osnove meh. operacija-5
TRANSCRIPT
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
CIKLONI
Cikloni su inercijalni separatori. Relativno su jednostavne konstrukcije i bez
pokretnih dijelova.
Koriste se za:
• pročišćavanje zraka i plinova (nehomogena mješavina), odnosno izdvajanje
krutih čestica iz struje plina djelovanjem centrifugalne sile (piljevina, iverje,sitni drvni
otpad, cementna prašina, lebdeći pepeo, razni granulirani kruti ostaci u procesnim
industrijama, duhan, bilje, rude, kamena prašina ... ),
• klasiranje čestica u sustavima pneumatskog transporta.
Prednosti primjene ciklona su:
• suha i kontinuirana separacija krutih čestica djelovanjem centrifugalne sile,
• može raditi i kod viših temperatura i radnih tlakova,
• prema hidrauličkim i tehnološkim uvjetima može raditi kao samostalni ureĎaj ili
povezivanjem više ciklona istih tehničkih i hidrauličkih karakteristika,
• kod mješavina sa sitnim česticama koristi se kao predfiltar učinkovitijim
ureĎajima,
• relativno niska cijena i niski troškovi održavanja.
Nedostatak:
• Pomoću ciklona nije moguće izdvajati najsitnije čestice iz mješavine i glavni je
problem odreĎivanje granice njegovih mogućnosti te izvedbe tehničkog rješenja za
izdvajanje čestica u odnosu na tehnološke i ekološke uvjete.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Osnovni elementi i konstrukcija ciklona:
Osnovni elementi
niskoučinskog ciklona:
1 - tangencijalno
postavljeni ulazni otvor,
2 - cilindrični plašt, 3 -
konusni plašt, 4 - izlazna
cijev za zrak, 5 - ispusni
otvor za čišćenje.
Materijal ciklona:
čelični lim debljine 2,5 – 5 mm.
Postavlja se pojedinačno ili u sklopu
s više ciklona na nosivu konstrukciju
iznad silosa (spremnika) za prihvat
čestica odvojenih u ciklonu.
Zrak koji sa sobom nosi čestice čvrstih tvari (drvena ili metalna prašina,
strugotina, granule plastike, duhanski otpad, cement,…) dovodi se kroz
tangencijalni ulazni otvor 1 u cilindrični prostor 2 i konusni nastavak 3.
Očišćeni zrak izlazi kroz otvor 4, a odvojene čestice propadaju kroz otvor 5.
Proces odvajanja čestica odvija se pod predtlakom mješavine na ulaznom
otvora ciklona. Za odreĎenu konstrukciju ciklona potrebno je utvrditi pad
tlaka i frakcijski stupanj odvajanja.
1 – dovod mješavine, 2 –
ulazni otvor, 3 – cilindrični
plašt, 4 – konusni dio ciklona,
5 – skupljač čestica – ljevak, 6
– odvod izdvojenih čestica, 7 –
izlazna cijev za plin (zrak), 8 –
odvod pročišćenog plina
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Princip ciklonskog odvajanja čestica iz struje plina (zraka):
A
B
C
A – primarna cirkulacija
plina (zraka)
1 – vanjska spirala,
2 – unutarnja spirala, 3 –
kružna cilindrična
zavojnica, 4 – kružna
konusna zavojnica
B – sekundarne
cirkulacije u gornjem
dijelu ciklona
C – sekundarne
cirkulacije u donjem
dijelu ciklona
Zrak ili plin s česticama se brzinom od 16 – 25 m/s dovodi cjevovodom
tangencijalno u gornjem dijelu cilindrične komore ciklona. U gornjem
cilindričnom dijelu strujanje se opisuje kružnom, a u donjem dijelu
konusnom zavojnicom. Pri rotacijskom strujanju iz cilindričnog u
konusni dio ciklona povećava se brzina plina, a time i brzina čestica.
