сятков
километров. 26 мая 1917 г. торнадо, пройдя 469 км над штатами Иллинойс и
Индиана, произвел там сильные разрушения. Он существовал 7 ч 20 мин и двигался
со скоростью курьерского поезда. Другой торнадо в 1931 г. в штате Миннесота
поднял в воздух железнодорожный вагон с 117 пассажирами, перенес его на 24 м и
без повреждений опустил в кювет. Никто из пассажиров не пострадал.

Как и все
циклонические явления, связанные с вращением наружных слоев воздуха, торнадо в
середине имеет "глаз", в котором образуется вакуум.

А теперь
попробуйте представить себе работу искусственно образованных смерчей и торнадо
средней мощности. Не нужно было бы строить дымовых труб. Созданный над
выбросным патрубком дымососа смерч поднимал бы вверх на тысячи метров описанную
Фламмарионом полупрозрачную трубку, по которой с огромной скоростью потянулся
бы дым. Смерч диаметром чуть побольше можно применить для вентиляции открытых
карьеров. А на участках, где производятся сварочные работы, такие смерчи или
торнадо просто необходимы. Они бы мгновенно избавляли сварщиков от угарного газа,
аэрозолей марганца и других вредностей.



ПРИРУЧЕНИЕ СМЕРЧА



С давних пор
инженеры начали приручать циклонические явления. Тот же Жозеф Ранк, когда
исследовал лабораторную модель циклона, нашел в ней все те же качества, что и в
одноименных природных явлениях: снижение давления и температуры в центре,
повышение на периферии.

А вот что
писал В. Майер: "Смерч -- одно из самых грандиозных и загадочных явлений
природы. Энергия его настолько велика, что почти никто и ничто не может
выдержать схватку со смерчем. Каким образом смерч переносит тяжелые предметы
порой на весьма значительные расстояния? Как он образуется? На эти и многие
другие вопросы современная наука не в состоянии дать исчерпывающих ответов".
Далее предлагается самим читателям сделать водяную модель смерча в стакане
воды, на дне которого установлен микроэлектродвигатель, используемый в детских
игрушках. Нужно только облепить его снаружи пластилином, чтобы в него не попала
вода, а на валик надеть латунный диск. Провода от двигателя выводятся наружу к
батарейке от карманного фонаря. Остается налить на воду слой подсолнечного
масла и включить ток. Диск начнет вращаться и увлечет за собой жидкость. Через
некоторое время в ней образуется воронка -- смерч в стакане воды...

В океане
также возникают вихри, подобные атмосферным циклонам, антициклонам и даже
торнадо. Это колоссальные массы воды диаметром в десятки и даже сотни
километров. Природа возникновения этих вихрей тоже пока не выяснена. Но
интересно, что к югу от Гольфстрима водяные вихри вращаются по часовой стрелке,
а к северу -- против часовой стрелки. Торнадо же и другие атмосферные
циклонические системы, возникающие в северном полушарии, вращаются против
часовой стрелки, а в южном -- по часовой. Громадные ветро- и гидроэлектростанции
можно установить, если "приручить" вращающиеся потоки воздуха и воды. Но все
это только после того, как будут полностью раскрыты секреты природы. А что
можно сделать уже сейчас? Ведь не можем же мы сидеть сложа руки.

В 1945 г.
немецкий физик Р. Хилш занялся исследованиями, начатыми Ж. Ранком. Он
обнаружил, что если в цилиндрическую камеру по касательной через сопло подавать
сжатый воздух, то в центре трубы возникнет вихревой поток, в который по оси
будет подсасываться воздух из окружающей атмосферы. На этом принципе был создан
эжектор, способный отсасывать вредные газы. Впоследствии исследователь
продолжил свои опыты. Постепенно, перекрывая подсос по оси, он достиг того, что
с периферии вихревой трубки пошел горячий, а из центра -- холодный воздух.
Несмотря на то что коэффициент полезного действия холодильника, работающего на
этом принципе, значительно ниже обычного, в некоторых отраслях техники он нашел
применение,

В жаркие
летние дни даже в нашем умеренном климате в пыли проселочных дорог возникают
небольшие вихри. Их даже можно смоделировать, если закопать в канавку кусок
резинового шланга, конец его направить вверх, вокруг него поставить несколько
дощечек так, чтобы образовалась завихривающая крыльчатка. К свободному концу
шланга подключается расходный патрубок вентилятора от автомобиля -- и прибор
готов. Как только заработает мотор, из шланга вырвется струя воздуха и увлечет
за собой лежащую на дороге нагретую пыль. Проходя в зазорах между дощечками,
пыль войдет в поток по касательной и образует настоящий маленький смерч.

