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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende, Zyklone betreffende Erfindung bezieht sich auf das
technische Gebiet von Entstaubungsanlagen.
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Tatsächlich sind
Zyklone Entstauber, die bei einer Vielzahl von Industriezweigen
mit zwei komplementären
Zielen benutzt werden: Staubentfernung aus Gasen, die bei industriellen
Prozessen ermittiert werden, bevor diese in die Atmosphäre freigesetzt
werden (z.B. Abgasreinigung), sowie Staubrückgewinnung von Rohstoffen,
die bei verschiedenen Prozessen verwendet werden (z.B. Holz-, Kork-,
Eisen und Nichteinsenindustrien).
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Stand der
Technik
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Industriezyklone
sind von verschiedenen Typen, aber die häufigsten verwendeten sind Gegenstromzyklone,
wie sie in l dargestellt sind. Das
Gas tritt durch den rechteckigen Abschnitt a b ein und beschreibt eine
nach unten gerichtete Spirale, wobei diese aufgrund des aufgebauten
Druckbildes (daher die Bezeichnung „Gegenstrom") unter Umständen die
Bewegungsrichtung ändert,
und tritt durch das Vortexaustrittsrohr mit der Länge s und
dem Durchmesser De aus. Auf ihrem nach unten gerichtete Weg werden
die schwereren (gößeren oder
dichteren) Partikel gegen die Zyklonwand geschleudert und landen
am Zyklonboden, wo sie von dem Gas getrennt werden.
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Zyklonhersteller
spezifizieren ihre Typen mittels „Familien", die gekennzeichnet sind durch feste
Verhältnisse
von sieben Schlüsseldimensionen
(die Verhältnisse
von a, b, s, De, h, H und Db relativ
zum Innendurchmesser D).
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Obwohl
die ersten Zyklone auf das XIX Jahrhundert zurückdatieren, kann man erst seit
kurzem eine Zyklonabscheidetheorie benutzen, die zulässig angewendet
werden kann, um Gegenstromzyklone zu entwerfen. Diese Theorie gleicht
zuverlässig
viele Daten auf Korngrößen-Wirkungsgradkurven
miteinander ab, die beide unter Labor- und Pilot- oder Industriemaßstäben zuverlässig benutzt
werden können,
und sie wurde entwickelt von Mothes und Loffler (1988) und wird
von jetzt an als ML-Theorie bezeichnet. Ihr großer Nachteil besteht darin,
dass sie nur als ein diagnostisches Werkzeug benutzt werden kann
(nämlich
berücksichtigen
von Daten, die von vorhandenen Zyklone gesammelt worden sind) und
nicht als ein prognostizierendes Werkzeug (Vorhersagen des Zyklonverhaltens
für willkürliche Geometrien,
Betriebsbedingungen und Korngrößenverteilungen).
Das Problem liegt im Fehlen von Wissen über den Wert der Partikel-Turbulenzdiffusität, einem
fundametalen Parameter der ML-Theorie und darüber, wie sie durch die Zyklonegeometrie,
die Betriebsbedingungen und die Korngrößenverteilung beeinflusst wird.
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Einige
Forscher haben dieses Problem untersucht, eingeschlossen der Erfinder
(Clift et al., Salcedo, 1993, 1996; Salcedo und Fonseca, 1996).
Bis jetzt jedoch konnte dieser Parameter nicht durch irgendein für den Zyklonentwurf
nützliches
Verhältnis
beschrieben werden.
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Demzufolge
hat man sich bei der Konstruktion verbesserter Zyklone beschränkt auf
empirische Ansätze,
wie es sich darstellt durch die sehr wenigen auf das vorliegende
Problem bezogenen Arbeiten und wie sie in der Literatur verfügbar sind
(Li et al., 1988, Schmidt, 1993). Obwohl verbesserte Konstruktionen
durch empirische Annäherung
erhalten werden können,
sind die Verbesserungen nicht sehr signifikant, und es ist noch eine
beträchtliche
Anstrengung in der Entwicklungszeit erforderlich.
