Nghiên cứu mức phân bố đồng đều vận tốc dòng khí trong buồng lọc thiết bị lọc bụi tĩnh điện được thực hiện trên mô hình số và mô hình vật lý thiết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) ở tỷ lệ 1:14so với thiết bị thật. Mô hình vật lý của thiết bịLBTĐ được làm từ nhựa trong suốt để có thể quan sát được dòng khí. Trên cơ sở mô hình hóa vật lý, các thành phần dẫn hướng dòng khí được lựa chọn để đảm bảo phân bố vận tốc đồng đều trong buồng lọc của thiết bị LBTĐ. Các mô phỏng số được thực hiện bằng SOLIDWORKS Flow Simulation. Kết quả của tính toán lý thuyết và mô hình số được so sánh với kết quả của mô hình vật lý.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thiết bị LBTĐ được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện, xi măng, luyện kim… để giảm phát thải bụi vào môi trường không khí xung quanh. Hiệu suất lọc bụi của thiết bị LBTĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc điểm cấu tạo (tổng diện tích điện cực lắng, khoảng cách giữa hai điện cực trái dấu), tính chất của dòng khí (độ nhớt động học), tính chất của bụi, chế độ công nghệ điện trường, vận tốc trung bình của dòng khí qua tiết diện ngang buồng lọc… Ngoài ra, còn phải kể đến ảnh hưởng của mức độ chênh lệch giữa vận tốc dòng khí tại từng vị trí so với vận tốc trung bình của nó. Trong công trình [1], từ lý thuyết đến thực nghiệm đã chỉ ra mối quan hệ giữa hệ số động lượng M_k với hiệu suất lọc bụi η tuân theo quy luật toán học:

Trong đó:

– vận tốc lắng hạt bụi; – chiều dài hữu ích buồng lọc; – khoảng cách giữa các điện cực trái dấu; – vận tốc trung bình dòng khí qua buồng lọc; – hệ số động lượng.

Mặt khác, hệ số lại phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo bộ phận phân phối khí (hệ số thoáng, số lượng và vị trí bố trí các tấm phân phối khí trong côn khuyếch tán đầu vào và trong côn thu đầu ra,…) của thiết bị. Theo tác giả Idelchik I.E. [1], hệ số có giá trị nằm trong khoảng 1÷1,2 sẽ cho hiệu suất lọc bụi của thiết bị là cao nhất.

Trong công trình [1] hệ số được xác định thông qua tính toán lý thuyết và từ kết quả đo đạc khi thí nghiệm trên mô hình vật lý. Việc xác định hệ số thông qua thí nghiệm trên mô hình vật lý đòi hỏi chi phí vật chất và thời gian thực hiện dài. Mặt khác, trong công trình [1] mới chỉ đưa ra khuyến cáo khoảng vị trí lắp các tấm phân phối khí mà chưa có tính toán cụ thể. Do đó, viêc ứng dụng công nghệ mô phỏng CFD là cần thiết trong việc giải quyết bài toán khí động lực của thiết bị LBTĐ.

Với sự phát triển của các phần mềm tin học, việc mô phỏng CFD trên mô hình số ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, đánh giá tác động của dòng chảy lưu chất. SOLIDWORKS Flow Simulation là một trong những nhóm 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 một cách đáng tin cậy, để từ đó rút ngắn thời gian thiết kế, giảm chi phí thực hiện dự án.

Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày việc thực hiện mô phỏng số CFD trường vận tốc dòng chảy chất khí trong thiết bị LBTĐ, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của giải pháp cấu tạo bộ phận phân phối khí đến mức độ phân bố đều vận tốc dòng chảy trong thiết bị, đồng thời kết hợp thực nghiệm trên mô hình vật lý để so sánh và kiểm chứng mức độ tin cậy của kết quả mô phỏng số. Các kết quả nhận được từ tính toán lý thuyết và phân tích tính toán mô phỏng được so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm và sẽ được làm cơ sở cho đề xuất bộ thông số cấu tạo, giải pháp thiết kế nhằm đảm bảo hiệu suất lọc bụi cao nhất cho dự án triển khai trong thực tế.

2. CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1. Xây dựng mô hình số và mô hình vật lý

2.1.1. Xây dựng mô hình số

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị LBTĐ loại khô, kiểu nằm ngang, dạng hai tuyến, bốn trường, điện cực lắng dạng tấm phẳng lắp đặt song song với nhau. Bộ phận phân phối khí bao gồm côn khuyếch tán đầu vào (bên trong được trang bị 03 lớp lưới phân phối khí dạng tấm đột lỗ) và côn thắt thu khí đầu ra (bên trong được trang bị 01 lớp lưới phân phối khí dạng tấm đột lỗ). Đây là dạng thiết bị LBTĐ điển hình sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, xi măng, luyện kim.

Mô hình mô phỏng số được xây dựng hoàn toàn đồng dạng về cấu tạo so với thiết bị LBTĐ thực tế ở tỷ lệ 1:14.

Mô hình hình học được xây dựng dựa trên cấu tạo thực tế của thiết bị LBTĐ bằng phần mềm SOLIDWORKS 3D CAD (Hình 1) [3] [4], các chi tiết kết cấu được cân nhắc đơn giản hóa và tối ưu nhưng vẫn đảm bảo tính tương đồng về khí động lực [2]. Việc mô phỏng CFD được thực hiện trực tiếp trên mô hình bằng công cụ của bộ phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation.

