SZAKDOLGOZAT PORLEVÁLASZTÓ CIKLONOK VIZSGÁLATA

SZAKDOLGOZAT

PORLEVÁLASZTÓ CIKLONOK VIZSGÁLATA

Készítette: Helmeczi Richárd Gépészmérnök alapszak, Vegyipari és energetikai szakirány

Konzulens: Dr. Szepesi L. Gábor egyetemi docens

Miskolci Egyetem 2010

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés ............................................................................................................. 1 2. A ciklonokról általában ..................................................................................... 2 2.1.

A ciklonok történelmi áttekintése........................................................................................ 2

2.2.

A ciklonok működési elve.................................................................................................... 2

2.3.

A ciklonok méretezése ........................................................................................................ 7

2.4.

Áramlási viszonyok a ciklonokban ..................................................................................... 7

2.5.

A portalanítási fok kiszámítása .......................................................................................... 9

2.6.

Barth elmélete................................................................................................................... 12

3. A porleválasztók ............................................................................................... 15 3.1.

Feladatuk .......................................................................................................................... 15

3.2.

Főbb típusok ..................................................................................................................... 15

3.3.

Minőségi jellemzők ........................................................................................................... 23

3.4.

A nyomásveszteség ........................................................................................................... 23

3.5.

Az energiaszükséglet......................................................................................................... 25

3.6.

Porleválasztók kiválasztása .............................................................................................. 26

3.7.

A porleválasztás célja, hatásfok ....................................................................................... 27

4. Egy kiválasztott ciklon határszemcséjének számítása .................................. 32 5. Különféle ciklonformák hatása ....................................................................... 34 5.1.

A forma hatása a sebességre ............................................................................................ 36

6. Összegzés ........................................................................................................... 64 7. Irodalomjegyzék ............................................................................................... 66

1. Bevezetés A szakdolgozatom témáját a ciklonok képezik, melyeknek legfőbb feladatuk a porleválasztás. A portalanításnak különféle okai és céljai lehetnek (biztonsági okok, veszteségek csökkentése, technológiai igény, ártalmas anyagok eltávolítása, stb.). A dolgozat 3 fő témát foglal magába. Az első téma a porleválasztásról és annak gépeiről szól (2. és 3. fejezet). Itt bemutatom a porleválasztás energiaszükségletét, nyomásveszteségét, célját, a porleválasztók hatásfokát, feladatát, típusait, valamint minőségi jellemzőit és a ciklonok működési elvét, méretezését, áramlási viszonyait, portalanítási fokának kiszámítását. A második téma egy konkrét ciklon határszemcséjének kiszámítását mutatja be. A

harmadik

részben

pedig

az

irodalomban

található

adatok

alapján

megvizsgáltam a ciklonforma hatását a ciklonban lévő sebességekre ([3], [4], [5], [6], [7], [8]). Ezzel megtudhatjuk, hogy mennyire hatásos a ciklonok eredeti formája, és hogy a különböző tulajdonságokat javíthatjuk-e az alak változtatásával.

1

2. A ciklonokról általában 2.1. A ciklonok történelmi áttekintése A Knickebocker Company cég az USA-ban és Németországban szabadalmaztatta 1886-ban M. Morse „ciklon alakú porgyűjtő” találmányát. A ciklonokat először csak durva porleválasztóként használták. Viszont észrevették, hogy a geometriai formák és a méretek változtatásával, valamint a gázsebesség növelésével nagymértékben lehet a portalanítási fokot is javítani. Az első világháború után fordítottak nagyobb figyelmet a ciklonokra a portechnikai problémák előtérbelépése miatt. Jó eredményeket főleg 2 ciklonnal értek el, a holland van Tongeren-féle és az amerikai „multiciklonokkal”. Prandtl, Barth, ter Linden, Feifel, Meldau és mások tisztázták a modellkísérletek feltételeit, a portechnikai alapfogalmakat, a kiértékelési és mérési módszereket, továbbá felállították az örvénytérben a por mozgásegyenleteit.

2.2. A ciklonok működési elve A ciklonok a legelterjedtebb mechanikus porleválasztó berendezések. A centrifugális erő (melynek hatására a porszemcsék leválnak a gázáramból) elvén működnek és nincs bennük mozgó alkatrész. A ciklonok jó hatásfokkal akkor alkalmazhatóak, ha 10 µm-nél nagyobb méretű szilárd anyagot szeretnénk leválasztani. A ciklon fő részei (a 2.1. ábra jelöléseivel): a gázbevezető csonk (1), a hengeres rész (2), a kúpos rész (3), a porkivezető nyílás (4) a gázkivezető cső vagy merülőcső (5), porkivezető nyílás alatti portartály (6).

2

2.1. ábra A porleválasztó ciklon részei ([9]: 7.oldal) 1. Gázbevezető csonk, 2. Hengeres rész, 3. Kúpos rész, 4. Porkivezető nyílás, 5. Gázkivezető. 6. Portartály

A szemcsék ívelt pályát írnak le a ciklonban, és többször körbefutnak a leválasztótérben. A ciklontestbe érintőlegesen bevezetett gázáram hatására jön létre a körmozgás. A leválasztótér felülete, azaz a ciklon fala felé haladnak a porszemcsék a centrifugális erő következtében, ott pedig a falnak ütközve lelassulnak és kiválnak az áramlásból. Ez a por a nehézségi erőnek köszönhetően a ciklon aljára, majd a portartályba kerül. A portól megtisztított gáz a tengelyszimmetrikusan beépített merülőcsövön halad felfelé és így hagyja el a készüléket. Mivel a ciklon nem tudja az összes szennyeződést leválasztani a gázáramból, ezért a finomabb szemcséjű porok a merülőcsövön keresztül a kilépő nyíláson hagyják el a készüléket. A ciklonban kialakuló áramlások meglehetősen 3

bonyolultak. A szemcsék mozgását az arra ható különböző irányú erők eredője határozza meg. A porszemcsék egy, a merülőcső átmérőjének megfelelő hengerfelületen haladnak át, amikor a kisebb a sebességük a kiválási határsebességnél és a sebességkomponenseinek radiális összetevője a ciklon függőleges tengelyének irányába mutat. A ciklonban még éppen leválasztható méretű részecskét határszemcsének nevezzük, jelölése: dsh. Az erre ható radiális irányú sebesség összetevők egyensúlyban állnak a merülőcső átmérőjének (2ri) megfelelő hengerfelületen.

2.2. ábra Néhány jellegzetes ciklon kialakítás ([9]: 8. oldal)

A gyakori ciklon kialakítások néhány típusa látható a 2.2. ábrán, a geometriai arányszámokkal, ahol vti /vki

- ri sugáron a tangenciális és a kilépési sebesség aránya

ra /ri

- geometriai arány 4

h / ri

- geometriai arány

Abe /Aki

- gáz be- és kilépési keresztmetszet arány

2.3. ábra A leválasztási hatásfok ( ηö) és a nyomásveszteség ( ∆p) a beömlési sebességfüggvényében ([9]: 9. oldal)

A belépési sebesség (vbe ) nagymértékben befolyásolja a határszemcse méretét és ezáltal a porleválasztás hatásfokát. Egy adott geometriával rendelkező ciklonnál a beömlési sebesség függvényében az összleválasztási hatásfok és a nyomásesés értéke a 2.3.-as ábrán látottak szerint változik. Ez alapján, ha növeljük a belépési sebességet, akkor javul a hatásfok, viszont e mellett jelentős mértékben növekedik a nyomásesés is. Ha csökkentjük a ciklonok átmérőjét, akkor a határszemcse mérete is kisebb lesz, melynek köszönhetően ugyanannak a gázmennyiségnek a porleválasztása több kisebb méretű ciklonon való átvezetéssel nagyobb hatásfokkal végezhető el. Az ilyen, több kisebb átmérőjű összeépített ciklont nevezzük multiciklonnak, mely néhány kialakítását láthatjuk a 2.4. ábrán.

