Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul CYCL legt Fliehkraftabscheider (Zyklone) für die Gas-Feststoff-Trennung aus. Aus den Stoffdaten des Gases (Dichte, dynamische Viskosität), den Feststoffkennwerten (Feststoffdichte, Schüttdichte, Hohlraumanteil) und den Betriebsdaten (Volumen- bzw. Massenstrom, Eintrittsgeschwindigkeit, Eintrittsbeladung) berechnet es die beiden zentralen Auslegungsgrößen eines Zyklons: den Gesamt-Druckverlust und den Abscheidegrad.
Der Druckverlust wird dabei in seine physikalischen Anteile zerlegt – Leitschaufelkanal bzw. Einlauf, Abscheideraum und Tauchrohr –, sodass sich erkennen lässt, welcher Bereich der Geometrie den größten Widerstand verursacht. Für die Trennleistung ermittelt das Modul das Grenzkorn des Zyklons und daraus über die Kornverteilung des Aufgabegutes (Mediankorn und Steigungsparameter der Rückstandskurve, z. B. nach RRSB) den inneren und den Gesamt-Abscheidegrad einschließlich der Grenzbeladungseffekte bei hoher Staubbeladung.
In der Praxis braucht man diese Berechnung überall dort, wo Stäube aus Prozessgasen abgeschieden werden: in der Entstaubung hinter Trocknern, Mühlen und Wirbelschichten, als Vorabscheider vor Filtern oder in der pneumatischen Förderung. Wer einen Zyklonabscheider berechnen will, erhält mit CYCL Druckverlust und Trenngrad in einem Rechengang und kann Geometrievarianten schnell vergleichen.
So läuft die Berechnung ab
- Gas- und Feststoffdaten festlegen: Zunächst werden die Stoffwerte des Trägergases (Dichte, dynamische Viskosität beim Betriebszustand) sowie die Feststoffkennwerte (Dichte des Feststoffs, Schüttdichte, Hohlraumanteil der Schüttung) und der Korn-Formfaktor eingegeben. Sie bestimmen die Sinkgeschwindigkeit der Partikel im Fliehkraftfeld.
- Betriebspunkt definieren: Volumenstrom oder Massenstrom des Gases, die Eintrittsgeschwindigkeit und die Eintrittsbeladung (massen- oder volumenbezogen) legen den Betriebspunkt fest. Optional kann ein Reibungsbeiwert für reines Gas vorgegeben werden, andernfalls verwendet das Modul den Standardwert des Rechenverfahrens.
- Aufgabegut charakterisieren: Die Kornverteilung des Aufgabegutes wird über das Mediankorn und den Steigungsparameter der Rückstandskurve beschrieben; alternativ kann ein Einzelkorn mit definiertem Durchmesser betrachtet werden. Zusammen mit der Konstanten für die Grenzbeladung wird daraus der Sprungbeladungseffekt bei hoher Staubkonzentration erfasst.
- Druckverlust berechnen: Das Modul ermittelt die Teildruckverluste im Leitschaufelkanal bzw. Einlauf, im Abscheideraum und im Tauchrohr und summiert sie zum Gesamt-Druckverlust. Der Anteil der Sekundärströmung geht dabei in die Strömungsbilanz ein.
