BİR TOZ TUTUCU SİKLON AYRICININ TASARIMI VE SAYISAL METODLAR KULLANILARAK İYİLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 BİR TOZ TUTUCU SİKLON AYRICININ TASARIMI VE SAYISAL METODLAR KULLANILARAK İYİLEŞTİRİLMESİ Murat ERBAŞ 1, Alper SOFUOĞLU, Atilla BIYIKOĞLU 3 ve İbrahim USLAN 4 Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Maltepe, Ankara 1 merbas@gazi.edu.tr; masofuoglu@gazi.edu.tr; 3 abiyik@gazi.edu.tr; 4 iuslan@gazi.edu.tr Özet: Bu çalışmada, tozların ayrılmasında kullanılacak bir siklon ayırıcının ön tasarımı, Muschelknautz yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Ön tasarım kullanılarak, siklon parametrelerinin - siklon boyu, çapı, gaz giriş kesiti, işletim parametrelerinin toz tutuculuğu, toz parçacık boyutu, basınç düşüşüne olan etkileri sayısal yöntemlerle araştırılmıştır. Belirli işletim şartları altında, siklon parametreleri optimize edilmiş ve siklon tasarımı iyileştirilmiştir. İyileştirilen tasarım, literatürdeki mevcut deneysel veriler kullanılarak test edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Siklon Ayırıcı Tasarımı; Sayısal Metod; Optimizasyon; Tasarım İyileştir Abstract: In this study, a cyclone separator used to separate powders is pre-designed by using Muschelknautz method. Using pre-design, the influence of cyclone parameters cyclone height, diameter, gas inlet section, operation parameters on powder catching, powder size, pressure drop is investigated using numerical methods. Under certain operation parameters, cyclone parameters are optimized and cyclone design is improved. Improved design is validated using experimental results in literature. Keywords: Cyclone Separator Design; Numerical Methods; Optimization; Design Optimization 1. GİRİŞ Siklonlar, katı taneler olan gaz akışında katı taneleri gazdan ayırarak gazın temizlenmesinde kullanılan cihazlardır. Siklonların önemli kullanım alanlarından biri de ayırıcı olarak kullanılmasıdır. Uygulamalarda çeşitli geometrilere sahip siklonlar bulunmaktadır. Siklonların performansı toz tutma verimleriyle ve basınç düşüşleriyle belirlenir. Siklonların toz tutma verimlerinin yüksek, basınç düşüşlerinin düşük olması istenir. Siklon tasarımlarında bu performans ne dikkat edilmesi gerekir. Toz tutma verimini gaz giriş hızı, siklon boyutu, siklon çapı ve siklon girdap dönme hızının etkilediği görülmüştür(hofmann ve Stein, 008). Siklonların geometrisinin performanslarına etkilerini inceleyen birçok deneysel ve nümerik çalışma mevcuttur. Bu çalışmaların bazılarında performansı etkileyen önemli geometrik değişkenlerin dikkate alınmaması ve performans kriterlerinin aynı anda birlikte ele alınmaması bu çalışmalardaki önemli eksiklikler olmuştur. Bu çalışmada bu eksik yönler dikkate alınmıştır. Bu çalışmada bir siklon ayırıcı Muschelknautz metodu kullanılarak tasarlanmıştır. Bu yöntem ile tasarımda ortalama toz yakalama çapının(kesme boyutu) ve basınç düşüşünün düşük olması istenir. Bu amaçların sağlanması