Различные типы циклонов и их применение в разных отраслях промышленности

Промышленный циклон: эффективный способ очистки воздуха от твердых частиц

Циклонные пылеуловители являются одной из основных технологий механического отделения воздуха от загрязняющей пыли. Они широко используются во многих отраслях промышленности. Ярким примером служат производства, связанные с современной обработкой дерева. Циклоны также используются в сварочной промышленности в качестве искрогасителей. Это очень эффективные устройства, используемые для очистки воздуха от вредных частиц, пыли, опилок или металлической взвеси. Данные агрегаты обеспыливания необходимы для создания оптимальных условий труда для персонала.

Работа в столярных мастерских, мебельных фабриках или на предприятиях химической промышленности была бы невозможна без эффективных установок пылеудаления. Это чрезвычайно простое решение, не требующее значительных финансовых затрат, которое за счет эффективного разделения отходов, образующихся в процессе производства, очищает воздух и тем самым защищает сотрудников от воздействия загрязнения. Таким образом улучшаются производственные процессы, экономится время и упрощается управление отходами на заводе.

При выборе моделей следует учесть, что циклоны с высокой эффективностью потребляют больше энергии и, следовательно, имеют повышенные эксплуатационные расходы. Устройства меньшей производительности будут эффективны в сочетании с фильтром или конечным пылеуловителем. Наличие качественного фильтрующего материала существенно продлевает срок службы агрегата, и практически удаляет все примеси на рабочем месте.

Связь циклонного фильтра с климатическим явлением и происхождение его названия

Пылеулавливающий циклон представляет собой конусообразную емкость из листового металла, в которую нагнетается поток запыленного воздуха. Внутри циклона воздух закручивается вместе с содержащимися в нем частицами примесей. Данные фракции тяжелее воздуха и выбрасываются из вихря центробежной силой, затем ударяются о стенки циклона, теряют свою кинетическую энергию и падают в коническую часть циклона. Резервуар или контейнер для хранения отходов обычно размещают под циклоном. Более крупные частицы попадают в бункер, а более мелкая пыль выходит с другой стороны.

Циклонные пылеуловители названы в честь их вихревого движения, подобного климатическому явлению циклона. При этом они представляют собой большие воронкообразные трубы. В природе вихри имеют огромный диаметр, захватывающий тысячекилометровые пространства. Явление встречается везде на планете, исключаю экваториальные зоны. Формирование природного циклона основано на взаимодействии теплого и холодного атмосферного фронта.

Пыль и другие загрязнения втягиваются в тангенциальное впускное отверстие с высокой скоростью и движутся к стенкам, закручиваясь. Весь процесс происходит аналогично природному явлению. Отсюда и произошло название устройства.

Строение и конструкция циклонного фильтра: основные компоненты и принцип работы

Циклоны для обеспыливания рабочей среды изготавливаются из черного листового металла толщиной от 2 до 3 мм. Классическая модель устройства в виде цилиндрического корпуса, состоит из двух-четырех модулей, в зависимости от его размеров. Стандартно циклоны оснащены смотровым люком в конической части. Циклоны обеспыливания работают с вентиляторами, а также могут быть подключены к пылесборникам, для повышения эффективности фильтрации.

Из каких этапов состоит процесс пылеудаления в циклонах:

• В центре циклона закручивается нагнетаемый воздух.
• Благодаря этому возникающая центробежная сила выбрасывает частицы грязи за пределы воздушного потока.
• В свою очередь частицы, отскакивая от стенок циклона, падают на коническую часть.
• Очищенный воздух выходит через верхний выпуск устройства.
• На этом весь процесс фильтрации завершен.

Теперь все, что необходимо сделать, это организовать способ сбора сепарированного материала из резервуара. В этом помогает поворотный клапан, высыпающий отходы, например, в контейнер. Выбор конкретного решения зависит от количества образующихся отходов и потребностей данного предприятия.

Ключевыми конструкционными элементами устройства являются:

• Корпус из надежного металла. По форме чаще всего встречаются цилиндры или конусообразные изделия.
• Патрубок для вхождения очищаемого воздуха или газа.
• Отсек для выхода очищенного воздуха.
• Приемник для пыли различной конфигурации.

