Циклонный фильтр (циклон) — что это и как работает

Название циклон широко известно в быту, промышленности и, конечно, как климатическое явление. Хотя по древне-гречески Kuklos это круг, главная суть используемого явления — вихрь. О том, как используется вихрь в циклонных фильтрах (ЦФ) и оборудовании, ниже в статье.

Определение циклонного фильтра

Циклон это аппарат, очищающий посредством инерции и центробежных сил воздух, газы и их смеси от средне- и крупнодисперсных твёрдых частиц.

Что общего между ЦФ и одноименным атмосферным явлением

В атмосфере это весьма масштабное явление может достигать в диаметре несколько тысяч километров. Многим оно известно как область пониженного давления.

Но в быту и промышленности используется другая характеристика циклона — давление в таких устройствах не просто ниже, чем в окружающей среде, оно уменьшается к центру, так называемому глазу циклона. Ещё говорят — имеет градиент.

Снижающееся к центру давление вызвано центробежными силами — неизбежными спутниками любого кругового или вихревого движения. За счёт этих сил частицы пыли, мелкой грязи сносит дальше от центра. В ограниченном пространстве их сносит к стенкам, ударяет об них, резко снижая их скорость и вызывая падение вниз. В общем виде так работают устройства циклонного типа.

Принцип работы циклона

По сути, это фильтр твёрдых частиц. Для более тщательной очистки используются установки тонкой фильтрации.

Как работает ЦФ:

• очищаемый поток впускается с большой скоростью (до 20 м/с) в камеру сверху, закручиваясь вдоль цилиндрических боковых стенок; либо второй вариант: входной патрубок имеет спиралевидную форму, закручивающую загрязнённый газовый поток;
• направленная от центра к боковой поверхности ЦФ центробежная сила сносит туда твёрдые частички;
• сталкиваясь с камерой, частицы теряют скорость, кинетическую энергию и падают в бункеросборник;
• возникающий за счёт сужения камеры противоток поднимает воздух вверх и выводит его либо в атмосферу, либо на более качественную очистку;
• частицы, собранные в бункеросборнике, утилизируются либо возвращаются в камеру на новый цикл.

Чертеж

Две основные части конструкции циклона: сверху цилиндр, снизу конусообразная часть, выходящий на бункероприёмник. В патрубок подаётся загрязнённая смесь. Через внутреннюю трубу выходит очищенная воздушная смесь.

Назначение и где применяется

Применение в промышленности широкое. Эффективность и целесообразность использования ЦФ определяются дисперсностью (размером) выделяемых из газовой среды частиц, как это видно из таблицы:

Дисперсность частиц,  µm	Эффективность очистки,   %
>20	99
11-20	95
5-10	80

Резкое падение эффективности очистки среды с меньшей фракционностью частиц определяет основную область выделяемых из среды частиц как средне- и крупнодисперсную.

Важно! Наивысший КПД показывают колонны вихревого пыле осадителя с отношением высоты к диаметру 1,6:1 (как у золотого сечения).

Размер эффективно очищаемых из газовой среды частиц определяет основные области использования циклонов для очистки воздуха от пыли в следующих областях:

Сфера применения:	Виды очищаемых частиц:
Общепромышленная	Крупнофракционная пыль, стружка, аспирация, опилки
Деревообработка, древесина и изделия из неё	Все виды древесных отходов (особенно эффективны в работе с ними вытяжные установки циклон)
Работа с металлом, его обработка	Металло-опилки, пыль,
Сооружения с твёрдыми дымовыми выбросами	Копоть, сажа, пепел, зола
Все отрасли строительства, стройматериалов, стройпром	Кирпич. крошка, строй. пыль, строй. смеси
Мех. обработка резины, полимеров	Полимер.-резинов. крошка, отходы
Весь комплекс зернопереработки	Мука, раститель. отходы
Покраска порошковая	Твёрдые частицы  окраски
Отрасли промышленности: газовая и нефтяная, лёгкая и пищевая, цементная и угольная, сельское хозяйство

Добавление: для очистки воздуха от остатков масла (в компрессорной системе) используется циклонный сепаратор — между компрессором и последующими фильтрующими, пылеулавливающими элементами очистки воздуха.

Для эффективного отделения конденсата также используется циклонный сепаратор для сжатого воздуха.

Основные виды циклонных фильтров

В рамкках статьи внимание будет уделено инерционным ЦФ с вихреобразованием.

