Zyklonabscheider berechnen: Abscheidegrad und Druckverlust mit CFD bestimmen

Autor: Dr. Christian Lämmle, combustion and flow solutions

Einen Zyklonabscheider berechnet man in der Regel zunächst mit empirischen Auslegungsmodellen. Sie schätzen Abscheidegrad und Druckverlust aus Geometrie, Volumenstrom und Partikeleigenschaften ab. Weicht die Geometrie von bewährten Bauformen ab, ist die Partikelgrössenverteilung breit oder beeinflussen Zu- und Abströmung den Zyklon, liefert eine CFD-Simulation zusätzlich das räumliche Strömungsfeld und die Partikelbahnen – und damit den Abscheidegrad für jede Partikelgrösse.

Das Wichtigste in Kürze

• Prinzip: Ein Wirbel drängt die Partikel durch die Fliehkraft an die Wand; das gereinigte Gas verlässt den Zyklon durch das Tauchrohr.
• Kenngrössen: Abscheidegrad je Partikelgrösse, Trennkorngrösse und Druckverlust.
• Klassische Berechnung: Empirische und halbempirische Modelle sind schnell, gelten aber für bestimmte Bauformen und Betriebsbereiche.
• CFD-Simulation: Berechnet Strömung und Partikelbahnen direkt und zeigt, wo Partikel abgeschieden oder ausgetragen werden.
• Übertragbar: Dieselbe Methodik hilft bei Sedimentabscheidern, Sprays und anderen Mehrphasenströmungen.

Wie funktioniert ein Zyklonabscheider?

Ein Zyklonabscheider – auch Fliehkraftabscheider genannt – trennt Partikel ohne bewegte Teile aus einem Gasstrom. Das Gas tritt tangential in den zylindrischen Teil ein und bildet einen kräftigen Wirbel. Die Fliehkraft drängt die Partikel nach aussen an die Wand. Dort gleiten sie spiralförmig durch den konischen Teil nach unten in den Sammelbehälter.

Das gereinigte Gas kehrt im Inneren um und strömt in einem inneren Wirbel nach oben. Es verlässt den Zyklon durch das zentrale Tauchrohr. Wie gut die Trennung gelingt, entscheidet sich im Zusammenspiel von äusserem und innerem Wirbel.

Welche Grössen bestimmen Abscheidegrad und Druckverlust?

• Partikeleigenschaften: Grösse, Dichte und Form. Kleine und leichte Partikel folgen dem Gas leichter und werden schlechter abgeschieden.
• Volumenstrom und Eintrittsgeschwindigkeit: Eine höhere Geschwindigkeit verstärkt die Fliehkraft, erhöht aber auch den Druckverlust.
• Geometrie: Einlassquerschnitt, Durchmesser und Eintauchtiefe des Tauchrohrs sowie Länge von Zylinder und Konus.
• Gaseigenschaften: Vor allem Dichte und Viskosität, die etwa von der Temperatur abhängen.
• Beladung: Bei hohen Feststoffanteilen beeinflussen die Partikel ihrerseits die Strömung.

Der Fraktionsabscheidegrad gibt an, welcher Anteil einer bestimmten Partikelgrösse abgeschieden wird. Die Trennkorngrösse ist der Durchmesser, der mit 50 Prozent Wahrscheinlichkeit abgeschieden wird. Aus Fraktionsabscheidegrad und Partikelgrössenverteilung ergibt sich der Gesamtabscheidegrad.

Wie wird ein Zyklonabscheider klassisch berechnet?

Für die Auslegung gibt es etablierte empirische und halbempirische Modelle, im deutschsprachigen Raum etwa nach Barth und Muschelknautz. Sie schätzen Abscheidegrad und Druckverlust aus Geometrie, Betriebsbedingungen und Partikeleigenschaften ab. Das ist schnell und für bewährte Bauformen oft ausreichend.

Ihre Grenzen erreichen solche Modelle, wenn die Geometrie von den zugrunde liegenden Bauformen abweicht, wenn Einbauten oder die Zuströmung den Wirbel stören oder wenn lokale Effekte wie Kurzschlussströmungen am Tauchrohr die Abscheidung prägen.

Wann lohnt sich die CFD-Simulation eines Zyklons?

• bei neuen oder ungewöhnlichen Geometrien, für die keine bewährten Kennwerte vorliegen,
• wenn Zu- und Abströmung, Rohrführung oder Einbauten die Strömung im Zyklon beeinflussen,
• bei breiten Partikelgrössenverteilungen und hohen Beladungen,
• wenn ein bestehender Zyklon die erwartete Abscheidung nicht erreicht und die Ursache gesucht wird,
• wenn mehrere Varianten vor dem Bau verglichen werden sollen.

