A study on performance improvement and swirling vortical characteristics of a cyclone separator with slotted vortex finder

Abstract

A study on performance improvement and swirling vortical characteristics of a cyclone separator with slotted vortex finder Ming Guo Supervised by Professor Joon Yong Yoon, Ph.D. Department of Mechanical Design Engineering Graduate School, Hanyang University The slotted vortex finder (SVF) proposed in present study, represents a novelly modified cyclone vortex finder, which is validated to be valuable and prospective for industrial applications. The present study tried to illustrate the effect of SVF on the swirling turbulent flow characteristics of cyclone separator in comparison with conventional vortex finder (CVF). Based on three cyclone models (CVF, SVF_D1, SVF_D2), the differences of swirling vortical characteristics between SVF and CVF models are comprehensively tested and the influence of SVF insertion length on the cyclone performance was discussed. The overall detailed features and variations of flow pattern, such as velocity profile distribution, unsteady particle tracking, swirl number comparison and special flow phenomena of vortex eccentricity in the whole cyclone separator body, are analyzed in detail. Specifically, The SVF_D2 model could improve the cyclone separation efficiency (about 20% reduction of pressure drop and 4.2% reduction of cut off size) and also reduce 40% of central vortex rotation frequency compared with CVF model at vin=16.1 m/s. Moreover, a multi-objective optimization of novel vortex finder, applied in the Stairmand cyclone separator, to obtain a most appropriate geometric configuration for performance improvement. The optimal latin hypercube sampling (OLHS) method was utilized to conduct design of experiment for four significant design variables, including slot number (Ls), slot length (N), span angle (α) and inclination angle (β). Computational fluid dynamics (CFD) and response surface model (RSM) were adopted to get precise output response and construct accurate fitness functions between design variables and objectives. Multi-objective Genetic algorithm was employed to find out the best solution with maximum collection efficiency and minimum Euler number based on the well-constructed fitness functions. The finally selected optimal model provided Euler number reduction of 34.51%, collection efficiency increasing of 4.32% and cut off size reduction of 5.53%, compared with original model. The current study is beneficial to further clarify the influence of SVF on the mechanism of the particle separation motion in cyclone separator and identify the characterization differences between traditional cyclone separator and cyclone with installation of SVF. The obtained optimal geometry shape of novel vortex finder could be used as an effective reference for industrial factories to gain enough considerable cyclone performance improvement and high economic benefits by making only small modifications on the in -using cyclone separator. Abstract (in Korean) 본 연구에서 제안된 슬롯형 볼텍스 파인더(SVF)는 새롭게 수정된 사이클론 볼텍스 파인더를 나타내며, 이는 산업 응용 분야에서 가치 있고 유용한 것으로 검증되었습니다. 본 연구에서는 기존의 볼텍스 파인더(CVF)와 비교하여 사이클론 분리기의 소용돌이 난류 특성에 대한 SVF의 영향을 설명하려고 했습니다. 세 가지 사이클론 모델(CVF, SVF_D1, SVF_D2)을 기반으로 SVF와 CVF 모델 간의 소용돌이 와류 특성의 차이를 종합적으로 테스트하고 SVF 슬롯 길이가 사이클론 성능에 미치는 영향을 논의했습니다. 전체 사이클론 분리기 본체의 속도 프로파일 분포, 비정상 입자 추적, 소용돌이 수 비교 및 와류 편심의 특수 유동 현상과 같은 유동 패턴의 전반적인 세부 특징 및 변화를 자세히 분석하였습니다. 구체적으로, SVF_D2 모델은 vin=16.1 m/s에서 CVF 모델에 비해 사이클론 분리 효율(압력 강하 약 20% 감소, 컷오프 크기 약 4.2% 감소)을 향상시키고 중심 와류 회전 빈도를 40% 감소시킬 수 있습니다. 또한 Stairmand 사이클론 분리기에 적용된 새로운 볼텍스 파인더의 다목적 최적화를 통해 성능 개선을 위한 가장 적절한 기하학적 구성을 얻었습니다. 최적 라틴 하이퍼큐브 샘플링(OLHS) 방법을 사용하여 슬롯 수(Ls), 슬롯 길이(N), 스팬 각도(α) 및 경사각(β)을 포함한 4가지 중요한 설계 변수에 대한 실험 설계를 수행했습니다. 정확한 결과값을 얻고 설계 변수와 목표 함수 간의 정확한 적합도 함수를 구성하기 위해 전산유체역학(CFD) 및 반응 표면 모델(RSM)을 채택했습니다. 잘 구성된 적합 함수를 기반으로 최대 수집 효율과 최소 오일러 수를 갖는 최적솔루션을 찾기 위해 다목적 유전자 알고리즘을 사용했습니다. 최종 선정된 최적 모델은 기존 모델 대비 오일러 수 34.51% 감소, 수집 효율 4.32% 증가, 컷오프 사이즈 5.53% 감소를 보였다. 본 연구는 사이클론 분리기의 입자 분리 운동 메커니즘에 대한 SVF의 영향을 더욱 명확하게 하고 SVF 설치에 따른 기존 사이클론 분리기와 개선된 모델 간의 특성 차이를 식별하는 데 유용합니다. 획득된 새로운 와류 측정기의 최적 기하학적 형상은 산업 공장에서 사용 중인 사이클론 분리기를 약간만 수정함으로써 상당한 사이클론 성능 향상과 높은 경제적 이익을 얻을 수 있는 효과적인 참고 자료로 사용될 수 있습니다.