Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 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 1,2 Viện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME), Bộ Công Thương a longdv.mt@narime.gov.vn; bgianghiem@narime.gov.vn TÓM TẮT Thiết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) sử dụng rộng rãi nhà máy nhiệt điện, xi măng, luyện kim, … để giảm phát thải bụi vào môi trường Hiệu suất thiết bị LBTĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một yếu tố có ảnh hưởng đến hiệu lọc bụi mức độ phân bố vận tốc dòng chảy lưu chất thiết bị, phân bố định cấu tạo cách bố trí phân phối khí Tuy nhiên, để triển khai công tác thiết kế thực tế, nội dung phải giải cần xác định thông số cấu tạo phận phân phối khí Bài báo trình bày việc mô tính toán động lực học dòng lưu chất chảy mô hình 3D thiết bị LBTĐ công cụ CFD phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation Qua khảo sát mô hình, xác định mức độ ảnh hưởng vị trí, số lượng phân phối khí đến trường vận tốc dòng chảy vị trí mô hình Từ kết thiết lập được, nhà thiết kế đưa thông số thiết kế nhằm đảm bảo hiệu suất lọc bụi cao cho dự án triển khai Từ khóa: lọc bụi tĩnh điện, mô số, phân phối khí, vận tốc dòng khí, 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiệu suất lọc bụi thiết bị LBTĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm cấu tạo (tổng diện tích điện cực lắng, khoảng cách hai điện cực trái dấu), tính chất dòng khí (độ nhớt động học), tính chất bụi, chế độ công nghệ điện trường, vận tốc trung bình dòng khí qua tiết diện ngang buồng lọc, …, phải kể đến ảnh hưởng mức độ chênh lệch vận tốc dòng chảy lưu chất vị trí so với vận tốc trung bình Trong công trình 787 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [1] [3], từ lý thuyết đến thực nghiệm mối quan hệ hệ số trường vận tốc M k với hiệu suất lọc bụi η tuân theo quy luật toán học:  Lω h ν gas M k  η = − exp −     (1.1) đó: ω – vận tốc lắng hạt bụi; L – chiều dài hữu ích buồng lọc; h – khoảng cách điện cực trái dấu; ν gas – vận tốc trung bình dòng khí qua buồng lọc; M k - hệ số vận tốc Đến lượt mình, hệ số M k lại phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo phận phân phối khí (hệ số thoáng, số lượng vị trí tương hỗ đột lỗ, ) thiết bị, hệ số tác giả Idelchik I.E [1] xác định có giá trị nằm khoảng M k = ÷ 1,2 đảm bảo hiệu suất lọc bụi thiết bị cao Trong công trình [1] hệ số M k xác định thông qua tính toán từ kết đo đạc thí nghiệm mô hình vật lý Việc xác định hệ số M k thông qua thí nghiệm mô hình vật lý đòi hỏi chi phí vật chất thời gian thực dài Với phát triển phần mềm tin học, tính toán mô hình ảo ngày đóng vai trò quan trọng việc thiết kế, đánh giá tác động dòng chảy SOLIDWORKS Flow Simulation nhóm CFD nhúng hoàn toàn môi trường thiết kế khí để giải thách thức kỹ thuật truyền thống mô dòng chảy SOLIDWORKS Flow Simulation cho phép dự đoán tác động dòng chảy lưu chất lên xung quanh sản phẩm cách đáng tin cậy, để từ tăng tốc trình thiết kế giảm chi phí cho dự án Trong báo này, nhóm tác giả trình bày việc thực mô CFD trường dòng chảy chất khí thiết bị LBTĐ, từ đánh giá ảnh hưởng giải pháp cấu tạo phận phân phối khí đến mức độ phân bố vận tốc dòng chảy thiết bị Các kết nhận từ mô sở ban đầu