Pri samom vrhu konusnog dijela ciklona zračna struja naglo mijenja smjer opisujući cilindričnu zavojnicu i izlazi
cjevovodom koji je postavljen u osi ciklona. Istovremeno, čestice koje rotiraju uslijed povećanja centrifugalne
sile (smanjuje se radijus kretanja – konus) izlaze kroz otvor na vrhu konusa upadajući u ljevak. Iz lijevka se
čestice odvode u spremnik ili preko dozatora dalje transportiraju u tehnološki proces. Strujanje u ciklonima je
veoma složeno, izrazito turbulentno s visokim Reynoldsovim brojevima ≈ 105 . Provode se
eksperimentalna ispitivanja na modelima prije konstruiranja ciklona za uporabu odreĎene namjene.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Putanje čestica karakteristične za primarnu i sekundarnu cirkulaciju (primjer)
Čestica 1 (1a) dodiruje stjenku pod malim
kutom, ne odbija se već klizi niz stjenku bez
vraćanja u struju plina. Potpuno se izdvaja i
najveće je krupnoće.
Čestice 2 do 5 sudaraju se sa stjenkom
ciklona i vraćaju se u struju plina.
Čestice 3 i 5 su veoma male. Nakon sudara
sa stjenkom ciklona (3a, 5a) odbijaju se,
predaju dio energije ciklonu, brzina i
centrifugalna sila se smanjuju, a jača
utjecaj sile trenja izmeĎu čestica i plina
koja ih odvlači prema izlaznoj cijevi (3b,
5b). Zbog slabe centrifugalne sile,
sekundarna separacija je zanemariva i veoma
slabo je izdvajanje čestica.
Čestice 2 i 4 su nešto veće. Udaraju u stjenke ciklona u točkama 2a i 4a te se odbijaju u struju
plina. Zbog svoje veličine na njih snažno utječe centrifugalna sila i dovodi do sekundarnog
taloženja. Kretanje čestice od 4a do 4b, 4c, 4c′, 4d ovisi o utjecaju centrifugalne sile, sile
trenja, radijalne i tangencijalne brzine. Neke od čestica klize uz stijenku ciklona, a neke se
uvlače u struju zraka prema izlaznoj cijevi.
U primarnoj separaciji skoro sve čestice koje dodirnu stjenku ciklona se izdvajaju bez obzira na
veličinu. Nakon povratka čestica u struju zraka u vertikalnoj komori dolazi do sekundarne
separacije u vrtložnom polju. Tu je separacija selektivan proces. Izražava frakcijski stupanj
efikasnosti.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Brzine strujanja i pad tlaka u ciklonu – primjer eksperimentalnog ispitivanja:
vrad
vtang
vvert
(vaksijalno)
pstatičko
pukupno
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Konstrukcije i elementi ciklona
Moguće konstrukcije
ulaznog voda
Konstrukcije izlaznog voda
i prijelaznog dijela konus –
ljevaka) Izlazni vodovi
b) Prijelazni dio konus -
ljevak
a
b
Baterija ciklona
Ciklon sa obilaznim
vodom koji poboljšava
efikasnost izdvajanja
čestica manjih dimenzija
1- dovod mješavine, 2 –
ulazni otvor, 3 – spiralni
obilazni vod, 4 – cilindrični
dio ciklona, 5 – konusni dio
ciklona, 6 – prigušivač
vrtložnog strujanja u ciklonu,
7 – skupljač čestica – ljevak,
8 – odvod izdvojenih čestica,
9 – izlazni vod, 10 – odvod
pročišćenog plina
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Sheme ugradnje ciklona
A – pretlačno spajanje i rad ciklona B – podtlačno spajanje i rad ciklona
1 – plin (zrak) s česticama (mješavina), 2 – odvod izdvojenih čestica,
3 – odvod pročišćenog plina (zraka), 4 – usis mješavine (plin + čestice),
5 – transportni centrifugalni ventilator
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Kada se zahtjeva veća efikasnost izdvajanja čestica većih dimenzija pri većim
protocima, tada se povezuje više ciklona u tzv. baterije ciklona prema
odgovarajućem rasporedu.
