Совершенствование конструкции циклона ВЦНИИОТ и разработка методики расчета степени очистки воздуха от пыли

ВЦСПС-ВЦНИИОТ

РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ САНИТАРИИ

СБОРНИК НАУЧНЫХ РАБОТ

ИНСТИТУТОВ ОХРАНЫ ТРУДА 

Москва - Профиздат - 1987

УДК 697.945

Канд. техн.  наук В. Т.  САМСОНОВ

(ВЦНИИОТ ВЦСПС, Москва)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЦИКЛОНА ВЦНИИОТ

И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ

ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ

Циклоп ВЦНИИОТ с обратным конусом [1] широко применяется для обеспыливания 

воздуха в различных отраслях промышленности. Выполненные рядом организаций 
лабораторные и производственные испытания и многолетний опыт эксплуатации выявили 
существенные преимущества этого циклона перед циклонами с суживающимися книзу 
корпусами (коническими). К достоинствам циклона ВЦНИИОТ относятся: сравнительно 
небольшое гидравлическое сопротивление [2, 3]; высокая степень очистки (на уровне 
циклонов ЦН-15 и СИОТ) [2, 3]; низкая изнашиваемость при осаждении абразивных пылен [4, 
5]; слабое влияние на степень очистки подсосов воздуха через неплотности в бункере [3, 6]; 
отсутствие зависания слипающихся и сваливающихся пылей, а также различных мягких и 
гибких отходов малой насыпной плотности (например, бумажные стружка и пыль в 
полиграфин) при проходе их через пылевыпускной канал в бункер [7—9]; непрерывное 
возрастание степени очистки при увеличении скорости воздуха в циклоне (отсутствие 
ограничений по скорости)[7, 10].

Стенки циклона ВЦНИИОТ не истираются даже при осаждении высокообразивных 

пылей, так как скорости воздушного потока во входном патрубке и особенно в нижней части 
корпуса циклона невелики. В то же время установлено, что, например, циклоны ЦН-15 
диаметром 700—800 мм из углеродистой стали со стенками толщиной 5 мм при очистке 
воздуха от пыли, образующейся при зачистке деталей на абразивных станках, истираются 
насквозь через 3—4 месяца, а через 5—б месяцев
требуется их полная замена [5]. При 

улавливании пыли от зачистных станков М-7400 циклоны ЛИОТ и СИОТ выходили из строя 
через 1,5—2 месяца и их эффективность была в пределах 70—85%. При замене этих циклонов 
циклоном ВЦНИИОТ эффективность очистки повысилась до 93— 97% при сопротивлении 
75—80 даПа. После года эксплуатации заметного истирания стенок этого циклона не 
обнаружено [4].

Наличие неплотностей в бункере циклона ВЦНИИОТ не вызывает возникновения 

больших подсосов вследствие того, что скорость воздушного потока по мере его продвижения 
вниз уменьшается и давление возрастает. Например, при сравнительных испытаниях 
циклонов ЦН-15 и ВЦНИИОТ, установленных на нагнетательном участке сети, обнаружено, 
что в центре дна бункера циклона ЦН-15 разрежение составляло 196,2 даПа (сопоставимо с 
сопротивлением циклона), а в той же точке дна и на стенках бункера в циклоне ВЦНИИОТ 
давление было положительным, равным 166,8 даПа [3].

Появление подсосов (до 15%) в циклоне ВЦНИИОТ практически не снижает его 

эффективности [4]. Объясняется это тем, что поток воздуха, проникающего через неплотности 
в бункере, проходит в циклон через центральное отверстие в отбойном конусе, не препятствуя 
движению пыли из циклонов в бункер (рис. 1, а). В конических циклонах в области 

