ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 1.

Παρουσίαση με θέμα: "ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 1."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια http://www.fkinc.com/cyclones.htm 1

2 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΥΠΙΚΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΥΚΛΩΝΩΝ 2. ΘΕΩΡΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΑΛΛΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ 4. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ 5. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ 2

3 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΕΙΣΑΓΩΓΗ (i) Οι φυγοκεντρικοί συλλέκτες ή κυκλώνες χρησιμοποιούνται ευρέως για το διαχωρισμό και την ανάκτηση βιομηχανικής σκόνης από τον αέρα ή από αέρια διεργασιών. Ο συνηθισμένος τύπος κυκλώνα είναι απλός στην κατασκευή και έχει πολύ χαμηλό αρχικό κόστος συγκρινόμενος με άλλους τύπους εξοπλισμού συλλογής σκόνης (Shepherd & Lapple, 1939) Οι διαχωριστές τύπου κυκλώνα έχουν χρησιμοποιηθεί στις Ηνωμένες Πολιτείες για περίπου 100 χρόνια και είναι ακόμη, μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες απ ’ όλες τις βιομηχανικές συσκευές καθαρισμού αερίων Οι κύριοι λόγοι για την ευρέως διαδεδομένη χρήση των κυκλώνων είναι ότι είναι οικονομικοί κατά την αγορά, δεν έχουν κινούμενα μέρη και μπορούν να κατασκευαστούν για να αντέχουν σε σκληρές συνθήκες λειτουργίας 3

4 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4

5 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΕΙΣΑΓΩΓΗ (ii) Τυπικά, το φορτισμένο με σωματίδια αέριο εισέρχεται εφαπτομενικά κοντά στο επάνω μέρος του κυκλώνα, όπως φαίνεται σχηματικά στην Εικόνα 4.1. Η ροή του αερίου αναγκάζεται σε μία σπείρα προς τα κάτω απλώς λόγω του σχήματος του κυκλώνα και της εφαπτομενικής εισαγωγής. Η φυγοκεντρική δύναμη και η αδράνεια γίνονται αιτία τα σωματίδια να μετακινηθούν προς τα έξω, να προσκρούσουν στο εξωτερικό τοίχωμα και στη συνέχεια να ολισθήσουν προς το κάτω μέρος της συσκευής. Κοντά στο κάτω μέρος του κυκλώνα, το αέριο αναστρέφει την προς τα κάτω σπείρα του και κινείται προς τα πάνω σε μία μικρότερη, εσωτερική σπείρα. Το καθαρισμένο αέριο εξέρχεται από το επάνω μέρος μέσω ενός σωλήνα “ ανιχνευτή δίνης ” και τα σωματίδια εξέρχονται από το κάτω μέρος του κυκλώνα μέσω ενός αγωγού κλεισμένου από ένα επιστόμιο τύπου θυρίδας με ελατήριο ή από μία περιστροφική βαλβίδα. 5

6 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 6

7 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΕΙΣΑΓΩΓΗ (iii) Γενικά, οι κυκλώνες από μόνοι τους δεν είναι επαρκείς για την ικανοποίηση των αυστηρών κανονισμών αέριας ρύπανσης, αλλά εξυπηρετούν ένα σημαντικό σκοπό. Το χαμηλό κόστος αρχικού κεφαλαίου και η σχεδόν χωρίς ανάγκη για συντήρηση λειτουργία τους, τους καθιστούν ιδανικούς για χρήση ως συσκευές αρχικού καθαρισμού σε σχέση με τις πιο ακριβές συσκευές τελικού ελέγχου όπως είναι τα σακόφιλτρα ή τα ηλεκτροστατικά φίλτρα ( βλέπε Εικόνα 4.2). Επιπρόσθετα στη χρήση για εργασίες ελέγχου ρύπανσης, οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται εκτενώς στις βιομηχανίες διεργασιών ▪ παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιούνται για ανάκτηση και ανακύκλωση καταλυτών σε διυλιστήρια πετρελαίου και ανάκτηση καφέ σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων. 7

