DE2038045C3

DE2038045C3 - Zyklon

Info

Publication number: DE2038045C3
Application number: DE2038045A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Koch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-07-31
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1981-12-10
Also published as: NL7109708A; CA972293A; US3850816A; FR2099400A5; AT319902B; BE770660A; DE2038045A1; DE2038045B2; GB1314479A; CH524403A

Description

Zyklon

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Die Erfindung betrifft einen Zyklon zur Abscheidung spezifisch schwererer Stoffe aus strömenden Medien mit einem zylindrischen Teil, einem sich an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil und einem in etwa tangentialer Richtung in den zylindrisehen Teil mündenden, in Art einer Spirale gekrümmten Einlaufrohr, dessen Endabschnitt in Art einer Venturidüse ausgebildet ist mit einem sich stetig verengenden Teil, einem anschließenden Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und einem sich zur Mündung in den zylindrischen Teil hin stetig erweiternden Teil, wobei wenigstens der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil des Einlaufrohres zur Achse des zylindrischen Teiles des Zyklons hin gekrümmt sind,

Zyklone, auch Riehkraftabscheider genannt, werden häufig zur Trennung von spezifisch schwereren Stoffen aus strömenden Medien, beispielsweise zur Abtrennung von Staub aus einem Staub-Gas-Gemisch oder won Feststoffen aus einem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch eingesetzt Bekannte Zyklone besitzen einen zylindrischen Teil, in den ein Einlaufrohr mündet, und einen an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil. Das strömende Medium, beispielsweise Luft, wird durch das Einlaufrohr tangential mit großer Geschwindigkeit in den Zyklon geleitet und durch die zylindrische Wandung gezwungen, eine kreisende Bewegung auszuführen. Durch die auftretende Zentrifugalkraft werden die spezifisch schwereren Stoffe, beispielsweise Staubteilchen, an die Wandung geschleudert wo sie ausgeschieden werden und zum größten Teil in den konischen Teil niedersinken. Das strömende Medium, beispielsweise Luft, entweicht in spiralförmiger Bahn nahe der Achse des Zyklons durch ein Austrittsrohr.

Zyklone der genannten Art sind beispielsweise in dem Buch von Fritz Mode »Ventilatoranlagen«, 3. Auflage, Berlin 1961, Seiten 213 bis 215, näher beschrieben. Wie dort im einzelnen erläutert ist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Hauptabmessungen eines Zyklons mit einem Entstaubungsgrad von 80 bis 90% auf den Durchmesser D des zylindrischen Teiles zu beziehen. Dabei ist D = 136/T^ wobei D in cm gemessen ist und V das Volumen der Staubluft in m³/h bedeutet und eine Eintrittsgeschwindigkeit der Luft von ν > 15 m/sec angenommen ist Die Querschnittsfläche des Einlaufrohres beträgt bei einem derartigen Zyklon etwa 0,1 D². Wie in dem erwähnten Buch ferner ausgeführt ist hatten die bisherigen Versuche ergeben, daß eine Eintrittsgeschwindigkeit von über 25 m/sec keine nennenswerte Verbesserung des Zyklons mit sich bringt Die erwähnten hohen Entstaubungsgrade von 80 bis 90% werden bei den bekannten Zyklonen nur für verhältnismäßig große Teilchen erreicht. Für Teilchengrößen unter 5 μπι sinkt dagegen der Entstaubungsgrad bei allen bekannten Zyklonen beträchtlich.

Aus der DE-PS 8 25 332 ist ein Fliehkraft-Staubabscheider bekannt, t/elcher einen zylindrischen Abscheidebehälter, einen sich daran anschließenden konischen Teil und einen in den Abscheidebehälter tangential einmündenden, bogenförmigen Zuführungskanal aufweist; der Zuführungskanal, der als Spirale ausgebildet sein kann, ist in Strömungsrichtung des Mediums erweitert, vorzugsweise stufenlos, und mündet etwa im Bereich seines größten Querschnittes in den Abscheidebehälter ein. Hierdurch soll erreicht werden, daß auch die feinen Staubteilchen abgeschieden und nicht mit dem Luft- bzw. Gasstrom nach außen abgeführt werden.

