О методике определения эффективности пылеотделителей

ВЦСПС

ВСЕСОЮЗНЫЙ   ЦЕНТРАЛЬНЫЙ   НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ ОХРАНЫ ТРУДА

(Москва)

НАУЧНЫЕ РАБОТЫ

ИНСТИТУТОВ ОХРАНЫ

ТРУДА ВЦСПС

Выпуск 5(37)

ИЗДАТЕЛЬСТВО ВЦСПС 

ПРОФИЗДАТ — 1965

Инж. В. Т. САМСОНОВ

(Московский институт охраны труда}

О МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПЫЛЕОТДЕЛИТЕЛЕЙ

Введение

Концентрация пыли в вентиляционном воздухе, выбрасываемом в ат
мосферу после очистки в пылеотделителях, зачастую значительно превышает предельно допустимую. Основной причиной невыполнения санитарных норм является эксплуатация пылеотделителей в невыгодных 
для них условиях.

Величина общей эффективности того или иного пылеотделителя 

зависит главным образом от дисперсного состава улавливаемой пыли 
(при прочих равных условиях). Поэтому во многих работах, например [1], приводятся таблицы характеристик дисперсного состава пыли, 
образующейся в различных видах оборудования. На основании этих 
данных при проектировании аспирационных систем выбирают необходимый тип и размер пылеотделителя. При этом считают, что дисперсный состав пыли в вентиляционном воздухе, удаляемом от аспирационных укрытий однотипного оборудования, будет неизменным. В действительности же неизбежные небольшие изменения конструкции и герметичности аспирационных укрытий или объема удаляемого воздуха приводят к значительным изменениям дисперсного состава и концентрации 
уносимой пыли.

Известно, что дисперсный состав пыли, выносимой из аспирацион
ных укрытий, зависит главным образом от скоростей воздушных потоков в зоне образования этой пыли [2]. Но величина скоростей потоков изменяется в зависимости от большого числа факторов. Поэтому в промышленности наблюдается огромное разнообразие пылей по дисперсному составу. Приводимые же в литературе данные получены при каких-то случайных условиях пылеобразования и не могут дать полного представления о дисперсном составе пыли, образующейся в том 
или ином типе оборудования. В связи с этим возникают большие рас
21

хождения между рассчитанной в проекте и оказывающейся в действительности эффективностью пылеотделителя.

Другой источник ошибок при проектировании пылеулавливающих 

устройств заключен в методике выбора пылеотделителей. Существующая методика, приведенная в Строительных нормах и правилах 
(СНиП 1—Г, 5—62), заключается в следующем.

Все пыли разбиты по дисперсности на пять классов, и для каждого 

класса пылей и ряда пылеотделителей приведена общая эффективность 
пылеулавливания. Зная класс, к которому относится данная пыль, можно 
ориентировочно определить общую эффективность пылеотделителя. Этот 
способ подбора пылеотделителей прост, но вместе с тем не точен. Остается 
неясным, какой будет действительная эффективность пылеотделителя при 
улавливании пыли, кривая дисперсного состава которой на номограмме 
СНиП располагается несимметрично относительно лучей, ограничивающих группы пылей. Как известно из практики, кривые дисперсных составов промышленных пылей могут располагаться на номограмме произвольно, зачастую пересекая границы групп. Поэтому по методике 
СНиП’а невозможно с необходимой точностью предсказывать общую 
эффективность выбранного пылеотделителя, даже если достоверно известен дисперсный состав улавливаемой пыли.

Вычисление общей эффективности пылеотделителей

В настоящее время многими авторами признано, что наиболее 

полное представление о качестве того или иного пылеотделителя 
(в данных условиях его эксплуатации) может дать кривая фракционных эффективностей [3, 4]. Фракционная эффективность
— это 

отношение весов одноименной фракции в улове и в исходной пыли, 
то есть эффективность улавливания пыли данной фракции. Часто употребляют более наглядную величину фракционного уноса
, равную 

.

Если известны интегральные кривые дисперсного состава пыли, вы
носимой из пылеотделителя, и пыли, поступающей в пылеотделитель, 
фракционный унос можно определить по формуле

где 
—доли частиц размером меньше
в уносимой и исходной

пыли,  %.

Формула (1)
позволяет  определить среднее  значение  уноса  для 

частиц  различной  величины,  заключенных  в  диапазоне   размеров   от 

до 
. Если 
приближается к 
, то значение фракционного уноса 

меняется и в пределе, когда 
совпадает с 
, даст значение эффек
тивности для частиц с данной величиной :

где 
— относительная величина общего уноса пыли.

