i

SAAKRYA ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Bitirme Projesi

ENDÜSTRİYEL GAZ SİKLONUN MODELLENMESİVE AKIŞ MODELİNİN OLUŞTURULMASI

Proje Danışmanı

Yrd. Doc. Dr. Cemil YİĞİT

Hazırlayan

Irmak Can ÖZGÜVEN

100106058

ii

SAKARYA, 2014

İÇİNDEKİLERSIMGELER VE KISALTMALAR LISTESI..............................iiiÖZET..........................................................ivBÖLÜM 1........................................................11. Giriş;....................................................11.1. Siklon Çeşitleri;.......................................21.2. Siklon Akış Modeli;.....................................3

BÖLÜM 2........................................................52. Teorik çalışma;...........................................52.1. Teorik Hesaplama;......................................5

BÖLÜM 3........................................................93. Sayısal Çalışma;..........................................93.1. Modelin Oluşturulması;..................................93.2. Mesh yapısının oluşturulması;..........................10............................................................113.3. Inflation Oluşturulması;...............................113.4. Name Selection Oluşturulması;..........................123.5. Fluent İçersinde Analizin Yapılması....................13

BÖLÜM 4.......................................................15Sonuçlar;...................................................15

iii

SIMGELER VE KISALTMALAR LISTESI

ρp :Partikül yoğunluğu [kgm3 ]

ρG :Gaz yoğunluğu [kgm3 ]

T :Gaz sıcaklığı ¿]

Q :Gazın debisi [kgm3 ]

D :Siklon çapı [m]

a :Giriş yüksekliği [m]

b :Giriş genişliği [m]

A :Giriş alanı [m]

De :Baca çapı [m]

S :Baca uzunluğu [m]

h :Silindirik gövdenin yüksekliği [m]

H :Siklonun yüksekliği [m]

B :Siklonun taban çapı [m]

Vi :Giriş hızı [m/s]

∆P :Basınç düşüşü [kpa]

Vmax :Maksimum hız [m/s]

C1 :Hız çarpanı

Dc :Kritik partikül çapı [m]

Zc :Vorteks uzunluğu [m]

d50 :Kritik partikül çapı [m]

Dh :Hidrolik çap [m]

iv

Re :Reynolds sayısı

µ :Dinamik vizkozite [Pa.s]

I :Türbülans yoğunluğu

ω :Açısal hız [rad/s]

N :Devir sayısı [devir/dak]

ÖZET

Bu çalışmanın birinci bölümünde, endüstriyel gaz

siklonları hakkında genel bilgiler verilmiş ve siklon

çeşitlerinden bahsedilmiştir. İkinci bölümde, klasik siklon

türlerinden olan Stairmand siklonu ele alınarak, tasarımı

ve teorik hesapları yapılmıştır. Üçüncü bölümde teorik

çalışmalar sonucunda elde edilen değerler ışığında

siklonun, Ansys Workbench 14.5 üzerinde modellemesi

tamamlanıp çözümlemesi yapılmıştır. Dördüncü bölümde,

amaçlanan gaz akışı gözlemlenmiş ve sonuçlar

değerlendirilmiştir.

v

1

BÖLÜM 1

1. Giriş;

Dünya’da endüstrinin hızla gelişmesiyle beraber hava

kirliliğide büyük bir artış gözlenmiş ve bu durum insan

sağlığı için büyük bir tehdit haline gelmiştir. Hava

kirliliğine yol açan en önemli etmen kontrolsüz bir şekilde

atmosfere bırakılan tozlar ve gazlardır. Zamanla hava

kirliliğine karşı bilinçlenme artmış ve 1970’li yıllardan

itibaren bir çok ülke ve kuruluş fabrikalarda filtre

kullanımını zorunlu hale getirmiştir. Fabrikalarda emisyon

kontrolünün sağlanması için farklı toz ve gaz tutma

sistemleri

kullanılabilmektedir. Bunlar siklonlar, elektrostatik ve

torbalı filtreler, ıslak arıtıcılar ve buna benzer

sistemlerdir.