8 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 8

9 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΕΙΣΑΓΩΓΗ (iv) Κατά το παρελθόν, οι κυκλώνες έχουν συχνά θεωρηθεί ως συλλέκτες χαμηλής απόδοσης. Ωστόσο, η απόδοση μεταβάλλεται πάρα πολύ με το μέγεθος του σωματιδίου και με το σχεδιασμό του κυκλώνα. Κατά τη διάρκεια της περασμένης δεκαετίας, προχωρημένες ερευνητικές εργασίες σχεδιασμού έχουν βελτιώσει πάρα πολύ την απόδοση των κυκλώνων. Πρόσφατα έντυπα από κάποιους κατασκευαστές κυκλώνων διαφημίζουν κυκλώνες οι οποίοι υπό συνηθισμένες συνθήκες επιτυγχάνουν 90% ή μεγαλύτερη απόδοση για σωματίδια μεγαλύτερα από 10 microns και ακόμη κάποιοι επιτυγχάνουν 99% απόδοση για σωματίδια μεγαλύτερα από 5 microns ( τυπικά, αυτοί είναι κυκλώνες σχεδιασμένοι για συλλογή σωματιδίων μεγάλης πυκνότητας ). 9

10 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΕΙΣΑΓΩΓΗ (v) Γενικά, καθώς αυξάνονται οι αποδόσεις, αυξάνονται και τα λειτουργικά κόστη ( κυρίως λόγω των υψηλότερων απαιτούμενων πτώσεων πίεσης ). Επομένως, τρεις μεγάλες κατηγορίες κυκλώνων είναι διαθέσιμες : υψηλής απόδοσης, συμβατικοί και υψηλής δυναμικότητας. ( Σχήμα 4.3) Πλεονεκτήματα κυκλώνων : o Μικρό κόστος κεφαλαίου o Δυνατότητα να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες o Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης εξαιτίας απουσίας κινούμενων μερών Μειονεκτήματα κυκλώνων : o Χαμηλές αποδόσεις ( ειδικά για τα πολύ μικρά σωματίδια ) o Υψηλά κόστη λειτουργίας ( λόγω της πτώσης πίεσης ) 10

11 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 11

12 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΤΥΠΙΚΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΥΚΛΩΝΩΝ Εκτεταμένη εργασία έχει πραγματοποιηθεί για να προσδιοριστεί με ποιο τρόπο οι διαστάσεις των κυκλώνων επηρεάζουν την απόδοση. Σε δύο κλασσικές μελέτες, οι οποίες χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα, οι Shepherd and Lapple (1939, 1940) προσδιόρισαν “ βέλτιστες ” διαστάσεις για κυκλώνες. Όλες οι διαστάσεις συσχετίστηκαν με τη διάμετρο του σώματος του κυκλώνα έτσι ώστε τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να εφαρμοστούν γενικά. Μεταγενέστεροι ερευνητές επανέλαβαν παρόμοια εργασία και έτσι δημιουργήθηκαν οι επίσης ονομαζόμενοι τυπικοί κυκλώνες. Ο Πίνακας 4.1 συνοψίζει τις διαστάσεις των τυπικών κυκλώνων των τριών τύπων που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η Εικόνα 4.4 επεξηγεί τις διάφορες διαστάσεις που χρησιμοποιούνται στον Πίνακα 4.1. 12

13 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 13

14 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 14

15 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2. ΘΕΩΡΙΑ (i) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Για να προσδιοριστούν οι επιδράσεις του σχεδιασμού του κυκλώνα και της λειτουργίας στην απόδοση συλλογής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα πολύ απλό μοντέλο. Σε αυτό το μοντέλο, το αέριο στροβιλίζεται μέσω ενός αριθμού Ne περιστροφών στην εξωτερική δίνη. Η τιμή του Ne μπορεί να προσεγγιστεί από Ne = 1/H [Lb + (Lc/2)] Ne = αριθμός πραγματικών περιστροφών H = ύψος αγωγού προσαγωγής, m ή ft Lb = μήκος του σώματος του κυκλώνα, m ή ft Lc = μήκος ( κάθετο ) του κώνου του κυκλώνα, m ή ft 15

