NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG vị TRÍ tấm PHÂN PHỐI KHÍ lỗ TRÒN đến TRƯỜNG DÒNG CHẢY CHẤT KHÍ TRONG lọc bụi TĨNH điện TRÊN mô HÌNH CFD

Một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến hiệu quả lọc bụi là m ức độ phân bố đều vận tốc dòng chảy lưu chất trong thiết bị, sự phân bố này được quyết định bởi cấu tạo và cách bố tr

NGHIÊN C ỨU ẢNH HƯỞNG VỊ TRÍ TẤM PHÂN PHỐI KHÍ LỖ TRÒN ĐẾN TRƯỜNG DÒNG CHẢY CHẤT KHÍ TRONG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

TRÊN MÔ HÌNH CFD

STUDY EFFECTS OF PLACEMENT OF GAS DISTRIBUTION PLATE WITH ROUND HOLE ON THE FLOW GAS VELOCITY IN ESP USING CFD

TS Dương Văn Long1a, KS Đinh Gia Nghiêm2b

1,2Vi ện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME), Bộ Công Thương

alongdv.mt@narime.gov.vn; bgianghiem@narime.gov.vn

TÓM T ẮT

Thi ết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện,

xi măng, luyện kim, … để giảm phát thải bụi vào môi trường Hiệu suất của thiết bị LBTĐ

ph ụ thuộc vào nhiều yếu tố Một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến hiệu quả lọc bụi

là m ức độ phân bố đều vận tốc dòng chảy lưu chất trong thiết bị, sự phân bố này được quyết định bởi cấu tạo và cách bố trí tấm phân phối khí Tuy nhiên, để triển khai được công tác thiết

k ế trong thực tế, một trong những nội dung phải giải quyết là cần xác định được bộ thông số

c ấu tạo của bộ phận phân phối khí Bài báo trình bày việc mô phỏng và tính toán động lực học đối với dòng lưu chất chảy trong mô hình 3D thiết bị LBTĐ bằng công cụ CFD của bộ phần

m ềm SOLIDWORKS Flow Simulation Qua khảo sát trên mô hình, xác định được mức độ ảnh hưởng của vị trí, số lượng tấm phân phối khí đến trường vận tốc của dòng chảy tại từng vị trí trong mô hình T ừ kết quả thiết lập được, nhà thiết kế sẽ đưa ra bộ thông số thiết kế nhằm đảm bảo hiệu suất lọc bụi cao nhất cho dự án triển khai

Từ khóa: lọc bụi tĩnh điện, mô phỏng số, phân phối khí, vận tốc dòng khí, tấm đột lỗ

ABSTRACT

Electrostatic precipitators (ESP) equipment is widely used in thermal power plants, cement plants, metallurgical plants, etc to reduce fly ash in exhaust gas Performance efficiency of ESP depends on many factors One of the main factors that affect depositing efficiency, is the uniform distribution of flow gas in ESP, which is decided by structure and geometry of gas distribution plate at diffuser of ESP Therefore, to implement the design ESP

in fact, one of the necessary content must be taken notice is that identification of the structural parameters of the gas distribution system This paper presents simulations and computational flow dynamics of gas flows in ESP using SolidWorks Flow Simulation software From the results of simulation, to help determine the effects of placement and quantity of gas distribution system at diffuser of ESP on the gas flow velocity at any positions in the ESP Based on the results, the authors will choose the design parameters to ensure the highest dust depositing efficiency in fact

Keywords: electrostatic precipitators, numerial modelling, distribution, gas velocity,

perforated plate

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hi ệu suất lọc bụi của thiết bị LBTĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm cấu tạo (tổng

di ện tích điện cực lắng, khoảng cách giữa hai điện cực trái dấu), tính chất của dòng khí (độ

nh ớt động học), tính chất của bụi, chế độ công nghệ điện trường, vận tốc trung bình của dòng khí qua ti ết diện ngang buồng lọc, …, trong đó phải kể đến ảnh hưởng của mức độ chênh lệch

gi ữa vận tốc của dòng chảy lưu chất tại từng vị trí so với vận tốc trung bình Trong công trình

[1] [3], t ừ lý thuyết đến thực nghiệm đã chỉ ra rằng mối quan hệ giữa hệ số trường vận tốc M k

v ới hiệu suất lọc bụi η tuân theo quy luật toán học:

















