YÜKSEK VER ML S KLON TASARIMI VE

(1)

YÜKSEK VERøMLø SøKLON TASARIMI VE PERFORMANSININ DENEYSEL øNCELENMESø

Ömer ùENDOöAN

(2)

T.C.

ULUDAö ÜNøVERSøTESø FEN BøLøMLERø ENSTøTÜSÜ

YÜKSEK VERøMLø SøKLON TASARIMI VE PERFORMANSININ DENEYSEL øNCELENMESø

Ömer ùENDOöAN

Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ (DanÕúman)

YÜKSEK LøSANS TEZø

MAKøNA MÜHENDøSLøöø ANABøLøM DALI

BURSA - 2012 Her HakkÕ SaklÕdÕr

(3)

TEZ ONAYI

Ömer ùENDOöAN tarafÕndan hazÕrlanan ''Yüksek Verimli Siklon TasarÕmÕ ve PerformansÕnÕn Deneysel øncelenmesi'' adlÕ tez çalÕúmasÕ aúa÷Õdaki jüri tarafÕndan oy birli÷i/oy çoklu÷u ile Uluda÷ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisli÷i Anabilim DalÕ'nda YÜKSEK LøSANS TEZø olarak kabul edilmiútir.

DanÕúman : Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ

Baúkan: Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ ømza

Üye: Prof. Dr Atakan AVCI ømza

Üye: Prof. Dr. Yücel TAùDEMøR ømza

YukarÕdaki sonucu onaylarÕm

Prof. Dr. Kadri ARSLAN Enstitü Müdürü

.../.../2012

(4)

U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazÕm kurallarÕna uygun olarak hazÕrladÕ÷Õm bu tez çalÕúmasÕnda;

-tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde etti÷imi, -görsel. iúitsel ve yazÕlÕ tüm bilgi ve sonuçlarÕ bilimsel ahlak kurallarÕna uygun olarak sundu÷umu,

-baúkalarÕnÕn eserlerinden yararlanÕlmasÕ durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atÕfta bulundu÷umu,

-atÕfta bulundu÷um eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdi÷imi, -kullanÕlan verilerde herhangi bir tahrifat tapmadÕ÷ÕmÕ,

-ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya baúka bir üniversitede baúka bir tez çalÕúmasÕ olarak sunmadÕ÷ÕmÕ

beyan ederim

21/09/2012 Ömer ùENDOöAN

(5)

i

ÖZET Yüksek Lisans Tezi

YÜKSEK VERøMLø SøKLON TASARIMI VE PERFORMANSININ DENEYSEL øNCELENMESø

Ömer ùENDOöAN Uluda÷ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisli÷i Anabilim DalÕ DanÕúman: Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ

Bu çalÕúmada; konik kÕsmÕ olmayan yeni bir siklon tasarÕmÕ yapÕlmÕú ve yeni siklon performansÕ incelenmiútir. YapÕlan deneylerde basÕnç kayÕplarÕ ve verim incelenmiútir.

Deney düzene÷indeki siklonun boyu ve giriú hÕzÕ de÷iútirilerek birbiriyle olan iliúkisi incelenmiútir.

Siklonun giriú ve çÕkÕúÕndaki iki noktadan TESTO marka dijital basÕnç ölçer cihazÕ ile basÕnç ölçümü yapÕlarak siklon basÕnç kaybÕ ölçülmüútür. Deneyde kullanÕlan numune deneyden önce ve sonra tartÕlarak aradaki farktan siklon toplama verimi hesaplanmÕútÕr.

AyrÕca her bir deney sonucu elde edilen numunelerin MALVERN marka MASTER SIZER2000 modelli partikül analiz cihazÕ ile analizleri yapÕlmÕú sonuçlara göre siklonun fraksiyonel verimleri hesaplanmÕútÕr.

Deneylerden elde edilen sonuçlar incelenmiú ve klasik siklonun sonuçlarÕ ile karúÕlaútÕrÕlmÕútÕr. Sonuçlar yeni siklonun aynÕ boy, çap ve giriú hÕzÕnda klasik siklondan daha iyi oldu÷unu göstermiútir.

Anahtar Kelimeler: Siklon, basÕnç kaybÕ, giriú hÕzÕ, toplama verimi, fraksiyonel verim 2012, xii + 115 sayfa.

(6)

ii

ABSTRACT MSc Thesis

DESING OF HIGH EFFICIENT CYCLONE AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION ITS PERFORMANCE

Ömer ùENDOöAN Uluda÷ University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ

In this study, a new cyclone design without conical part and its performance were presented, were investigated pressure drop and efficient.

Cyclone body length, diameter and inlet velocity were changed and the relations among those parameters were investigated.

Pressure losses in cyclone inlet, cyclone outlet and also in the cyclone body were investigated by using digital pressure measurement device TESTO. All presents weight before and after process then calculate collection efficiency. Ater all experiments particul size distributions were measured both before and after the process using a Mastersizer 2000 particle size analyzer. According to this results, fractional efficient were calculated.

Experimental results from the tests on the new cyclone were evaluated and compared with the results on the conventional cyclone. Results showed that the new cyclone gave better efficiency comparing to the conventional cyclone for the same cyclone diameter and inlet velocity.

Keywords: Cyclone seperator, pressure loss, inlet velocity, collection efficiency, fractional efficiency.

2012, xii + 115 pages.

(7)

iii

TEùEKKÜR

Bu yüksek lisans tez çalÕúmasÕna baúladÕ÷Õm andan itibaren yo÷un çalÕúma programÕna ra÷men bilgi ve birikimiyle sürekli destek ve yardÕm eden, yol gösteren de÷erli hocam Prof. Dr. ørfan KARAGÖZ’e, deneyler sÕrasÕnda bilgi birikimiyle yönlendiren Prof. Dr. Atakan AVCI’ ya, bilgi ve tecrübeleriyle çalÕúmalarÕma katkÕ sa÷layan Prof. Dr. Ali SÜRMEN’ e teúekkür ederim.

Deneysel çalÕúmalar süresince bilgi ve birikimiyle yardÕmcÕ olan tekniker Necati TÜRKÖZ’ e ve deneyler sÕrasÕnda yardÕmÕnÕ esirgemeyen AraútÕrma Görevlisi Fuat TAN’ a teúekkür ederim.

AyrÕca sadece bu çalÕúmamda de÷il bütün hayatÕm boyunca maddi ve manevi deste÷iyle sürekli yanÕmda olan aileme teúekkürlerimi sunmayÕ bir borç bilirim.

21 / 09 / 2012 Ömer ùENDOöAN

(8)

iv øÇøNDEKøLER

Sayfa

ÖZET ... i

ABSTRACT ... ii

TEùEKKÜR ... iii

SøMGELER DøZøNø ... vi

ùEKøLLER DøZøNø ... viii

ÇøZELGELER DøZøNø ... ix

1. GøRøù ... 1

2. KAYNAK ARAùTIRMASI ... 4

2.1. Siklon AkÕú Modeli ... 11

2.2. Siklonda BasÕnç KayÕplarÕ... 13

2.2.1 BasÕnç kaybÕ modelleri ... 15

2.3. Siklonda Toplama Verimi ... 18

2.3.1. Kesirsel verimlilik ve toplama verimlili÷i ... 18

2.3.2. Toplama verimi modelleri ... 21

2.4. Siklon Boyunun Etkisi ... 25

2.4.1. Siklonda girdap uzunlu÷u ... 26

2.4.2. Siklon boyunun performansa etkisi ... 29

2.5. Siklon Optimizasyonu ... 30

3. MATERYAL VE YÖNTEM. ... 31

3.1. Deney Düzene÷i… ... 32

3.1.1 Fan ... 34

3.1.2 Ventürimetre… ... 35

3.1.3 Enjektör Sistemi… ... 36

3.1.4 Siklon… ... 37

3.1.5 Dijital Ölçüm CihazÕ… ... 40

3.1.6 Partikül Analiz CihazÕ ... 41

3.2. Deney Yöntemi … ... 43

4. Bulgular ve TartÕúma … ... 45

4.1 Deneysel Hesaplamalar ... 46

4.2 Silindir Boyunun BasÕnç KaybÕna Etkisi ... 48

4.3 Girdap Durdurucu Yüksekli÷inin BasÕnç KaybÕna Etkisi ... 51

4.4 Debinin Siklon Toplama Verimine Etkisi ... 53

4.5 Silindir Boyunun Verime Etkisi ... 57

4.6 Girdap Durdurucu Yüksekli÷inin Toplama Verimine Etkisi ... 61

4.7 Silindir BoylarÕnÕn Toplama Verimine Etkisinin KarúÕlaútÕrÕlmasÕ… ... 63

4.8 Debinin Toplama Verimine Etkisinin KarúÕlaútÕrÕlmasÕ ... 66

4.9 Kritik Partikül ÇapÕ ve Maksimum Verimde Siklon Yüksekli÷i Analizi ... 70

4.10 Debinin Dkrt ÇapÕna Etkisi ... 74

4.11 Silindir Boyunun Dkrt ÇapÕna Etkisi ... 78

(9)