L – lijevo, D - desno
Baterije ciklona
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Primjer: Baterija ciklona za izdvajanje
čestica iz dimnih plinova
1 – plin sa česticama, 2 – cikloni, 3 – sklopovi
(ventili – dozatori) kojima se odvode izdvojene
čestice, 4 – mehanizam za istovremeni rad
ventila – dozatora, 5 – odvod izdvojenih
čestica, 6 – dimnjak, 7 – odvod pročišćenih
plinova
Za povećanje efikasnosti izdvajanja čestica manjih
dimenzija i pri relativno manjim protocima,
ugraĎuju se tzv. multicikloni.
Multiciklon je naziv za više ciklona jednakih
dimenzija, postavljenih jedan pored drugog, obično
u ravnoj liniji i u više redova sa zajedničkim
vodovima za dovod i odvod plina (zraka) sa
česticama i zajedničkim lijevkom za odvod
izdvojenih čestica.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Učinkovitost ciklona Za provedbu procesa odvajanja čestica potreban je
odgovarajući predtlak (podtlak) nehomogene mješavine ispred
ulaznog otvora, odnosno potrebno je za predloženu
konstrukciju utvrditi pad tlaka ciklona.
Klasu konstruiranog ciklona utvrĎuje frakcijski stupanj
djelovanja, koji se takoĎer mora utvrditi za predloženu
konstrukciju.
Frakcijski se stupanj djelovanja η(x) procjenjuje u
ovisnosti od omjera brzine taloženja čestica wtč
različitih veličina x i granične brzine taloženja
w′tč(x) za odreĎenu konstrukciju ciklona.
Učinkovitost odvajanja čestica iz struje zraka
(plina) prvenstveno ovisi o:
• veličini i gustoći čestica koje se dovode u ciklon.
Učinkovitost izdvajanja znatno je veća za čestice
većih dimenzija i gustoće, nego za čestice manjih
dimenzija i gustoće.
Primjerice, za čestice cementne prašine relativne
gustoće 2,2 i ekvivalentnog promjera 20µm,
učinkovitost izdvajanja je oko 97%, a za iste čestice
ekvivalentnog promjera 5 µm učinkovitost izdvajanja
je oko 50%.
Osnovne geometrijske veličine
ciklona
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
• o konstrukciji i dimenzijama ciklona. Obično se pod karakterističnom dimenzijom
ciklona smatra promjer D1. Smanjenjem promjera D1, a k tome i promjenom ostalih
dimenzija ciklona učinkovitost izdvajanja čestica se povećava i obrnuto. Iako
jednostavne konstrukcije, ciklon je veoma složen hidraulički element i pri
konstruiranju značajno utječu sve njegove geometrijske veličine i njihovi odnosi na
učinkovitost i mjesto ugradnje u nekom procesno-tehnološkom sustavu.
• brzini zraka na ulazu u ciklon. Prema teoretskim razmatranjima i praktičnim
ispitivanjima za odreĎene granulacije čestica povećanjem brzine postiže se veća
učinkovitost ciklona, no ova postignuća nije moguće univerzalno primijeniti za sve
granulacije i vrste čestica te različite izvedbe ciklona.
• tlaku u donjem dijelu ciklona, tzv. lijevku iz kojeg se izdvojene čestice
odvode. Prestrujavanjem zraka kroz lijevak uslijed kvara npr. posebnog ventila
(dozatora) za odvod čestica, učinkovitost izdvajanja čestica se znatno smanjuje.
• Uz navedene utjecajne čimbenike, na učinkovitost izdvajanja utječu i
karakteristike čestica (npr. adhezivnost), prianjanje uz stjenke, moguća
kondenzacija i druge nepoželjne pojave.
• OdreĎivanje stvarnog stupnja učinkovitosti izdvajanja čestica utvrĎuje se
eksperimentalno za odreĎenu granulaciju i sastav mješavine prema
standardima i prihvaćenim metodama.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Stu
pan
j o
dv
aja
nja
(%
)
Veličina čestica (µm)
Primjer: učinkovitost odvajanja čestica u % različitih veličina (µm) za
visokoučinski ciklon namijenjen za pneumatski transport u drvnoj industriji.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Faktori koji utječu na efikasnost ciklona η
Proračun efikasnosti: koncentracija i fizikalna svojstva materijala, mješavine
(gustoća, poroznost), njen disperzivni sastav, aerodinamičko stanje ciklona i položaj
ugradnje u sustavu, otpor ciklona, protočni kapacitet. η = (c1 – c2)/c1 (50 – 99 %).
c1 – koncentracija materijala – prašine u zraku ispred ciklona
c2 - koncentracija materijala – prašine u zraku nakon ciklona
Faktori utjecaja na efikasnost ciklona η:
- Gustoća ρ i viskozitet μ mješavine karakteriziraju aerodinamičko stanje u ciklonu
(brzine strujanja i taloženja, otpor). Gustoća i viskozitet ovise o temperaturi.