−

−

=

k gas M h

L

ν

ω

t rong đó: ω – vận tốc lắng hạt bụi; L – chi ều dài hữu ích buồng lọc; h – kho ảng cách

gi ữa các điện cực trái dấu; ν – vận tốc trung bình dòng khí qua buồng lọc; gas M - hk ệ số

v ận tốc

Đến lượt mình, hệ số M lk ại phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bộ phận phân phối khí (h ệ số thoáng, số lượng và vị trí tương hỗ của các tấm đột lỗ, ) của thiết bị, hệ số này được tác gi ả Idelchik I.E [1] xác định có giá trị nằm trong khoảng M = 1 ÷ 1,2 sk ẽ đảm bảo hiệu

su ất lọc bụi của thiết bị là cao nhất

Trong công trình [1] h ệ số M k được xác định thông qua tính toán từ kết quả đo đạc khi thí nghi ệm trên mô hình vật lý Việc xác định hệ số M thông qua thí nghik ệm trên mô hình

v ật lý đòi hỏi chi phí vật chất và thời gian thực hiện dài

V ới sự phát triển của các phần mềm tin học, tính toán trên các mô hình ảo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, đánh giá tác động của dòng chảy SOLIDWORKS Flow Simulation là một nhóm mới của CFD được nhúng hoàn toàn trong môi trường thiết kế

cơ khí để giải quyết những thách thức kỹ thuật truyền thống trong mô phỏng dòng chảy SOLIDWORKS Flow Simulation cho phép dự đoán các tác động của dòng chảy lưu chất lên trên hoặc xung quanh sản phẩm một cách đáng tin cậy, để từ đó tăng tốc quá trình thiết kế và giảm các chi phí cho dự án

Trong bài báo này, nhóm tác gi ả trình bày việc thực hiện mô phỏng CFD trường dòng

ch ảy chất khí trong thiết bị LBTĐ, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của giải pháp cấu tạo bộ

ph ận phân phối khí đến mức độ phân bố đều vận tốc dòng chảy trong thiết bị Các kết quả

nh ận được từ mô phỏng sẽ là cơ sở ban đầu cho việc đánh giá bộ thông số cấu tạo hợp lý, và

là cơ sở đưa ra giải pháp thiết kế nhằm đảm bảo hiệu suất lọc bụi cao nhất cho dự án triển khai Đây là một trong các nội dung nghiên cứu của dự án hoàn thiện công nghệ, hoàn thiện thi ết kế chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện do Viện Nghiên cứu Cơ khí chủ trì thực hiện

2 XÂY D ỰNG MÔ HÌNH HÌNH HỌC

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị LBTĐ loại khô, kiểu nằm ngang, dạng hai tuyến,

b ốn trường, bao gồm đường ống dẫn khí vào ra hướng thẳng tâm, bộ phận phân phối khí đầu vào buồng lọc có trang bị các tấm đột lỗ, bộ phận buồng lọc bao gồm điện cực lắng

và điện cực phóng, phễu thu bụi và bộ phận thu khí đầu ra buồng lọc Đây là dạng thiết bị LBTĐ điển hình sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện

Hình 1 Mô hình hình h ọc thiết bị LBTĐ

Mô hình hình h ọc được xây dựng dựa trên cấu tạo thực tế của thiết bị LBTĐ bằng

ph ần mềm SOLIDWORKS 3D CAD (hình 1) [4] [5], các chi tiết kết cấu được cân nhắc đơn

gi ản hóa và tối ưu nhưng vẫn đảm bảo tính tương đồng về khí động lực [2] Việc phân tích CFD được thực hiện trực tiếp trên mô hình này bằng công cụ của bộ phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation

Hình 2 Vị trí đặt tấm phân phối khí

3 ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG SỐ

Các điều kiện để thiết lập chương trình mô phỏng:

- Thi ết bị không bị lọt khí;

- Toàn b ộ quá trình là đẳng nhiệt;

- Dòng ch ảy không bị nén;

- V ận tốc dòng khí tại đầu vào không đổi

Bài toán được thiết lập với các thông số đầu vào như sau:

- V ận tốc đầu vào, m/s: 13;

- Độ thoáng tấm đột lỗ, %: 50 – 56;

- V ị trí tấm đột lỗ: lần lượt tại P1, P2, …, P12 (h 2)

4 YÊU C ẦU ĐỐI VỚI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trong bài toán mô ph ỏng, cần xác định được vị trí cũng như số lượng tấm phân phối khí

sao cho h ệ số trường vận tốc M k đáp ứng điều kiện để đạt được sự phân bố đều vận tốc dòng

ch ảy:

2 , 1 3

3 2

k

M M M

t rong đó:

ki gas F i ki F

dF

M ki

2 2

ν

ν

∫

i = 1, 2, 3 v ị trí tiết diện sau trường 1, 2 và 4

5 TRI ỂN KHAI MÔ PHỎNG

Sau khi thi ết lập đầy đủ các mô hình, các điều kiện biên, các thông số đầu vào tương

ứng với bài toán mô phỏng, ta tiến hành quá trình tính toán với sự trợ giúp của phần mềm

SOLIDWORKS Flow Simulation Để hiển thị các ảnh hưởng của vị trí cũng như số lượng

t ấm phân phối khí đến sự phân bố vận tốc dòng chảy tại từng vị trí trong thiết bị, một loạt các

mô ph ỏng với cùng vận tốc đầu vào 13 m/s được thực thi Hướng dòng chảy là từ phải sang

trái Gi ả thiết dòng chảy trong thiết bị LBTĐ thảo mãn những điều kiện sau:

a) Dòng ch ảy trong thiết bị LBTĐ là dòng chảy Newton không nén được mô tả bằng

phương trình liên tục:

t

∂

Và phương trình Navier-Stockes như sau:

2

.