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Zusammengefasst
gibt es keine Garantie dafür,
sondern ganz im Gegenteil, dass auf dem Markt die besten Gegenstromzyklone
erhältlich
sind, z.B. solche mit den höchstmöglichen
Wirkungsgraden bei gleichzeitig reduziertem Investitions- und Betriebskostenaufwand.
Zyklonhersteller fahren fort, Zyklone basierend hauptsächlich auf
ihrer Erfahrung und empirischem Wissen zu konstruieren.
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Ein
detallierter Vergleich zwischen den hier vorgeschlagenen und den
auf dem Stand der Technik basierenden Geometrien, nämlich der
Geometrie gemäß
EP 0 564 992 und neun anderen
aus der Literaturübersicht
verfügbaren
Geometrien, wird weiter unten gemächt und zwar sowohl im abschließenden Teil
der Beschreibung der Erfindung als auch in dem die praktischen Beispiele
enthaltenden Kapitel.
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Ein neuer
Lösungsweg
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Mit
dem Ziel, Gegenstromzyklone zu schaffen, die gegenüber verfügbaren,
konkurrierenden Hochleistungszyklonen wesentlich verbesserte Wirkungsgrade
aufweisen, wurde zuerst eine Untersuchung bezüglich der Anwendbarkeit der
ML-Theorie auf die Korngrößen-Wirkungsgradkurven
(Abscheidewirkungsgrad über der
Korngröße) von
einundzwanzig Literaturfällen
durchgeführt.
Die Zyklondurchmesser variierten von 0,03658 bis 0,305 m und die
Gasdurchflussraten von 0,7 bis 835 Nm3/Std.
entsprechend sowohl Labor- als auch
Pilot- oder Industriemaßstäben. Die
eingestellte Turbulenzdiffusivität
wurde als nächstes
mit der Partikelgröße, der
Zyklongeometrie und den Betriebsbedingungen in Beziehung gebracht.
Nach einem beträchtlichen Aufwand
konnte eine empirische Korrelation erhalten werden, die mit einer
statistischen Aussagewahrscheinlichkeit von 95 % signifikant ist,
und die 70 % der beobachteten Datenabweichung erklärt. Diese
Korrelation kann mit einiger Sicherheit für die Konstruktion neuer Geometrien
von Gegenstromzyklonen verwendet werden und ist dargestellt (Salcedo
und Coelho, 1999) durch Pe
= A·ReB (1)wobei
(A, B) zwei geeignete Konstanten sind, Pe die dimensionale Peclet-Zahl
ist, die auf der Partikel-Turbulenzdiffusivität basiert, und Re die dimensionale
Reynolds-Zahl ist, die auf der Zyklongeometrie und den Betriebsbedingungen
basiert. Die Betriebsbedingungen, wenn sie verknüpft werden mit der ML-Theorie
und der Zyklongeometrie, ergeben den entsprechenden Wert von Re.
Aus der Gleichung (1) wird dann der Wert von Pe erhalten, der dann
direkt den entsprechenden Wert der Partikel-Turbulenzdiffusivität ergibt.
Die Anwendung der vorgeschlagenen Gleichung ergibt viel bessere
Resultate als die Verwendung eines konstanten Wertes der Diffusivität, wie es
einige Autoren tun (Clift et al., 1991; Hoffmann et al., 1996) oder
indem man unterschiedliche Korrelationen verwendet, wie sie in der
Literatur vorgeschlagen sind (Ogawa, 1994, 1987; Li und Wang, 1989).