v

4.12 Girdap Durdurucu Yüksekli÷inin Dkrt ÇapÕna Etkisi ... 81

4.13 Fraksiyonel Verim E÷rilerinin HesaplanmasÕ ... 84

4.13.1 Fraksiyonel Verim E÷rilerine Debinin Etkisi ... 100

5. TARTIùMA VE SONUÇ ... 105

KAYNAKLAR ... 108

EKLER ... 111

EK-1 ... 112

EK-2 ... 113

EK-3 ... 114

ÖZGEÇMøù ... 115

(10)

vi SøMGELER DøZøNø

Simgeler AçÕklama

a Giriú kesit geniúli÷i, m

ܽ_ௗ Düzeltilen boyutsuz akÕú geniúli÷i ܣ_௦ øç siklon sürtünme yüzey alanÕ, m²

b Giriú kesit yüksekli÷i, m

ܥ_ௗ Boyutsuz parametre

cs Boyutsuz parametre

ܥ_஼௎ Cunningham düzeltme faktörü

dΐ΋ Kritik partikül çapÕ, m

ܦ_ଵ Siklon iç çapÕ, m

ܦ_ଶ Dalma borusu çapÕ, m

ܦ_ଷ Siklon koni çÕkÕú çapÕ, m

ܦ_ௗ Boyutsuz ortalama siklon çapÕ ܦ_௦ Boyutsuz sürtünme yüzeyleri çapÕ

ܦ_௛ Hidrolik çap, m

݂_௚ Alexander basÕnç düúümü parametresi

݂_଴ Ortalama sürtünme katsayÕsÕ

g Yerçekimi ivmesi , m/s²

Hg Siklon úeffaf gövde yüksekli÷i, m H Siklon silindir yüksekli÷i , m K BasÕnç düúümü katsayÕsÕ

L Silindirik artÕ konik kÕsÕm toplam uzunluk, m ܮ_௠௔௫ Maksimum verimdeki siklon yüksekli÷i, m

n Vorteks sayÕsÕ

ܰ_௖ Boyutsuz parametre

Re Reynold SayÕsÕ

s Dalma borusu yüksekli÷i, m

T SÕcaklÕk, K

Vg Giriú gaz hÕzÕ, m/s

ܸݐ݁ øç vorteksdeki te÷etsel gaz hÕzÕ, m/s

ܸݖ݁ ÇÕkÕú borusundaki eksenel gaz hÕzÕ, m/s

Q Hava giriú debisi, m³/h

ߥ Kinematik viskozite, m²/s

μ_௚ Dinamik gaz viskozitesi, Pas

Ș Toplama verimi

Ȝ Sürtünme faktörü

pg Gaz yo÷unlu÷u, kg/m³

ߩ_௜ǡ௣ Partikül yo÷unlu÷u, kg/m³

(11)

vii

ߩ_௦ KatÕ yo÷unlu÷u, kg/m³

߂݄_௦ Siklondaki basÕnç kaybÕ (mmSS) ǻ_୴ Ventürimetredeki basÕnç kaybÕ (mmSS)

ߚ Ventürimetre çap oranÕ

(12)

viii

ùEKøLLER VE TABLOLAR DøZøNø

Sayfa

ùekil 2.1. Siklon içerisindeki akÕú modeli ... 12

ùekil 2.2. Siklon giriú tipleri (a:Te÷etsel, b:Dönel, c:Helisel, d:Eksenel) ... 14

ùekil 2.3. Siklonun tipik kesirsel verim e÷risi ... 18

ùekil 2.4. Siklonda karakteristik boyutlar... 25

ùekil 3.1. Deney TesisatÕnÕn ùematik Görünümü ... 32

ùekil 3.2. Deney Düzene÷i Resmi ... 33

ùekil 3.3. Deneyde KullanÕlan Fan ... 34

ùekil 3.4. Ventürimetre ... 35

ùekil 3.5. Pitot Tüpü ... 35

ùekil 3.6. Enjektör ... 36

ùekil 3.7. Rotametre ... 36

ùekil 3.8. Deneyde KullanÕlan Siklon ... 37

ùekil 3.9. FarklÕ Gövde BoylarÕ ... 38

ùekil 3.10. ÇÕkÕú BacasÕ ... 39

ùekil 3.11. Dijital Ölçüm CihazÕ ... 40

ùekil 3.12. Partikül Analiz CihazÕ ... 41

ùekil 3.13. Kuru (SCIROCO 2000) ve Õslak (HYDRO 2000MU) üniteler ... 42

Tablo 3.1. Siklon Ölçüleri ... 37

Tablo 4.1. Dkrt ÇaplarÕnÕn Toplu Olarak Tablosu ... 83

Tablo 4.2. H3L5Q3 Partikül Analiz Sonucunun KarúÕlaútÕrmasÕ ... 85

Tablo 4.3. Kesirsel AralÕk ve Verim De÷erleri ... 86

(13)

ix

ÇøZELGELER DøZøNø

Sayfa Çizelge 2.1. Siklonlarda basÕnç düúüúünün cebirsel modelleri ...

Çizelge 2.2. Toplam verimlili÷in hesabÕna bir örnek ...

16 19

Çizelge 2.3. SiklonlarÕn verimlilik da÷ÕlÕmÕ ... 20

Çizelge 2.4. Siklonlarda toplama veriminin cebirsel modelleri ... 23

Grafik 4.1. L1 de BasÕnç KaybÕ-Debi Grafi÷i ... 48

Grafik 4.6. H1 de BasÕnç KaybÕ-Debi Grafi÷i ... 51

Grafik 4.9. H1L1 de Q - ǆgrafi÷i ... 53

Grafik 4.24. Q3 L5 de H - ǆgrafi÷i ... 57

(14)

x

Grafik 4.39. H1 de Toplama Verimi-Debi Grafi÷i ... 61

Grafik 4.42. L1 de Toplama Verimi-Debi Grafi÷i ... 63

Grafik 4.47. L5 de Toplama Verimi-H Grafi÷i ... 66

Grafik 4.52. H1 de Toplama Verimi-L Grafi÷i ... 68

Grafik 4.55. H1L1 de Dkrt - Q Grafi÷i ... 74

Grafik 4.70. L1 de H deki De÷iúime göre Dkrt - Q Grafi÷i ... 78

(15)

xi

Grafik 4.75. H1 de L deki De÷iúime göre Dkrt - Q Grafi÷i ... 81

Grafik 4.78. H3L5Q3’ e Ait Fraksiyonel Verim E÷risi ... 87

(16)

xii

Grafik 4.124. H1L1 de Fraksiyonel Verim E÷rileri ... 100

(17)

1 1. GøRøù

Siklonlar genellikle katÕ-sÕvÕ-gaz fazlarÕnÕ veya fazlardan ikisini içeren bir akÕú olayÕnda fazlarÕ birbirinden ayÕrmakta kullanÕlÕr. Te÷etsel ve eksenel giriúli olarak tasarlanan siklonlardan te÷etsel giriúliler daha yaygÕn kullanÕlÕr. Siklonlar atalet kuvvetlerine ba÷lÕ olarak çalÕúÕrlar. Siklona giren akÕúkan dönel bir hareket kazanÕr.

Bu úekilde oluúan girdap etkisinde akÕúkan içerisindeki farklÕ yo÷unluklara sahip fazlara gelen farklÕ atalet kuvvetleri etkisinde radyal yönde izafi bir hareket oluúur.

Oluúan bu merkezkaç kuvvetinin etkisiyle yo÷un fazÕn bir kÕsmÕ akÕú alanÕndan uzaklaútÕrÕlÕr.