Bu sistemlerden biri olan siklonlar, endüstrilerde toz

tutma amacı ile kullanılan en eski separatörlerdir. Tozun

aşındırıcı etkisine ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı

olmaları ve çok fazla alan ihtiyaçları olmaması nedeniyle

çoğunlukla torbalı filtrelerden önce kullanılırlar. Bu

sayede torbalı filtre sistemi korunmuş olur. Değişken

üretim koşullarında optimum tutma verimi sağlamaları, düşük

ekipman ve işletme maliyeti gerektirmeleri, bakımlarının

ucuz ve kolay olması, tutuşabilen ya da patlayıcı

2

nitelikteki tozları güvenli bir şekilde tutup

ayırabilmeleri siklonları bir çok açıdan cazip hale

getirmektedir.

Siklonlar, işletilmesi kolay, sıcak gazlardan

etkilenmeyen, iyi tasarımlandıklarında basınç kayıpları

düşük cihazlar olmakla birlikte, çok küçük (<5 mikron)

boyutlardaki tozların gideriminde genelde yeterli verimi

sağlayamazlar. Çoğunlukla gaz temizleme işlemlerinde,

partiküler madde (toz) emisyonlarının yoğun oldugu çimento

tesisleri, demir-çelik fabrikaları, tahıl siloları, gübre

fabrikaları, asfalt şantiyeleri, kireç ve taş ocakları gibi

tesislerde ön arıtım için kullanılırlar.

1.1. Siklon Çeşitleri;

Teğetsel, salyangoz ve eksenel girişli olarak tasarlanan

siklonlardan teğetsel girişliler daha yaygın kullanılır.

Siklonlar atalet kuvvetlerine bağlı olarak çalışırlar.

Siklona giren akışkan dönel bir hareket kazanır. Bu şekilde

oluşan girdap etkisinde akışkan içerisindeki farklı

yoğunluklara sahip fazlara gelen farklı atalet kuvvetleri

etkisinde radyal yönde izafi bir hareket oluşur. Oluşan bu

merkezkaç kuvvetinin etkisiyle yoğun fazın bir kısmı akış

alanından uzaklaştırılır.

3

Siklonlar temel olarak giriş, çıkış, gövde ve toz

toplama olmak üzere dört ana kısımdan oluşmaktadır.

Siklonun verimine giriş kesiti, gövde uzunluğu, tahliye

borusu çapı, akışkan debisi ve kullanılan parçacıkların

çapı, kimyasal özellikleri etki etmektedir. Bu etkileşim

parametrelerde ki çok küçük değişimle dahi gözlenmektedir.

Dolayısıyla bu parametrelerin birbiriyle en uygun şekilde

çalışmasını sağlamak için değerlerinin optimum şekilde

belirlenmesi gerekmektedir buda daha çok deneysel

çalışmalarla yapılmaktadır. Bu şekilde elde edilmiş

siklonlardan en yaygın olarak kullanılan Stairmand siklonu

(1951) dur. Siklonlarda verim tahmini için oluşturulan

4

modellerin çoğu daha çok parçacıkların %50 verimde

tutulabildiği çapın (kritik çap) tahminine yöneliktir.

Bununla birlikte bir kısmı fraksiyonel verimlerin hesabını

da içermektedir.Bir siklon tasarlayabilmek için partükül

boyut dağılımı, toz yükleme miktarı, partükül yoğunluğu,

gazın debisi, gaz sıcaklığı bilinmelidir.

1.2. Siklon Akış Modeli;

Siklon performansı, basınç kaybı ve toplama (tutma)

verimliliği ile değerlendirilir. Performansı etkileyen

faktörlerin tayin edilebilmesi için akış modeli mutlaka

anlaşılmalıdır. Dirgo ve Leith 1985 yılında akış modelini

aşağıdaki gibi ifade etmektedirler:

Siklon içerisinde baskın olan akış düzeni (Şekil 1.0)

dış vortekstir. Bu vorteks gazın siklona teğetsel girişiyle

oluşmaktadır. İç ve dış vorteks (Şekil 1.1) de

gösterilmiştir.

Gaz spirali alttaki akış kanalına ulaştığında, gaz dış

vorteksten radyal olarak siklon eksenine doğru akmaya

başlar, iç kısımda akan gaz başka bir vorteks oluşturur. İç

vorteksin dönüş yönü dış vorteksle aynı olmasına rağmen

hareket yönü aşağıdan yukarıya doğrudur. Toplama işlemi dış

vorteksteki parçacıkların merkezkaç kuvvetleriyle siklon

duvarına doğru fırlatılması sırasında olmaktadır. Bu

5

parçacıklar siklon

duvarının üzerinde toz

toplama haznesine

doğru aşağıya kayarken, bu

hareketlerine siklon duvarı

yakınında aşağıya doğru

hareket eden gazında

yardımı olmaktadır.