- Uvodi se korekcijski koeficijent u proračunu promjera čestica koje se mogu
izdvajati.
- dč,ef = f(Dc, Δpc), koja se dobiva eksperimentom na osnovu rezultata taloženja
kvarcne prašine ρč = 2650 kg/m3. Za čestice druge gustoće uvodi se korekcijski
koeficijent u proračunu čestica koje se mogu izdvojiti.
- Način kretanja čestica – materijala u ciklonu: bitan promjer čestica i sastav
mješavine koja ulazi u ciklon. Uz poznati frakcijski sastav utvrĎuje se stupanj
efikasnosti ciklona.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
- Brzina zraka u cilindričnom i konusnom dijelu ciklona: što je veća brzina taloženja
to je veća radijalna komponenta brzine struje vr i lakše je razdvajanje krute faze od
zraka (plina).
- Radijalna brzina ovisi o brzini taloženja, tangencijalne komponente brzine zraka
(plina) i rastojanja od centra ciklona. Za čestice odreĎene veličine radijalna brzina
je minimalna u centru i postupno raste prema stjenci ciklona.
-Brzina i sadržaj čestica imaju utjecaj na otpor ciklona i efikasnost razdvajanja krute
faze od zraka. Oblak mješavine se na ulazu u ciklon djelomično razdvaja i čestice
koje se spuštajući uz stjenke imaju usporavajući učinak na kretanje zračne struje.
- Granična koncentracija čestica, koje se izdvajaju u ciklonu, odreĎuje se po
empirijskoj jednadžbi:
- Promjer ciklona – značajno utječe na stupanj pročišćavanja / izdvajanja krutih
čestica iz struje zraka. Što je manji promjer veća je centrifugalna sila i bolje je
izdvajanje čestica, ali raste otpor ciklona. Obično se pri Dc > 800 – 1000 mm
smanjuje efikasnost odvajanja ciklona.
Često se upotrebljavaju baterijski ili multicikloni manjeg promjera i većeg stupnja
efikasnosti odvajanja čestica.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Izvedbe ciklona
U praksi se razlikuju tzv. niskoučinski i
visokoučinski cikloni.
Razlika izmeĎu niskoučinskog i
visokoučinskog ciklona je u frakcijskom
stupnju djelovanja odnosno učinkovitosti
izdvajanja čestica iz nehomogene
mješavine sa zrakom (plinom).
Visokoučinski cikloni imaju znatno bolji
stupanj odvajanja čestica od
niskoučinskog i veći pad tlaka u istim
uvjetima izdvajanja čestica.
Ovisno o vrsti i granulaciji čestica u
različitim procesima primjenjuju se
različite izvedbe ciklona sukladno
zahtjevima za kvalitetom pročišćenog
zraka (plina), troškovima izvedbe i
ekonomičnosti sustava.
Ciklon – tip A
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tipa A – nastavak
Preporučuje za odvajanje krupnih čestica materijala iz zraka, na primjer iverja ili
drugog usitnjenog drveta koji sadrži malu količinu sitnijih čestica, te piljevine koja
ima vlažnost preko 50%. Ovakvim ciklonom se ne pročišćava zrak izdvajajući sitnu
piljevinu i bruševinu iz transportiranog materijala, već je potrebno dvostupanjsko
pročišćavanje ugradnjom dodatnog filtra za izdvajanje finijih čestica. Koeficijent
lokalnog otpora ciklona tip A na njegovom ulaznom priključku je oko 2, a za svaku
konstrukciju ciklona se odreĎuje eksperimentalno.