Противоточные циклонные фильтры

Самый распространённый вид. Гравитационные фильтры, поскольку в них происходит разделение воздуха и твёрдых частиц, падающих в приёмосборник под собственным весом. Противоточные — из-за движения прошедшей очищение газово-воздушной смеси против тока (движения потока) входящей смеси.

У данного вида фильтров есть много подвидов, отличающихся нюансами.

Мешочные циклоны

Это уже комплексы, где центробежный вихревой противоточный фильтр дополняется мешочными рукавами.

Если противоточный фильтр очищает воздух/газ от твёрдых примесей средней и крупной дисперсности, то заканчивающиеся мешками-пылесборниками рукава очищают от мелкодисперсных частичек. В целом каждый такой рукав представляет собой суплементарную мешочную систему улавливания мелкодисперсной пыли.

Мешочные циклоны позволяют расширить спектр очищаемого воздуха/газовой смеси до максимума по дисперсности.

Рукавные циклоны

Это другая комбинация ротационно-циклонного и рукавного фильтров. Обеспечивает хорошее пылеулавливание. Если в мешочном варианте дополнительные рукава располагались рядом с корпусом, в рукавном ЦФ они размещены внутри ротационного.

Аналогично мешочному варианту ЦФ здесь происходит сбор средних и крупных фракций в роторно-центробежной части, а мелкой пыли – в микропористых рукавах.

Замечание: такие одноступенчатые комбинированные варианты циклонов (мешочный и рукавный) менее эффективны, чем двухступенчатые фильтр-комплексы – с предварительной очисткой на ЦФ и далее – на самостоятельном рукавном ЦФ.

Мокрые циклонные фильтры

Считаются модернизацией сухого ЦФ. Разница – в наличии блока орошения или форсуночного блока.

Оно приводит к двум принципиальным отличиям от сухого циклона:

1. Внутри полой камеры с вихревым потоком очищаемого воздуха (газовой смеси), отбрасывающим частицы примеси на стенки камеры, полый скруббер создаёт жидкостный туман, на микрокаплях которого сорбируются оставшиеся ненужные примеси.
2. Распылённые блоком орошения мельчайшие частички воды уносят постояннообразуемой жидкостной плёнкой все загрязнения в бункероприёмник, расположенный внизу.

Эти отличия приводят к следующим важным преимуществам:

• захватываются все частички аэрозолей, маслянистой пыли;
• простота и надёжность действия;
• возможность очистки смесей, способных гореть и взрываться;
• дымо- и газопотоки охлаждаются и увлажняются;
• нейтрализуются химически активные компоненты;
• большой срок эксплуатации;
• маленькое пневмо-сопротивление, сравнимое с сухим ЦФ.

Важно! Наиболее эффективны мокрые (скрубберные) ЦФ, как очистители дымовых выбросов.

Мультициклонные пылеуловители, батарейные

С целью увеличения производительности для промышленных масштабов противоточные ЦФ (до 0,3 м в диаметре) объединяют в батареи на одной раме. При этом их обычно накрывают одним кожухом.

Обычно так поступают для улавливания частичек золы в дымовых выбросах энергопредприятий. Кроме того, такими батареями фильтруют пыль везде, где добываются или используются сыпучие материалы.

Важно! Наиболее оптимально использование батарейных циклонов на первом (грубом) этапе очистки дымовых выбросов.

Кроме того, что далеко не все компоненты (например, зольные) трубных выбросов улавливаются мультициклонами, в них часто проявляется бункерный эффект – при малейшем нарушении в соединении циклонов в батарею может произойти перетекание среды в другой аппарат, вызывающее взбалтывание осадка в бункероприёмнике и выносу осадка вверх с обратным потоком.

Ротационные пылеуловители

В устройство входит рабочее колесо (ротор), обеспечивающее вентиляционный поток. Возможны два подварианта – 1) со спиралевидным корпусом и 2) с перфорированным барабаном.

Радиальные пылеуловители

Загрязнённый поток входит в большую камеру пылеуловителя сверху и разворачивается в обратную сторону. Под действием инерции и своего веса частички осаждаются, очищенная воздушная смесь поднимается к выводному патрубку.

Гидравлические циклонные фильтры

Ими называются мокрые циклоны пылеуловители, в которых примесные частички оседают в дисперсной водной среде. Выделяют 6 основных разновидностей гидравлических пылеуловителей – от форсуночных до скрубберных.

Инерционные пылеуловители

Работают на большей инерции более тяжёлых частиц загрязнения. Существует ряд разновидностей, но всегда происходит смена направления – газовый поток меняет направление, а более тяжёлые частички – нет.