Wie läuft eine CFD-Berechnung eines Zyklonabscheiders ab?

1. Geometrie und Strömung modellieren

Der Zyklon wird mit Zu- und Ablauf dreidimensional abgebildet. Weil die Strömung stark verdrallt ist, braucht es ein Turbulenzmodell, das solche Wirbelströmungen abbilden kann, zum Beispiel ein Reynolds-Spannungsmodell oder ein skalenauflösendes Verfahren.

2. Partikel einbringen

Am Einlass werden Partikel mit der gemessenen oder angenommenen Grössenverteilung eingebracht und auf ihrem Weg durch den Zyklon verfolgt. Bei höheren Beladungen wird auch die Rückwirkung der Partikel auf die Strömung berücksichtigt. Spielen Stösse zwischen den Partikeln eine Rolle, kann die Kopplung mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) sinnvoll sein.

3. Ergebnisse auswerten

Ausgewertet wird, welche Partikel im Sammelbehälter ankommen und welche den Zyklon mit dem Gas verlassen – getrennt nach Grössenklassen. Daraus ergibt sich die Fraktionsabscheidekurve. Zusätzlich liefert die Simulation den Druckverlust und zeigt Bereiche, in denen Partikel ausgetragen werden oder sich ablagern.

Beispiel: Partikelabscheidung in einem Zyklon

In unserer Fallstudie zur Partikelabscheidung in einem Zyklon wurden am Einlass eine Partikelgrössenverteilung und ein Luftmassenstrom vorgegeben. Strömung und Partikel beeinflussen sich dabei gegenseitig. Ausgewertet wurden die Grössenverteilung und die Anzahl der Partikel im Sammelbehälter sowie die Partikel, die den Zyklon verlassen und zum nächsten Bauteil gelangen.

Dieselbe Methodik, andere Branchen

Wie Partikel, Tropfen oder Schwebstoffe mit einem komplexen Strömungsfeld zusammenwirken, ist nicht nur im Zyklon die zentrale Frage. Dieselben Methoden helfen beim Sedimenttransport und bei Sedimentabscheidern im Wasserbau, bei der Staubabsaugung in Industrieanlagen und bei Sprays in Einspritzsystemen. Erkenntnisse aus einer Branche lassen sich so oft auf eine andere übertragen.

Häufige Fragen zum Zyklonabscheider

Wie funktioniert ein Zyklonabscheider?

Das Gas strömt tangential in den Zyklon ein und bildet einen Wirbel. Die Fliehkraft drängt die Partikel an die Wand, wo sie spiralförmig nach unten in den Sammelbehälter gelangen. Das gereinigte Gas strömt in einem inneren Wirbel nach oben und verlässt den Zyklon durch das Tauchrohr.

Wie berechnet man den Abscheidegrad eines Zyklons?

Für die Auslegung werden meist empirische oder halbempirische Modelle verwendet, die den Abscheidegrad aus Geometrie, Volumenstrom und Partikeleigenschaften abschätzen. Eine CFD-Simulation berechnet die Strömung und die Partikelbahnen direkt und liefert den Abscheidegrad für jede Partikelgrösse.

Was ist die Trennkorngrösse?

Die Trennkorngrösse ist der Partikeldurchmesser, der mit 50 Prozent Wahrscheinlichkeit abgeschieden wird. Grössere Partikel werden überwiegend abgeschieden, kleinere überwiegend mit dem Gas ausgetragen.

Wovon hängt der Druckverlust eines Zyklons ab?

Der Druckverlust steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit und hängt stark von der Geometrie ab, insbesondere vom Einlassquerschnitt und vom Durchmesser des Tauchrohrs. Ein höherer Abscheidegrad wird oft mit einem höheren Druckverlust erkauft.

Wann lohnt sich eine CFD-Simulation statt einer Auslegungsformel?

Wenn die Geometrie von bewährten Bauformen abweicht, die Zu- und Abströmung den Zyklon beeinflusst, hohe Partikelbeladungen vorliegen oder ein bestehender Zyklon die erwartete Leistung nicht erreicht. Die Simulation zeigt dann, wo und warum Partikel abgeschieden oder ausgetragen werden.

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• Fallstudie: Partikelabscheidung in einem Zyklon mit Hilfe von 3D-CFD-Simulation
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