16 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2. ΘΕΩΡΙΑ (ii) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Για να συλλεχθούν, τα σωματίδια πρέπει να προσκρούσουν στο τοίχωμα κατά τη διάρκεια του διαθέσιμου χρόνου που το αέριο κινείται στην εξωτερική δίνη. Ο χρόνος παραμονής του αερίου στην εξωτερική δίνη είναι Δ t = 2 π R Ne / Vi (4.2) Δ t = χρόνος παραμονής του αερίου R = ακτίνα σώματος κυκλώνα Vi = ταχύτητα εισαγωγής αερίου DeDe L3L3 D2D2 L1L1 L2L2 DdDd H B 16

17 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2. ΘΕΩΡΙΑ (iii) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η μέγιστη ακτινική απόσταση που διανύεται από οποιοδήποτε σωματίδιο είναι ίση με το πλάτος W του αγωγού προσαγωγής. Υποθέστε ότι η φυγοκεντρική δύναμη επιταχύνει γρήγορα το σωματίδιο στην οριακή του ταχύτητα προς την εξωτερική ( ακτινική ) διεύθυνση. Η οριακή ταχύτητα επιτυγχάνεται όταν η αντιτιθέμενη οπισθέλκουσα δύναμη εξισώνεται με τη φυγόκεντρο δύναμη. Η οριακή ταχύτητα η οποία μόλις που θα επιτρέψει ένα σωματίδιο να συλλεχθεί στο χρόνο Δ t είναι V t = W / Δ t (4.3) όπου V t = οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση 17

18 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2. ΘΕΩΡΙΑ (iv) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου είναι συνάρτηση του μεγέθους του σωματιδίου ( ίση με το χαρακτηριστικό του χρόνο πολλαπλασιασμένο με μία εξωτερική δύναμη ) Υποθέτοντας ροή στην περιοχή Stokes και σφαιρικά σωματίδια υπό μία φυγοκεντρική δύναμη, λαμβάνουμε V t = [d 2p ( ρ p - ρ g ) V i 2 ]/18 μ R (4.4) V t = οριακή ταχύτητα, m/s d p = διάμετρος του σωματιδίου, m ρ p = πυκνότητα του σωματιδίου, kg/m 3 μ = ιξώδες αερίου, kg / m-s ρ g = πυκνότητα αερίου, kg/m 3 18

19 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2. ΘΕΩΡΙΑ (v) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η αντικατάσταση της Εξ.(4.2) στην Εξ.(4.3) απαλείφει το Δ t. Στη συνέχεια, θέτοντας την Εξ.(4.3) ίση με την Εξ.(4.4) για να απαλειφθεί ο όρος V t και αναδιάταξη για την επίλυση ως προς τη διάμετρο του σωματιδίου, λαμβάνουμε d p = [9 μ W / π Ν e V i ( ρ p - ρ g )] 1/2 (4.5) Θεωρητικά, d p είναι το μέγεθος του μικρότερου σωματιδίου το οποίο θα συλλεχθεί εάν αυτό ξεκινήσει από το εσωτερικό άκρο του αγωγού προσαγωγής Κατά συνέπεια, θεωρητικά, όλα τα σωματίδια του μεγέθους dp ή μεγαλύτερα θα έπρεπε να συλλεχθούν με απόδοση 100% 19