Osnovne geometrijske veličine i protočni kapacitet ciklona – tip A
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip B
Preporučuje se za odvajanje
finijih čestica iz struje zraka
prilikom strojne obrade suhog
drva, postiže se veći stupanj
pročišćavanja.
U odnosu na tip A ciklon tip B ima
manji promjer što povećava
centrifugalnu silu koja doprinosi
učinkovitijem izdvajanju čestica
materijala iz struje zraka (plina).
UgraĎene lamele (žaluzine) na
unutarnjem cilindru imaju ulogu
inercijskog odvajača.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip B – nastavak
Njegove prednosti u odnosu na druge ciklone (posebno tip A) su:
• stupanj odvajanja pri transportu materijala sa velikom količinom čestica i
koncentracijom od 0,2 do 0,3 iznosi 99%. Sadržaj sitnih čestica u zraku koji izlazi iz
ciklona iznosi ≤ 100mg/m3,
• stupanj odvajanja brusne prašine iznosi i do 98%,
• preporučljiva brzina zraka na ulaznom priključku u ciklon iznosi 16 do 20 m/s,
• različite konstrukcije, (ovisno o broju žaluzina i svijetlih prolaza te kuta izmeĎu
njih) utječu na stupanj učinkovitosti ciklona.
• veličina lokalnog koeficijenta otpora u ulaznom priključku ciklona, kod rada sa
čistim zrakom iznosi: ξ = 4 – 5 i za svaku konstrukciju ciklona utvrĎuje se
eksperimentalno.
• ciklon nepouzdano radi kod podtlaka na dovodnoj strani.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip B – nastavak
Osnovne geometrijske veličine i protočni kapacitet visokoučinskog ciklona s
žaluzinama
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip B – nastavak
Stupanj odvajanja moguće je povećati ugradnjom proširenja na izlaznoj odvodnoj
cijevi. UgraĎuje se na sve vrste ciklona (tlačne i usisne). Prostrujavanjem kroz
proširenje brzina zraka se smanjuje i zahvaljujući tome čestice koje lebde u
proširenom dijelu ne izlaze u atmosferu. Tu se čestice taloženjem skupljaju i kad
postignu odreĎenu težinu propadaju kroz konusni dio ciklona prema izlaznom mjestu.
Ciklon s izlaznim proširenjem
Dvojni ciklon – primjer
izvedbe
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip C
Pri transportiranju čestica malih veličina ( piljevina, sitna strugotina drveta,…)
moguće je primijeniti i ciklon tip C.
UgraĎuje se u tlačnom i podtlačnom sustavu transporta mješavine zraka (plina) sa
otpadnim česticama materijala.
Koeficijent lokalnog otpora priključka ovog tipa ciklona iznosi oko 2,4 i za svaku
konstrukciju ciklona utvrĎuje se eksperimentalno. Cikloni tipa C predviĎeni su za
male kapacitete i obično se spajaju u baterije u sustavu pneumatskog transporta.
Ciklon – tip C
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip C – nastavak
Osnovne geometrijske veličine i protočni kapacitet ciklona – tip C
Prosječni stupanj pročišćavanja (izdvajanja) čestica iz zraka u ciklonima – tip C
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip DKonstrukcijski je prilagoĎen za rad s podtlakom
u sustavu pneumatskog transporta i izdvajanje
čestica iz struje plina ili zraka.
Zbog ravnomjernijeg strujanja zraka unutarnji dio
cilindrične cijevi završava spiralom (pužnom
zavojnicom) na koju se priključuje usisna cijev
ventilatora. Na donji, izlazni otvor ciklona obično se
ugraĎuje hermetički zatvoren preklopni zatvarač.
Koeficijent lokalonog otpora ciklona tip-D na
ulaznom otvoru iznosi oko 2,8 i za svaku
konstrukciju se utvrĎuje eksperimentalno. Usisni
cikloni zahtijevaju preciznu ugradnju kojom se treba
postići hermetičko brtvljenje.
Čak i kod dobro izvedenih i ugraĎenih ciklona u
instalaciju pneumatskog transporta gubici zraka
zbog propuštanja iznose ponekad i oko 10 – 15
%, što se mora uzeti u obzir prilikom proračuna.