Siklonlar temel olarak giriú, çÕkÕú, gövde ve toz toplama olmak üzere dört ana kÕsÕmdan oluúmaktadÕr. Siklonun verimine giriú kesiti, gövde uzunlu÷u, tahliye borusu çapÕ, akÕúkan debisi ve kullanÕlan parçacÕklarÕn çapÕ, kimyasal özellikleri etki etmektedir. Bu etkileúim parametrelerde ki çok küçük de÷iúimle dahi gözlenmektedir. DolayÕsÕyla bu parametrelerin birbiriyle en uygun úekilde çalÕúmasÕnÕ sa÷lamak için de÷erlerinin optimum úekilde belirlenmesi gerekmektedir buda daha çok deneysel çalÕúmalarla yapÕlmaktadÕr. Bu úekilde elde edilmiú siklonlardan en yaygÕn olarak kullanÕlan Stairmand siklonu (1951) dur. Siklonlarda verim tahmini için oluúturulan modellerin ço÷u daha çok parçacÕklarÕn %50 verimde tutulabildi÷i çapÕn (kritik çap) tahminine yöneliktir. Bununla birlikte bir kÕsmÕ fraksiyonel verimlerin hesabÕnÕ da içermektedir.

Siklonlar 1800’lerden günümüze kullanÕla gelmiútir. Özellikle son yÕllarda kullanÕmÕnÕn artmasÕnda sabit parçalardan oluúmasÕ, bakÕm masrafÕ gerektirmemesi, imalat kolaylÕ÷Õ ve ucuzlu÷u, yüksek verim gibi özellikleri etkili olmuútur. Bu özelliklerinden dolayÕ siklonlar elektrik süpürgelerinden fabrika baca filtrelerinden iklim de÷iúimini kontrole çalÕúÕlan dev siklonlara kadar birçok alanda tercih sebebi olmuútur.

(18)

2

SiklonlarÕn tercih sebepleri maddeler halinde aúa÷Õdaki úekilde özetlenebilir;

¾ BakÕm gerektirmez.

¾ Yüksek toplama verimi sa÷lar.

¾ ølave Temizlemeye ihtiyacÕ yoktur.

¾ Yüksek Toz konsantrasyonlarÕnda çalÕúmaya engel teúkil etmez.

¾ Paralel ba÷lamak suretiyle çeúitli kapasite kombinasyonlarÕ elde edilebilir.

¾ Yüksek parçacÕk yo÷unlu÷u olan hava ve gazlarÕn temizlenmesinde kullanÕlÕr.

¾ Optimum basÕnç kayÕplarÕ ile ince taneli malzemelerin ayrÕlmasÕ ve toplanmasÕ amacÕyla kullanÕlÕr.

¾ Endüstriyel toz toplama sistemlerinde 1 mikron dan büyük taneciklere kadar parçacÕklarÕn tutulmasÕnda 50 m³/h 'ten 90.000 m³/h kadar üretilmektedir.

¾ Filtrelerin öncesinde kullanÕldÕ÷Õnda, filtre ömrünün uzamasÕnÕ sa÷lar. øste÷e ba÷lÕ olarak hava kilidi sayesinde sürekli olarak otomatik boúaltma yapÕlabilmektedir.

Siklonlar temel prensip olarak merkezkaç kuvvetler ile savrulan akÕúkanÕn ortasÕnda oluúan boúluktan temiz havanÕn yukarÕ çÕkmasÕdÕr. Genel düzenlemede te÷etsel gaz giriúi ve eksenel çÕkÕú vardÕr ve ters akÕúlÕ siklon olarak adlandÕrÕlÕr. SiklonlarÕn kullanÕm amacÕnÕn baúÕnda hava kirlili÷ini azaltmak vardÕr.

SiklonlarÕn tasnifinde en önemli parametreler basÕnç kayÕplarÕ ve toplama verimidir.

Dünya genelinde literatürde siklonla ilgili çok çalÕúma olmasÕ verime ve basÕnç kayÕplarÕna etki eden birçok parametre olmasÕ dolayÕsÕyladÕr. ParçacÕk toplama ve ayrÕútÕrma için siklonlar ekonomik ve geniú çalÕúma aralÕ÷Õna sahip olmasÕ da bu denli üzerinde çalÕúma yapÕlmasÕna sebep olmuútur.

YapÕlan bu çalÕúmada siklon geometrisi ve akÕúkan debisi de÷iútirilerek elde edilen yeni dizaynlarÕn klasik siklonlara göre basÕnç kayÕplarÕ ve toplama verimlerinde oluúan de÷iúimler izlenerek siklon toplama verimlerinin ve basÕnç kayÕplarÕnÕn iyileútirilmesi ve optimum de÷erlerin elde edilmesi amaçlanmÕútÕr. Bu çalÕúmada debi ölçümü, basÕnç kaybÕ ölçümü, toplama verimi ölçümü ve partikül analizi yapÕlmÕútÕr.

ÇalÕúmalarda BURSA ÇøMENTO’ nun üretti÷i ve CEM-IV olarak isimlendirdi÷i

(19)

3

küllü çimento kullanÕlmÕútÕr. Çimentonun içerisinde kimyasal bileúenler olmasÕ, nemden etkilenmesi gibi olumsuzluklarÕn olmasÕna ra÷men partikül da÷ÕlÕmÕn da küçük çaplÕ parçacÕklarÕn fazla olmasÕ tercih sebebi olmuútur. KullanÕlan çimentonun tanecik boyutlarÕ MALVERN marka MASTER SIZER2000 modelli partikül analiz cihazÕ ile deneyin öncesinde ve sonrasÕnda ölçülmüútür.

(20)

4 2. KAYNAK ARAùTIRMASI

Siklonlar 1800’ ler den itibaren kullanÕlmaya baúlamÕú 1900’ lerin baúÕndan itibaren yeni modeller geliútirilmeye baúlanmÕútÕr. Özellikle 1950’ ler den sonra özellikle çevresel faktörler göz önüne alÕndÕ÷Õnda siklonlarla ilgili yapÕlan çalÕúmalarda önemli artÕú olmuútur. Günümüzde üretilen dev siklonlardan mini siklonlara kadar elektrik süpürgesinden fabrika bacalarÕna kadar bir çok alanda kullanÕmÕ vardÕr.

SiklonlarÕn ayÕrÕcÕ olarak kullanÕlmasÕnda bilinmesi gereken en önemli karakteristikleri siklonun ayÕrma verimi, fraksiyonel verimleri ve basÕnç kayÕplarÕdÕr.

Çok karmaúÕk akÕú karakterine sahip siklonlar için bu de÷erlerin tahmini veya hesabÕ oldukça zor olmasÕ nedeniyle bu konuda yapÕlmÕú çok sayÕda çalÕúma mevcuttur. Bu çalÕúmalarda geliútirilen teoriler, iúletme ve geometrik parametrelerin dar bir bölgesinde tatminkar tahmin yapabilmekte oldu÷undan bu modellerden hareketle yeni verimli siklon tasarÕmlarÕ yapmak oldukça zordur. Bu nedenle yeni tasarÕmlara daha çok deneysel çalÕúmalar ile ulaúÕlmaktadÕr.

Te÷etsel ve eksenel giriúli olarak tasarlanan siklonlardan te÷etsel giriúliler daha yaygÕn kullanÕlÕr. Siklon ayÕrÕcÕlar atalet kuvvetlerine ba÷lÕ olarak çalÕúÕrlar. Siklona giren akÕúkan dönel bir hareket kazanÕr. Bu úekilde oluúan girdap etkisinde akÕúkan içerisindeki farklÕ yo÷unluklara sahip fazlara gelen farklÕ atalet kuvvetleri etkisinde radyal yönde izafi bir hareket oluúur. Siklonlarda etki eden parametrenin çoklu÷u ve akÕú modelinin karmaúÕk olmasÕ tahminleri zorlaútÕrdÕ÷Õndan bu alanda nümerik çalÕúmalara ihtiyaç duyulmuútur. Fakat bilgisayar donanÕmlarÕndaki yetersizlik ve akÕú modellerindeki karmaúÕk denklemlerin çözümündeki zorluk bu çalÕúmalarÕ oldukça geciktirmiútir. Son yÕllarda bilgisayar donanÕmÕnda ve hesaplamalÕ akÕúkanlar mekani÷indeki geliúmeler, siklonlardaki akÕúÕn CFD analizleri Griffiths ve Boysan (1996)’Õn çalÕúmasÕ ile baúlamÕútÕr.

(21)

5

1939’da Shepherd ve Lapple basÕnç kaybÕ ve toz tutma verimi üzerinde deneysel olarak çalÕúmÕúlardÕr. Deneysel çalÕúma sonuçlarÕna göre ampirik ifadeler geliútirerek yayÕnlamÕúlardÕr.

Alexander (1949) çeúitli verim ve basÕnç kaybÕ denklemlerini ampirik olarak ele almÕú, yaptÕ÷Õ çalÕúmalarda elde etti÷i neticeler sonucunda geliútirdi÷i yöntemlerle bu denklemleri Õslah etmiútir .

