Design and characterization of sampling cyclones

Abstract

Gas-Feststoff-Zyklone werden in der Industrie seit Jahrzehnten als Staubabscheider eingesetzt. Deren vielseitige Anwendung, einfache Fertigung und geringe Druckverluste begünstigen Zyklone gegenüber anderen Staubabscheidern. Allerdings bereitet die Bestimmung der Druckverluste aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse in Zyklonen Schwierigkeiten. Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die numerische und experimentelle Untersuchung der Druckverluste in diversen Zyklonenmodellen. Es wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um Einblicke in neue Entwicklungen der Zyklontechnologie zu erlangen. Zahlreiche neuartige Zyklonmodelle mit geringeren Druckverlusten oder erhöhter Abscheideleistung wurden gefunden und mit konventionellen Zyklonen verglichen. Vier Zyklone mit unterschiedlichen Geometrien und Eigenschaften wurden für die nachfolgenden Untersuchungen ausgewählt: Das PM1 Sharp-Cut, Muschelknautz D, Stairmand HE und Increased Vortex Length Modell. Der PM1 Sharp-Cut ist der kleinste Zylinder-auf-Konus Zyklon, der Partikelgrößen von1μm effizient abscheiden kann. Das mittelgroße Muschelknautz D Modell ist ein bewährter Zyklontyp mit guter Abscheideleistung. Das größte konische Modell ist der Stairmand HE Zyklon, der für seine hohe Effizienz bekannt ist. Das neuartige, rein zylindrische Increased Vortex Length Modell nutzt einen Wirbelbegrenzer anstatt eines Konus, um die Wirbellänge betriebspunktabhängig anzupassen, was den Wirkungsgrad erhöhen und die Druckverluste senken soll. Die Zyklone wurden so konstruiert, dass sie bei Umgebungsbedingungen und unterschiedlichen Luftdurchsätzen einen Trennkorndurchmesser von 1μm bei gleichem Zyklondurchmesser von 123mm erreichen. Jeder Zyklon wurde in mehrere Bauelemente unterteilt, um ein modulares System zu entwickeln. Durch unterschiedliche Kombination der Teile können weitere Zyklongeometrien erzeugt werden. Ein neuer Prüfstand wurde an der TU Wien aufgebaut, um die Druckverluste ohne Partikel bei unterschiedlichen Durchflüssen zu messen. Die experimentellen Druckverlustkurven zeigen quadratische Korrelationen zwischen Druckabfall und Durchfluss für alle Zyklonmodelle. Die unterschiedlichen Kurvensteigungen weisen darauf hin, dass der Druckverlust von der Zyklonhöhe abhängt: Der kleinste Zyklon, der PM1 sharp-cut, erzeugt die höchsten Verluste, während der größte Zyklon, der Increased Vortex Length, den geringsten Druckabfall erzeugt. Die Messergebnisse wurden mit Berechnungsmodellen aus der Literatur verglichen. Das Alexander-Modell liefert die genauesten Druckabfallvorhersagen für den Stairmand HE und Increased Vortex Length Zyklon, während das Knowlton- und das Iozia und Leicht-Modell die besten Resultate für den Muschelknautz D beziehungsweise PM1 Sharp-Cut Zyklon liefern. Der Einfluss wichtiger Geometrieparameter auf die Druckverluste wurde mit einer Design of experiments Analyse identifiziert. Das Erhöhen des Tauchrohrdurchmessers, der Zylinderhöhe, und der Konushöhe verringert den Druckabfall. Positionsänderungen des Wirbelbegrenzers im Increased Vortex Length Zyklon beeinflussen den Druckabfall nur unwesentlich. Numerische Strömungssimulationen wurden mit dem Muschelknautz D Zyklon durchgeführt, um das Strömungsfeld und die Druckverteilung in der Trennzone zu untersuchen. Ein Abschnitt der Druckverlustkurve wurde mit drei simulierten Betriebspunkten reproduziert. Die simulierten Druckverluste überschreiten die experimentellen Druckverluste um 20 bis 40%, was typische Abweichungen im Vergleich zur Literatur sind. Eine Untersuchung des Berechnungsgitters ergab, dass das Verhältnis von Zellgröße zu Zyklondurchmesser maximal 1, 5 · 10−2 betragen sollte, um netzunabhängige Ergebnisse zu erzielen.

Gas-solid cyclones have been used as dust collectors in various industries for decades. Their versatile application, simple manufacturing, and low pressure losses favor cyclones over other dust removal devices. However, the characterization of the pressure losses poses difficulties due to the complex flow conditions inside cyclones. This master thesis focuses on the numerical and experimental investigation of pressure losses in different cyclone models. Literature research is performed to gain insights into new cyclone technology developments. Numerous novel cyclone models with reduced pressure losses or increased collection efficiency are presented and compared to conventional cyclones. Four cyclones with diverse geometry and characteristics are chosen for the subsequent investigations: The PM1 sharp-cut, Muschelknautz D, Stairmand HE, and Increased Vortex length model. The PM1 sharp-cut is the smallest cylinder-on-cone cyclone, which can efficiently collect particles in 1μm size. The medium-sized Muschelknautz D model is a proven cyclone type with good separation performance. The largest conical model is the Stairmand HE cyclone, well-known for its high efficiency. The novel, purely cylindrical Increased Vortex length model uses a so-called vortex limiter instead of a cone to adapt the vortex length depending on the operating point, which should increase the efficiency while lowering the pressure losses. The cyclones were designed to achieve a cut-size of 1μm with the same cyclone main diameter of 123mm at ambient operating conditions and different airflow rates. Each cyclone was subdivided into multiple parts to develop a modular system. Additional cyclone geometries can be generated by combining the parts in different ways. A new test rig was built at TU Wien to measure the pressure losses without particles at varying operating flow rates. The experimentally determined pressure drop curves show quadratic correlations between the pressure drop and the flow rate for all cyclone models. The different slopes of the curves indicate that the pressure drop depends on the cyclone height: The shortest PM1 sharp-cut cyclone generates the highest losses, while the longest Increased Vortex length cyclone produces the lowest pressure drop. The results were compared with calculation models from the literature. The Alexander model yields the most accurate pressure drop predictions for the Stairmand HE and Increased Vortex length cyclones, while the Knowlton and the Iozia and Leicht model give the best results for the Muschelknautz D and PM1 sharp-cut cyclone, respectively. The effects of the main geometry parameters on the pressure losses were identified using a Design of experiments analysis. Increasing the vortex tube diameter, cylinder height, and cone height reduce the pressure drop. Changing the position of the vortex limiter in the Increased Vortex length cyclone insignificantly affects the pressure drop. Computational fluid dynamics simulations were carried out with the Muschelknautz cyclone to examine the flow field and pressure distribution inside the separation zone. Three operating points were simulated to create a section of the pressure drop curve, which exceeds the experimental curve by 20 to 40%, which are typical deviations compared to the literature. A mesh study revealed that the cell size to cyclone main diameter ratio should be 1.5 · 10−2 or lower to ensure mesh-independent results.