пылевыпускного отверстия происходит взаимодействие восходящего потока под-сасываемого 
воздуха и нисходящего слоя осажденной пыли, в результате чего значительная часть этой 
пыли вновь подхватывается   центральным вихрем и выносится   из циклона (рис. 1, б). Это 
явление усугубляется тем, что при внезапном расширении пылевоздушного потока, 
выходящего из конического циклона в бункер, значительная доля осажденной пыли вновь 
переходит во взвешенное состояние и может быть вынесена в выхлопную трубу. В циклонах с 
коническими корпусами часто возникает закупорка пылевыпускного отверстия при
осаждении слипающихся пылей и пылей с частицами малой плотности и большой парусности 
(древесная и бумажная стружка и пыль, волокнистая пыль хлопкозаводов и текстильных 
предприятий, пыль от полировальных станков и т. п.). Это объясняется тем, что внутренний 
воздушный вихревой поток, опираясь на стенки циклона вблизи пылевыпускного отверстия, 
образует стационарное вихревое кольцо, препятствующее продвижению пылевого слоя в 
бункер. 

Рис. 2.. Параллелограмм сил, действующих   на   частицу   пыли при ее скольжении по

стенке конического циклона (а) и циклона с обратным конусом (б): С —центробежная   сила; R
— реакция   стенки   корпуса циклона;  Р — равнодействующая   сила

На рис. 2, а видно, что равнодействующая центробежной силы и силы реакции стенки 

корпуса циклона направлена вверх и при определённых условиях она может превышать силу 
тяжести частицы. Поэтому лёгкие частицы с большой парусностью вращаются в этом кольце 
до тех пор, пока не произойдет их накапливание и закупорка ими пылевыпускного отверстия 
или пока значительная часть пыли не будет увлечена центральным вихрем в выхлопную 
трубу.  По этой причине конические циклоны имеют низкую степень очистки воздуха от 
волокнистых и других аналогичных пылей. Чтобы избежать данного явления, расширяют 
пылевыпускное отверстие, как, например, у циклонов УЦ и УЦВ, применяющихся на
хлопкозаводах для очистки воздуха от хлопковой пыли, и снижают скорость воздушного 
потока, что приводит к уменьшению общей степени очистки.

В циклоне ВЦНИИОТ это явление отсутствует. Скорость внешнего вращающегося 

потока при его движении вниз уменьшается, а внутренний вихрь опирается на поверхность 
отбойного конуса и не достигает стенок циклона. Благодаря этому уменьшается отрыв пылевых частиц со стенок, обеспечивается беспрепятственное продвижение в бункер пылевого 
слоя, состоящего из частиц любой плотности, формы и размеров (за исключением 
налипающих и цементирующихся пылей). Действующие на частицы силы способствуют 
продвижению пылевого слоя в бункер (рис. 2,6). Поэтому степень очистки в циклоне с 
расширяющимся корпусом непрерывно возрастает с увеличением скорости воздуха во 
входном патрубке до 26 м/с и более [7, 10].

В процессе экспериментальных исследований выявлены возможности дальнейшего        

совершенствования конструкции циклона    ВЦНИИОТ. Установлено, что в бункере при 
работе циклона    возникает    вихрь, являющийся     продолжением     центрального вихревого 
потока, который
при определенных    условиях может       захватывать       некоторую часть 

осажденной пыли и выносить ее в    выхлопную трубу.    С целью исключения этого явления    
внутрь отбойного   конуса   модернизированного циклона   ВЦНИИОТ-М установили     
крестообразную    вставку, которая препятствует    возникновению вихря, вследствие    чего 

резко сократился вынос пыли из бункера. Крепление отбойного    конуса   к корпусу циклона 
с помощью лапок оказалось неприемлемым при улавливании волокнистых пылей, склонных к 
образованию хлопьев и клубков, так как в местах    крепления образуются 
пробки,  

закупоривающие 
пылевыпускное 
отверстие. 
Поэтому 
в
модификации 
циклона, 

предназначенной     для     осаждения волокнистых   пылей, отбойный   конус крепят 
приваренными    к стенкам бункера    удлиненными    кронштейнами (рис. 3). Однако и при 
таком варианте крепления необходимо осуществлять периодическую очистку оседающей на 
кронштейнах пыли через люки в стенках бункера. 