amacıyla çok amaçlı genetik algortritma yaklaşımı kullanılmıştır. MATLAB programı kullanılarak yapılan çalışmada tasarım değişkenlerinin uygun hesaplanmıştır.. LİTERATÜR TARAMASI Literatürde siklon ayırıcı tasarımıyla ilgili birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalardan bazıları yayın yıllarına göre aşağıda özetlenmiştir. Stairmand (1951) silindir uzunluğunun ve çıkış borusu uzunluğunun siklon çapının sırasıyla 1.5 ve 0.5 katı olduğunda tasarım açısından en iyi siklonun elde edildiğini görmüştür(elyased ve Lacor, 010;Stairmand 1951). Molerrus ve Glückler (1996) yeni bir siklon ayırıcı tasarımı gerçekleştirmişlerdir. Deneysel çalışmalar sonucunda toplama veriminin %99.9 a kadar yükseldiğini toz yakalama çapının 10 μm civarında olduğunu görmüşlerdir. Ravi vd. (000) ters akışlı paralel bağlı siklon ayırıcılar için bastırılmamış sınıflandırmalı genetik algoritmayı kullanmışlardır. İki amaç olarak toplam verimin en büyüklenmesi ve basınç düşüşünün minimize edilmesi seçilmiştir. Ayrıca paralel olarak kullanılan uygun siklon sayısını ve geometrik boyutları belirlemişlerdir. Siklon 4

2 ve vorteks çapının, paralel olarak kullanılan siklon sayısının sonuçları etkileyen önemli değişkenler olduğunu belirlemişlerdir. Avcı ve Erel (003) doğal girdap uzunluğu içerisinde kalan siklonlarda ayırma veriminin siklon boyu ile devamlı artıp artmadığını incelemişlerdir. Bunun için kuramsal bir yaklaşım geliştirmişlerdir. Çalışma şartlarına göre siklonlar için optimum bir siklon uzunluğunun olabileceği ve optimum siklon uzunluğunun üzerine çıkıldığında siklon veriminin azalacağı sonucuna varmışlardır. Model sonuçları deneysel sonuçlarla da kıyaslanmış ve tutarlılığı görülmüştür. Swamee vd. (009) paralel olarak kullanılan optimum siklon sayısını, boyutunu, siklon barrel çapını ve çıkış borusu çapını araştırmışlardır. Toz boyutu ve basınç düşüşü olarak iki amaç fonksiyonu tek amaç fonksiyonuna çevrilmiştir. Stairmand modelini, Gerard ve Liddle formüllerini kullanmışlardır. Ji vd. (009) düşük toz konsantrasyonları altında siklon ayırıcılar için deneysel araştırmalar yapmışlardır mg/m 3 toz konsantrasyonlarında, siklon ayırıcının giriş ve çıkışındaki parçacık birikmesinin toplam verimi ve toz yakalama verimi üzerinde önemli etkisi olduğunu görmüşlerdir. Toz boyutları, farklı giriş gaz hızlarında ve düşük toz konsantrasyonlarında sırasıyla Barth, Mothes, Laffer ve Muschelknautz modelleriyle hesaplanmıştır. Artan toz konsantrasyonuyla ve gaz giriş hızıyla tüm toplam veriminin ve toz yakalama veriminin arttığı ve 10 μm den büyük tozların büyük bölümünün siklon ayırıcıdan ayrıldığını görmüşlerdir. Parçacık topaklanması riskinin artan toz konsantrasyonuyla arttığını gözlemlemişlerdir. Elyased ve Lacor (010) matematiksel model ve CFD(Hesaplamalı akışkanlar dinamiği) simülasyonlarını kullanarak en düşük basınç düşüşü sağlayan siklon ayırıcı tasarımını gerçekleştirmişlerdir. Mushelknauts metodunu kullanarak yanıt yüzey