SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE Strojnícka fakulta Ústav procesného a fluidného inžinierstva Experimentálne testovanie hydrocyklónu s uzavretým zásobníkom odlúčených častíc Diplomová práca Študijný odbor: 5.2.49 procesná technika Študijný program: chemické a potravinárske stroje a zariadenia Vedúci diplomovej práce: Ing. František Dzianik, PhD. Diplomant: Bc. Peter Smolinský Bratislava február 2011 1
2
3
Čestné prehlásenie Vyhlasujem, že som záverečnú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Bratislava, február 2011... Vlastnoručný podpis 4
Ďakujem vedúcemu diplomovej práce, Ing. Františkovi Dzianikovi PhD., za odbornú pomoc a cenné rady pri vypracovaní diplomovej práce. Bratislava, február 2011 5 Bc. Peter Smolinský
Názov práce: Experimentálne testovanie hydrocyklónu s uzavretým zásobníkom odlúčených častíc Kľúčové slová: Hydrocyklón, hermetický zásobník, odlúčené častice Abstrakt: Táto práca sa zaoberala experimentálnym testovaním hydrocyklónu. Pri meraní odlučovacích charakteristík experimentálneho hydrocyklónu zapojeného do experimentálnej stanice budeme sledovať separačný proces, keď je hydrocyklón prevádzkovaný s voľným výtokom, alebo má za voľným výtokovým otvorom hermeticky uzatvorený zásobník. Cyklóny sa používajú na odlučovanie kvapalných alebo tuhých častíc z heterogénnych tekutých zmesí. Z hľadiska konštrukčného patria k najjednoduchším odlučovacím zariadeniam a v praxi sa často používajú. V teoretickej časti sú popísané hlavné časti a princíp činnosti hydrocyklónu. Ďalej sú tu uvedené základné prevádzkové parametre cyklónových aparátov. V experimentálnej časti sú tabuľky s nameranými a vypočítanými hodnotami, z ktorých sú vyhotovené grafy pre jednotlivé prevádzkové charakteristiky. Title: An experimental testing of hydrocyclone with closed separated elements tank Keywords: hydrocyclone, hermetic tank, separated elements Abstract: This work deals with an experimental testing of hydrocyclone. While measuring separatory characteristics of experimental water cyclone connected to an experimental station, we will watch a separation process, when water cyclone is operated with a free outflow or it has a hermetically closed tank behind a free outflow vent. Cyclones are used for liquid or solid elements separation from heterogenous mixtures. In term of construction they belong to the most elementary separating devices and they are often used in practice. In a theoretical part there are described water cyclone main parts and its function principle. Next there are introduced basic operating parameters of cyclone equipments. In an experimental part there are tablets with measured and calculated values, from which there are made some graphs for particular operating characteristics. 6
OBSAH Zoznam použitých symbolov 8 Zoznam príloh 10 1 Úvod 11 2 Cyklónové aparáty 12 2.1 Hlavné časti cyklónu 13 2.2 Princíp činnosti 15 2.2.1 Prúdenie tekutiny v cyklónoch 15 2.3 Rôzne typy cyklónových odlučovačov 17 3 Základné prevádzkové parametre cyklónových aparátov 21 3.1 Tok tekutej heterogénnej zmesi a tlaková strata v cyklóne 21 3.2 Koncentrácie a hustoty tekutej heterogénnej zmesi 22 3.3 Frakčné zloženie dispergovaných častíc 23 3.4 Relatívny prepad, relatívny výtok 24 3.5 Odlučovanie cyklónov 26 3.5.1 Odlúčivosť a účinnosť odlučovania cyklónov 26 4 Návrh experimentálnej stanice 28 5 Experimentálna časť 33 5.1 Použitá modelová suspenzia 33 5.1.1 Stanovenie hustoty častíc modelovej suspenzie pyknometrickou metódou 33 5.1.2 Frakčné zloženie častíc suspenzie 35 5.2 Metodika merania 36 5.2.1 Meranie prietoku a hustoty suspenzie 37 5.2.2 Výpočet koncentrácie modelovej suspenzie a veľkosti toku dispergovanej zložky v suspenzii 37 5.3 Spracovanie a vyhodnotenie nameraných údajov 38 5.4 Zhodnotenie získaných výsledkov experimentálnych meraní 56 6 Záver 58 Literatúra 7
Zoznam použitých symbolov T [ C] teplota V [m 3 ] objem D [m] priemer valcovej časti D e [m] priemer vstupného otvoru do odlučovacieho priestoru D c [m] vnútorný priemer valcovej časti cyklónu D k [m] priemer výtokového otvoru z odlučovacieho priestoru H [m] výška geometrického objektu H c [m] celková výška cyklónu C r [-] relatívny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc C a [-] absolútny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc C ap [-] absolútny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc v prepadovej rúre C ak [-] absolútny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc vo výtokovom otvore C ae [-] absolútny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc vo vstupnom otvore C er [-] relatívny hmotnostný zlomok koncentrácie vo vstupnej zmesi O a [-] koncentrácia dispergovaných častíc vyjadrená absolútnym objemovým zlomkom O r [-] koncentrácia dispergovaných častíc vyjadrená relatívnym objemovým zlomkom m t [kg] hmotnosť dispergovaných častíc m t [kg.s -1 ] hmotnostný tok dispergovaných častíc m s [kg] hmotnosť suspenzie m s [kg.s -1 ] hmotnostný tok suspenzie m l [kg] hmotnosť disperznej tekutiny m l [kg.s -1 ] hmotnostný tok disperznej tekutiny λ t [-] ekvivalentný súčiniteľ trenia odlúčených častíc o fiktívnu treciu plochu odlučovacieho priestoru u e [m.s -1 ] rýchlosť tekutej látky vo vstupnom otvore cyklónu [-] celková účinnosť odlučovania 8
A e [-] prietoková plocha pre tekutinu na vstupe do odlučovacieho priestoru K ps [-] relatívny prepad zmesi látky (suspenzie) z cyklónu K pl [-] relatívny prepad tekutiny z cyklónu K pt [-] relatívny prepad dispergovanej látky z cyklónu K ks [-] relatívny výtok zmesi látky (suspenzie) z cyklónu K kl [-] relatívny výtok tekutiny z cyklónu K kt [-] relatívny výtok dispergovanej látky z cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok látky [m 3.s -1 ] objemový tok suspenzie vo vstupe cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok suspenzie vo vstupe cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok dispergovaných častíc vo vstupe cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok disperznej tekutiny vo vstupe cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok jemnej suspenzie v prepadovej rúre [m 3.s -1 ] objemový tok dispergovaných častíc v prepadovej rúre [m 3.s -1 ] objemový tok disperznej tekutiny v prepadovej rúre [m 3.s -1 ] objemový tok hrubej suspenzie vo výtoku cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok dispergovaných častíc vo výtoku cyklónu [m 3.s -1 ] objemový tok disperznej tekutiny vo výtoku cyklónu [kg.m -3 ] hustota dispergovaných častíc [kg.m -3 ] hustota kvapaliny pri zodpovedajúcej teplote [kg.m -3 ] objemová hmotnosť tekutej látky vo výtokovom otvore cyklónu [kg.m -3 ] objemová hmotnosť tekutej látky v prepadovej rúre cyklónu [-] súčiniteľ zúženia (urýchlenia) vstupného prúdu tekutej látky do cyklónu p e [Pa] tlak na vstupe do hydrocyklónu p p [Pa] tlak za prepadovou rúrou hydrocyklónu S e [m 2 ] vstupný prierez potrubia S a [m 2 ] výstupný prierez potrubia S a [m 2 ] prierez cyklóna H p [m] hĺbka zasunutia 9
