CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỌC BỤI CYCLONE
3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỌC BỤI CYCLONE TRÊN THẾ GIỚI
3.1.1 Mô hình lý thuyết
a) Lý thuyết hiệu suất
Có một số biện pháp để mô tả hiệu suất hoạt động của một cyclone. Phổ biến nhất là: Tổng số hiệu quả, hiệu quả lơp, đường kính cắt và giảm áp suất. [6]
Phân bố kích thước hạt
Bụi công nghiệp có chứa các hạt nhiều kích cỡ. Cơ sở cho nhiều lý thuyết tách hạt để xác định sự phân bố kích thước hạt. Đây là một chức năng toán học liên tục xác định số lượng tương đối của các hạt theo kích thước hạt. Hình 16 cho thấy phân bố một hạt có kích thước điển hình với một chế độ. Các phân phối tích lũy được ký hiệu là F và phân phối tần số dF / dx = f (x).
Hình 16. Sự phân bố kích thước hạt điển hình
Trang 28
Hình 17. Sự phân bố tần số tích lũy
Tổng số hiệu quả
Tổng hiệu quả của một cyclone được dựa trên khối lượng của các hạt rắn tách ra từ khí. Hãy xem xét một cyclone mà tổng tỷ lệ dòng chảy của khí - rắn là M. Từ tổng số lưu lượng này, một phần nhỏ được cyclone giữ lại. Do đó, thuận tiện để chia tỷ lệ lưu lượng khí- rắn thành hai thành phần :
𝐌 = 𝐌𝐟+ 𝐌𝐜 (𝟐. 𝟏)
𝑀𝑐 là khối lượng của các hạt bụi thô được cyclone giữ lại.Và 𝑀𝑓 là khối lượng của các hạt mịn thoát ra cùng với khí. Điều này được biểu diễn cho từng hạt kích thước x sử dụng biểu thức 2.2:
𝐌𝐟(𝐱) = 𝐌𝐟𝐟𝐟(𝐱) + 𝐌𝐂𝐟𝐂(𝐱) (𝟐. 𝟐)
Tổng hiệu quả cyclone được xác định là:
ƞ𝐓 =𝐌𝐜
𝐌 (𝟐. 𝟑)
ηT cũng có thể được tính bằng cách lấy tích phần các hạt có kích thước x. Tổng của tất cả các tích cho tổng hiệu quả :
ƞ𝐓 = ∫ ƞ(𝐱)𝐝𝐟
𝟏 𝟎
(𝟐. 𝟒)
Trong đó f là tần số khác biệt dF / dx
Trang 29
Hiệu quả lớp
Như đã đề cập trước đó, các hạt có khối lượng lớn hơn được thu thập dễ dàng hơn. Do đó, phần khối lượng thu thập được là kết quả của sự phân bố kích thước hạt. Bằng cách sử dụng khái niệm này, mỗi kích thước hạt có hiệu quả riêng biệt, lớp hiệu quả được xác định như
𝛈(𝐱) =𝐤𝐡ố𝐢 𝐥ượ𝐧𝐠 𝐜ủ𝐚 𝐜𝐡ấ𝐭 𝐫ắ𝐧 𝐜ó 𝐤í𝐜𝐡 𝐭𝐡ướ𝐜 𝐱 𝐭𝐫𝐨𝐧𝐠 𝐬ả𝐧 𝐩𝐡ẩ𝐦 𝐭𝐡ô
𝐤𝐡ố𝐢 𝐥ượ𝐧𝐠 𝐜𝐡ấ𝐭 𝐫ắ𝐧 𝐤í𝐜𝐡 𝐭𝐡ướ𝐜 𝐱 đượ𝐜 𝐠𝐢ữ 𝐭𝐫𝐨𝐧𝐠 𝐜𝐲𝐜𝐥𝐨𝐧𝐞 (𝟐. 𝟓)
Hoặc (dựa trên phương trình 2.2)
𝛈(𝐱) =𝑴𝑪𝒇𝑪(𝒙)
𝑴𝒇(𝒙) (𝟐. 𝟔)
Kết hợp phương trình này với 2.3 cho một mối quan hệ giữa tổng và hiệu quả lớp
𝛈(𝐱) = 𝛈𝑻𝒇𝒄(𝒙)
𝒇(𝒙) (𝟐. 𝟕)
Điều này có thể được ra dưới dạng nồng độ hạt c tại một thời gian nhất định sau khi vào cyclone, và Co là nồng độ ban đầu trên mỗi mỗi mét khối khí đi vào.
