Stairmand tipi yüksek verimli siklon geometrisindeki modifikasyonların partikül tutma verimi ve basınç kaybına etkisi
Effect of modifications on Stairmand high efficiency type cyclone geometry on collection efficiency and pressure drop
Yazar: AYKUT KARADENİZ
Danışman: DOÇ. DR. ARSLAN SARAL ; YRD. DOÇ. SELAMİ DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Özellikle tozlu üretim prosesleri sonucunda oluşan partiküler madde yüklü atık gazların, atmosfere salınmadan önce bu kirletici yükünden arındırılmaları gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan sistemlerden biri siklonlardır.
Atık gazdan partiküler maddelerin giderilmesi konusunda gerek tek başına etkin olabilen, gerekse bir ön arıtım sistemi olarak kullanılabilen siklonlarda, düşük işletme maliyetleri ile yüksek partikül tutma verimleri elde etmek önemlidir. Diğer bir ifadeyle olabildiğince düşük basınç kaybı ve yüksek partikül giderimi, siklonlarda başlıca aranan kriterdir. Çalışma kapsamında 'Stairmand yüksek verimli siklon' tasarımı baz alınarak giriş yapısı, gövde uzunluğu, konik yükseklik ve çıkış yapısı ölçüleri çeşitlendirilmiş ve bu geometrik değişimlerin temiz basınç kaybı ve partikül tutma verimi üzerindeki etkileri 6 farklı debide araştırılmıştır. Bu amaçla fan, yakşlaşım kanalı, toz dozaj pompası ve siklonların rahatlıkla kurulup sökülebileceği bir askı düzeneğinden oluşan özel tasarım deney düzeneği hazırlanmıştır. 
Kullanılan ekipmanın boyutlarına göre dar giriş yapısı (a=0,4D ve b=0,2D), en kısa gövde (hb=D), en kısa koni (hc=2D) ve en dar ve uzun çıkış yapısı (De=0,4D ve S=0,7D) ile oluşturulan siklonda en yüksek debide elde edilen temiz basınç kaybı 2050 Pa düzeyindedir. Geniş giriş yapısı (a=0,5D ve b=0,2D), en uzun gövde (hb=2D), en uzun koni (hc=3D) ve en geniş ve kısa çıkış yapısı (De=0,6D ve S=0,5D) ile oluşturulan siklonda ise en yüksek debide elde edilen temiz basınç kaybı 310 Pa civarındadır. Stairmand tipi yüksek verimli siklonda ise oluşan basınç kaybı 765 Pa seviyesindedir. Yalnızca çıkış borusu çapındaki değişimler dikkate alındığında, 0,4D, 0,5D ve 0,6D genişliğindeki çaplar için basınç kayıpları sırasıyla; 1500 Pa, 765 Pa ve 370 Pa şeklinde oluşmaktadır. Mevcut yapı elemanları içerisinde basınç kaybına en çok etki eden parametrenin çıkış borusu çapı; en az etki eden parametrenin ise çıkış borusu uzunluğu olduğu anlaşılmaktadır.
Çalışmada baz tasarımın üzerinde farklı çıkış yapısı tasarımları kullanılarak oluşturulan siklonlarda, partiküler madde tutma verimi incelenmiştir. Bu amaçla laboratuvar ortamında oluşturulan atık gazda, kirletici madde olarak 0,6 kg/L yoğunluğa sahip buğday unu kullanılmıştır. Çıkış borusu uzunluğundaki artışların partikül tutma verimine olumlu yansıdığı görülmüştür. Çıkış borusu çapındaki daralmalar tutma verimini düşürürken, genişlemeler ise uzunluğun da artışıyla verimi olumlu etki etmektedir. Ancak bu olumlu etki genişlemenin ve uzunluk artışının miktarına bağlıdır çünkü bir noktadan sonra azalan basınç kaybı tutma verimini de düşürmektedir. Bu sebeple partiküler madde özellikleri çalışmadaki gibi olan bir atık gazın arıtımında kullanılacak Stairmand tipi yüksek verimli siklonun çıkış yapısının, çap/uzunluk oranı bakımından revize edilebileceği sonucuna varılmıştır.
Çalışma kapsamında ayrıca Stairmand tipi yüksek verimli siklonlarda gövde ve koni uzunluğundaki değişimler, CFD (computational fluid dynamics) analizleri ile de incelenmiştir. Sonuçlara göre CFD metodunun, siklonlarda basınç kayıplarının modellenmesinde başarılı olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Partiküler madde, siklon, basınç kaybı, tutma verimi, CFD

Abstract:
Being generated as a result of especially powder production processes, particulate-rich flue gases need to be treated prior to emission in order to reduce particle emissions in to the atmosphere. Cyclone separators are one of the most commonly used control devices for this purpose.
High concentrations of particulate matter in the flue gases may upset the control devices unless the concentration is reduced by a preliminary control system. Cyclone separators can be used both as a preliminary treatment system and as a main particulate control system. In the design and operation of cyclone separators, it is of great importance to obtain highest removal efficiencies along with operational costs as low as possible. That is, two most important design criteria for cyclone separators are particle removal efficiency and pressure drop. The aim of this study is investigate the effects of inlet dimensions, body height, conical height, and outlet dimensions of the cyclone on pressure drop and particle collection efficiency. For this purpose, a number of cyclone designs were studied. All of the cyclone designs were based on Stairmand-high efficiency type cyclone. Besides, all of the cyclones were operated at six different inlet flowrates. A lab-scale experiment setup was installed. The experimental setup comprised of an air blower, an approach channel, a particle generator, and cyclone separator.
The highest clean pressure drop was measured as 2050 Pa for the cyclone with the smallest inlet (a=0.4D ve b=0.2D) dimensions, the shortest body (hb=D) and conical height (hc=2D), the smallest outlet pipe diameter (De=0.4D), and the longest outlet pipe length (S=0.7D). On the other hand, the lowest pressure drop was 310 Pa for the cyclone witha=0.5D, b=0.2D, hb=2D, hc=3D, De=0.6D, and S=0.5D. At the highest inlet velocity, the pressure drop in the cyclone of Stairmand-high efficiency type was measured as 765 Pa. For Stairmand-high efficiency type cyclone, the pressure drop was measured as 1500 Pa, 765 Pa, and 370 Pa, respectively for outlet pipe diameters of 0.4D, 0.5D ve 0.6D. Among cyclone geometry parameters, outlet pipe diameter was the most effective on pressure drop while the outlet pipe length was the least effective.  
In the second part of the study, particulate collection efficiencies were also determined for cyclone dimensions based on Stairmand-high efficiency type. For this purpose, wheat flour of 0.6 kg/L density was mixed with the gaseous flow in the approach channel. The increase in outlet pipe length lead to increase in particle collection efficiency while it was negatively affected by the increase in outlet diameter. The particle collection efficiency increased up to a certain level as the outlet pipe dimensions changed. After an optimum point, the collection efficiency started to decrease. Therefore, an optimum point could be reached for diameter/length ratio of the outlet pipe for the highest particle collection efficiency and the lowest pressure drop.
Finally, the effects of body and conical heights of the cyclone on clean pressure drop was investigated by CFD (computational fluid dynamics) model. The results suggested that CFD model was satisfactory to explain complex phenomena in the fluid flow within cyclone separators.

Key Words: Particulate matter, cyclone, pressure drop, collection efficiency, CFD