Investigation and Optimisation of a Multi Cyclone Separation System: A Comprehensive Study on the Effects of Design and Operation Parameters on Separation Efficiency For a High Efficiency Stairmand Cyclone
Translated title
Investigation and Optimisation of a Multi Cyclone Separation System
Authors
Bendtsen, Jonas Carbuhn ; Jensen, Christian Troue Lynderup
Term
4. term
Education
Publication year
2024
Submitted on
2024-05-28
Pages
87
Abstract
Filtration systems reduce health risks by removing harmful particles from the air. This thesis examines a High Efficiency Stairmand cyclone separator—an air cleaner that uses swirling flow to fling particles to the wall—and how changes in dimensions, outlet design, and inlet velocity affect backflow, pressure loss, and separation efficiency. Three factors were studied: the outlet configuration (such as adding a bend), the diameter of the vortex finder (the central outlet tube), and the cyclone body diameter together with inlet velocity. Backflow refers to air and fine particles drawing back up through the outlet. Pressure loss is the energy cost of moving air through the device. Separation efficiency is the share of particles captured. The fishhook effect is a characteristic “hook” in the efficiency curve for very fine particles. The results showed that adding a bend to the outlet did not prevent backflow or meaningfully change separation efficiency, but it increased pressure loss. Reducing the vortex finder diameter limited backflow and improved overall efficiency, yet did not significantly change the fishhook effect and came with higher pressure loss. Changing the cyclone diameter revealed trade-offs: larger cyclones operated at lower inlet velocities sometimes improved capture of fine particles due to the fishhook effect but reduced capture of larger particles. Conversely, smaller cyclones performed better for larger particles but worse for fine ones. Based on this, the study proposed combining cyclones with different dimensions to overlap their strengths. The resulting design—one large and two small cyclones—achieves a minimum separation efficiency of 86.5% for particles from 1 to 20 microns.
Filtrationssystemer reducerer sundhedsrisici ved at fjerne skadelige partikler fra luften. Denne afhandling undersøger en High Efficiency Stairmand-cyklonseparator—en enhed, der bruger roterende luft til at slynge partikler mod væggen—og hvordan ændringer i dimensioner, udløbsdesign og indløbshastighed påvirker tilbagestrømning, tryktab og separationsgrad. Tre forhold blev undersøgt: udløbets udformning (fx en bøjning), diameteren af vortex finder (det centrale udløbsrør), samt selve cyklonens diameter i samspil med indløbshastighed. Tilbagestrømning betyder, at luft og fine partikler trækkes tilbage op gennem udløbet. Tryktab er den energimæssige “pris” for at drive luften gennem systemet. Separationsgrad er, hvor stor en andel af partiklerne der bliver tilbageholdt. Den såkaldte fishhook-effekt er en karakteristisk “krog” i effektivitetens kurve for meget fine partikler. Resultaterne viste, at en bøjning på udløbet ikke fjernede tilbagestrømning eller nævneværdigt ændrede separationsgraden, men den øgede tryktabet. En mindre diameter på vortex finder begrænsede tilbagestrømning og øgede den samlede effektivitet, men ændrede ikke fishhook-effekten markant og gav et højere tryktab. Ændringer i cyklonens diameter viste, at større cykloner ved lavere indløbshastigheder i nogle tilfælde kan øge adskillelsen af fine partikler på grund af fishhook-effekten, men de blev mindre effektive for større partikler. Omvendt havde mindre cykloner bedre effektivitet for større partikler, men dårligere for fine. På den baggrund blev det foreslået at kombinere cykloner med forskellige dimensioner, så deres styrker overlapper. Dette førte til et design med én stor og to små cykloner, som opnår en minimumsseparationsgrad på 86,5% for partikler mellem 1 og 20 mikron.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords