Циклонные аппараты

В связи с незначительным временем нахождения частиц дисперсного материала в пневматической трубе-сушилке не всегда удается достичь низкого конечного значения влагосодержания обрабатываемого материала. Для увеличения времени пребывания частиц в зоне сушки стремятся уменьшить скорость их движения. Интенсификация внешнего тепломассообмена происходит благодаря увеличению относительной скорости движения частиц материала и агента сушки. Самым простым способом притормозить дисперсный материал являются циклонные аппараты, в которых организуется вращательное движение агента сушки и материала. Частицы продукта одновременно с потоком агента сушки попадают в тангенциальный патрубок и почти моментально оказываются уже на внутренней поверхности аппарата. Основное время своего пребывания в циклоне частицы материала движутся по его внутренней стенке.

Полученные данные по движению газов в цилиндрических камерах свидетельствуют о том, что тангенциальная скорость газа в зоне около стены убывает обратно пропорционально текущей величине радиуса вращающегося потока. В центральной зоне положено иное. Там окружная скорость пропорциональна расстоянию от оси цилиндрической камеры. Так же замечено, что существуют осевой и обратный ток газа. Тангенциальная скорость газа в циклонной камере имеет наибольшую величину, значения осевой и радиальной невелики. Из недостатков циклонных аппаратов стоит выделить потерю начального момента количества движения потока агента сушки и материала после входа в камеру. Происходит трение частиц дисперсного материала о стенку, а газовый поток трется и о стенку, и о материал. В результате этого  тангенциальные скорости движения фаз и крутка потока сокращаются; для удерживания материала на внутренней стенке центробежных сил криволинейного движения частиц становится недостаточно,  поэтому они под силой тяжести могут упасть вниз. Это значительно сокращает время нахождения материала в циклонном аппарате.

Проанализировать движение частиц дисперсного материала в циклоне проблематично из-за действующих на них сил. При криволинейном движении частиц центробежная сила прижимает их к внутренней стенке аппарата. В свою очередь со стороны стенки действует центростремительная сила. Данные силы направлены по радиусу кривизны траектории движения частиц в каждой ее точке. По направлению движения частицы испытывают влияние сил трения со стороны стенок. Величина их зависит и от коэффициента трения, и от давления на стенку частицы. Коэффициент трения зависит от свойств и формы частицы, а также состояния стенки циклона.

Частица испытывает влияние сил гидродинамического сопротивления от потока агента сушки. В данном случае условия обтекания частиц, которые находятся на стенке циклона, не отвечают условиям обтекания безграничным потоком или стесненного обтекания в потоке. В результате наблюдений было замечено, что частицы, движущиеся по внутренней стенке циклонных аппаратов, имеют траекторию движения в виде ленты, которая имеет спиралевидную форму и переменный по высоте установки шаг. Внутри этой ленты частицы механически взаимодействуют между собой.

Движение агента сушки в циклоне тоже гораздо сложнее, чем в вертикальной трубе-сушилке. В циклонном аппарате на вошедший поток оказывает действие центростремительная сила со стороны стенки и центробежная сила инерции движения потока. Кроме того, происходит обмен импульсом вращательного движения вращающегося потока газа с потоком материала. Таким образом, заранее задать гидродинамические параметры потока агента сушки внутри циклона нельзя, но их нужно определять при решении гидродинамической задачи.

Сложность проведения анализа внешнего тепломассообмена агента сушки и частиц в циклоне связана с тем, что поступающий поток агента сушки полностью не фильтруется через материал.

Из-за сложности тепломассобменной и гидродинамических ситуаций внутри циклонных аппаратов довольно затруднительно сформулировать и решить задачи сушки.

Гидродинамическую модель движения материала и агента сушки в первом приближении строят на основе уравнения изменения количества движения отдельной частицы с переменной массой m_ч:

,

(1)

                 
здесь - сила тяжести; - суммарная сила Архимеда в поле центробежных сил и сил тяжести; - гидродинамическое сопротивление со стороны агента сушки; - сила реакции стенки циклона в направлении нормали; - сила трения частицы о стенку аппарата.

Векторное равенство записываются в координатах  . При этом полагаются известными и постоянными коэффициенты гидродинамического сопротивления частиц потоку агента сушки и трения о внутреннюю поверхность циклона.

При составлении уравнения для момента количества движения потока газа принимается, что дисперсная фаза по объему потока распределяется равномерно.

Уравнения в частных производных для компонентов скоростей частиц и агента сушки были численно решены. Результаты проведенных экспериментов практически совпали с расчетами. Как расчетные, так и экспериментальные данные доказали, что влияние плотности и размера частиц на длительность их пребывания в циклонных аппаратах незначительное. Увеличение входной скорости газа приводит к продлению времени пребывания материала только при незначительных его концентрациях. Когда расходная концентрация становится больше 0,4 кг/кг, то изменением скорости газового потока от 10 до 40 м/с не удается заметно увеличить длительность нахождения частиц материала в циклоне.

Материал подготовлен по книге: В.Ф.Фролов. Моделирование сушки дисперсных материалов. Издательство "Химия" Ленинградское отделение, 1987 г, 208 с.