В дополнение к основным элементам, в конструкции присутствуют сопутствующие узлы и технические решения.

К ним относят:

• Раму, на которой надежно крепится корпус.
• Патрубок входа может быть снабжен крышкой.
• Выходящий патрубок располагается впритык к бункеру.
• Циклон снабжается специальным сборником в зависимости от собранного загрязнения. Это может быть пыль, зола, опилки или другой материал.
• В конструкции предусмотрен напорный вентилятор.
• Большие модели нуждаются в постоянном обслуживании. Для этого существуют лестницы, площадки и окна для осмотра оборудования.
• Батарейные циклоны оснащены рециркуляционными насосами.
• Втулки, устойчивые к абразиву для смены в рабочей камере.
• В некоторых моделях встречаются шиберы. Они представляют собой заслонки в виде пластины на патрубках.

Если циклон совмещен с вентиляционной системой, то в конструкцию добавляются заборные короба и воздуховодные магистрали. 

Эффективность циклона определяется скоростью воздушного потока, профилем кривизны устройства, массой частиц и временем, в течение которого они подвергаются действию центробежных сил. В зависимости от применения циклоны имеют большой или малый диаметр. Модели малого диаметра характеризуются высокой эффективностью обеспыливания при низкой запыленности (0,20-14 ppm) и высоком перепаде давления (1,5-2,5 кПа). Агрегаты большого диаметра эффективно справляются с высокой запыленностью (100-200 ppm) при низком перепаде давления (0,4-0,75 кПа). Такие решения не особенно эффективны при низком уровне запыленности.

Назначение и сферы применения циклонов

Циклоны в основном используются для удаления пыли, опилок и других примесей. Это может быть пыль и загрязняющие вещества различного происхождения, образующиеся в деревообрабатывающей, пластмассовой или металлообрабатывающей промышленности. В зависимости от типа загрязнения циклоны могут использоваться как автономные экстракторы или выступать в качестве предварительного сепаратора в сочетании с рукавным фильтром. В процессе работы циклон отвечает за извлечение крупных и тяжелых фракций примесей, а фильтр очищает воздух от мелкодисперсных загрязнителей с легкой и тонкой структурой.

Чрезмерное загрязнение воздуха представляет собой не только угрозу здоровью производственных рабочих, но и может привести к взрыву, последствия которого могут быть катастрофическими. Установка на производстве реализуемых на рынке моделей гарантируют, что этого не произойдет. Сфера применения агрегатов довольно велика.

Среди промышленных предприятий монтаж циклонов необходим при наличии следующих факторов:

• Если происходит порошковая покраска товаров.
• В производстве используются мелкозернистые пластические материалы.
• Там, где происходит обработка железа и стали.
• При процедуре гранулирования.
• При работе с песком.

Горное дело и металлургия:

• Работа дробилки.
• Наличие производственной сушилки.
• Обработка материалов.
• Улавливание углерода.
• Присутствие металлического порошка в сырьевой основе.
• При производстве калия.
• При производстве мела.
• Когда в воздухе появляется угольная зола.

Циклоны необходимы и при изготовлении следующих потребительских товаров:

• Табак.
• Кофе.
• Хлопок.
• Соевые материалы.

Циклоны также используются в качестве разгрузочных пылеуловителей в пневмотранспортных системах.

Влияние дисперсности на эффективность работы циклонов

Модельный ряд устройств ориентирован на улавливание пыли или золы различной степени дисперсности. При этом коэффициент полезного действия существенно снижается с минимизацией габаритов улавливаемых элементов. Это особенно актуально для агрегатов, работающих с крупной фракцией – деревянными опилками и металлической стружкой.

Зависимость дисперсности и эффективности работы устройства:

Стоит учесть, что при размерах элементов в 20 µm циклон гарантирует практически стопроцентную эффективность очищения.

• Если фракция уменьшается до 10 µm, то показатели КПД составляют уже 95 %.
• При размерах в 5 µm степень очищения составит 80%.