20 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (i) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Θεωρητικά, η μικρότερη διάμετρος από τα σωματίδια που συλλέχθηκαν με απόδοση 100% είναι άμεσα συνδεδεμένη με το ιξώδες του αερίου και το πλάτος του αγωγού προσαγωγής και αντιστρόφως ανάλογη με τον αριθμό των πραγματικών περιστροφών, την ταχύτητα του εισερχόμενου αερίου και τη διαφορά πυκνότητας μεταξύ των σωματιδίων και του αερίου. Ωστόσο, το μοντέλο της Εξ.(4.5) έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα : προβλέπει ότι όλα τα σωματίδια μεγαλύτερα από d p θα συλλεχθούν με απόδοση 100%, το οποίο δεν είναι σωστό. 20

21 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (ii) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η ημι - εμπειρική σχέση που αναπτύχθηκε από τον Lapple (1951) για να υπολογιστεί μία “ διάμετρος αποκοπής 50%”, dpc, η οποία είναι η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με απόδοση 50%, είναι d pc = [9 μ W / 2 π Ν e V i ( ρ p - ρ g )] 1/2 (4.6) d pc = η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50% απόδοση Ο Lapple στη συνέχεια ανέπτυξε μία γενική καμπύλη για τυπικούς συμβατικούς κυκλώνες, από την οποία μπορούμε να προβλέψουμε την απόδοση συλλογής για οποιοδήποτε μέγεθος σωματιδίου ( Εικόνα 4.5). Αν η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων είναι γνωστή, η συνολική απόδοση συλλογής ενός κυκλώνα μπορεί να προβλεφθεί χρησιμοποιώντας την Εικόνα 4.5. 21

22 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 22

23 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (iii) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Οι Theodore and DePaola (1980) έχουν προσαρμόσει μία αλγεβρική εξίσωση στην Εικόνα 4.5, η οποία κάνει την προσέγγιση του Lapple περισσότερο ακριβή και πιο κατάλληλη για εφαρμογή σε υπολογιστές. Η απόδοση συλλογής οποιουδήποτε μεγέθους σωματιδίου δίνεται από η j = 1/[1+(d pc /d pj ) 2 ] (4.7) η j = απόδοση συλλογής για το j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων d pc = χαρακτηριστική διάμετρος το j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων 23

24 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (iv) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η συνολική απόδοση του κυκλώνα είναι ένας σταθμισμένος μέσος όρος των αποδόσεων συλλογής για τα διάφορα εύρη μεγέθους ▪ δηλαδή, (4.8) η o = συνολική απόδοση συλλογής m j = κλάσμα μάζας των σωματιδίων στ o j εύρος μεγέθους Τα αποτελέσματα από μία μεταβολή στις συνθήκες λειτουργίας μπορούν να ποσοτικοποιηθούν χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4.6). Θυμηθείτε ότι η κλασματική διείσδυση είναι P t = 1- η ο (4.9) όπου P t = κλασματική διείσδυση. 24

25 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (v) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Εάν οι συνθήκες μεταβληθούν έτσι ώστε μία μεταβλητή να αλλάζει και όλες οι άλλες να παραμένουν σταθερές, οι σχέσεις που παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.2 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογιστεί η νέα διείσδυση. 25

26 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (vi) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Περισσότερο πολύπλοκα ( αλλά και περισσότερο ακριβή ) μοντέλα κυκλώνων έχουν αναπτυχθεί. Οι Kalen και Zenz (1974) πρότειναν την ύπαρξη μιας “ ταχύτητας αναπήδησης ” στον κυκλώνα για να εξηγηθεί γιατί η απόδοση συλλογής παρατηρήθηκε μερικές φορές να μειώνεται με την αύξηση στην ταχύτητα εισαγωγής. Η ημι - εμπειρική συσχέτισή τους για την ταχύτητα αναπήδησης όπως εφαρμόστηκε και αναπτύχθηκε από τους Koch και Licht (1977) είναι Vs = 2.055 ψ [(W/D) 0.4 / [1-(W/D)] 0.333 ] D 0.067 Vi 0.667 (4.10) V s = ταχύτητα αναπήδησης, ft/sec D = διάμετρος σώματος κυκλώνα, ft ψ = συνάρτηση της ταχύτητας, ft/sec V i Vi = ταχύτητα εισαγωγής, ft/sec 26