Zoznam príloh Príloha č. Číslo výkresu Formát a médium Popis 1 5.2.49/1965/11-0 A1 Hydrocyklón 2 5.2.49/1965/11-1 A1 Experimentálna stanica 3 CD Diplomová práca v ele. forme 10
1 Úvod Cyklóny sa používajú na odlučovanie kvapalných alebo tuhých častíc z heterogénnych tekutých zmesí. Z hľadiska konštrukčného patria k najjednoduchším odlučovacím zariadeniam a v praxi sa často používajú. Cyklóny, ktoré odlučujú častice z plynov sa volajú aerocyklóny (alebo iba krátko cyklóny), a ktoré odlučujú častice z kvapalných zmesí sa volajú hydrocyklóny. Aerocyklóny sa najčastejšie používajú na odprašovanie plynov. Veľmi často sú cyklóny zaradené na konci trasy pneumatickej dopravy, kde odlučujú dopravované častice nosného vzduchu. Doteraz menej časté je použitie aerocyklónov na odlučovanie kvapalných častíc z priemyselných plynov a na pneumatické triedenie jemných tuhých častíc. Hydrocyklóny sa používajú okrem odlučovania tuhých častíc z kvapalín aj na zahusťovanie suspenzií, alebo na hydraulické separačné alebo klasifikačné triedenie. Klasifikačným triedením sa napr. rozdeľuje suspenzia kaolínu na jemnozrnnú časť suspenzie. Separačným triedením sa napr. rozdeľuje uhlie od jaloviny v uhoľných revíroch. Cyklóny sa najčastejšie vyrábajú z oceľového plechu. Proti erozívnym účinkom odlučovaných častíc sa niekedy chránia výstelkou z oderuvzdorného materiálu, ako napr. guma, alebo plast. Na výrobu hydrocyklónov sa niekedy používajú oderuvzdorné liatiny, tvrdé sklo, tavený čadič, tvrdá keramika a v ostatných rokoch aj niektoré plasty. 11
2 Cyklónové aparáty Cyklónový aparát, alebo kratšie nazývaný cyklón, je spoločné meno pre aerocyklónový, alebo hydrocyklónový odlučovač, triedič, separátor partikulárnych látok, alebo zahusťovač dispergovaných častíc heterogénnej tekutej zmesi. Z konštrukčného hľadiska cyklóny patria k najjednoduchším oddeľovacím zariadeniam, a preto sa v praxi často používajú. K ďalším prednostiam patrí veľký výkon určený prietokom heterogénnej zmesi vztiahnutý na jednotku objemu cyklónového aparátu, ďalej nízke nároky na údržbu a jednoduché prevádzkovanie. K nevýhodám možno zaradiť ich nevhodné pracovné vlastnosti pre nestacionárne prietoky tekutiny. K ďalším nevýhodám možno zaradiť ich namáhanie erozívnymi účinkami dispergovaných častíc, ktoré spôsobujú ich opotrebúvanie. Cyklóny sa v praxi vyskytujú od veľkosti priemeru valcovej časti 10 mm do 1,2 m pri hydrocyklónoch a pri aerocyklónoch až do veľkosti priemeru 5 m. Podľa druhu spracúvanej tekutej zmesi sa cyklóny zhotovujú z plechu rôzneho kovu, z kovových odliatkov, z keramiky, zo skla, alebo z plastických látok. V ojedinelých prípadoch bývajú betónové, alebo v prípade odprašovania horúcich spalín bývajú vymurované zo žiaruvzdorných tvárnic. Ďalším konkrétnym príkladom aplikácie cyklónov je použitie cyklónových odlučovačov v kombinácii s dochladzovacím zariadením na separáciu vody a oleja zo stlačeného vzduchu, alebo plynu pripraveného stláčaním v kompresore. Týmto spôsobom sa odstráni viac ako 80 % kondenzátu v systéme so stlačeným vzduchom. Odstránenie kondenzátu je dôležité za účelom chrániť rozvody stlačeného vzduchu, umožňuje bezproblémový prietok stlačeného vzduchu pre zariadenie a zmenšuje systémové celkové operačné náklady. Nesprávne navrhnuté poddimenzované alebo nekvalitné, či chýbajúce dochladzovače a cyklónové odlučovače v kompresorovej stanici ovplyvňujú celý systém stlačeného vzduchu. Dôsledkom sú zvýšené náklady údržby, vyššie prevádzkové náklady a poškodenie hotových výrobkov. Okrem toho, veľkoryso dimenzované dochladzovače s cyklónovým odlučovačom umožňujú inštaláciu menších kondenzačných a absorbčných sušičiek, a tak ponúka úspory v oblasti investícií a spotreby energie. 12
Obr.1 Cyklónové aparáty 2.1 Hlavné časti cyklónu Typické usporiadanie cyklónu je znázornené na obr. 2. Pozostáva z dutého valca 1, dutého kužeľa 2, ktorý má na dolnom konci výtokový otvor 5, ďalej z prívodnej rúry 3, prepadovej rúry 4. Valcovú časť uzatvára veko. Na príslušnom obrázku sú vyznačené aj ďalšie hlavné rozmery cyklónu a hlavný tok tekutiny v cyklóne. Vstupná rúra býva niekedy v mieste napojenia na valcovú časť obdĺžnikového prietokového prierezu. Potom priemer d1 sa počíta ako ekvivalentný priemer podľa prietokovej plochy. Odlučovací priestor cyklónu je vnútorný priestor dutého valca a kužeľa, s výnimkou vnútorného priestoru zasunutej prepadovej rúry. Pre správnu činnosť cyklóna sú rozhodujúce jeho rozmery, najmä priemer jeho valcovej časti D, výška H a tvar cyklóna. Väčšia výška a menší prierez cyklóna 13
zodpovedá vyššej hodnote účinnosti odlučovania. Pre odlúčivosť je tiež podstatný tvar vstupného prierezu do cyklónu. Cyklóny s tangenciálnym vtokom obdĺžnikového prierezu dosahujú vyššiu účinnosť odlučovania, ak vtok je úzky a vysoký. U cyklónov so špirálovým vstupom je vyššia účinnosť odlučovania dosahovaná pri vtokovom potrubí tvaru štvorca. Na tlakové straty cyklóna a podmienky odlučovania má značný vplyv stupeň otvorenia cyklóna, čo je pomer súčtu vstupného prierezu potrubia S e a výstupného prierezu S a k prierezu cyklóna S D. Nižšie hodnoty stupňa otvorenia cyklóna odpovedajú vyšším hodnotám tlakových strát a lepšej odlúčivosti. Hĺbka zasunutia H p výstupnej rúry by mala byť riešená tak, aby jej ústie končilo tesne pod spodnou stenou vstupu. Vrcholový uhol kužeľa cyklóna α býva v rozmedzí 10 až 20. Cyklóny s nižšou hodnotou vrcholového uhla kužeľovej časti, asi do 15 majú lepšiu odlúčivosť. Obr.2 Hlavné časti a rozmery cyklónu, hlavný tok tekutej látky 14