1951’de Stairmand kendi adÕyla anÕlan siklon modelini geliútirmiú elde etti÷i sonuçlar yardÕmÕ ile siklon çapÕ seçimiyle ilgili ampirik ifadeler geliútirmiútir.

AynÕ yÕl Barth siklondaki toz ve gaz hareketleri ile sÕnÕr de÷erleri hesaplamÕú, verim ve basÕnç kaybÕnÕ giriú ve girdap akÕmlarÕndan inceleyerek ampirik ifadeler geliútirmiútir.

1972’ de Leith ve Licht yaptÕklarÕ çalÕúmalar sonucunda elde ettikleri deneysel ve teorik veriler ÕúÕ÷Õnda, basÕnç kayÕplarÕnÕ ifade eden verim modelleri geliútirmiúlerdir.

SiklonlarÕn yüksek basÕnçlÕ sistemlerde çalÕútÕrÕlmalarÕ ile ilgili deneysel çalÕúmalar yapÕlmÕútÕr ( Muschelknautz ve ark. 1994).

Ramachandran ve ark. (1995) petrol yakan endüstriyel tesisler için ön temizleyici siklonlarla ilgili bir matematik model kurmuú, minimum basÕnç kaybÕnÕn, maksimum tutma veriminin oluútu÷u bir siklon modellemesi yapmÕúlardÕr.

Fei (1996) siklonda meydana gelen basÕnç kayÕplarÕnÕn siklon giriú geometri ile iliúkisini araútÕrmÕú, siklona giren gaz hÕzÕnÕn arttÕ÷Õ bütün de÷erler için üç de÷iúik

(22)

6

giriú dikdörtgeninin yüksekli÷i arttÕkça basÕnç kayÕplarÕnÕn azaldÕ÷Õ kesit alanÕnÕn artÕúÕnda ise basÕnç kayÕplarÕnÕn arttÕ÷ÕnÕ gözlemlemiútir.

Zhongli ve ark. (2009) tasarladÕklarÕ 15 cm çaplÕ bir siklonla atmosfer úartlarÕnda hava da bulunan 0,3-40 mikron çap aralÕgÕnda (ortalama çap 9.86 mikron) karbonat tozlarÕyla 5-2000 mg/m³ konsantrasyonlarda ve 5-30 m/s hÕzlarda yaptÕklarÕ deneylerde büyük konsantrasyonlarda ve büyük hÕzlarda daha büyük toplama verimi elde ederken hÕz ve konsantrasyon düútükçe verimler düúmektedir. Bu düúme özellikle 40 mg/m³ konsantrasyonunun altÕnda daha belirgin olmakta iken daha yüksek konsantrasyonlarda de÷iúim çok azalmaktadÕr. Bununla birlikte en düúük hÕz ve konsantrasyonlarda verim %50 üzerinde iken hÕz arttÕkça verim %75 de÷erine konsantrasyon arttÕkça %95 de÷erlerine ulaúmaktadÕr. Özellikle havada bulunan mikron üstü parçacÕklarda ve motor çalÕúma úartlarÕnda yüksek verimlere ulaúÕlabilece÷ini göstermek açÕsÕndan önemli görünmektedir.

Arman ve ark. (2009) klasik siklon geometrisini de÷iútirerek kare kesitli siklon üzerinde nümerik olarak çalÕúmÕúlar ve farklÕ geometrinin, farklÕ hÕzlarÕn etkilerini incelemiú ve deneysel sonuçlarla karúÕlaútÕrmÕúlardÕr.

Ta Chih ve ark. (2009) hava içerisinde bulunan 0.3 ve 1 mikron üzerindeki parçacÕklarÕ tutmak için minyatür siklonlar üzerinde çalÕúarak de÷iúik úartlarda yeni tür siklonun verim ve basÕnç kaybÕnÕ araútÕrmÕúlardÕr. KullanÕlabilirli÷ini incelemiúlerdir.

Sung ve ark. (2009) içerisinde bir veya daha fazla girdap oluúturan ve úiddetlendiren kanatçÕklÕ levha içeren yeni tür siklonlar da verimin artÕrÕlmasÕ üzerine deneysel olarak çalÕúmÕúlardÕr. SonuçlarÕ farklÕ siklonlarÕn verileri ile karúÕlaútÕrmÕúlardÕr.

(23)

7

Safikhani ve ark. (2010) SiklonlarÕn performansÕnÕ etkileyen geometrik ve çalÕúma parametrelerin fazlalÕ÷Õ son yÕllarda optimizasyon da sinir a÷larÕ yönteminin kullanÕmÕna yönelik çalÕúmalarda artÕú sa÷lamÕútÕr.

Yine Safikhani ve arkadaúlarÕnÕn yaptÕ÷Õ nümerik bir çalÕúmada literatür de mevcut ve farklÕ geometrik oranlara sahip üç siklonun akÕú analizi yapÕlmÕú, özellikle hÕz profilleri ile basÕnç kayÕplarÕ incelenmiútir.

Chen ve Liu (2010)’ nun yaptÕ÷Õ çalÕúmada çÕkÕú borusunun alt ucuna de÷iúik açÕlarda e÷im verilerek deneysel analizler yapÕlmÕútÕr. YapÕlan deneyler, e÷imin do÷rultusu ve dalma uzunluklarÕ de÷iútirilerek tekrarlanmÕútÕr. YapÕlan deneyler basÕnç kayÕplarÕnÕn ve tutma veriminin e÷im açÕsÕ ve yönlendirmeden etkilendi÷i ve uygun açÕ olmasÕ halinde verimin %8 e kadar arttÕrÕlabilece÷i ifade edilmiútir.

Bhasker (2010) ise nümerik olarak akÕúkan yataklÕ yakma sistemlerinde parçacÕk filtresi olarak siklonlarÕ incelemiútir.

Cui ve arkadaúlarÕ (2010) yaptÕ÷Õ nümerik bir çalÕúmada radyal giriúli bir siklonda akÕú ve performans analizine ait sonuçlarÕ sunmuútur. Erozyon problemlerinin yaúanabildi÷i bu tip bir siklon küçük partiküller için klasik siklonlara göre daha uygun oldu÷u belirtilmiútir.

Bose ve ark. (2010) diesel motorlarÕ egsoz gazlarÕndaki partikülleri belli oranda tutmak için klasik siklonlarÕn kullanÕmÕ ele alÕnmÕútÕr. Geliútirilen bir matematik model sonuçlarÕna göre düúük maliyetli ve düúük basÕnç kaybÕ olan klasik bir siklonun egsoz gazlarÕndaki partikülleri tutmak için iyi bir yol oldu÷u ve optimize edilmiú bir siklonun bu amaçla kullanÕlabilece÷i vurgulanmÕútÕr.

(24)

8

Yoshida et al.(2010) ise siklon konisi ve çapÕnÕn etkisi deneysel ve teorik olarak incelenmiútir. En uygun veya verimli koni açÕsÕ 70 derece olarak bulunmuútur.

Elsayed et al.(2010) çalÕúmalarÕnda yüksek verimli Stairmand siklonu esas alÕnarak minimum basÕnç kaybÕ sa÷layacak boyut oranlarÕ araútÕrÕlmÕútÕr. Sonuçta Stairmand siklonu üzerinde küçük de÷iúiklikler yapÕlmÕú ve verim fazla azalmadan kayÕplarÕ

%50 oranÕnda azaltacak konstrüksiyon elde edilmiútir.

Wang et al.(2011) ise kömür endüstrisinde kullanÕlan yo÷un ortam siklonlarÕnda siklon koni çapÕ, uzunlu÷u, silindir uzunlu÷u ve giriú kesitinin verim ve basÕnç kayÕplarÕna etkisi nümerik olarak incelemiútir.

Elsayed ve Lacor (2011) un çalÕúmasÕnda araútÕrmacÕlar te÷etsel giriúli bir siklonda giriú geniúli÷i ve yeksekli÷inin üç farklÕ de÷eri için CFD hesaplamalarÕ yapmÕú, sonuçlar bazÕ matematik modeller ile karúÕlaútÕrÕlmÕú ve basÕnç kayÕplarÕ ile verimleri bulunmuútur. Geniúlik ve yüksekli÷in artmasÕnÕn basÕnç kayÕplarÕnÕ ve verimi azalttÕ÷Õ bulunmuútur.

Elsayed ve Lacor (2011) di÷er bir çalÕúmalarÕnda minyatür bir siklonda koni ucu çapÕnÕn siklon performansÕna etkisi CFD yoluyla incelenmiútir. Koni çapÕnÕn azalmasÕnÕn verimi ve basÕnç kayÕplarÕnÕ artÕrdÕ÷Õ bulunmuútur.