- Grenzkorn und Abscheidegrad bestimmen: Aus dem Kräftegleichgewicht zwischen Fliehkraft und Widerstandskraft folgt das Grenzkorn des Zyklons. Über die Fraktionsabscheidung und die Kornverteilung des Aufgabegutes werden der innere Abscheidegrad sowie – unter Berücksichtigung der Grenzbeladung – der Gesamt-Abscheidegrad und die Rest-Beladung (Masse- und Volumen-Beladung) am Austritt berechnet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Bauart des Zykloneinlaufs | – | – |
| ZyklonTyp | – | – |
| Zyklon Gesamthöhe | h | – |
| Tauchrohrlänge | hT | – |
| Zyklon Konus-Höhe | hk | – |
| Zyklon Außenradius | ra | – |
| Tauchrohr- bzw. Innenradius | ri | – |
| Radius der unteren Konusöffnung | r3 | – |
| Konus-NeigungsWinkel | εk | – |
| Einlaufhöhe bzw. Durchmesser | he/d | – |
| Einlaufbreite | b | – |
| Relative Wandrauhigkeit | ks/ra | – |
| Konstante für Grenzbeladung | KG | – |
| Mediankorn des Aufgabegutes bzw. Durchmesser des akt. Korns Eingabe nur erforderlich bei Einzelkorn Aufgabe | d50,A | – |
| Steigungsparameter der Rückstandskurve des Aufgabegutes | nA | – |
| Grenzkorndurchmesser | DFakt | – |
| Korn-Formfaktor | FKorn | – |
| Reibungsbeiwert reines Gas Optionale Eingabe | λ0 | – |
| Eintrittsbeladung (Massenbezogen) | μe | – |
| Dichte Feststoff | ρs | – |
| Hohlraumanteil der Feststoffschüttung | εs | – |
| Dichte des Gases | ρL | – |
| Eintritts-Geschwindigkeit | υe | – |
| Volumenstrom des Gases | V | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Anteil der Sekundärströmung | VpSek | – |
| Druckverlust Leitschaufelkanal | dPek | – |
| Druckverlust Abscheideraum | dPe | – |
| Druckverlust Tauchrohr | dPi | – |
| Gesamt-Druckverlust | dPges | – |
Berechnungsoptionen
Bauart des Zykloneinlaufs
1 · 2 · 3 · 4
ZyklonTyp
1 · 2
Variable 40
1 · 2 · 3 · 4
Aufgabegut
1 · 2 · 3
Bauart der Leitschaufeln Eingabe nur für Typ 4 erforderlich
0 · 1 · 2 · 3
Häufige Fragen
Was bedeutet das Grenzkorn eines Zyklons?
Das Grenzkorn (Trennkorndurchmesser) ist der Partikeldurchmesser, bei dem sich im Wirbel Fliehkraft und Strömungswiderstand gerade die Waage halten. Partikel deutlich oberhalb des Grenzkorns werden nahezu vollständig abgeschieden, deutlich kleinere überwiegend mit dem Gas ausgetragen. Der reale Trenngrad verläuft jedoch nicht als Sprungfunktion, sondern als Fraktionsabscheidekurve um das Grenzkorn herum – deshalb wird der Gesamt-Abscheidegrad immer über die Kornverteilung des Aufgabegutes integriert.
Warum steigt der Abscheidegrad bei hoher Eintrittsbeladung?
Oberhalb einer Grenzbeladung kann die Strömung den Staub nicht mehr vollständig in Schwebe halten; ein Teil des Feststoffs wird bereits beim Eintritt als Strähne an die Wand abgewiesen und läuft direkt in den Bunker ab. Nur die verbleibende Beladung unterliegt der eigentlichen Fliehkraftabscheidung im Innenwirbel. Dieser Effekt wird über die Konstante für die Grenzbeladung erfasst und führt dazu, dass Zyklone bei hoher Staubbeladung insgesamt besser abscheiden, als es die Fraktionsabscheidekurve allein erwarten ließe.
Welche Rolle spielt das Tauchrohr für den Druckverlust?
Das Tauchrohr ist in der Regel der größte Einzelverursacher des Druckverlusts, weil dort die hohe Umfangsgeschwindigkeit des Innenwirbels in den Austritt umgelenkt und abgebaut wird. Ein kleinerer Tauchrohrdurchmesser verbessert zwar das Grenzkorn (höhere Umfangsgeschwindigkeit), erhöht aber überproportional den Druckverlust. Die getrennte Ausweisung der Teildruckverluste im Modul macht diesen Zielkonflikt zwischen Trennleistung und Energiebedarf sichtbar.
Wie wird die Kornverteilung des Aufgabegutes beschrieben?
Über das Mediankorn und den Steigungsparameter der Rückstandskurve, wie es der RRSB-Darstellung (Rosin-Rammler-Sperling-Bennett) entspricht. Das Mediankorn gibt die Lage, der Steigungsparameter die Breite der Verteilung an: Ein enges Kollektiv (großer Steigungsparameter) führt zu einer steilen Trennung, ein breites Kollektiv enthält viele Feinstanteile, die auch ein gut ausgelegter Zyklon nicht abscheidet. Für monodisperse Betrachtungen kann stattdessen ein Einzelkorn mit festem Durchmesser gerechnet werden.