Die bei der Zyklonauswahl am häufigsten genannte Zahl ist die Trennkorngröße (d₅₀): der Partikeldurchmesser, bei dem der Abscheidegrad 50 % beträgt. Für sich genommen führt sie in die Irre, denn die eigentliche Frage lautet: Wie viel von der Staubverteilung, die Sie tatsächlich haben, wird abgeschieden?
Zwei Zyklone können dasselbe d₅₀ haben und sich auf der Feinseite dennoch deutlich unterscheiden, wenn die Steigungen ihrer Trenngradkurven verschieden sind. Und es ist meist die Feinseite, die den Emissionsgrenzwert bestimmt.
Die Beladung wird häufig übersehen
Bei niedriger Staubbeladung erfolgt die Abscheidung über die Bewegung einzelner Partikel im Fliehkraftfeld. Oberhalb einer bestimmten Beladung übernimmt ein anderer Mechanismus: Partikel werden in Massen zur Wand getragen, und der Abscheidegrad fällt höher aus, als die Einzelpartikeltheorie vorhersagt.
Das Verfahren nach Muschelknautz behandelt diese beiden Regime getrennt und liefert daher bei industriellen Beladungen realistischere Ergebnisse als klassische Ansätze; das Buch von Hoffmann und Stein behandelt das Verfahren und die Grenzen seiner Anwendung ausführlich [1].
Die praktische Folge: Eine im Labor bei niedriger Beladung gemessene Trenngradkurve auf einen hoch beladenen Prozess zu übertragen, überdimensioniert die Auslegung unnötig.
Modellierung: zwei Schwierigkeiten zugleich
Der Drall ist anisotrop. In der rotierenden Strömung im Inneren eines Zyklons folgt die Umfangsgeschwindigkeit einem Profil aus Zwangs- und Potentialwirbelbereichen. Zweigleichungsmodelle, die isotrope Turbulenz annehmen, treffen dieses Profil systematisch falsch; ein Reynolds-Spannungsmodell oder eine Grobstruktursimulation ist erforderlich. Siehe die Notiz zum Turbulenzmodell.
Der Wirbelkern präzediert. Der Unterdruckkern auf der Achse steht nicht still; er schwingt umher (präzedierender Wirbelkern). Das ist ein instationäres Phänomen, für eine stationäre Lösung unsichtbar, die zudem dazu neigt, den Druckverlust zu unterschätzen.
Auf der Partikelseite. Bei der Verfolgung der diskreten Phase muss der Widerstandsbeiwert als Funktion der Reynolds-Zahl berechnet werden; die abschnittsweise Anpassung von Morsi und Alexander ist dafür weit verbreitet [2]. Mit einem einzigen mittleren Durchmesser zu rechnen, löscht die kritischste Größe aus — den Durchschlupf der Feinanteile. Siehe die Notiz zur Mehrphasenströmung.
Geometrische Details wiegen überproportional schwer
- Eintauchtiefe des Tauchrohrs. Zu kurz, und die eintretende Strömung kurzschließt direkt zum Austritt.
- Eintrittsgeometrie. Tangentiale, spiralige oder beschaufelte Eintritte erzeugen bei gleichem Volumenstrom unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeitsprofile.
- Staubbunker. Rückströmung im Bunker kann abgeschiedenen Staub wieder austragen; das ist die Ursache vieler Abweichungen im Feldabscheidegrad, und sie liegt im Bunker und nicht im Zyklon selbst.
Referenzen
- Hoffmann, A. C. & Stein, L. E. (2008). Gas Cyclones and Swirl Tubes: Principles, Design, and Operation, 2nd ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-540-74696-6
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806