Величины   .
для разных размеров   частиц   пыли могут быть

определены графическим дифференцированием [5].

В примере определения фракционной эффективности графическим 

методом (рис. 1) использованы данные В. Твардовского [6], полученные 
им из опыта. Общая эффективность пылеулавливания составляла 90%.

22

На рис. 1 а—кривая дисперсного 
состава пыли, уносимой из пылеотделителя, б — кривая дисперсного 
состава пыли, поступившей в пылеотделитель и в — кривая зависимости
Проводя касатель
ные к последней кривой, определяют тангенсы углов 
между каса
тельными и осью абсцисс.

Тангенс угла
равен:

Отсюда, зная долю    общего 

уноса, находят 
. Например,

мк        5
10
15
20

%       73,3        92,3       96,7       98,8
Если при проведении испыта
ний пылеотделителей    различными    
исследователями    во  время определения дисперсного состава пылей     принимались      фракции различной длины,    то вычисляемые фракционные 
эффективности окажутся несопоставимыми между собой.

Общая эффективность пылеулав
ливания может быть точно вычислена, 
если известны функции для суммарной кривой дисперсного состава исходной 
пыли
и кривой фракционных эффективностей 

:

Чтобы определить общую эффективность, нужно иметь аналити
ческие зависимости, достаточно точно описывающие кривые фракционных эффективностей пылеотделителя и дисперсного состава пыли.

Установлено, что дисперсный состав пыли (по скоростям витания 

или седиментационным диаметрам частиц), выносимой воздушными потоками из промышленного оборудования, следует логарифмически нормальному закону [2]. Это уравнение имеет вид:

где 
— медианный размер частиц пыли,   соответствующий плотности  

1 г/см3;

— стандартное отклонение. Всякий пылеотделитель является сепа
ратором, в котором процесс разделения пыли на две части осуществляется в некотором диапазоне размеров частиц.

Анализируя кривые фракционных эффективностей для различных 

пылеотделителей, можно заметить, что распределение фракций посту
23

Рис. 1. Пример графического определения фракционных эффективностей 
пылеотделителя по суммарным кривым дисперсного состава исходной и 
уносимой пыли:

а — кривая дисперсного состава уносимой 

пыли;   б — кривая  дисперсного  состава   
исходной пыли;   в  — вспомогательная   
кривая

пающего в аппарат измельченного материала между уносом и уловом 
происходит не хаотично, а следует определенным закономерностям. 
Каждая частица пыли, поступающая в пылеотделитель, имеет определенную вероятность попадания в улов и унос. Частицы, имеющие оди
наковую вероятность попадания в улов-и 
унос, равную 50%, называют граничными. 
Для данного пылеотделителя вероятность 
попадания каждой частицы в унос или 
улов зависит от соотношения эквивалентных по скорости витания размеров рассматриваемой и граничной частиц.

Кривая фракционных эффективностей 

пылеотделителя, построенная по данным, 
полученным 
опытным 
путем, 
имеет 

несимметричную форму (рис. 2). Симметричную форму такие кривые имеют только для очень хорошо отрегулированных сепараторов. У несовершенных сепараторов, 
каковыми являются, пылеотделители, кри
вые фракционных эффективностей обычно не 
симметричны. Однако замечено, что эти кривые принимают симметричную форму, если 
по оси абсцисс отложить логарифмы разме
ров частиц пыли. В этом случае кривая 
фракционных эффективностей становится

подобной по форме интегральной кривой Гаусса.

Интегральные кривые логарифмически нормального распределения 

выпрямляются в вероятно-логарифмической системе координат. Это 
свойство значительно упрощает проверку соответствия кривых фракционных эффективностей логарифмически нормальному закону.

Нами обработаны в вероятностно-логарифмической сетке приведен
ные в литературе данные по фракционным эффективностям более чем пятидесяти пылеотделителей. Большинство кривых фракционных эффективностей в этой сетке удовлетворительно выпрямляется. Из примера, 
приведенного на рис. 3, видно, что опытные точки имеют небольшой разброс около прямых линий. Наблюдающийся все же разброс точек вызван, по-видимому, несовершенством методики испытаний пылеотделителей.

