. 90 % (лабиринтные пылеосадочные камеры, циклоны, ротационные пылеуловители и др.);

тонкой очистки с η = 90. 99,9 % (ячейковые, рукавные, электрические, мокрые, пенные аппараты и др.).

Основные характеристики пылеуловителей: пропускная способность (м 3 /ч, м 3 /с); общий коэффициент очистки воздуха, или общая эффективность пылеулавливающего аппарата (%); фракционный коэффициент очистки, который выражает эффективность работы аппарата по отношению к отдельным фракциям пыли (%); пылеемкость (кг), или удельная пылеемкость (кг/м 2 ); гидравлическое сопротивление (Па), представляющее собой разность полных давлений на входе в аппарат и на выходе из него, а также ряд экономических показателей.

Общий коэффициент очистки воздуха пылеуловителей, %,

(1)

где G_вх, G_ул, G_ун — масса пыли, соответственно поступившей в пылеуловитель с загрязненным воздухом, уловленной в нем и унесенной с уходящим воздухом, кг/ч:

где с_вх, , с_вых — концентрация пыли в воздухе соответственно на входе в аппарат и на выходе из него, мг/м 3 ;

Q – объем очищаемого воздуха, м 3 /ч.

G_ул определяют путем взвешивания осажденной в аппарате пыли.

3. РАСЧЕТ ПЫЛЕОСАДОЧНЫХ КАМЕР

В пылеосадочных камерах пылевые частицы отделяются от воздуха под действием силы тяжести (рис. 2). Такие камеры чаще всего применяют для грубой очистки воздуха, загрязненного крупнодисперсной пылью с размером частиц более 10 -4 м. У простых камер степень очистки обычно находится в пределах 50. 60 %, а у лабиринтных достигает 85. 90 %. К преимуществам пылеосадочных камер относятся небольшое сопротивление, простота устройства и эксплуатации.

Так как масса пылевых частиц очень мала, скорость их осаждения также невелика. Поэтому скорость движения воздуха υ по длине камеры в горизонтальном направлении выбирают из условия обеспечения ламинарного режима течения. Для этого необходимо, чтобы

(2)

где l, h — соответственно длина и высота пылеосадочной камеры, м;

υ₄ — скорость витания частиц пыли, м/с.

Как правило, значения скорости v движения воздуха в камере должны быть в пределах 0,2. 0,5 м/с.

Рис. 2 Пылеосадочные камеры: а – простая; б – лабиринтная

Расчет пылеосадочных камер проводят в такой последовательности. Сначала задают минимальные размеры пылевых частиц, которые необходимо уловить в пылеосадочной камере, и по номограмме (рис. 3) находят скорость их витания υ_ч, м/с. Скорость витания пылевых частиц сферической формы диаметром до (5. 6) × 10 -5 м при выполнении условия 0 3 ;

µ — динамическая вязкость среды, Па × с.

Динамическую вязкость среды выбирают в зависимости от ее температуры t, 0 С

Расчет циклона для очистки воздуха от пыли

Циклоны конструкции НИИОГАЗ имеют диаметр от 40 до 800 мм. Они пригодны для очистки газов с содержанием пыли не более 400 г/м 3 и при температуре до 400 0 С.

Газоочистительные установки, состоящие из циклонов конструкции НИИОГАЗ, применяются для улавливания пыли из газов при нагрузках по запыленному газу от 20 до 50 000 м 3 /ч.

Пример 1. Выбрать циклон для очистки от пыли отходящих газов барабанной сушилки, если расход газов V = 6500 м 3 /ч; плотность газов ρ = 0,96 кг/м 3 .

Решение. Принимаем к установке циклон конструкции НИИОГАЗ типа ЦН-15. Для циклонов этого типа рекомендуются следующие оптимальные соотношения перепада давления Δp (в Па) к плотности газа ρ (в кг/м 3 ): Δp/ρ = 550…750.

Принимаем Δp/ρ = 700. Коэффициент сопротивления циклона ζ = 105. Определяем диаметр циклона, приравнивая два выражения для скорости газа в корпусе циклона:

.

Отсюда D = 0,79 м. Устанавливаем циклоны D = 0,80 м.

Фиктивная скорость газа в циклоне

м/с.

Определяем гидравлическое сопротивление циклона

Па.

Пример 2. Рассчитать батарейный циклон для улавливания пыли из газа, количество которого Q = 4,17 м 3 /с, плотность газа ρ = 0,8 кг/м 3 .