Ovisno o veličini cikloni se izraĎuju iz čeličnog lima
debljine 1,5 – 3 mm. Ako se lim spaja na preklop, u
tom slučaju preklop s unutarnje strane mora biti
skošen i izveden u smjeru strujanja zraka.
Cikloni većih promjera ( veći od 1,8 m) se ukrućuju
čeličnim profilima s vanjske strane.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ciklon – tip D – nastavak
Osnovne geometrijske veličine i protočni kapacitet ciklona – tip D
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Visokoučinski ciklon
• Visokoučinski cikloni odlikuju se visokim
stupnjem odvajanja čestica veličina ispod 10
µm iz zraka ili plina.
• Konstruira sa rotaciono simetričnim gornjim
dijelom, ulaznom spiralom i dijelom korita, te
konusnim sabirnikom.
• Nastajanje dvostrukih vrtložnih struja u
gornjem dijelu ciklona je spriječeno
konstruktivnim rješenjem ugradnje dodatnog
korita. Na oplošju iznad ulaza plina, nalazi se
otvor, koji je spojen sa vanjskim spiralnim
koritom.
• Korito je na cijeloj dionici otvoreno prema
unutrašnjosti visokoučinskog ciklona i
postupno s nagibom završava u donjem
cilindričnom dijelu, gdje počinje korisno
djelovanje dvostruke vrtložne struje zraka ili
plina.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Visokoučinski ciklon – nastavak
Dvostruka vrtložna struja u gornjem rotaciono simetričnom dijelu ima smjer prema
gore, što za odvojene čestice materijala nije poželjno, dok je u konusnom dijelu
smjer suprotan prema dolje i koristan je učinak ciklona.
Čestice prašine pod utjecajem centrifugalne sile klize po gornjem unutarnjem
obodu cilindra i ulaze u korito, dok iz korita prolaze nesmetano u konusni sabirni
dio ciklona.
Konstrukcija visokoučinskih ciklona razraĎena je u nekoliko oblika, kao primjerice:
tip 550, tip 750, tip 850.
Ciklon s manjim numeričkim indeksom koristi se u sustavima za izdvajanje
krupnijih čestica materijala, a s većim numeričkim indeksom za izdvajanje sitnijih i
finijih čestica materijala iz struje zraka ili plina.
Ciklon tip 550 najčešće se koristi za otprašivanje u industrijskim objektima za
preradu drveta, ljevaonicama, pjeskarnicama, brusionama, itd.
Za sitnije čestice (brašna, šećera u prahu, cementne prašine i slično), koriste se
cikloni tip 750 i 850 uz dodatnu primjenu filtarskih sustava za dodatno
pročišćavanje.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Visokoučinski ciklon – nastavak
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
Stu
pan
j o
dv
aja
nja
česti
ca (
%)
Veličina čestica (µm)
tip 550
tip 750
tip 850
Frakcijski stupanj odvajanja čestica materijala
visokoučinskog ciklona,
(primjer: izvod iz mogućeg proizvodnog programa) Visokoučinski ciklon
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Visokoučinski ciklon – nastavak
Geometrijske veličine i protočni kapacitet ciklona tip 550 i tip 850
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Proračun ciklona – inercijalni separator
U procesu centrifugalnog razdvajanja razmatra se fizikalni model: struja zraka sa
aglomeratom čestica uvodi se u ciklon kroz cijev postavljenu tangencijalno na
cilindrični dio komore - pod djelovanjem gravitacije, centrifugalne sile i sile
otpora mješavina dobiva prostorno spiralno kretanje, čestice materijala
najprije odlaze prema stjenci cilindričnog dijela ciklona uslijed centrifugalne
sile, a zatim djelovanjem gravitacije naniže kroz konusni dio i izlaznu cijev.
Očišćeni zrak u obliku unutarnje spirale vertikalno se vraća naviše i kroz cijev
izlazi u atmosferu ili dodatni filtar.
Početni uvjet: odreĎivanje graničnog promjera čestice (dgr) koja se u ciklonu
odvaja sa efikasnosti 100% .