Auch der aus der US-PS 13 44 146 bekannte Staubabscheide weist neben einem zylindrischen Ab= scheidebehälter und einem konischen Sammelbehälter einen gekrümmten Zuführungskanal auf. Dieser Zuführungskanal nimmt — in Richtung auf die Achse Hes Abscheidebehälters hin — in der Höhe und in der Breite zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zyklon der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die

Abscheidung weiter verbessert und insbesondere bei der Abscheidung spezifisch schwererer Stoffe mit einer Teilchengröße von weniger als 5 μπι der Abscheidegrad erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Zyklon erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß die Innenwand des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt und des sich stetig erweiternden Teiles jeweils eine Länge von etwa 0,2 D aufweist, wobei D der Durchmesser des zylindrischen Teiles ist, daß der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt eine Querschnittsfläche von höchstens 0,05 D² aufweist und die Querschnittsfläche des sich stetig erweiternden Teiles sich um etwa 5 bis 20%, vorzugsweise etwa 10%, erweitert, bezogen auf die Querschnittsfläche des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt, und daß der Erweiterungswinkel des sich stetig erweiternden Teiles bis zu 6" beträgt

Durch die Ausbildung des in den zylindrischen Teil mündenden Endes des Einlaufrohres in Art einer Venturidüse wird beim erfindungsgemäßen Zyklon erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Einlaufrohres und damit die Eintrittsgcichwindigkeit in den zylindrischen Teil stark erhöht wird. Da der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt, der gleichzeitig der Teil mit dem engsten Querschnitt ist, nur eine Querschnittsfläche von höchstens 0,05 D² aufweist, werden — bei im übrigen üblicher Bemessung des Zyklons — Strömungsgeschwindigkeiten 30 m/sec und mehr erzielt Der sich verengende Teil bewirkt dabei die Beschleunigung des strömenden Mediums. Der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt dient zur Ausbildung einer gebündelten, weitgehend laminaren Strömung. Durch den anschließenden, sich stetig erweiternden Teil werden Abreißwirbel am Ende dieses Teiles und damit Stoßverluste, welche die Wirksamkeit des Zyklons einschränken könnten, weitestgehend vermieden. Durch die spiralförmige Krümmung wenigstens des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt und des Teiles mit sich erweiterndem Querschnitt wird bereits im Einlaufrohr eine Verdichtung der spezifisch schwereren Stoffe durch die auftretende Zentrifugalkraft erreicht, die durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit noch erhöht wird.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zyklon können für Teilchengrößen von 5 μπι und darunter wesentlich erhöhte Abscheidungsgrade erzielt werden. In Verbindung mit der besonderen Ausgestaltung der Einlaufrohres des Zyklons führen somit überraschenderweise Strömungsgeschwindigkeiten von 30 m/sec und mehr noch zu erheblichen Verbesserungen. Dies war keineswegs zu erwarten. Wie bereits erwähnt, war man bisher der Auffassung, daß Strömungsgeschwindigkeiten über 25 m/sec nicht zu weiteren Verbesserungen führen würden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Zyklons ist auch der sich stetig verengende Teil des Einlaufrohres gekrümmt. Dies hat den Vorteil, daß bereits in diesem Teil des Einlaufrohres eine Vorverdichtung der spezifisch schwereren Stoffe stattfindet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn wenigstens der Teil mit M) gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil des Endabschnittes des Einlaufrohres einen rechteckigen Querschnitt haben. Durch diese Ausbildung des Zyklons kann erreicht werden, daß sich die aus dem Einlaufrohr in den zylindrischen Teil übertretenden spezifisch schwere, en Stoffe über den ganzen Querschnitt der Austrittsöffnung des Einlaufrohres hin eng an die Wand des zylinderförmigen Teiles anschmiegen.

Der Teil des Einlaufrohres mit sich stetig verringerndem Querschnitt kann ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt haben oder von einem anderen, beispielsweise einem kreisförmigen Querschnitt in einen rechteckigen Querschnitt übergehen. Dadurch wird beispielsweise der Anschluß von Schlauchleitungen erleichtert.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, einen solchen Zyklon derart auszubilden, daß die Außenwand des Endabschnittes des Einlaufrohres spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles herangeführt ist und tangential in diese übergeht und daß die Innenwand des Endabschnittes des Einlaufrohres im wesentlichen der Wand des zylinderförmigen Teiles entspricht und in dem sich stetig erweiternden Teil in den zylindrischen Teil hineingezogen ist Bei dieser Bauart werden die Strömungsverhältnisse im zylindrischen Teil nicht durch etwa störende Einbauten beeinträchtigt

Ferner hat es sich gezeigt, daß der Atwcheidungsgrad insbesondere für Teilchen sehr kleinen Durchmessers weiter verbessert werden kann, wenn der in cm gemessene Durchmesser D des .^lindrischen Teiles etwa D = ^V ist wobei V db den Zyklon durchströmende Menge des strömenden Mediums in m³/h ist Gegenüber bekannten Zyklonen wird bei einer solchen Bemessung des Durchmessers des zylindrischen Teiles die auf den spezifisch schwereren Stoff wirkende Kraft noch weiter erhöht

