Разделяющая способность и расходные характеристики гидроциклонных аппаратов во многом определяются гидродинамикой закрученного жидкостного потока в рабочей зоне аппаратов. Данному вопросу посвящено большое количество работ. При этом в качестве отправной точки и предмета исследований в большинстве случаев принимались цилиндроконические напорные гидроциклоны с осевым выводом продуктов разделения.

До настоящего времени имеются две различные точки зрения на строение потоков жидкости в гидроциклонах. Согласно исследованиям, результаты которых приводятся в работах М.Г. Акопова, А.И. Жангарина переход жидкости из нисходящего потока в восходящий происходит по всей высоте конуса, имея при этом переменный характер по вертикали [1, 2]. По другим данным, основная часть жидкости поступает в восходящий поток в нижней части конуса, при этом в середине конуса между потоками существует замкнутый кольцевой вихрь, в котором жидкость одновременно с вращением вокруг оси перемещается с наружной стороны вихря в направлении к нижнему патрубку, а с внутренней – в направлении к верхнему патрубку [3, 4, 5].

В.В. Найденко указывает, что на изменение структуры потоков оказывают влияние конструктивные размеры гидроциклонов. При этом меняются линии токов внешнего потока, зоны циркуляции могут иметь пренебрежимо малые размеры. А так-же размеры, исключение которых приводит к ощутимым ошибкам в расчетах [6].

А.И. Поваров и В.Г. Барский отмечают, что вращательное движение жидкости обычно возникает при истечении из отверстий даже при отсутствии тангенциального подвода («воронкообразование»). При этом общее гидравлическое сопротивление аппарата препятствует про­хождению суммарного расхода жидкости через нижнее разгрузочное от­верстие, вследствие чего большая часть потока меняет направление своего движения и выводится через верхний сливной патрубок [6, 7].

Подобный характер течения, а именно наличие внешнего и внутреннего потоков и расположенной между ними циркуляционной зоны (рисунок 1), установлен в результате исследования движения закрученного потока в цилиндрическом канале, проведенного А.А. Халатовым, В.В. Жизняковым и В.В. Найденко. Моделируя движение жидкости в сливном патрубке гидроциклона, они, в качестве закручивающего (разгонного) элемента применяли четырехлопастную вертушку, формирующую профиль вращательной скорости, близкий к закону «твердого тела» [8].

Рисунок 1. Структура потоков в цилиндроконическом гидроциклоне (пунктиром обозначены оболочки нулевых вертикальных скоростей): а – по А.И. Поварову; б – по Г. Тарьяну; в – по Д. Брэдли

Анализируя формирование и структуру закрученных потоков в гид­роциклонах, в цилиндрических каналах, а также в аппаратах с мешалками и в кольцевом канале между соосными цилиндрами, один из которых (внутренний) вращается [9, 10], можно заключить, что образование замкнутых циркуляционных вихрей является общим свойством закрученных потоков. Отличие во взглядах различных исследователей, как отмечает А.И. Поваров, заключается именно в представлении о положении, количестве и роли циркуляционных потоков, а также о месте перемены внешним потоком направления своего движения. От решения этого вопроса в общем случае зависит принятие определенной схемы процесса центробежной сепарации в аппаратах гидроциклонного типа.

Траектория твердых частиц, а, следовательно их местоположение и, в конечном итоге, разделяющая способность аппарата зависят от силового взаимодействия в радиальном направлении и прежде всего от взаимодействия результирующей центробежной силы и силы сопротивления, определяемой законом Стокса. [7].

Движение закрученного потока и, в частности, движение жидкости в аппаратах гидроциклонного типа может быть представлено как ре­зультирующее движений в трех направлениях: тангенциальном (ок­ружном), осевом (вертикальном) и радиальном. В связи с этим различают тангенциальную, осевую и радиальную составляющие скорости потока.

Подводя итог нужно отметить, что в гидроциклонных аппаратах на процесс разделения большое влияние оказывает тангенциальная составляющая скорости жидкости, которая в процентном отношении от суммарной скорости потока составляет 90-95% [6]. Поэтому наиболее важной задачей при проведении исследований, является изучение распределения именно этой скорости в объеме аппарата.

1. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. – М:. Наука, 1994 г. – 350 с.
2. Жангарин А.И. О гидравлическом расчете гидроциклона // Вести. АН КазССР. 1962. № 10. С. 55-64.
3. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М.: Недра. 1978. 232 с.
4. Ратманов А.А. Исследование работы гидроциклона с направляющим аппаратом: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Л., 1967.
5. Смирняков В.В. Исследование путей механизации и повышения качества очистки промывочных растворов при бурении шахтных стволов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Л., 1958.
6. Найденко В.В. Применение математических методов и ЭВМ для оптимизации и управления процессами разделения суспензий в гидроциклонах. Горький: Волго-Вят. кн. издательство, 1976. 287 с.
7. Барский В.Г. О методе расчета производительности гидроциклона // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1963. № 6. С. 51-63.
8. Халатов А.А., Жизняков В.В., Найденко В.В. Гидродинамика закрученного потока в выходном канале гидроциклона // Исследование и промышленное применение гидроциклонов. Горький, 1981. С. 206-208.
9. Соколов В.А. Изучение взаимосвязи и влияния гидравлических и конструктивных параметров на эффективность очистки воды в гидроциклонах: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1976.
10. Соколов В.А. К вопросу оптимизации размеров гидроциклонов / Исследование и промышленное применение гидроциклонов. Горький, 1981. С. 191-195.

Все статьи автора «Токмаков Евгений Александрович»