ρ

∂

    

Trong đó: ρ : khối lượng riêng, v: vectơ vận tốc, t: thời gian, p: áp suất, υ : độ nhớt

động học, g: gia tốc trọng trường

Vì dòng ch ảy trong thiết bị LBTĐ là dòng chảy không nén nên Ma << 1 Như vậy, công

th ức (5.1) sau khi tối giản sẽ thu được

b) Dòng ch ảy được mô hình hóa là một dòng chảy đẳng nhiệt và độ nhớt dòng chảy,

nhi ệt độ dòng chảy là hằng số

c) S ử dụng mô hình dòng chảy rối tiêu chuẩn k−ε để kiểm soát quá trình chảy rối

trong lòng thi ết bị LBTĐ, được biểu diễn như sau:

ij ij

( )

t k

k

t

µ

σ

2

( )

t k

µ

σ

Các giá tr ị hằng số sẽ được lấy như sau:

0.09

6 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CFD

6.1 Kết quả mô phỏng

Sau khi tiến hành mô phỏng lần lượt cho từng trường hợp tương ứng với một tấm đột lỗ,

tổ hợp hai tấm đột lỗ tại các vị trí P1, P2, …, P12, ta xác định được kết quả dưới dạng hình ảnh, biểu đồ Kết quả cụ thể của một số trường hợp điển hình như sau:

- Trường hợp bố trí 01 tấm đột lỗ tại vị trí P1 (h.3)

(d)

Hình 3 Hình ảnh phân bố vận tốc ứng với tấm phân phối khí tại vị trí P1 (a), (b), (c) - Phân b ố vận tốc tại các m ặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, 2 và 4 (d) - Phân bố vận tốc theo không gian ba chiều

Nhận xét: Ảnh hưởng của tấm phân phối khí đến sự phân bố dòng khí trong buồng lọc

là không đáng kể, dòng khí có xu hướng tập trung vào tâm, dọc theo hướng dòng chảy, không được dàn đều trong không gian của thiết bị

- Trường hợp bố trí 01 tấm đột lỗ tại vị trí P12 (h.4)

(d)

Hình 4 Hình ảnh phân bố vận tốc ứng với tấm phân phối khí tại vị trí P12 (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc tại các m ặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, 2 và 4 (d) - Phân bố

v ận tốc theo không gian ba chiều

Nhận xét: Tấm phân phối khí có ảnh hưởng rõ đến sự phân bố dòng khí trong buồng

l ọc Vận tốc tại các mặt cắt ở trường 1, trường 2, trường 3 nằm trong dải từ >0 đến 2.1 m/s (hình 5(a), (b), (c)) Tuy nhiên, t ại một phân vùng nhỏ dọc theo miền biên, vận tốc dòng khí là tương đối lớn, gây ra hiện tượng chảy rối cục bộ Hình 5 (d) cho thấy trường vận tốc dòng khí

d ọc theo hướng dòng chảy phân bố đều hơn so với trường hợp P1 Tuy nhiên, trong trường

h ợp này tồn tại hiện tượng chảy rối ở trường 1 và xoáy ở khoảng không gian phễu thu bụi

- Trường hợp bố trí 01 tấm đột lỗ tại vị trí P5 (h.5)

(d)

Hình 5 Hình ảnh phân bố vận tốc ứng với tấm phân phối khí tại vị trí P5 (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc tại các m ặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, 2 và 4 (d) - Phân bố vận tốc theo không gian ba chiều

Nhận xét: Dòng khí có xu hướng phân bố đều Xem xét trường vận tốc tại mặt cắt ở vị

trí sau trường 1, trường 2, trường 4 (hình 4(a), (b), (c)) cho thấy vận tốc dòng khí tại tâm dọc theo hướng dòng chảy nhỏ hơn so với vận tốc của dòng khí tại những vị trí xung quanh; tại

nh ững vùng biên có xuất hiện hiện tượng xoáy cục bộ, phân bố rải rác, không đồng đều Trong không gian c ủa trường thứ nhất có hiện tượng xoáy cục bộ, dòng chảy có xu hướng đi

xu ống vùng không gian của các phễu trong trường 1 với vận tốc lớn, tạo hiện tượng chảy xoáy trong không gian c ủa các phễu thu bụi Vận tốc dòng khí trong buồng lọc nằm trong dải

t ừ 0 đến 2,788 m/s

- Trường hợp bố trí 01 tấm đột lỗ tại vị trí P5 và P10 (h.6)