2.2 Princíp činnosti Pri výbere cyklóna je potrebné zohľadniť prietok heterogénnej zmesi cyklónom, vlastnosti odlučovanej dispergovanej zložky, vstupnú koncentráciu, požiadavky na mieru odlučovania častíc od dopravovanej tekutiny (mieru vyčistenia tekutiny). Na prevádzkovú spoľahlivosť cyklónov vplýva nielen konštrukcia odlučovača, ale aj spôsob prevádzky. Preto je potrebné pri návrhu vychádzať z predpokladu, že proces odlučovania začína vstupom do cyklóna a končí až odvedením odlúčeného materiálu a vyčistenej tekutiny. V prípade použitia zásobníka pripojeného k výtokovému otvoru, v ktorom sa odlúčený materiál hromadí musí byť zásobník navrhnutý tak, aby mal dostatočný objem pre uskladnenie nahromadeného odlúčeného materiálu. Pri návrhu zásobníka treba brať do úvahy, že jeho celý objem nemôže byť využitý, čo vyplýva z charakteru procesu zachytávania odlúčeného materiálu v zásobníku. Odlučovací priestor cyklónu je vnútorný priestor dutého valca a dutého kužeľa. Nezapočítavame do neho priestor pripadajúci prepadovej rúre. Tangenciálna zložka rýchlosti vírového prúdenia vzniká tangenciálnym usporiadaním vstupu tekutiny do valcovej časti cyklónu. Na obr. 2 zo znázorneného priestorového pohybu tekutej látky vidíme, že tangenciálna zložka rýchlosti je kombinovaná s radiálnou zložkou a axiálnou zložkou rýchlosti tak, aby vznikal charakteristický priestorový pohyb tekutiny v cyklóne. Niekedy sa nazýva aj vírivý pohyb, alebo tiež cyklónový pohyb tekutiny, aj keď teoretický vírový pohyb v skriptách hydromechaniky je charakterizovaný ako rovinný pohyb, ktorý by sa v našom prípade realizoval v rovine rezu, kolmom na os rotačnej symetrie cyklónu. Tekutina vykonáva v blízkosti valcovej a kužeľovej steny špirálový pohyb smerom nadol, pričom postupne časť tekutiny mení zmysel axiálnej zložky rýchlosti. Preto sa do dolnej časti cyklónu dostáva iba malá časť prietoku tekutiny v porovnaní k prietoku cez vstupný otvor cyklónu. Tá časť tekutiny, ktorá sa pohybovala najbližšie pri stene kužeľa pokračuje v špirálovom pohybe smerom nadol a vyteká výtokovým otvorom von z odlučovacieho priestoru cyklónu. 2.2.1 Prúdenie tekutiny v cyklónoch V cyklónoch nastáva cirkulačný pohyb tekutiny. Kužeľový tvar odlučovacieho priestoru tomu ešte napomáha, pretože kužeľovitosť zvyšuje relatívny trecí povrch pre viskózne trenie kvapaliny s ohľadom na veľkosť objemu odlučovacieho priestoru. Trenie 15
odlúčených dispergovaných častíc o stenu odlučovacieho priestoru tiež do určitej miery tomuto javu napomáha. Naznačený špirálový prúd tekutiny v cyklóne na obr. 2 je užitočný pre činnosť cyklónu. Dopravuje odlúčené dispergované častice po valcovej a kužeľovej stene do výtokového otvoru a disperzná tekutina prúdi do prepadovej rúry. Podrobnejšiu predstavu o prúdení v cyklóne poskytuje obrázok 3a až d. Na obr. 3a je plnou čiarou znázornený typický priebeh tangenciálnej zložky rýchlosti v cyklóne. Obr. 3 Prúdenie v cyklóne a priebeh tangenciálnej zložky rýchlosti, b priebeh radiálnej zložky rýchlosti, c priebeh axiálnej zložky rýchlosti, d priebeh tlaku V jadre cyklóna rotuje tekutina s rastúcou obvodovou rýchlosťou, ako je zrejmé z pôdorysu na obr. 4. Na obr. 3b je naznačený priebeh radiálnej zložky rýchlosti. Vidíme na ňom, že tekutina prúdi takmer v celom odlučovacom priestore smerom k osi cyklónu. Výnimkou je iba malá oblasť odlučovacieho priestoru v blízkosti prepadovej rúry, kde sa vytvára v axiálno-radiálnej rovine rezu podružný vír. Na obr. 3c sú naznačené priebehy axiálnych zložiek rýchlosti prúdenia tekutiny. V blízkosti valcovej a kužeľovej steny odlučovacieho priestoru prúdi tekutina smerom k zužujúcemu sa koncu kužeľa. V blízkosti polomeru prepadovej rúry zaznamenávame najväčšie axiálne zložky rýchlosti prúdenia smerom do prepadovej rúry, ktoré smerom k osi cyklónu klesajú. Na obr. 3d je naznačený priebeh tlaku v cyklóne. 16
Obr. 4 Zjednodušené prúdenie v cyklóne 2.3 Rôzne typy cyklónových odlučovačov Správny typ cyklónového odlučovača závisí od disperznej tekutiny a dispergovaných častíc, ako aj od požadovaného účinku cyklónu. Aerocyklóny zvyčajne mávajú hodnotu pomeru H c /D c menšiu ako hydrocyklóny. Nie je to však jednoznačné pravidlo. Hodnota pomeru H c /D c závisí od viskozity tekutiny, koncentrácie dispergovaných častíc a ich súčiniteľu trenia o steny odlučovacieho priestoru cyklónu. Najjednoduchším a doteraz používaným typom aerocyklónov a predovšetkým hydrocyklónov je cyklón s tangenciálnym vstupom tekutej zmesi a axiálnym výstupom cez valcovú prepadovú rúru. Odvod odlúčených častíc je na konci kužeľa, ako znázorňuje obr. 5a. 17
a) b) c) Obr. 5 Hlavné typy cyklónov a cyklón s tangenciálnym vstupom tekutej látky a axiálnym vstupom, b cyklón so závitkovým vstupom tekutej látky, c cyklón s axiálnym vstupom tekutej zmesi usmernenej tangenciálne Na rovnom čele cyklónu vzniká nežiaduce podružné prúdenie. Tangenciálny vstup disperznej látky do odlučovacieho priestoru cyklónu pôsobí rušivo na rotačnú symetriu rýchlostného poľa disperznej tekutiny v hornej časti odlučovacieho priestoru cyklónu. Uvedené nevýhody tangenciálneho vstupného otvoru vyžadujú, aby bol umiestnený tesne pri čele cyklónu. Tangenciálny vstupný otvor máva obdĺžnikový, alebo kruhový prietokový profil. Nevýhody tangenciálneho vstupu odstraňuje závitovkový vstupný kanál do cyklónu znázornený na obr. 5b. Používa sa predovšetkým pri aerocyklónoch, pretože takýto tvar vstupných kanálov sa nevhodne realizuje pre relatívne menšie vstupné otvory a relatívne menšie priemery prepadovej rúry, aké sa vyžadujú pri hydrocyklónoch. Na obr. 5c je znázornený cyklón s axiálnym vstupom tekutiny do valcovej časti cyklónu, kde je radiálnymi lopatkami usmernená do špirálového pohybu, a tak vstupuje do odlučovacieho priestoru cyklónu. Takéto cyklóny sa zväčša používajú ako odlučovacie bunky, ktoré sa zaraďujú do mnohočlánkových, či skupinových odlučovačov, ktoré tvoria jeden konštrukčný celok. Ako odlučovacie bunky odlučovačov sa niekedy používajú aj 18
cyklóny z obr. 5c, ktoré sa odlišujú od iných tým, že namiesto usmerňovacích lopatiek používajú závitovku navinutú na predĺženej valcovej prepadovej rúre umiestnenej v predĺženej valcovej časti cyklónu. Kužeľová časť prepadovej rúry umožňuje tiež zúžitkovať časť kinetickej energie od tangenciálnej aj axiálnej zložky rýchlosti tekutiny vstupujúcej do ústia prepadovej rúry na tlakovú zložku mechanickej energie. Hydrocyklón je v podstate vertikálna valcovitá nádoba, ktorá sa v spodnej časti mierne zužuje. Do valca sa kvapalná zmes vháňa tangenciálne, čím je zabezpečený rotačný pohyb kvapalnej sústavy po špirále. Pri otáčavom pohybe pôsobí na tuhé častice väčšia odstredivá sila než na kvapalnú zložku, preto sa od prúdu kvapaliny oddeľujú a koncentrujú sa v blízkosti stien, kým kvapalina prúdi bližšie k osi otáčania. Kvapalná zložka sa odvádza v osi smerom hore, kaly stekajú po stenách strmého kužeľa. Hydrocyklóny môžu byť zoradené aj do batérií. Používajú sa na triedenie, zahusťovanie i odkalovanie. Majú význam pri oddeľovaní malých kalových častíc z kvapalín. Môžu nahradiť usadzovacie nádrže i zahusťovače. Obr. 6 Hydrocyklón na odlučovanie uhoľných kalov vyložený keramickými vložkami 19
