الانفصال الإعصاري

الفصل الإعصاري هو طريقة لإزالة الجسيمات من تيارات الهواء أو الغاز أو السوائل، دون استخدام مرشحات ، وذلك عن طريق الفصل الدوامي . ^{[ 1 ]} عند إزالة الجسيمات من السوائل، يُستخدم جهاز الفصل الإعصاري المائي ؛ أما عند إزالة الجسيمات من الغازات، فيُستخدم جهاز الفصل الإعصاري الغازي. وتُستخدم التأثيرات الدورانية والجاذبية لفصل مخاليط المواد الصلبة والسوائل. كما يمكن استخدام هذه الطريقة لفصل قطرات السائل الدقيقة من تيار غازي.

يُنشأ تيار هوائي دوار عالي السرعة داخل حاوية أسطوانية أو مخروطية تُسمى الإعصار. يتدفق الهواء بشكل حلزوني ، بدءًا من أعلى الإعصار (الطرف العريض) وانتهاءً بأسفله (الطرف الضيق)، قبل أن يخرج منه في تيار مستقيم عبر مركزه. تمتلك الجسيمات الأكبر حجمًا (الأكثر كثافة) في التيار الدوار قصورًا ذاتيًا كبيرًا يمنعها من اتباع المنحنى الضيق للتيار، فتصطدم بالجدار الخارجي، ثم تسقط إلى قاع الإعصار حيث يمكن إزالتها. في النظام المخروطي، مع تحرك التيار الدوار نحو الطرف الضيق للإعصار، يقل نصف قطر دوران التيار، مما يؤدي إلى فصل الجسيمات الأصغر حجمًا. يحدد شكل الإعصار، بالإضافة إلى معدل التدفق الحجمي ، نقطة القطع. وهي حجم الجسيمات التي ستُزال من التيار بكفاءة 50%. ^{[ 2 ]} ستتم إزالة الجسيمات الأكبر من نقطة القطع بكفاءة أكبر، بينما ستتم إزالة الجسيمات الأصغر بكفاءة أقل لأنها تنفصل بصعوبة أكبر أو قد تتعرض لإعادة الالتحام عندما ينعكس اتجاه دوامة الهواء لتتحرك باتجاه المخرج. ^{[ 3 ]}

An alternative cyclone design uses a secondary air flow within the cyclone to keep the collected particles from striking the walls, to protect them from abrasion. The primary air flow containing the particulates enters from the bottom of the cyclone and is forced into spiral rotation by stationary spinner vanes. The secondary air flow enters from the top of the cyclone and moves downward toward the bottom, intercepting the particulate from the primary air. The secondary air flow also allows the collector to optionally be mounted horizontally, because it pushes the particulate toward the collection area, and does not rely solely on gravity to perform this function.

Cyclone separators are found in all types of power and industrial applications, including pulp and paper plants, cement plants, steel mills, petroleum coke plants, metallurgical plants, saw mills and other kinds of facilities that process dust.^[4]

Large-scale cyclones are used in sawmills to remove sawdust from extracted air. Cyclones are also used in oil refineries to separate oils and gases, and in the cement industry as components of kiln preheaters. Cyclones are increasingly used in the household, as the core technology in bagless types of portable vacuum cleaners and central vacuum cleaners. Cyclones are also used in industrial and professional kitchen ventilation for separating the grease from the exhaust air in extraction hoods.^[5] Smaller cyclones are used to separate airborne particles for analysis. Some are small enough to be worn clipped to clothing, and are used to separate respirable particles for later analysis.

Similar separators are used in the oil refining industry (e.g. for Fluid catalytic cracking) to achieve fast separation of the catalyst particles from the reacting gases and vapors.^[6]

Cyclone fans are widely utilized in industrial air handling and ventilation systems due to their ability to generate high centrifugal force. ^[7] Their primary application is in dust collection systems, where they separate and recover medium-to-large particulate matter—such as sawdust, cement dust, and agricultural grains—in woodworking, construction, and milling facilities. Additionally, cyclone technology is integrated into industrial roof ventilators for heat extraction and in household vacuum cleaners to separate debris from airflow, preventing filter clogs and maintaining consistent suction power.

تُسمى الأجهزة المماثلة لفصل الجزيئات أو المواد الصلبة عن السوائل بالهيدروسيكلونات أو الهيدروكلونات. ويمكن استخدامها لفصل النفايات الصلبة عن الماء في معالجة مياه الصرف الصحي .

أكثر أنواع المجمعات الطاردة المركزية، أو التي تعمل بالقصور الذاتي، شيوعًا المستخدمة اليوم هي:

فواصل متعددة الأعاصير

تتكون فواصل الأعاصير المتعددة من عدد من الأعاصير ذات القطر الصغير، والتي تعمل بالتوازي ولها مدخل ومخرج غاز مشترك، كما هو موضح في الشكل، وتعمل على نفس مبدأ فواصل الأعاصير الفردية - مما يؤدي إلى إنشاء دوامة خارجية هابطة ودوامة داخلية صاعدة.

تُزيل فواصل الأعاصير المتعددة كمية غبار أكبر من فواصل الأعاصير المفردة، وذلك لأن الأعاصير الفردية تتميز بطول أكبر وقطر أصغر. يوفر الطول الأكبر فترة بقاء أطول، بينما يُولّد القطر الأصغر قوة طرد مركزي أكبر. يؤدي هذان العاملان إلى فصل أفضل لجزيئات الغبار. يكون انخفاض الضغط في مجمعات فواصل الأعاصير المتعددة أعلى منه في فواصل الأعاصير المفردة، مما يتطلب طاقة أكبر لتنقية نفس كمية الهواء. يُعد فاصل الإعصار ذو الحجرة الواحدة بنفس الحجم أكثر اقتصادية، ولكنه لا يُزيل نفس كمية الغبار.