Решение. Выбираем батарейный циклон с элементами диаметром D = 150 мм (завихряющее устройство – винт), коэффициент сопротивления элемента ζ = 90.

Принимаем отношение перепада давления в циклоне к плотности газа Δp/ρ = 650 (для эффективной работы циклона это отношение должно быть в пределах 550…750).

Рассчитываем производительность одного элемента по запыленному газу:

.

Требуемое количество элементов циклона составляет

.

Согласно каталогу на батарейные циклоны принимаем количество элементов n = 64.

Определяем гидравлическое сопротивление циклона:

Δp = 650 · ρ = 650 · 0,8 = 520 Па.

Пример 3. Рассчитать циклон для выделения частиц сухого материала из воздуха, выходящего из распылительной сушилки, по следующим данным: наименьший размер частиц 80 мкм, расход воздуха 2000 кг/ч, температура 100 0 С.

Решение. Для улавливания частиц материала размером 80 мкм выбираем циклон типа ЦН-15.

Принимая Δp/ρ_г = 740, диаметр циклона найдем по формуле

,

предварительно определив условную скорость газа в цилиндрической части циклона w_ц из уравнения

,

где ζ = 160 (табл. П3.1):

м/с.

По уравнению Клапейрона плотность воздуха:

кг/м 3 ,

где ρ = 1,293 кг/м 3 – плотность воздуха при нормальных условиях: T = 0 0 C = 273,15 K и
p = 760 мм рт. ст. = 101325 Па (в рассматриваемом случае p = p = 101325 Па).

м.

Принимаем диаметр циклона равным 0,5 м.

Гидравлическое сопротивление циклона:

Па, т.е. 72 мм. вод. ст.

Циклоны для очистки воздуха от пыли

Владельцам небольших мастерских и просто домашним мастерам часто приходится сталкиваться с проблемой очистки воздуха после интенсивных работ по обработке древесины, шлифовке металлических поверхностей и т.д. Обычная вентиляция помещения тут не поможет, потребуется смонтировать специализированное оборудование. При известных навыках его можно сделать и своими руками.

Назначение и характеристики циклонов

Циклон представляет собой специализированную воздухоочистительную установку (хотя подобные агрегаты применяются также в качестве стружкоотсосов, опилок и иных средств для удаления отходов).

В качестве воздухоочистителей промышленные конструкции циклонов должны обеспечивать отсос и пылеудаление с эффективностью не ниже 85…90%, при пылеудалении фрагментов с размерами не менее 10…12 мкм. Они оснащаются различной конструкции фильтрами. Наиболее эффективны электрофильтры, благодаря которым одновременно производится снятие зарядов статического электричества с частиц пыли.

Принцип действия циклона заключается в следующем. В улиткообразное входное пространство циклона с большой скоростью (до 20 м/с) поступает воздух, для чего обычно используются вентиляторы. Воздух, содержащий частички пыли, закручивается, после чего поступает в коническую полость аппарата. Особенности геометрического строения циклона обуславливают постепенное увеличение скорости воздушного потока, содержащего пыль и иные отходы. В процессе этого происходит самоотделение более тяжёлых частиц пыли от более лёгких. Первые оседают на дно, а вторые, перемещаясь в конусообразном пространстве, попадают в пылесборник, откуда их уже легко удалить с помощью ведра или герметичного контейнера. Очищенный воздух через трубу удаляется в атмосферу.

Количество циклонов, в зависимости от требований к качеству пылеудаления, можно сделать разным: встречаются группы из трёх, четырёх и даже восьми одиночных циклонов.

Эксплуатационные требования к циклонам включают в себя следующие параметры:

1. допустимую дисперсность частиц, которые поступают в циклон, мкм.
2. эффективность процесса, которая выражается в предельной весовой концентрации частиц после пылеудаления, в г/мм 3 ;
3. производительность циклона, в м 3 /ч;
4. граничная температура воздуха или газа, поступающего в раструб циклона (более характерно для систем газоочистки, чем пылеудаления) – обычно до 400…600 °C;
5. внутренний диаметр циклона, мм.

Кроме чисто конструктивных требований, предъявляются ещё и условия качественной установки воздухоочистных аппаратов. Например, при превышении зазоров в соединениях воздуховодов часто происходит подсос воздуха, при котором производительность отделения пыли от воздуха резко снижается. Допустимая величина подсоса не должна быть более 6…8%.

Циклоны выполняют не только удаление пыли из окружающего воздуха, но могут также обеспечивать подачу чистого воздуха в помещение.