Известный
изобретатель Д. М. Левчук рассказывал, как однажды наблюдал такой небольшой
природный вихрь, который подхватил на дороге палку, поставил ее вертикально и,
медленно покачивая, понес вдоль дороги. На пути нижний конец палки описал
спираль и попал в отверстие ступицы лежавшего на дороге тележного колеса.
Теперь на этом принципе работает ряд сконструированных Д. М. Левчуком
механизмов по сборке различных узлов, состоящих из детали с отверстием, в
которое нужно установить стержень.

Можно не
только ориентировать стержень на отверстие с помощью вихревой трубки, но и
ввернуть в гайку шпильку. Крутящий момент для этого вполне достаточен. На этом
же принципе работает вихревой автомат для сборки деталей производительностью
3600 шт. в час.

В последние
годы в цементной промышленности получил распространение сухой способ
производства, при котором сырье подается в печь не в виде шлама, а порошковое.
Вообще-то, сухой способ был известен давно, но широко применять его в цементной
промышленности не решались. Боялись, что горячие газы вынесут значительную
часть порошка в атмосферу. Нужна была такая конструкция, которая позволила бы
нагревать сырье во взвешенном состоянии. И тут вспомнили все тот же вихревой
эффект. Сотрудники института ВНИИцеммаш предложили конструкцию печи (о ней
говорилось в главе "Сколько стоит мешок дыма"). Там же были указаны и некоторые
недостатки сухого способа получения цемента. Вот еще один из них: при тепловой
обработке сухого порошкообразного сырья значительная часть его вылетала в
дымовую трубу.

Кроме того,
при работе циклонов на плохо подсушенной сырьевой муке в их конусной части
образуется зависание пыли. Зачастую для устранения таких сводов приходится
обстукивать нижнюю часть циклонов кувалдой. Отсюда вмятины, а то и пробоины,
которые еще более ухудшают работу системы обеспыливания. На некоторых заводах,
чтобы предотвратить забивание конусов, по центру циклонов подвешивают тяжелую
цепь, которая, вращаясь потоком воздуха, обстукивает горловину конусной части и
сбивает с нее настыли. В металлургии применяли вибраторы и периодически
включаемые пневматические молотки. Однако все эти приемы не намного отличаются
от обстукивания кувалдой или шуровки пылевыпускного отверстия ломом.

Так что
считать этот вопрос решенным рано. Любая временная мера остается временной.
Однажды я решил попытаться заменить лом воздушной струей. Вообще-то, сжатым
воздухом разбивать своды уже пробовали, но в данном случае задача была
посложнее -- нужно было отвести от основного потока только небольшую его часть и
направить в конус циклона.

Сначала мысль
показалась чуть ли не абсурдной: то, что удавалось при отборе проб пыли из
газохода, размеры которого не превышали 1 м, вряд ли могло пригодиться в
многометровом циклоне, применяемом в качестве конечного теплообменника в
цементном производстве. Чтобы не промахнуться, решили строить прозрачную
модель. Для начала из оргстекла построили двухметровую модель обычного циклона
и испытали ее на сырьевой муке. При производительности 2300 м3/ч и
сопротивлении 90мм вод. ст. коэффициент полезного действия установки составил
88%. Через полчаса работы в конусной части циклона уже начал образовываться
свод. Коэффициент полезного действия стал падать. Вторую часть опыта проводили
уже с установленным по оси циклона трубопроводом, ответвленным из входного
патрубка. Вот тут-то и произошло чудо! Одна часть запыленного потока стала
описывать характерную для циклонного процесса траекторию, а другая -- как в
описанном ранее пробоотборнике -- пронзила пылевой поток и образовала
интенсивный отбор пыли из вихря в бункер. Перепад давления между входным
патрубком и конусной частью циклона был настолько велик, что через центральную
трубу сверху вниз пылевой поток буквально бомбардировал воронку, соединяющую
циклон с бункером. Мы нарочно пытались образовать свод и подавали в циклон пыль
небывало большими дозами, но эффект осевой струи был сильнее. Свод не
образовывался ни при каких обстоятельствах. Мало того, при всех прежних данных
производительность циклона возросла до 2800 м3/ч, сопротивление снизилось до 78
мм вод. ст., а коэффициент полезного действия повысился до 93%. Стоимость
реконструкции грошовая -- кусок изогнутой трубы и четыре прутковые расчалки,
чтобы устье трубы было направлено точно на воронку.