𝛈 = 𝟏 − 𝒄
𝒄𝒐 (𝟐. 𝟖)
Một dạng hạt hình cầu thông thường được giả thiết X = D= Đường kính hạt. Đối với xấp xỉ tốt hơn, những đường kính tương đương hình cầu có thể được áp dụng thay vào đó. Trong báo cáo này, tất cả các hạt được cho là có một hình dạng hình cầu như vậy: x = dp = bán kính hạt hình cầu.
Trang 30
Hiệu quả lớp rất gần 1 cho những hạt có dp= 100 𝜇𝑚 và những sự giảm sút tới những giá trị rất nhỏ (cho) dp< 1 𝜇𝑚
Hiệu quả phân tách [5]
Trong Bảng 1 được ghi nhận giá trị thu được bằng cách tính toán hiệu quả tách với các mối liên hệ được đưa ra bởi Leith và Licht (1972) trong sáu giá trị vận tốc đầu vào nêu trên theo năm giá trị của các phần cyclone đầu vào: S1 = 0,001575 m2; S2 = 0,002912 m2; S3 = 0,004928 m2; S4 = 0,006608 m2 và S5 = 0,007440 m2.
Bảng 4. Giá trị hiệu quả tách phụ thuộc vận tốc đầu vào cyclone
v (m/s)
𝒅𝑷
(m)
𝛈𝟏 % 𝑺𝟏
= 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟓𝟕𝟓
𝛈𝟐 % 𝑺𝟐
= 𝟎, 𝟎𝟎𝟐𝟗𝟏𝟐
𝛈𝟑 % 𝑺𝟑
= 𝟎, 𝟎𝟎𝟒𝟗𝟐𝟖
𝛈𝟒 % 𝑺𝟒
= 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟔𝟎𝟖
𝛈𝟓 % 𝑺𝟓
= 𝟎, 𝟎𝟎𝟕𝟒𝟒
12 0.00004 75.988 75.78 72.741 67.931 65.896
15 0.00004 78.493 81.935 75.344 70.627 68.614
18 0.00004 80.467 83.772 77.415 72.797 70.812
21 0.00004 82.079 85.256 79.119 74.602 72.647
23 0.00004 83.003 86.1 80.102 75.651 73.717
25 0.00004 83.831 86.852 80.987 76.602 74.689
Hình 18. Biểu đồ hiệu quả tách phụ thuộc vận tốc đầu vào cyclone
Trang 31
Trong biểu đồ hình 18 cho thấy sự biến đổi của hiệu quả tách đối với vận tốc đầu vào trong cyclone. Nó có thể được lưu ý rằng đối với phần cyclone đầu vào S2 = 0,002912 m2, mức độ phân tách cao hơn đối với bất kỳ giá trị của vận tốc đầu vào không giống như các diện tích đầu vào còn lại của cyclone. Biểu đồ cho thấy bộ lọc thấp nhất thuđược vận tốc đầu vào của 12 m / s và khu vực phần đầu vào S5 = 0,0074 m2, trong khi đối với một đầu vào vận tốc 25 m / s và một ống dẫn phần diện tích S2 = 0,002912 m2 cyclone đã đạt đến một phân tách hiệu quả của 86. 852%.
Ngoài ra, nó có thể được quan sát thấy rằng đối với một vận tốc đầu vào 23 m / s và một ống tiết diện S = 0,002912 m2, hiệu quả phân tách thu được là 86,1%. Để làm nổi bật ảnh hưởng của kích thước phân tử trên hiệu quả tách trong cyclone đã được rút ra từ đồ thị hình 19
Hình 19. Đồ thị sự thay đổi hiệu quả phân tách dựa trên đường kính
Trong đồ thị hình 19 có thể được quan sát thấy rằng hiệu quả tách tăng lên với sự gia tăng kích thước hạt. Ngoài ra, nó có thể được quan sát thấy rằng đối với khu vực S2 = 0,002912 m2 hiệu quả tách cao hơn, và cho diện tích mặt cắt có hiệu cyclone S5 = 0,00744 m2 hiệu quả tách giảm đáng kể. Nó cũng có thể được quan sát thấy rằng đối với một đường kính 0.0012 m, hiệu quả tách được tối đa hóa, không phụ thuộc vào hình dạng đầu vào.