بما أن الإعصار هو في الأساس نظام ثنائي الطور من الجسيمات والمائع، فإنه يمكن استخدام ميكانيكا الموائع ومعادلات نقل الجسيمات لوصف سلوك الإعصار. يُدخل الهواء في الإعصار مبدئيًا بشكل مماس إلى داخله بسرعة دخول محددة.${\displaystyle V_{in}}$. بافتراض أن الجسيم كروي الشكل، يمكن إجراء تحليل بسيط لحساب أحجام الجسيمات الحرجة للفصل.

إذا أخذنا في الاعتبار جسيمًا معزولًا يدور في الجزء الأسطواني العلوي من الإعصار بنصف قطر دوران يبلغ${\displaystyle r}$انطلاقًا من المحور المركزي للإعصار، تتعرض الجسيمات لقوى السحب والطرد المركزي والطفو . ونظرًا لأن سرعة المائع تتحرك بشكل حلزوني، يمكن تقسيم سرعة الغاز إلى سرعتين مركبتين: مركبة مماسية ،${\displaystyle V_{t}}$ومكون سرعة شعاعية خارجية${\displaystyle V_{r}}$وبافتراض قانون ستوكس ، فإن قوة السحب في الاتجاه القطري الخارجي التي تعاكس السرعة الخارجية على أي جسيم في تيار المدخل هي:

${\displaystyle F_{d}=-6\pi r_{p}\mu V_{r}.}$

استخدام${\displaystyle \rho _{p}}$باعتبار كثافة الجسيم، فإن المكون المركزي في الاتجاه القطري الخارجي هو:

${\displaystyle F_{c}=m{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle ={\frac {4}{3}}\pi \rho _{p}r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}.}$

تكون مركبة قوة الطفو في الاتجاه القطري الداخلي. وهي في الاتجاه المعاكس لقوة الطرد المركزي للجسيم لأنها تؤثر على حجم من السائل أقل من حجم السائل المحيط به.${\displaystyle \rho _{f}}$بالنسبة لكثافة السائل، تكون قوة الطفو كالتالي:

${\displaystyle F_{b}=-V_{p}\rho _{f}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle =-{\frac {4\pi r_{p}^{3}}{3}}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}.}$

في هذه الحالة،${\displaystyle V_{p}}$يساوي حجم الجسيم (وليس سرعته). ويتم تحديد الحركة الشعاعية الخارجية لكل جسيم عن طريق مساواة قانون نيوتن الثاني للحركة بمجموع هذه القوى:

${\displaystyle m{\frac {dV_{r}}{dt}}=F_{d}+F_{c}+F_{b}}$

لتبسيط هذا، يمكننا أن نفترض أن الجسيم قيد الدراسة قد وصل إلى "السرعة النهائية"، أي أن تسارعه${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}}$يساوي صفرًا. يحدث هذا عندما تتسبب السرعة الشعاعية في قوة سحب كافية لموازنة قوى الطرد المركزي والطفو. هذا التبسيط يُغير معادلتنا إلى:

${\displaystyle F_{d}+F_{c}+F_{b}=0}$

والذي يتوسع إلى:

${\displaystyle -6\pi r_{p}\mu V_{r}+{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{p}-{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}=0}$

حل لـ${\displaystyle V_{r}}$لدينا

${\displaystyle V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})}$.

لاحظ أنه إذا كانت كثافة السائل أكبر من كثافة الجسيم، فإن الحركة تكون سالبة (-)، باتجاه مركز الدوران، وإذا كانت كثافة الجسيم أكبر من كثافة السائل، فإن الحركة تكون موجبة (+)، بعيدًا عن المركز. في معظم الحالات، يُستخدم هذا الحل كدليل إرشادي في تصميم الفاصل، بينما يتم تقييم الأداء الفعلي وتعديله تجريبيًا.

في ظروف عدم التوازن عندما لا يكون التسارع القطري صفرًا، يجب حل المعادلة العامة المذكورة أعلاه. بإعادة ترتيب الحدود نحصل على

${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}+{\frac {9}{2}}{\frac {\mu }{\rho _{p}r_{p}^{2}}}V_{r}-\left(1-{\frac {\rho _{f}}{\rho _{p}}}\right){\frac {V_{t}^{2}}{r}}=0}$

منذ${\displaystyle V_{r}}$تمثل هذه المعادلة التفاضلية من الدرجة الثانية المسافة لكل وحدة زمنية، وهي على الصورة التالية:${\displaystyle x''+c_{1}x'+c_{2}=0}$.

أظهرت التجارب أن مركبة السرعة في التدفق الدوراني تتناسب مع${\displaystyle r^{2}}$لذلك ، ^{[ 9 ]}

${\displaystyle V_{t}\propto r^{2}.}$

وهذا يعني أن سرعة التغذية المحددة تتحكم في معدل الدوامة داخل الإعصار، وبالتالي فإن السرعة عند نصف قطر عشوائي هي:

${\displaystyle U_{r}=U_{in}{\frac {r}{R_{in}}}.}$

بعد ذلك، بالنظر إلى قيمة لـ${\displaystyle V_{t}}$، وربما بناءً على زاوية الحقن ونصف قطر القطع، يمكن تقدير نصف قطر ترشيح الجسيمات المميز، والذي سيتم إزالة الجسيمات فوقه من تيار الغاز.

• نظام تجميع الغبار الأفقي عالي الكفاءة ^{[ تمت إزالة الرابط ]}
• براءة الاختراع رقم 2377524 (يونيو 1945)
• رابط بديل لبراءة الاختراع المذكورة