Напорный гидроциклон (НГЦ)
Напорный гидроциклон
Напорный гидроциклон (НГЦ) представляет собой аппарат с неподвижным корпусом, в котором поток очищаемой воды закручивается при тангенциальном впуске (рис.1).
Исходная вода со взвешенными примесями после впуска через сопло движется в цилиндрической части корпуса по обычной спирали, а в конической части – по логарифмической спирали. При этом крупные взвешенные частицы под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам корпуса, сползают по ним и постоянно сливаются с водой через отверстие в вершине конуса(патрубок слива). Осветленная вода от вершины конуса поднимается в центре аппарата по спирали малого радиуса и отводится через центральный патрубок. Вода из отводного патрубка может выливаться в атмосферу или поступать под оставшимся напором в другие аппараты. За счет высокой скорости вращения воды в нижней части корпуса статический напор переходит в динамический и образуется разрежение, за счет которого через патрубок слива осадка подсасывается воздух, образуя воздушный ствол в виде усеченного конуса с большим основанием у выпускного отверстия. При создании противодавления на отводе осветленной воды (например, прикрывании задвижки) воздушный столб исчезает, но резко увеличиваются потери воды с осадком.
Общая скорость частицы в НГЦ будет складываться из следующих составляющих:
V – тангенциальная скорость,
VЦ — центробежная скорость,
U0 – гидравлическая крупность,
VВ – вертикальная составляющая скорости потока,
WП – пульсационная составляющая, препятствующая транспортировке частицы к стенке.
Диаграмма векторов скоростей приведена на рис.2
Рис.1 Напорный гидроциклон – схема.
Рис.2 Диаграмма скоростей в напорном гидроциклоне.
По высоте аппарата тангенциальные скорости у стенки распределяются по закону:
Vrn=const,
где r – радиус корпуса в сечении, n = 0,3-1,0.
Исходя из этого, в верхней части НГЦ будут задерживаться более крупные частицы, в нижней – взвеси помельче.
В каждом сечении в радиальном направлении тангенциальные скорости распределяются по формуле V=2?nr.
Эпюры распределения тангенциальных скоростей в НГЦ приведены на рис.3
Улучшения работы напорных гидроциклонов можно достичь снижением турбулентных пульсаций в зоне разделения суспензий (уменьшением ?П). Для этого применяются следующие методы и средства:
? уменьшение диаметра аппарата (не более 50мм),
? уменьшение сечения рабочей струи, что достигается уменьшением диаметра впускного отверстия при одновременном увеличении числа впускных сопел до двух или четырех для сохранения производительности,
? уменьшение угла конусности конической части,
? использование переменного угла конусности с уменьшением книзу (внутренняя поверхность рабочей камеры будет гиперболической),
? уменьшение шероховатости внутренних стенок (например, эмалированием),
? применение химических добавок (полимеров),
? акустическое и магнитное воздействия на поток.
Рис.3 Напорный гидроциклон – расчетная схема с эпюрами тангенциальных скоростей.
Минимальная гидравлическая крупность частиц, задерживаемых в гидроциклоне:
Uomin=15,33 kТD3/aQ, мм/с, (Формула 1)
где kТ=0,02?0,04 – коэффициент учета турбулентности, зависящий от диаметра аппарата;
a=0,45- коэффициент, учитывающий затухание тангенциальной скорости в гидроциклоне за счет трения о стенки;
D – диаметр гидроциклона, м;
Q – расход очищаемой воды, м3/с.
При среднем значении kT выражение (Формула 1) упрощается:
U0min=D3/Q. ( Формула 2)
Поскольку центробежная сила пропорциональна массе частицы, а следовательно размеру частицы в третьей степени, величина Р резко уменьшается с уменьшением крупности. На частицу с размером 1мм действует центробежная сила в миллион раз большая, чем на частицу размером 0,01мм (10мкм). Считается, что в напорных гидроциклонах задерживаются взвешенные частицы крупностью не менее 15 мкм. НГЦ предназначены для осветления воды, не обработанной коагулянтом.
Расчетная схема напорного гидроциклона приведена на рис.3
Основным геометрическим параметром является диаметр аппарата D. Высота цилиндрической части HЦ=2D. Высота конической части HК определяется по известным D и ?=15-20°.
Работа НГЦ зависит также от площади сопла (fС) и соотношения диаметров отводного (d0) и входного (dВХ) патрубков (d0/dВХ=0,75?2,11).
Давление на входе в напорный гидроциклон РВХ=0,15-0,40МПа, давление на выходе равно атмосферному или остаточному (Р0).
Потери напора в НГЦ ?Н=(РВХ-Р0)/?g.
Производительность НГЦ можно определить по формуле: (формула 3)
Величины, входящие в формулу – d0, dВХ, fС (м2), ?H (м) – расшифрованы выше.
Для конкретного гидроциклона формула 3 сводится к зависимости Q=f(PВХ), которая называется расходной характеристикой; ее графический вид показан на рис.4. Серийные гидроциклоны снабжаются паспортами с расходными графиками.
Рис.4 напорный гидроциклон – расходная характеристика .
При моделировании два напорных гидроциклона с различными геометрическими размерами считаются подобными, если при осветлении одинаковых суспензий в них задерживаются частицы с одинаковой гидравлической крупностью.
Из формулы 2 для натурного гидроциклона UОН=DН3/QН; для
модели с уменьшенным в ?=DН/DМ раз (? – масштаб моделирования,) размером UО.М=DМ3/QM=(DH/?)3/QM. Из равенства U0.H и U0.M получим DH 3/QH=DH3/?3QM, откуда
QM=QH/?3
В геометрически подобной модели
fC.M=fC.H/?2
Потери напора в модели гидроциклона
?HM=?НH/?2
Таким образом, в модели НГЦ, уменьшенной в ? раз, расход воды должен быть уменьшен в ?3 раз, а потери напора – в ?2 раз.
Ввиду малых размеров натурных НГЦ на практике редко возникает необходимость их моделирования.
Напорный гидроциклон – статья на сайте “студент-строитель.ру”