yaklaşımını gerçekleştirmişler ve siklon geometrisinin boyutlarını eniyilemişlerdir. Dört geometrik faktörün siklon performansı üzerinde önemli etkiye sahip olduğunu görmüşlerdir. Bunlar vorteks çapı, giriş genişliği, giriş uzunluğu ve siklonun toplam yüksekliğidir. CFD çalışmalarında Reynolds Stress Modeli ni(rsm) kullanmışlardır. Sonuçta minimum basınç düşüşünü veren yeni geometrik boyutları belirlemişlerdir. Yeni tasarımda basınç düşüşü Mushelknauts metodu ve CFD ile sırasıyla 450 N/m ve 487 N/m ye düşmüştür. Ayrıca toz yakalama çapı sırasıyla 1.77 ve 1.6 μm olmuştur. Azadi vd. (010) siklon boyutlarının siklonun performans parametrelerine etkilerini CFD(3 boyutlu Eulerian-Langrangian akış dinamiği) çalışmasıyla ele almışlardır. Siklon boyutlarının ve giriş hızının basınç düşüşüne ve toz boyutuna etkilerini araştırmışlardır. RNG(Reynolds Normalize Grup), k-ɛ türbülans RSM modellerini türbülanslı akışı modellemek için kullanmışlardır. RSM modelinin sonuçları deneysel veriler ile daha iyi örtüşmüştür. Siklon boyutlarının artmasıyla oralama toz yakalama çapının ve basınç düşüşünün arttığını görmüşlerdir. Yüksek giriş hızıyla daha düşük toz yakalama çapları elde etmişlerdir. Deneysel ve CFD sonuçları arasında toz boyutu için %.3, %3.4 ve %3.6 farklar olduğunu görmüşlerdir. Pishbin ve Moghiman (010), optimum siklon tasarımı için genetik algoritma yaklaşımını kullanmışlardır. 7 geometrik değişken üzerinde çalışmışlardır. boyutlu eksenel akış simülasyonlarından elde ettikleri verileri kulanmışlardır. Ağırlıklı toplam genetik algoritma(weighted sum genetic algorithm) yaklaşımını kullanmışlardır. Siklonunun verimini %85 in üzerine çıkarmışlar ve basınç kayıplarını düşürmüşlerdir. Siklondaki konik bölümün eğimi ve yüksekliği arttığında toplama veriminin arttığını görmüşlerdir. Vorteks çapının artması basınç kayıplarının düşüşüne neden olmuştur. Alt konik bölümün boyutları düşürüldüğünde toplama veriminin arttığı görülmüştür. Safikhani vd. (011) CFD ve yapay sinir ağlarını kullanarak kare siklonlar için çok amaçlı optimizasyon çalışması yapmışlardır. Öncelikle toplama verimini ve basınç düşüşünü kare siklonlar için nümerik olarak CFD analiziyle incelemişlerdir. Siklonun geometrik tasarım değişkenleriyle basınç düşüşü ve toplama verimini yapay sinir ağlarıyla modellemişlerdir. Yapay sinir ağlarını kullanarak çok amaçlı genetik algoritma yaklaşımını kullanmışlardır. Elyased ve Lacor (01) siklonun geometrik boyutlarının basınç düşüşünü ve toz boyutunu nasıl etkilediğini araştırmışlardır. Bunun için çok amaçlı bir optimizasyon çalışması yapmışlardır. Öncelikle deneysel verileri kullanarak yapay sinir ağlarını eğitip test etmişlerdir. Yapay sinir ağları yardımıyla Euler sayısını, Iozia ve Leith modeli yardımıyla Stokes sayısını kullanarak 16 farklı durumu test etmişlerdir. Çok amaçlı genetik algoritma yaklaşımını kullanarak toz boyutunu ve basınç düşüşünü minimize etmişlerdir. Vorteks çapının, vorteks uzunluğunun, iç genişliğinin, iç uzunluğunun ve toplam yüksekliğin siklon performansını önemli bir şekilde etkilediğini görmüşlerdir. 