مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت

زمان مطالعه: 7 دقیقه

آشنایی با سیکون‌ها (سیال عامل هوا)

سیکلون‌ دستگاه‌­ جداسازی است که با استفاده از اصل اینرسی، ذرات معلق در گازهای دودکش، هوا یا بخار مایع را بدون استفاده از فیلتر حذف می­‌کند. اینرسی یا لختی خاصیتی از یک جسم است که در برابر تغییر سرعت و یا تغییر جهت حرکت جسم مقاومت می­کند. هرچه جرم یک جسم بیشتر، لختی یا اینرسی آن بیشتر است.

جداکننده‌­ها به پیش تمیز کننده نیز معروف هستند. پیش تمیز کننده دستگاهی است که در سیستم ورودی موتور قبل از دستگاه تمیز کننده هوا نصب شده است و بیشتر خاک و آلودگی هوای ورودی را از بین می‌برد.

در سیکلون یک جریان چرخشی با سرعت بالا در یک ظرف استوانه‌­ای یا مخروطی ایجاد میشود. قبل از اینکه ذرات از مسیر مستقیمی که در وسط و بالای سیکلون قرار دارد خارج شود، جریان به صورت مارپیچ از قسمت بالایی و عریض سیکلون به سمت انتهاییِ باریک پایین سیکلون پیشروی میکند. ذرات بزرگتر و چگال‌تر در جریان­‌های چرخشی متحمل نیروی اینرسی زیادی میشوند به طوریکه نمیتوانند مسیر باریک جریان که یک منحنی است را دنبال کنند و در نتیجه به دیواره‌­های بیرونی برخورد کرده و به انتهای سیکلون سقوط میکنند که در آنجا میتوان این ذرات را جدا کرد.

 

سیکلون فلوئنت
نمونه‌ای از سیکلون در صنعت

مدلسازی سیکلون  به روش فاز گسسته با استفاده از انسیس فلوئنت 

به منظور آشنایی بیشتر شما با مکانیزم سیکون، یک جداکننده سیکلونی در نظر گرفتیم و قرار است با استفاده از مدل فاز گسسته (DPM) انسیس فلوئنت آن را مورد بررسی قرار دهیم. ما شبیه سازی خود را با استفاده از ذراتی از جنس آنتراسیت (Anthracite) انجام می دهیم؛ آنتراسیت نوعی زغال سنگ است که حاوی کربن نسبتاً خالص است و با شعله و دود کمی میسوزد. سیال ورودی هم آب در نظر گرفته شده است. این شبیه سازی با در نظر گرفتن ۴ حالت مختلف برای شرایط مرزی انجام شده است ( بازگشت ذرات (reflect)، به دام انداختن (trap)، فرّار بودن (escape) و جت دیواره (Walljet)) و همچنین در حالتی که ذرات بعد از برخورد با سطح بازگشت دارند (reflect). هم چنین تعداد ذراتی که از ناحیه ورودی عبور میکنند متغیر هستند. (در این بخش فقط نتایج یک حالت گزارش شده است)

هدف­ ما از این شبیه­ سازی :

  1. تجزیه و تحلیل کردن ۴ حالت مختلف برای شرایط مرزی در ورودی (بازگشت ذرات (reflect)، به دام انداختن (trap)، فرار کردن (escape) و جت دیواره (Walljet))
  2. تغییر دادن تعداد ذرات ورودی با استفاده از شرط مرزی بازگشت ذرات
  3. انجام فرآیند پس پردازش و نتیجه ­گیری از جواب­‌های بدست آمده در فلوئنت

شکل سمت چپ مدل اصلی میباشد که شامل جداکننده سیکلونی و قاب نگهدارنده آن میباشد. برای شروع تحلیل باید حجم مایع را از داخل جداکننده سیکلونی خارج کنیم (شکل سمت راست).

 

مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت
طراحی سیکلون در اِسپِیس کِلِیم و جداکردن ناحیه‌ای که سیال در آن حضور دارد.

 

در جهت تولید شبکه از المات‌های چهاروجهی استفاده شده است که به منظور بررسی استقلال از شبکه، می‌توان تراکم شبکه را کم و زیاد کرده و نتایج حاصل را با هم مقایسه کرد.