27 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (vii) ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗΣ Η συνάρτηση του ψ στην Εξίσωση (4.10) δίνεται από ψ = [4g μ ( ρ p – ρ g )/3 ρ g 2 ] 0.333 (4.11) g = σταθερά της βαρύτητας, 32.2 ft/sec 2 μ = ιξώδες αερίου, lb m /ft-sec ρ p, ρ g = πυκνότητα σωματιδίου και αερίου, lb m /ft 3 Σύμφωνα με το μοντέλο αναπήδησης, η μέγιστη απόδοση συλλογής συμβαίνει όταν V i = 1.25V s, με τη συμπαράσυρση ξανά των σωματιδίων να παρουσιάζεται σε υψηλότερες ταχύτητες εισαγωγής. Γενικά, η ταχύτητα εισαγωγής στον κυκλώνα πρέπει να είναι 50 με 100 ft/sec (15 με 30 m/s). 27

28 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (viii) ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Ένα άλλο σημαντικό ζήτημα για τους κυκλώνες ( εκτός από την απόδοση ) είναι η πτώση πίεσης. Γενικά, οι υψηλότερες αποδόσεις προκύπτουν αναγκάζοντας το αέριο να διέλθει μέσα από τον κυκλώνα σε υψηλότερες ταχύτητες. Ωστόσο, αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη πτώση πίεσης. Εφόσον η αυξημένη απώλεια πίεσης μέσω του κυκλώνα απαιτεί αυξημένο έργο από τον ανεμιστήρα, υπάρχει μία οικονομική ανταλλαγή η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη διαδικασία σχεδιασμού. Μολονότι υπάρχουν διάφορα μοντέλα για την πτώση πίεσης, η προσέγγιση των Shepherd & Lapple είναι η απλούστερη να χρησιμοποιηθεί και η ακρίβειά της είναι συγκρίσιμη με αυτές των άλλων μεθόδων 28

29 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (ix) ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Η εξίσωση των Shepherd και Lapple είναι H u = K (H W/ D 2 e ) (4.12) H u = πτώση πίεσης, εκφρασμένη σε αριθμούς πιεζομετρικού ύψους ταχύτητας εισαγωγής K = σταθερά η οποία εξαρτάται από τη μορφή του κυκλώνα και τις συνθήκες λειτουργίας Θεωρητικά, το K μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά, αλλά για εργασία σε αέρια ρύπανση με τυπικούς κυκλώνες με εφαπτομενική είσοδο, οι τιμές του K βρίσκονται στο διάστημα από 12 έως 18 (Caplan 1962). O Licht (1984) πρότεινε το K να τεθεί απλώς ίσο με 16 και ανέφερε ότι, μολονότι είναι διαθέσιμες περισσότερο πολύπλοκες μέθοδοι, καμία δεν είναι καλύτερη από την Εξίσωση (4.12). 29

30 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (x) ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Ο αριθμός πιεζομετρικού ύψους ταχύτητας εισαγωγής υπολογισμένος από την Εξ.(4.12) μπορεί να μετατραπεί σε πτώση στατικής πίεσης ως εξής : Δ P = ½ ρ g V i 2 H u (4.13) Δ P = πτώση πίεσης, N/m 2 ή Pa ρ g = πυκνότητα αερίου, kg/m 3 V i = ταχύτητα εισαγωγής αερίου, m/s Οι πτώσεις πιέσεων σε κυκλώνα κυμαίνονται από περίπου 0.5-10 πιεζομετρικό ύψος ταχύτητας (250 έως 4000 Pa ή 1 έως 16 in. ύδατος ). Από τη στιγμή που η πτώση πίεσης έχει υπολογιστεί, η απαίτηση ισχύος για το ρευστό μπορεί να προκύψει ως W f = Q ΔΡ (4.14) W f = ρυθμός εισόδου έργου στο ρευστό ( ισχύς ρευστού ), W Q = ογκομετρική παροχή, m 3 /s 30