3. METOD 3.1. Muschelknautz Metodu Hoffmann ve Stein (008) siklon ayırıcı tasarımında oldukça pratik bir yöntem (Muschhelknautz yöntemi) önermişlerdir. Bu çalışmada siklon ayırıcı tasarımında Muschelknautz metodu kullanılmış, daha sonra bu tasarımın optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu metot ile basınç kayıpları ve ortalama toz yakalama çapı 43

3 hesaplanarak iki amaç arasında ödünleşme gerçekleştirilir. Siklon gövdesindeki kayıplar şu şekilde hesaplanır. far V wv CS P1 (1) 1.8Q Merkez ve vorteks bölgesindeki kayıplar şu şekilde hesaplanır. V Vx 1 CS CS Vx P () V 3 Vx Eşitlik 3 te verilen toplam basınç kayıpları minimize edilmeye çalışılır. P P 1 P (3) Ortalama toz yakalama çapı (kesme boyutu), %50 olasılıkla siklon tarafından yakalanan toz parçacık çapıdır. Eşitlik 4 te hesaplanan ortalama toz yakalama çapı siklonun ayırma performansını gösterir. Aynı zamanda toz yakalama verimi hakkında da bilgi verir. İyi bir siklon ayırıcı tasarımı için bu çapın minimize edilmesi gerekir. X 50 X fact ( P Q ) V CS H S (4) Denklem (4) de geçen H ifadesi Siklonun toplam uzunluğu, S ise gaz çıkış borusu dalma derinliğini göstermektedir. 3.. Çok Amaçlı Genetik Algoritma Yaklaşımı eden siklon ayırıcı geometrilerini temsil eden noktalar pareto diyaramında gösterilmiştir(şekil ). Yakınsama metriği ve çeşitlilik metriği, çok amaçlı genetik algoritmada önemli performans ölçütleridir. Yakınsama metriği, elde edilen bastırılmamış çözümlerin gerçek Pareto-optimal yüzeye ne kadar yakınsadığını gösterir. Değerin küçülmesi iyi bir yakınsamayı gösterir. Çeşitlilik metriği, çözümlerin pareto yüzeyin farklı alanlarına ne kadar tutarlı dağılım gösterdiğini beliritir. Bu ölçütler vasıtasıyla modelin iyi veya kötü olduğuna karar verilir. Bu performans ölçütlerinin ortalamasının ve varyansının küçük olması modelin iyi olduğunun göstergesidir. MATLAB da bulunan çok amaçlı genetik algoritma, bastırılmamış sınıflandırmalı genetik algoritma-(nsga- ) nin bir çeşidini kullanmaktadır. NSGA, Srivinas ve Deb (1994) tarafından önerilmiştir. Basit genetik algoritmadan farkı seçim işlemcisinin uygulanmasındadır. Populasyonda bastırılmamış bireyler tanımlanarak ilk yüzey oluşturulur ve bu bireylere sahte uygunluk atanarak sınıflandırılır. Mevcut yüzeyde paylaşım sağlanır ve yüzeyler oluşturulur. Bastırılmamış bireyler geçici ihmal edilir, geriye kalan populasyonla işleme devam edilir. İşlem bireylerin bir yüzey içinde sınıflandırılmasına kadar devam eder. Populasyon daha sonra sahte uygunluk ne göre yeniden üretilir, sırasıyla çaprazlama ve mutasyon işlemleri yapılır. Deb ve arkadaşları, 00 yılında NSGA- algoritmasını geliştirmişlerdir. Bu algoritma strateji olarak NSGA ya yakın olmasına rağmen farklılıkları mevcuttur. Bu algoritma ile yüzeyde daha geniş bir dağılım ve daha az hesap karmaşıklığı elde edilmiştir. Şekil 