Fukui ve ark.(2011) normal konili siklon ile poroz koni yüzeyli siklonun temiz hava ilave oranÕna göre verimi ve yüzey toz birikim davranÕúÕ deneysel olarak incelenmiútir. Belli hÕzlardan sonra yüzeyde toz birikmesinin azaldÕ÷Õ gözlenmiútir.

(25)

9

Noroozi ve Hashemabadi (2011) ise bir hidrosiklonda gövde úeklinin verime etkisi deneysel olarak incelenmiútir. Eksponansiyel úekilde gövdenin di÷erlerinden daha verimli oldu÷u ve silindirik gövdeye göre %8 verim artÕúÕ sa÷ladÕ÷Õ belirlenmiútir.

Guangcai ve ark.(2011) tarafÕndan yapÕlan çalÕúmada eksenel akÕúlÕ bir siklonda helis açÕsÕnÕn ve gaz giriú yüksekli÷inin verim ve basÕnç kaybÕ üzerine etkileri CFD yaklaúÕmÕ ile incelenmiútir. Sonuçta helis açÕsÕnÕn azalmasÕnÕn basÕnç kaybÕnÕ artÕrÕrken verimi iyileútirdi÷i, buna karúÕlÕk gaz giriú yüksekli÷inin ciddi etkisinin olmadÕ÷Õ, akÕúÕn eksenel simetriye uygun olarak geliúti÷i sonucuna varÕlmÕútÕr.

Gleb ve ark.(2012) tarafÕndan yapÕlan çalÕúmada siklonlarda girdap boyunun davranÕúÕ ve performansa etkileri teorik ve deneysel incelenmiútir. Düúük hÕzlarda girdap ucu koni cidarÕna yapÕúarak geri dönmekte iken yüksek hÕzlarda girdap ucu eksenel olarak koni ucunu geçinceye kadar devam etti÷i deneysel ve teorik olarak gösterilmiútir. KÕsa girdap oluúumunda basÕnç kayÕplarÕ ve verimin önemli ölçüde azaldÕ÷Õ gözlenirken siklon yüzeylerinde de daha hÕzlÕ aúÕnma ve yÕpranma oldu÷u sonucuna varÕlmÕútÕr.

Bingtao Zhao(2012) çalÕúmasÕnda ise siklonlarda ayÕrma veriminin ve fraksiyonel verimlerin tahmini için parçacÕklarÕn siklonda kalÕú zamanlarÕnÕ esas alan ve siklon geometrisine ve çalÕúma parametrelerine ba÷lÕ matematik model geliútirilmiútir.

Sonuçlar deneysel sonuçlarla ve di÷er matematik modellerle karúÕlaútÕrÕlmÕútÕr.

Elsayed ve ark.(2012) yaptÕklarÕ çalÕúmada, siklon performansÕnda önemli olan basÕnç kaybÕ ve verimi açÕsÕndan optimizasyon çalÕúmasÕ yapÕlmÕútÕr. Yapay sinir a÷larÕ yaklaúÕmÕ ile yapÕlan ve Euler sayÕsÕnÕn temel parametre olarak kullanÕldÕ÷Õ çalÕúmada siklona ait 7 geometrik oran kullanÕlmÕútÕr. Sonuçta giriú ve çÕkÕú kesiti ile çÕkÕú kanalÕ dalma yüksekli÷inin en önemli geometrik parametreler oldu÷u sonucuna

(26)

10

varÕlmÕútÕr. Optimizasyon sonuçlarÕ ve optimizasyon sonu tasarÕm Steirmand siklonu ile karúÕlaútÕrÕlmÕú ve performansta iyileúme oldu÷u gösterilmiútir.

Gutierrez ve ark.(2012) ise yaptÕklarÕ çalÕúmada siklonlarda verim ve fraksiyonel verim tahmininde kullanÕlan matematik modeller dikkate alÕnarak bu modellerde parçacÕk úeklinin etkisi incelenmiútir. Sonuçta modellerde direnç sayÕsÕnÕn de÷iúimine ba÷lÕ olarak model tahminlerinin de önemli ölçüde de÷iúebilece÷i ve iyileúme sa÷lanabilece÷i gösterilmiútir. Bu açÕdan efektif geometrinin tanÕmlanmasÕnÕn önemi ortaya konmuútur.

Elsayed ve ark.(2012) yaptÕklarÕ bu çalÕúmada siklonlarda koni ucu çapÕnÕn verime ve akÕú profiline etkisi nümerik olarak incelenmiútir. ølave olarak matematik modeller ile tahmin edilmiú sonuçlar ile deneysel sonuçlar gözönüne alÕnarak karúÕlaútÕrma yapÕlmÕútÕr. Sonuçta koni ucu çapÕnÕn siklon ayÕrma verimine önemli etkiye sahip oldu÷u deneysel sonuçlara uyumlu olarak CFD çalÕúma sonuçlarÕ ile de gösterilmiútir.

(27)

11 2.1. Siklon AkÕú Modeli

Siklon performansÕ, basÕnç kaybÕ ve toplama (tutma) verimlili÷i ile de÷erlendirilir.

PerformansÕ etkileyen faktörlerin tayin edilebilmesi için akÕú modeli mutlaka anlaúÕlmalÕdÕr. Dirgo ve Leith 1985 yÕlÕnda akÕú modelini aúa÷Õdaki gibi ifade etmektedirler: Siklon içerisinde baskÕn olan akÕú düzeni (ùekil 2.1) dÕú vortekstir. Bu vorteks gazÕn siklona te÷etsel giriúiyle ya da girdap yaratan giriúlerden eksenel giriúiyle oluúmaktadÕr.

Gaz spirali alttaki akÕú kanalÕna ulaútÕ÷Õnda, gaz dÕú vorteksten radyal olarak siklon eksenine do÷ru akmaya baúlar, iç kÕsÕmda akan gaz baúka bir vorteks oluúturur. øç vorteksin dönüú yönü dÕú vorteksle aynÕ olmasÕna ra÷men hareket yönü aúa÷Õdan yukarÕya do÷rudur. Bu tip siklonlarÕn ters akÕúlÕ siklon olarak adlandÕrÕlmasÕnÕn nedeni de budur. Toplama iúlemi dÕú vorteksteki parçacÕklarÕn merkezkaç kuvvetleriyle siklon duvarÕna do÷ru fÕrlatÕlmasÕ sÕrasÕnda olmaktadÕr. Bu parçacÕklar siklon duvarÕnÕn üzerinde toz toplama haznesine do÷ru aúa÷Õya kayarken, bu hareketlerine siklon duvarÕ yakÕnÕnda aúa÷Õya do÷ru hareket eden gazÕnda yardÕmÕ olmaktadÕr. Merkeze do÷ru ilerleyen parça siklon içerisindeki hareket te÷etsel, radyal ve dikey hÕz bileúenleri ile ifade edilebilir.

(28)

Giri

Kirli Hava G

ùek iú KanalÕ

Giriúi

Siklon G

Kon

kil 2.1. Siklo ÇÕkÕú Boru

Gövdesi

nik KÕsÕm

12 on içerisind

Temiz H

usu

To

deki akÕú mo Hava ÇÕkÕúÕ

oz ÇÕkÕúÕ

odeli

Santrrifüj kuvvetler

(29)

13 2.2. Siklonda BasÕnç KayÕplarÕ

Siklon performansÕ basÕnç düúmesi ve ayrÕútÕrma verimlili÷i ya da di÷er bir adÕyla toplama verimlili÷i terimleriyle de÷erlendirilmektedir. Genellikle bu iki parametre birbirine karúÕ çalÕúÕr yani biri iyileútirilirken bir di÷eri istenmeyen de÷er alÕr.

Bundan dolayÕ tanÕmlanan siklon için bir optimizasyon yapÕlmasÕ gereklidir.

BasÕnç kaybÕndan kaynaklanan enerji sarfiyatÕ siklon ayÕrÕcÕlar için ana iúletme masrafÕnÕ oluúturmaktadÕr. BasÕnç kaybÕna katkÕda bulunan faktörler Dirgo ve Leith(1985) tarafÕndan alttaki maddeler halinde sÕralanmÕútÕr:

- GazÕn siklona giriúinde oluúan geniúleme ya da sÕkÕúmadan kaynaklanan kayÕplar - Siklon duvarÕnda oluúan sürtünmeden kaynaklanan kayÕplar

- Siklon vorteksindeki dönme hareketinin kinetik enerji kaybÕ

- ÇÕkÕú kanalÕnda dönen akÕúkanÕn sürtünmesinden kaynaklanan kayÕplar - ÇÕkÕú kanalÕna giren gazÕn kasÕlmasÕndan kaynaklanan kayÕplar

- ÇÕkÕú kanalÕnda dönme enerjisinin basÕnç enerjisi olarak geri kazanÕlmasÕ.