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In
einer zweiten Phase wurde ein Computer-Programm entwickelt, um die
Zyklongeometrie zu optimieren und zwar basierend auf zwei verschiedenen
Kriterien: maximaler Wirkungsgrad und maximales Preis/Leistungsverhältnis. Für dieses
zweite Kriterium wurden die Investitions- und die Betriebskosten
geschätzt,
indem ein von Licht (1980) vorgeschlagener, dimensionsloser Parameter
KLicht maximiert wurde. Das Computer- Programm benutzt
die ML-Theorie mit der geschätzten
Diffusivität,
die aus der Gleichung (1) erhalten wurde und optimiert die Zyklongeormetrie,
indem es einen verfügbaren,
nichtlinearen Optimierer benutzt (Salcedo, 1992). Die Optimierung
wurde mehreren Einschränkungen
unterworfen, so wie Geometriekriterien, um vernünftige Zyklone zu erhalten,
und maximale Druckabfallkriterien, um kosteneffektive Konstruktionen
zu erhalten. Der maximale Druckabfall wurde auf 1500 Pa (= 150 mm
Wassersäule)
festgelegt, da dieses übliche Werte
bei Hochleistungszyklonen für
industrielle Anwendungszwecke sind. Eine Einschränkung bezüglich der Saltationsgeschwindigkeit
wurde ebenso unter Anwendung des Kriteriums von Kalen und Zenz (Licht
1980) vorgenommen, so dass die optimierten Konstruktionen den Zyklonen
entsprachen, bei denen die Saltation gering ist oder fehlt (Emission
von wieder mitgerissenen Partikeln in die Atmosphäre). Somit
sollten die optimierten Kostruktionen die Abscheidewirkungsgrade
nahe den angestrebten Konstruktionszielen haben.
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Da
die durch den Optimierer in der zweiten Phase erhaltenen Ergebnisse
Geometrien erzeugten, die mit den Betriebsbedingungen variierten,
war es notwendig, weitere Simulationen durchzuführen, um eine einzige Geometrie
für jedes
der beiden oben behandelten Optimierungskriterien (maximaler Wirkungsgrad
und maximales Preis/Leistungsverhältnis) zu erhalten. Nach Hunderten
von Simulations-Optimierungs-Läufen konnten ähnliche
Geometrien für
jedes der beiden Optimierungskriterien gefunden werden. Diese definieren zwei
Zyklongeometrien, die ab hier als Zyklone (A) und (B) bezeichnet
werden
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Beschreibung
der Erfindung
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Erfindungsgemäße Hochleistungs-Gegenstromzyklone – die einen
tangentialen Einlass mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
mit Seiten a und b, von denen die erste parallel zur Zyklonachse
liegt, sowie mit einem Gehäuse
der Höhe
H mit einem oberen zylindrischen Gehäuseabschnitt des Durchmessers D
und der Höhe
h und einem unteren, umgekehrten Konusabschnitt mit einer Bodenbasis
des Durchmessers Db sowie einem zylindrischen
Vortexaustrittsrohr des Durchmessers DB und
der Länge
s – mit
Geometrien, die wie oben beschrieben erhalten worden sind, sind
so gekennzeichnet jeweils für
beide Geometrien A oder B (die erste bezüglich Zyklonen mit maximalem
Wirkungsgrad und die zweite bezüglich
Zyklonen mit einem maximalen Wert für den Parameter KLicht z.B.
das Preis/Leistungs verhältnis),
dass sie die oben genannten Seiten, Höhen und Durchmesser in solchen
wechselseitigen Beziehungen haben derart, dass die Verhältnisse
entsprechend internen Dimensionen zu dem Zykloninnendurchmesser
zwischen den dimensionalen Werten liegen, wie sie in den ersten
sieben Zeilen der Tabelle 1 aufgelistet sind.
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Die
unten aufgeführte
Tabelle hat zusätzlich
dazu, dass sie die sieben Verhältnisse
der oben genannten Schlüsseldimensionen
zeigt, zwei zusätzliche
Zeilen: eine bezüglich
der dimensionslosen Konushöhe
(H/D – h/D)
und die andere bezüglich
des Preis/Leistungsverhältnisses
K
Licht. Tab.