(g)

Hình 6 Hình ảnh phân bố vận tốc ứng

v ới tấm phân phối khí tại vị trí P5 và P10 (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc tại các m ặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, 2 và 4 (d), (e) - Phân bố vận tốc tại mặt cắt song song với dòng khí (f) - Phân b ố vận tốc theo hình chiếu

m ặt bằng (g) - Phân bố vận tốc theo

không gian ba chi ều

Nh ận xét: Dòng khí trong thiết bị LBTĐ đã được phân bố tương đối đồng đều Trường

v ận tốc của dòng khí tại mặt cắt trường 1, trường 2, trường 3 (hình 6 (a), (b), (c)) nằm trong kho ảng từ 0.475 m/s đến 1.353 m/s Phân tích kết quả của hình 6(e), (f), (g) cho thấy đã không còn hi ện tượng chảy rối ở vùng không gian trường 1, hiện tượng chảy xoáy ở trong vùng không gian ph ễu thu bụi đã được triệt giảm đáng kể Đây là khoảng vận tốc tương đối lý tưởng đối với thiết bị lọc bụi tĩnh điện trong quá trình thu giữ hạt bụi của dòng khí trong

bu ồng lọc

6.2 Kết quả tính toán CFD, lựa chọn vị trí và số lượng hợp lý tấm phân phối khí

T ừ kết quả thu được của quá trình mô phỏng, thay vào công thức (4.1), ta sẽ thu được

h ệ số vận tốc cho các trường hợp khảo sát như Bảng 1

Bảng 1 Giá trị hệ số vận tốc cho các trường hợp khảo sát

TT

V ị trí tấm

phân ph ối

khí

Giá tr ị hệ số

v ận tốc Mk1

Giá tr ị hệ số

v ận tốc Mk2

Giá tr ị hệ số

v ận tốc Mk3

Giá tr ị

3

3 2

k k

M M M

Nh ận xét: Đối với trường hợp bố trí hai tấm đột lỗ tại vị trí P5 và P10, trường vận tốc

lưu chất thỏa mãn được điều kiện Mk≤ 1,2 Kết quả xác định được làm cơ sở để xây dựng bộ thông s ố thiết kế bộ phận phân phối khí của thiết bị LBTĐ cho dữ liệu thiết kế đầu vào

7 KẾT LUẬN

Từ việc ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation mô phỏng khí động lực lưu chất trên mô hình số, thiết bị LBTĐ do nhóm tác giả xây dựng có thể dự báo được trường vận tốc lưu chất tại từng điểm trong thiết bị cũng như xác định được mức độ chênh lệch vận tốc tại các điểm xem xét so với vận tốc trung bình qua thiết bị Kết quả nghiên cứu được sử dụng để tính toán hệ số trường vận tốc và lựa chọn được tọa độ bố trí và số lượng tấm đột lỗ

h ợp lý để đảm bảo yêu cầu thiết kế (hệ số Mk≤ 1,2) Các kết quả nghiên cứu này sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm để có kết luận về việc ứng dụng hiệu quả trong công tác thiết

kế thiết bị LBTĐ cho các dự án thực tế

Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho các đơn vị tư vấn thiết kế trong công tác thiết kế

bộ phận phân phối khí của thiết bị LBTĐ trang bị cho các nhà máy nhiệt điện, xi măng và luyện kim Các kết quả nghiên cứu cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong công tác đào tạo đại học, sau đại học và kỹ thuật có liên quan

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Идельчик И.Е Аэрогидродинамика технологических аппаратов (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов) – М.: Машиностроение, 1983 – 351

с.: ил

[2] Идельчик И.Е Справочник по гидравлическим сопротивлениям/Под ред М.О Штейнберга – 3-е изд., перераб и доп – М.: Машинстроение, 1992 – 672 с.: ил [3] White H J., Industrial Electrostatic Precipitation Addison-Wesley, Reading,

Massachusetts, 1963

[4] SolidWorks Flow Simulation 2014: Technical Reference

[5] SolidWorks Flow Simulation 2014: Solving Engineering Tasks

THÔNG TIN TÁC GI Ả

1 TS Dương Văn Long, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương

Email: longdv.mt@narime.gov.vn, 0913388777

2 KS Đinh Gia Nghiêm, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương

Email: gianghiem@narime.gov.vn, 0978215588