Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet Zyklone zum Abscheiden fester Partikel aus Gasen nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L3.4 (12. Auflage 2019). Gaszyklone sind die am weitesten verbreiteten Fliehkraftabscheider der Verfahrenstechnik: robust, ohne bewegte Teile, einsetzbar bei hohen Temperaturen und Staubbeladungen – etwa hinter Wirbelschichtreaktoren, Sprühtrocknern, Mühlen oder als Vorabscheider vor Filtern. Wer einen Zyklonabscheider auslegen bzw. den Abscheidegrad eines Zyklons berechnen will, benötigt neben der Geometrie vor allem die Korngrößenverteilung des Aufgabeguts.
Die Berechnung folgt dem im VDI-Wärmeatlas dokumentierten Modell (nach Muschelknautz): Aus Eintrittsgeschwindigkeit, Reibungsbeiwerten mit und ohne Staub und der mittleren Zentrifugalbeschleunigung wird die Trennkorngröße des inneren Wirbels bestimmt. Der Gesamtabscheidegrad setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen – Abscheidung durch Überschreiten der Grenzbeladung an der Wand, Fraktionsabscheidung im inneren Wirbel, Tauchrohr- und Sekundärströmungsabscheidung –, die das Modul einzeln ausweist.
Als Ergebnis liefert die Rechnung Gesamtabscheidegrad, Fraktionsabscheidegrade je Kornklasse und die Reingas-Emission, also den Staubmassenstrom, der den Zyklon verlässt – die zentrale Größe für den Nachweis von Emissionsanforderungen und die Auslegung nachgeschalteter Filterstufen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Aufgabegut charakterisieren: Feststoffdichte, Mediandurchmesser, Steigungsparameter der Rückstandskurve (z. B. RRSB-Verteilung), minimaler und maximaler Korndurchmesser sowie die Zahl der Kornklassen beschreiben das Aufgabegut. Eintrittsbeladung und Staubmassenstrom legen die Feststofffracht fest.
- Betriebsdaten und Strömungsgrößen bestimmen: Aus Gasdurchsatz, Gasdichte und Viskosität ergeben sich Eintrittsgeschwindigkeit, Reynolds- und Froude-Zahl sowie die mittlere Zentrifugalbeschleunigung im Zyklon; die Reibungsbeiwerte werden für reines Gas und für die staubbeladene Strömung getrennt bestimmt.
- Grenzbeladung und Wandabscheidung prüfen: Übersteigt die Eintrittsbeladung die Grenzbeladung der Drehströmung, wird der überschüssige Feststoff unmittelbar als Strähne an der Wand abgeschieden; dieser Anteil geht als eigener Abscheidegrad in die Bilanz ein und dominiert bei hoch beladenen Zyklonen.
- Fraktionsabscheidung im inneren Wirbel berechnen: Für jede Kornklasse wird aus dem Gleichgewicht von Zentrifugalkraft und Widerstandskraft die Sinkgeschwindigkeit bzw. Trennkorngröße ermittelt und daraus der Fraktionsabscheidegrad des inneren Wirbels sowie zusätzlich die Abscheidung am Tauchrohr und in der Sekundärströmung bestimmt.
- Gesamtbilanz aufstellen: Aus Wand-, Wirbel-, Tauchrohr- und Sekundärströmungsabscheidung werden der Gesamtabscheidegrad, die Massenfraktionen im Fein- und Grobgut je Kornklasse und die Emission (Reingasbeladung bzw. Staubmassenstrom im Reingas) berechnet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Durchsatz | V\u0307 | m³/s |
| Einlaufbreite | be | m |
| Einlaufhöhe | he | m |
| Eintrittsgeschwindigkeit | ve | m/s |
| Außenradius Zyklon | ra | m |
| Eintrittsradius | re | m |
| Eintrittsbeladung | μE | kg/kg |
| Einschnürungsbeiwert | α | - |
| Äußere Umfangsgeschwindigkeit | ua | m/s |
| Reibungsbeiwert reines Gas | λ0 | - |
| Reibungsbeiwert mit Staub | λs | - |
| Tauchrohrradius | ri | m |
| Reibungsfläche Zyklon | AR | m² |
| Innere Umfangsgeschwindigkeit | ui | m/s |
| Gasdichte | ρG | kg/m³ |
| Druckverlust Abscheideraum | ΔpE | Pa |
| Tauchrohrgeschwindigkeit | vi | m/s |
| Druckverlust Tauchrohr | Δpi | Pa |
| Gesamtdruckverlust | Δpges | Pa |
| Feststoffdichte | ρS | kg/m³ |
| Viskosität | ηG | mPa·s |
| Höhe Zylinder | hZyl | m |
| Grenzkorndurchm. Hauptströmung | d* | m |
| Tauchrohrlänge | ht | m |
Berechnungsoptionen
Einlaufform
Schlitzeinlauf · Spiraleinlauf · Halbspiraleinlauf · Axialeinlauf
Korngrößenverteilung
0 · 1
Häufige Fragen
Warum steigt der Gesamtabscheidegrad mit zunehmender Eintrittsbeladung?
Oberhalb der Grenzbeladung kann die Drehströmung den Feststoff nicht mehr vollständig tragen; der Überschuss wird unabhängig von der Korngröße als Strähne an der Wand abgeschieden. Bei hoch beladenen Zyklonen (z. B. hinter Wirbelschichten) wird so der Großteil des Staubs über die Grenzbeladung abgeschieden, und nur der Rest muss vom inneren Wirbel klassierend getrennt werden.
Was ist die Trennkorngröße eines Zyklons?
Die Korngröße, die im inneren Wirbel mit 50 % Wahrscheinlichkeit abgeschieden wird: Für sie halten sich Zentrifugalkraft und Strömungswiderstand am Tauchrohrradius die Waage. Feinere Partikel werden überwiegend mit dem Reingas ausgetragen, gröbere überwiegend abgeschieden. Die Trennkorngröße sinkt mit steigender Umfangsgeschwindigkeit und kleinerem Tauchrohrdurchmesser – allerdings um den Preis eines höheren Druckverlusts.
Welche typischen Fehlerquellen gibt es bei der Zyklonberechnung?
Häufig wird die Korngrößenverteilung des Aufgabeguts falsch angesetzt (Messung im Labor nach Dispergierung statt im agglomerierten Betriebszustand), die Gasdichte nicht auf Betriebstemperatur und -druck umgerechnet oder Falschluft am Zellenradausschleuser ignoriert. Leckluft am Staubaustrag wirbelt bereits abgeschiedenen Staub wieder auf und kann den realen Abscheidegrad drastisch verschlechtern.
Wo liegen die Grenzen des Zyklons gegenüber Filtern und Elektroabscheidern?
Zyklone trennen Partikel unter etwa 5 bis 10 µm (je nach Bauart und Betriebspunkt) nur noch unvollständig ab; sehr feine Stäube erfordern nachgeschaltete filternde Abscheider oder Elektrofilter. Dafür sind Zyklone unempfindlich gegen hohe Temperaturen, Beladungen und abrasive Stäube und werden deshalb bevorzugt als Vor- oder Produktabscheider eingesetzt.