1 de siklon ayırıcının şematik görünümü verilmiştir. Genetik algoritma, kısıtlı ve kısıtsız problemlerin çözümünde biyolojik evrime dayanan bir yöntem sunarak daha kısa sürede çözülmesini sağlayan bir yaklaşımdır. Her adımda populasyondan bireyler seçerek daha iyi bir nesilin arayışını sağlar. Standart optimizasyon yöntemleriyle çözülemeyen problemlerde veya çözümü uzun süreler alan problemlerde daha kısa sürede en iyiye yakın çözümler verir. Siklon ayırıcı geometrisinin optimizasyonu probleminde iki amaç bulunmaktadır. Birincisi basınç kayıplarının minimize edilmesi ikincisi ortalama toz yakalama çapının minimize edilmesidir. İki amaç fonksiyonu birbiriyle çelişmektedir. Bunun için çok amaçlı genetik algoritma yaklaşımları kullanılarak pareto diyagramı elde edilmektedir. Çalışmada MATLAB 010a programındaki optimization toolbox (Multiobjective Genetic Algorithm) kullanılmıştır. İki amacı minimize Şekil 1. Siklon ayırıcının şematik görünümü 3.3. Parametreler Greif(1997) siklonlar üzerine farklı parçacık yükleme dağılımlarında ve farklı vorteks tüpü uzunluk ve 44

4 çaplarında deneysel bir çalışma gerçekleştirmiştir. Yaptığımız çalışmada Parametreler Greif(1997) nin yapmış olduğu deneyler göz önüne alınarak Tablo 1 de gösterildiği şekilde alınmıştır. Daha sonra bu parametreler kullanılarak tasarımlar karşılaştırılmıştır. Tablo 1. Model için belirlenen parametreler Parametreler Değerler μ 1.8e-5 Pa.s g 9.81 m/s c kg/kg ρ 1. kg/m 3 ks/r ρ particle 650 kg/m 3 (kuvars tozu) ρ bulk 135 kg/m 3 ρstr 663 kg/m 3 ƞ 0.95 Q 0.86 m 3 /s 3.4. Kısıtlar ve eşitlikler Model için belirlenen kısıtlar ve eşitlik Tablo de gösterilmiştir. Tablo. Model için belirlenen kısıtlar ve eşitlikler No Kısıtlar ve eşitlik Açıklama 5 R R Siklon yarıçapı, gaz çıkış borusu X yarıçapından büyüktür 6 R R Siklon yarıçapı, siklon toz çıkış borusu d çapından büyüktür. Siklon toplam yüksekliği, silindirik bölge H H 7 C dışında kalan bölgenin yüksekliğinden büyüktür. 8 a b Siklon giriş düşey uzunluğu, yatay uzunluğundan büyüktür. 9 H a Siklon toplam yüksekliği, siklon giriş düşey uzunluğundan büyüktür. R R b 10 X Siklon yarıçapı ile gaz çıkış borusu yarıçapı farkı, giriş yatay uzunluğundan büyüktür. 11 H HC S Silidirik bölge yüksekliği, çıkış borusu 1 a dalma derinliğinden büyüktür. S Çıkış borusu dalma derinliği, giriş düşey 13 R in R b / 3.5. Fiziksel Kısıtlar uzunluğundan büyüktür. İç yarıçap, siklon yarıçapı ile giriş yatay uzunluğunun yarısı arasındaki farka eşittir. Kısıtlar, literatürdeki mevcut tasarımlar dikkate alınarak Tablo 3 teki gibi belirlenmiştir. Tablo 3. Geometrik değişkenler için sınırlar(m) Değişkenler Alt sınır Üst sınır R R X R d H 0.8 H c S R in 0 1 a b SONUÇLAR Çok amaçlı genetik algoritma yaklaşımı kullanılarak çözümler gerçekleştirilmiştir. Genetik algoritma parametreleri (populasyon büyüklüğü, çaprazlama oranı, seçim stratejisi vb.) farklı kombinasyonlarda denenmiştir. Denemeler sonucunda yakınsama metriği ve çeşitlilik