Сейчас уже
испытаны почти все возможные варианты взаимодействия центральной трубы с
циклоном. Эффект -- неизменно положительный. В некоторых случаях такая
реконструкция позволит заменить вторую ступень очистки -- скруббер, или рукавный
фильтр.



ЧЕТЫРЕХУГОЛЬНЫЙ ЦИКЛОН



Долгие годы
на улицах оседали зола и пыль, вырывавшиеся из труб котельной столичного завода
"Галалит", пока в один прекрасный день не исчезли благодаря золоуловителю
системы Ярина. Среди многочисленных конструкций фильтров циклон, созданный
Яриным, пожалуй, самый простой (рис. 4). Он работает на естественной тяге,
создаваемой трубой. Такую установку можно сделать в любой механической
мастерской с минимальными затратами труда и средств.

Заслонка в
трубе направляет дым через отводящий патрубок в золоуловитель. Здесь он
попадает в своеобразный лабиринт, образованный тремя конусами, соединенными
между собой сваркой. Совершая спиральные витки, газ движется вверх к выхлопной
трубе. Твердые частицы пыли, удельный вес которых больше, чем у газа, под
действием центробежной силы ударяются о стенки лабиринта и падают в бункер.
Очищенный же от золы газ беспрепятственно возвращается в трубу.

Эффективность
пылеулавливания новым циклоном выше 90%. Это позволяет ему иногда конкурировать
с дорогими установками. Эксплуатация золоуловителя Ярина настолько проста, что
запуск его не потребовал ни одной дополнительной штатной единицы.







Рис.   4.
Квадратный  циклон:

1 -- корпус; 2
-- входной патрубок;

3 --
выходной  патрубок;  4 -- ось

спирали; 5 --
спираль; 6 -- затвор



"МАТРЕШКА"
ЛОВИТ ПЫЛЬ



Много лет
тому назад загорский токарь Звездочкин выточил первую матрешку. Милая-веселая
игрушка быстро завоевала мир. Свой многоступенчатый циклон изобретатели назвали
"матрешкой". Почему? Сейчас я постараюсь это объяснить.

Циклон --
аппарат  известный. Полый цилиндр с
конусным днищем и тангенциальным вводом -- самое простое и надежное устройство
для очистки запыленного газа.

Чем же он
хорош?

Рукавный
фильтр, колонна, заполненная кольцами Рашига, кассеты с электростатической
тканью -- все это очень эффективные устройства, но стоит их привести в действие,
как сопротивление проходу воздуха начинает расти. Если своевременно их не
прочистить, они быстро забиваются пылью. Имеют недостатки и другие устройства --
промывные оросительные камеры, ультразвуковые коагуляторы, электрофильтры,
барботажные аппараты и инерционные пылеуловители. Они эффективны лишь при одном
заданном режиме. Предельная скорость газа для этих устройств-- 1,5--2 м/с.

Прямо скажем,
скорость не современная. Ну а старый, добрый циклон в этом отношении молодец.
Прежде всего, сколько бы он ни работал, сопротивление его остается неизменным.
Пыль в нем ведь не задерживается. И как бы ни увеличивали скорость входа
запыленного газа в циклон, эффективность его не снизится.

