Zasada projektowania cyklonów (by Damian Kupis)

W odpylaczach cyklonowych wykorzystuje się spiralny lub wirowy ruch strumienia aerozolu do wywołania siły odśrodkowej działającej na odpylane cząstki. Realizowane jest to przez wprowadzenie strumienia aerozolu stycznie do komory cylindrycznej, lub przepływ gazu przez łopatki promieniowe, zwoje ślimakowe lub śrubowe.

Cyklony rewersyjne (1) z wlotem: a) stycznym, b) spiralnym, c) osiowym, (2) cyklon przelotowy.

Cyklony wykonywane są zwykle ze stali węglowej, w przypadku dużych temperatur gazu mogą być ceramiczne. Projektant może wybrać konstrukcję inną niż standardowa, ale ogólnymi wytycznymi wyboru właściwej konstrukcji są:

1. a <= S - w celu zapobieżenia penetracji cząstek ze strumienia dopływającego gazu do rury wylotowej

2. b <= (D – De)/2 - dla nadmiernego spadku gazu

3. H => 3D - dla utrzymania wiru w stożku

4. Kąt rozwarcia stożka 7-8 stopni dla ułatwienia zsypywania się pyłu

5. De/D = 0,4-0,5;

H/De= 8-10;

S/De = 1

Dla uzyskania maksimum sprawności odpylania.

Prawidłowo zaprojektowany cyklon zależy od parametrów konstrukcyjnych i własności odpylanego gazu.

Parametry konstrukcyjne cyklonu:

- kształt i powierzchnia przekroju otworu wlotowego

- średnica i wysokość części cylindrycznej

- wysokość i kąt zbieżności części stożkowej

- zagłębienie, średnica i ukształtowanie otworu wylotowego

- kształt zbiornika pyłu

- szczelność dolnego zamknięcia cylindra

Właściwość odpylanego gazu ( a w nim d_min – w zależność od średnicy minimalnej ziarna, w gazie oczyszczanym, dobieramy powyższe parametry konstrukcyjne)

d_min - średnica zastępcza minimalnego ziarna

L - natężenie przepływu gazu w cyklonie [m³/s]

n - częstotliwość obrotów gazu w cyklonie

r₁ - promień rury wewnętrznej

r₂ - promień części cylindrycznej cyklonu

h_c - wysokość części cylindrycznej [m]

µ - lepkość dynamiczna gazu

ρ - gęstość pyłu

Ze wzoru wynika, że do odpylania małych ziaren potrzeba małych cyklonów. ( stosowane prędkości wlotowe są w granicach 14-20 [m/s]. )

Procedura:

1. Przygotowanie danych wyjściowych

• Strumień gazy

• Własność gazu (gęstość, lepkość)

• Własność pyłu ( gęstość, skład ziarna)

• Dopuszczalne stężenie pyłu w gazie oczyszczonym

• Dopuszczalne straty ciśnienia z zakresu (0,8 – 1,2 kPa )

1. Określenie maksymalnej wielkości ziarna na podstawie składu ziarnowego

2. Przyjęcie rodzaju konstrukcji cyklonu

3. Wstępne założenie wartości średniej prędkości wylotowej v_w ( 8-15 m/s )

4. Obliczenie oporów miejscowych i wielkości strat ciśnienia

Wytyczne projektowania cyklonów.

- Dla zapobieżenia tzw. krótkiemu spięciu ( przepływowi gazu bezpośrednio z otworu wlotowego do wylotu cyklonu)

a < c

- dla wyeliminowania gwałtownej kontrakcji strugi wlotowej gazu

b < ( r_c – r_o )

- aby wirowanie gazu odbywało się tylko wewnątrz cyklonu i nie przenosiło się do zasobnika

H > c + h_s

przy czym wysokość separacji h_s może być szacowana ze wzoru

h_s = 4,6 * r_o * ( 4r_c/ab )^1/3

- wysokość rury wewnętrznej powinna być wyższa od wysokości części cylindrycznej

c < h_c

Pozostałe wymiary można oszacować ze stosunków wymiarowych odnoszonych z reguły do promienia lub średnicy części cylindrycznej cyklonu. Jako najkorzystniejsze i najczęściej stosowane zakresy tych stosunków można przyjąć dla:

- wlotu gazu do cyklonu:

Wysokość – a a/2r_c = 0,45 – 0,6

Szerokość – b b/2r_c = 0,2 – 0,3

a/b = 2 – 2,5

- wysokość separacji ( odległość płaszczyzny wlotu do rury wewnętrznej od płaszczyzny otworu wylotowego stożka cyklonu ) h_s/2r_c = 3,5 - 4,5

- promienia wlotu do rury wewnętrznej r_o/r_c = 0,4 -0,6

- wysokość części cylindrycznej h_c/2r_c = 1,5 -2,2

- średnica wylotu stożka d_s/2r_c = 0,3 – 0,4

- kąt rozwarcia stożka <p = 15^o – 25^o

- średnica części cylindrycznej ( 2r_c ) powinna mieścić się w zakresie 100 – 1000 mm.

Szacunkowe, poprzedzające niezbędną weryfikację eksperymentalną, określenie geometrii i pola prędkości gazu, a zwłaszcza wartości dwóch najistotniejszych dla zdolności separacyjnych i start ciśnienia parametrów, tj. promienia części cylindrycznej r_c i prędkości wlotowej gazu v_w, może być dokonana metodą kolejnych przybliżeń. Wykorzystuje się do tego celu formuły określające wielkość ziarna granicznego d_n i skuteczności odpylania oraz straty ciśnienia gazu w cyklonie.