Конструкция бытового циклона

Универсальных циклонов для выполнения различных очистных операций нет. Например, стружкоотсос должен иметь повышенную прочность стенок трубы, что предотвратит преждевременный износ. Относительно циклона, предназначенного для сбора и удаления опилок, важно предусматривать минимальные потери во всасывающих воздуховодах. Предусматривая циклон для целей очистки воздуха от цементной пыли, возникающей в строительных работах, особое внимание уделяют конструкции фильтров.

Принцип работы циклонного пылеуловителя

В бытовых условиях наиболее универсальными считаются циклоны, очищающие воздух от крупнодисперсной пыли. Изменяя конструкцию фильтров, такие аппараты можно сделать для целей пылеудаления, в качестве стружкоотсоса, для очистки воздуха от опилок в деревообрабатывающей мастерской (например, у действующей пилорамы).

Составными частями такого агрегата являются:

• корпус – включает в себя коническую и цилиндрическую части, причём преимущественное влияние на качество процесса оказывает форма именно конической части;
• патрубок – один или несколько, куда поступает исходный загрязнённый воздух;
• выхлопная труба, предназначенная для отвода очищенного от пыли воздуха;
• входной фильтр (или их система) в качестве стружкоотсоса;
• приёмное ведро;
• приводной электродвигатель;
• вентилятор.

Устройство циклонного пылеуловителя

Все перечисленные детали/узлы можно приобрести, либо сделать своими руками.

Результат работы циклона

Выбор электродвигателя

Поскольку самодельный циклон устанавливается в мастерской, то главным параметром двигателя является его мощность и количество оборотов ротора. При наличии вентилятора мощность двигателя особого значения не имеет, поскольку частицы пыли всё равно в работающий станок, пилораму и т.п. попадать не будут. Тем не менее, мощность и диаметр улитки циклона должны быть взаимоувязаны между собой. При диаметре колеса улитки до 300…350 мм вполне подойдёт высокооборотистый (обязательно!) двигатель до 1,5 кВт. При меньших диаметрах мощность может быть ниже, однако снизится и производительность очистки. Поэтому при наличии в мастерской металлообрабатывающего станка принимают двигатель от 1 кВт.

Мощность электродвигателя существенно увеличивается, если планируется обустроить своими руками самодельное устройство за пределами помещения. Свободного места прибавится, но эффективность очистки снизится, в основном, из-за потерь в воздуховодах. Также стоит отметить, что в холодную пору года такой самодельный циклон будет эффективно «вытягивать» тепло из мастерской.

Удачным вариантом следует признать покупку электродвигателя в комплекте с приёмной улиткой, номер которой определяет потребительские возможности самодельной системы очистки воздуха. Наиболее распространённые для бытового применения параметры улиток и рекомендуемых к ним электродвигателей приведены в таблице:

Системы поставляются с резиновыми виброизоляторами. Они способны создавать рабочее давление от 0,8 кПа и выше.

Выбирая (либо изготавливая своими руками) улитку, предпочтение необходимо отдать радиальной схеме воздухозабора, чем тангенциальной.

В последнем случае для самодельной улитки возрастают непроизводительные потери, а инерционность способа отбора частиц для варианта со стружкоотсосом окажется весьма низкой.

Выбирая двигатель, необходимо учитывать, что скорость движения воздуха в устройстве не может быть меньше 2,5…3 м/с. При неудовлетворительной очистке элементы самодельного циклона как стружкоотсоса (фильтр, ведро) быстро забиваются стружкой, опилками и другими мелкими отходами.

Изготовление элементов циклона

На специализированных форумах сети Интернет можно найти чертежи всех составляющих агрегата, которые доступны для того, чтобы сделать их своими руками. Из подручных средств часто производится переделка бытового (а лучше – промышленного) пылесоса. Дополнительно необходимы:

• комплект шлангов из полупрозрачного гофрированного материала (это облегчит визуальный контроль за осевшими внутри частицами пыли). Для стружкоотсоса практичнее резиновые шланги;
• звукоизолирующая коробка, которая будет выполнять две функции – обеспечит снижение уровня шума в мастерской, и дополнительную защиту всех находящихся там станков и электроинструментов от периодически накапливаемого пылью статического электричества. С этой целью коробку можно сделать своими руками из фанеры, а изнутри отделать любого типа звукоизолятором;
• воздуховоды для очищенного воздуха: собираются своими руками из тонкого алюминиевого листа, и соединяются между собой фальцами;
• ёмкость для сбора отходов – можно изготовить из обычного строительного ведра вместимостью от 20 л, которое при помощи гофрорукава герметизируется с корпусом самодельного циклона;
• фильтр (можно использовать фильтр от грузовых автомобилей), который устанавливается на выходном патрубке.

