Cyclone tách bụi bằng lực ly tâm như thế nào?

Dòng khí xoáy tạo ra cơ chế tách bụi như thế nào?

Khí chứa bụi thường đi vào cyclone theo phương tiếp tuyến. Cách đưa khí vào này biến dòng chuyển động gần như thẳng thành dòng xoáy quanh trục thiết bị. Trong cyclone kiểu dòng ngược, khí xoáy đi xuống theo thành rồi đảo chiều ở vùng đáy và đi ngược lên qua ống thoát trung tâm, hình thành cấu trúc double vortex.

Có thể hình dung quá trình theo chuỗi:

Khí bẩn đi vào → tạo xoáy → hạt bụi di chuyển ra thành → hạt mất vận tốc theo dòng chính → bụi rơi xuống → khí đi lên và thoát ra

Điểm quan trọng là cyclone không “hút” bụi ra khỏi khí bằng một lớp lọc. Nó tạo ra điều kiện động lực học khiến hạt bụi khó đi theo quỹ đạo của dòng khí hơn.

Vì sao hạt bụi bị đẩy về phía thành cyclone?

Khi dòng khí quay, hạt bụi không đổi hướng nhanh như khí do quán tính. Đối với mô hình chuyển động tròn, độ lớn gia tốc hướng tâm có thể biểu diễn theo v2/r, nên vận tốc quay tăng hoặc bán kính chuyển động giảm sẽ làm tác động hướng tâm tăng. EPA mô tả lực ly tâm trong cyclone phụ thuộc vào khối lượng hạt và gia tốc v2/r.

Tuy nhiên, đây không phải là một quá trình chỉ có lực ly tâm. Hạt đồng thời chịu lực cản của dòng khí. Hạt lớn và có quán tính lớn có xu hướng vượt qua lực cản để tiếp cận thành cyclone; hạt nhỏ chịu lực cản tương đối lớn hơn nên dễ bị dòng khí cuốn theo và thoát ra ngoài.

Vì vậy, khả năng cyclone tách bụi phụ thuộc mạnh vào:

·         Kích thước hạt

·         Khối lượng riêng của hạt

·         Vận tốc khí vào

·         Đường kính cyclone

·         Chiều dài thân và số vòng xoáy

·         Cấu hình đường vào và đường ra

Điều gì xảy ra với bụi sau khi chạm thành cyclone?

Sau khi các hạt bụi dịch chuyển về phía thành, thành cyclone làm giảm chuyển động xoáy của hạt và hạt tiếp tục dịch chuyển xuống dưới nhờ thành phần vận tốc dọc trục kết hợp với trọng lực. Bụi cuối cùng đi vào cửa xả hoặc phễu thu ở đáy.

Trong khi đó, dòng khí sau khi đi xuống vùng đáy sẽ đổi hướng và quay lên ở khu vực trung tâm. Vì vậy, cyclone đồng thời thực hiện hai quá trình: tách hạt ra khỏi vùng dòng khí chính và dẫn khí đã giảm tải bụi ra khỏi thiết bị.

Nếu cửa xả bụi bị rò không khí, hiệu suất thu bụi có thể giảm vì dòng khí phụ làm xáo trộn quá trình tách và cuốn bụi trở lại.

Kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng tách bụi ra sao?

Cyclone thường phù hợp hơn với các hạt bụi trung bình và thô. EPA cho biết cyclone chủ yếu được sử dụng để thu giữ hạt có đường kính khí động học lớn hơn khoảng 10 µm, dù các thiết kế hiệu suất cao có thể xử lý cả PM10 và PM2.5.

Khi kích thước hoặc khối lượng riêng của hạt tăng, quán tính của hạt tăng và khả năng vượt qua lực cản của khí cũng tăng. Ngược lại, các hạt rất nhỏ dễ đi theo dòng khí và khó thu giữ hơn.

Đây cũng là lý do cyclone thường được dùng như thiết bị tiền xử lý, nhằm loại bỏ phần bụi lớn trước khi khí đi vào các thiết bị xử lý tinh hơn như túi lọc hoặc thiết bị lọc bụi khác.

Tăng vận tốc khí có giúp cyclone tách bụi tốt hơn không?

Có, nhưng không phải càng cao càng tốt.

Vận tốc khí vào tăng làm tăng mức độ xoáy và lực tách, vì vậy hiệu suất thu bụi thường tăng. Tuy nhiên, áp suất rơi cũng tăng, đồng nghĩa quạt phải cung cấp nhiều năng lượng hơn. Tài liệu EPA về vận hành cyclone ghi nhận áp suất rơi của cyclone tiếp tuyến thông thường có thể nằm khoảng 5–40 cm cột nước, tùy cấu hình và điều kiện vận hành.

Do đó, thiết kế cyclone phải cân bằng giữa:

Hiệu suất tách bụi ↔ áp suất rơi ↔ năng lượng vận hành

Giảm đường kính cyclone có thể làm tăng lực tách, nhưng cũng làm tăng trở lực. Với cùng lưu lượng, thiết bị nhiều cyclone nhỏ mắc song song có thể tận dụng lực tách cao của đường kính nhỏ mà vẫn xử lý được lưu lượng khí lớn.

Cyclone tách bụi có giới hạn gì?

Giới hạn lớn nhất nằm ở các hạt bụi rất nhỏ. Khi hạt có quán tính thấp, lực cản của khí dễ thắng xu hướng dịch chuyển ra thành cyclone, khiến một phần hạt theo dòng khí thoát ra ngoài. Vì vậy, không nên xem cyclone là thiết bị lọc tinh cho mọi kích thước hạt.

Hiệu suất thực tế còn thay đổi theo thiết kế cyclone, phân bố kích thước hạt, vận tốc khí, đường kính thiết bị, tổn thất áp suất và tình trạng cửa xả bụi. Nói cách khác, cùng một nguyên lý lực ly tâm nhưng hai cyclone có kích thước hoặc cấu hình khác nhau có thể cho kết quả tách bụi khác nhau.

Cyclone tách bụi hiệu quả nhất khi dòng khí được tạo xoáy đủ mạnh để đưa các hạt có quán tính phù hợp về thành thiết bị, sau đó tách chúng khỏi dòng khí nhờ quán tính, lực hướng tâm và trọng lực. Cốt lõi của quá trình không nằm ở một bộ phận lọc mà ở cách cyclone điều khiển quỹ đạo chuyển động của hạt và dòng khí.