1 – Geometrien
der optimierten Zyklone
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Zur
Verifizierung, dass die vorgeschlagenen Geometrien sehr unterschiedlich
gegenüber
den auf dem Markt erhältlichen
sind, zeigt Tabelle 2 die gleichen Verhältnisse wie in Tabelle 1, jedoch
für verschiedene
bekannte Geormetrien Tab.
2 – Geometrien
von auf dem Markt erhältlichen
Zyklonen
(Fortsetzung)
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Die
neun Zyklone von Tabelle 2 sind in Tabelle 3 identifiziert. Tabelle
3 – Identifizierung
der Zyklone von Tabelle 2
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Beim
Vergleichen der Werte aus den Tabellen 1 und 2 hat der Zyklon A
alle Verhältnisse
der sieben Schlüsseldimensionen
unterschiedlich zu allen anderen Zyklonen ausgenommen in drei Fällen, bei
denen die Unterschiede enorm sind, da nur ein Verhältnis gemeinsam
ist mit irgendeiner anderen Geometrie, während die sechs übrigen alle
unterschiedlich sind. Für
Zyklon B ist die Situation in der Zahl genau die gleiche.
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Die
Hauptcharakteristika, die die optimierten Geometrien von den anderen
Geometrien unterscheiden und die aus den Tabellen herausgelesen
werden können,
sind:
- – Gaseintritt
vorzugsweise durch einen quadratischen Querschnitt und nicht einen
rechteckigen;
- – das
Vortexaustrittsrohr hat einen kleinen Durchmesser De/D
und der Konus ist höher
(größeres H/D – h/D) beim
Zyklon A;
- – das
zylindrische Gehäuse
ist größer (größeres h/D)
und der Konus ist kürzer
(kleineres H/D – h/D)
beim Zyklon B;
- – bessere
Werte für
das Preis/Leistungsverhältnis
KLicht.
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Um
andererseits zu zeigen, dass die vorgeschlagenen Werte ganz unterschiedlich
sind von denjenigen entsprechend der Zyklonkonstruktion wie in
EP 0 564 992 beschrieben, – ab jetzt
als Zyklon 10 bezeichnet – sind
die entsprechenden Werte gemäß Tabelle
1 für diese
Geometrie in Tabelle 4 angegeben.
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Beim
Vergleichen der entsprechenden Werte aus den Tabellen 1 und 4 ist
es zu sehen, dass beide Zyklone A und B vier von sieben Verhältnissen
der Schlüsseldimensionen
vollständig
unterschiedlich zu dem Zyklon 10 haben. Auch hat Zyklon A zwei der übrigen Verhältnisse
teilweise unterschiedlich zu denjenigen des Zyklons 10, während Zyklon
B eines anders hat.
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Die
Hauptcharakteristika, die die vorgeschlagenen Geometrien von Zyklon
10 unterscheiden, sind unter anderem die aus den Tabellen 1 und
4 ersichtlich, sind die folgenden
- – Gaseintritt,
vorzugsweise durch einen quadratischen Querschnitt und nicht durch
einen rechteckigen;
- – der
Konus ist höher
(größeres H/D – h/D) bei
jedem Zyklon A, und das Vortexaustrittsrohr hat einen kleineren
Durchmesser (geringeres De/D) auf einem
Teil davon;
- – das
zylindrische Gehäuse
ist größer (größeres h/D)
und ein besserer Wert für
das Preis/Leistungsverhältnis
KLicht beim Zyklon B.
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Andererseits
ist Zyklon B relativ zu Zyklon A charakterisiert durch eine gemeinsame
Eigenschaft bezüglich
der beiden ersten drei Verhältnisse
und des letzten Verhältnisses
der Schlüsseldimensionen,
da die Intervallgrenzen für
Zyklon B innerhalb der Intervallgrenzen von Zyklon A liegen. Da
weiterhin die ersten beiden Verhältnisse
identisch sind für
jeden Zyklontyp, zeigt dieses, dass die beiden Geometrien einige
gemeinsame Gaseintrittscharakteristika haben.
