Введение. Современные производства не только строительных материалов, но и других направлений тесно связаны с проблемой пылеразделения загрязнённого воздуха. Актуальность данной проблемы только нарастает с увеличением производственных мощностей и появлением новых предприятий [1–2]. По последним данным статистики произошло значительное увеличение уровня загрязнения пылевыбросами с предприятий в атмосферу. В сводках о загрязнении окружающей среды приведены сведения о том, что ежегодно в атмосферу происходят выбросы в количестве 200–400 млн. т пыли. Прогнозирование экологов по количеству выброшенной пыли, ведет к ежегодному увеличению на 4–5 % за счет роста предприятий и производственных мощностей [3–6]. Одним из наиболее развитых отраслей выпускаемого оборудования и технологии, направленной на удаление загрязняющих веществ из пылевоздушного потока предотвращая промышленные выбросы в атмосферу, является создание и модернизация пылеочистного оборудования и методов пылевоздушной очистки. Пылеуловители — это вид механического оборудования для способа разделения пылевоздушного потока от различных примесей [7]. Практически пылеуловители применяются преимущественно в системах вытяжной вентиляции и установках для очистки пылевоздушных потоков в промышленных масштабах. Из всего разнообразия пылеуловителей циклон считается самым простым пылеочистным оборудованием в эксплуатации [8–9]. Целью исследования является сравнительный анализ существующих пылеконцентраторов циклонного типа, определение их эффективности и расчетных моделей эффективного разделение пыли и воздуха в момент перемещения воздуха в циклоне.Материалы и методы. Циклонный пылеуловитель – вид механических пылеуловителей простой конструкции и применяющийся во многих отраслях, таких как строительная, пищевая, химическая, горнодобывающая и др. Такие пылеуловитель отличаются от других конструкций дешевизной, относительно высокой производительностью, простотой конструкции не затратной в эксплуатации и ремонте, качественной работе в среде с высокой температурой  давлением, отсутствием движущихся частей, применением при работе с абразивными частицами. Центробежные пылеуловители применяют силу центробежного воздействия, чтобы эффективно задерживать пылевые частицы. Рассмотрим подробнее некоторые виды циклонных пылеуловителей. В таблице 1 показана классификация пылеулавливающих установок [10]. Циклоны с обратным конусом типа ЦОК (рис. 1, а) используются в случаях, когда необходимо очистить вентиляционные выбросы от высокоабразивной пыли. Также эти циклоны рекомендуют применять для слипающихся пылей (сажа, тальк) [11]. Широкое использование циклон с обратным конусом получил на заводах, где производится механическая обработка металла. Циклон РИСИ (рисунок 1, б) разработан и исследован в Ростовском инженерно-строительном институте (РИСИ).  Эти циклоны используются для очистки воздушных потоков аспирационных систем от полировальной (например, мебельных деталей с использованием полировальных паст), волокнистой, слипающейся пыли, от отходов лакокрасочных покрытий. У циклона РИСИ корпус выполнен в виде двух усеченных конусных частей, которые повернуты друг к другу малыми торцами. Благодаря расширяющейся к низу конической части циклона исключается засорение выпускного отверстия. Циклон СЦН-40 обладает высокой эффективностью и изготавливается в одиночном и групповом исполнении (рис. 1, в). Используется с целью среднедисперсной и мелкодисперсной пылеочистки технологического воздуха и аспирационных выбросов. Циклон СЦН-40 улавливает до 50 % пылевидных частиц 1 мкм и поэтому по праву считается лучшим циклон НИИОГАЗа [12–14]. Таблица 1Классификация пылеулавливающих установокОбобщенный вид оборудованияОснование работыПринцип работыВиды пылеконцентраторов     Аппараты для пылеулавливания    Механические   Сухие ГравитационныеИнерционныеЦентробежные Фильтрующие (фильтры)ВолокнистыеСухие вертикальныеТканевыеЗернистые МокрыеКапельныеПленочныеБарботажные Электрические ОднозонныеСухие горизонтальныеСухие вертикальныеМокрыеДвухзонные  Рис.1. Циклонный пылеуловитель:а) циклон ЦОК с бункером; б) циклон РИСИ; в) циклон СЦН-40;г) циклон MKGG-15; д) циклон FX710.  