Na obr. 6 je znázornený hydrocyklón na triedenie uhlia od hlušiny, alebo odlučovanie hrubých uhoľných kalov. Rozdiel medzi triediacim a odlučovacím cyklónom bude v rozdielnych hodnotách pomerov D e /D c, D l /D c, D k /D c, H c /D c. Znázornený hydrocyklón je z vnútornej strany odlučovacieho priestoru obložený keramickými tvarovanými dlaždicami. Na obr. 7 je znázornené celkové usporiadanie aerocyklónu 1 spolu so zásobníkom 2 na odlúčené častice, rebríkom 4 a obslužnou plošinou 3. Zásobník a aj čelo výstupného konca prepadovej rúry sú opatrené explozívnymi membránami 5, ktoré slúžia ako deštrukčné poistky v prípade vznietenia odlučovaných častíc. Na obr. 8 je znázornená kompletná cyklónová batéria, ktorá v tomto prípade obsahuje dva paralelné zapojené cyklóny uložené tesne vedľa seba. Jeden z nich má pravotočivé a druhý ľavotočivé vírivé pole plynu v odlučovacom priestore. Takémuto usporiadaniu sa často hovorí cyklónové dvojča. Podobne k tomuto usporiadaniu sa robia aerocyklónové zostavy so 4, 6, 8, alebo aj viac cyklónami. Obr. 7 Celkové usporiadanie cyklónu SVD1 Obr. 8 Cyklónová batéria SVD 2 1 cyklón, 2 výsypka, 3 plošina na obsluhu, 4 rebrík, 5 prietržná membrána pre prípad explózie 20
3 Základné prevádzkové parametre cyklónových aparátov Medzi prevádzkové parametre cyklónových aparátov patrí objemový tok tekutej heterogénnej zmesi na vstupe do cyklónu, tlaková strata vyjadrená rozdielom tlakov na vstupe do cyklónu a výstupe z prepadovej rúry, hustota tekutiny ρ 1 a jej dynamická viskozita μ, veľkostné zloženie a hustota dispergovaných častíc ρ t a ich koncentrácia vo vstupnej zmesi. Ďalšími prevádzkovými parametrami sú relatívny prepad, relatívny výtok suspenzie, účinnosť odlučovania cyklónov. 3.1 Tok tekutej heterogénnej zmesi a tlaková strata v cyklóne Pre posúdenie energetickej náročnosti činnosti cyklónu je potrebné poznať rýchlosť a tlak tekutej zmesi pred vstupom do cyklónu a za výstupom z neho. Spravidla sa tlak a rýchlosť tekutiny v jednom mieste odhadnú, alebo určia z vonkajších podmienok prevádzkovania cyklónu, avšak v druhom mieste je potrebné parametre vypočítať. U hydrocyklónov sa zvyčajne kvapalná zmes do nich vháňa účinkom čerpadla, v prípade aerocyklónov sa používajú ventilátory. Energetické nároky, ktoré cyklóny kladú na použité čerpadlá alebo ventilátory, sú dané prietokom tekutiny a jej potrebným rozdielom tlakov pred a za cyklónom. Z požadovaného prietoku a z príslušných prietokových plôch možno vypočítať prietokové rýchlosti. Takto zistíme rýchlosť tekutiny pred vstupom do cyklónu a na vstupe do jeho odlučovacieho priestoru. Na výpočet veľkosti prietoku tekutej zmesi cez prepadovú rúru a cez výtokový otvor potrebujeme poznať relatívny prepad tekutiny K ps.. Prietok tekutiny cez prepadovú rúru vypočítame = K ps. Z prietoku a zo známeho rozmeru výstupného otvoru z prepadovej rúry môžeme vypočítať strednú rýchlosť u 2. Rozdiel tlakov pred vstupom do cyklónu a na výstupe z prepadovej rúry p 1 p 2 môžeme vyjadriť rovnicou: v ktorej p 1e je pokles tlaku na vstupe do odlučovacieho priestoru cyklónu v dôsledku zvýšenia kinetickej energie tekutej zmesi, p o pokles tlaku v odlučovacom priestore cyklónu 21
v radiálnom smere k osi, p a možný pretlak v osi cyklónu, p ap zvýšenie tlaku tekutej zmesi v prepadovej rúre od axiálnej zložky rýchlosti prúdenia, p tp zvýšenie tlaku tekutej zmesi v prepadovej rúre od tangenciálnej zložky rýchlosti prúdenia, p o2 zvýšenie tlaku tekutej zmesi vo výstupe z prepadovej rúry. Rozdiel tlakov p 1 p 2 je tlakový spád tekutiny prúdiacej cez cyklón, keď sme zanedbali vplyv rôznych geodetických výšok vstupu tekutiny do cyklónu a výstupu z prepadovej rúry, čo spravidla je zanedbateľný vplyv. Dôležitým prevádzkovým parametrom je hodnota tangenciálnej zložky vstupnej rýchlosti tekutej zmesi do odlučovacieho priestoru cyklónu u e, ktorá je určená pomerom už uvedených veličín: u e = V e / A e (3.1-2) 3.2 Koncentrácie a hustoty tekutej heterogénnej zmesi Hustotu zmesi počítame pomocou absolútnych a relatívnych hmotnostných, alebo objemových zlomkov dispergovaných častíc v disperznej tekutine. Koncentráciu pomocou absolútneho hmotnostného zlomku budeme uvažovať C a = m t / m s = m t /(m l + m t ), teda ako pomer hmotnosti dispergovaných častíc zmesi k hmotnosti zmesi. Koncentráciu pomocou relatívneho hmotnostného zlomku budeme uvažovať C r = m t / m, l teda pomerom hmotnosti dispergovaných častíc k hmotnosti disperznej tekutiny. Podobné vyjadrenia koncentrácie môžeme uvažovať aj pre toky látok C a m t / m s m t / m l m t), C r m t / m l. Objemový relatívny zlomok budeme uvažovať O r = V t / V l = / a absolútny objemový zlomok budeme uvažovať O a = V t / V s = /. Medzi absolútnym hmotnostným zlomkom C a a relatívnym hmotnostným zlomkom C r možno odvodiť závislosti: Hustotu suspenzie či inej dvojzložkovej tekutej heterogénnej zmesi môžeme vyjadriť rovnicou: 22
Pomocou relatívneho hmotnostného zlomku možno predchádzajúcu rovnicu (3.2-4) prepísať do tvaru: Z rovnice (3.2-4) možno odvodiť absolútny hmotnostný zlomok: Relatívny hmotnostný zlomok vyjadríme z rovnice (3.2-3) a (3.2-6): 3.3 Frakčné zloženie a tvar dispergovaných častíc suspenzie Ďalšími prevádzkovými parametrami sú údaje o frakčnom zložení, t.j. distribúcií veľkosti dispergovaných častíc v tekutine na vstupe do cyklónu. Distribučná funkcia frakčného zloženia dispergovaných častíc môže byť udaná tabelárne, alebo matematickým modelom RRS, alebo LNR, alebo inou špeciálnou analytickou funkciou, ktorej oblasť platnosti musí byť vo väčšine prípadov takýchto funkcií vymedzená. Tvar dispergovaných častíc sa priamo pri výpočte cyklónov neuvažuje, pretože sa počíta s ekvivalentnými guľovými časticami, kde ekvivalencia je podľa usadzovacej rýchlosti. Pre výpočet ekvivalentného súčiniteľu trenia λ t odlúčených častíc na stenu odlučovacieho priestoru cyklónu ekvivalencia podľa usadzovacej rýchlosti nevyhovuje, a preto sa pri výpočte využíva veličina nazývaná objemová hmotnosť, ktorá býva tiež označovaná ako sypná hustota. Objemová hmotnosť súvisí s hustotou častíc ρ t a ich tvarom. 23