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Somit
bezieht sich die vorliegende Patentanfrage auf zwei Gegenstromzyklongeometrien,
die per Computer optimiert worden sind, mit geometrischer Charakteristika,
die sehr verschieden von auf dem Markt erhältlichen Zyklonen sind und
die beide signifikant wirkungsvoller sind. Zyklon A ist der wirkungsvollste,
während
Zyklon B bei einem etwas geringeren Wirkungsgrad ebenfalls entsprechend
geringere Druckverluste und Investitions- und Betriebskosten hat.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 zeigt
einen typischen Gegenstromzyklon mit den jeweiligen Schlüsseldimensionsabmessungen;
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2 zeigt
eine tabellarische Darstellung der ersten acht Zyklone von Tabelle
2 mit einem willkürlichen Durchmesser
von 0,02 m, wobei die Einlässe
des ersten und des vierten Zyklons außen herumgeführt und
die anderen spiralförmig
sind;
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3 vergleicht
die experimentellen und die vorhergesagten Klassier-Wirkungsgrade
von Zyklon A und Zyklon 3 (Tabelle 2) im Labormaßstab. Die Betriebsbedingungen
waren: Strömungsrate
0,9m3/Std., mittlerer Massendurchmesser
1,37 μm;
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4 vergleicht
die Gesamt-Abscheidewirkungsgrade von Zyklon A mit einigen der in 2 dargestellten
Zyklongeometrien (nämlich
Zyklone 2, 3, 6 und 8) bei variierenden Strömungsgeschwindigkeiten. Die Betriebsbedingungen
waren: mittlerer Massendurchmesser 3,67 μm;
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5 ist
identisch mit 4 bei den gleichen Betriebsbedingungen,
bezieht sich aber auf Zyklon B statt auf Zyklon A;
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6 zeigt
für den
gleichen willkürlichen
Durchmesser wie in 2 und ebenfalls tabellarisch
ein Beispiel von einem Zyklon A und einem anderen eines Zyklons
B.
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Praktische
Beispiele
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Es
wurden sechs Minizyklone mit Durchmessern im Bereich von 0,0215
bis 0,07 m gebaut, um experimentell das erwartete Verhalten zu bestätigen. Drei
waren vom Stairmand HE-Typ (Zyklon 3 in Tabelle 2 und in 2),
während
die drei anderen optimiert waren. Bei allen Fällen wurde eine beträchtliche
Erhöhung
des Wirkungsgrades beobachtet.
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3 zeigt
das Verhalten von zwei Minizyklonen, jeweils Zyklon A und der andere
Zyklon 3 wie angegeben. Diese Figur zeigt die experimentellen Klassierwirkungsgrade
(dargestellt durch weiße
Punkte für
Zyklon A und schwarze Punkte für
Zyklon 3) und außerdem
für beide
Zyklone die erwarteten Klassier-Wirkungsgrade gemäß der ML-Theorie
wenn gekoppelt mit den Schätzungen
der durch die Gleichung (1) erhaltenen Turbulenzdiffusivität. Dies
sind repräsentiert
durch eine gestrichelte Kurve für
Zyklon A und eine durchgehende Kurve für Zyklon 3. Der Teststaub ist
ultrafein, da er einen mittleren Massendurchmesser von 1,37 μm hat (es ist
die Masseverteilung, die von Bedeutung ist, da die gesetzlichen
Emissionsgrenzen sich beziehen auf die Staubkonzentration auf einer
Massebasis). Die Gesamtwirkungsgrade, die gewichtete Durchschnitte
der Klassier-Wirkungsgrade
sind, wobei die Korngrößenverteilung
berücksichtigt
wird, betrugen 38 % bzw. 55 % für
die Zyklone 3 und A, d.h. die Durchlässe bei dem optimierten Zyklon
waren 27 % geringer im Vergleich zu dem Stairmand HE-Zyklon.