Циклон MKGG-15 от производства Beijing Meckey Engineering Co. (Китай) могут использоваться как одиночно, так и в комбинированном (батарейном) виде (рисунок 1, г). Используется для пылеочистки пылевоздушного потока пыли без применения сепаратора, при этом не влияя на качество его работы. Тем самым он упрощает конструкцию и не уступает в пылеочистки другим циклонам. Циклон может улавливать шлифовальную пыль с эффективностью до 76–87 % [13]. Высокоэффективный циклон FX710 производства Shanxi Huazhan Wear Resistant Material Co., Ltd. (Китай) изготавливается и применяется в одиночном исполнении (рисунок 1, д). Используется для пылеочистки пылевоздушного потока низкоабразивной пыли. Такой циклон может улавливать до 80 % пылевидных частиц стружки при скорости движения потока воздуха 15–18 м/с [14].В процессе исследований пылеконцентраторов одним из основных факторов, которые необходимо учитывать, является степень эффективности очистки загрязненного воздуха [11–15]. Эту характеристику можно определить как соотношение между количеством осажденных загрязнений и количеством загрязнений. Эффективность очистки воздуха рассчитывается по формуле:η=С1V1-С2V2С1V1 ,                        (1)где С1  – концентрация воздушнопылевого потока на входе, г/м3; С2  – концентрация воздушнопылевого потока на выходе, г/м3; V1  – объемный расход поступающего воздуха на входе в пылеконцентратор, м3/с; V2  –  объемный расход поступающего воздуха на выходе из пылеконцентратора, м3/с.Делая поправку на то, что система герметична и V1 =V2 , тогда:η=С1-С2С1 .                        (2)Расход поступаемого воздуха можно определить по скорости воздуха выходящего из воздуховода и его сечению. Динамический напор Рд, Па  определяется разностью между полным Рп, Па  и статическим Рс, Па  напором воздушного потока:Рд=Рп-Рс .                      (3)Скорость воздуха, м/с определяется следующим соотношением:ϑ=Кт∙2gРдρ ,                   (4)где Кт  – коэффициент трубки; g – ускорение свободного падения, м/с2; ρ  – плотность воздуха кг/м3.Плотность воздуха  ρ  определяется по формуле:ρ=ρвPв∙ТвPн∙Т∙к  ,                           (5)где ρв  – плотность воздуха, кг/м3; Pн  – давление воздуха в нормальных условиях, Па; Pв  – давление воздуха, Па;Тв  – температура воздуха, К; к  – коэффициент сжимаемости воздуха.                     Зная скорость воздуха и сечение воздуховода определим расход воздуха:Q=ϑ∙S ,                         (6)где Q – объемный расход воздуха, м3/с; ϑ  – скорость воздушного потока в воздуховоде, м/с;S – площадь сечения воздуховода, м2.Основная часть. В циклоне происходит эффективное разделение пыли и воздуха путем применения центробежной силы. При движении по спирали внутри корпуса циклона воздух создает силу, отделяющую частицы пыли от него. Таким образом, процесс пылеразделения в циклоне представляет собой физическое разделение пыли и воздуха с использованием центробежной силы, возникающей в результате спирального движения воздуха внутри циклона. Это позволяет упростить математическое описание процесса и рассчитать основные параметры пылеразделения, такие как эффективность отделения частиц, скорость воздушного потока и диаметр циклона. Частицы пыли имеют различную форму и размеры, что влияет на их поведение в воздушном потоке и эффективность сепарации. Для более точного моделирования процесса сепарации необходимо учесть разные факторы, например, форма и размеры частиц, их плотность, вязкость воздуха, скорость и направление воздушного потока, а также геометрические параметры циклона. В том случае, когда форма частицы далека от сферической, применяется допущение, что частица является сферической с диаметром сферы dэкв . Значение эквивалентного диаметра dэкв  различные исследователи устанавливают по-разному. Например, некоторые авторы принимают за dэкв  расстояние между двумя наиболее удаленными точками частицы [16]. Однако, такой подход может привести к изначально завышенному значению диаметра. Другие авторы предлагают рассчитывать эквивалентный диаметр dэкв  исходя из предположения, что он равен диаметру сферы, масса которой равна массе данной частицы [11, 14]. Это утверждение кажется более аргументированным, однако необходимо отметить, что ориентация несферических частиц по отношению к направлению потока воздушно-пылевых частиц играет важную роль в их аэродинамических свойствах, которые могут зависеть от этой ориентации. По имеющимся литературным данным [10], частицы, попадающие в циклон, равномерно распределяются по сечению подводящего патрубка, если участок воздухопровода перед ним имеет достаточную длину.Влияние на процесс пылеразделения вторичного отрыва частиц пыли от стенок циклона пренебрежительно мало, это связано с тем, что частицы оседают на стенках циклона и перемещаются в пылесборный бункер. При высоких исходных концентрациях частиц и высоких скоростях воздуха в циклоне может наблюдаться некоторое снижение эффективности пылеразделения из-за вовлечения частиц обратно в воздушнопылевой поток. Однако для учета этого эффекта используются в основном экспериментальные данные, которые могут быть недостаточно точными и полными.В соответствии с предположениями авторов [16], в тангенциальном и осевом направлениях частица и воздух движутся как единое целое. Сила сопротивления движению пылевой частицы в радиальном направлении определяется законом Стокса:Fсопр=3πμϑrdч ,                    (7)где ϑr  – радиальная скорость м/с; μ- динамическая вязкость . Когда пылевая частица попадает в циклон, центробежная сила и сопротивление среды достигают равновесия. Частица витает по направлению к стенке циклона с постоянной скоростью в радиальном направлении ϑr  начиная от момента входа частиц воздуха. Запишем уравнение движения пылевой частицы:mϑε2r=3πμϑrdч ,                (8)где ϑε  – тангенциальная скорость, м/с; dч-диаметр частицы, м . Запишем значение радиальной составляющей скорости движения пылевидной частицы:ϑr=dч2ϑε2ρч18rμ ,                        (9)Авторы, такие как Штокман и Пирумов, полагают, что радиальная скорость ϑr постоянна по сечению циклона. Это упрощение позволяет упростить интегрирование по радиусу r, но это допущение слишком грубое. Распределение радиальной скорости ϑr  мало влияет на минимальный диаметр dmin  осевших частиц, но имеет сильное влияние при частичном оседании частицы с диаметром меньше минимального. В течение времени t пылевидные частицы успевают пройти осевое расстояние равное: S = Vzt , где Vz  - осевая составляющая движения пылевидной частицы.Приравняв значения времени, мы получим:18rRц-rμdч2ϑε2ρч=SVz .                     (10)где Rц  – радиус цилиндрической части циклона, м.Таким образом:dч=9μRц2-Rn2ρVε2S/Vz .                   (11)где Vε  – радиальная составляющая движения пылевидной частицы; ρ  – плотность воздушного потока, кг/м3ρч  – плотность частицы, кг/м3; Rn  – радиус витка пылевоздушного потока, м.Результат, полученный по формуле (11), представляет собой минимальный диаметр пылевых частиц dmin , которые будут задерживаться в циклоне на 100% эффективности. По словам Штокмана, все частицы пыли с диаметром больше этого минимального значения будут задерживаться в циклоне, в то время как частицы с меньшим диаметром останутся в воздушном потоке. Этот факт позволяет рассчитать эффективность работы циклона как соотношение количества пылевых частиц, имеющих диаметр больше минимального, к общему числу пылевых частиц в воздушном потоке. Штокман предлагает простой расчет, однако внесение множества несовершенных предположений делает его неполным и неточным. Помимо этого, в модели Штокмана не учитывается частичное оседание частиц, диаметр которых меньше значения dmin . В результате этого расчеты могут быть неточными. Также использование только диаметра dmin  для определения характеристик пылевых частиц не адекватно отражает их свойства, что может существенно повлиять на достоверность полученных результатов. Дополнительно, согласно