5

2.4. ábra Multiciklon kialakítások ([9]: 9. oldal) A- hosszirányú elrendezés: B - körkörös elrendezés

Annak érdekében, hogy az egész gázmennyiség keresztülmehessen egyetlen ciklonon, kellően nagyra méretezték. Ezzel szemben a multiciklonokat az jellemzi, hogy a megfelelő portalanítási foknak eleget téve, kellő számú kisebb ciklonból tevődik össze, ahhoz, hogy az egész gázmennyiséget meg tudják rajta tisztítani. A multiciklonok hengerátmérőjének csökkentése mellett a hengeres és kúpos rész növelését is alkalmazták a jobb eredmény érdekében. Ennek a fejlődésnek folyamán a ciklonok formája megváltozott, és nagymértékben hasonlított egy kis átmérőjű csőhöz. Ez lett az úgynevezett örvénycső, melyben a perdületes áramlást irányelterelő lapátokkal, perdületelemekkel vagy rozettákkal hozták létre. Ezek mérete már oly mértékben lecsökkent, hogy a tisztítani kívánt gázmennyiséghez nagyszámú elemet kell alkalmazni. Ezek csoportokba, úgynevezett battériába beépítve helyezhetők el. Az

iparban

különböző

méretű,

nagyságú

és

szerkezetű

mechanikus

porleválasztók mindegyikének megvan a maga alkalmazási területe, mely bővülhet, vagy szűkülhet attól függően, hogy mennyire sikerül az egyes típusokat fejleszteni. 6

A ciklonok fejlődése megállt, mert a portalanítási fokukat növelve a hátrányos tulajdonságaik is nőttek (nagy ellenállás, erős kopás, stb. szintén fokozódtak), valamint nem tudtak eleget tenni a folyamatosan növekvő igényeknek. Így az elektrofilterek kerültek előtérbe. A ciklonok és az örvénycsövek olcsók és könnyen legyárthatók, viszont hátrányuk a mérsékelt portalanítási fokuk, a nagy ellenállásuk és az erős kopásuk.

2.3. A ciklonok méretezése A ciklonban komplikált az áramlás és erősen turbulens. A turbulens viszkozitásból

származó

veszteségek

megzavarják

az

ideális

potenciális

örvényáramlást. Mivel a ciklon alakja áramlástani szempontból kedvezőtlen a tervezés és számítás módszere csak az informatika bevonásával hoz megfelelő adatokat. Legeredményesebben úgy járhatunk el számítástechnika nélkül, ha összegyűjtjük a ciklonban lévő megfigyelt áramlások adatait, valamint a leválasztás karakterisztikáiból, az ellenállásokból, stb. nyert összefüggéseket. Ez szerény teljesítmény a hidrodinamikai elmélet részére, mégis fontos a gyakorlati jelentősége.

2.4. Áramlási viszonyok a ciklonokban A ciklonok működésének megértéséhez ismernünk kell azok áramlási képét, melynek matematikai leírása egy bonyolult háromdimenziós áramlásra vonatkozik. A mai technikai fejlettségünknek köszönhetően ezt számítógépekkel tudjuk szimulálni, de ez nem volt mindig így. Korábban Kelsall, ter Linden, Sheppard és Lapple, Fontein és Dijksman kísérletekre hagyatkozva készítették el a ciklonok áramlási képét. Ezek közül ter Linden eredményeit láthatjuk a 2.5. ábrán, ahol az össznyomás és statikus nyomás, valamint a gáz tangenciális, radiális és axiális sebességének változását mutatta meg a ciklon különböző metszeteiben. Az áramlási képekből a következőkre következtethetünk:

7

2.5. ábra A ciklonok áramlási képe ([1]: 206. oldal)

Az első képből megfigyelhetjük, hogy a tangenciális áramlási sebesség a fal mentén a legkisebb, és nem nagyon tér el a befúvósebességtől. A kúpos részben a fal mentén, ahogy csökken a sugár, úgy növekszik a tangenciális sebesség. A legnagyobb ez a sebesség a por elvezető nyílása közelében. A tangenciális sebesség változása nem a potenciális áramlásnak megfelelően (wtr=állandó; wt: a tangenciális sebesség; r: a ciklon aktuális részének sugara) változik, hanem a wtrm=állandó összefüggésnek megfelelően, ahol az m kitevő értéke: m=0,5…0,7 között változik. A lefelé mindig csökkenő tangenciális sebesség legnagyobb értékét az elvezető csőnél kisebb körön éri el. A potenciális örvényáramlásra, ami a tengelyre merőleges síkban helyezkedik el, mellékáramlás szuperponálódik. Feltehetően létezik egy belső örvénytér is (tulajdonságai még tisztázatlanok), amelyben a gáz a tengely közelében felfelé, a fal mentén lefelé áramlik. Mivel az áramlás sebessége felfelé, az elvezető nyílás felé 8

nő, így a határszemcse mérete is nő. Ez a tényező befolyással van a frakció portalanítási görbe alakjára. Az elvezető cső úgy fogható fel, mint egy nyelő, amely szintén szuperponálódik a többi mozgásra, így a szívónyílás közelében megnöveli a gáz abszolút sebességét. A porelvezető nyílás tengelyéből a port magával viszi a ciklon tengelyének környezetében lévő, felfelé áramló örvény szívó hatása. Ennek a pornak a nagy része a centrifugális erőnek köszönhetően ismét a külső örvényáramba kerül. Kettős örvény is létrejöhet akkor, ha az elvezető cső elég mélyen benyúlik a ciklonba.

2.5. A portalanítási fok kiszámítása A portalanítási foknak a pontos matematikai leírás hiányában csak közelítő módszerekre, kísérleti adatokra és empíriákra támaszkodva tudjuk elvégezni a számítását. Ezeknek a számításoknak is vitatható a tényleges eredményének valóssága, mivel elég sok tényezőt elhanyagoltunk. Ezek a tényezők a következők: -

a szemcsék mozgás közben egymást nem befolyásolják

-

a Stokes-törvény érvényes a szemcsék mozgására

-

a nehézségi erőtér nincs tekintetbe véve

-

a leválasztásnak az a feltétele, hogy a szemcse eléri a készülék falát

-

feltételezésünk szerint a szemcsék gömb alakúak

-

a belépőnyílásban egyenletes a szemcseeloszlás és a gázsebesség

-

a ciklon méretei

-

a számítások kétféle örvényáram: a tengely- vagy sugárirányú

mellékmozgásból indulnak ki -

Rosin, Rammler és Intelmann elhanyagolása: a gáz és szemcse

csavarmenetben a belépő sebességgel egyenlő, állandó kerületi sebességgel halad

Az r2 sugáron induló szemcsék a legkedvezőtlenebb helyzetűek, mivel ezek vannak a legtávolabb a ciklon falától. A határszemcse (dh), amelynél nagyobb

9

szemcse elméletileg 100%-os biztossággal nem lép ki az elvezető nyíláson, kiszámítása a következő módon történik: = 3

1 1 − (2.1. )

[-]:

A gázáram keringésének a száma a ciklonban

[s]:

A szemcse ciklonban tartózkodásának ideje

[m3]:

A ciklon térfogata

=

=

(2.2. ) (2.3. )

[m3/s]: Az időegység alatt átáramló gázmennyiség

A

belépőnyílás

keresztmetszetét

függőleges

sávokra

osztva

különböző

határszemcse értékeket kapunk a különböző sávokban. Ezek közül is a határszemcse legkisebb értéke a ciklon külső falánál fog megjelenni. Ezeknek a sávoknak a számát n-nel jelöljük, a faltól mért távolságukat pedig s-sel. Az si helyen lévő határszemcse nagyságát a fizikai és méretállandók összevonásával az alábbi módon számíthatjuk ki:

= − (2.4. )

Az s helyen az εf frakcióportalanítási fok görbe dh=dhip pontjában εfi=si/A. Ez egy monoton növekvő görbét ad az x-εf koordinátán εf= 0-tól εf=100%-ig. A valóságtól azonban ez az elméleti görbe lényegesen eltér a zavaró hatások következtében fellépő szórásnak köszönhetően, ezért jellemző szemcsenagyságnak a valóságoshoz közelebb álló dh=dhip(εf=50%) értéket vesszük. Ezek alapján C. N. Devies a következő képletet vezette le ([1]: 207. oldal): "

3 ∙ & + *1 − , (2.5. ) ≅ = 2 8& '( ℎ 10

A Muhlrad által publikált képlet ([1]: 207. oldal): " ≅ = /[-]:

U[-]:

/=d1/D

3 3 1 − /+ (2.6. ) 4 & '( .( 1 + / + /

A keringések száma

E. Feifelnek van egy úgynevezett örvényszita elmélete, mely abból indul ki, hogy

az örvénynyelő mozgásban az elszívó nyílással azonos d1 átmérőjű hengeres kontroll felületen egyensúlyban lévő szemcse méretével egyezik meg a határszemcse mérete. Ez elméletileg éles szétválasztást ad, mint a szitában, innen is ered az örvényszita elmélet elnevezés. A képletből (vtr=áll.) a következő összefüggésre jutunk a határszemcsét illetően: = 3

∙ & 23 (2.7. ) 2& '( .(

A d1 kontrollfelület, melyet Barth és Feifel is elfogadott, vitatható. A kontrollfelület nagysága mások szerint más értékű, ter Linden szerint 2d1/3, Stairmand szerint pedig d1/2. A valóságban, és Muhlrad mérései szerint is a kontrollfelület áramkúp, mely a kiömlőnyílástól lefelé szűkül. Az alábbi egyszerűbb egyenletet lehet levezetni ideális áramlásra a Feifel-képletből:

C[-]:

3, 5[-]:

= 35' 67,9 (2.8. )

Az állandók összevonása =

18 = 3 (2.9. ) 2& &

Geometriai jellemzők

3=

.& (2.10. ) .(

5=

< (2.11. ) ℎ

'( . = = á>>. (2.12. )

Valójában a következő összefüggés állhat fenn:

11

Közelítő számításra használható:

" ≅ = 3 = 5'(67,9 = 3 = 5& 7,9 '(67,9 (2.13. ) 5& =

?=

?@ (2.14. ) A

< ℎ ; @ = ; A =

Ilyenkor az m értéke bizonytalan, a kontrollfelületen (r1 sugáron) függ az 3

viszonyszámtól és a ciklon geometriájától (alakjától). Ciklonoknál 3 0,3-0,8-ig,

közben pedig m 0,5-0,9-ig változhat.

Feifel eredeti képletét ter Linden kísérletei segítségével kijavította. Szerinte az egyensúlyi állapot szempontjából irányadó, maximális kerületi sebesség εr1 sugáron lép fel, ahol ε≅0,65. Így a korrigált, összevont képlet a következőre változott: " ≅ = 3&= 5& 7,9 '(67,9 (2.15. ) 3& = 0,653 = 0,65

.& (2.16. ) .(

2.6. Barth elmélete A Barth-féle számítással is érdemes foglalkozni, habár az ebben alkalmazott feltételek sem fedik a fizikai folyamatokat a ciklonokban. Ezt bizonyítja az is, hogy a különböző kísérletek néha nagymértékben eltértek a számított értékektől. Így ezzel a számítással is csak, mint segédszámítás foglalkozhatunk, tekintettel arra, hogy egyes kísérletek eredményei az elméleti eredményektől lényegesen eltérnek. Feifel az örvényszita elméletből kiindulva a d1 elvezető csőnek megfelelő hengerfelületet veszi kontrollfelületnek. A kontrollfelületen jelentkező radiális sebesség (vr) középértékéből (ve50) számított esési sebességet (ve*) használja a por jellemzésére. Alapképletek felhasználásával a határszemcse (dhip≈dh) esési sebességére a centrifugális erő (Z) és a súrlódó erő (Wsr) egyenlőségéből a következő összefüggést kapta:

C∗ =

2 (2.17. ) 2ℎ'&

12

[m3/s]: a gázmennyiség

A wt1 meghatározására van szükségünk a számításhoz, melynek a belépő és a

ciklon leválasztóterében fellépő veszteségek miatt az elméleti értéke lényegesen kisebb. A belépési veszteségtényező (α) a gázbevezetés alakjától, mely a bevezetőnyílás elhelyezésétől

függ.

Spirális

hozzávezetéskor

α≈1,

egy

tangenciális

hozzávezetéskor pedig 0,2 ≤ B/rb ≤ 1 között változhat. A ciklon fala mentén fellépő kerületi sebesség, mely a számítások alapját képezi, az alábbiak szerint számítható: ' = 3 ∙ . ∙ 1,2

'( (2.18. ) .(

1 0,8

α 0,6 0,4 0,2 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

A/ra=2(1-rb/ra) 2.6. ábra Az α tényező tangenciális bevezetés esetén

Feltételezte, hogy a leválasztó térben fellépő nyomásveszteség a 2√.& . sugarú

és ℎ magasságú henger felületén fellépő súrlódási veszteséggel egyenlő. A HI ' ∙ . HI '& ∙ .& ∙ − ∙ (2.19. ) 2 .& 2 .

nyomásveszteség a leválasztótérben a következő: ∆GC =

13

A kontrollfelületen létrejövő közepes kerületi sebességre bevezetett képlete: 'JöK = '& ∙

∙ .& ∙ .( (2.20. ) 3 ∙ LC + ∙ .( ∙ M ∙ ℎ

w1[m/s]:

az elvezetőcső nyílásában fellépő axiális sebesség

fe[m2]:

a ciklon belépőnyílásának a keresztmetszete

λ≈0,02[-]:

súrlódási tényező

A határszemcse esési sebessége:

f1[m2]:

L 3∙ C N ℎ L ∙2∙ + . .& R (2.21. )

C∗ = N ∙ QM ∙ ℎ . 16 .& ∙ ( ∙ ∙ O P . & . .& .&

elvezetőnyílás keresztmetszete

Barth d/dhip és ve/ve* függvényében adta meg a frakcióportalanítási fokot.