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Das
erwartete Zyklonverhalten unter industriellen Bedingungen kann den 4 und 5 entnommen
werden, die für
einen sehr feinen Staub (mittlerer Massendurchmesser 3,67 μm) die erwartete
Abscheidung für
die zwei optimierten Familien A und B vergleichen mit denjenigen
von vier Hochleistungsgeometrien (Licht 1980; Li et al., 1988).
Der Abscheidezuwachs der optimierten Geometrien ist signifikant.
Bei Strömungsraten
zwischen 100-200 Nm3/Std., typisch für industrielle
Multizyklone (parlallel liegende Zyklone mit kleinem Durchmesser),
sind die erwarteten Durchlässe
der Geometrie A um etwa 30-45 % geringer als bei Hochleistungszyklonen
vom Swift HE- bzw. Stairmand HE-Typ (4). Für die Geometrie
B sind die erwarteten Durchlässe
um 25-30 % geringer (5).
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Beim
Vergleich des vorhergesagten Verhaltens des Zyklons
10 (
EP 0 564 992 ) mit den vorgeschlagenen
Geometrien, und zwar für
den gleichen Staubtypus entsprechend
4 und beispielsweise
einer Strömungsrate
von 110 m
3/Std., was typisch ist für industrielle
Multizyklone, liegt, während
der Gesamtwirkungsgrad bei dem Zyklon A 72,5 % ist, dieser für den Zyklon
10, wie er in
1 dargestellt ist, zwischen
65 % und 78 %, und zwar in Abhängigkeit
davon, ob dessen Dimensionierung erfolgt ist unter Berücksichtigung
der maximal zulässigen
Einströmgeschwindigkeit,
um Saltation zu vermeiden, oder nicht. Es ist klar, dass Zyklon
10 keine Hochleistungskonstruktion ist.
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Es
ist damit zu erwarten, dass die optimierten Geometrien bei vergleichbarem
Druckabfall und vergleichbaren Saltations-(Wiedermitreiss-)effekten
die Durchlässe
im Vergleich zu anderen Hochleistungskonstruktionen signifikant
reduzieren können.
Diese Schlussfolgerungen stimmen überein mit den experimentell unter
Laborbedingungen beobachteten Daten.
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Die
Entwicklung von Zyklonen mit Abscheidewirkungsgraden, die signifikant
höher sind
als die gegenwärtig
mit Hochleistungskonstruktionen erreichbaren, insbesondere für Korngrößen von
etwa 2-3 μm
hat ein gutes Potential für
die industrielle Anwendung. Verschiedene Industriezweige (Holzverarbeitung,
Eisen- und Nichteisenverarbeitung, Zementindustrie, chemische Industrie
jeweils in Pulver- oder Granulatform, Düngemittelindustrie) ebenso
wie einfach die Abgasreinigung können
demnach von wenig kostenaufwendigen Anlagen mit hohem Abscheidewirkungsgrad
profitieren, um die Verwendung von bei weitem teureren Anlagen zu
vermeiden, wie etwa elektrostatischen Abscheidern und Filterbeuteln.
Selbst wenn die gesetzlichen Grenzwerte mit dem Einsatz von elektrostatischen
Abscheidern oder Filterbeuteln verschärft werden sollten, ließe sich
der Einsatz von Hochleistungszyklonen als Primärabscheider leicht rechtfertigen
im Hinblick auf den Schutz, den sie für die teureren Anlagen mit
sich brächten.
Für den
Fall von sehr hohen Temperaturen sind Zyklone außerdem die allein verfügbaren Mittel
für die
Staubabscheidung.
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Referenzen
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de captação de poeiras
nos locais de trabalho',
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of the Fine Solid Particles on the Concave Wall Surface in the Vortex
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Efficiencies and Particle Size Distributions from Sampling Cyclones – Comparison
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