3.4 Relatívny prepad, relatívny výtok Podľa obr. 9 prúd tekutej zmesi, ktorý vstupuje do cyklónu sa rozdelí na dva výstupné prúdy. Výstupnému prúdu nadol hovoríme výtok a výstupnému prúdu smerom nahor hovoríme prepad. Zavedieme si bezrozmerné koeficienty rozdeľovania vstupného prúdu, ako pomer niektorého výstupného prúdu k prúdu vstupnému. Pod prúdom budeme rozumieť objemový tok suspenzie, alebo objemový tok disperznej tekutiny, alebo objemový tok dispergovaných častíc. Obr. 9 Označenie tokov látky v cyklóne Tak dostávame relatívny prepad suspenzie K ps, relatívny prepad tekutiny K pl, relatívny prepad dispergovaných častíc K pt : relatívny výtok suspenzie K ks, relatívny výtok tekutiny K kl a relatívny výtok dispergovaných častíc K kt : 24
Z obr. 9 tiež pre zanedbateľnú akumuláciu bilancovanej látky v cyklóne vyplýva možnosť prijať nasledovné bilančné rovnice: Z definičných rovníc (3.4-9) až (3.4-14) a z bilančných rovníc (3.4-15) až (3.4-17) vyplýva platnosť týchto troch rovníc: a pre zanedbateľnú vzájomnú rozpustnosť disperznej tekutiny a dispergovaných častíc môžeme pre tok suspenzie cez prepadovú rúru cyklónu napísať: Keď v zmysle rovníc: ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ dosadíme za a v rovnici (3.4-21), potom dostaneme závislosť medzi relatívnymi prepadmi: ρ ρ ρ ρ ρ ρ Vo výpočtoch cyklónov budeme častejšie používať hodnotu relatívneho prepadu tekutiny K pl, ktorý vyjadríme z rovnice (3.4-24): ρ ρ 25
3.5 Odlučovanie cyklónov Pri praktickom použití cyklónov sa predovšetkým zaujímame o ich odlučovaciu schopnosť a o ich energetickú náročnosť. Tieto vlastnosti opisuje odlučovacia charakteristika a energetická charakteristika cyklóna v závislosti od prietoku tekutiny. Odlučovanie v cyklóne je spôsobené vírovým rýchlostným poľom prúdiacej tekutiny a častíc, ktoré je spôsobené tangenciálnym prívodom tekutiny do valcovej časti cyklónu. Vplyvom vírového pohybu vzniká odstredivé silové pole, ktoré spôsobuje usadzovací pohyb hustejších častíc v tekutej zmesi v radiálnom smere k stene dutého valca a kužeľa. Odtiaľ sú častice špirálovým pohybom prúdiacej tekutiny dopravované až do výtokového otvoru. Tiažové účinky sú na pohyb častíc vo väčšine cyklónov zanedbateľné oproti účinkom odstredivého a prúdového poľa. Tekutina bez odlúčených častíc sa okrem krúživého tangenciálneho pohybu pohybuje aj axiálno-radiálne k osi cyklónu a v jej blízkosti prudko mení axiálny smer pohybu smerom do prepadovej rúry. Odlučovanie je ovplyvnené veľkosťou častíc, ich geometrickými tvarmi, geometrickými a fyzikálnymi vlastnosťami stien odlučovacieho priestoru cyklónu. Veľký vplyv majú aj fyzikálne vlastnosti prúdiacej kvapaliny a častíc, ako aj objemová koncentrácia častíc v tekutine. Odlučovací proces prebieha v mimoriadne zložitých fyzikálnych súvislostiach. 3.5.1 Odlúčivosť a účinnosť odlučovania cyklónov Odlúčivosť cyklónov sme definovali ako veľkosť častíc δ 50 odlučovaných v cyklóne s 50% pravdepodobnosťou. Keď majú dispergované častice väčšiu hustotu ako disperzná tekutina, potom sa väčšie častice ako δ 50 odlučujú do výtoku s väčšou účinnosťou a častice menšie s menšou účinnosťou. Pre cyklóny, v ktorých všetka tekutina vstupujúca prívodnou rúrou vystupuje z cyklónu iba prepadovou rúrou, sa účinnosť odlučovania η môže definovať ako pomer hmotnosti častíc odvedených z cyklónu výtokovým otvorom a hmotnosti častíc privedených do cyklónu vstupnou rúrou. Pre cyklóny, v ktorých sa tekutina okrem odvodu prepadovou rúrou odvádza aj cez výtokový otvor, by uvedená účinnosť odlučovania nebola výstižná a dokonca pre extrémny prípad prevádzky cyklónu, keď bola uzavretá prepadová rúra a všetka tekutina s časticami by odchádzala cez výtokový otvor, by uvedená definícia 26
účinnosti odlučovania dávala nesprávnu hodnotu η definíciu účinnosti odlučovania.. Preto zavedieme inú, univerzálnejšiu V literatúre sa vyskytujú viaceré definície celkovej účinnosti odlučovania η c z nameraných tokov disperznej tekutiny a dispergovaných častíc. Uvedieme najrozšírenejšie definície. Kelsallova definícia: Rietemova definícia: Brauerova definícia: Z rovnice (3.5.1-28) môžeme konštatovať, že Brauerová definícia η c je iba inou formou zápisu Kelsallovej definície η c. V časovom poradí publikovania štvrtou definíciou η c je definícia: Pri vzájomnom porovnaní štyroch uvedených definícií η c sa javí ako najvhodnejšia Kelsallova, alebo ekvivalentná Brauerová definícia, pretože vyhovujú všetkým testačným kritériám [1]. Najnovšia definícia: Môžeme konštatovať, že aj η c podľa rovnice (3.5.1-30) vyhovuje tiež všetkým kritériám, rovnako ako η c podľa Kelsalla. 27
4 Návrh experimentálnej stanice Jednou z úloh diplomovej práce bolo navrhnúť a zostaviť experimentálnu stanicu umožňujúcu meranie prevádzkových charakteristík hydrocyklónu s výtokom odlúčených častíc do hermeticky uzatvoreného zásobníka a tiež s voľným výtokom skoncentrovanej suspenzie. Navrhnutá experimentálna stanica je podrobne znázornená na výkrese 5.2.49/1965/11-1. Schéma experimentálnej stanice je na obr. 10. Experimentálny hydrocyklón je znázornený na výkrese 5.2.49/1965/11-0 a zjednodušene aj na obr. 11. Výkresy sú súčasťou prílohy práce. Obr. 10 Schéma experimentálnej stanice 28