Рис   3. Усовершенствованный циклон ВЦНИИОТ: 1 — входная улитка; 2 — выхлопная 

труба; 3 — входной патрубок; 4 — цилиндрическая часть корпуса; 5 — расширяющаяся книзу 
часть корпуса; 6 — отбойный конус; 7 — кронштейны отбойного конуса; 8 — люк; 9 — бункер; 

10 — шлюзовой затвор

Возникла необходимость в изменении конструкции входного узла циклона. В связи с 

тем, что входной патрубок присоединен к корпусу горизонтально, под верхней крышкой 
улитки возникает нежелательное вихреобразование. Это приводит к ухудшению условий 
осаждения пыли и к повышению гидравлического сопротивления.

При совершенствовании конструкции входного узла исходили из необходимости 

обеспечения наилучшей организации воздушного потока в циклоне для достижения 
наибольшей степени очистки. Для этого необходимо было обеспечить максимальный 
градиент концентрации пыли в радиальном направлении и оптимальное время пребывания 
воздушного потока в циклоне (или число витков потока), а также увеличить расстояние между 
пыленесущим слоем воздушного потока и граничной поверхностью центрального вихря.

Градиент концентрации пыли зависит от величины сил, действующих на частицы в 

зоне сепарации, интенсивности турбулентности и толщины слоя взвесенесущего воздушного 
потока; число витков зависит от утла наклона входного патрубка к горизонту и угла конусности корпуса; расстояние между пыленесущим слоем и центральным вихрем определяется 
главным образом конструкцией входного узла.

Увеличить центробежную силу можно путем повышения скорости потока и 

уменьшения диаметра циклона. Однако эти возможности ограничены необходимостью обеспечения 
заданной 
производительности 
и 
предельного 
значения 
гидравлического 

сопротивления циклона.

Турбулентность воздушного потока существенно снижает степень очистки циклона. С 

целью уменьшения интенсивности турбулентности необходимо тщательно зачищать сварные 
швы на внутренней поверхности корпуса, устранять выступы и вмятины. Целесообразно 
предусматривать присоединение к входному патрубку прямого участка воздуховода длиной 
5÷10 D (D — диаметр цилиндрической части корпуса циклона).

Уменьшить толщину слоя очищаемого потока воздуха в усовершенствованном 

циклоне оказалось возможным путем уменьшения ширины входного патрубка и 
распределения потока по всей внутренней поверхности корпуса. Входной патрубок (см. рис. 
3) выполнен плоским шириной 0,26D и высотой 0,8D; к корпусу присоединен тангенциально. 
Внешняя стенка входного узла изогнута по сходящейся спирали и при повороте потока на 
270° сопрягается с образующей цилиндра. Верхняя стенка входной улитки наклонена под 
углом к горизонту таким образом, что при повороте потока на 360° заканчивается на уровне 
половины высоты сечения входного патрубка, нижняя стенка — горизонтальна.

Благодаря такой конструкции входного узла оказалось возможным устранить 

вихреобразование вследствие отрыва потока под верхней крышкой входного узла и 
распределить воздушный поток почти по всему периметру сечения корпуса.

Поток в модернизированном циклоне движется не узкой лентой, как в большинстве 

циклонов других типов, а широким тонких; слоем, распределенным почти по всей внутренней 
поверхности, что улучшает условия пылеосаждения. Пыленесущий слой воздушного потока в 
циклоне отдален от границ ядра вихря и по мере продвижения к пылевыпускному отверстию 
все более отдаляется от него, что исключает возможность вторичного уноса пыли. 
Горизонтальная нижняя стенка входного патрубка препятствует быстрому продвижению 
потока вниз и тем самым способствует увеличению числа витков вихря.

При выборе типоразмера циклона для конкретных условий эксплуатации следует 

рассчитывать степень очистки, которую может обеспечить этот циклон, и сопоставлять ее с 
необходимой степенью очистки, устанавливаемой на основании расчетов загрязнения 
атмосферы промышленной площадки. Очистка выбросов — это одно из средств достижения 
предельно допустимых выбросов (ПДВ). Необходимая степень очистки устанавливается из 
условия обеспечения ПДВ и поэтому является величиной, изменяющейся в зависимости от 
интенсивности процесса рассеяния пыли в атмосфере, расположения выбросов и 
воздухоприемных сооружении приточной вентиляции относительно границ циркуляционных 
зон, от характеристик источников выбросов и т. п.