Правда, есть
и в классическом циклоне своя ахиллесова пята. Та самая центробежная сила,
которая так полезна для выделения пылинок из потока, вредно влияет на
окончательный выход пылинок из циклона. Дело в том, что воздух тоже имеет свою
массу, и при вращении в циклоне частицы воздуха, как и пылинки, стремятся к
стенкам. В центре циклона возникает разреженное пространство. Оно располагается
по вертикальной оси циклона от трубы для входа очищенного воздуха до
пылевыпускного отверстия. Вот это разрежение и есть ахиллесова пята. Оно
захватывает часть пыли, выходящей из нижнего отверстия. Образуется нечто
подобное смерчу в пустыне, и от 5 до 50% пыли выносится не туда, куда нужно.

Снова и снова
мысли изобретателей возвращаются к классическому, сухому, циклону. А что
если?..

Напомним
диалектику этого устройства: центробежная сила улавливает пыль, но она же и
выносит уловленные частицы из пылеуловителя. Наша задача -- использовать ту же
-центробежную силу для предотвращения выноса уловленных частиц. Добиться того,
чтобы смерч работал против смерча. Так родилась идея многоступенчатого циклона-"матрешки".
Его авторы взяли простой циклон и поместили внутрь его другой, столь же простой
циклон, без всяких перегородок, с открытым нижним отверстием. Получилось как
раз то, что нужно. Запыленный воздух во внешнем циклоне вращается обычным
путем, потом входит через зазор между конусами внутреннего циклона в его
полость и начинает кружиться там.

Внутри
второго циклона можно поставить еще один или несколько циклонов, а движение
воздуха останется прежним. Появится и разреженное пространство. Но это уже не
страшно -- оно будет работать на нас. Разрежение, которое создавало смерч и
выносило уловленную пыль из циклона, теперь вытягивает пыль из пылевыпускных
отверстий внутренних циклонов. Такие многоступенчатые циклоны работают на пыли
различных удельных весов, различных фракций и конфигураций.

Теперь можно
смело строить циклон без скрупулезных расчетов его диаметра и высоты.

Скажем, нужна
такая-то производительность. Берете циклон с одной вставкой. Поставили,
включили. Ловит? Хорошо! Если из него вылетает пыль, ставьте внутрь еще точно
такую же вставку -- места в трубе достаточно.

Хорошо бы
наладить выпуск циклонов на одном из заводов вентиляционного оборудования.
Тогда предприятия могли бы купить столько циклонов и вставок, сколько им
потребуется. А пока приводим чертеж циклона-"матрешки" (рис. 5). Диаметр трубы
циклона нужно принять в зависимости от производительности, все остальные
размеры связаны с диаметром.

Из чего
делать циклоны? Из чего угодно. Из кровельного железа, из оцинковки, из
листовой полуторамиллиметровой стали, из винипласта.

Только одно
условие: избегайте неровностей на внутренних стенках конусов, сварные швы и
вмятины ухудшают эффект пылеулавливания. А вообще-то мы делали циклоны и со
швами, все равно 99% пыли они вылавливают.

Сопротивление
циклона можно определить, умножив скоростной напор на коэффициент сопротивления
циклона. Этот коэффициент мы получили опытным путем, он равен: для циклона с
одной вставкой -- 4,6, с двумя вставками -- 7,2. На каждую последующую вставку к
этому коэффициенту нужно прибавлять 1,7.

"Матрешка"
работает с одинаковыми показателями, если ее подключить к вентилятору, как на
всасывании, так и на нагнетании. Если улавливаемая пыль не обладает абразивными
свойствами, то лучше поставить ее на нагнетание. Это проще, бункер не потребует
такой плотной герметизации. Если на вашем предприятии есть пылящие циклоны
других известных конструкций, замерьте диаметр их внутренних труб и
спроектируйте для них вставки, как у "матрешек".







Рис.  5.
Многоступенчатый
циклон-"матрешка":

1 -- корпус; 2
-- входной патрубок; 3 -- выходной патрубок; 4 -- внутренняя труба; 5 -- конусный
корпус внутреннего циклона; б -- косые направляющие лопатки; 7 -- пылевыпускной
патрубок



ВЕНТИЛЯТОР -- ТУРБОФИЛЬТР



В атмосфере
текстильных предприятий, заводов искусственного волокна и меховых фабрик витают
частицы тонкой волокнистой пыли. Пылинки сталкиваются и осаждаются хлопьями на
станках и машинах, засоряют механизмы и вредят здоровью людей.