metriği ölçüleri kullanılarak en iyi deneme sonuçları belirlenmiştir. En iyi denemeler, yakınsama metriği ve çeşitlilik metriği en düşük değerde olan denemelerden seçilmiştir. Çözüm süreci Tablo 4 te gösterilmiştir. Öncelikle 9 tasarım değişkenlerinin en iyi araştırılmıştır. Daha sonra 3 tasarım değişkeninin 3 farklı değeri için çözüm süreci devam ettirilmiştir. Tablo 4 te yapılan denemeler, belirlenen genetik algoritma parametreleri ve modellerin gücünü gösteren ölçütler yer almaktadır. Tablo 4. Oluşturulan modeller, parametreler ve performans ölçütleri Çözüm Parametreler Ölçütler s ras Populasyon büyüklüğü Çaprazlam a oranı Yakınsama metriği Çeşitlilik metriği 1.Genel zh=1 m H= H= R= R= R= R d= R d= R d= Pareto diyagramı Şekil de verilmiştir. Şekil. Ortalama toz yakalama çapı- Basınç kaybı pareto diyagramı Uygun çözüm için seçilen noktalarda ortalama toz yakalama çapı 1.6 mikron ile.3 mikron, basınç düşümü 305 ile 4361 Pa arasında bulunmuştur. Tablo 5 te seçilen 3 nokta için amaç fonksiyonu gösterilmiştir. Seçilen üç nokta için geometrik değişkenler Tablo 6 da gösterildiği şekildedir. Tablo 5. Optimizasyon sonucu seçilen 3 nokta için amaç fonksiyonu Noktalar Toz yakalama çapı(x 50) Basınç düşümü(δp) (Pa) (mikron)

5 Tablo 6. Optimizasyon sonucu seçilen 3 nokta için değişken Değişkenler 1.nokta.nokta 3.nokta R R X R d H H c S R in a b Şekil 3 ve Şekil 4 te grafiklerden görüleceği üzere siklon yüksekliği arttıkça basınç kaybı yükselme eğiliminde ve ortalama toz yakalama çapı düşme eğilimindedir. Siklon yüksekliği arttıkça basınç kaybı 1800 Pa dan 3000 Pa basınca yükselmiş, ortalama toz yakalama çapı 3 mikrondan 1.4 mikrona düşmüştür. Şekil 5 ve Şekil 6 da siklon alt yarıçapının değişimiyle basınç kaybının ve toz yakalama çapının nasıl değiştiği gösterilmiştir. Şekil 3 ve Şekil 4 te siklon yüksekliğinin değişimiyle basınç kaybı ve ortalama toz yakalama çapının nasıl değiştiği gösterilmiştir. Şekil 5. Basınç kaybı-alt yarıçap grafiği Şekil 3. Basınç kaybı-siklon yüksekliği grafiği Şekil 6. Ortalama toz yakalama çapı-alt yarıçap grafiği Tablo 8 de alt yarıçapa göre diğer tasarım değişkenlerinin gösterilmiştir. Şekil 4.Ortalama toz yakalama çapı-siklon yüksekliği grafiği Siklon yüksekliğine göre diğer tasarım değişkenlerinin değişimi Tablo 7 de verilmiştir. Tablo 7. H parametresine göre tasarım değişkenlerinin (Tasarım değişkenlerinin metre olarak verilmiş olup, noktalar şekillere göre soldan sağa ve yıkarıdan aşağıya doğru sıralanmıştır.) Değişkenler 1.nokta.nokta 3.nokta 4.nokta 5.nokta R Rx Rd H Hc S Rin a b Tablo 8. R d parametresine göre tasarım değişkenlerinin (Tasarım değişkenlerinin metre olarak verilmiş olup, noktalar şekillere göre soldan sağa ve yıkarıdan aşağıya doğru sıralanmıştır.) Değişkenler 1.nokta.nokta 3.nokta 4.nokta R R X R d H H c S R in a b Şekil 5 ve Şekil 6 da siklon alt yarıçapı arttıkça ortalama toz yakalama çapı artmakta ve basınç kaybı düşmektedir. Basınç kaybı siklon alt yarıçapı arttıkça yaklaşık 3000 Pa dan 000 Pa basınca düşmüştür. Ortalama toz 46