На значения КПД также влияет и диаметр пылеосадителя. При больших размерах наблюдается снижение эффективности работы устройства. Наибольшие показатели будут при соблюдении параметров «золотого сечения» в конструкции. То есть пропорция в 1,6 между диаметром и высотой элемента позволит фильтровать смесь с наилучшими показателями.

Устройство пылесборных бункеров и методы выгрузки осадка

Конструкционные особенности циклонов предусматривают избавление от накопившихся загрязнителей непосредственно в специальный бункер. Благодаря данной накопительной емкости, весь улов будет здесь содержаться до того момента, когда произойдет полноценная выгрузка.

Особенности решения:

• Чаще всего выбирается бункер по проекту, подходящему заказчику, с ориентацией на условия работы циклона.
• Корпус изделия производится из качественного металла. Усиление происходит при помощи ребер жесткости.
• Внутренние стенки должны быть гладкими, чтобы предотвратить накопление пыли или ее прилипание.
• Обязательно наличие специального окна, через которое осуществляется контроль за состоянием узла и степенью его наполнения.
• Необходимо наличие виброустановки.
• Что касается градуса наклона стенок, то это зависит от физических данных улавливаемых загрязнителей.
• Объем емкости может быть различный, и обычно не превышает 150 м3.

Чтобы избежать взрыва накопленной смести или возникновения пожара, в конструкцию вводятся клапан разгрузки и трубка для отвода газа. Обязательно наличие системы пожаротушения рядом с циклоном.

 Различают несколько видов выгрузки бункера:

• Через шиберный затвор. Конструкционно решение представляет собой классическую заслонку. За определенный период времени (чаще всего это рабочая смена) накопленная масса в бункере через шибер переносится в емкость для отходов, с последующей утилизацией.
• Затвор по типу шлюза. Довольно экономичный вариант барабанной формы. При этом корпус снабжен ячейками и дополнен электрическим двигателем. Постоянные вращательные движения гарантируют своевременную выгрузку пыли из бункера. Популярен такой способ при работе материалами, представляющими особу ценность. Примером может служить медь, серебро или доломит. Практичным решением становится оснащение циклона транспортером, чтобы выгруженный материал снова попадал на переработку.
• «Мигалка». Отличное решение для небольших по объему бункеров.

Важным моментом остается и выбор металла для бункера. Его параметры будут зависеть не только от качеств загрязнителя, но и от температурных показателей рабочей среды цеха. С другой стороны, необходимо учитывать и толщину материала, на основе абразивности пыли. Степень эффективности циклона зависит от выбора его формы, а также размеров очищаемой фракции.  

Обзор различных типов и видов циклонных фильтров

На рынке представлено несколько различных типов циклонных пылеуловителей, которые отличаются формой, конструкцией, принципом действия и ориентацией на тип загрязнителя. Ознакомимся с самыми распространенными решениями.

Противоточные циклоны (Ц)

Работа устройства базируется на возможностях центробежной силы. Ее возникновение обусловлено вращательно-поступательным движением воздушной массы.

Как все происходит:

• Формирующаяся центробежная сила откидывает поступающую смесь к стенкам агрегата, по которым пыль спускается в специальный сборник.
• Взвешенная смесь попадает в циклон через входной патрубок, который расположен вверху устройства. 
• Вращение воздуха направляет вниз любое загрязнение. Движение происходит по направлению к узкой части изделия.
• Сила инерции выталкивает частицы из воздушной смеси. Пыль попадает в нижний сегмент, где и переходит в бункер через выпускной патрубок.
• Поток газа или воздуха, освободившийся от пылевого загрязнения выводится из циклона. Для этого предусмотрен специальный воздухоотвод.

В зависимости от ценности ресурса, остаточная пыль может быть подвержена вторичной переработке.

Конструкционные особенности решения:

• Различные модели противоточных циклонов отличаются габаритами, пропорциями верхнего и нижнего сегмента, а также соотношением высоты и диаметральных значений цилиндра.
• При увеличении высоты сегмента снижается значение гидравлического сопротивления.
• Также минимизируется уровень разрежения в бункере. Это приводит уменьшению риска подсоса пыли в агрегат. Одновременно снижается и степень очистки загрязнений.
• Наиболее подходящим значением является высота 1,6, что гарантирует показатель «золотого сечения».

