Funktionsprinzip des Zyklonabscheiders (Staubabscheider)

Einführung

Zyklonabscheidung ist ein Verfahren zur Trennung verschiedener Flüssigkeitsphasen (unterschiedlicher Flüssigkeitsdichten) oder zur Abscheidung von Partikeln aus einem Gasstrom. Zyklonabscheider sind häufig Teil einer Vorreinigungsstufe, bevor ein Gas oder eine Flüssigkeit weiterverarbeitet wird. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Gaszyklonabscheider.

Zyklonabscheider

Herkunft des Namens

Ein Zyklonabscheider hat mehrere gebräuchliche Bezeichnungen. Dazu gehören „Staubabscheider“, „Staubsammler“, „Staubabsauger“, „Zyklonabsauger“ und „Zyklonabscheider“. Im Allgemeinen werden kleinere Einheiten als „Staub“-Abscheider oder -Absauger bezeichnet, während großtechnische industrielle Abscheider als „Zyklonabscheider“ bezeichnet werden.

Gaszyklon und Hydrozyklon

Es gibt zwei Haupttypen von Zyklonabscheidern: den Gaszyklon und den Hydrozyklon.

Gaszyklone werden verwendet, um Partikel aus einem Gasstrom zu entfernen.

Typische Gaszykloninstallation

Hydrozyklone werden zur Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichten eingesetzt.

Zyklonabscheider können als einzelne Einheiten oder in Mehrfachanordnungen, bekannt als Multi-Zyklone, installiert werden. Es ist auch möglich, Zyklone in Serie oder parallel zu installieren.

Abscheider können horizontal oder vertikal installiert werden.

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Gaszyklonabscheider

Gaszyklonabscheider werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: Rückfluss und Axialfluss.

Rückfluss-Zyklonabscheider sind kegelförmig. Gas tritt oben in den Abscheider ein, fließt nach unten, dann wieder nach oben und wird abgegeben.

Rückfluss-Gaszyklonabscheider

Es gibt verschiedene Designs von Rückfluss-Zyklonabscheidern. Unten ist eine weitere Variante des Rückflusszyklons dargestellt.

Rückfluss-Zyklonabscheider mit Wirbelgenerator

Bei Axialfluss-Zyklonabscheidern tritt das Gas an einem Ende ein und wird am gegenüberliegenden Ende abgegeben. Axialflussabscheider sind weniger verbreitet als Rückflussabscheider.

Axialfluss-Zyklon

Effizienz

Dieser Artikel konzentriert sich auf den Rückfluss-Gaszyklonabscheider, da dieser Abscheidertyp heute am häufigsten verwendet wird. Wir werden im Artikel auf den Begriff Sammlungseffizienz oder einfach „Effizienz“ verweisen. Die Sammlungseffizienz - auch bekannt als Erfassungs- oder Rückgewinnungsrate - ist ein Maß für die Fähigkeit eines Zyklons, Partikel aus dem strömenden Gasstrom zu trennen. Da Partikel unterschiedliche Größen haben, wird die Effizienzbewertung normalerweise für verschiedene Partikelgrößen angegeben.

Schnittpunkt

Die Volumenstromrate und Geometrie des Zyklonabscheiders definieren den Schnittpunkt. Der Schnittpunkt ist der Punkt, an dem Partikel mit 50% Effizienz aus dem Gasstrom entfernt werden. Diese Messung ist eine branchenübliche Messung und kann normalerweise vom Originalgerätehersteller (OEM) bezogen werden.

Komponenten und Design

Ein Rückfluss-Zyklonabscheider ist eine industrielle Baugruppe ohne bewegliche Teile und ein einfaches Design.

Der Hauptzylinderteil des Zyklonabscheiders wird als Körper oder Fass bezeichnet. Der sich allmählich verjüngende konische Abschnitt wird als Kegel bezeichnet.

Unbehandeltes Gas tritt tangential durch den Einlass an der Seite des Abscheiders ein. Eingeschlossene Partikel im Gasstrom werden vom Gasstrom getrennt und durch den Ableitungsanschluss am Boden des Abscheiders abgegeben. Gereinigtes Gas verlässt den Abscheider durch den Akzeptanzanschluss an der Oberseite des Abscheiders.

Zyklonabscheider mit Beschriftungen

Funktionsweise von Zyklonabscheidern

Das untenstehende Video ist ein Auszug aus unserem 

Gas, das eingeschlossene Partikel enthält, tritt mit hoher Geschwindigkeit durch den tangentialen Einlass an der Oberseite des Zyklons ein. Das Gas strömt tangential in den Zyklonkörper/Fass und beginnt in einer kreisförmigen Abwärtsspirale in Richtung des unteren Ableitungsanschlusses zu fließen; diese abwärts fließende Spirale wird als Spiralwirbel bezeichnet.

Tangentiallinie (in Rot dargestellt)

Der Kegeldurchmesser nimmt allmählich ab, was dazu führt, dass die Gasgeschwindigkeit zunimmt. Der äußere Wirbel erzeugt einen zusätzlichen inneren Wirbel näher am Zentrum des Abscheiderkörpers, und dieser innere Wirbel fließt spiralförmig nach oben in Richtung des Akzeptanzanschlusses.

