!!!ZYKLON-APEX - Entstaubung von Gasströmen
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Von

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__O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Staudinger__\\

Institut für Apparatebau, Mechanische Verfahrenstechnik und Feuerungstechnik


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[{Image src='0203_CHEM_ZYKLON-APEX_Entstaubung_von_Gasströmen1.jpg' alt='O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Staudinger' caption='Gernot Staudinger' popup='false' width='81' height='110'}]

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''© Forschungsjournal WS 2002/2003''
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„Zyklon“ heißt nicht nur ein Wirbelsturm, sondern auch ein Gerät,
das in der Verfahrenstechnik zum Entstauben von Gasströmen z.B.
Rauchgas oder Abluft genutzt wird. Ein Zyklon ist ein kreisrunder,
unten kegelig eingezogener Behälter, der im Oberteil einen tangentialen
Einlauf für das staubbeladene Gas, sowie einen zentralen
Auslass für das Reingas, das „Tauchrohr“, hat. Der Staub verlässt
den Zyklon am unteren, kegeligen Ende.

[{Image src='0203_CHEM_ZYKLON-APEX_Entstaubung_von_Gasströmen3.jpg' alt='Zyklon, Prinzipskizze' class='image_right' caption='Abb. 1: Zyklon, Prinzipskizze' height='250' width='74'}]

Der tangentiale Einlass teilt dem Gasstrom eine Umfangsgeschwindigkeit
mit, die ihrerseits zur Ausbildung eines Potenzialwirbels
führt. Da die Staubpartikel eine größere Dichte besitzen als
das Gas, werden sie an die Wand geschleudert. Dieses war der
Gedankengang des Zyklonerfinders vor mehr als 100 Jahren - und
im Prinzip ist er auch richtig. Die tatsächliche Gasströmung und der
tatsächliche Abscheidevorgang sind aber wesentlich komplexer
und werden bis heute nicht vollständig verstanden. Die publizierten
Berechnungsregeln haben nur für wenige geometrische Formen
und Betriebsbedingungen Gültigkeit. Die heutigen mathematischen
Werkzeuge verlangen geradezu nach einer Simulation der Strömung
und damit der Abscheidung in einem Zyklon.


[{Image src='0203_CHEM_ZYKLON-APEX_Entstaubung_von_Gasströmen2.jpg' alt='Untersuchte Staubaustragsgeometrien' class='image_left' caption='Abb. 2: Untersuchte Staubaustragsgeometrien' height='300' width='203'}]

Ein weiterer Grund sich mit dem Zyklon näher zu befassen, ist
eine in unserem Labor mehr oder weniger zufällig gefundene, neue
Gestaltung des Staubaustrages; mit solch einem „neuen“ Staubaustrag
wird eine entschieden bessere Staubabscheidung erzielt als mit
einem konventionell gestalteten Staubaustrag.

In dem Forschungsvorhaben ging und geht es darum herauszufinden,
warum diese „neue“ Geometrie besser abscheidet als konventionelle
Geometrien. Hierzu wird in drei Stufen vorgegangen:

1) Verschiedene Geometrieformen von Staubausträgen werden auf
dem Prüfstand hinsichtlich ihrer Abscheideeigenschaften und
des Druckverlustes miteinander verglichen.

2) Ein Zyklon mit konventioneller Geometrie und ein Zyklon mit der
neuen Geometrie werden mit moderner Strömungsmesstechnik,
nämlich Laser- Doppler- Anemometer
(LDA) und Phasen- Doppler- Anemometer
(PDA) vermessen.

3) Unter Verwendung des kommerziellen
Simulationsprogramms für Strömungen
FLUENT wird versucht, die gemessenen
Strömungsfelder mit und ohne Partikel
nachzubilden.

Nachdem wir uns in einem vorangegangenen
Projekt mit dem Oberteil des Zyklons
(Einlass und Tauchrohr) befasst hatten, war
es in diesem Projekt der Staubaustrag, also
der Unterteil des Zyklons. An immer denselben
Zyklon wurden Staubaustragsstücke
unterschiedlicher Geometrie angebaut und
der Abscheidegrad bei immer gleichen
Betriebsbedingungen bestimmt. Es zeigte
sich, dass die Geometrie A am schlechtesten
abscheidet, Geometrien B und E „mit dem
Apexkegel“ scheiden deutlich besser ab als A.
Die „neuen“ Geometrieformen C und D sind
jedoch nochmals entschieden besser als die
Geometrien mit Apexkegel. Obendrein sind
sie einfacher zu bauen und betriebssicher, da
kein Apexkegel den Staubaustrag versperrt.

[{Image src='0203_CHEM_ZYKLON-APEX_Entstaubung_von_Gasströmen4.jpg' alt='Axialgeschwindigkeiten der reinen Gasströmung im Fallrohr' class='image_right' caption='Abb. 3: Axialgeschwindigkeiten der reinen Gasströmung im Fallrohr' height='300' width='238'}]

Um nun herauszufinden, warum gerade die Geometrie C, „Fallrohr“
den größten Abscheidegrad hat, wurden aufwändige Messungen
mit LDA zur Bestimmung des Strömungsfeldes des staubfreien
Gasstromes sowie mit PDA zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit
und der Partikelgröße durchgeführt. Dabei wurde völlig
neu erkannt, dass durch den Staub (auch schon bei sehr geringer
Beladung) der Potenzialwirbel im Unterteil des Fallrohres zu einem
Festkörperwirbel wird. Außerdem konnten wir durch die PDA- Messungen erstmals zweifelsfrei nachweisen, dass kleine Staubteilchen, etwa <2μm, Agglomerate bilden und so abgeschieden werden.
Dieser Mechanismus ist noch in keiner Berechnungsregel berücksichtigt.
Die Berechnung des staubfreien Strömungsfeldes gelingt
uns - wie der Vergleich mit der LDA- Messung zeigt - schon recht
gut. Die staubbeladene Gasströmung mit der Agglomerationskinetik
zu berechnen ist unser nächstes Ziel.
Wir können heute erklären warum der Zyklon mit dem „Fallrohr“
besser abscheidet:


1) Im Zyklon geraten die Partikel in die Grenzschicht an der Wand,
die abwärts in das Fallrohr fließt.

2) Im Fallrohr ist die Umfangsgeschwindigkeit größer als sonst wo im Zyklon, darum werden alle Partikel, auch jene die vom
Behälterboden aufgewirbelt wurden, sehr effektiv an die Wand
gebracht und können das Fallrohr nicht mehr nach oben verlassen.

3) Durch die hohe Partikelkonzentration wird im Fallrohr die Agglomeration
gefördert.

Die Erkenntnis, warum der Zyklon mit „Fallrohr“ besser abscheidet,
ist eine wesentliche Voraussetzung für die Berechnung der
relevanten Effekte. Die Berechnung dieser Effekte bleibt als Herausforderung
bestehen.

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