cho việc đánh giá thông số cấu tạo hợp lý, sở đưa giải pháp thiết kế nhằm đảm bảo hiệu suất lọc bụi cao cho dự án triển khai Đây nội dung nghiên cứu dự án hoàn thiện công nghệ, hoàn thiện thiết kế chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện Viện Nghiên cứu Cơ khí chủ trì thực XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÌNH HỌC Đối tượng nghiên cứu thiết bị LBTĐ loại khô, kiểu nằm ngang, dạng hai tuyến, bốn trường, bao gồm đường ống dẫn khí vào hướng thẳng tâm, phận phân phối khí đầu vào buồng lọc có trang bị đột lỗ, phận buồng lọc bao gồm điện cực lắng điện cực phóng, phễu thu bụi phận thu khí đầu buồng lọc Đây dạng thiết bị LBTĐ điển hình sử dụng nhà máy nhiệt điện Hình Mô hình hình học thiết bị LBTĐ 788 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mô hình hình học xây dựng dựa cấu tạo thực tế thiết bị LBTĐ phần mềm SOLIDWORKS 3D CAD (hình 1) [4] [5], chi tiết kết cấu cân nhắc đơn giản hóa tối ưu đảm bảo tính tương đồng khí động lực [2] Việc phân tích CFD thực trực tiếp mô hình công cụ phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation Hình Vị trí đặt phân phối khí ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG SỐ Các điều kiện để thiết lập chương trình mô phỏng: - Thiết bị không bị lọt khí; - Toàn trình đẳng nhiệt; - Dòng chảy không bị nén; - Vận tốc dòng khí đầu vào không đổi Bài toán thiết lập với thông số đầu vào sau: - Vận tốc đầu vào, m/s: 13; - Độ thoáng đột lỗ, %: 50 – 56; - Vị trí đột lỗ: P1, P2, …, P12 (h 2) 789 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trong toán mô phỏng, cần xác định vị trí số lượng phân phối khí cho hệ số trường vận tốc M k đáp ứng điều kiện để đạt phân bố vận tốc dòng chảy: Mk = đó: M ki = M k1 + M k + M k ≤ 1,2 ∫ν i (4.1) dF (4.2) Fki ν gas Fki i = 1, 2, vị trí tiết diện sau trường 1, TRIỂN KHAI MÔ PHỎNG Sau thiết lập đầy đủ mô hình, điều kiện biên, thông số đầu vào tương ứng với toán mô phỏng, ta tiến hành trình tính toán với trợ giúp phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation Để hiển thị ảnh hưởng vị trí số lượng phân phối khí đến phân bố vận tốc dòng chảy vị trí thiết bị, loạt mô với vận tốc đầu vào 13 m/s thực thi Hướng dòng chảy từ phải sang trái Giả thiết dòng chảy thiết bị LBTĐ thảo mãn điều kiện sau: a) Dòng chảy thiết bị LBTĐ dòng chảy Newton không nén mô tả phương trình liên tục: ∂ρ + ∇.( ρ v ) = ∂t (5.1) Và phương trình Navier-Stockes sau:      ∂V    ∇p + V ∇V =− + υ∇ 2V + g ρ ∂t (5.2) 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 chảy thiết bị LBTĐ dòng chảy không nén nên Ma 0 đến 2.1 m/s (hình 5(a), (b), (c)) Tuy nhiên, phân vùng nhỏ dọc theo miền biên, vận tốc dòng khí tương đối lớn, gây tượng chảy rối cục Hình (d) cho thấy trường vận tốc dòng khí dọc theo hướng dòng chảy phân bố so với trường hợp P1 Tuy nhiên, trường hợp tồn tượng chảy rối trường xoáy khoảng không gian phễu thu bụi - Trường hợp bố trí 01 đột lỗ vị trí P5 (h.5) (a) (b) (c) Hình Hình ảnh phân bố vận tốc ứng với phân phối khí vị trí P5 (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc mặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, (d) - Phân bố vận tốc theo không gian ba chiều (d) Nhận xét: Dòng khí có xu hướng phân bố Xem xét trường vận tốc