6 yakalama çapı ise 1.7 mikrondan. mikron seviyelerine yükselmiştir. Şekil 7 ve Şekil 8 de siklon üst yarıçapının değişimiyle basınç kaybının ve ortalama toz yakalama çapının nasıl değiştiği gösterilmiştir. yöntemi kullanılarak yapılan hesaplamalarda ortalama toz yakalama çapı 4.47 mikron ve basınç kaybı 198 Pa olarak hesaplanmıştır. Tablo 9 da sunulan tasarımda (.nokta) ortalama toz yakalama çapı.63 mikron ve basınç kaybı 979 Pa olarak hesaplanmıştır. İki tasarım kıyaslandığında yeni tasarımın toz yakalama ve basınç düşüşü açısından daha düşük değerlere sahip olduğu görülmüştür. Tablo 10 da Greif in siklon ayırıcı tasarım değişkenlerinin verilniştir. Tablo 11 de modellerin çıktıları gösterilmiştir. Tablo 10. Greif(1997) nin siklon ayırıcı tasarım değişkenleri(m) Tasarım D a b S D x D d H H c Greif Şekil 7. Basınç kaybı-üst yarıçap grafiği Tablo 11. Greif(1997) ve mevcut çalışmanın sonuçları Modelin çıktıları Greif (1997) Mevcut çalışma Toz yakalama çapı (mikron) Basınç kaybı(pa) Şekil 8. Ortalama toz yakalama çapı-üst yarıçap grafiği Siklon üst yarıçapın artmasıyla(0.3 m ye kadar) basınç kaybı azalmış ve toz yakalama çapı artmıştır. Siklon üst yarıçapı 0.3 m den daha arttırılırsa basınç kaybı ve ortalama toz yakalama çapı fazla değişmemiştir. Basınç kaybı 500 Pa ile 1000 Pa arasında, ortalama toz yakalama çapı 1.8 mikron ile.7 mikron arasında değişmiştir. Tablo 9 da üst yarıçapa göre diğer tasarım değişkenlerin değişimi gösterilmiştir. Tablo 9. R parametresine göre diğer tasarım değişkenlerinin (Tasarım değişkenlerinin metre olarak verilmiş olup, noktalar şekillere göre soldan sağa ve yıkarıdan aşağıya doğru sıralanmıştır.) Değişkenler 1.nokta.nokta 3.nokta 4.nokta 5.nokta R R X R d H H c S R in a b KARŞILAŞTIRMA Bu çalışmada oluşturulan bir tasarım Greif(1997) in yaptığı tasarımla karşılaştırılmıştır. Greif(1997) in yaptığı tasarım çalışması deneysel olup, Muschhelknautz 6. DEĞERLENDİRME VE YORUMLAR Bu çalışmada bir siklon ayırıcı için çok amaçlı optimizasyon gerçekleştirilmiştir. İlk amaç toz yakalama çapının en küçüklenmesi, ikinci amaç basınç kaybının en küçüklenmesi olmuştur. Modelin kapsamlı olması ve çelişen iki amaç içermesi nedeniyle çok amaçlı genetik algoritma yaklaşımı kullanılmıştır. İlk olarak 9 tasarım değişkeni için yaklaşım uygulanmıştır. Daha sonra bazı tasarım sabit tutularak diğer tasarım değişkenlerinin, toz yakalama çapının ve basınç kayıplarının değişimi gözlemlenmiştir. Siklon yüksekliği arttıkça basınç kaybı %67 oranında artmış ve ortalama toz yakalama çapı %50 oranında düşmüştür. Siklon alt yarıçapı arttıkça ortalama toz yakalama çapı %30 oranında artmış ve basınç kaybı %50 oranında düşmüştür. Siklon üst yarıçapın artmasıyla kritik bir noktaya kadar (R=0.3 m) basınç kaybı yaklaşık % 50 azalır ve ortalama toz yakalama çapı yaklaşık %35 artar. O kritik noktadan sonra basınç kaybı ve ortalama toz yakalama