Anhand einiger Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausiührungsform des erfindungsgemäßen Zyklons verkleinert im Längsschnitt; und

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch den zylinderförmigen Teil des Zyklons nach F i g. 1 und durch das in diesen zylinderförmigen Teil mündende Einlaufrohr in Originalgröße.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform des Zyklons besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Teil 1, in den ein Einlaufrohr 2 mündet und an den mit Hilfe von Flanschen 3 ein konischer Teil 4 angesetzt ist. Der konische Teil 4 ist unten mit einer öffnung 5 versehen, an die beim Betrieb des Zyklons ein in F i g. 1 nicht dargestellter Auffangbehälter für die abgeschiedenen Stoffe angeschlossen werden kann. In den zylindrischen Teil 1 des Zyklons ist ferner ein Austrittsrohr 6 eingesetzt, durch das das strömende Medium, beispielsweise Luft, aus dem Zyklon entweichen kann. Das Gemisch, aus dem die spezifisch schwereren Stoffe abgeschieden werden sollen, wird durch das Einlaufrohr 2 in den zylindrischen Teil 1 eingeleitet.

Das in F i g. 2 besonders gut zu erkennende Ende des Einlaufrohres 2 ist in Art einer Venturidüse ausgebildet. An .-,-iftsn sich stetig verengenden Teil 7 schließt sich ein Teil 8 mit gleichmäßigem Querschnitt an. Auf diesen Teil 8 folgt ein sich stetig erweiternder Teil 0. Alle Teile des Endes des Enlaufrohres 2 sind in Art einer Spiraie zur Achse des zylindrischen Teiles hin gekrümmt und münden durch die öffnung 10 in der Wand des zylindrischen Teiles 1 etwa in tangentialer Richtung in diesen zylindrischen Teil. Der sich verengende Teil 7 des Einlaufrohres 2 hat an der Einlaßöffnung il einen kreisförmigen Querschnitt, der bis zum Anfang des Teiles 8 in einen rechteckigen Querschnitt übergeht. Die Teile 8 und 9 hab^n jeweils rechteckigen Querschnitt. Die Außenwand 12 des Endes des Einlaufrohres 2 ist spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles 1 herangeführt und geht tangential in diese über. Die

Innenwand 13 des Endes des Einlaufrohres 2 ist gleichzeitig die Wand des zylinderförmigen Teiles 1, die bei 14 zur einfacheren Erzielung des gewünschten Querschnitts des Einlaufrohres lediglich etwas verstärkt ausgebildet ist. Am Ende des sich stetig erweiternden Teiles 9 des Einlaufrohres ist die innere Wand 13 an der Stelle 15 leicht in das Innere des zylinderförmigen Teiles hineingezogen.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Zyklon ist insbesondere zur Abscheidung von feinen Stäuben aus Staub-Luft-Gemischen bestimmt. Der Durchmesser D des zylindrischen Teiles I in cm ist vorteilhaft so gewählt, daß etwa D = jT, im speziellen Fall D = 0,96 y'V, ist. wobei Vden Durchsatz an Staub-Luft-Gemisch durch den Zyklon in n. Vh bedeutet. Die Länge des π zylindrischen Teiles 1 beträgt vorteilhaft etwa 1,5 D, die Länge des konischen Teiles etwa 2,5 D und der Durchmesser des Austrittsrohres 6 etwa 0.5 D. Die

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(-rilttUlfg J (J(-3 t\(-rill3\.lfl.f I I (.MlS Hai TUI 1(.MlIfIIl (.111(.If Durchmesser von etwa 0,48 D. Der Querschnitt des Teiles 7 des Einlaufrohres 2 verringert sich bei der dargestellten Ausführungsform von etwa 0.1 D² an der Einlaßöffnung 11 auf etwa 0.034 D^! an der Übergangsstelle /um Teil 8. Der Teil 8 hat einen gleichmäßigen Querschnitt von 0.034 D². Der Querschnitt des Teiles 9 ₂> erweitert sich von 0.034 D² um etwa 10% bis auf 0.037 D-'

