Cycloon-efficiëntie: stapsgewijze snelle berekening

Cyclonen zijn ontworpen om vaste deeltjes te scheiden van een gasstroom. Cyclonen zijn echter niet perfect en kunnen doorgaans niet al het stof in een gegeven gas opvangen. Het vermogen van een cycloon om deeltjes uit een gasstroom te verwijderen, wordt de **efficiëntie van de cycloon** genoemd. Deze pagina presenteert een snelle berekeningsmethode om in te schatten de efficiëntie van een cycloon.

1. Efficiëntie van een cycloon

Wat is de efficiëntie van een cycloon?

De efficiëntie van een cycloon vertegenwoordigt het aandeel deeltjes dat de cycloon kan terughouden:

Efficiëntie = (inlaatbelasting – uitlaatbelasting) / inlaatbelasting × 100

waarbij:

Efficiëntie = efficiëntie van de cycloon (%)
inlaatbelasting = concentratie van vaste stoffen in het gas dat de cycloon binnenkomt (kg/m^³ of grains/ft^³)
uitlaatbelasting = concentratie van vaste stoffen in het gas dat de cycloon verlaat (kg/m^³ of grains/ft^³)

2. Berekening van de efficiëntie van een cycloon: stapsgewijze berekening

2.1 STAP 1: verzamel de gegevens

U moet gegevens verzamelen over: de cycloon, de gasstroom en de kenmerken van de vaste deeltjes.

• Diameter van de cycloon
• Breedte van de gasinlaat van de cycloon
• Aantal effectieve windingen in de cycloon
• Inlaatbelasting van deeltjes in het gas
• Diameter van de deeltjes
• Dichtheid van de deeltjes
• Inlaattemperatuur van het gas
• Inlaatviscositeit van het gas
• Inlaatsnelheid van het gas

2.2 STAP 2: berekening van de snijdiameter

De snijdiameter is de deeltjesdiameter waarbij 50% van die deeltjes door de cycloon wordt opgevangen. Grotere deeltjes worden met >50% efficiëntie opgevangen, kleinere deeltjes met <50%.

De snijdiameter kan worden berekend met de volgende formule [Chopey]:

d_{_pc} = [9·μ·B_{_c} / 2·π·n_{_t}·v_{_i}·(ρ_{_p} – ρ)]^{^0,5}

Met:

d_{_pc} = snijdiameter (micron)
μ = gasviscositeit (lb/ft·s)
B_{_c} = breedte van de cyclooninlaat (ft)
n_{_t} = aantal effectieve windingen in de cycloon (–)
v_{_i} = inlaatsnelheid van het gas (ft/s)
ρ_{_p} = deeltjesdichtheid (lb/ft^³)
ρ = gasdichtheid (lb/ft^³)

2.3 STAP 3: bereken de verhouding tussen de gemiddelde deeltjesdiameter en de snijdiameter

De verhouding is gelijk aan:

deeltjesgrootteverhouding = d_{_p} / d_{_pc}

Met:

d_p = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron)
d_pc = snijdiameter (micron)

2.4 STAP 4: Schat de efficiëntie van de cycloon

Om snel de efficiëntie van de cycloon te schatten op basis van bovenstaande berekeningen, kan de curve van Lapple worden gebruikt. Deze nomogram wordt hieronder weergegeven:

Men moet de deeltjesgrootteverhouding gebruiken om de efficiëntie van een cycloon te schatten.

Het is ook mogelijk om de volgende formule [Chopey] te gebruiken:

Efficiëntie = E = 1/(1+(d_pc_/dp⁾^2)

Met:

E = Efficiëntie van de cycloon (%)
d_p = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron)
d_pc = snijdiameter (micron)

2.5 STAP 5: Schat de deeltjesbelasting in de uitstroom

Zodra de efficiëntie van de cycloon is geschat, kan ook de belasting van de gasstroom uit de cycloon worden bepaald.

uitstroom_belasting = instroom_belasting*(1-E)