Na česticu nošenu strujom zraka djeluju sile:
Centrifugalna sila: Fc = (m · wob2)/r
Gravitacijska sila: Fg = m1 · g
Otpor okoline čestice u ciklonu: Fo = 3 · π · dč · μ · wos
Arhimedova sila (sila uzgona): GA = m2 · g
Obodna brzina wob izražava se odnosom: wob = ω · r
Brzina taloženja wos (= radijalnoj brzini vr) …prijeĎeni put po vremenu: wos =
dr/dt(τ)
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Proporcionalne mjere ciklona kao
kompromis efikasnosti odvajanja i
zaštite okoliša (orijentacijski odnosi)
Pojednostavljeni proračun ciklona
Kada materijal (čestice) pokazuje visoki stupanj
aglomeracije – velika koncentracija čestica (preko
3,5 kg/m3 odvajaju se i veoma male čestice, čak i
do 98%.
Ulaskom mješavine u ciklon tangencijalna
komponenta brzine se povećava sa smanjenjem
polumjera R:
n = 1 – 1,5 (idealni slučaj; bez
trenja čestica o stjenke ciklona)
(obično: n = 0,5 – 0,7)
Ciklon se dimenzionira da zadovolji hidrauličke
granice pada tlaka. Za instalacije pneumatskog
transporta i rad ciklona približno pri atmosferskom
tlaku, pad tlaka odgovara ulaznoj brzini ciklona
wc = 16 – 20 m/s.
Obično se ulazni promjer cjevovoda u ciklon
dimenzionira na osnovu brzine strujanja mješavine
wc = 16 – 17 m/s
Proračun ciklona
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Uz pretpostavku da su čestice kuglastog oblika i da je koeficijent otpora čestica:
ζč = 3π / Re, može se odrediti promjer čestica koje će se ciklonom efikasno
odvojiti, prema jednadžbi:
Pad tlaka te gubitak uslijed trenja izražava se kao funkcija brzine mješavine u
zračnoj struji koja ulazi u ciklonski odvajač, prema relaciji: Δp = (ζč·ρ·wc2)/2 .
Površina valjkastog dijela ciklona: Ac = V mješ. / k , m2
Promjer valjkastog dijela ciklona: D = (4·Ac/π)0,5, m gdje je:
k – količina zraka koju ciklon efikasno odvaja od materijala i prašine
= 1,95 m3/m2,s (eksperimentalni podatak za odreĎeni tip ciklona i vrstu materijala)
Poteškoće za proračun: odreĎivanje i preuzimanje koeficijenta k, inicijalno
odreĎivanje promjera D, itd. (dovoljno točno za orijentacijski proračun)
μm – viskozitet mješavine, Ns/m2, R – polumjer
ciklona, m ; R1 – polumjer izlazne cijevi ciklona, m ; n –
broj okretaja zračne struje u ciklonu (obično 5), wob(u) –
obodna brzina plina – zraka u ciklonu, m/s ; ρč – gustoća
čestica, kg/m3
0,7 wc ≤ wob(u) ≤ 0,75 wc
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Prema Rosinu:
Pad tlaka te gubitak uslijed trenja izražava se kao funkcija brzine mješavine u
zračnoj struji koja ulazi u ciklonski odvajač, prema empiričkoj relaciji:
Δp = 0,04·ρ·wc2.