Необходимая степень очистки выброса из одиночного источника будет равна:

где М — массовый расход пыли   в выбрасываемом воздухе, мг/с.

При определенных условиях с помощью циклонов можно обеспечить необходимую 

степень очистки. Однако часто циклон служит в качестве одной из ступеней двухступенчатой 
системы. Необходимую степень очистки второй ступени определяют:

где 
1
ф

— фактическая степень очистки воздуха в аппарате первой ступени, %.

В некоторых случаях достижение необходимой степени очистки
технически 

неосуществимо или экономически нецелесообразно. Поэтому следует предусматривать дополнительные меры по снижению валовых выбросов пыли. К ним могут быть отнесены 
технологические (предварительное обеспыливание перерабатываемых пылящих материалов, 
увлажнение, совершенствование технологического оборудования), технические (увеличение 
эффективной высоты выброса, рациональное размещение выбросов и воздухоприемных 
сооружений) и архитектурно-планировочные мероприятия. Необходимую эффективность
дополнительных мероприятий находят:

где 
1,
2
ф
ф
 
— фактическая степень очистки воздуха в аппаратах соответственно первой и 

второй ступеней, %.

При проектировании пылеотделителей фактическая степень очистки выбросов от пыли 

должна определяться расчетами. Однако применяющиеся в настоящее время методики 
расчета (например, в хлопкоочистительной промышленности) не позволяют делать достоверные прогнозы.

Основным недостатком этих методик является то, что в них не в полной мере 

учитываются 
свойства 
осаждаемых 
промышленных 
пылей 
и 
характеристики 

пылеотделителей. Далеко не всегда в проектной практике придается должное значение 
определению таких характеристик пыли, как например, ее дисперсность, слипаемость, форма 
частиц, парусность, абразивность, хотя именно от этих свойств зависят эффективность, 
надежность и и долговечность действия любого пылеотделителя. Знание этих характеристик 
является необходимым элементарным требованием при проектировании пылезадерживающих 
устройств. Однако при выборе пылеотделителя (например, циклона) для конкретных условий 
эксплуатации часто ориентируются на полученную в лабораториях общую эффективность 
того или иного аппарата и при этом не принимают во внимание дисперсность и другие 
свойства пыли, на которой эта эффективность получена.

При определении общей эффективности необходимо также иметь возможность 

рассчитывать характеристики самого циклона, то есть эффективность осаждения частиц пыли 
различной крупности при разном количестве и свойствах обеспыливаемого воздуха (фракционные 
эффективности), 
а 
также 
оптимальные 
значения 
общей 
эффективности, 

соответствующей минимуму затрат на обеспыливание воздуха (при обеспечении необходимой степени очистки).

где 
о
 — общая эффективность процесса сепарации, %;  — обозначение интеграла Гаусса;

0
lg
cv
и 
2
lg
v
 — соответственно среднее значение и дисперсия распределения седимен
тационной скорости частиц пыли; 

0
lg
cu и 
2
lg
u

— соответственно среднее значение и дис
персия распределения сепарационной скорости воздушного потока в аппарате.

Это уравнение справедливо для широкого класса сепарационных процессов, 

протекающих в пылеосадительных камерах, трубопроводах, циклонах (сухих и мокрых), 
скрубберах, в свободной атмосфере, руслах рек и каналов, в лабораторных и промышленных 
классификаторах и др.

Применительно к сухим циклонам уравнение (1) может быть представлено в 

следующем виде:

lg
100%

lg
lgRe

o

R

Stk
c

n
m










 









,

где 
2

0
0
Stk
u R
D



— критерий Стокса (  — плотность материала частиц пыли, разная 

1000 кг/м3; 
0
u —
скорость воздушного погона, осреднённая по площади сечения 

цилиндрической части корпуса циклона, м/с; 
0
R — медианный размер частиц пыли, 

вычисляемый по скорости седиментации при плотности 1000 кг/м3, м;  — динамическая 
вязкость воздуха, м2/c; D— диаметр цилиндрической части корпуса циклона, м); с, п, т —
опытные коэффициенты (п = 0,025 для всех циклонов); 

2
lg
R
 — дисперсия распределения 

эквивалентных по скорости седиментации размеров частиц пыли; Re=
0u D  —критерий 

Рейнольдса; ( - кинематическая вязкость воздуха, м2/с) .