Казалось бы,
чего проще: поставить вентилятор -- и пыли не будет. Ведь известно немало
устройств, выделяющие из загрязненного воздуха силикатную пыль с помощью самой
простой осадительной камеры, классического циклона или барботажного аппарата.
Но для волокнистой пыли ни один из этих пылеуловителей не подходит.

Дело в том,
что этой пыли свойственна так называемая парусность. Пушинка взлетает при самом
незначительном движении воздуха. Центробежные силы, действующие на пушинку в
циклоне, или силы тяжести в пылеосадочной камере оказываются меньше сил,
увлекающих ее с потоком воздуха в выбросную трубу. И в воде пушинка не тонет,
значит, барботажное улавливание для нее также не подходит.

С давних пор
волокнистую пыль улавливают методом фильтрации, для чего существует немало
различных фильтров. Их объединяет обязательная деталь -- фильтрующий слой. Это
рукава из ворсистой ткани, зигзагообразно расположенные пластины из
металлической сетки или пористой бумаги или круглые вращающиеся сетчатые
барабаны. Недостатки таких устройств в том, что уловленная пыль собирается на
фильтрах толстым слоем, и они вскоре становятся непроходимыми для воздуха.

Мастер Н.
Чистов, инженер Б. Бельков и автор этих строк разработали новый пылеуловитель с
применением центробежного эффекта. Пылеуловитель состоит из корпуса и турбины,
напоминающей мельничное колесо. Основная деталь пылеуловителя -- турбина, отсюда
и его название -- турбофильтр. Он сделан из оцинкованной стали.

Но для
изготовления турбофильтра можно использовать обычный вентилятор. Лучше всего
подходят старые вентиляторы низкого давления типа ВР или "Сирокко". Номер
вентилятора выбирают в зависимости от требуемой производительности. Если
количество воздуха, нуждающегося в очистке, не превышает 1 тыс. м3/ч, то
пригоден No 3; 2 тыс. м3/ч -- No 4 и т. д.

Когда вы
найдете подходящий вентилятор, приступайте к переделке его в турбофильтр.
Основная деталь турбофильтра -- сетка. Лучше всего взять сетку из нержавеющей
стали с ячейками 0,3x0,3 мм. Вырежьте из нее полоску на 800 мм шире, чем
рабочее колесо вентилятора, и по длине равную его окружности. Обтяните сеткой рабочее
колесо и спаяйте ее концы. Оставшиеся края заверните на диски колеса, прижмите
их кольцами и закрепите винтами. Теперь остается приварить к рабочему колесу
уплотнительный патрубок -- и турбина готова.

Переделать
улитку вентилятора в корпус турбофильтра еще проще. Вырежьте рядом с выбросным
патрубком улитки прямоугольное отверстие и вварите в него воронку, а между
фланцем всасывающего патрубка улитки и ее стенкой проложите фетровое кольцо.
Диаметр отверстия в кольце не должен быть больше диаметра уплотнительного
патрубка.

Снимите с
вала вентилятора шкив и вместо него наденьте любой маховичок, который сможете
найти. В крайнем случае его можно сделать самим, согнув в кольцо полудюймовую
газовую трубу. Поворачивая турбинку за маховик, проверьте, легко ли она
вращается. Этот маховик еще пригодится для проворачивания турбинки при
профилактических осмотрах фильтра. Теперь остается сделать стойку из уголка
75х75 -- и турбофильтр готов.

Вентилятор
для подачи в турбофильтр запыленного воздуха лучше всего расположить где-нибудь
поблизости, соединив его с входным патрубком диффузором. Номер подающего
вентилятора должен быть, конечно, меньше того, из которого сделан турбофильтр.
Подберите его по "Справочнику по вентиляторам" с учетом сопротивления сети
воздуховодов и сопротивления турбофильтра. Коэффициент сопротивления
турбофильтра, отнесенный к скорости воздуха на входе, равен 2-2,5.

После того
как турбофильтр будет установлен и соединен с вентилятором, нужно надеть на его
воронку мешок и включить подающий вентилятор. Только не забудьте как следует
закрепить мешок на воронке, а то его сорвет потоком воздуха.

. Воздух,
входя в корпус турбофильтра по касательной, проходит сквозь сетку и ударяет в
плоскости лопастей. Турбина под действием его напора н