На основании проделанного обзора и обработки данных, приве
денных в литературе, можно сделать вывод, что кривая фракционных эффективностей на наиболее важном участке может быть апроксимирована уравнением логарифмически-нормального закона. Это уравнение имеет вид:

где 
— медианный размер частиц пыли;

— стандартное отклонение,   величина   которого   определяется 

как 
, где 
— угол наклона прямой фракционных,

эффективностей к оси абсцисс в вероятностно-логарифмической сетке.

24

Рис. 2. Кривая фракционных 
эффективностей   в   обычной   
координатной   сетке

Наклон кривой фракционных эффективностей к оси абсцисс в ве
роятностно-логарифмической сетке характеризует качество или четкость 
разделения материала на две фракции. Циклоны обычно имеют низкое 
качество разделения. Практически невозможно даже определить границы диапазона размеров, в котором происходит процесс сепарации, 
то есть невозможно определить, например, размер, меньше которого вся 
пыль выносится из пылеотделителя.

Рис. 3. Кривые фракционных эффек
тивностей некоторых циклонов:

1 — циклон ВЦНИИОТ ВЦСПС [1]; 2 — мультициклон  [11]; 3 — мультициклон   НИИОГАЗ   
[1]; 4   —
большой       циклон       [11]:       5 —

циклон П.   Н.   Смухнина   [10]

Рис. 4.  Фракционные эффективности скруббера  ВТИ  при  различных  скоростях     очищаемого      
воздуха     на входе:
1 — 23  м/сек; 2  — 21   м/сек;   3 — 1 9
м/сек 

4 — 17  м/сек:   5 — 16   м/сек

Важно выяснить, как изменяются параметры
и
. На основа
нии сравнения кривых фракционных эффективностей различных пылеотделителей можно предположить, что качество сепарации (величина
) зависит от величины сил, действующих на частицы в том или 

ином пылеотделителе, и в некоторой мере — от качества изготовления 
данного пылеотделителя. Чем больше по величине действующие на частицы в зоне сепарации силы, тем четче оказывается разделение пыли на 
две части. Эти силы в любом пылеотделителе данного типоразмера 
обычно не могут быть изменены в широких пределах, поэтому величина
также изменяется мало.

Кривые фракционных эффективностей для центробежного скруб
бера ВТИ диаметром 1 м получены при разной скорости воздуха на 
входе (рис. 4). Эти кривые построены в вероятностно-логарифмических 
координатах по данным К. Г. Руденко и др. [7]. С увеличением скорости воздуха на входе кривая фракционных эффективностей передвигается влево, то есть параметр 
уменьшается (общая эффективность 

увеличивается). В то же время наклон прямой к оси абсцисс изменяется 
мало.

Известно, что эффективность циклонов при изменении пылевой на
грузки в некоторых практически важных пределах изменяется незначительно [8]. Следовательно, и параметры
и
в этом случае 

остаются практически постоянными.

25

Важной особенностью процесса сепарации является независимость 

при прочих  равных условиях величины параметров
и 
от дис
персного состава пыли, поступающей в пылеотделитель. Соответствующая обработка опытов Н. Н. Пономарева [9] с центробежными пылеотделителями, предназначенными для двигателей внутреннего сгорания, убедительно подтверждает это свойство сепараторов, о чем будет 
сказано дальше.

Из анализов кривых фракционных эффективностей заключаем, что 

положение кривой фракционных эффективностей данного пылеотделителя в вероятностно-логарифмической сетке не зависит от дисперсного 
состава улавливаемой пыли, ее концентрации, а при изменении воздушной нагрузки смещается примерно параллельно самой себе. В оптимальном режиме работы пылеуловителя кривая фракционных эффективностей занимает в вероятностно-логарифмической сетке крайне левое 
положение, то есть параметр
имеет наименьшее значение.

У геометрически подобных пылеотделителей одинаковой конструк
ции параметр
при оптимальном режиме будет увеличиваться с уве
личением размеров пылеотделителя. Параметр 
, по-видимому, будет 

оставаться постоянным, или также несколько увеличиваться. Для при
Рис.
5.   Кривые  фракционных  эффективностей   пылеотделителей:

1— циклон   ЛИОТ   №   1   [1];   2 — циклон   ЛИОТ   №   2   [11];   3  — батарейный     
циклон   диаметром 150 мм  [10];  4 — батарейный  циклон диаметром  300 мм  [10];
5 — пылеотделитель АС  435  [11]; 6 — пылеотделитель  АС   850   [11]

мера приведены кривые фракционных эффективностей трех пар цикло 
нов: ЛИОТ № 1 и № 2 [1], батарейных диаметром 300 и 150 мм [10] 
АС 435 и АС 850 [11] (рис. 5). Опытные точки удовлетворительно укладываются на параллельные прямые линии. Это подтверждает высказанное положение о независимости параметра
от геометрииче
ских размеров подобных между собой пылеотделителей, однако следует в этом направлении провести специальную экспериментальную проверку.