1 hydrostatické čerpadlo, 2 manometer na vstupnom potrubí do cyklónu, 3 hydrocyklón, 4 manometer na potrubí za prepadovou rúrou, 5 škrtiaci ventil, 6 trojcestný kohút, 7 hermeticky uzatvorený zásobník, 8 kohút, 9 pohon miešadla, 10 zásobná nádrž so suspenziou, 11 miešadlo, 12 výpustný kohút Experimentálna stanica pozostáva z hydrocyklónu 3, ktorý je uchytený v nosnom ráme. Stanica ďalej obsahuje zásobnú nádrž so suspenziou 10 s miešadlom 11, ktorého pohon je zabezpečený prostredníctvom elektromotoru 9. Do nádrže môže byť napustená suspenzia, ktorej rovnorodosť je zabezpečená miešaním pomocou vrtuľového miešadla s konštantným stúpaním závitovky. Suspenzia z nádrže je do vstupného otvoru hydrocyklónu vháňaná hydrostatickým čerpadlom 1, ktoré je cez pevnú spojku poháňané elektromotorom. Frekvenciu otáčania elektromotora budeme regulovať frekvenčným meničom. Pôvodne bol zámer použiť hydrodynamické čerpadlo, ale kvôli problémom s tesnením sa nakoniec použilo hydrostatické objemové vretenové čerpadlo. Na vstupe do hydrocyklónu sa meria tlak p e manometrom 2. V hydrocyklóne 3 prebieha odlučovanie častíc. Odlúčené častice vychádzajú cez výtokový otvor na konci kužeľa s malým množstvom tekutiny. Disperzná kvapalina odchádza cez prepadovú rúru obsahujúca malé množstvo neodlúčených častíc. Na potrubí za prepadovou rúrou meriame tlak p p manometrom 4. Obidva prúdy sa vracajú naspäť do zásobnej nádrže. Na vypustenie suspenzie z nádrže slúži výpustný kohút 12. Hlavné rozmery hydrocyklónu 3 vyplývajú z obr. 11. Je to hydrocyklón so závitovkovým vstupným kanálom obdĺžnikového prierezu. Konštrukcia tohto hydrocyklónu umožňuje meniť veľkosť výtokového otvoru D k a veľkosť vnútorného priemeru valcovej prepadovej rúry D p. Hydrocyklón je vyrobený z vullkolanu, čo je plastická látka s veľmi dobrými vlastnosťami z hľadiska erozívneho namáhania činných povrchov hydrocyklónu. Pre experimentálne merania boli použité tieto konkrétne rozmery cyklónového aparátu: Celková činná výška H c = 371 mm Vnútorný priemer valcovej časti odlučovacieho priestoru D c = 42 mm Vstupný kanál obdĺžnikového prierezu rozmerov 7x12 mm Stúpanie vstupnej závitovky 11,4 mm Výška valcovej časti odlučovacieho priestoru H v = 28 mm Výška kužeľovej časti odlučovacieho priestoru H k = 343 mm Priemer výtokového otvoru D k = 9 mm Vnútorný priemer prepadovej rúry D p = 14 mm 29
Vonkajší priemer prepadovej rúry 32 mm Obr. 11 Hlavné rozmery experimentálneho hydrocyklónu Fotografie experimentálnej stanice a jej niektorých častí sú uvedené na obrázkoch 12 až 14. Obr. 15 obsahuje detailné fotografie výtokového otvoru experimentálneho hydrocyklónu bez dýzy a s dýzou. 30
4 3 2 5 6 1 Obr. 12 Fotografia experimentálnej stanice 1 hydrostatické čerpadlo, 2 manometer na vstupnom potrubí do cyklónu, 3 hydrocyklón, 4 manometer na potrubí za prepadovou rúrou, 5 pohon miešadla, 6 zásobná nádrž so suspenziou 31
Obr.13 Fotografia zásobníka Obr. 14 Hydrocyklón so zásobníkom bez dýzy s dýzou Obr. 13 Výtoková časť hydrocyklónu 32
5 Experimentálna časť Pri meraní odlučovacích charakteristík experimentálneho hydrocyklónu (číslo výkresu 5.2.49/1965/11-0) zapojeného do experimentálnej stanice (číslo výkresu 5.2.49/1965/11-1) budeme sledovať separačný proces, keď je hydrocyklón prevádzkovaný s výtokom do hermeticky uzatvoreného zásobníka, pripojeného za výtokovým otvorom, alebo s voľným výtokom. 5.1 Použitá modelová suspenzia Na experimentálne merania bola použitá modelová suspenzia pozostávajúca z častíc vápenca s veľkosťou do 0,1 mm, ktorej presné frakčné zloženie je uvedené v kapitole 5.1.2 s koncentráciou 10 % hmotnostných. V rámci experimentálnych meraní bolo potrebné určiť vlastnosti vápencových častíc. Medzi tieto vlastnosti patrí hustota, veľkosť dispergovaných častíc. 5.1.1 Stanovenie hustoty častíc modelovej suspenzie pyknometrickou metódou Hustota ρ homogénnej látky je definovaná ako pomer jej hmotnosti m ku objemu V, ktorý látka zaberá. Vyjadruje vlastnosť látky danú zložením a nezávisí od miesta merania, iba od jeho základných podmienok. Stanovenie hustoty malých tuhých telies: V prvom kroku naplníme pyknometer destilovanou vodou a odvážením získame hmotnosť m 2. Potom odlejeme z pyknometra asi polovicu vody a odvážením získame hmotnosť m 3. V ďalšom kroku do neho nasypeme cca dve lyžičky častíc modelovej suspenzie, čo zodpovedá približne jednej tretine objemu pyknometra. Odvážením získame hmotnosť m 4. Nakoniec pyknometer doplníme destilovanou vodou po vrch a odvážime. Získame hmotnosť m 5. Pre presnejšie stanovenie hustoty meranie opakujeme 4 krát. Hustotu použitej destilovanej vody určíme na základe jej teploty z tabuliek: T H2O C > ρ H2O = 998,3346 kg.m -3 33
Tab. č. 5-1 Hmotnosti zistené pri stanovení hustoty častíc suspenzie číslo merania m 2 (g) m 3 (g) m 4 (g) m 5 (g) 1 74,6648 50,3502 61,0468 81,4380 2 73,2669 46,9895 60,2608 81,7060 3 73,4683 46,4236 58,2836 81,0423 4 73,4732 44,3322 55,5067 80,5821 Priemerom vypočítaných hustôt dostaneme výslednú hustotu skúmaného vápenca: 34
5.1.2 Frakčné zloženie častíc suspenzie V tabuľke číslo 5-2 je uvedené frakčné zloženie častíc použitej modelovej suspenzie, pričom je tam usporiadanie podľa veľkosti a podľa početnosti jednotlivých frakcií. Na obr. 16 je graf znázorňujúci frakčné zloženie častíc dvoma spôsobmi. Vyjadrenie početnosti v percentách a kumulatívnou funkciou. Tab. č. 5-2 Frakčné zloženie častíc suspenzie Obr. 16 Graf frakčného zloženia častíc suspenzie 35
5.2 Metodika merania Experimentálne merania sa vykonávali pri podmienkach výtoku odlúčených častíc do hermeticky uzatvoreného zásobníka pripojeného k výtokovému otvoru na konci kužeľovej časti hydrocyklónu a tiež pri podmienkach voľného výtoku. V prípade prevádzkového stavu hydrocyklónu s hermeticky uzatvoreným zásobníkom je postup merania nasledovný. Suspenzia z výtokového otvoru prúdi do zásobníka 7, za ktorým je otvorený uzatvárací kohút 8. Následným uzatvorením kohúta 8 sa zásobník stáva hermeticky zatvorený a začne sa plniť zachytenou suspenziou. Do prepadu pôjde tok, ktorý zodpovedá prevádzkovému stavu hydrocyklónu s hermeticky uzatvoreným zásobníkom. Počas plnenia zásobníka časticami treba merať čas a v prepadovej vetve tlak p p, prietok a odobrať vzorku na určenie zloženia suspenzie v prepade. Meranie prietoku a zloženia suspenzie z prepadovej rúry je rovnaké ako v prípade prevádzky hydrocyklónu s voľným výtokom. Veľkosť výtoku častíc do zásobníka vyplynie z množstva zachytených častíc za určitý čas. V prípade voľného výtoku suspenzie z výtokového otvoru hydrocyklónu je postup merania nasledovný. Pre merania na experimentálnej stanici (číslo výkresu 5.2.49/1965/11-1) bola použitá suspenzia vápencové častice s vodou. Merania boli uskutočňované v sériách, pričom pred začiatkom a po ukončení každej sérii meraní bola odmeraná teplota použitej suspenzie v zásobnej nádrži. Postup merania je nasledovný. Spustíme miešadlo 11 a necháme suspenziu zhomogenizovať. Spustíme čerpadlo 1. Pomocou otáčok čerpadla sa nastaví veľkosť vstupného prietoku do hydrocyklónu, ktorému zodpovedá tlak suspenzie pred vstupom do hydrocyklónu p e meraný pomocou manometra 2, pričom škrtiaci ventil 5 na výstupnom potrubí z prepadovej rúry je úplne otvorený a preto tlak suspenzie p p za prepadovou rúrou je nulový. Hodnota tlaku p p je meraná manometrom 4. Prietoky z prepadovej rúry, výtokového otvoru, a hustoty suspenzie v týchto tokoch ρ p a ρ k pri konkrétnej hodnote tlakov p e a p p sú merané objemovou metódou. Po odmeraní prietokov a a výpočte hustôt suspenzie ρ p a ρ k sa priškrtí prietok cez prepadovú rúru škrtiacim ventilom 5. V dôsledku priškrtenia prietoku cez prepadovú rúru sa zmení tlak suspenzie vystupujúcej z prepadovej rúry p p a tlak suspenzie pred vstupom do hydrocyklónu p e. Pri týchto nových prevádzkových podmienkach sa znovu merajú prietoky a a hustoty suspenzie ρ p a ρ k. Celý tento proces sa cyklicky opakuje až do úplného priškrtenia prietoku cez prepadovú rúru. 36