Данный вид циклонных пылеуловителей остается самым массовым изделием среди всех возможных вариантов. Его использование наблюдается в различных сферах человеческой деятельности.

Мешочные циклоны

Некоторые модификации циклонов несут в своей конструкции мешки, которые крепятся на раме устройства. Как известно, пылеуловители с центробежной силой воздействия наиболее эффективны по отношению к крупной фракции загрязнителей или к средне дисперсным элементам. Поэтому, чтобы одновременно улавливать компоненты мелкой дисперсности, и требуется дополнение в виде мешка. При отсутствии подобного решения мелкие частицы будут выбрасываться с помощью выпускного клапана.

Чтобы мелкая пыль попала в мешок необходимо ответвление специального воздуховода.  Подобные типы циклонов позволяют очищать воздушный поток по максимуму.

Рукавные циклоны

Существует и другая комбинация ротационного циклона. Здесь фильтр сконструирован в виде рукава. В предыдущем примере описывалось размещение мешка возле корпуса устройства. В данном варианте рукав расположен внутри ротационного сегмента.

По аналогии с мешочным типом рукавная модификация обеспечивает отделение средних и крупных по размерам частиц в роторно-центробежном сегменте устройства. Для мелкой дисперсии предназначен рукав, который изготавливается из крепкой микропористой ткани.

Стоит отметить, что мешочный и рукавный виды циклонов обладают меньшей эффективностью чем солидные фильтр-комплексы с двумя ступенями очистки.

Мокрые циклоны

Довольно интересным конструкционным решением обладает мокрый циклон. Он существенно отличается от иных пылеуловителей. Его часто именуют полым орошаемым скруббером. В его состав входит специальный блок орошения. Так что по сути это более современный вариант сухого циклона.

Какие отличия существуют в принципе:

• На основе классического завихрения воздушного потока и выбросом пыли на стенки корпуса, в решении добавлен полый скруббер. Его работа – это генерация взвешенной жидкости, которая ориентирована на сбор нежелательных примесей.
• Процесс распространения влаги внутри камеры приводит к постоянному стеканию жидкости. Это позволяет избавиться от осажденных элементов и транспортировать их в шламосборник.

Среди достоинств мокрых циклонов выделяются:

• Нивелирование опасности формирования пожаро- и взрывоопасных смесей.
• Снижение температурных показателей дымового потока.
• Повышение влажности воздуха и газов.
• Объединение всех удаляемых компонентов, несмотря на их консистенцию.
• Выведение химически опасных соединений.
• Формирование наименьшего пневматического сопротивления.

К тому же мокрые циклоны характеризуются простотой монтажа, надежностью эксплуатации, долговечностью и демократичной стоимостью.

Батарейные циклоны

Батарейный тип пылеуловителя часто носит название мультициклон. Такое решение создано для безопасной эксплуатации отопительных и котельных установок. В промышленных котельных, тепловых электростанциях, сушильных фабриках и применяется это устройство. Циклонные пылеуловители используются для удаления загрязняющих веществ из газов, включая зольную взвесь и нелипкую пыль. Часть отходов при производственном процессе попадает в окружающую среду.

Как правило, во время этих технических операций используется батарейный циклон для предотвращения проблемы загрязнения. Циклон этой версии представляет собой групповой механизм со множеством ячеек в виде цилиндра, объединенных в сложную батарейную систему. При более высоком уровне загрязнения этот тип оборудования позволяет эффективно очищать огромное количество газов.

Конструкция циклона разбита на три отделения:

• Среднее (камера запыленного газа).
• Верхнее (камера очищенного газа).
• Нижнее (бункер).

В результате грязные газы попадают в среднюю камеру, где происходит очистка, затем собранная пыль попадает в нижнюю камеру.

В мультициклоне используются три различных этапа очистки:

• Через впускное окно, а затем и впускные патрубки грязная воздушная смесь попадает в центральную камеру.
• Поток воздуха создает спиралевидные закручивающие действия.
• Пепел отталкивается от стен камеры.
• Пылевые элементы замедляются и скатываются вниз.
• Зола перемещается в конусообразный сегмент изделия, которая служит сборником загрязнителей. Чистый поток воздуха транспортируется вверх и уходит сквозь форсунки.
• Разгрузочные узлы приспособлены для удаления зольных компонентов, скопившихся в бункере.