Переделанный своими руками для нужд пылеудаления пылесос проверяют: сначала на холостом ходу, прогоняя через систему обычный воздух, а потом уже с подключением пылесоса к работающему станку.

Расчет циклона для очистки воздуха от пыли

Циклоны ЦН-15У

Циклоны ЦН-15У предназначены для сухой очистки газов от невзрывоопасной и неслипающейся пыли. Эти циклоны применяют для очистки воздуха в различных отраслях промышленности. При использовании циклонов для очистки газа или воздуха, содержащую абразивную пыль, рекомендуется предусматривать в местах, подвергающихся износу, приварку стальных дополнительных листов с наружной стороны. Циклоны устанавливают как на всасывающей, так и на нагнетательной стороне вентилятора. При абразивной пыли циклоны рекомендуется ставить перед вентилятором. Циклоны ЦН-15У отличаются от других циклонов ЦН меньшей высотой.

Расчет циклона

Вид пыли — дрожжевая (кормовые дрожжи).

1) количество очищаемого газа при рабочих условиях

Q_р = 13800 м 3 /ч = 3,834 м 3 /с;

2) плотность газа при рабочих условиях с_г = 1,3 кг/м 3 ;

3) динамическая вязкость газа при рабочей температуре м_t = 22,2*10 -6 Па·с;

4) дисперсный состав пыли, задаваемый двумя параметрами d_m = 5 мкм и lg у_ч = 0,352;

5) запыленность газа С_вх = 23 г/м 3 ;

6) плотность частиц с_ч = 1340 кг/м 3 ;

7) требуемая эффективность очистки газа з = 70 %.

Расчет циклонов производится методом последовательных приближений в следующем порядке (по «Справочнику по пыле- и золоулавливанию» под общ. ред. Русанова А.А.).

1. Задавшись типом циклона (ЦН-15У), по таблице 2.8 определяем оптимальную скорость газа в аппарате щ_опт = 3,5 м/с.

2. Определяем необходимую площадь сечения циклона, м 2 :

3. Определяем диаметр циклона, задаваясь количеством циклонов N=2, м:

Диаметр циклона округляем до значения, указанного в таблице 2.2.

В данном случае D = 0,8м.

4. Вычисляем действительную скорость газа в циклоне, м/с:

Скорость газа в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15%.

5. Принимаем по таблице 2.10 коэффициент гидравлического сопротивления, соответствующий данному циклону: .

К₁ — поправочный коэффициент на диаметр циклона, определяемый по таблице 2.11:

К₂ — поправочный коэффициент на запыленность газа, определяемый по таблице 2.12:

К₃ — коэффициент, учитывающий дополнительные потери давления, определяемый по таблице 2.13:

6. Определяем потери давления в циклоне, Па:

7. Приняв по таблице 2.8 два параметра, характеризующих эффективность выбранного типа циклона, определяем значение параметра d₅₀ при рабочих условиях (диаметр циклона, скорость потока, плотность пыли, динамическая вязкость газа) по уравнению:

8. Определяем параметр Х по формуле:

9. Определяем по таблице 1.11 значение Ф(Х), представляющее собой полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях:

10. Фактическая степень очистки, %:

Для ориентировочных расчетов необходимо значениеиспользуется следующая зависимость:

где индекс 1 — относится к расчетным, а индекс 2 — к требуемым значениям параметров циклона.

Для проектирования и построения циклоны необходимы размеры. Для получения размеров используем табл. 2.1 “Соотношение размеров (в долях внутреннего диаметра)”, мм:

Внутренний диаметр выхлопной трубы d — 472;

Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия d₁ — 240;

Ширины входного патрубка в циклоне на входе (внутренний размер) b₁ — 160;

Длина входного патрубка l — 480;

Диаметр средней линии циклона D_ср — 640;

Высота установки фланца h_фл — 80;

Угол наклона крышки и входного патрубка циклона б — 15 0 ;

Высота входного патрубка а — 528;

Высота выхлопной трубы h_т — 1200;

Высота цилиндрической части циклона H_ц — 1208;

Высота конуса циклона H_к — 1200;

Высота внешней части выхлопной трубы h_в — 240;