Bu faktörlerden dönme enerjisi kaybÕ basÕnç düúmesinin büyük bir kÕsmÕnÕ açÕklamaktadÕr. Do÷rultucu kanatçÕklar ya da bozucular kullanÕlarak dÕútaki gaz akÕúÕnda dönme enerjisi geri kazanÕlmaya çalÕúÕlÕr. BasÕnç düúümünü toz toplama verimlili÷ine zarar vermeden %5-%10 arasÕnda azaltÕrlar (Caplan 1984).

Bununla birlikte, Dirgo ve Leith (1985) bu cihazlarÕn gaz akÕúÕnÕn a÷zÕna yakÕn yerlerde bulunmasÕnÕn siklondaki vorteksi olumsuz yönde etkiledi÷ini ve performansÕ düúürdü÷ünü belirtmiúlerdir.

(30)

14

BasÕnç düúümünü azaltmak ve ayrÕúma verimlili÷ini artÕrmak için birçok farklÕ tipte giriú dizaynÕ bulunmaktadÕr (ùekil 2.2). Bunlardan te÷etsel giriúli olanlarÕ en çok kullanÕlandÕr ve aúa÷Õdaki úekilde gösterilmiútir. Bununla birlikte, farklÕ tipteki giriúlerin etkileri halen açÕkça ifade edilememiútir ki buda farklÕ giriú dizaynlarÕ ile basÕnç düúümünün azaltÕlmasÕnÕn, verimlili÷ini düúürmeden henüz yapÕlamadÕ÷Õ anlamÕna gelmektedir.

ùekil 2.2. Siklon giriú tipleri (a:Te÷etsel, b:Dönel, c:Helisel, d:Eksenel)

(31)

15 2.2.1. BasÕnç kaybÕ modelleri

BasÕnç düúmesi teorik olarak debinin karesi ile yani iç hÕzÕn karesi ile de÷iúti÷inden alttaki ifade ile tanÕmlanÕr (Zisselmar 1984).

ǻP = (pgvi2 ߦ_௚)/(2gpi) (2.1)

Burada ߦ_௚ geometrinin etkisini ifade etmektedir. ߦ_௚'Õn hesabÕ için birçok metot Çizelge 2.1'de gösterilmiútir. ( Cortes C. Ve Gil A. 2007 )

(32)

16

Çizelge 2.1. Siklonlarda basÕnç düúüúünün cebirsel modelleri

Model Eúitlik AçÕklamalar

Shepherd ve ߦ_௚ൌ^ଵ଺௔௕

஽΍² (2.2) Te÷etsel giriú

Lapple(1939)

Alexander(1949) ߦ_௚ൌ Ͷǡ͸ʹ ቀ ^௔௕

஽Ό஽΍ቁ ൤൬ቀ^஽Ό

஽΍ቁ^ଶగെ ͳ൰ ቀ^ଵି௡

௡ ቁ ൅ ݂_௚^஽Ό

஽΍

ଶ௡൨ (2.3)

݂_௚ൌ Ͳǡͺ ቂ ^௡

௡ሺଵି௡ሻቀ^ସିଶ^మ೙

ଷ ቁ െ ቀ^ଵି௡

௡ ቁቃ ൅ Ͳǡʹ ቂሺʹ^ଶ௡െ ͳሻ ቀ^ଵି௡

௡ ቁ ൅ ͳǡͷሺʹ^ଶ௡ሻቃ (2.4) n= ͳ െ൫Ͳǡ͸͹ܦ_ଵ^଴ǡଵସ൯ቀ_ଶ଼ଷ^் ቁ^଴ǡ଼ (2.5)

Barth (1956) ȟ ( Ȝ=Ȝ_௚) = ൭^௔௕

ഏವమమర

൱

ଶ

ሺȟ_ୠ൅ȟ_௘ሻ (2.6)

Siklon gövdesindeki kayÕp ;

ȟ_௕ ൌ ^஽΍

஽Ό൭ ^ଵ

ቀ^ೇ೥೐_ೇ೟೐ିሺ_{బǡఱವమ}^ಽషೞሻȜቁ^మ൱ െ^௏௧௘

௏௭௘

ଶ (2.7) 3,41<K<4,4

Dalma borusundaki kayÕp ;

ȟ_௘ ൌ ܭ ൬^௏௧௘

௏௭௘

ସȀଷ൰൅ቀ^௏௧௘

௏௭௘ቁ^ଶ (2.8)

Muschelknautz ve

Kambrock (1970) ȟ ( Ȝ=Ȝ_௚) = ൭^௔௕

ഏವమమర

ሺȟ_ୠ൅ȟ_௘ሻ൱ (2.9) Te÷etsel ve döner giriú

ȟ_௕ = Ȝ ^஺^ೞ

଴ǡଽ௏

ఘ೒

ଶ ሺܸ_௧௪ܸ_௧௘ሻ^ଵǡହ (2.10) Barth model akÕú alanÕ ȟ_௕ ൌ ʹ ൅ ͵ ൬^௏௧௘

௏௭௘

ସȀଷ൰ ൅ቀ^௏௧௘

௏௭௘ቁ^ଶ (2.11) Ortam P,T úartlarÕ

Casal ve di÷. (1989) ߦ_௚ = ͳͳǡ͵ ቀ^௔௕

஽_మ^మቁ^ଶ൅ ʹǡ͵͵ (2.12) AltÕ korelasyonun kÕyaslanmasÕ

(33)

17

Böylelikle, bu formüllerin yardÕmÕyla iç hÕzÕn ve siklon boyutlarÕnÕn bilinmesi

durumunda siklondaki basÕnç düúümü hesaplanabilir. Ancak bu hesaplar kaba tahmin olup, deneysel çalÕúmalar ile ilk dizayn optimize edilmelidir.

Buradaki en kompleks formülasyon Barth’Õn denklemidir. Eúitlik 2.7, teorik olarak siklon gövdesindeki kayÕplarÕ ifade eder. Eúitlik 2.8 ise tamamen deneysel olan dalma borusundaki kayÕplarÕ ifade eder.

Siklonda basÕnç düúüúü; siklon geometrisine, yüzey pürüzlülü÷üne, gaz sÕcaklÕ÷Õ, giriú hÕzÕ ve katÕ yüklemesi gibi parametrelere ba÷lÕdÕr.

AvcÕ ve Karagöz (2005 ) yaklaúÕmÕna göre siklon içindeki akÕúÕ spiral akÕú borusu olarak incelersek, dÕú vorteksin giriúindeki l uzunlu÷undan türetilen akÕú borusu diferansiyel elemanÕ dl deki sürtünmeye ba÷lÕ basÕnç düúüúü;

݀݌ ൌ ߩ_஽^௙

೓೗

௏^మ

ଶ ݈݀ (2.13)

Burada f,ܦ_௛௟ ve V sÕrasÕyla sürtünme katsayÕsÕ, hidrolik çap ve bu elemandaki akÕú hÕzÕdÕr. BaúlangÕçta a x b olan bu akÕú borusunun kesit alanÕ akÕú yoluyla deformasyona u÷rar. Bu yüzden, f, ܦ_௛௟ ve V nin hepsi l uzunlu÷unun fonksiyonlarÕdÕr .

(34)

18 2.3. Siklonda Toplama Verimi

2.3.1. Kesirsel verimlilik ve toplama verimlili÷i

Siklonun toplama verimlili÷i Ș siklona verilen her boyuttaki partiküllerin tutulan kesirleri cinsinden ifade edilir. Ș partikül boyutuna göre çizilirse elde edilen kesirsel siklon verimlilik e÷risidir.

ùekil 2.3. Siklonun tipik kesirsel verim e÷risi

Kesirsel verimlilik e÷risinden bir boyuttaki partiküllerin verimini belirtse de , tek baúÕna toplam verim için bir tahminde bulunulmasÕna yeterli olmaz. Partiküllerin boyut da÷ÕlÕmÕna sahip oldu÷u pratik uygulamalarda toplam verimlilik öncelikle ilgilenilen husustur. Toplam verimlilik kesirsel verimlilik e÷risi ile kullanÕlarak aúa÷Õdaki gibi hesaplanabilmektedir.