исследованиям Дроздова, значение dmin  для циклонов с тангенциальным входом воздуха может также зависеть от конструкции самих циклонов:dmin=4.5μgQhцπ3n2ρпылRц2-Rn2lnRцRn,          (12)где hц  – высота циклона, м, n – количество витков, шт, которые делает воздух в циклоне. Величина n зависит от скорости воздуха на входе в циклон и от угла между подводящим патрубком и корпуса циклона, ln  – длина отводящего патрубка, м. Значение n согласно [14, 11] для циклонов с тангенциальным подводом воздуха равно:n=πRцdц2-dn2ab ,                   (13)             где a и b  – размеры подводящего патрубка циклона, м.Для циклонов с осевым подводом воздуха [11] значение n рассчитывается как: n=2πRadц2-dрозетки2εzdц-dрозеткиtgβ ,              (14)          где tgβ  – тангенс угла наклона лопаток к оси циклона, Ra  – радиус приложения равнодействующей скорости потока в тангенциальном направлении и рассчитывается как:Ra=Rц-Rрозетки2 .                 (15)                                             Обычно, для большинства циклонных устройств, применяемых в практике, значения параметра n находятся в диапазоне от 1.5 до 4.0 [14, 11].Основываясь на анализе экспериментальных данных об эффективности циклонов с тангенциальным подводом воздуха, проведенном Б. С. Федоровым, было получено и еще одно выражение для расчета минимального диаметра dmin :dmin=18μQRSρчVε2 ,                     (16)где S – площадь внутренней цилиндрической поверхности циклона, м2. В приведенной формуле предполагается, что скорость  Vε  является постоянной на поперечном сечении циклона. Обе формулы (15 и 16) имеют ограниченную область применения, поскольку они применимы только для циклонов с вводом воздуха по касательной линии. В ходе исследований К. Риетемы [11] было выяснено, что основное захватывание частиц происходит в непосредственной близости к стенке. Это позволяет предположить, что не все частицы, оседающие на стенке, остаются на ней, возникает концепция пристеночного слоя. Это значение предлагается определить экспериментально. В данном случае формула для dmin  принимает следующий вид:dmin=3ϑ0'DциклQμгρгϑвхhLцΔp(ρч-ρг) ,                (17)где ϑ0'  – осевая скорость воздуха в пристеночном слое, м/с, h - толщина пристеночного слоя, м, определяемая опытным путем, Δp  - разрежение (величина вакуума) в пристеночном слое. Значение Δp  по исследованиям Белоусова [11] составляет:Δp=ρϑср22R2-R1R1lnR2/R12 .            (18)                 Для большинства пылевидных частиц ρч≫ρг . В этом случае формула 16 примет следующий вид:dmin=3ϑ0'DциклQμгρгϑвхhLцΔpρч  ,             (19)Тер-Линден [11] полагает зависимость dmin  от диаметра входного отверстия. В этом случае dmin  находится как:dmin=32dвыхμгϑг3ϑφ2(ρч-ρг) ,               (20)                                 Формула (20) менее удобна из-за нехватки данных о толщине пристеночного слоя закрученного потока h. Отсутствуют зависимости для определения h для разных типов и моделей циклонов. В результате, использование формулы (20) ограничено.Приведенные вычисления не в полной мере учитывают турбулентный режим перемещения воздуха в циклоне. Кроме того, предложенные методы в качестве основного свойства частиц используют диаметр, который, как отмечалось ранее, не дает полного представления о свойствах улавливаемых частиц.Выводы. В заключении можно сказать, что учеными было уделено много времени на разработку различных видов конструкций циклонов для различных отраслей промышленности. Из всего разнообразия конструкций были выбраны отобраны наиболее универсальные и эффективные по производительности виды, которые эксплуатируются в производстве и на данный момент. Отличаются эти конструкции такими достоинствами как невысокая стоимость, достаточная производительность, не затратная эксплуатация и монтаж, а также возможность использования при пылеразделения потока с абразивными частицами. Именно поэтому в современном научном обществе идет разработка, проектирование и исследовании данных пылеуловителей для совершенствования и доработки существующих конструкций.