31 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (xi) ΑΛΛΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ Όταν μία μεγάλη ποσότητα αερίου πρέπει να υποστεί επεξεργασία, ένας και μόνο κυκλώνας είναι πιθανόν να μην είναι πρακτικός. Πολλοί κυκλώνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν εν παραλλήλω ▪ μία μορφή παράλληλων κυκλώνων είναι ο κυκλώνας πολλαπλών αγωγών (multiple-tube cyclone) που φαίνεται στην Εικόνα 4.6. Δικαίως επιτυγχάνονται υψηλές αποδόσεις (90% για σωματίδια 5- έως 10- μικρά ) από τους μικρής διαμέτρου αγωγούς (15 έως 60 cm). Χρησιμοποιώντας κυκλώνες σε σειρά αυξάνεται η συνολική απόδοση, αλλά με τίμημα μία σημαντική αύξηση στην πτώση πίεσης. Επιπλέον, επειδή το μεγαλύτερο μέρος των μεγάλων σωματιδίων απομακρύνεται στον πρώτο κυκλώνα, ο δεύτερος κυκλώνας έχει χαμηλότερη συνολική απόδοση από τον πρώτο. Για να επιτευχθούν υψηλότερες αποδόσεις έχουν χρησιμοποιηθεί είσοδοι με μορφή έλικα και τροποποιημένες περιοχές εισαγωγής. 31

32 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 32

33 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 33

34 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ (xii) ΑΛΛΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ Όταν σχεδιάζεται ένας κυκλώνας, χρησιμοποιούμε τη διαδικασία δοκιμής και επαλήθευσης κατά την οποία αρχικά επιλέγουμε διάμετρο σώματος και στη συνέχεια υπολογίζουμε το d pc και την απόδοση. Αν η απόδοση είναι πολύ χαμηλή, επιλέγουμε μικρότερη διάμετρο και κάνουμε επαναπροσέγγιση. Εάν η απόδοση είναι αποδεκτή, ελέγχουμε τον περιορισμό της πτώσης πίεσης. Εάν η Δ P είναι πολύ μεγάλη, πρέπει είτε να επιλέξουμε έναν κυκλώνα διαφορετικού τύπου, ή να διαιρέσουμε τη ροή του αερίου ανάμεσα σε δύο κυκλώνες εν παραλλήλω. 34

35 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 35

36 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ (i) 1. Αύξηση στην ταχύτητα εισαγωγής του αερίου ρεύματος θα οδηγήσει σε : a) Αύξηση της απόδοσης συλλογής b) Μείωση της απόδοσης συλλογής c) Η απόδοση συλλογής θα παραμείνει σταθερή d) Η διαφορά στην απόδοση συλλογής θα είναι ημιτονοειδής 2. Αύξηση στην ταχύτητα εισαγωγής του αερίου ρεύματος θα οδηγήσει σε : a) Αύξηση της πτώσης πίεσης b) Μείωση της πτώσης πίεσης c) Η πτώσης πίεσης θα παραμείνει σταθερή d) Η διαφορά στην πτώσης πίεσης θα είναι ημιτονοειδής 36

37 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ (ii) 3. Η χρήση κυκλώνων εν παραλλήλω σε διεργασίες στις οποίες απαιτείται ο χειρισμός σκόνης είναι αρκετά συνηθισμένη. Η απόδοση συλλογής μιας τέτοιας συσκευής για σωματίδια μεγαλύτερα των 10 μ m μπορεί να φτάσει ως : a)50% b)65% c)80% d)90% 4. Η διάμετρος αποκοπής ενός κυκλώνα υπολογίστηκε ότι είναι 25 μ m. Αν η ταχύτητας εισαγωγής του αερίου ρεύματος διπλασιαζόταν, ποια θα ήταν η νέα διάμετρος αποκοπής ; a)22.5 μ m b)17.7 μ m c)15.3 μ m d)12.4 μ m 37