Merkeze doğru ilerleyen

parça siklon içerisindeki

hareket teğetsel,

radyal ve dikey hız bileşenleri ile ifade edilebilir.

6

“Şekil 1.1”

“Şekil 1.2”

BÖLÜM 2

2. Teorik çalışma;

Bu bitirme çalışmasında, bir

çimento fırınından yanma sonucu sıcak kül içeren gaz

siklona verilmiştir. Siklonun teorik hesaplamaları

7

yapılarak ANSYS Workbench 14.5 de modellenmiş ve CFD analiz

sonuçları elde edilerek incelenmiştir.

2.1. Teorik Hesaplama;

Bir siklon tasarlarken bilinmesi gereken değerler

aşağıda listelenmiştir;

ρp:Partikül Yoğunluğu

ρG:Gazın Yoğunluğu

T:Gaz Sıcaklığı

Q: Gazın Debisi

Bu çalışmada ki değerler şu şekildedir;

Q:2000m3/h , ρG=0.944kg /m3, T:100°C ,ρp=2500kg/m3

2.1.1. Siklon Tasarımı;

Standart siklon tasarımlarından Stairmand siklonu

seçilmiştir.

“Tablo 2.1”

8

Siklon çapının bulunması;

Q:2000m3/hdir. Tablodan Stairmand için Q /D2 değeri 5500

dür.

5500=QD2 →5500=

2000D2

buradanD=0.603m

Siklon çapı bulunduktan sonra diğer ölçüler seçilen siklon

tipine göre tablodan hesaplanmıştır.

Siklonun ölçüleri şekil üzerinde verilmiştir.

D a b De S h H B

0.60

3

0.30

15

0.12

06

0.30

15

0.6 0.5 1.2 0.11

3

9

Gazın giriş alanı “A” ölçülerden hesaplanırsa.

A=a×b→0.3015×0.1206=0.0363m2dir.

Buradan giriş hızı Vi;

Vi=QA →

2000m3/h(1h

3600s)

0.0363m2 =15.304m/s dir

Sıradaki adım olarak basınç düşüşü ∆Phesaplanır.

∆P=∆H(12ρGVi) ∆H Tablo 2.1 de Stairmand için verilmiştir.∆P=6.4(12ρGVi

2)→∆P=6.4(12 ×0.944×15.3042),∆P=707.56kPa

Maksimum Teğetsel Hız;

Vmax=6.1×Vi×CICI=(abD2 )0.61

×(De

D )−0.74

×(HD )−0.33

değerler yerine

konursa

CI=(0.3015×0.12060.6032 )0.61

×(0.30150.603 )−0.74

×(2.4120.603 )−0.33

CI=0.258

10

Vmax=6.1×15.304×0.258=24.173m /s

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

İç vorteks çapı;

dc=0.52D(abD2 )−0.25

×(DeD )1.53

→dc=0.615m

Vorteks Uzunluğu ;

zc=(H−S )→zc=0.6m ise

Kritik partikül çapı

d50=( 9Qμ

πzcρpVmax2 )

1/2

d50=6.28×10−6m şeklinde bulunur.

Giriş kısmı için hidrolik çapı;

11

Dh=4 (a×b)2a+2b →

4×0.3015×0.12062(0.3015+0.1206)

¿Dh=0.1719m olur.

ℜ=ρ×Vi×Dh

μ→ 0.944×15.304×0.1719

2.172×10−5

ℜ=114338.636 Akış türbülanslıdır.

I=0.16ℜ−18Dh

I=0.16.114338.636−18

I=%3.73

Silindir kısımdaki devir sayısı;

V=ω×r

24.085=ω× 0.6032 ω=79.883rad /s ise

ω=2πn60 , n=7692.826devir /dakika şeklinde bulunur.

12

BÖLÜM 3

3. Sayısal Çalışma;

İkinci bölümde yapılan teorik hesaplamalar ışığında bu

bölümde ANSYS Workbench 14.5 ortamında ilk olarak siklonun

akış modellemesi yapıldı. Daha sonra oluşturulan model mesh

dediğimiz sonlu hacimlere ayrıldı ve fluent içerisinde akış

analizi yapılarak modeldeki patrikül dağılımı incelendi.