14

3. A porleválasztók 3.1. Feladatuk A porleválasztók feladata a porszemcsék leválasztása az áramló gázokból. Az elszívó berendezések a szilárd szennyeződéseket a környező levegővel, vagy a szilárd szennyezők melletti gázokkal együtt távolítják el a technológiai berendezésekből. A környezetvédelmi rendelkezések megszabják a légtérbe kibocsátható szilárd szennyezőanyagok tömegáramát. Porleválasztók szükségesek az esetek többségében az elszíváshoz. A munkahelyi belső légállapotra vonatkozó előírások szükségessé teszik a szellőztető- és klímaberendezések által oda áramló szennyezett légköri levegő szűrését. Ezért a külső levegő tisztításához is megfelelő porleválasztót kell alkalmazni, különösen olyan helyeknél, ahol szükséges a nagy tisztaság, mint például műtőkben, laboratóriumokban. A klímaberendezésekben és szellőztetőkben alkalmazott porleválasztókat szűrőknek nevezzük. A szűrők a porleválasztóknál lényegesen jobb frakcióportalanítási fokkal dolgoznak, de lényegében ugyanazt a feladatot látják el, csak más üzemi körülmények között, azaz más porterhelés, porszemcseméret-eloszlás, portárolás, hőmérséklet stb. alatt.

3.2. Főbb típusok A porleválasztók osztályozása több szempont alapján is lehetséges. Osztályozhatjuk

őket

teljesítményük

alapján.

Így

két

csoportot

különböztethetünk meg. Az első csoport tartalmazza a főképp ipari berendezésekben alkalmazható porleválasztókat. A portalanítási fokuk körülbelül 70 és 98% közé esik és a tisztítandó gázok porkoncentrációja nagyjából 0,4 és 50 g/m3 közé esik, ami többnyire ipari portalanító berendezések zárt rendszereiben jellemző. A leválasztott port általában folyamatosan távolítják el a gázokból, és a gázt vagy levegőt csak olyan mértékben tisztítják meg, hogy a környezetbe ki lehessen engedni, de még belégzésre alkalmatlanok. Ebbe a csoportba tartoznak a szövetszűrők, nedves

15

leválasztók, elektrofilterek, porkamrák, a centrifugális porleválasztók: ciklonok és multiciklonok stb.

3.1. ábra Nedves porleválasztó ([10])

3.2. ábra Szövetszűrő ([11])

16

3.3. ábra Elektrofilter ([12])

3.4. ábra Porkamrák ([13])

17

3.5. ábra Ciklon ([14])

3.6. ábra Multiciklon ([15])

A másik csoportban lévő porleválasztók csak kisebb porterhelésre alkalmasok, de annál nagyobb mértékben tisztítják a szennyezett gázt vagy levegőt. Belégzésre már alkalmassá válik az így megtisztított levegő. Ezen porleválasztással tisztítandó gázok porterhelése 2 és 50 mg/m3 közé eshet. Ezekkel a készülékekkel 99,9%, vagy akár nagyobb portalanítási fok is elérhető. Ide tartoznak a különböző légszűrők.

18

3.7. ábra Légszűrő ([16])

Működésük szerint az alábbi osztályzást tehetjük meg: -

Nehézségi erővel működő szerkezetek (például a porkamrák)

-

Irányeltereléses porleválasztók (speciális porkamrák)

-

Zsalus és ütközéses leválasztók

-

Centrifugális erővel működő porleválasztók (ciklonok)

-

Durva töltőanyagú rétegszűrők

-

Spirál vagy lamellás töltőanyagú rétegszűrők

-

Szálhalmazú rétegszűrők

-

Nedves porleválasztók

-

Elektrosztatikus porleválasztók

-

Coriolis porleválasztók

-

Agglomerálással kombinált porleválasztók

-

Egyéb különleges eljárással működő porleválasztók (Fluidizált szilárd

szemcserétegű

szerkezetek,

Termálprecipitátorok,

Mágneses

terű

porleválasztók, és a különböző típusok keverékei)

19

3.8. ábra Torlósugaras szövetszűrő ([17])

3.9. ábra Elektrosztatikus leválasztó ([18])

20

3.10. ábra Mágneses leválasztó ([19])

3.11. ábra Patronos utánszűrő ([20])

21

3.12. ábra Termálprecipitátor ([21])

3.13. ábra Ütközéses szűrő ([22])

22

3.3. Minőségi jellemzők A következők a porleválasztók minőségi szempont alapján vett tulajdonságai: -

össz- és frakcióportalanítási fok (εö, ε7)

-

a terhelésváltozás befolyása a szerkezet működésére

-

különböző tulajdonságú porok befolyása a porleválasztásra

-

a porleválasztók ellenállása

-

a porleválasztók energiaszükséglete

-

a korrózióállóság

-

az erózió és kopásállóság

-

az üzemeltetési költségek

-

a beruházási költségek

-

a beszerzési és gyártási lehetőségek

-

a helyszükséglet

3.4. A nyomásveszteség A nyomásveszteség mért értéksorozataival vagy az ellenállás tényezővel (ζ) adják meg a porleválasztók nyomásveszteségét. A nyomásveszteség mindig az össznyomásveszteséget (∆pö) jelenti. A nyomásveszteség, ha ismerjük az ellenállás tényezőt: ∆Gö = ζ

ρS 2

w UPaX (3.1. )

ρS : a leválasztóba belépő gáz sűrűsége adott nyomáson és hőmérsékleten [kg/m3]

w: az ellenállás tényezőre vonatkozó áramlási sebesség [m/s]

ζ: az ellenállás tényező

[-]

A nyomásveszteség értéksorozatát valamilyen áramlási sebességre, tömegáramra vagy térfogatáramra vonatkoztatják: ∆Gö = L (');

∆Gö = L(HI ');

∆Gö = L( )

23

Egy légtechnikai elem nyomásveszteségének meghatározásánál nehezebb a porleválasztók nyomásveszteségének meghatározása. Az ellenállás tényező tiszta levegő esetén is függ a Re-számtól, de ezt a gyakorlatban általában figyelmen kívül hagyjuk. Az ellenállási tényező nagyobb portartalmú levegő esetén függ a porterheléstől is. Először Pápai L. mutatott rá arra, hogy a szilárdanyag koncentráció növekedésével a nyomásveszteség csökken. Mindig valamilyen sebességre vonatkoztatják az ellenállás tényezőt. Ez a sebesség általában a belépési sebesség, de például nedves ciklonoknál szokásos az axiális sebességre vonatkoztatni. Arra is kell ügyelni, hogy a ∆Gö = ζ

ρY

w

összefüggést csak tisztán turbulens áramlás esetén lehet alkalmazni. A néhány irodalomban közölt ∆Gö = ζ

ρY

w Z felírást lehetőleg kerülni kell, mivel az n kitevő

megváltoztatja a végeredmény dimenzióját.

Ha az áramlás nem tisztán turbulens, akkor érdemesebb értéksorozattal megadni a nyomásveszteséget. Nehezítést jelent az is a nyomásveszteség meghatározásában, hogy gyakran több berendezést kapcsolnak össze (sorosan vagy párhuzamosan), így ilyenkor érdemesebb a nyomásveszteséget a teljes rendszerre megadni. Szűrő típusú porleválasztóknál az áramlás többféle a különböző anyagokban. A szűrőanyagokban lamináris az áramlás, míg a levegő a hozzávezetésre és elvezetésre kiképzett szerkezetekben turbulens áramlást folytat. Ilyenkor a nyomásveszteséget akkor sem tudjuk pontosan meghatározni, ha számítással vagy méréssel meghatározható a szűrőanyag nyomásvesztesége. A nyomáskülönbség mérése is összetett feladat a porleválasztóknál, mivel a porleválasztók többségénél nem egyezik meg a belépő keresztmetszet és a kilépő keresztmetszet mérete, mely miatt az össznyomásesés és a ki- és belépő csonkokon mérhető statikus nyomások különbsége nem egyenlő. Az előforduló tömítetlenségek miatt a réseken be- illetve kiáramló levegő miatt szintén lehet rossz, vagy nem hiteles a mérés. Ennek kiküszöbölése miatt lehetőleg egy időben mérnünk kell a beáramló és kiáramló gáz tömegáramát is. 24

Pontosan kell rögzítenünk az előzőek miatt a nyomásveszteség meghatározásakor a mérés feltételeit és paramétereit. Általában a méréssel meghatározott nyomásveszteségek levegőre vonatkoznak. Azoknál a porleválasztóknál, ahol a por ürítése nincs folyamatosan megoldva, a nyomásesés a por mennyiségének növekedése függvényében nő. A berendezés ventillátorának közvetlenül a szűrő cseréje előtt is tudnia kell a tervezett légmennyiséget szállítania, így a berendezés megtervezéséhez szükséges az előző mondatban említett függvénykapcsolat ismerete.