Ȓൌ σ^௡_௜ୀଵߟ_௜߂݀_௜ ( 2.14)

(35)

19

Burada toz n boyut aralÕ÷Õna bölünmüú olup ߂݀_௜’ inci aralÕktaki toz partiküllerinin kesrini göstermektedir. Hesaplamaya örnek teúkil eden bir tablo altta verilmiútir.

Çizelge2.2.Toplam verimlili÷in hesabÕna bir örnek

Boyut

aralŦŒŦ

Ortalama

çap

AralŦktaki

kesir

OrtalamaÇaptaki

verimlilik

Toplanantoplam

Tozunkesri

0Ͳ5 2,5 0,09 0,55 0,05

5Ͳ10 7,5 0,19 0,78 0,15

10Ͳ15 12,5 0,18 0,87 0,16

15Ͳ20 17,5 0,12 0,92 0,11

20Ͳ30 25,0 0,16 0,95 0,15

30Ͳ40 35,0 0,10 0,98 0,10

40Ͳ50 45,0 0,06 0,99 0,06

50Ͳ70 60,0 0,05 0,99 0,05

70Ͳ130 100,0 0,05 1,00 0,05

Toplam 1,00 0,88

Var olan siklon teorileri herhangi bir siklon dizaynÕ ve herhangi boyuttaki bir partikül için ayrÕúma verimlili÷inin direkt olarak hesaplanmasÕnÕ mümkün kÕlmaktadÕr. O nedenle; siklon ayÕrÕcÕ imali için projenin dizayn adÕmÕnda kesirsel e÷rinin tamamÕ hesaplanabilir.

Genel olarak ters akÕúlÕ siklonlarÕn 5 μm ‘den küçük parçacÕklar için düúük ayrÕúma verimlili÷ine sahip oldu÷u bilinmektedir. SiklonlarÕn verimlilik da÷ÕlÕmÕ Çizelge 2.3’de verilmiútir.

(36)

20 Çizelge 2.3. SiklonlarÕn verimlilik da÷ÕlÕmÕ

Yüksek verimli siklonlarÕn tasarÕm amacÕ yüksek toplama verimlili÷i için elde etmektir. Ancak ortaya çÕkan yüksek basÕnç kayÕplarÕ maliyetleri oldukça yükseltmektedir. Bu yüzden siklon optimizasyonu çok önem kazanmaktadÕr. YapÕlan çalÕúmalarÕn çoklu÷u da bundan kaynaklanmaktadÕr.

Bir siklon ayÕrÕcÕnÕn ayrÕúma verimlili÷i sadece boyutlardan dolayÕ düúük olmayabilir. Toz toplama haznesindeki partiküllerin tekrar siklona geri dönmesi de verimin düúmesine sebep olabilir. Örne÷in, siklon çapÕndaki artÕú siklon içerisindeki te÷etsel hÕzÕn düúmesine ve dolayÕsÕyla ayrÕúma verimlili÷inin de düúmesine neden olmaktadÕr.

AyrÕúma verimlili÷i debiyle birlikte limit hÕza kadar artmaktadÕr, bu hÕzÕn üzerindeki hÕzlarda içerideki türbülans ayrÕúmasÕndan daha hÕzlÕ artmakta ve bunda debinin daha fazla artmasÕyla verimlilikte düúmeye neden olmaktadÕr.

VerimlilikaralŦŒŦ

PartikülBoyutAralŦŒŦ Konvansiyonel YüksekVerimli

5’denküçük 50’denaz 50–80

5–20 50–80 80–95

15–40 80–95 95–99

40’danbüyük 95–99 95–99

(37)

21 2.3.2. Toplama verimi modelleri

BasÕnç düúüúüyle birlikte, siklon verimlili÷i ilk kez seyreltilmiú akÕúta modellenmiú, daha sonra yüksek toz yo÷unlu÷u için düzeltilmiútir ve ‘katÕ yükleme etkileri’

úeklinde adlandÕrÕlmÕútÕr. ølk sÕnÕf modellerde, ideal parçacÕk hÕzÕ ve kuvvetlerine göre teorik bir yapÕ kurmak geleneksel olmuútur. Türbülans dalgalanmalarÕ, da÷ÕlÕmÕ ve vorteks yapÕlarÕndaki do÷al de÷iúkenli÷in sebep oldu÷u kaos sebebiyle bu yapÕdan vazgeçilmiútir. Buna ra÷men, bazÕ modeller úaúÕrtÕcÕ biçimde baúarÕlÕdÕrlar.

En populer varsayÕmlar: (1) yerçekimsel alan, santrifüjsel kuvvetlerle karúÕlaútÕrÕlmasÕnda ihmal edilebilir, (2) gaz yo÷unlu÷u parçacÕk yo÷unlu÷u yanÕnda ihmal edilebilir, (3) parçacÕklar küreseldir, boyutlarÕ küçüktür ve ba÷Õl hÕz Stokes kuralÕnÕ uygulamak için yeterli ölçüde küçüktür. [ Cortes C. Ve Gil A. 2007 ]

Verilen parçacÕ÷Õn toplanÕp toplanmadÕ÷Õna karar vermek için bazÕ kavramlar (basitleútirilmiú olan) uygulanmalÕdÕr. Hesaplanan parametre genellikle ݀_ହ଴ dir;

e÷rinin di÷er kÕsmÕ, genellikle ampirik olarak düzeltilir. Örne÷in, çok kullanÕlan bir e÷ri formu bu úekildedir ;

Ȓ_௜ ൌ _ଵାሺௗ^ଵ

ఱబȀௗ_೔ሻ^೘ (2.15)

Burada farklÕ boyutlar ݀_௜ ve kÕsmi verim Ȓ_௜dir. m üssü e÷rinin e÷imidir.

Cebirsel verim modelleri her iki sÕnÕfa da uygundur. Prensip olarak, giriúte Eúitlik (2.15) i integre etmek ve parçacÕ÷Õn cidara ulaúmasÕ için yeterli zaman olup olmadÕ÷ÕnÕ görmek için bir fikir oluúturulabilir. Bunu tam olarak yapacak bir model ‘ uçuú-zamanÕ’ (time of flight) diye adlandÕrÕlÕr. BaúarÕlÕ çalÕúmalardan biri, ilk defa Barth tarafÕndan yayÕnlanmÕútÕr. (Cortes ve Gil 2007 )

(38)

22 Lapple (1950) :

Bu model, uçuú zamanÕ fikirlerinin en basiti olan çökelme odasÕnda boyut belirleme metoduna benzerdir. ølk radyal pozisyon toz giriúinin orta noktasÕdÕr (b/2), giriú kesitindeki parçacÕk da÷ÕlÕmÕnÕn homojen oldu÷u kabul edilir ve sabit bir te÷etsel hÕz kullanÕlÕr. Bütün bu formülasyon verilen boyuttaki bir parçacÕ÷Õn cidara ulaúma zamanÕ hesaplamaya yarar. ParçacÕ÷Õn akÕúkan içinde bulunma süresi cidara ulaúma zamanÕ eúitse %50 verimlilikle toplandÕ÷Õ anlamÕna gelir, ve böylelikle parçacÕ÷Õn boyutu ݀_ହ଴dir.

Barth (1956) :

Barth kavramÕ göreceli bir úekilde otaya koyar; kontrol yüzeyinde radyal kuvvetler eúitli÷i etkisi altÕndaki bir parçacÕk, uygun úartlar oluútu÷u sürece cidara ulaúma zamanÕnÕn yarÕsÕnda toplanÕr. Barth kontrol yüzeyinde kendi te÷etsel hÕzÕnÕ kullanmÕútÕr. Bu metodu önemli bir parametre olan vorteks giriú çapÕna göre tanÕmlanmÕútÕr; bu geometrik özellik siklon verimlili÷ini çok etkiler. Tam tersi, Lapple modelinde oldu÷u gibi genellikle uçuú-zamanÕ modellerinde sadece giriú hÕzÕ kullanÕlÕr; dolayÕsÕyla bu önemli kapasiteden yoksunlardÕr.

Leith ve Licht (1972) :

Bu model, verim oranÕ e÷risinin tamamÕnÕ hesaplamaya izin veren uçuú-zamanÕ modelinin üzerinde durulmuú halidir. Buna göre, araútÕrmacÕlar tek parçacÕklar yerine sürekli bir toz akÕúÕ üzerinde çalÕúmÕúlardÕr. Di÷er önemli kabuller ihmal edilebilir radyal gaz hÕzÕ ve çap boyunca sabit parçacÕk konsantrasyonudur.