 

تولید شبکه برای سیکلون
شبکه بندی سیکلون

 

تنظیمات مربوط به شبیه سازی سیکلون (جداساز) در نرم افزار انسیس فلوئنت به شرح زیر است:

  1. حل به صورت پایا
  2.  حلگر فشار مبنا
  3. شتاب جاذبه فعال
  4. مدل آشفتگی RNG K epsilon
  5. جنس ماده‌ی تزریق شده: زغال سنگ
  6. سرعت جریان ورودی ۳ متر بر ثانیه
  7. قطر ذرات تزریق شده: ۵ میکرومتر
  8. نحوه تزریق: از سطح ورودی
  9. مقداردهی اولیه : به روش استاندارد و از مرز ورودی

زمان ذرات نشان داده شده در شکل‌­های زیر در واقع مدت زمان اقامت ذرات را بر حسب ثانیه نشان میدهد. این شکل‌­ها اطلاعات خارج شده از حل مسئله به‌وسیله‌ی نرم­ افزار فلوئنت است. این اطلاعات وارد بخش پس ­پردازشی شده ANSYS CFD-Post و ردیابی مسیر حرکت ذرات نشان داده شده است. با تغییر در سایز شبکه تعداد مسیرهای حرکات ذرات متفاوت است. به این معنا که هرچه شبکه ریزتر باشد میتوان ذرات ردیابی شده بیشتری را مورد بررسی قرار داد و اگر شبکه درشت باشد ذرات کمتری را میتوان ردیابی کرد.

مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت
ردیابی مسیر ذرات برای شبکه‌های تولیدی مختلف

ترسیم طرحواره (کانتور) سرعت با استفاده از Vortex Core Region در نرم­ افزار CFD-Post

با استفاده از مدل ویسکوز k-epsilon RNG که در جریان­‌های چرخشی دارای دقت بسیار بالایی است، توانستیم حرکت پیچشی جریان را با به نمایش در آوردن طرحواره سرعت در نواحی داخلی جداکننده، مشاهده کنیم.

مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت

طرحواره فشار در سیکلون

با یک توزیع فشار غیریکسان در داخل جداکننده روبرو هستیم؛ در نواحی ورودی و مخروطی جداکننده که جزو مناطق با فشار بالا هستند، ذرات چگال‌­تر به دیواره­‌ها ضربه وارد میکنند و از آنجائیکه به دیواره‌­ها نزدیک هستند باعث بروز فرسایش در آن نواحی میشوند.

مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت
کانتور فشار در سیکلون

 

برای مشاوره و انجام شبیه سازی سیکلون‌ در نرم افزار فلوئنت، با ما در تماس باشید.


جداکننده­‌های هیدروسیکلون (سیال عامل آب)

هیدروسیکلون وسیله‌­ای برای طبقه ­بندی، جداسازی یا دسته­ بندی ذرات در یک سوسپانسیون مایع بر اساس نسبت نیروی مرکز به مقاومت سیال است. این نسبت برای ذرات متراکم (در مواردی که جداسازی بر اساس چگالی لازم است) و درشت (جایی‌ که جداسازی بر اساس اندازه لازم است) زیاد است و برای ذرات سبک و ریز کم است. هیدروسیکلون­ ها همچنین در جداسازی مایعات با چگالی­‌های مختلف کاربرد دارند.

هیدروسیکلون­‌ها معمولاً دارای یک بخش استوانه‌ای در بالای خود هستند که مایع به صورت مماسی وارد آن می­شود و یک پایه مخروطی شکل دارند. زاویه، یا به عبارتی طول بخش مخروطی، در تعیین ویژگی­‌های عملیاتی نقش دارد.

یک هیدروسیکلون دو خروجی روی محور دارد: خروجی کوچکتر در قسمت پایینی (جریان زیرین یا Reject) و یک خروجی بزرگتر در قسمت بالایی (سرریز یا Accept). جریان زیرین معمولاً کسر چگال­تر یا درشت­ تر است، در حالی که سرریز کسری سبک­تر یا ریزتر می‌­باشد.

در داخل سیلیکون، نیروی گریز از مرکز با مقاومت سیال مقابله می­‌کند که باعث می‌­شود ذرات بزرگ­تر یا سنگین‌­تر به دیواره­‌ها منتقل شوند و به سمت قسمت پایینی (Reject) حرکت کنند و در نهایت از آن خارج شوند، در حالیکه ذرات ریزتر یا سبک­تر در سیال باقی می­مانند و از سمت سرریز (Accept) از طریق لوله‌­ای که داخل بدنه سیکلون در مرکز آن کمی گسترش یافته است، خارج می­شوند.

هیدروسیکلون­‌های مستقیم ذرات متراک‌م­تر را از سیال اطراف جدا می­کنند در حالیکه هیدروسیکلون­‌های معکوس ذراتی را که چگالی کم­تری نسبت به سیال اطراف دارند، حذف می کنند. در هیدروسیکلون­‌های معکوس سرریز در راس و جریان زیرین در پایه قرار دارد. همچنین هیدروسیکلون‌های جریان موازی وجود دارد که در آن‌ها هم سرریز و هم جریان زیرین در راس آن­ها، حذف می­شوند. هیدروسیکلون­‌های جریان موازی ذرات سبک­تر از سیال اطراف را جدا می­کنند.