5.2.1 Meranie prietoku a hustoty suspenzie Meranie prietoku suspenzie z prepadovej rúry a z výtokového otvoru hydrocyklónu sa uskutočňuje objemovou metódou. Do pripravených nádob zachytíme určité množstvo suspenzie za určitý čas. Čas meriame pomocou stopiek. Časový interval zachytávania suspenzie do nádob z jednotlivých výstupných tokov je nutné prispôsobiť veľkosti týchto tokov z hydrocyklónu. Odobraté objemy suspenzie sa určia pomocou odmerných valcov. Meranie hustôt suspenzie vo výstupných tokoch z hydrocyklónu uskutočníme pomocou odobratých vzoriek suspenzie priamo z týchto tokov do pripravených odmerných nádob s vopred známou hmotnosťou a odmerným objemom. Hmotnosť odobratej vzorky sa určí pomocou elektronickej váhy a vypočíta sa hustota suspenzie odobratej vzorky. 5.2.2 Výpočet koncentrácie suspenzie a veľkosti toku dispergovanej zložky v suspenzii Koncentrácia suspenzie v jednotlivých tokoch je vyjadrená absolútnymi hmotnostnými zlomkami dispergovaných častíc v disperznej tekutine. Jej výpočet urobíme z nameranej hustoty suspenzie ρ s, ak poznáme hustoty disperznej tekutiny ρ l a dispergovaných častíc ρ t, podľa rovnice: Pre výpočet relatívneho výtoku tuhých častíc K kt podľa rovnice (3.4-14) potrebujeme poznať veľkosti tokov tuhých zložiek a. Ak poznáme absolútny hmotnostný zlomok dispergovaných častíc v tekutine, hustoty častíc a tekutiny, a tiež celkový objemový tok tekutej zmesi, potom veľkosť toku dispergovaných častíc v suspenzii vypočítame podľa rovnice: 37
5.3 Spracovanie a vyhodnotenie nameraných údajov V tejto kapitole sú uvedené výsledky experimentálnych meraní pre prípady činnosti hydrocyklónu s hermeticky uzatvoreným zásobníkom a s voľným výtokom bez použitia dýzy vo výtokovom otvore a s použitím dýzy vo výtokovom otvore. Výsledky meraní sú prezentované jednak vo forme tabuliek, a tiež vo forme grafov. Ďalej sa tu nachádza vzorový výpočet hodnôt uvedených v tabuľkách, ktoré sú použité na prezentáciu odlučovacích a hydrodynamických charakteristík. Tab. č. 5-3 Tabuľka hmotností a objemov odmerných nádob Hmotnosť a objem odmernej nádoby pre zisťovanie hustoty suspenzie Pre výtok M 1 [g] 27,59 V 1 [m 3 ] 5,33.10-4 Pre prepad M 2 [g] 27,57 V 2 [m 3 ] 5,42.10-4 Hustota tuhých častíc [kg/m 3 ] Meranie s hermeticky uzatvoreným zásobníkom Teplota suspenzie na začiatku expertízy [ C] 17,6 Teplota suspenzie na konci expertízy [ C] 18,7 Tab. č. 5-4 Meranie s hermeticky uzatvoreným zásobníkom č. m. [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [s] [kg/m 3 ] [-] [kg] [kg] 1 1,060 3,9 25 0 601,47 8045 232,2 1076,7 0,1142 2,55 0,197 2 1,405 3,3 50 0 596,77 8108 233 1067,9 0,1021 2,61 0,297 3 1,475 2,9 75 0 595,01 8050 231,1 1064,6 0,0976 2,56 0,205 4 1,190 2,1 100 0 592,43 8105 234,3 1059,7 0,0908 2,61 0,292 5 1,340 2,1 125 0 591,93 8070 232,9 1058,8 0,0895 2,58 0,237 6 1,360 1,7 150 0 590,92 8118 259,4 1056,9 0,0868 2,62 0,312 38
č. m. [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 ] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] 1 2,718 1,221 0,719 3,098 1,251 0,0248 2 4,258 1,696 1,083 4,648 1,742 0,0267 3 5,086 1,929 0,748 3,239 1,962 0,0165 4 5,67 1,992 1,066 4,383 2,036 0,0215 5 6,381 2,208 0,866 3,716 2,245 0,0166 6 8 2,68 1,140 4,396 2,724 0,0161 Výpočet objemu hermeticky uzatvoreného zásobníka: Výpočet hmotnosti zachytených častíc s vodou: Výpočet hmotnosti zachytených častíc v zásobníku: > 39
Výpočet objemu zachytených častíc v zásobníku: Výpočet objemového toku dispergovaných častíc vo výtoku cyklónu: / Výpočet objemovej hmotnosti tekutej látky v prepadovej rúre cyklónu: / Výpočet absolútneho hmotnostného zlomku dispergovaných častíc v prepadovej rúre: - hustota kvapaliny pri zodpovedajúcej teplote Výpočet objemového toku jemnej suspenzie v prepadovej rúre: / 40
K kt [-] Výpočet objemového toku dispergovaných častíc v prepadovej rúre: / Výpočet objemového toku dispergovaných častíc vo vstupe cyklónu: / Výpočet relatívneho výtoku dispergovanej (najčastejšie tuhej) látky z cyklónu: 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 p e [kpa] Graf č. 5-1 Grafická závislosť relatívneho výtoku dispergovanej látky z cyklónu od vstupného tlaku 41
Meranie s hermeticky uzatvoreným zásobníkom (Dýza s priemerom 6 mm vo výtokovom otvore) Tab. č. 5-5 Meranie s hermeticky uzatvoreným zásobníkom (dýza s priemerom 6 mm vo výtokovom otvore) č. m. [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [s] [kg/m 3 ] [-] [kg] [g] 1 1,290 4,6 25 0 591,02 8008 233,3 1057,1 0,0874 2,513 0,139 2 1,205 2,8 50 0 588,68 8055 233,9 1052,7 0,0809 2,56 0,213 3 1,450 3,0 75 0 587,13 8012 228,2 1049,8 0,077 2,517 0,146 4 1,330 2,1 100 0 584,97 8055 232 1045,7 0,0709 2,56 0,213 5 1,370 1,9 125 0 585,45 8035 230 1046,6 0,0725 2,54 0,182 6 1,350 1,6 150 0 584,27 8045 235,3 1044,4 0,0691 2,55 0,197 č. m. [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 ] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] 1 2,804 0,946 5,109 2,189 0,968 0,0226 2 4,304 1,339 7,78 3,326 1,372 0,0242 3 4,833 1,427 5,339 2,339 1,451 0,0161 4 6,33 1,714 7,78 3,35 1,747 0,0192 5 7,210 1,998 6,661 2,896 2,027 0,0143 6 8,438 2,224 7,208 3,063 2,255 0,0136 42
K kt [-] 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 p e [kpa] Graf č. 5-2 Grafická závislosť relatívneho výtoku dispergovanej látky z cyklónu od vstupného tlaku Meranie s voľným výtokom pri tlaku 50 kpa Teplota suspenzie na začiatku expertízy [ C] 24,2 Teplota suspenzie na konci expertízy [ C] 27,9 Tab. č. 5-6 Voľný výtok pri tlaku 50 kpa č. m. [l] [s] [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [m 3 /s] [m 3 /s] 1 1,315 11 1,290 4 50 0 665,77 569,07 1,19 3,23 2 1,470 6,1 1,215 6,7 70 10 624,96 569,63 2,41 1,81 3 1,525 5,6 1,225 8,7 80 15 613,86 571,00 2,72 1,41 4 1,295 3,5 1,495 38 85 20 605,87 583,78 3,7 0,39 43