3.1. Modelin Oluşturulması;

Siklonun tasarım parametrelerinin sayısal analizde

incelenebilmesi için ilk aşama modelin oluşturulmasıdır.

Modelleme işlemi WorkBench 14.5 ortamında ki Geometry

modülü ile yapılmıştır.

İlk olarak XY düzlemi üzerinde sketch01 oluşturularak

siklonun silindirik parçası çizilmiştir. Çizilen çapa

extrude uygulanarak silindirik parça oluşturulmuştur.

13

Silindirik parçanın altına bir tane koni tanımlanarak

siklonun alt kısmı olan konik parça oluşturulmuştur. Daha

sonra çizilecek olan parçaların gövdeye kaynak olmaması

için silindirik ve konik kısım freeze01 komutu ile

dondurulmuştur. Sketch01’in olduğu düzleme yeni bir

sketch02 çizilerek çıkış bacasının çapı çizilir ve

extrude02 edilerek baca oluşturulmuştur.

Sketch01’in olduğu düzleme yeni bir sketch03 daha

tanımlanır.Bu sketch03’e giriş kısmının üstten görünüşü

çizilir ve extrude edilerek siklonun giriş kısmı

oluşturulmuştur. Siklon’un gövdesi ile giriş kısmı arasında

kalan kısım boolean komutu ile çıkartılmıştır.

Son olarak Part kısmında çizilen geometrik parçalar

inlet, outlet ve fluid olarak adlandırılmıştır ve CFD akış

analizi yapılacağı için fluid olarak tanımlanıp modelleme

kısmı bitirilmiştir.

3.2. Mesh yapısının oluşturulması;

Geometri kısmında model oluşturulduktan sonra ikinci

aşama oluşturulan geometrinin içerisine mesh atılmasıdır.

Burada akış analizi yapılacağından fiziksel tercih olarak

CFD seçildi ve tabloda (Tablo 3.2.1) ki gibi bir mesh

atıldı.

14

“Tablo 3.2.1”

3.3. Inflation Oluşturulması;

15

Gazın siklona giriş ve çıkış yüzeylerine sınır

tabakalarının tanınması daha doğru sonuçlar elde edilmesini

sağlar. Siklonun giriş ve çıkış yüzeylerine inflation

tanımlanmıştır. Inflation değerleri tabloda (Tablo3.3.1)

gösterilmiştir.

“Tablo 3.3.1”

3.4. Name Selection Oluşturulması;

Mesh kısmında son aşama olarak fluent de akışkan

yüzeylerinin tanımlanabilmesi için yüzeylerde

isimlendirmeler yapıldı.

Gazın siklona girdiği yüzeye “inlet”, çıktığı yüzeye

“out” olarak isimlendirildi.

Partiküllerin toplanacağı konik kısmın taban yüzeyine

“ash” olarak isimlendirildi.

16

Bacadan gaz çıkışı olamayan yüzeye wall_out olarak

isimlendirildi.

Mesh son halinin gösterimi ve yapılan tüm bu mesh

ayarlarından sonra mesh kalitesini gösteren skewness

değerleri aşağıda gösterildiği gibidir.

17

3.5. Fluent İçersinde Analizin Yapılması

Mesh yapısı update edilerek fluent içerisindeki setup

kısmına aktarılarak double precision açılarak dört

çekirdekte çözümleme yapılarak fluent arayüzü açılmıştır.

Akış türbülanslı olduğu için viscous model k-epsilon

(2 eqn), k-epsilon modeli RNG ve RNG ayarı Swirl Dominated

Flow seçilmiştir. Duvar ayarlarında değişiklik yapılmamış

Standard Wall Functions seçili bırakılmıştır.

Siklona giren gazda partiküller mevcut olduğu için

modellerden Discrete Phase Model açık duruma getirildi.

Tracking Parameters başlığı altında Max. Number of Steps

“20000” değerine getirildi. Giren partikül tipini, çapını

ve hızını tanımlamak için Injection-0 tanımlandı. Injection

Type, Surface ve Release From Surfaces kısmından inlet

kısmı seçilmiştir. Partiküle ait değerler tabloda (Tablo

3.5.1) ki gibi girilmiştir.

Z-

Velocity

(m/s)

Total

Flow

Rate

(kg/s)

Min.

Diamete

r (m)

Max.