Высокая степень очищения обеспечивается данным оборудованием, что также делает невозможным выброс загрязнителей в атмосферу.

Оптимизация работы циклонов с помощью систем рециркуляции среды

Для повышения эффективности работы, а также улучшения показателей производительности циклонов производятся различные модификации устройств, как в случае с батарейным вариантом. Но некоторые разработки двигаются еще дальше. Речь идет о дополнении агрегатов системами рециркуляции.

Данный процесс представляет собой отбор определенного объема среды, который уже прошел процедуру очищения. Этот ресурс снова направляется в очистной контур. Рециркуляция происходит регулярно, осуществляя «перепрогон» единожды сквозь все устройство. Существует также и многократный вариант. В этом случае воздушный поток поочередно пропускается через все сегменты системы, прежде чем вернуться в цех из пылеулавливающего агрегата.

В реальности рециркуляционная модель забирает из потока примерно 1/5 часть загрязнений. Отбор производится из выходных клапанов ячеек, которые соединены в батарею. Затем все содержимое проходит новый круг очищения.

Циклоны с обратным конусом ЦОК

Наиболее представительной категорией циклонов является группа центробежных пылеуловителей. Среди них можно выделить устройства с обратным конусом. Такие изделия реализуются с аббревиатурой «ЦОК».

По сути модели разработаны в виде «матрешки», которая состоит из традиционного циклона, вмонтированного в корпус с нижнесегментым расширением.  То есть по форме это обратный конус. По своим эксплуатационным характеристикам это пылеулавливатель с рециркуляцией, который не имеет батарейной конструкции.

Его особенности:

• Любые загрязнители в виде пыли, опилок или стружки оседают во внутреннем устройстве, на основе инерционно-вихревого режима.
• Нижний сегмент внутреннего конуса соединен с внешним устройством, которое обладает формой перевернутого конуса.
• Переходом служит кольцевую щель. Пыль минует внешний конус прежде чем попасть в бункер.
• Воздушный поток с минимальными остатками пыли поднимается вверх и опять оказывается во внутреннем агрегате.

В результате процесс рециркуляции осуществляется в одном аппарате. Данные модели пылеуловителей не нашли широкого применения на производственных предприятиях. Чаще всего их устанавливают на участках, где необходимо защитить персонал от абразивной пыли.

Горизонтальные прямоточные циклоны ЦП

Особенность прямоточных конструкций заключается в очищении воздушной смеси по ходу движения. В этом их принципиальное отличие от противоточных устройств. Их монтаж осуществляется прямо в ствол вентиляции. Установка происходит в горизонтальном положении, чтобы совпадали векторы движения воздуха.

Как работает модель:

• В основе работы лежит тот же инерционный принцип. То есть действуют прямоточные циклоны так же, как и вертикальные варианты.
• Дополнением служит лопастная розетка, вмонтированная в горизонтальный пылеосадитель. При этом гарантируется завихрение среды.
• Что касается бункера, то он располагается вне вентиляционной системы. Часто на значительном удалении.
• При прохождении загрязненного воздуха сквозь лопасти, пыль откидывается на стенки циклона. Затем она попадает в бункер.
• Чтобы достичь эффективной работы, необходимо обеспечить скорость потока со значением не меньше 10 м/с.

Подобные циклоны применяются тогда, когда нет пространственной возможности установить классический вариант. В этом случае очистка будет грубой и первичной.

Данный принцип работы задействован в конструкциях бытовых пылесосов.

Безопасная обработка взрывоопасных и пожароопасных сред с использованием циклонных фильтров

Прежде чем принять решение о выборе конкретного циклона, особое внимание следует уделить надлежащей защите пылесборника от последствий взрыва. Существует множество различных защитных систем, которые можно использовать для фильтров-пылеуловителей, предназначенных для работы с легковоспламеняющимися и взрывоопасными материалами. Важно, чтобы эти устройства имели соответствующий сертификат. Устройства стандартно подготовлены к полноценному оснащению системами защиты.

