اثر میدان الکتریکی بر عملکرد یک سیکلون مربعی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 1، دوره 37، شماره 2 - شماره پیاپی 40، خرداد 1404، صفحه 1-12   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2024.88376.1265

نویسندگان

مهسا فتحی؛ مرتضی بیاره^*

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

جداسازی ذرات جامد از فاز مایع یا گاز غالباً با استفاده از دستگاه‌های مکانیکی انجام می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها، سیکلون‌ها هستند. ساختار ساده و هزینه‌های تولید و تعمیر و نگهداری کم باعث افزایش استفاده از جداکننده‌های سیکلون در صنایع برق، پتروشیمی، سیمان، چوب و ... شده است. هدف از این مطالعه بررسی اثر میدان ‌الکتریکی بر عملکرد یک سیکلون مربعی‌شکل است. از روش تنش رینولدز برای مدل‌کردن جریان مغشوش استفاده می‌شود. برای ردیابی ذرات جامد از کوپلینگ یک‌راهه و جهت مدل کردن جریان دوفازی از رویکرد اویلری-لاگرانژی بهره‌گیری خواهد شد. نیروی الکتریسیته توسط یک باتری لیتیوم -یونی به بدنه سیکلون اعمال شده و سرعت مماسی، سرعت محوری و افت فشار در ولتاژ‌های مختلف با هم مقایسه می‌شود. نتایج نشان دادند که نیروی الکتریسیته علاوه بر افزایش سرعت مماسی و سرعت محوری که باعث ازدیاد نیروی گریز از مرکز در سیکلون می‌شود، موجب پایدار شدن جریان شده و هوای خالص‌تری را وارد ورتکس‌یاب می‌کند. افزایش بازده و کاهش افت‌ فشار در اثر اعمال میدان الکتریکی نشان‌دهنده بهبود عملکرد سیکلون موردمطالعه است. نیروی الکتریکی باعث می‌شود افت‌فشار ناشی از عبور جریان سیال از این دستگاه در مقایسه با حالت بدون الکتریکی به مراتب کمتر شود. در نتیجه، سیکلون مربعی قادر خواهد بود گستره وسیعی از ذرات را با بازده بالا و افت فشار کم جدا نماید.

کلیدواژه‌ها

جداسازی ذرات؛ سیکلون مربعی؛ میدان الکتریکی؛ بازده جداسازی؛ افت فشار

مراجع

[1] E. Dehdarinejad, M. Bayareh, “An overview of numerical simulations on gas‐solid cyclone separators with tangential inlet,” ChemBioEng Reviews. vol. 8, no. 4, pp. 375-391, 2021. https://doi.org/10.1002/cben.202000034.

[2] E. Dehdarinejad, M. Bayareh, M. Ashrafizaadeh, “Impact of cone wall roughness on turbulence swirling flow in a cyclone separator,” Chemical Papers, vol. 76, pp. 5579–5599, 2022. https://doi.org/10.1007/s11696-022-02261-6.

[3] A. C. Hoffmann, R. De Jonge, H. Arends, C. Hanrats, “Evidence of the ‘natural vortex length’ and its effect on the separation efficiency of gas cyclones,” Filtration & Separation, vol. 32, no. 8, pp. 799–804,1995. https://doi.org/10.1016/S0015-1882(97)84131-6.

[4] Y. Chen, M. Nieskens, R. Karri, T. M. Knowlton, “Developments in cyclone technology improve FCC unit reliability,” Petroleum Technology Quarterly, vol. 15, no. 3, pp. 65–71, 2010.

[5] A. Avci, I. Karagoz, A. Surmen, “Development of a new method for evaluating vortex length in reversed flow cyclone separators,” Powder Technology, vol. 235, pp. 460–466, 2013.

[6] L. K. Wang, N. C. Pereira, Y. T.  Hung, Air Pollution Control Engineering, Totowa, New Jersey, USA, 2004.

[5] L. Svarovsky, Hydrocyclones Holt, Rinehart and Winston East Sussex, “Beneficiation of White Kaolinitic Sandstone to Produce Kaolin Concentrate from Wadi Siq-Rakyia Area in Wadi Araba, Jordan,” Open Journal of Geology, vol.10, no. 8, 2020.

[7] F. Boysan, W. H. Ayer, J. Swithenbank, “Fundamental mathematical-modelling approach to cyclone design,” Transactions of the Institution of Chemical Engineers. vol. 60, no. 4, pp. 222–230, 1982.

[8] I. Karagoz, F. Kaya, “CFD investigation of the flow and heat transfer characteristics in a tangential inlet cyclone,” International Journal of Heat and Mass Transfer. vol. 34, pp. 1119–1126, 2007. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.05.017.

[9] L. Ma, D. B. Ingham, X. Wen, “Numerical modeling of the fluid and particle penetration through small sampling cyclones,” Journal of Aerosol Science, vol. 31, no. 9, pp. 1097–1119, 2000. https://doi.org/10.1016/S0021-8502(00)00016-1.

[10] M. S. Shin, H. S. Kim, D. S. Jang, J. D. Chung, M. Bohnet, “A numerical and experimental study on a high efficiency cyclone dust separator for high temperature and pressurized environments,” Applied Thermal Engineering., vol. 25, no. 11-12, pp. 1821–1835, 2005. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.11.002.