هیدروسیکلون­‌ها می­توانند از فلز (یا معمولاً فولاد)، سرامیک یا پلاستیک (مانند پلی اورتان، پلی پروپیلن یا انواع دیگر) ساخته شوند. از هیدروسیکلون­‌ های فلزی یا سرامیکی زمانیکه به استحکام یا دوام بیشتری در مقابل گرما یا فشار نیاز دارند، استفاده می­شود. هنگامی که ساییدگی زیادی رخ می­دهد (مانند ذرات شن و ماسه)، هیدروسیکلون­ های از جنس پلی یورتان عملکرد بهتری نسبت به هیدروسیکلون­ های فلزی یا سرامیکی دارند. در مواقعی‌  هم که فشار بالاست و هم ساییدگی رخ می­دهد از هیدروسیکلون­‌های فلزی که با پلی اورتان روکش شده است، استفاده می­‌شود.

بازده هیدروسیکلون:

هیدروسیکلون اغلب برای جدا کردن مواد سنگین از مخلوط مایعی که از یک پمپ گریز از مرکز یا سایر سیستم­‌های جریان پیوسته با سیال تحت فشار منشا می­‌گیرد، استفاده می‌­شود. یک هیدروسیکلون به احتمال زیاد گزینه مناسبی برای فرآیندهایی است که در آن مواد “سبک” بخش بزرگی از مخلوط را تشکیل می­‌دهند و مواد “سنگین” به راحتی ته­ نشین می­‌شوند.

به طور کلی، هیدروسیکلون­‌ها در سیستم­‌های جریان پیوسته استفاده می­شوند، به‌طوری‌که جریان ورودی مایع به هیدروسیکلون در هر لحظه برابر با کل جریان خروجی مواد “رقیق” به علاوه مواد “غلیظ” می­‌باشد. در مواردی که مواد “غلیظ” بخش بسیار کوچکی از کل مایع هستند، گاهی اوقات جمع آوری آن­ها در انتهای هیدروسیکلون برای حذف دسته­‌ای آن­ها، مفید است.

راندمان جداسازی یک هیدروسیکلون را که تحت مجموعه خاصی از شرایط در حال استفاده می‌باشد، می‌­توان بر حسب غلظت مواد “سنگین (Heavies)” موجود در جریان خروجی “سبک (Lights)” به عنوان درصدی از کل مواد “سنگین” ورودی توصیف کرد.

بعنوان مثال:

بارگذاری مواد “سنگین” در جریان ورودی = %۲٫۴

بارگذاری مواد “سنگین” در جریان خروجی “رقیق” = %۰٫۲

راندمان جداسازی :   %۹۱٫۷ = %۱۰۰×(۲٫۴ / (۰٫۲-۲٫۴))

محاسبات جداسازی درصد حجمی (%v/v) معمولاً سریع‌تر و آسان‌تر انجام می‌شوند. با این حال، محاسبه راندمان جداسازی می­تواند بر اساس جرم (%w/w) نیز انجام شود.

با تغییر دادن شرایط عملیاتی هیدروسیکلون­، می­‌توان تغییرات قابل توجهی در راندمان جداسازی ایجاد کرد. برخی از شرایط اجرایی که می­توانند بر راندمان جداسازی تأثیر بگذارند عبارتند از:

  • غلظت جریان­‌های ورودی “سنگین”
  • نرخ جریان ورودی
  • نسبت جریان خروجی (جریان “سنگین” در مقابل جریان “سبک “)
  • دما
  • ویسکوزیته یا همان لزجت
  • سایر ویژگی­‌های سیال

کاربرد هیدروسیکلون­ ها شامل:

  • در کارخانه­‌های خمیر و کاغذ برای حذف ماسه، منگنه­، ذرات پلاستیک و سایر آلاینده­‌ها
  • در صنعت حفاری برای جدا کردن شن و ماسه از خاک رس، که خاکی قیمتی است و برای روانکاری در حین حفاری استفاده می‌­شود.
  • در صنعت برای جدا کردن روغن از آب یا بالعکس
  • در فلزکاری برای جداسازی ذرات فلزی از مایع خنک کننده
  • برای حذف ذرات ماسه و لجن از آبِ آبیاری برای اهداف آبیاری قطره­‌ای

هیدروسیکلون­‌ها معمولاً برای حذف الیاف بلند از مایعات توصیه نمی­شوند.

برای مشاوره و انجام شبیه سازی هیدروسیکلون‌ در نرم افزار فلوئنت، با ما در تماس باشید.

1 دیدگاه دربارهٔ «مدلسازی سیکلون و هیدروسیکلون در فلوئنت»

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
WordPress PopUp Plugin
ضمن تبریک روز مهندس کد تخفیف Engineer_Day تا 10 اسفند فعال شد.
+ +
پیمایش به بالا