3.5. Az energiaszükséglet A porleválasztók energiaszükséglete összetevődik a ventillációs energiaigényből és a segéd energiaigényből. A ventillációs energiaigényt ki tudjuk számítani a gáz térfogatáramából, és a porleválasztó össznyomásveszteségéből. Ehhez a számításhoz szükségünk lesz a ventilátor összhatásfokára, ezért nem túl egyértelmű. Az elméleti összefüggés a következő: P:

V:

az energiaigény [W]

∆pö :

P = V∆pö (3.2. )

a leválasztón átáramló gáz térfogatárama [m3/s] a leválasztó össznyomásvesztesége [Pa]

Ha ismerjük a ventilátor hatásfokát, akkor az összefüggés így változik: ηö :

P = V∆pö η6& ö (3.3. )

a ventilátor és a hajtás összhatásfoka

A segéd energiaigény alatt azt az energiaigényt értjük, mely a leválasztó

tökéletes

működéséhez

szükséges

segédberendezésekhez

tartozik

(ilyen

energiaigény lehet víz, levegő, elektromos energia, stb.). Segéd energiaigény alatt érthetjük a szivattyúk, ürítő berendezések, rázószerkezetek, stb. energiaigényét, vagy az evakuáló vagy recirkulációs 25

berendezések ventillációs szükségletét. A teljes számításhoz nyilvánvalóan hozzátartozik a több elemből álló teljes berendezés valamint a rendszerbe való beépítéshez szükséges csővezetékek ellenállástöbblete is.

3.6. Porleválasztók kiválasztása Ahhoz, hogy ki tudjuk választani a legmegfelelőbb porleválasztó készüléket, a következő adatokat kell ismernünk: -

a por koncentrációja

-

a porra jellemző méret

-

a részecske sűrűsége

-

a por tapadási hajlama

-

a tisztítás szükséges mértéke

-

a por koptató hatása

Azt, hogy a gázáramban hogyan viselkednek a szilárd részecskék, a gömb alakú részecskék aerodinamikai egyenletei alapján tudhatjuk meg. Mivel a valóságban többségében nem gömb alakban találhatóak a porok, ezért azokat különféle (lineáris, felületközepes, stb.) átmérőkkel jellemezhetjük. A 3.14.-es ábrán láthatjuk néhány porleválasztó készülék alkalmazási területét a jellemző szemcseméret nagysága alapján. Ezek a méretek nem jelentenek éles határvonalat az alkalmazhatósági tartományban. Az alkalmazási terület kiválasztásánál figyelembe kell vennünk más adatokat is a szemcseméreten kívül.

26

3.14. ábra Néhány porleválasztó berendezés alkalmazási tartománya a jellemző porszemcse méretének függvényében ([9]: 2. oldal)

3.7. A porleválasztás célja, hatásfok A porszemcse ülepedési sebessége is jellemezheti a porleválasztó készülékekben a leválasztást. Az erők egyensúlyát felírhatjuk a (jó közelítéssel) gömb alakú szilárd _ = ` + a (3.4)

részecskére:

G:

a tömegerő a gravitációs erőtérben

F:

a testre ható felhajtóerő a közegben

E:

a mozgás hatására fellépő ellenálláserő N ∙ ∙ Hb ∙ 2 (3.5) 6

A részecskére ható erők lamináris áramlás esetén: _=

N ∙ `= ∙ Hc ∙ 2 (3.6) 6

a = 3 ∙ dc ∙ ∙ ∙ ü (3.7)

∙ (Hb − Hc ) ∙ 2 (3.8) 18 ∙ dc

Ezek alapján az ülepedési sebesség a lamináris tartományban a következő:

ü =

27

ü :

dc :

az ülepedési sebesség

Hc :

a gáz dinamikai viszkozitása

:

a gravitációs gyorsulás

Hb :

2:

a gáz sűrűsége a szilárd anyag sűrűsége

a jellemző szemcseátmérő

A gravitációs gyorsulás helyett elektromos vagy centrifugális erőtérben az annak megfelelő térerőt használjuk. Abban az esetben, ha több szemcse is jelen van az anyagáramban és azok szemcsekoncentrációja nem elég csekély ahhoz, hogy ne befolyásolják egymást számottevően a szemcsék, akkor nem tekinthető érvényesnek a (3.8)-as képletben számolt ülepedési sebesség. Ilyen esetekben az ülepedési sebesség nagyobb, mint kisszámú szemcsék esetén. A gázáramban lévő eloszlatott porszemcsék jellemzésére a szemcsekoncentráció a legmegfelelőbb, melyet az alábbiak szerint számíthatunk ki: :

g:

a vizsgált gáz térfogata

f=

g (3.9)

a vizsgált térfogatban lévő részecskék tömege

A 3.1. táblázatban láthatunk néhány környezeti és üzemi porkoncentráció értéket.

3.1.táblázat Porkoncentráció értékek ([9]: 3.oldal) 28

A

leválasztó

készülékek

teljesítőképességét

a

leválasztási

hatásfokkal

( ö ) alatt azt értjük, hogy a tisztítandó gázáramban lévő szilárd porszemcsék jellemezhetjük. Az összportalanítási fok, vagy másnéven összleválasztási hatásfok

tömegéből mennyi válik le a porleválasztó berendezésben.

3.15. ábra A porleválasztás mennyiségi jellemzői ([9]: 4.oldal) g(C :

A 3.15. ábra jelölései a következők: gJ : g C :

(C :

J :

f(C :

fJ :

a leválasztóba belépő por tömege a leválasztóból kilépő por tömege a készülékben leválasztott por tömege a rendszerbe belépő gáz térfogata a rendszert elhagyó gáz térfogata a rendszerbe belépő gáz szilárd anyag koncentrációja a rendszert elhagyó gáz szilárd anyag koncentrációja

Egy tökéletesen zárt rendszernél feltételezve, hogy a porleválasztásnál nincs

tömítetlenség, azaz a gáz eltávolítása a leválasztásnál elhanyagolható, a következő egyenlőség érvényes:

(C = J (3.10) g(C = gJ + g C (3.11)

A szilárd anyagra a következőképpen írhatjuk fel a megmaradási egyenletet:

29

A szilárd anyag koncentrációkat a következők alapján számíthatjuk: g(C (3.12) f(C = (C gJ fJ = (3.13) J

Az előzőek alapján számítható a porleválasztó összleválasztási hatásfoka: g C g(C − gJ f(C − fJ ö = = = (3.14) g(C g(C f(C

Az összleválasztási hatásfokon kívül a frakció leválasztási hatásfokot (hi ) is

szokták alkalmazni a porleválasztó készülékek jellemzésére. A porszemcséknek, melyek a porleválasztóba belépnek, a mérete különböző lehet, így lesznek kisebb és nagyobb részecskék is. Az összportalanítási fok ezeket nem különbözteti meg, és a nagyobb szemccsékből általában többet, míg a kisebbekből kevesebbet választ le a készülék. A frakcióportalanítási fok ezzel ellentétben azt mutatja meg, hogy adott méretű szemcséket milyen hatásossággal választ le a kiválasztott porleválasztó. A 3.16. ábra a) részében a porleválasztóba belépő és az ott leválasztott porszemcsék leválasztási hatásfok értelmezése egy Δd tartományban történik. Az adott

eloszlásgörbéjét láthatjuk a részecskék méretének függvényében. A frakció

tartományban a frakció leválasztási hatásfok a tartománynak megfelelő leválasztott szemcsék (Δmmn ) és a belépő szemcsék (Δmon ) tömegeinek aránya: Δmmn (3.15) hi = Δmon pq

A 3.16. ábra b) részén egy porleválasztó frakcióhatásfok görbéjét láthatjuk a por szemcseátmérőjének függvényében.