Teorijska veličina čestica koje se u ciklonu
mogu potpuno izdvojiti:
Promjer čestica kojih se
50% izdvoji u ciklonu:
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Ulaskom zračne struje sa česticama u ciklon, gube značaj i mogu se zanemariti
sila gravitacije i arhimedova sila u odnosu na ostale sile, pa je Fc = Fo
1) Izdvajanje čestica prema zakonu Stoksa (Re < 0,2 – iz struje zraka najbolje se
izdvajaju sitne čestice)
Trajektorije kretanja čestice u ciklonuVrijeme potrebno za izdvajanje prašine iz zraka:
vr – radijalna brzina
wi – srednja vrijednost brzine zračne struje
mješavine
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Granična vrijednost čestice koja se
izdvaja po zakonu Stokesa (100 %):
Ako je zadano vrijeme zadržavanja
zraka u ciklonu, granična vrijednost
čestice koja će se izdvajati po zakonu
Stokesa (100%):
2. Izdvajanje čestica definirano općim zakonom otpora
Koeficijent otpora ζ = f(Re) i sila otpora se opisuju izrazom:
Ako je Fc = Fo slijedi:
Vrijeme zadržavanja zraka u
ciklonu:
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Radni volumen ciklona za vrijeme zadržavanja zraka te
izdvajanje najsitnijih čestica u ciklonu je:
Vsek – zadana proizvodnost ciklona, m3/s
Visina cilindričnog dijela cikona:
Pad tlaka u ciklonu:
Ukupni hidraulički otpor ciklona:
Hidraulički otpor prema brzini u ulaznoj cijevi:
Za ulaznu cijev vrijedi: Za izlaznu cijev vrijedi:
ζ = 6 – 25
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Dijagram otpora za ciklone tip CKV
v = 15 -16 m/s – ulazna brzina transportirane mješavine u ciklon
vi ≈ 11 m/s – izlazna brzina pročišćenog zraka iz ciklona
Visokoučinski ciklon
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Tehničke i proračunske veličine (proračun ciklona):
volumenski protok mješavine,
temperatura, sastav i karakteristike mješavine,
koncentracija čestica u mješavini na ulazu u ciklon,
fizikalna i kemijska svojstva čestica,
koncentracija čestica na izlazu iz ciklona,
tlak mješavine na ulazu u ciklon,
brzina strujanja mješavine na ulazu u ciklon,
dozvoljeni pad tlaka ciklona,
geometrijske veličine ciklona neophodne za ugradnju i postizanje frakcijskog
stupnja djelovanja,
oblikovanje sustava za ciklonsko izdvajanje čestica.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Preporuke o izboru ciklona:
• Smanjivanjem izlaznog promjera za zrak iz ciklona povećava se efikasnost
odvajanja, ali i pad tlaka ciklona. Povećava se snaga transportnog ventilatora
u sustavu pneumatskog transporta.
• Povećavanjem duljine ciklona povećava se efikasnost odvajanja. Neophodno
je da ulazni prijelaz u ciklon bude postupan, da se izbjegne veliki pad tlaka
zbog ubrzavanja zraka u komori ciklona.
• Većina ciklona s velikom efikasnosti ima dužinu konusa (1,6 – 3,0) x
D, promjera ciklona.
• Ako je promjer ciklona veći od 1,75 m efikasnost ciklona se znatno
smanjuje, pa je potrebno tražiti rješenje s više ciklona manjeg promjera
(spajanje u baterije ciklona).
• Spajanje dovodnih i odvodnih vodova sa jednim ili grupom ciklona treba izvesti
što pravilnijim cjevovodima sa kutom širenja ≤ 15°.
• Vrijednosti ulazne brine mora se spriječiti taloženje čestica . Za manje
koncentracije i manje gustoće čestica brzina treba biti ≥ 10 m/s, a za veće
koncentracije i veće gustoće čestica brzina treba biti ≥ 20 m/s.
• Maksimalni broj ciklona u jednoj bateriji ciklona, ne veći od 10.
OSNOVE MEHANIČKIH OPERACIJA
Preporuke o izboru ciklona:
• Pri ugradnji ciklona izbjegavati kondenzaciju na stjenkama ciklona i česticama.
Poželjno je da temperatura plina (zraka) bude veća za 20 – 25°C veća od točke
rosišta pri odvajanju nehigroskopskih čestica, a za 25 – 50°C pri odvajanju
higroskopskih čestica.
• Približno konstantan protok kroz ciklon (ciklonski sklop), maksimalna oscilacija
do ± 15%.
• Ciklone treba postavljati, u pravilu, vertikalno.
• Vratašca za čišćenje treba postavljati na skupljaču čestica i odvodnom vodu.
• Visina izdvojenih čestica u skupljaču mora biti manja od 2/3 visine skupljača.
• Predvidjeti mjesta na ciklonu i vodovima za mjerenje pada tlaka i
temperature, kontrola pravilnosti rada ciklona ili sklopa.