mặt cắt vị trí sau trường 1, trường 2, trường (hình 4(a), (b), (c)) cho thấy vận tốc dòng khí tâm dọc theo hướng dòng chảy nhỏ so với vận tốc dòng khí vị trí xung quanh; vùng biên có xuất hiện tượng xoáy cục bộ, phân bố rải rác, không đồng Trong không gian trường thứ có tượng xoáy cục bộ, dòng chảy có xu hướng xuống vùng không gian phễu trường với vận tốc lớn, tạo tượng chảy xoáy không gian phễu thu bụi Vận tốc dòng khí buồng lọc nằm dải từ đến 2,788 m/s 792 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Trường hợp bố trí 01 đột lỗ vị trí P5 P10 (h.6) (a) (b) (c) (d) (d) (f) (g) Hình Hình ảnh phân bố vận tốc ứng với phân phối khí vị trí P5 P10 (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc mặt cắt vuông góc với dòng khí sau trường 1, (d), (e) - Phân bố vận tốc mặt cắt song song với dòng khí (f) - Phân bố vận tốc theo hình chiếu mặt (g) - Phân bố vận tốc theo không gian ba chiều Nhận xét: Dòng khí thiết bị LBTĐ phân bố tương đối đồng Trường vận tốc dòng khí mặt cắt trường 1, trường 2, trường (hình (a), (b), (c)) nằm khoảng từ 0.475 m/s đến 1.353 m/s Phân tích kết hình 6(e), (f), (g) cho thấy không tượng chảy rối vùng không gian trường 1, tượng chảy xoáy vùng không gian phễu thu bụi triệt giảm đáng kể Đây khoảng vận tốc tương đối lý tưởng thiết bị lọc bụi tĩnh điện trình thu giữ hạt bụi dòng khí buồng lọc 6.2 Kết tính toán CFD, lựa chọn vị trí số lượng hợp lý phân phối khí Từ kết thu trình mô phỏng, thay vào công thức (4.1), ta thu hệ số vận tốc cho trường hợp khảo sát Bảng Bảng Giá trị hệ số vận tốc cho trường hợp khảo sát TT Vị trí phân phối khí Giá trị hệ số vận tốc M k1 Giá trị hệ số vận tốc M k2 Giá trị hệ số vận tốc M k3 Giá trị M + M k2 + M k3 M k = k1 P1 5.758 5.306 4.573 5.212 P 12 7.282 5.294 3.691 5.422 P5 2.163 1.628 1.309 1.7 P P 10 1.102 1.110 1.195 1,136 793 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nhận xét: Đối với trường hợp bố trí hai đột lỗ vị trí P5 P10, trường vận tốc lưu chất thỏa mãn điều kiện M k ≤ 1,2 Kết xác định làm sở để xây dựng thông số thiết kế phận phân phối khí thiết bị LBTĐ cho liệu thiết kế đầu vào KẾT LUẬN Từ việc ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation mô khí động lực lưu chất mô hình số, thiết bị LBTĐ nhóm tác giả xây dựng dự báo trường vận tốc lưu chất điểm thiết bị xác định mức độ chênh lệch vận tốc điểm xem xét so với vận tốc trung bình qua thiết bị Kết nghiên cứu sử dụng để tính toán hệ số trường vận tốc lựa chọn tọa độ bố trí số lượng đột lỗ hợp lý để đảm bảo yêu cầu thiết kế (hệ số M k ≤ 1,2) Các kết nghiên cứu kiểm chứng thực nghiệm để có kết luận việc ứng dụng hiệu công tác thiết kế thiết bị LBTĐ cho dự án thực tế Kết nghiên cứu sử dụng cho đơn vị tư vấn thiết kế công tác thiết kế phận phân phối khí thiết bị LBTĐ trang bị cho nhà máy nhiệt điện, xi măng luyện kim Các kết nghiên cứu dùng làm tài liệu tham khảo công tác đào tạo đại học, sau đại học kỹ thuật có liên quan TÀI LIỆU 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 GIẢ TS Dương Văn Long, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương Email: longdv.mt@narime.gov.vn, 0913388777 KS Đinh Gia Nghiêm, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương Email: gianghiem@narime.gov.vn, 0978215588 794