30

3.16.ábra Eloszlásgörbe és frakcióhatásfok görbe ([9]: 5.oldal)

A szilárd szemcsék annak hatására válnak le a gázáramból, hogy olyan erők érik az anyagot, mely hatására az relatív elmozdulásra kényszerül a gázáramhoz képest. A porleválasztó készülékek többnyire a nehézségi erőt, az elektromos erőt és a centrifugális erőt használják ki. Ezen kívül előfordulhat még, hogy a szűrőrétegeken való

visszamaradást

használják

ki

a

készülékekben.

Néhány

példa

az

erőfelhasználásra: -

ülepítő kamrában a gravitáció

-

nedves mosókban nedvesítés hatására történő leválasztás

-

elektrofilterekben az elektromos térerő

-

zsalus leválasztóban az ütközés

-

ciklonokban a centrifugális erő

Ezeken kívül más, másodlagos erők is szerepet játszhatnak a porleválasztás folyamatában.

31

4. Egy kiválasztott ciklon határszemcséjének számítása

4.1. ábra A kiválasztott ciklon méretei A kiválasztott geometriájú ciklonban kiszámoljuk azt a határszemcse méretet, amelynél a szemcse már nem kerül a készülék aljára, és az ennél kisebb szemcsék mind távoznak a merülőcsövön keresztül. A számításhoz szükséges összefüggés: r7 s 1 = A ∙ ∙ (4.1. ) r ℎ∙t a határszemcse mérete

(32,5mm=0,0325m)

R a felső hengeres rész sugara

(75mm=0,075m)

ahol

r7 a merülőcső sugara

h

a merülőcső alsó része és a ciklon alja közötti távolság (420mm=0,42m)

( a bemenő keresztmetszet v

a beáramló levegő sebessége

( ( = ? ∙ @) (0,1m*0,04m=0,004g )

(30m/s)

32

Q az átáramló gázmennyiség

(Q = Ao ∙ v)

n

kitevő, mely értéke: 0,9…0,5

(0,5)

c

a centrifugális erő:

(0,004m *30m/s=0,12mN /s)

η

c=

ρ{| a szemcse sűrűsége a viszkozitás

c=

Ao ∙ 9 ∙ η (4.2. ) π ∙ ρ{|

(17,1 ∙ 106} Pas)

(3000kg/mN )

0,004 ∙ 9 ∙ 17,1 ∙ 106} = 5,111445535 ∙ 106 mN s 67,9 π ∙ 3000

d = 5,1114455 ∙ 10

6

0,0325 7,9 1 ∙ ∙ = 1,5 ∙ 106} m 0,075 0,42 ∙ 0,12

= 1,5 ∙ 106N mm = 1,5μm

Így a határszemcse átmérője: 1,5 μm

Ha a gázmennyiséget(Q) növeljük, a határszemcse mérete kisebb lesz, a ciklon

portalanítási foka javul. A gáz hőmérsékletének változásával változik a viszkozitása és a mennyisége. A gázok viszkozitása a hőmérséklet emelésével növekszik, így a határszemcsenagyság kis mértékben csökken és a portalanítási fok javul. Az átmérő növelésével, a határszemcse mérete csökken, a portalanítási fok javul. Ha a kivezető cső átmérőjét növeljük, növekszik a határszemcse mérete is, a portalanítási fok romlik. Karcsúbb ciklonnál kisebb lesz a határszemcse mérete, javul a portalanítási fok.

33

5. Különféle ciklonformák hatása Az alábbiakban 7 különféle palástalakkal rendelkező ciklont vizsgáltam meg számítógépes szimulációval a benne lévő anyag sebességét és nyomását vizsgálva. A hozzájuk tartozó adatok minden esetben megegyeztek, így változás ténylegesen csak a formájukban figyelhető meg. A kialakítások során a megfigyelt alakok a hengeres ciklonokon kívül 1, 2, 3 és 5 jobbmenetes, valamint 1 és 5 balmenetes csavarfelülettel rendelkező ciklonok voltak. A következő ábrákon a kialakítások modelljei láthatóak.

5.01. ábra A hengeres felületű ciklon

5.02. ábra

5.03. ábra

A jobbmenetes 1 csavarvonalas

A balmenetes 1 csavarvonalas felületű

felületű ciklon

ciklon

34

5.04. ábra

5.05. ábra



felületű ciklon

felületű ciklon

5.06. ábra

5.07. ábra


A balmenetes 5 csavarvonalas felületű

felületű ciklon

ciklon

35

5.1. A forma hatása a sebességre A ciklon formájának kialakítása fontos szerepet játszik a benne áramló közeg sebességének nagyságára és irányára is. Én csak a sebesség nagyságát figyeltem meg a szimulációk alapján, azok értékét is csak 2 vonal mentén. Az egyik ilyen vonal a ciklon függőleges tengelye, míg a másik a bevezető csonk vonalában egy vízszintes vonal. Azért ezeket a vonalakat választottam, hogy a kivezető nyílásoknál megfigyelhető legyen az áramlási sebesség. Kedvező számunkra, ha a sebesség a ciklon aljában kicsi, mivel így nem szállítja el az oda kiváló szemcséket. A fal mentén a nagy sebesség növeli a leválasztott pormennyiséget, amivel csökkenti a határszemcse méretét, viszont ez növeli a koptató hatást, mely a ciklonoknál jelentős. A merülőcső környezetében is kedvezőbb az alacsony sebesség a portalanítást tartva szem előtt. A ciklon főbb adatai a 4. fejezetben lévő ciklon adataival egyeznek meg.

36

5.1.01. ábra A hengeres felületű ciklon sebességi áramképe

5.1.02. ábra Az előző ábrán lévő függőleges vonal menti sebességek nagysága

37

5.1.03. ábra A jobbmenetes 1 csavarvonalas felületű ciklon sebességi áramképe


38

5.1.05. ábra A balmenetes 1 csavarvonalas felületű ciklon sebességi áramképe


39



40



41



42



43

Az előző ábrákon láthattuk, hogy a sebességek hogy alakulnak a tengelyvonal mentén. A merülőcsőtől lefelé haladva a sebesség kis mértékben növekszik, és a maximumát a merülőcső aljához közel éri el, ahonnan hiperbola mentén kezd el csökkenni. A ciklon aljától 20-30 mm-re kissé elkezd növekedni a sebesség, de ennek mértéke nem jelentős. Ezek a megfigyelések nyomon követhetőek mindegyik ciklonkialakításban. Azonban a diagramja a hengeres felületű ciklonnak volt a legkisimultabb, míg a legnagyobb szórással a bal menetemelkedésű felülettel rendelkező készülékek sebességi értékei rendelkeztek.