Innerer (blau) und äußerer (schwarz) Wirbel

Partikel mit mehr Trägheit werden mit der Seite des Zyklons kollidieren, während Partikel mit geringerer Trägheit im Gasstrom verbleiben. Trägheit kann als die Fähigkeit eines Partikels angesehen werden, in einer geraden Linie weiter zu reisen, selbst wenn äußere Kräfte angewendet werden. Wenn eine äußere Kraft angewendet wird - wie durch den zyklonischen Wirbel - werden die Partikel mit geringer Trägheit nicht in einer geraden Linie weiterreisen, sondern spiralförmig reisen, da sie vom Gasstrom mitgerissen werden.

Eingeschlossene Partikel mit geringer Trägheit

Partikel mit größerer Trägheit werden weniger vom Wirbel beeinflusst und werden in einer geraden Linie weiterreisen. Diese geradlinige Flugbahn führt dazu, dass die Partikel mit hoher Trägheit aus dem Gasstrom herausbewegt werden und mit dem Zyklonabscheiderkörper kollidieren. Diese Partikel fallen dann zum Boden des Zyklonabscheiders und aus dem Ableitungsanschluss heraus. Auf diese Weise können eingeschlossene Partikel einer bestimmten Größe vom Gasstrom getrennt werden.

Eingeschlossene Partikel mit hoher Trägheit

Eine andere Möglichkeit, diesen Prozess zu betrachten, besteht darin, sich vorzustellen, dass dichtere Partikel mit dem Zyklonkörper kollidieren, während weniger dichte Partikel im Gasstrom verbleiben. Dies ist jedoch nicht ganz richtig, da sowohl die Dichte als auch die Form des Partikels seine Fähigkeit beeinflussen, vom Gasstrom getrennt zu werden.

Partikel, die durch den Ableitungsanschluss abgegeben werden, werden normalerweise entweder recycelt (vor Ort oder außerhalb) oder entsorgt.

Physikalische Anmerkung

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass die Zentrifugalkraft die Kraft ist, die die Partikel vom Gasstrom trennt, aber es ist die Zentripetalkraft, die dazu führt, dass die Partikel mit dem Abscheiderkörper kollidieren.

Die folgende Gleichung wird verwendet, um die Zentripetalkraft basierend auf der Luftgeschwindigkeit (v), der Partikelgröße (m) und dem radialen Abstand (r) von der Zyklonwand zu berechnen.

F =(mv²)/r

Wo: v = Luftgeschwindigkeit

m = Partikelgröße

r = radialer Abstand

Die innerhalb des Abscheiders erzeugten Zentripetalkräfte können zwischen dem Fünffachen der Schwerkraft für große Durchmesser mit niedrigem Druckabfallabscheidern und dem 2.500-fachen der Schwerkraft für sehr kleine Durchmesser mit hohem Druckabfallabscheidern liegen.

Faktoren, die die Effizienz beeinflussen

Es gibt mehrere Faktoren, die die Effizienz eines Zyklonabscheiders beeinflussen können. Dazu gehören Partikeldichte, Partikelgröße, Volumenstromrate, Druckabfall, Kegellänge, Körperlänge, Verhältnis von Akzeptanzanschluss zu Körperdurchmesser und sogar die Glätte der inneren Oberflächen des Zyklons. Wir werden nun die wichtigeren Designaspekte im Detail besprechen.

Partikeldichte ist einer der entscheidendsten Faktoren, die die Fähigkeit eines Zyklons beeinflussen, eingeschlossene Partikel zu entfernen. Dichte Partikel wie Eisenoxide können mit einer Effizienz von 99% oder mehr getrennt werden, unabhängig von der Partikelgröße. Wenn die Partikeldichte abnimmt, nimmt die Effizienz ab (vorausgesetzt, es treten keine anderen Systemänderungen auf).

Partikelgröße ist ein großes Designkriterium, das die Effizienz eines Abscheiders beeinflusst. Größere Partikel können leichter getrennt werden als kleinere Partikel. Partikel kleiner als fünf Mikrometer sind schwer zu trennen, ohne sehr kleine Abscheider zu verwenden. Partikel, die 200 Mikrometer überschreiten, können oft mit anderen Mitteln wie Schwerkraft-Absetzbehältern getrennt werden. Eine Verringerung der Partikelgröße führt zu einer entsprechenden Verringerung der Effizienz.

Die Geometrie eines Abscheiders hat einen großen Einfluss auf die Effizienz der Einheit. Ein Zyklonabscheider mit größerem Durchmesser kann Partikel nicht so effizient trennen wie ein Abscheider mit kleinerem Durchmesser. Die Effizienz des Abscheiders steigt, wenn der Kegeldurchmesser abnimmt. Daher ermöglicht die Verringerung des Kegeldurchmessers die Entfernung immer feinerer Partikel. Ein kleiner Kegeldurchmesser wird viel feinere Partikel aus einem Gasstrom extrahieren als ein größerer Kegeldurchmesser.