č. m. [m 3 /s] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [-] [-] [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] [-] 1 4,42 1177,5 1015,9 0,029 0,241 1,23 3,47 1,58 0,778 0,269 2 4,22 1102,2 1016,9 0,031 0,150 1,45 2,08 1,66 0,873 0,571 3 4,13 1081,7 1019,5 0,034 0,123 1,32 1,78 1,49 0,886 0,659 4 4,09 1066,9 1043,5 0,070 0,103 1,48 1,04 1,58 0,937 0,904 Výpočet objemového toku jemnej suspenzie v prepadovej rúre: / Výpočet objemového toku hrubej suspenzie vo výtoku cyklónu: Výpočet objemovej hmotnosti tekutej látky v prepadovej rúre cyklónu: / / Výpočet objemovej hmotnosti tekutej látky vo výtokovom otvore cyklónu: 44 /
Výpočet absolútneho hmotnostného zlomku dispergovaných častíc v prepadovej rúre: - hustota kvapaliny pri zodpovedajúcej teplote Výpočet absolútneho hmotnostného zlomku dispergovaných častíc vo výtokovom otvore: Výpočet objemového toku dispergovaných častíc v prepadovej rúre: / Výpočet objemového toku dispergovaných častíc vo výtoku cyklónu: / Výpočet objemového toku dispergovaných častíc vo vstupe cyklónu: 45 /
Výpočet relatívneho výtoku dispergovanej (najčastejšie tuhej) látky z cyklónu: Výpočet relatívneho výtoku zmesi látky (suspenzie) z cyklónu: Výpočet celkovej účinnosti odlučovania hydrocyklónu podľa Kelsallovej definície : Z Kelsallovej definície vyjadrenej rovnicou sa úpravou získa rovnica priamky, pričom parametre tejto priamky a druhá mocnina koeficientu korelácie sú uvedené v grafe č. 5-2 46
K kt [-] 1,2 Odlučovacia charakteristika 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kkt = 0,7038 + Kks 0,2806 R² = 0,9722 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 K ks [-] Graf č. 5-3 Grafická závislosť relatívneho výtoku dispergovanej látky z cyklónu od relatívneho výtoku zmesi látky (suspenzie) z cyklónu pri tlaku 50 kpa Meranie s voľným výtokom pri tlaku 100 kpa Tab. č. 5-7 Voľný výtok pri tlaku 100 kpa č. m. [l] [s] [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [m 3 /s] [m 3 /s] 1 1,140 6,9 1,240 2,5 100 0 661,70 569,07 1,65 4,96 2 1,195 5,5 1,500 3,9 115 10 638,94 567,38 2,17 3,85 3 1,300 5,3 1,280 3,6 125 20 632,78 567,38 2,45 3,56 4 1,540 5,2 1,425 4,9 140 30 624,73 567,66 2,96 2,91 5 1,385 4,0 1,480 6,6 150 40 618,79 568,24 3,46 2,24 6 1,185 3,0 1,290 9,2 160 50 614,54 572,27 3,95 1,40 7 1,220 2,4 1,410 48 170 60 599,96 598,73 5,08 0,29 47
K kt [-] č. m. [m 3 /s] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [-] [-] [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] [-] 1 6,61 1169,9 1015,9 0,029 0,232 1,63 5,34 2,16 0,755 0,249 2 6,02 1127,9 1012,7 0,024 0,183 1,64 3,42 1,98 0,828 0,360 3 6,01 1116,6 1012,7 0,025 0,169 1,69 3,29 2,02 0,837 0,408 4 5,87 1101,7 1013,3 0,026 0,149 1,77 2,79 2,05 0,863 0,504 5 5,7 1090,8 1014,4 0,028 0,136 1,87 2,32 2,10 0,890 0,607 6 5,35 1082,9 1021,9 0,039 0,126 1,97 2,04 2,17 0,908 0,738 7 5,37 1056,1 1071,6 0,111 0,089 1,74 1,26 1,87 0,930 0,946 1,2 Odlučovacia charakteristika 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kkt = 0,7213 + Kks 0,2578 R² = 0,9159 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 K ks [-] Graf č. 5-4 Grafická závislosť relatívneho výtoku dispergovanej látky z cyklónu od relatívneho výtoku zmesi látky (suspenzie) z cyklónu pri tlaku 100 kpa 48
Meranie s voľným výtokom pri tlaku 150 kpa Teplota suspenzie na začiatku expertízy [ C] 23,5 Teplota suspenzie na konci expertízy [ C] 24,5 Tab. č. 5-8 Voľný výtok pri tlaku 150 kpa č. m. [l] [s] [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [m 3 /s] [m 3 /s] 1 1,180 6,3 1,505 2,5 150 0 674,52 569,62 1,87 6,02 2 1,505 7,5 1,155 2,0 160 10 660,06 569,11 2,01 5,78 3 1,135 4,8 1,330 2,8 170 20 649,76 568,07 2,36 4,75 4 1,110 4,1 1,300 2,9 180 30 640,16 568,00 2,71 4,48 5 1,595 5,2 1,520 3,9 190 40 636,54 567,67 3,07 3,89 6 1,365 4,0 1,520 4,3 200 50 630,93 568,07 3,41 3,53 7 1,205 3,0 1,410 5,1 210 60 628,94 568,86 4,02 2,76 8 1,285 2,9 1,405 6,2 220 70 617,75 570,52 4,43 2,27 č. m. [m 3 /s] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [-] [-] [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] [-] 1 7,89 1193,6 1016,9 0,030 0,259 2,11 6,71 2,78 0,759 0,237 2 7,79 1166,9 1015,9 0,029 0,228 1,95 6,22 2,57 0,759 0,258 3 7,11 1147,9 1014,1 0,026 0,206 2,04 4,57 2,49 0,819 0,332 4 7,19 1130,2 1013,9 0,026 0,185 2,07 4,31 2,50 0,828 0,377 5 6,96 1123,6 1013,3 0,025 0,177 2,23 3,59 2,59 0,861 0,441 6 6,94 1113,2 1014,0 0,026 0,164 2,27 3,39 2,61 0,869 0,491 7 6,78 1109,5 1015,5 0,028 0,159 2,59 2,86 2,88 0,899 0,593 8 6,7 1088,9 1018,6 0,033 0,132 2,32 2,79 2,60 0,892 0,661 49
4,09 4,13 4,22 4,42 5,35 5,37 5,7 5,87 6,01 6,02 6,61 6,7 6,78 6,94 6,96 7,11 7,19 7,79 7,89 Δp [kpa] K kt [-] Odlučovacia charakteristika 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kkt = 0,7051 + Kks 0,3053 R² = 0,9484 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 K ks [-] Graf č. 5-5 Grafická závislosť relatívneho výtoku dispergovanej látky z cyklónu od relatívneho výtoku zmesi látky (suspenzie) z cyklónu pri tlaku 150 kpa Hydrodynamická charakteristika 160 140 120 100 80 60 40 20 0 V es [m3/s].10-4 Graf č. 5-6 Grafická závislosť tlakovej straty od objemového toku suspenzie pri vstupe do cyklónu 50
Meranie s voľným výtokom pri tlaku 50 kpa (Dýza vo výtokovým otvore s priemerom 6 mm) Teplota suspenzie na zač. expertízy [ C] 26,7 Teplota suspenzie na konci expertízy [ C] 31,3 Tab. č. 5-9 Voľný výtok (dýza vo výtokovým otvore s priemerom 6 mm) pri tlaku 50 kpa č. m. [l] [s] [l] [s] [kpa] [kpa] [g] [g] [m 3 /s] [m 3 /s] 1 1,540 39,1 1,100 3,1 50 0 706,81 571,81 0,39 3,55 2 1,945 32,6 1,390 4,9 60 10 692,44 571,14 0,59 2,84 3 1,525 18,6 2,035 8,6 70 20 677,37 571,62 0,82 2,37 4 1,605 13,7 1,265 6,0 80 30 632,88 570,02 1,17 2,11 5 1,400 4,8 1,495 45,7 90 40 600,76 587,82 2,92 0,33 č. m. [m 3 /s] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [-] [-] [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [-] [-] 1 3,94 1253,2 1021,1 0,038 0,322 0,57 5,03 1,07 0,533 0,099 2 3,43 1226,7 1019,8 0,036 0,295 0,78 3,81 1,16 0,672 0,172 3 3,19 1198,9 1020,7 0,038 0,266 0,96 3,36 1,29 0,744 0,257 4 3,28 1116,8 1017,7 0,033 0,169 0,81 2,59 1,07 0,757 0,357 5 3,25 1057,5 1051,1 0,082 0,091 1,03 1,04 1,14 0,904 0,898 51