В качестве примера приведём значения опытных коэффициентов для циклонов ЦН-11 

и ЦН-15: для ЦН-11 с =1,0444, m= 0,057; для ЦН-15 с =1,0, т = 0,05.

Значения коэффициентов n и m для циклона ВЦНИИОТ определены путем обработки 

опытных данных ВНИИОТ ВЦСПС в Ленинграде, филиала НИИОгаз (в пос.Семибратово), 
института ГИПРОНИИполиграф (Москва) и ВЦНИИОТ ВЦСПС. Они равны: с = 0,77; m = 
0,03.

Для нормальных условий воздушной среды зависимость (2) примет вид:

2
0
0

2

0

lg
1,2787
100%

lg
0,025lg
0,0906

o

R

R u
D

u D










 








, (3)

Циклон ВЦНИИОТ испытан в производственных условиях на Самаркандском 

хлопкозаводе. Улавливались отходы, удаляемые от джин. Эффективность циклона диаметром 
1 000 мм оказалась равной 96,7%.

К той же аспирационной системе, на которой испытывали циклон ВЦНИИОТ, был 

присоединен циклон ВЗП (на встречных закрученных потоках) диаметром 800 мм (оба 
циклона можно было присоединять к аспирационной системе попеременно). Эффективность 
циклона ВЗП составила 87,4%, то есть значительно ниже, чем циклона ВЦНИИОТ 
(остаточная запыленность воздуха в 3,8 раза выше, чем при использовании циклона 
ВЦНИИОТ).

Усовершенствованный циклон ВЦНИИОТ-М испытан в лабораторных условиях на 

кварцевой пыли. Экспериментальную пыль отвеивали из бункера через трубу диаметром 1000 
мм со средней скоростью воздушного потока 0,5÷1,0 см/с. Дисперсный состав этой пыли 
определяли на центробежном сепараторе Бако. Параметры пыли: R0=9,2 мкм, 
R
 =2 (размер 

частиц R0 приведен к плотности пыли, равной 1000 кг/м3). Получены следующие значения 
входящих в формулу (2) коэффициентов: с=0,98; m=0,04.

Для стандартных условий формула для расчета степени очистки циклона ВЦНИИОТ
М будет иметь вид:

2
0
0

2

0

lg
1,15
100%

lg
0,025lg
0,0806

o

R

R u
D

u D










 








.

В формулах (3) и (4) средний размер частиц R0 принят в микрометрах.
Надежность работы циклона ВЦНИИОТ-М при осаждении волокнистой пыли 

проверена в лабораторных условиях на модели диаметром 150 мм. Получены следующие 
значения эффективности: пыль от джин — 99,6%, от сушильной установки — 97,4%, от 
линтеров — 99,5%, тополиный пух — 96,4%.

Качественную картину распределения воздушного потока в циклоне изучали по следу, 

оставляемому на внутренней поверхности циклона аэрозолем краски, который впрыскивали 
во входной патрубок.

В каждом циклоне существует режим
(расход и свойства очищаемого газа, 

конструктивные параметры и др.), при котором затраты на обеспыливание минимальны. У 
разных типов циклонов минимуму затрат будет соответствовать различная степень очистки, 
по величине которой целесообразно сравнивать конструкции пылеотделителей между собой. 
Поскольку степень очистки зависит от дисперсности пыли, меняющейся в широких пределах, 
необходимо найти критерий, не зависящий от этого свойства пыли. В качестве такого критерия мы предлагаем величину условной эффективности E , которую может обеспечить тот 

или иной аппарат при улавливании монодисперсной пыли, состоящей из частиц размером 1 
мкм. Условная эффективность может быть вычислена по формуле

где Stk1— критерий Стокса, вычисляемый по размерам частиц монодисперсной пыли (1 мкм) 
и плотности материала частиц (1000 кг/м3).

