Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet die Tropfenabscheidung in Zyklonen nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L4.3.3 (12. Auflage 2019). Flüssigkeitszyklone dieser Bauart trennen mitgerissene Tropfen aus Gas- oder Dampfströmen ab – eine Standardaufgabe hinter Verdampfern, Kolonnen, Wäschern, Quenchen und vor Verdichtern, deren Laufräder durch Tropfenschlag gefährdet sind. Wer einen Tropfenabscheider als Zyklon auslegen will, muss nachweisen, welcher Tropfengrößenbereich sicher abgeschieden wird und welcher Restanteil das Tauchrohr passiert.
Das Wirkprinzip entspricht dem Gaszyklon: Die tangentiale Einströmung erzeugt eine Drehströmung, deren Zentrifugalbeschleunigung die Tropfen an die Wand schleudert, wo sie als Flüssigkeitsfilm ablaufen und über den Sumpf abgezogen werden. Gegenüber Feststoffzyklonen kommen tropfenspezifische Effekte hinzu: Tropfen können beim Aufprall zerplatzen oder von der Wand wieder mitgerissen werden (Re-Entrainment), und der abgeschiedene Film muss gegen die aufwärtsgerichtete Kernströmung sicher abgeführt werden.
Das Modul stellt die Berechnungsoptionen des VDI-Wärmeatlas für diese Bauform bereit und liefert die Grundlage, um Abscheideleistung und Druckverlust gegen alternative Bauarten wie Lamellen- oder Drahtgestrickabscheider abzuwägen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Betriebsdaten und Stoffwerte festlegen: Gasdurchsatz, Dichte und Viskosität des Gases, Dichte der Flüssigkeit sowie die anfallende Tropfenbeladung und Tropfengrößenverteilung (etwa aus der vorgeschalteten Zerstäubung oder dem Mitriss aus einer Kolonne) bilden die Eingangsdaten.
- Zyklongeometrie und Berechnungsoption wählen: Über die Optionsauswahl wird die Bauform bzw. der Berechnungsweg festgelegt; Eintrittsquerschnitt, Zyklondurchmesser und Tauchrohrabmessungen bestimmen Umfangsgeschwindigkeit und Verweilzeit der Drehströmung.
- Strömungsgrößen berechnen: Aus Eintrittsgeschwindigkeit und Geometrie ergeben sich die Umfangsgeschwindigkeit und die mittlere Zentrifugalbeschleunigung; sie bestimmen zusammen mit dem Widerstandsgesetz die radiale Wanderungsgeschwindigkeit der Tropfen.
- Abscheidegrenze bestimmen: Aus dem Gleichgewicht von Zentrifugalkraft und Strömungswiderstand folgt der Grenztropfendurchmesser, der gerade noch die Wand erreicht; kleinere Tropfen werden anteilig mit dem Reingas ausgetragen, größere im Flüssigkeitsfilm abgeschieden.
- Betriebsgrenzen prüfen: Abschließend wird kontrolliert, dass die Gasgeschwindigkeit unterhalb der Grenze bleibt, ab der abgeschiedene Flüssigkeit wieder von der Wand mitgerissen wird (Re-Entrainment), und dass der Flüssigkeitsablauf gegen den Drall sicher dimensioniert ist.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Durchsatz | V̇ | m³/s |
| ⇒ Eintrittsgeschwindigkeit | ve | m/s |
| Außenradius Zyklon | ra | m |
| Eintrittsradius | re [4] | m |
| Eintrittsbeladung | μe | – |
| Einschnürungsbeiwert | α [2] | – |
| Äußere Umfangsgeschwindigkeit | ua = | m/s |
| Reibungsbeiwert reines Gas | λ0 | – |
| Reibungsbeiwert mit Flüssigkeit | λf [6] | – |
| Tauchrohrradius | ri | m |
| Reibungsfläche Zyklon | AR | m² |
| Innere Umfangsgeschwindigkeit | ui [5] | m/s |
| Gasdichte | ρg | kg/m³ |
| Druckverlust Abscheideraum | Δpe = [15'] | Pa |
| Tauchrohrgeschwindigkeit | vi = | m/s |
| Druckverlust Tauchrohr | Δpi = [17'] | Pa |
| Gesamtdruckverlust Δ pges | = [14'] | Pa |
| Flüssigkeitsdichte | ρf | kg/m³ |
| Viskosität | ηg | mPa·s |
| Höhe Abscheideraum | hi | m |
| Grenztropfendurchmesser Hauptströmung | d* | m |
| Tauchrohrlänge | hT | m |
| Grenztropfendurchmesser Tauchrohrgrenzschicht | dT* | m |
| Wandfläche | Aw | m² |
Berechnungsoptionen
Optionen
Druckverlust · Abscheidegrad
Häufige Fragen
Worin unterscheidet sich ein Tropfenzyklon von einem Staubzyklon?
Das Fliehkraftprinzip ist identisch, die Randbedingungen unterscheiden sich: Tropfen koaleszieren an der Wand zu einem Film, der ablaufen muss, sie können aber bei zu hoher Gasgeschwindigkeit zerplatzen oder wieder mitgerissen werden. Deshalb ist beim Tropfenzyklon neben der Trennkorngröße vor allem die Re-Entrainment-Grenze auslegungsbestimmend, und der Flüssigkeitsabzug muss strömungstechnisch vom Reingasweg entkoppelt sein.
Wann ist ein Zyklon dem Lamellen- oder Gestrickabscheider vorzuziehen?
Bei hohen Flüssigkeitsbeladungen, verschmutzenden oder feststoffhaltigen Medien und hohen Drücken bzw. Temperaturen: Der Zyklon verstopft nicht und hat keine Einbauten, die verschmutzen können. Gestrick- und Lamellenabscheider erreichen dafür bei kleinen Tropfen (unter ca. 10 µm bzw. im Aerosolbereich) meist bessere Abscheidegrade bei geringerem Druckverlust.
Welche Tropfengröße ist der Auslegung zugrunde zu legen?
Die tatsächlich anfallende Tropfengrößenverteilung – sie hängt von der Entstehung ab (Mitriss von Blasenzerplatzen an Flüssigkeitsoberflächen, Zerstäubung an Düsen, Kondensation). Eine häufige Fehlerquelle ist die Annahme zu grober Tropfen: Sekundärtropfen aus Zerplatz- und Abrissvorgängen sind oft deutlich feiner als die Primärtropfen und bestimmen die Restemission.
Was begrenzt die Gasgeschwindigkeit im Tropfenzyklon nach oben?
Das Wiedermitreißen des Wandfilms: Übersteigt die Schubspannung des Gases an der Filmoberfläche einen kritischen Wert, werden Tropfen aus dem Film herausgerissen und mit dem Reingas ausgetragen – der Abscheidegrad bricht trotz höherer Zentrifugalbeschleunigung ein. Daneben wächst der Druckverlust quadratisch mit der Geschwindigkeit, was die wirtschaftliche Obergrenze setzt.