Diamete

r (m)

Mean

Diamete

r (m)

Spread

Paramete

r

-15.304 0.5192 1e-06 100e-063.342e-

062.8

“Tablo 3.5.1”

18

Materyal seçiminde hava ve arsenic-hydride için değerler

tabloda (Tablo 3.5.2) verilmiştir.

“Tablo

3.5.2”

Cell Zone Conditions kısmında frame motion seçilerek,

akışın döneceği eksen ve dönüş hızı girilmiştir.

Boundary Conditions kısmında inlet, out ve ash

kısımları için hız, türbülans yoğunluğu ve hidrolik çapları

tabloda ki ( Tablo 3.5.3) gibi girilmiştir.

Density

kg/m3

Viscosit

y

kg/ms

Air 0.946 2.172e-

05Ash 2500 -

Hız

(rad

/s)

760

Type

Velocit

y

Magnitu

de

m/s

Turbule

nt

Intesit

y

%

Hydraul

ic

Diamete

r

m

DPM

Inl

et

Veloci

ty-

inlet

20 3.73 0.1719escap

e

OutOutflo

w- - -

escap

eAsh Wall - - - trap

19

“Tablo 3.5.3”

Solution Methods kısmından çözümlemeyi Scheme-SIMPLE

ve Pressure-PRESTO! olarak tanımlanarak, solutions

initialization kısmında on iterasyon girilerek hybrid

initialization yapılmıştır. Run calculation kısmına gelerek

1000 iterasyonda çözümleme yapıldı ve sonuçlar bölüm dörtte

incelenmiştir.

BÖLÜM 4

Sonuçlar;

Bu bölümde modellediğimiz siklonun çözümlemesi

tamalanmış ve sonuç olarak siklon içersinde ki hava

akışı,partikül, hız ve basınç dağılımları gözlenmiştir. Hız

dağılımları Şekil 4.1 ve 4.2, dinamik basınç dağılımı 4.3

ve gazı akışı 4.4 de gösterilmiştir.

20

“Şekil 4.1”

21

“Şekil

4.2”

“Şekil 4.3”

22

“Şekil 4.4”

23

Sonuçlardan gözlemlendiği üzere, hedeflenen akış

modeli başarı ile oluşturulmuştur. Siklona teğetsel olarak

giren gaz, geometri yardımı ile dönel bir hareket kazanıp

önce dış sonrasında iç vorteks oluşturarak siklonu baca

kısmından terk etmiştir. Gazla hareket eden, çapları kritik

yarı çaptan büyük olan partiküller, satrifüj kuvvetler

yardımıyla gazdan ayrılmış ve yerçekimi kuvveti ile

siklonun alt kısmında toplanmışlardır. Ancak çapları kritik

çaptan küçük olan partiküller gazla hareketlerini sürdürüp

siklonu terk etmişlerdir. Gazın siklona giriş yaptığı

bölgede teğetsel hızın maksimum olduğu ve siklonun

merkezine doğru ise kademeli olarak azaldığı

gözlemlenmiştir.

24

KAYNAKLAR

Alexander, R. Mck. 1949. Fundamentals of cyclone design and

operation. Proc.

Australas. Inst. Min. Metall,

Fayed M.E. (ed.) Handbook of powder science and technology

(2ed., Chapman, 1997)(T)(914s)

L. Wang, C. B. Parnell, B. W. Shaw, R. E. Lacey A

theoretical approach for predicting number of turns and

cyclone pressure drop

ZHAO Bing-Tao Effects of Flow Parameters and Inlet

Geometry on Cyclone Efficiency

Ömer Şendoğan Yüksek Verimli Siklon Tasarımı ve

Performansının İncelenmesi; Yüksek Lisans Tezi ; Uludağ

Üniversitesi

Ufuk Demir Siklon Ayırıcılarda Performansın Tahmini ve

Optimizasyonu; Yüksek Lisans Tezi; Uludağ Üniversitesi

25

Coşar 2007 . Erdemir sinter ünitesi siklon tasarımı

optimizasyonu; Yüksek Lisans Tezi ; Yıldız Teknik

Üniversitesi

İsmail Keskin 2013 Yüksek Sıcaklıkta Çalışan Bir Siklon

Tasarımı ve Uygulaması; Yüksek Lisans Tezi ; Kocaeli

Üniversitesi

Paul A. Funk* and Kevin D. Baker Engineering and Ginning

Dust Cyclone Technology – A Literature Review; The Journal

of Cotton Science 17:40–51 (2013)