3. Voorbeeld van efficiëntieberekening van een cycloon

Een fabriek moet het niveau van deeltjesemissies uit een specifieke werkplaats verminderen. Er is een tweedehands cycloon beschikbaar met een diameter van 0,6 m, een inlaatbreedte van 0,15 m en geschikt voor 5 effectieve windingen. De fabriek wil weten wat de efficiëntie van de cycloon zal zijn bij de luchtafvoer van de werkplaats met een belasting van 17,65 grains/m³, met vaste deeltjes van 2500 kg/m³ en een gemiddelde diameter van 10 micron. Onder de gegeven omstandigheden bedraagt de inlaatsnelheid van de luchtstroom 15 m/s, de luchtviscositeit is 1,8·10⁻⁵ Pa·s en de luchtdichtheid is 1,2 kg/m³.

3.1 STAP 1: Verzamel de invoergegevens voor de berekening

Uit bovenstaande gegevens kunnen de volgende parameters worden geïdentificeerd:

μ = gasviscositeit (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s
B_c = inlaatbreedte cycloon (m) = 0,15 m
n_t = aantal effectieve windingen in de cycloon (-) = 5
v_i = inlaatsnelheid gas (m/s) = 15 m/s
ρ_p = deeltjesdichtheid (kg/m^³) = 2500 kg/m^³
ρ = gasdichtheid (kg/m^³) = 1,2 kg/m^³
dₚ = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron) = 10 micron

3.2 STAP 2: Bereken de snijdiameter

De volgende formule kan worden gebruikt om de snijdiameter te berekenen:

d_pc = [9*μ*B_c/2*π*n_t*v_i*(ρ_p-ρ)]^{^0,5}

Men moet er echter op wijzen dat de invoerwaarden moeten worden omgerekend naar imperiale eenheden.

μ = gasviscositeit (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s = 1,21·10⁻⁵ lb/ft·s
B_c = inlaatbreedte cycloon (m) = 0,15 m = 0,49 ft
n_t = aantal effectieve windingen in de cycloon (-) = 5
v_i = inlaatsnelheid gas (m/s) = 15 m/s = 49,2 ft/s
ρ_p = deeltjesdichtheid (kg/m³) = 2500 kg/m^³ = 156 lb/ft^³
ρ = gasdichtheid (kg/m³) = 1,2 kg/m³ = 0,075 lb/ft³
dp = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron) = 10 micron

d_pc = [9*1,21*10^-5*0,49/2*π*5*49,2*(156-0,075)]^0,5 = 4,54 micron

3.3 STAP 3: Bereken de deeltjesgrootteverhouding

De deeltjesgrootteverhouding is eenvoudig d_p/d_pc = 2,2

3.4 STAP 4: Bereken de scheidingsefficiëntie van de cycloon (schatting)

De efficiëntie kan worden geschat met de volgende formule:

Efficiëntie = E = 1/(1+(d_c/d_p)^{^2}) = 1/(1+(1/2,2)^2) = 0,829

De efficiëntie voor deze toepassing wordt dus geschat op 82,9%

Het is altijd raadzaam om dit te verifiëren met de curve van Lapple.

3.5 STAP 5: Schat de deeltjesbelasting in de uitstroom

Met behulp van de efficiëntie van 0,829 kan de belasting van de luchtstroom die de cycloon verlaat, als volgt worden berekend:

uitstroom_belasting = instroom_belasting*(1-E) = 17,65*(1-0,829) = 3,02 korrels/m³

De cycloonoperator kan deze waarde vervolgens vergelijken met de geldende regelgeving en bepalen of de cycloon geschikt is.

4. Gratis Excel-berekeningstool voor het schatten van de cycloon-efficiëntie

De efficiëntie van een cycloon, gebaseerd op de hierboven getoonde berekeningen, kan worden geschat met deze gratis Excel-calculator: Berekeningstool - Schatting cycloon-efficiëntie (klik hier)

Waarschuwing: deze calculator is bedoeld om de concepten die op deze webpagina worden genoemd, te illustreren, deze is niet bedoeld voor gedetailleerd ontwerp. Raadpleeg een gerenommeerd ingenieursbureau voor alle gedetailleerde ontwerpen die u nodig heeft.

Bron

[Chopey] "Handboek voor Chemische Procestechniek", Chopey, McGraw-Hill