çapı fazla değişmemiştir. Siklon üst yarıçapı ile siklon alt yarıçapının değişimleri basınç kaybı ve ortalama toz yakalama çapını aynı yönde etkilemekte, siklon yüksekliği ise bunlara ters yönde etki etmektedir. Ayrıca siklon yüksekliğinin basınç kaybı ve ortalama toz boyutunun değişimine etkisi yüksektir, yani çözüme duyarlılığı yüksektir. Siklon alt ve üst yarıçapının ise çözüme duyarlılığı düşüktür. Greif (1997) in tasarımı ile mevcut tasarım kıyaslandığında basınç kaybı %3 oranında, ortalama toz yakalama çapı ise %70 oranında azalmıştır. Böylece tasarımın iyileşmesi sağlanmıştır. 47

7 SEMBOLLER VE KISALTMALAR A r sürtünme kuvvetine katkıda bulunan içerideki siklonun alanı[m ] c 0 katı kütlesinin gaz kütlesine oranı[kg/kg] f toplam sürtünme değeri g yerçekimi ivmesi[m/s ] k s duvar pürüzlülüğü[mm] Q gazın hacimsel debisi[m 3 /s] V θw Duvara yakın kısımdaki hız[m/s] V Θcs Merkezdeki teğetsel hız[m/s] V x Eksenel hız[m/s] μ viskosite[pa.s] ρ gaz yoğunluğu[kg/m 3 ] ρ bulk toplam yoğunluk[kg/m 3 ] ρ p toz yoğunluğu[kg/m 3 ] ρ str duvara yakın bölgedeki yoğunluk[kg/m 3 ] ƞ toz toplama verimi 13. Swamee, P. K., Aggarwal, N., Bhobhiya, K., Optimum Design of Cyclone Separator. 55, (009). REFERANSLAR 1. Avci, A., Erel, G.K., Sı klon separatörlerde uzunluğun verı me etkı sı ve optı mı zasyonu. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 8, Sayı 1, (003).. Azadi, M., Azadi, M. & Mohebbi, A. A CFD study of the effect of cyclone size on its performance parameters. Journal of hazardous materials 18, (010). 3. Elsayed, K. & Lacor, C. Optimization of the cyclone separator geometry for minimum pressure drop using mathematical models and CFD simulations. Chemical Engineering Science 65, (010). 4. Elsayed, K. & Lacor, C. Modeling and Pareto optimization of gas cyclone separator performance using RBF type artificial neural networks and genetic algorithms. Powder Technology 17, (01). 5.Greif V.,Fortschr.-Ber. VDI Reihe 3 Nr (in German),(1997). 6. Hoffmann, A.C., Stein, L.E., Gas Cyclones and Swirl Tubes, Springer, Berlin, Germany, nd edition, (008). 7. Ji, Z., Xiong, Z., Wu, X., Chen, H. & Wu, H. Experimental investigations on a cyclone separator performance at an extremely low particle concentration. Powder Technology 191, (009). 8. Molerus, O., Glücker, M., Development of a cyclone seperator with new design, Powder Technology,86, 37-40, (1996). 9. Pishbin,S.I.,Moghiman, M.,Optimization of cyclone separators using genetic algorithm, International Review of Chemical Engineering (I.RE.CH.E.) (6), ,(010). 10. Ravi, G., Gupta, S. K. & Ray, Multiobjective Optimization of Cyclone Seperators Using Genetic Algorithm, Ind. Eng. Chem. Res.,39, (000). 11. Srinivas N. ve Deb K., Multiobjective Optimization Using Nondominated Sorting Genetic Algorithms, Journal of Evolutionary Computation, Vol., No.3, pp 1-48 (1994) 1. Stairmand,C.J., The design and performance of cyclone separators, Trans. Inst. Chem. Eng. 9, , (1951). 48