Зная   уравнения   кривой   дисперсного    состава   пыли   (4)   и   кри 

вой фракционных   эффективностей   (5), можно решить уравнение  (3). 
Решение  этого  уравнения   в   общем   виде,   когда   величина   частиц 
входит в  интеграл  Гаусса  как  некоторая функция f(d), дает Алландер [12].

26

Для нашего случая, когда
, решение уравнения  (3)  будет

иметь вид:

где

Величина
может быть найдена в таблицах [13].

В целях упрощения вычислительных работ при определении общей 

эффективности  пылеотделителей  можно воспользоваться  графическим
методом, предложенным Алландером. 
Для этого нужно иметь вероятностнологарифмическую бумагу, линейку и 
циркуль. На рис. 6 дан пример такого 
графического решения с использованием данных Твардовского [6]. Имея 
две 
пересекающиеся 
прямые и
, 

отмечаем точку их взаимного пересечения 
и точки пересечения 

каждой прямой с 50%-ной ординатой (
и 
). Из точки 
опускаем 

перпендикуляр к оси абсцисс. Находим точку В на пересечении этого 
перпендикуляра с 50%-ной ординатой. Из точки В на продолжении отрезка
откладываем отрезок, рав
ный отрезку
'. Далее из точки 
на 

прямой
откладываем отрезок 
, 

равный отрезку 
. Из точки
вос
станавливаем перпендикуляр до пересечения с ординатой, соответствующей точке '. Находим на их пересечении точку
, 
через 
которую 
проводим   

прямую   линию   из   точки А.
Восстанавливая из точки
перпендикуляр до пересечения с продолже
нием отрезка 
, получаем точку 
, ордината которой соответ
ствует общей эффективности пылеулавливания данным пылеотделителем.

Вычисленная по формуле (6) и полученная графическим путем ве
личина
=90,8% оказалась близкой к полученной из опыта
=90%.

Таким образом, величина общей эффективности пылеотделителя 

может быть точно вычислена, если известны параметры кривой фракдионных эффективностей и кривой дисперсного состава пыли, поступающей в этот пылеотделитель.

Наблюдающийся иногда в пылеотделителях эффект захвата мел
ких частиц крупными и образования агрегатов из мелких частиц приводит к увеличению действительной эффективности улавливания по 
сравнению с вычисленной. Это создает при выборе пылеотделителя некоторый запас эффективности и при изучении работы пылеотделителей может не учитываться. На эффективность «мокрых» пылеотделителей будет влиять, очевидно, смачиваемость пылей.

27

Рис. 6. Пример графического определения  величины  общей   эффек
тивности пылеотделителя

Для пользования формулой (6) при выборе пылеотделителей не
обходимо иметь таблицы значений
и
для различных пылей в зави
симости от характерных скоростей уносящих потоков воздуха и параметров
и
для различных типов и размеров пылеотделителей.

Дисперсный состав кварцевых пылей, образовавшихся в резуль
тате сепарации мелких частиц из падающего сыпучего материала восходящими потоками воздуха, для простейшего случая может быть вычислен по формулам  (2).

Дисперсный состав (по скоростям витания) пылей иного минерало
гического происхождения и образующихся в иных условиях, будет, повидимому, подобным же образом зависеть от скорости уносящих потоков воздуха. Необходимо в этом направлении вести соответствующие исследования для других пылей и различных условий их образования и 
главным образом по определению характерных скоростей воздушных 
потоков в иных видах аспирационных укрытий.

Т а б л и ц а
1

Пылеотделитель
Автор

Циклон ЛИОТ № 1
«Сантехпроект» [1]
2,2
3,23
25

Циклон ЛИОТ № 2
3,7
3,21
13,1

Ротоклон ВНИИСТО
4,5
9
24,7

Циклон ВНИИОТ
140 мм
0,15
15,3
75,6

Центробежный скруббер ВТИ
1000мм
К. Г. Руденко [7]
4
7,75
24,8

= 16 м/сек

То же, 
= 23 м/сек
0,41
23,4
61,2

ЦВП-ЛИОТ
" 793 мм
П. А. Коузов  А. А. Савина  [14]

0,8
6
55

КП-СИОТ № 2
=18 м/сек
0,31
5,16
76,2

ВМП-ЛИОТ № 4"
=16,2 м/сек
0,5
5
66,7

ВМП-ЛИОТ № 3
=15,9 м/сек
0,065
12
86,4

УСД-ЛИОТ № 71/2 
= 13,8 м/сек
0,21
5,45
82,12

Пенный ЛТИ-ПГС—5,5
0,22
5,23
82

В  табл.   1   в  качестве  примера  приведены    величины  параметров; 

и
для некоторых типов пылеотделителей.