Рециркуляционные системы в циклонных фильтрах

Это системы, перенаправляющие (весь или часть) прошедшую очистку воздушно-газовую смесь на новый цикл очистки. При необходимости возможен более чем двукратный прогон смеси через очистку. Но обычно на рециркуляцию отправляется от 10 до 20% загрязнённой смеси.

ЦОКи – ЦФ с обратным конусом

Конструктивно ЦОК – это ЦФ внутри корпуса с нижним расширением, давшим название – обратный конус. Функционально это рециркуляционный вариант фильтра с одним ЦФ.

Принцип действия:

• средние и крупные частички собираются внизу инерционно-вихревого ЦФ;
• внизу внутреннего конуса есть щель в форме кольца, соединяющая его с конусом внешним;
• в неё из ЦФ попадают выловленные частицы, далее оказывающиеся в конусе внешнем и, в конечном счёте – в бункероприёмнике; однократно отфильтрованный воздух поднимается во внешнем конусе для повторного прохождения через ЦФ, организуя рециркуляционный цикл.

ЦОКи обычно применяются в обработке и выплавке металлов для удаления абразивной пыли из воздуха.

Горизонтальные прямоточные циклоны (ЦП)

Фильтруют воздушно-газовую смесь в направлении её движения, для чего ЦП монтируются внутрь воздуховодной трубы вдоль потока.

Такие циклоны не требуют сужения для организации обратного потока. Прямой завихренный поток создаётся лопастной розеткой внутри устройства. Отброшенная на боковые стенки пыль выводится в бункероприёмник.

Замечание: оптимальная фильтрация достигается подобным ЦФ при скорости потока от 10 м/с.
Аналогично устроена фильтрация в домашних пылесосах.

ЦФ для пылесосов

Используются прямоточные ЦФ, подобные промышленным, но меньших размеров и не столь требовательные к очищаемой среде.
Конструктивно выполняются либо встроенными в пылесос, либо изготавливаются в виде насадки, вставляемой в шланг.

Для пылесосов в строительстве, требующих большей мощности, циклоны изготавливаются как напольные приставки. Ещё более мощные устройства устанавливаются на специальные тележки.

Технические особенности циклонов

Устройство имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при эксплуатации.

Абразивный износ рабочей камеры

Выносимые вихревым потоком на стенки рабочей камеры частицы вызывают постоянное истирание стенок. Наибольшее истирание металла происходит от мелкодисперсных фракций, содержащих пыль типа шлифовальной, а также частицы кремния, кальция, никеля, ванадия.

Для предотвращения износа стенок рабочих камер применяют износостойкие стали для, например, шведская «Hardox». А также используют сплавы с высоким содержанием марганца, графита. Хорошо помогает справиться с износом абразивостойкая футеровка стенок камер, а также, композитные материалы.

ЦФ и статическое электричество

Постоянно трущиеся частицы (между собой и об стенки ЦФ) образуют на корпусе статический электрозаряд. Его величина зависит от изоляционных свойств среды: сопротивление максимально в диапазоне температур потока 100-180 оС.

Взаимодействие заряженной пыли и человеческого организма мало изучено. Известно о вдвое быстром скапливании заряженной пыли в лёгких. А также, что она заметно труднее выходит из них.

С накоплением заряда на поверхности камер борются в первую очередь правильным заземлением. Кроме того, производится антистатическая футеровка.

Работа с взрыво- и пожароопасными загрязнениями

Если пылевоздушные среды способны воспламеняться и детонировать, то сухие циклоны неприменимы – поскольку невыполним в практических условиях маленький уровень О2 в них (< 10%), обеспечивающий невоспламенение пыли.

Для таких сред нужные только мокрые скрубберные и абсорбционные циклоны.

Преимущества и недостатки циклонных фильтров

Плюсы	Минусы
Просто монтируются и используются	Не справляются с мелкодисперсной пылью
Высокопроизводительны и надёжны	Не фильтруют слипающиеся, цементирующие пыли
Возможна самостоятельная работа и в составе сложного комплекса	Не работают с аэрозолями и токсичными газами
Малое сопротивление	Не работают с взрыво- и пожароопасными средами
Долговечны
Достаточно дёшевы

Выбор и расчет циклона

Требуется расчёт ЦФ, чтобы найти максимально эффективный вариант. При расчёте учитываются параметры:

• тип пыли, её состав;
• размер частичек и плотность их взвеси;
• их влажность;
• температура окружающей среды.

Тип пыли – основной фактор. Важны также типы очистки и объём пылесборника.

Внимание! Требуются опыт и знания, чтобы правильно рассчитать ЦФ и, соответственно – правильного его выбрать.