&=s = 0,004 g⁄

&= = 43,6383 g⁄

+=s = 1,861 g⁄

+= = 49,8846 g⁄

=s = 0,631 g⁄

= = 49,1483 g⁄

A legnagyobb és legkisebb értékek a következők voltak: - 1. ciklonkialakítás: - 2. ciklonkialakítás: - 3. ciklonkialakítás: - 4. ciklonkialakítás: - 5. ciklonkialakítás: - 6. ciklonkialakítás: - 7. ciklonkialakítás:

=s

= 0,819 g⁄

N=s = 2,38 g⁄

9=s = 2,687 g⁄

}=s = 3,115 g⁄

=

= 48,4397 g⁄

N= = 58,6146 g⁄

9= = 67,1277 g⁄

}= = 57,5814 g⁄

Ezek közt az eltérések arányai a hengeres felületű ciklonhoz képest a következők: - 2. kialakítás: - 3. kialakítás: - 4. kialakítás: - 5. kialakítás: - 6. kialakítás: - 7. kialakítás:

= = = = = =

7,&

7,77+ ,N

7,77+

&,}& 7,77+ ,}

7,77+ N,&&9 7,77+ 7,}N& 7,77+

= 204,75

= 465,25

= 595

= 671,75 = 778,75 = 157,75

= = = = = =

+,+N

+N,}NN

9,}&+} +N,}NN +,+}

+N,}NN

},& +N,}NN 9,9&+ +N,}NN +,&+N

+N,}NN

= 1,11

= 1,343 = 1,143 = 1,538 = 1,32

= 1,126

A minimum értékek arányait figyelmen kívül hagyhatjuk, mivel a hengeres felületű ciklonnál ez az érték közel 0.

44

Az előző adatok alapján látható, hogy a legnagyobb eltérés a 5. kialakításban, azaz a jobbmenetes 3 csavarvonalas palástfelületű ciklonnál figyelhető meg. Az itt látható legnagyobb sebesség 58,8%-kal több, mint az alapciklonnál lévő legnagyobb sebesség, ami a többi vizsgált formához képest kiemelkedő. Az eredeti ciklonkialakításhoz legközelebbi értékeket a 2., 4. és 7. kialakítás szolgáltatja, mely esetekben a maximum sebességek 11, 14,3 és 12,6%-kal nagyobbak, mint a hengeres palástfelületű ciklonnál Érdekes, hogy ekkora befolyással tud lenni a ciklonban áramló közegre, hogy jobbvagy balmenetes. Ezt a különbséget az 1 és 5 csavarvonalas palástfelületű ciklonnál (2.-3. és 6.-7. kialakítás) is láthatjuk. A jobbmenetes ciklonokat (2., 4., 5. és 6. kialakítás) megfigyelve az 1-től 3 csavarfelülettel rendelkező ciklonig a sebességértékek növekednek, viszont az 5 csavarvonalas kialakításnál már csökkennek az értékek. Feltehetőleg, növelve a csavarvonalak számát, az értékek közelítenének az alapvető ciklonkialakítás értékeihez, de a technika korlátai miatt a további kialakítások szimulációja nem volt sikeres. Ezen a függőleges vonalon legfontosabb az ezzel a vonallal párhuzamos, z irányú összetevője a sebességeknek, ezért ezeket is kiértékeltem.

45

5.1.15. ábra Az 1. kialakítás sebességeinek függőleges irányú összetevőinek képe

5.1.16. ábra Az 1. kialakítás sebességeinek függőleges irányú összetevői

46


5.1.18. ábra Az 2. kialakítás sebességeinek függőleges irányú összetevője

47



48



49



50



51



52

A határszemcse mérete akkor lesz kisebb, ha a z irányú sebességek maximális értéke a legkisebb, mert a kisebb sebességnek kisebb a felhajtóereje is, így a szemcsék könnyebben jutnak el a ciklon aljához. A z irányú sebesség értéke akkor a legmegfelelőbb, ha negatív, tehát lefelé mutat. Így minimális értéknek a lehető legnegatívabbnak kell lennie a porleválasztás hatásfokának növeléséhez. Az előbbiek során a következő maximum és minimum értékeket kaptam. - 1. ciklonkialakítás: - 2. ciklonkialakítás: - 3. ciklonkialakítás: - 4. ciklonkialakítás: - 5. ciklonkialakítás: - 6. ciklonkialakítás: - 7. ciklonkialakítás:

&=s = −0,00044 g⁄

&= = 43,6041 g⁄

+=s = 0,08966 g⁄

+= = 49,6914 g⁄

=s = 0,05296 g⁄

= = 49,0392 g⁄

=s

= 0,05917 g⁄

N=s = 0,39766 g⁄

9=s = 0,27788 g⁄

}=s = 0,54363 g⁄

=

= 48,3141 g⁄

N= = 58,2036 g⁄

9= = 66,0256 g⁄

}= = 57,2891 g⁄


= =

+,N&+& +N,}7+& 9, 7N} +N,}7+&

=

+N,}7+&

=

+N,}7+&

= =

+,}&+

}},7 9} +N,}7+& 9, & +,7N

+N,}7+&

= 1,108 = 1,335 = 1,14

= 1,514 = 1,314 = 1,125

A minimum értékek arányát itt sem tudjuk figyelembe venni, tekintettel arra, hogy az 1. kialakítás z irányú sebességének minimum értéke itt is közel 0. Ezen értékek alapján elmondhatjuk, hogy a hengeres felületű ciklon a legalkalmasabb a porok megfelelő leválasztására. Az rendelkezik ugyanis a legjobb minimális és maximális értékkel is. Azonban megfigyelhető, hogy a bal menetemelkedésű felületek (3. és 7. kialakítás) értékei a menetek számának növelésével javulnak. Míg az 1 menetes esetében rosszak a mutatók (a maximális érték 33,5%-kal nagyobb a hengeres felületű ciklonénál), az 5 menetes esetben ezek az értékek már közelítik a hengeres felületű értékeit (a maximális z irányú sebesség 53

csak 12,5%-kal nagyobb a hengeres felületű ciklonétól, míg a minimális érték itt közelíti meg leginkább az 1. kialakításét). A vizsgált alakok közül így is a jobb menetemelkedésű 1 menetes felületű ciklon sebességi értékei álltak a legközelebb az eredeti ciklonéhoz. A maximális sebesség csak 10,8%-kal nagyobb a hengeres felületű ciklonénál.

A következőkben a levegő bevezetőnyílásában vizsgálom nagyságának értékeit, valamint a fal mentén.

a sebesség

54

5.1.29. ábra A hengeres felületű ciklon sebességi áramképe

5.1.30. ábra Az előző ábrán lévő vízszintes vonal menti sebességek nagysága 55


5.1.32. ábra Az előző ábrán lévő vízszintes vonal menti sebességek nagysága

56



57



58



59



60



61

A kialakítás kopás szempontjából akkor ideális, ha a fal környezetében minél kisebb az áramlási sebesség. Ez az előző ábrákból a minimális sebességeket jelenti. A maximális értékek akkor a legmegfelelőbbek, ha azok minél kisebbek. Az előbbiek során a következő maximum és minimum értékeket kaptam. - 1. ciklonkialakítás: - 2. ciklonkialakítás: - 3. ciklonkialakítás: - 4. ciklonkialakítás: - 5. ciklonkialakítás: - 6. ciklonkialakítás: - 7. ciklonkialakítás:

&=s = 18,3295 g⁄

&= = 32,1871 g⁄

+=s = 16,4041 g⁄

+= = 36,739 g⁄

=s = 20,7745 g⁄

= = 36,1623 g⁄

=s

= 19,1656 g⁄

N=s = 14,7523 g⁄

9=s = 17,9383 g⁄

}=s = 12,8091 g⁄

=

= 34,3066 g⁄

N= = 32,9853 g⁄

9= = 34,0843 g⁄

}= = 36,7234 g⁄


=

&,&}9}

=

&},+7+&

= = = =

&,N 9

&+,9 N &,N 9 &,N 9

&,NN &,N 9 & ,7& &,N 9

7,+9

&,N 9

= 1,046

= 0,895

= 0,805 = 0,979 = 0,699

= 1,133

= = =

N+,N7}} N ,&& N ,9N

N ,&& N},N

N ,&&

=

N+,7+N

=

N},&} N

=

N ,&& N}, N+ N ,&& N ,&&

= 1,066 = 1,025 = 1,141 = 1,059 = 1,141 = 1,124

Ezen értékek alapján a 6. kialakításban, azaz a jobb menetemelkedésű 5 menetes ciklonban a legkisebb a fal menti sebesség, melynek értéke az eredeti, hengeres kialakításnak 69,9%-a. A vizsgált alakok közül az 1 menetes jobb és az 5 menetes bal menetemelkedésű ciklonoknak (2. és 7. kialakítás) volt nagyobb a minimális értéke. A maximális értékek nem térnek el nagymértékben a hengeres ciklon értékeitől. A legnagyobb eltérést a 4. és 6. kialakítás (jobb menetemelkedésű 2 és 5 menetes) mutat, 14,1%-os növekedéssel. 62

Ezek szerint csak a sebesség értékeket figyelembe véve a jobb menetemelkedésű 5 menetes ciklonban a legkisebb a kopás mértéke. Ezt azonban sok más tényező befolyásolja, melyeket most nem vizsgáltam.

63

6. Összegzés A ciklonoknál az alaknak nagy jelentősége van. Ez befolyásolja az áramlási képet, a sebességeket és még számos más tényezőre lehet hatással, melyekre jelenleg nem tértem ki. Ezek az apró változtatások azonban nem minden esetben javítanak a különböző adatokon, és az is előfordulhat, hogy egyes mérőszámok javulnak, miközben mások romlanak. Ennek gyakorlati jelentősége abban áll, hogy meg kell vizsgálni az egyes esetekben, hogy mely tulajdonságokon szeretnénk változtatni, és melyeket szeretnénk megtartani az aktuális célhoz, beépítéshez, majd ezek alapján felmérni, hogy az a kialakítás milyen többletköltségekkel jár, és ezekkel együtt gazdaságos-e az a fajta kialakítás, amit szeretnénk beüzemelni, vagy nem érdemes változtatni a korábban használt berendezésen. A ciklonoknak a hatalmas előnye abból származik, hogy olcsóak és könnyen legyárthatóak, ezért a gazdasági szempontokat itt sokkal nagyobb hangsúllyal kell figyelembe venni, hacsak nem változnak meg jelentős mértékben a porleválasztási adatai. A szimulációk alapján a ciklonokban lévő sebességek nagysága akkor a legkisebb, ha a hengeres felületű ciklont alkalmazzuk. A sebesség z irányú összetevője pedig befolyásolja a határszemcse méretét, minél kisebb, annál kisebb a határszemcse mérete, mivel minél kisebb ez a sebesség, annál könnyebben tud leülepedni a por a ciklon aljára. E szerint a hengeres felületű ciklon a legmegfelelőbb a porleválasztás szempontjából.

64

Summary

The shape of the cyclones has great importance. This affects the flow pattern, the speed and can affect many other factors which currently do not deal with. These small changes are not always improving a variety of data, and it is also possible that some indicators are improving while others are deteriorating. The practical significance is that it must be examined in each individual case as to which properties, we want to change, and which ones want to keep for our current target, installation, and on this basis to assess whether the design has added cost and with these, economically good for us the kind of design that we want to set up, or we do not want to change the previously used equipment. The great advantages of the cyclones is come from that they are cheap and easy to produce, so we should give more attention to the economic considerations, unless the dust separation data is significantly changed. Based on the simulations, the velocities in the cyclone have the smallest magnitude when the cylindrical surfaced cyclone is used. The speed component in the z direction has affect to the size of the outlet particle, the lower this kind of speed, the more easily the powder can settle to the bottom of the cyclone. This means that the cylindrical surfaced cyclone is the best for dust collection.

65

7. Irodalomjegyzék

[1] Koncz István (1982). Portalanítás és porleválasztás. Budapest: Műszaki könyvkiadó [2] Fejes Gábor, Tarján Gusztáv (1979). Vegyipari gépek és műveletek. Budapest: Tankönyvkiadó [3] Bingtao Zhao (2009). Modeling pressure drop coefficient for cyclone separators: A support vector machine approach. Chemical Engineering Science 64 (2009) 4131 – 4136 [4] Hideto Yoshida (2009). Improvement of gas-cyclone performance by use of local fluid flow control method. Powder Technology 193 (2009) 6–14 [5] Hai Zhang (2009). Measurements of solid concentration and particle velocity distributions near the wall of a cyclone. Chemical Engineering Journal 150 (2009) 168–173 [6] Ying Zheng (2008). Experimental and numerical investigations of a dynamic cyclone with a rotary impeller. Chemical Engineering and Processing 47 (2008) 1861–1866 [7] Zhiyi Xiong (2009). Experimental investigations on a cyclone separator performance at an extremely low particle concentration. Powder Technology 191 (2009) 254–259 [8] A.B. Yu (2009). CFD-DEM modelling of multiphase flow in dense medium cyclones. Powder Technology 193 (2009) 235–247 [9] Környezetvédelmi technika és menedzsment - oktatási segédlet (2002), Budapest http://www.diakoldal.hu/assets/res/notes/867c396108577e7716041d7e956261d8jeg yzet2002.pdf [10] http://enfo.agt.bme.hu/drupal/sites/default/files/Nassabscheider_6951.jpg [11] http://www.e-szakuzlet.hu/pictures/psu50401.jpg [12] http://m-filter.nl/sites/default/themes/professional_theme/articlesimages/Elektrofilter_Trion.jpg 66

[13] http://www.samsung.com/au/system/consumer/product/2010/05/24/vcc4790h43xsa/ feature01.jpg [14] http://1.imimg.com/data/3/G/MY-543352/cyclone-separator-dustcollector_10805980_250x250.jpg [15] http://engineering.co.rs/Slike/otprasivanje/1.Multi%20ciklon.JPG [16] http://farm2.staticflickr.com/1294/4710688650_92b7df9a67_z.jpg [17] http://www.bhaviplast.com/3D-BAG%20HOUSE.bmp [18] http://www.knovelblogs.com/wp-content/uploads/2009/12/Computationalgrid-of-an-ESP-model.gif [19] http://www.southafricacrusher.com/wp-content/uploads/magnetic-separatordesign-300x201.jpg [20] http://www.recycolor.hu/dinamikus/Image/Laci/36.jpg [21] http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT2002/images/6729sheredy-f1.jpg [22] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b1/HEPA_Filter_diagra m_en.svg/607px-HEPA_Filter_diagram_en.svg.png

67

SZAKDOLGOZAT PORLEVÁLASZTÓ CIKLONOK VIZSGÁLATA

Recommend Documents