(39)

23

Verimden ziyade ݀_ହ଴ çap hesabÕ yaygÕndÕr. Bu üç modelin ba÷ÕntÕlarÕ aúa÷Õdaki gibidir ;

Çizelge 2.4. Siklonlarda toplama veriminin cebirsel modelleri

Model Eúitlik

Lapple (1950) ݀_ହ଴ ൌ ට_ே^ଽμ^೒^௕

೎ƍଶగఘ_ೞ௩_೔ ܰ_௖ୀಹశሺಽషಹሻȀమ

್

(2.16)

Barth (1956) ݀_ହ଴ ൌ ට^ଽμ^೒^஽^మ^௩^ೝ೐

௩_೟ೢ^మ ఘೞ (2.17)

Leith ve Licht (1972) , Ș= 1-exp൤െ_ଽμ^ఘ^ೞ

೒ቀ^ଶ௫௩_஽ ^೔

భ ቁ^ଶݐ_௥௘௦൨ (2.18)

Clift ve di÷. tarafÕndan düzeltilmiútir. ݐ_௥௘௦ൌ _௏^௏_´ (2.19)

Sürmen ve ark.(2010)

݀ΐ΋ ൌ Ͳǡ͹ͻͳ ൬_൫ఘ ^ఘఔ

೛ିఘ൯஼_಴ೆ൰^଴ǡହ൬^ඥ஽_௏^భ^஽^య^௔

బ௅_ೡೞ ൰^଴ǡହቀ^ଵ଴௔_஽

యቁ^௖௦ܦ_ௗܽ_ௗܦ_௦ (2.20)

ܦ_ௗ ൌ^ு_௅ ൅^஽^భ_ଶ஽^ା஽^య

భ ට൫ሺܦ_ଵെ ܦ_ଷሻȀܮ൯^ଶȀͶ ൅ ቀͳ െ^ு_௅ቁ^ଶ (2.21)

ܦ_௦ ൌ ܦ_ௗ ൅ ʹ^௦஽_஽^మ^ା஽^య^మ

భǤ௅ (2.22)

(40)

24

ܽ_ௗ ൌ Ͳǡͷ ൅ ^௔Ǥ௕

ሺ௦஽೏ሻሺ஽భି஽_మሻ (2.23)

ܮ_௩௦ ൌ ͳǡͷܽ_ௗܦ_௦ܮȀܦ_ௗ (2.24)

ܿݏ ൌ Ͳǡͷ ቀ_{௔ି଴ǡଵ஽}^௙^బ^௅^ೡೞ

యቁ (2.25)

(41)

25 2.4. Siklon Boyunun Etkisi

Siklon uzunlu÷unun etkisini inceleyen çalÕúmalarÕ, do÷al girdap uzunlu÷unun tahmini ve siklon boyunun performansa etkisine yönelik çalÕúmalar olarak düúünülebilir. Bu çalÕúmalar neticesinde siklon uzunlu÷unun sÕnÕrlÕ olmasÕ gerekti÷i ve uzunlu÷un siklon performansÕnÕ olumlu yönde etkiledi÷i sonucuna ulaúÕlabilir.

Ancak Zhu ve Lee (1999) tarafÕndan boyu de÷iútirilen ve di÷er boyutlarÕ yüksek verimli Stairmand siklonu ile benzer olan siklonlarda yapÕlan deneysel çalÕúma sonuçlarÕna göre do÷al girdap sÕnÕrlarÕ içinde kalmakla birlikte verimin en yüksek oldu÷u bir optimum uzunlu÷un bulundu÷u anlaúÕlmaktadÕr. Di÷er bir deneysel çalÕúmada Hoffmann ve di÷. (2001) tarafÕndan yapÕlmÕú ve benzer sonuçlar gözlenmiútir. Tam açÕk görünmese de benzer e÷ilimi baúka çalÕúmalarda da görmek mümkündür (AvcÕ ve Erel 2003).

ùekil 2.4. Siklonda karakteristik boyutlar

(42)

26 2.4.1. Siklonlarda girdap uzunlu÷u

Siklonlar da oluúan girdab akÕúkan debisi, konsantrasyon, yüzey pürüzlülü÷ü, nem, sÕcaklÕk gibi parametrelere ba÷lÕ olarak belirli bir uzunlu÷a kadar ilerleyebilece÷i genel olarak bilinmektedir. Bu uzunluk do÷al girdap boyu olarak tanÕmlanmaktadÕr.

Siklon boyunun bu uzunluktan daha uzun olmasÕnÕn siklon performansÕ açÕsÕndan olumlu bir etkisi olmayacaktÕr. Buna karúÕlÕk bu girdap uzunlu÷unun belirlenmesi türbülanslÕ akÕú olmasÕ ve girdap boyuna bir çok parametre etki etmesi ve bu parametrelerin sürekli de÷iúmesi sebebiyle kolay de÷ildir. Bu alanda yapÕlan çalÕúmalarda genelde geometrik parametreler ön plana çÕkmaktadÕr. Do÷al girdap uzunlu÷u için yapÕlan ilk çalÕúmalardan biri Alexander (1949) tarafÕndan yapÕlan çalÕúmadÕr. Bu çalÕúma sonucuna göre girdap uzunlu÷u;

ܮ_௩ ൌ ʹǡ͵ܦ_ଶ൬^஽_஺^భ^మ

೒൰^{଴ǡଷଷଷ} (2.26)

úeklinde ifade edilebilir. Burada girdap uzunlu÷u Lv, giriú kesit alanÕ Ag, çÕkÕú borusu kesit alanÕ A΍ ve di÷erleri úekilde verildi÷i gibidir. Sonuçta siklon boyunu belirleyici faktör olarak giriú, çÕkÕú kesitleri ve siklon çapÕ belirleyici görünmektedir.

Bu sonuç tahminlerinin yeterli olmadÕ÷Õ birçok araútÕrmacÕ tarafÕndan gözlenmiú ve yeni araútÕrmalar yapÕlmÕútÕr. Bu kapsamda Bryant ve di÷. (1983) tarafÕndan;

ܮ_௩ ൌ ʹǡͲܦ_ଵቀ^஺_஺^೒

మቁ^଴ǡହ (2.27)

ba÷ÕntÕsÕ önerilmiútir. Bu ba÷ÕntÕda da yine benzer geometrik parametreler ön plana çÕkmÕú görünmektedir. Di÷er bir çalÕúmada Ji ve di÷. (1991) tarafÕndan yapÕlmÕútÕr.

Bu çalÕúmanÕn sonucuna göre girdap uzunlu÷u;

(43)

27 ܮ_௩ ൌ ʹǡʹܦ_ଵቀ^஺_஺^೒

భቁ^଴ǡଷ଺ቀ^஽_஽^భ

మቁ^ଶǡଶହ (2.28)

úeklinde hesaplanabilir. Sürmen ve arkadaúlarÕnÕn çalÕúmasÕna göre maksimum verim veren siklon uzunlu÷u ifadesi tanÕmlanmÕútÕr;

ܮ_௠௔௫ൌ ^{ሺ௔ି଴ǡଵ஽}^య^ሻቀଵା^{ಽ೘ೌೣವೞ}^మഀವభ ^ቁ

ଵǡହ௔_೏௙_బ௟௡ቀ^భబೌ

ವయቁ (2.29)

ߙ ൌ^൫஽^మ^௦ା஽_஽ ^య^మ^൯

భమ (2.30)

Burada Lmax/ DΌ ifadesi boyutsuz parametrelerin fonksiyonu olarak hesaplanÕrsa;

ܣ ൌ ሺܽ െ Ͳǡͳܦ_ଷሻȀ൫͵ܦ_ଵܽ_ௗ݂_଴݈݊ሺͳͲܽȀܦ_ଷሻ൯ ve ܤ ൌ ʹߙȀܦ_ௗ hesaplanÕr. Daha önce yapÕlan model hesaplamalarÕnda Lmax/ DΌ , 2A+B/2 civarÕnda oldu÷una göre;

௅_೘ೌೣ

஽_భ ൌ_ଷ஽ ^{ଶሺ௔ି଴ǡଵ஽}^య^ሻ

భ௔_೏௙_బ௟௡ሺଵ଴௔Ȁ஽_యሻ൅_஽^ఈ

೏ (2.31)

ifadesi elde edilir.

Bütün yaklaúÕmlarda aynÕ parametrelerin farklÕ úiddette ve farklÕ yönlerde etki etti÷i görülmektedir. Bu durum çalÕúma úartlarÕndan, kullanÕlan geometrilerden ve geometri aralÕ÷Õndan kaynaklanan bir durum olup her birinin olumlu sonuç verebildi÷i úartlar olabilecektir.