Это могут быть:

• Предохранительные устройства – взрывные диафрагмы.
• Взрывоизолирующие элементы – обратные и поворотные клапаны (цилиндровые шлюзы).

Высокий уровень безопасности обусловлен следующими решениями:

• На канале грязного воздуха применено сертифицированное разъединяющее устройство (обратный клапан), которое в случае взрыва (возникшего внутри пылесборника) эффективно изолирует фильтр от остальной части установки. Ведь циклон во многих случаях расположен внутри зданий и производственных цехов. Таким образом, риск причинения вреда здоровью или гибели сотрудников, находящихся в зале, сводится к минимуму. Кроме того, потери материальных благ и активов (зданий цехов, станков и т. д.) также минимизируется.
• Сертифицированные взрывозащитные панели расположены в грязной части пылесборника, где происходит первичная декомпрессия отделяемого материала, в которой нет барьеров, например, в виде фильтровальных мешков. Расширительная камера представляет собой полую часть пылесборника внутри. Расположение декомпрессионных панелей в этом пространстве позволяет мембранам правильно функционировать в случае взрыва. Такое решение соответствует стандарту.
• На входе в нижней части фильтра используется сертифицированный дозирующий клапан, который в случае взрыва эффективно отделит защищаемый фильтр от остальной установки, и тем самым предотвратит распространение взрыва на остальная часть установки. Использование поворотного клапана аналогично использованию обратного клапана на грязных воздуховодах.

Незагруженный взрыв выбрасывает сгоревший и несгоревший материал и пламя в зону за пределами устройства. Поэтому необходимо принять меры для обеспечения того, чтобы соседние установки и службы не подвергались опасности. Зона, в которую направляется взрыв, должна находиться на достаточном расстоянии от другого технологического оборудования, чтобы предотвратить возникновение дополнительных пожаров и взрывов, а персонал не должен находиться в зоне, где существует опасность взрыва.

Наиболее практичными, с точки зрения безопасности, решениями являются мокрые циклоны. Их применяют там, где производство сталкивается с взрыво- и пожароопасными смесями.

Преимущества и недостатки применения циклонных фильтров в промышленности

Пылеулавливающие циклоны представляют собой очень простые устройства. Тем не менее они требуют тщательной подготовки и исполнения. При проектировании системы сбора пыли важно помнить об использовании соответствующих материалов, адаптированных к свойствам очищаемого газа. Использование неподходящего материала может привести к быстрой эрозии, что может значительно снизить эффективность всего процесса сбора пыли.

Наиболее значимые достоинства циклона:

• Пылесборники отличаются небольшими габаритами, поэтому их можно легко установить практически в любом месте.
• Одним из самых больших преимуществ циклонов для сбора пыли являются небольшие инвестиционные затраты.
• При этом устройство характеризуется минимальными эксплуатационными расходами.
• Минимальные требования к пространству для установки.
• Конструкция позволяет произвести качественный осмотр и обслуживание.
• Понятная инструкция от производителя дает возможность осуществить быструю и грамотную сборку любой модели.

В сочетании с повышением производительности, безопасностью и здоровьем сотрудников циклоны для удаления пыли быстро окупаются и приносят ощутимую финансовую выгоду.

Минусы использования циклонов:

• В случае неправильной установки через определенный период эксплуатации могут появиться повреждения в виде полостей.  
• Со временем в системе пылеудаления могут появиться щели, через которые проходит т.н. ложный воздух. Это связано с тем, что циклоны пылеудаления подвергаются воздействию острых и твердых частиц, что со временем приводит к образованию дыр или отверстий.
• Циклоны особенно чувствительны к всасыванию ложного воздуха, так как это нарушает весь процесс пылеудаления. Каждый такой поток уменьшает количество воздуха, поступающего в циклон через впускное отверстие, и это приводит к гораздо меньшей центробежной силе.

Негерметичная установка сильно снижает эффективность пылеудаления, а если проблема серьезная, то может быть даже экономически невыгодной. В такой ситуации необходимо произвести осмотр и произвести ремонт установки.