Der Querschnitt des Einlaufrohres kann gegenüber den angegebenen Werten natürlich auch variiert werden. Wesentlich ist jedoch, daß der Querschnitt des jo Teiles 8 nicht größer als 0.05 D² ist. Ferner sollte in der Regel der Querschnitt des Teiles 8 auch nicht kleiner als etwa 0.008 D² sein, da bei Unterschreiten dieses Wertes eine stärkere Verwirbelung zu befürchten ist. Gegenüber dem Querschnitt des Teiles 8 sollte sich der v. Querschnitt des Teiles 9 etwa um 5 bis 20% erweitern, damit die Stoßverluste soweit wie möglich vermieden werden. Außerdem sollte aus diesem Grunde die Stelle 15 nicht mehr als 6" von der an der Übergangsstelle zwischen den Teilen 8 und 9 an die Innenwand des Teiles 8 angelegten Tangente abweichen.

Die Bogenlänge der Innenwand der Teile 8 und 9 beträgt bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform des Zyklons jeweils etwa 0.2 D. Die rechteckige lichte Querschnittsfläche des Teiles 8 hat 4; vorteilhaft eine Höhe von etwa 0.34 D und eine Breite von etwa 0.1 D. Im Teil 9 erweitert sich die Breite auf etwa 0.11 D. während die Höhe die gleiche bleibt wie beim Teil 8. Der kreisförmige lichte Querschnitt an der Einlaßöffnung Il des Teiles 7 hat einen Durchmesser 5« von etwa 0.34 D.

Bei einem speziellen für einen Staub-Luft-Gemisch-Durchsatz von IO8m³/h = 301/sec ausgestalteten Ausfijhpjngsbeispiel hat der zylindrische Teil einen Durchmesser von etwa 10 cm. Die übrigen Maße bestimmen sich nach den angegebenen Beziehungen. Das Staub-Luft-Gemisch wurde mit Hilfe eines an das Austrittsrohr 6 angeschlossenen Ventilators durch das Einlaßrohr 2 in den Zyklon eingesaugt Die Strömungsgeschwindigkeit an der kreisförmigen Einlaßöffnung 11 betrug etwa 33 m/sec In dem sich verengenden Teil 7 wurde das Gemisch auf eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 88 m/sec beschleunigt durchströmte mit dieser Geschwindigkeit den Teil 8 und trat am Ende des Teiles 9 mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 m/sec in tangentiaier Richtung in den zylindrischen Raum ein. Der Abscheidungsgrad für den in dem benutzten Staub-Luft-Gemisch enthaltene Staubteilchen mit einem Durchmesser von etwa 4 μηι und weniger lag erheblich über 90%. Der Druckverlust steigt infolge der speziellen Ausführungsform des Endes des Einlaufrohres gegenüber bekannten Zyklonen leicht an, ist jedoch so gering, daß der kleine Mehraufwand an Verdichtungsarbeit in Anbetracht des hohen Abscheidegrades insbesondere bei Zyklonen kleiner und mittlerer Größe praktisch nicht ins Gewicht fällt.

Bei einem weiteren Versuch wurde mit dem beschriebenen Zyklon (D = 10 cm) auch Flüssigkeit aus einem Flüssigkeit-Luft-Gemisch abgeschieden. Zu diesem Zweck wurde die Einlaßöffnung 11 des Einlaufrohres 2 über einen Schlauch mit einer normalen Staubsaugerdüse verbunden. Das Wasser wurde durch die Staubsaugerdüse rasch und vollständig aufgesaugt und im Zyklon praktisch vollständig aus dem Wasser-Luft-Gemisch abgeschieden.

Die hohe Geschwindigkeit der in den Zyklon

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sogar ein Arbeiten des Zyklons im Liegen.

Der erfindunsgemäße Zyklon kann gegenüber der in den Fig. I und 2 dargestellten Ausführungsform in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise kann die Querschnittserweiterung des Teiles 9 des Einlaufrohres auch dadurch erreicht werden, daß man die Höhe des lichten Querschnittes des Teiles 9 etwas vergrößert. Es ist dann nicht erforderlich, die Innenwand ? I des Teiles 9 an der Stelle 15 in den zylindrischen Teil I hineinzuziehen. Ferner kann beispielsweise bei einem Zyklon, bei dem wenigstens der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil des Endes des Einlaufrohres einen rechteckigen Querschnitt haben, auch die Außenwand des Endes des Einlaufrohres spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles herangeführt sein und tangential in diese übergehen, während die Innenwand des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt und des Teiles mit sich erweiterndem Querschnitt in den zylindrischen Teil hineingezogen ist. Durch diese Bauart kann der Krümmungsradius des Endes des Einlaufrohres weiter verringert und die auf die festen bzw. flüssigen Teilchen wirkende Zentrifugalkraft noch weiter erhöht werden.