Оптимальным режимом работы циклона будет режим, соответствующий наименьшему 

значению отношения приведенных затрат к условной эффективности:

где П— приведенные затраты на очистку выбросов; Э — текущие эксплуатационные расходы; 
К — суммарные капитальные вложения; zн — нормативный коэффициент эффективности 
капитальных вложений, год-1.

Расчеты по формуле (5) показали, что оптимальная скорость uопт воздуха в циклоне 

может быть приближённо вычислена по соотношению

,25
o

опт
u
aD

,

где а — коэффициент, равный 6 
3 4
1.
м
с


Из зависимости (2) следует, что эффективность увеличивается с уменьшением 

диаметра циклона. Поэтому применять циклоны больших диаметров (более 800 мм) 
нецелесообразно. Зависимости для расчета эффективности циклона ВЦНИИОТ-М [формула 
(4)] внесены в Методические рекомендации [11].

Выводы

1.
Усовершенствованный    циклон ВЦНИИОТ-М превосходит    циклоны других 

конструкций по надежности, долговечности и универсальности при сопоставимых значениях
эффективности     и гидравлического сопротивления.

2.
Разработанная    методика расчёта степени очистки учитывает все факторы, 

влияющие
на    процесс осаждения пыли, и позволяет достоверно прогнозировать работу 

пылеотделителей в заданных режимах.

3.
При   проектировании     средств очистки воздуха
от пыли следует исходить из 

степени очистки, необходимой для выполнения нормативов ПДВ, устанавливаемых на 
основании прогноза загрязнения    атмосферы промышленной площадки.

4. Рабочие чертежи циклона ВЦНИИОТ-М производительностью 3 м3/с очищаемого 

воздуха разработаны во ВЦНИИОТ ВЦСПС. 

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. А. с. № 148023 СССР, МКИ В04С5/185. Циклон для очистки запыленного воздуха или газа.
2. Ко уз о в П. А., Мальгин А. Д., Скрябин Г. М. Очистка от пыли газов и воздуха в 

химической промышленности. — Л.: Химия, 1982.

3. Коузов  П. А.  Исследование    и    сравнительная оценка циклонов различных типов//Очистка 

промышленных выбросов и вопросы воздухораспределения / ВНИИОТ ВЦСПС.— Л., 1969.

4. Очистка вентиляционных выбросов от зачистных станков при отделке высококачественных   

специальных   сталей / Б.   И.   Берг, М. А.   Розенбаум В. Е.   Волобуев и др. //Водоснабжение и санитарная 
техника. — 1972. — № 2.

5. Же л т к о в   А.   Н.   Опыт   эксплуатации   циклонов  ЦН-15   при   улавливании   

металлоабразивной  пыли // Обеспыливающие  устройства  промышленной 'вентиляции.  Материалы 
семинара /МДНТП. — М.,  1970.

6. Я к о в л е в а С.  В.  Разработка и  исследование обеспыливающей  установки  для

механизированного   щита   при   проходке   тоннелей   Ленметростроя //Научные   работы институтов 
охраны труда ВЦСПС. — 1965.—-Вып. 34.

7. Рыбин В. Г.  Циклон с обратным   конусом//Сборник  научных  работ  институтов 

охраны труда ВЦСПС. — 1962.—•№ 5.

8. Смирнова   Н.   П. Испытания циклона
ВЦНИИОТ на
пыли от полировальных

станков с матерчатыми   кругами//Научные   работы    институтов     охраны   труда ВЦСПС.-1963.Вып. 24.
"

9. Гирилович  В.  Т.   Отделитель   материалов в системах   

пневмотранспорта//Вентиляция  и  кондиционирование  воздуха   на   полиграфических предприятиях:   
Труды Гипронииполиграф. — Вып.  1—М.: Книга, 1972.

10. Ч у л а к о в П. Ч.  Теория и практика обеспыливания атмосферы карьеров —М.: Недра, 

1973.

11. Методические рекомендации по расчету допустимых выбросов  в  атмосферу и степени  

очистки  от  пыли  для  низких  источников    предприятий    хлопкоочистительной
промышленности/ВЦНИИОТ ВЦСПС.— М., 1986.