[11] T. Mothilal, K. Pitchandi, “Influence of inlet velocity of air and solid particle feed rateon holdup mass and heat transfer characteristics in cyclone heat exchanger,” Journal of Mechanical Science and Technology., vol. 29, 4509-4518, 2015. https://doi.org/10.1007/s12206-015-0950-z.

[12] J. Gimbun, T. G. Chuah, T. S. Y. Choong, A. Fakhru’l-Razi, “Prediction of the effects of cone tip diameter on the cyclone,” Journal of Aerosol Science., vol. 36, no. 8, pp. 1056–1065, 2005. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2004.10.014.

[13] B. Zhao, Y. Su, J. Zhang, “Simulation of gas flow pattern and separation efficiency in cyclone with conventional single and spiral double inlet configuration,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 84, no. 12, pp. 1158–1165, 2006. https://doi.org/10.1205/cherd06040.

[14] K. W. Chu, B. Wang, A. Vince, A. B. Yu, G. D. Barnett, P. J. Barnett, “CFD-DEM study of the effect of particle density distribution on the multiphase flow and performance of dense medium cyclone,” Minerals Engineering, vol. 22, no. 11, pp. 893–909, 2009. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2009.04.008.

[15] K. W. Chu, B. Wang, A. B. Yu, A. Vince, “CFD-DEM modelling of multiphase flow in dense medium cyclones,” Powder Technolgi, vol. 193, no. 3, pp. 235–247, 2009. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.03.015.

[16] K. Elsayed, C. Lacor, “Optimization of the cyclone separator geometry for minimum pressure drop using mathematical models and CFD simulations,” Chemical Engineering., Sci, vol. 65, no. 22, pp. 6048–6058, 2010. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.08.042.

[17] M. Azadi, M. Azadi, A. Mohebbi, “A CFD study of the effect of cyclone size on its performance parameters,” Journal of Hazardous Materials, vol. 182, no. 1-3, pp. 835–841, 2010. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.06.115.

[18] J. J. H. Houben, S. Pirker, “CFD Simulations of Pressure Drop and Velocity Field in a Cyclone Separator with Central Vortex Stabilization Rod,” Journal of Hazardous Materials, vol. 9, no. 1, pp. 487-499, 2016. https://doi.org/10.18869/acadpub.jafm.68.224.23934.

[19] S. G. Bogodage, A. Y. T. Leung, “CFD simulation of cyclone separators to reduce air pollution,” Powder Technol, vol. 286, pp. 488–506, 2015. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.08.023.

[20] E. Muschelknautz, V. Greif, “Cyclones and Other Gas–Solids Separators, Circulating Fluidized Beds,” Blackie Academic & Professional, 1997. https://doi.org/10.1007/978-94-009-0095-0_6.

[21] E. Balestrin, R.K. Decker, D. Noriler, J.C.S.C. Bastos, H.F. Meier, “An alternative for the collection of small particles in cyclones: experimental analysis and CFD modeling,” Separation and Purification Technology, vol. 184, p. 5465, 2017. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.04.023.

[22] S. Yuu, T. Jotaki, K. Yoshida, “The reduction of pressure drop due to dust loading in a conventional cyclone,” Chemical Engineering Science, vol. 33, no. 12,  pp. 1573–1580, 1978. https://doi.org/10.1016/0009-2509(78)85132-X.

[23] A. J. Hoekstra, “Gas Flow Field and Collection Efficiency of Cyclone Separators,” Ph.D.thesis, Technical University Delft, 2000.

[24] A. C. Hoffmann, A. Santen, R.W.K. van Allen, “Effects of geometry and solid load in on the performance of gas cyclones,” Powder Technology. vol. 70, no. 1, pp. 83–91, 1992. https://doi.org/10.1016/0032-5910(92)85058-4.

[25] M. Zamani Mohiabadi, F. Soltani, A. Borumandpour, Q. Sheikhzadeh, “Prediction of flow in two-dimensional asymmetric diffuser by neural network and comparison of results with three turbulence models and experimental data,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 34, no. 2, pp. 45-60, 2022. https://doi.org/10.22067/jacsm.2022.74041.1076.

[26] A. Jahanbakhshi, A. Ahmadi Nadushan, M. Bayareh, “Effect of adding microtube on thermal and hydrodynamic behavior of a heatsink microchannel for nanofluid flow,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 34, no. 1, pp. 21-36, 2022. 10.22067/jacsm.2022.75344.1100.

[27] A. Jahanbakhshi, A. Ahmadi Nadushan, D. Bahrami, M. Bayareh, “Numerical investigation of forced displacement in a microchannel Numerical investigation of forced convection in a microchannel in the presence of the slip condition and nanofluid,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 34, no. 4, pp. 53-64, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2013.07.020.

[28] A. Nabi Far Khafri, M. Bayareh, “Numerical simulation of a micropump based on piezoelectric actuator. Applied and computational sciences in mechanics,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 36, no. 3, pp. 1-14, 2024. 10.22067/jacsm.2024.80610.1158.