Оценка эффективности  и испытание  пылеотделителей

Для более удобного сравнения эффективности различных пыле
отделителей между собой целесообразно принять некоторую фиктивную пыль и вычислить общую эффективность пылеулавливания. Такую 
пыль удобно принять    с    параметрами    распределения
=1 мк и

= 1 при плотности 1 г/см3. Это значит, что пыль монодисперсна и со
стоит из частиц одного размера 
= 1 мк. Тогда, подставляя значе
ния параметров 
и 
в формулу (6) и обозначая условную общую 

эффективность буквой
, получим

Наряду с параметрами 
и
в табл.  1  приведены вычислен
ные по формуле (1) условные эффективности пылеотделителей. По величине
можно судить, какой пылеотделитель эффективнее. При этом це
лесообразно фракционные эффективности вычислять не по геометрическим размерам частиц пыли, а по эквивалентным по скорости вита
28

ния диаметрам частиц при плотности 1 г/см3 (по седиментационным диаметрам). Параметры распределения улавливаемых пылей также следует представлять на основе седиментационных диаметров. Это позволит 
значительно упростить и уточнить все расчеты по выбору пылеотделителей.

Пылеотделитель с большей «условной» эффективностью будет и 

на любой другой пыли эффективнее других.

Об и с п ы т а н и и ц и к л о н о в . Значительно упрощается про
ведение испытаний пылеотделителей в лабораторных условиях.

Нет необходимости во введении стандартной испытательной пыли 

для проведения сопоставимых испытаний (как предлагают некоторые исследователи [6]). Единственным условием является соответствие распределения испытательной пыли логарифмически нормальному закону. При этом можно будет, по-видимому, для геометрически подобных 
пылеотделителей определить зависимость оптимальных параметров 

и
от характерного размера пылеотделителя.

При испытании пылеотделителей следует провести серию опытов по 

определению эффективности пылеулавливания на пыли одного дисперсного состава и с одинаковой концентрацией при разных скоростях воздуха на входе в пылеотделитель. Это позволит определить оптимальную нагрузку по воздуху  (минимальное значение
).

Проводить испытания следует на пыли такого дисперсного соста
ва, чтобы общая эффективность была около 80%. В этом случае, зная 
вес поданной в пылеотделитель пыли и вес улова, можно с достаточной точностью определить
.

На оптимальном режиме следует провести серию опытов по опре
делению
на пылях различного дисперсного состава (при прочих рав
ных условиях). В этих опытах испытательная пыль должна иметь логарифмически нормальное распределение размеров частиц. Зная величины 
общей эффективности
, по таблицам [13] можно найти со
ответствующие значения квантелей
для пыли каждого дисперсного 

состава. На основании уравнения (6) можно определить
для пыли с

-м дисперсным составом:

В этом уравнении два неизвестных:
и
.     Подставляя в уравнение  

(8)  полученные из опыта значения 
,
и для двух или

более пылей различного дисперсного состава, получим систему уравнений с двумя неизвестными.

Решая полученную систему уравнения (8) с двумя неизвестными, 

можем найти параметры кривой фракционных эффективностей
и

. Для получения достоверных результатов желательно провести экс
перименты на семи — десяти пылях различного дисперсного состава.

Опытные данные Н. Н. Пономарева [9] нами обработаны для двух 

типов пылеотделителей: циклона с розеткой и тангенциального циклона. При этом получены следующие параметры для кривых фракционных эффективностей:

циклон с розеткой
=1,08 мк;
=2,45

тангенциальный циклон
=1,3 мк;
=1,74

Опытные данные, полученные Н. Н. Пономаревым, и вычисленные 

нами по формуле (6) величины
приведены в табл. 2.

Из таблицы видно, что вычисленные по формуле (6) величины мало 

отличаются от значений, полученных из опытов. Это подтверждает тот 
факт, что положение кривых фракционных эффективности остается

29