38 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ (iii) 5. Για αέρα με παροχή 200 m 3 /min, η απόδοση συλλογής ενός κυκλώνα είναι 75%. Να υπολογίσετε τη νέα απόδοση του κυκλώνα αν η παροχή αυξηθεί σε 250 m 3 /min. 6. Υπολογίστε τον αριθμό πραγματικών περιστροφών για ένα κυκλώνα Swift υψηλής απόδοσης με διάμετρο σώματος 0.8 m. 7. Υπολογίστε την ταχύτητα εισαγωγής για έναν συμβατικό κυκλώνα Lapple με διάμετρο σώματος 3 ft και παροχή 3,000 ft 3 /min. 8. Υπολογίστε την απόδοση συλλογής ενός κυκλώνα με διάμετρο αποκοπής ίση με 5.9 μ m, για σωματίδια μεγέθους 10 μ m. 9. Να υπολογίσετε την συνολική απόδοση συλλογής ενός συστήματος δύο κυκλώνων σε σειρά αν γνωρίζετε ότι ο πρώτος κυκλώνας έχει απόδοση 87% και ο δεύτερος κυκλώνας απόδοση 73%. 38

39 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (i) 1. Σαν νέο - προσληφθείς τεχνολόγος αντιρρύπανσης, σας ανατέθηκε η μελέτη συγκεκριμένων διεργασιών σε μια βιομηχανία στην Αθήνα, η οποία χρησιμοποιεί τρεις (3) κυκλώνες σε σειρά για την ανάκτηση καταλυτικών σωματιδίων από τα απαέρια της. Η φόρτιση στην είσοδο του συστήματος είναι 8.24 gr/ft 3 και η παροχή 1,000,000 acfm. Οι αποδόσεις συλλογής των τριών κυκλώνων είναι 93%, 84% και 73% αντιστοίχως. Να υπολογίσετε : a) Τη μάζα των καταλυτικών σωματιδίων που συλλέγεται ημερησίως (lb/ ημέρα ). b) Τη μάζα των καταλυτικών σωματιδίων που καταλήγει στην ατμόσφαιρα ημερησίως (lb/ ημέρα ). c) Αν θα συνέφερε οικονομικά να προστεθεί και ένας τέταρτος στη σειρά κυκλώνας με απόδοση συλλογής 52% ( Ο κυκλώνας θα κοστίζει 300,000 Ευρώ / έτος, τα καταλυτικά σωματίδια κοστίζουν 0.75 Ευρώ /lb. Η βιομηχανία λειτουργεί 300 ημέρες / χρόνο ). 39

40 ΚΥΚΛΩΝΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (ii) 2. Βιομηχανία προτίθεται να χρησιμοποιήσει τέσσερις (4) κυκλώνες σε σειρά για την ανάκτηση καταλυτικών σωματιδίων από τα απαέρια της. Η σωματιδιακή φόρτιση είναι 9.16 gr/ft 3 και η παροχή του αερίου ρεύματος 950,000. Η απόδοση συλλογής του κάθε κυκλώνα είναι 92%, 83%, 72% και 61% αντίστοιχα. Να υπολογίσετε : a) Τη μάζα του καταλύτη που εξέρχεται από κάθε κυκλώνα (lb/ ημέρα ). b) Την συνολική μάζα του καταλύτη που συλλέγεται από το σύστημα (lb/ ημέρα ). c) Την συνολική απόδοση συλλογής του συστήματος. 3. Υποθέστε ότι μετά την εγκατάσταση των τεσσάρων κυκλώνων στη βιομηχανίας του προηγούμενου προβλήματος, αλλαγή της νομοθεσίας καθορίζει ότι τα απαέρια δεν θα πρέπει να ξεπερνούν τις 1,500 lb/ ημέρα. Καθορίστε ποια θα πρέπει να είναι η σωματιδιακή φόρτιση στην είσοδο του συστήματος ( σε gr/ft 3 ) ώστε να ικανοποιείται το νέο νομοθετικό όριο. 40