Trang 32
Đường kính cắt [2]
Cắt giảm đường kính là một trong những thông số chính trong đánh giá hoạt động của một cyclon. Cắt giảm đường kính là định nghĩa mà đường kính khí động học của một hạt với hiệu suất thu gom của cyclon là 50%. Cắt giảm đường kính là riêng biệt cho từng thiết kế của cyclon và phải được tính toán riêng cho từng trường hợp.
Mặc dù mô hình hỗn hợp có sự pha trộn và cung cấp dự đoán tốt hơn hiệu quả thu gom, mô hình dòng chảy kín, còn được gọi là phương trình Rosin-Rammler, được sử dụng rộng rãi hơn trong các tài liệu nghiên cứu. Thay 0,5 cho hiệu quả thu gom trong công thức 5.c, một phương trình cắt giảm đường kính cắt như sau:
𝒅𝒄𝒖𝒕 = √ 𝟗𝝁𝒃 𝟐𝑵𝒆𝝅𝒗𝒊𝝆𝒑
Cắt giảm đường kính được sử dụng rộng rãi để dự đoán hiệu suất của cyclon.
Khi đường kính cắt giảm 50% so với định nghĩa, tổng thể hiệu quả thu bụi của cyclon sẽ cao nếu sự cắt giảm đường kính hạt nhỏ. Và dần dần, tăng cắt giảm đường kính có nghĩa là hiệu quả bộ thu gom đang giảm.
Trong thực tế, rất khó khăn trong việc xem xét tất cả các hiện tượng phức tạp xảy ra trong cyclon. Theodore và De Paola (1980) đã đề xuất một mô hình thực nghiệm liên quan đến hiệu quả thu gom của cyclon có đường kính cắt giảm của nó như sau:
=
(𝒅𝒑 𝒅𝒄𝒖𝒕
⁄ )
𝟐
𝟏 + (𝒅𝒑 𝒅𝒄𝒖𝒕
⁄ )
𝟐
Phương trình trên cho thấy, đối với một hạt nhất định, hiệu quả thu bụi của bất cứ một cyclon nào với đường kính cắt giảm như nhau sẽ cùng theo kết quả nghiên cứu của Lapple’s. Mô hình thực nghiệm này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hiệu quả thu gom của cyclon và các kết quả của nó phù hợp với dữ liệu thực nhiệm nhất.
Đường kính tới hạn [6]
Trang 33
Đây là đường kính hạt được thu thập với hiệu suất 100% (𝑑100). Kể từ khi hiệu quả thu tăng dần với việc tăng đường kính hạt và chỉ tiếp cận 100% như một giới hạn, giá trị này thường được xác định bằng phân tích.
Sự giảm áp suất [6]
Sự giảm áp suất trong cyclone là một thông số hiệu suất quan trọng vì nó là tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu thụ. Thông thường có một sự đánh đổi giữa giảm áp suất và tổng hiệu quả. Giảm áp suất cao hơn có nghĩa là hiệu quả thu cao hơn, nhưng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn.
Vận tốc đầu vào [2]
Vận tốc đầu vào có tác động tích cực đến hiệu quả thu gom bụi. Vận tốc đầu vào càng cao thì hiệu quả thu gom càng tốt. Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự gia tăng vận tốc đầu vào phải hợp lý để giảm tổn thất áp lực. Như vậy, tốc độ đầu vào phải tối ưu hóa để có được hiệu suất tốt nhất.
Kích thước hạt [2]
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của một cyclon là kích thước hạt. Kích thước hạt tăng sẽ làm tăng hiệu quả thu gom. Tương tự như vậy, tỷ trọng hạt lớn hơn cũng tăng hiệu quả thu gom vì lực quán tính tác dụng lên hạt có tỷ trọng lớn sẽ lớn hơn và buộc chúng phải hướng về phía thành cyclon nhiều hơn.
Nhiệt độ không khí [2]
Nhiệt độ không khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Nhiệt độ khí tăng, mật độ khí giảm và làm tăng độ nhớt khí. tăng độ nhớt của khí cũng sẽ làm giảm hiệu quả thu gom. (Buonicor và Theodore, 1982)