Bei dem im einzelnen erläuterten Ausführungsbeispiel wurde das Staub-Luft-Gemisch durch einen an das Austrittsrohr 6 angeschlossenen Ventilator durch den Zyklon hindurchgesaugt. Statt dessen kann der Ventilator auch vor das Einlaufrohr 2 geschaltet werden und das Staub-Luft-Gemisch durch den Zyklon hindurchdrücken.

Ferner kann es vorteilhaft sein, zwei oder mt;;rere der erfindungsgemäßen Zyklone strömungsmäßig zu einer Zyklonbatterie parallel zu schalten. Die Einlaufund Austrittsrohre der einzelnen Zyklone werden zu diesem Zweck vorteilhaft an ein gemeinsames Zuführungsrohr für das zu trennende Gemisch bzw. an ein gemeinsames Abführungsrohr für den Teil des Gemisches, aus dem die spezifisch schwereren Stoffe abgetrennt sind, angeschlossen. Der Ventilator, der das Gemisch durch die Zyklone saugt, kann dabei vorteilhaft in dem gemeinsamen Abführungsrohr angeordnet sein. Bei solchen Zyklonbatterien sind ganz besonders hohe Abscheidungsgrade zu erwarten.

Der erfindungsgemäße Zyklon ist insbesondere als Aerozyklon zur Abtrennung von Feststoffen bzw. Flüssigkeiten aus Feststoff-Gas- oder Fiüssigfceits-Gas-Gemischen geeignet Auch bei Hydrozyklonen zur Abscheidung von Feststoffen aus Feststoff-Flüssigkeit-

gemischen oder zur Abscheidung der spezifisch schwereren Flüssigkeit aus Flüssigkeitsgemischen sind von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erhebliche Vorteile zu erwarten. Bevorzugte Anwendungsgebiete für den Aerozyklon sind beispielsweise Haushalts- und Industriestaubsauger sowie industrielle Abscheider zur

Abscheidung von feinen Stäuben insbesondere aus kleinen Gasmengen. Der erfindungsgemäße Zyklon eignet sich dabei besonders für solche Fälle, in denen eine Feinstabscheidung ohne einen Elektroabscheider durchgeführt werden muß.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Zyklon zur Abscheidung spezifisch schwerer Stoffe aus strömenden Medien mit einem Jiylindrisehen Teil, einem sich an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil und einem in etwa tangentialer Richtung in den zylindrischen Teil mündenden, in Art einer Spirale gekrümmten Einlaufrohr, dessen Endabschnitt in Art einer Venturidüse ausgebildet ist mit einem sich stetig verengenden Teil, einem anschließenden Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und einem sich zur Mündung in den zylindrischen Teil hin stetig erweiternden Teil, wobei wenigstens der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil des Einlaufrohres zur Achse des zylindrischen Teiles des Zyklons hin gekrümmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Teiles (8) mit gleichmäßigem Querschnitt und des sich stetig erweiternden Teiles (9) jeweils eine Länge von etwa 0,2 D aufweist, wobei D der Durchmesser des zylindrischen Teiles (1) ist, daß der Teil (8) mit gleichmäßigem Querschnitt eine Querschnittsfläche von höchstens 0,05 D² aufweist und die Querschnitlsfläche des sich stetig erweiternden Teiles (9) sich um etwa 5 bis 20%, vorzugsweise etwa 10%, erweitert, bezogen auf die Querschnittsfläche des Teiles (8) mit gleichäßigem Querschnitt, und daß der Erweiterungswinkel des sich stetig erweiternden Teiles (9) bis zu 6" beträgt

Z Zyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der sick stetig '- .'rengende Teil (7) des Einlaufrohres (2) gekrünmt ist

3. Zyklon nach Anspruch \ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil (8) mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil (9) des Endabschnittes des Einlaufrohres (2) einen rechteckigen Querschnitt haben.

4. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (12) des Endabschnittes des Einlaufrohres (2) spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles (r) herangeführt ist und tangential in diese übergeht und daß die Innenwand (13) des Endabschnittes des Einlaufrohres (2) im wesentlichen der Wand des zylindrischen Teiles (1) entspricht und in dem sich stetig erweiternden Teil (9) in den zylindrischen Teil (1) hineingezogen ist.

5. Zyklon nach einem oder mehreren der so Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D des zylindrischen Teiles (1) in cm etwa D = /V ist, wobei V die den Zyklon durchströmende Menge des strömenden Mediums in rnVh ist