Alle Zyklonabscheider haben einen damit verbundenen Druckabfall. Der Druckabfall kann als die Energiemenge betrachtet werden, die erforderlich ist, um das Gas durch den Abscheider zu bewegen, alternativ kann er als der Widerstand betrachtet werden, den der Zyklonabscheider dem Systemfluss hinzufügt. Der Druckabfall ist ein Produkt der Gasflussrate, Gasdichte und Zyklongeometrie. Der Druckabfall kann ausgedrückt werden als:

DR = Ra Einlass - Ra Auslass

Wo:

DR = Zyklon-Druckabfall

Ra = Absolutdruck

Eine andere Möglichkeit, die Effizienz eines Abscheiders zu erhöhen, besteht darin, den Durchmesser des Akzeptanzanschlusses zu verringern. Dies ändert das Verhältnis von Abscheiderkörper zu Akzeptanzanschlussdurchmesser und hat den Effekt, dass nur feinere Partikel den Abscheider durch den Akzeptanzanschluss verlassen dürfen.

Großer oder kleiner Abscheider?

Kleine Zyklonabscheider haben eine höhere Effizienzbewertung, aber der damit verbundene Druckabfall ist hoch und die Volumenstromrate ist niedrig. Die Gasgeschwindigkeit durch kleine Abscheider ist ebenfalls sehr hoch, was zu einem hohen Maß an Erosion führt, wenn der Gasstrom abrasive Partikel enthält.

Große Zyklonabscheider haben eine niedrigere Effizienzbewertung, aber der damit verbundene Druckabfall ist niedrig und die Volumenstromrate hoch. Ein Abscheider mit großem Durchmesser ist nicht geeignet, um feine Partikel aus einem Gasstrom zu entfernen.

Vorteile und Nachteile

Es gibt viele Vorteile, die mit Zyklonabscheidern verbunden sind, einige davon sind:

• Günstig in der Anschaffung.
• Wartungsarm.
• Geeignet für hohe Temperaturen.
• Geeignet für Flüssigkeitsnebel.
• Benötigen nicht viel Platz.

Einige Nachteile sind mit Zyklonabscheidern verbunden, aber diese Nachteile können in ihrer Schwere reduziert werden, wenn der richtige Abscheider für die richtige Anwendung ausgewählt wird. Nachteile können umfassen:

• Erhöhte Betriebskosten im Zusammenhang mit dem Druckabfall (vorausgesetzt, es handelt sich um einen großen Druckabfall).
• Unwirksam bei der Handhabung kleiner/feiner Partikel.
• Nicht geeignet für „klebrige“ Substanzen.

Materialauswahl

Die Materialauswahl ist eine sehr wichtige Überlegung bei der Auswahl eines Abscheiders für eine bestimmte Anwendung. Einige Prozesssysteme können erosive oder korrosive Strömungsmedien enthalten, daher ist es notwendig, eine Schutzschicht auf die inneren Oberflächen des Zyklons aufzutragen.

Geeignete Materialien zum Schutz des Abscheiders in erosiven Systemen könnten Materialien wie Keramik oder eine Art Emaille umfassen. Abscheider, die in korrosiven Systemen arbeiten, können eine Art Emaille- oder Poly-basiertes Materialbeschichtung haben, um den darunterliegenden Metallkörper des Zyklons zu schützen.

Anwendungen

Zyklonabscheider werden in vielen Anwendungen aufgrund ihrer geringen Kosten, ihres einfachen Designs und ihrer hohen Effizienz eingesetzt. Zyklonabscheider benötigen keine Beutel oder Filter und erfordern nur wenig Wartung.

Schmutzige Filter

Eine typische Anwendung wäre ein Sägewerk. Sägewerke erzeugen viel Staub, der aus dem Werk extrahiert werden muss. Der Staub wird durch einen Unterdruck, der von einem Ventilator - normalerweise einem Zentrifugalventilator - erzeugt wird, in das Hauptabsaugsystem gezogen. Die staubbeladene Luft passiert dann einen Zyklonabscheider, wo der größte Teil des Holzstaubs aus dem Luftstrom getrennt wird; die saubere Luft wird dann direkt in die Umgebungsluft abgegeben, während der Holzstaub recycelt oder entsorgt wird.

Zyklonabscheider-Sägewerk-Setup

Eine weitere häufige Anwendung ist der Haushaltsstaubsauger. Ein Elektromotor treibt einen Ventilator an, der Luft und Partikel in das Staubsaugergehäuse zieht. Es gibt nur wenige Teile zu warten und der Staubsauger hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine Beutel ausgetauscht werden müssen. James Dyson machte sich zum Milliardär, als er den ersten Zyklonabscheider-Staubsauger erfand, nachdem er einen funktionierenden Zyklon in einem Sägewerk gesehen hatte.

Zyklonabscheider-Staubsauger

Zusätzliche Ressourcen

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Cyclone_separator

https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclonic_separation

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/cyclone-separator