2.1.2. Xây dựng mô hình vật lý

Để kiểm chứng mức độ tin cậy của mô hình 3D xây dựng trên phần mềm SOLIDWORKS 3D CAD và kết quả tính toán phân tích mô phỏng CFD thực hiện trên mô hình số bằng các công cụ của bộ phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý (Hình 2) đồng dạng với mô hình mô phỏng ở tỷ lệ 1:1.

2.2. Điều kiện mô phỏng số và thực nghiệm trên mô hình vật lý

Các điều kiện để thiết lập kế hoạch mô phỏng số và thực nghiệm trên mô hình vật lý như sau:

- Mô hình số 3D và mô hình vật lý hoàn toàn đồng nhất về cấu tạo và kích thước;

- Mô hình số 3D và mô hình vật lý được xây dựng không bị lọt khí;

- Toàn bộ quá trình là đẳng nhiệt;

- Dòng chảy lưu chất không bị nén;

- Vận tốc dòng khí đầu vào mô hình không thay đổi;

Bài toán mô phỏng số và thực nghiệm được thiết lập với các thông số đầu vào như sau:

- Vận tốc trung bình dòng khí qua mô hình số và vật lý: 0,81m/s;

- Côn khuyếch tán và côn thu có tỷ lệ diện tích đầu lớn và đầu nhỏ F_k/F₀ = 8,5;

- Biên dạng lỗ thoáng: hình tròn, đường kính lỗ 10mm;

- Hệ số thoáng lưới phân phối khí:

- Số lượng điểm đo vận tốc dòng khí khi thực nghiệm trên mô hình vật lý theo tiêu chuẩn GOST 12.3.018-79;

- Sử dụng thiết bị đo vận tốc dòng khí: dải đo 0 – 20m/s; sai số đo: 5%.

2.3. Yêu cầu đối với kết quả

Trong bài toán mô phỏng số, cần xác định được vị trí các tấm phân phối khí sao cho hệ số đáp ứng điều kiện để đạt được sự phân bố đều vận tốc dòng chảy:

2.4. Triển khai mô phỏng số

Sau khi thiết lập đầy đủ mô hình, các điều kiện biên, các thông số đầu vào tương ứng với bài toán mô phỏng, tiến hành mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation. Giả thiết dòng chảy trong thiết bị LBTĐ được thiết lập thỏa mãn những điều kiện sau:

- Dòng chảy trong thiết bị LBTĐ là dòng chảy Newton không nén, được mô tả bằng phương trình liên tục:

Triển khai phân tích mô phỏng chế độ khí động lực của dòng khí, thay đổi vị trí của các tấm lưới phân phối khí đặt tại các vị trí P1; P2;…; P12 theo tổ hợp 03 lớp lưới trong côn khuếch tán đầu vào và tại các vị trí R1; R2;…; R12 đối với 01 lớp lưới trong côn thu đầu ra, sao cho đạt được mức độ phân phối khí đồng đều của dòng khí trong toàn bộ thể tích của bộ lọc bụi tĩnh điện và cố định vị trí lắp đặt các lưới tại các vị trí P4, P7, P10 và R10; Thực hiện phân tích CFD cho trường hợp bố trí tấm lưới đột lỗ tại các vị trí P4, P7, P10 và R10 đã xác định nói trên (Hình 3).

2.5. Triển khai thực nghiệm trên mô hình vật lý

Sau khi xác định được vị trí của 03 lớp lưới trong côn khuếch tán đầu vào và 01 lớp lưới trong côn thu đầu ra cho hiệu quả dàn đều vận tốc dòng khí trong khoang buồng lọc đáp ứng yêu cầu về giá trị M_k ≤ 1,2 đã đề ra trong quá trình mô phỏng số, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình vật lý với các điều kiện biên đúng như các thông số kỹ thuật đã xác định được bởi công tác mô phỏng: kích thước, hệ số thoáng, vị trí lắp đặt các tấm lưới phân phối khí, lưu lượng dòng khí,… và tiến hành đo đạc giá trị vận tốc dòng khí tại các tiết diện 1-1; 2-2; 3-3; 4-4 theo tiêu chuẩn GOST 12.3.018-79.

3. KẾT QUẢ

3.1. Kết quả phân tích tính toán mô phỏng CFD

Việc mô phỏng chế độ khí động lực trong buồng lọc được thực hiện theo kế hoạch đề ra với các tùy biến vị trí đặt lưới khác nhau, xác định được đối với trường hợp bố trí 03 lớp lưới đột lỗ tại các vị trí P₄, P₇, P₁₀ trong côn khuếch tán đầu vào và 01 lớp lưới đột lỗ tại vị trí R₁₀ trong côn thu đầu ra cho kết quả dàn đều vận tốc dòng khí trong khoang buồng lọc đạt giá trị M_k≤ 1,2, đáp ứng tiêu chí đề ra. Mức độ dàn đều vận tốc dòng khí trong khoang buồng lọc dưới dạng hình ảnh thể hiện trên Hình 4.

3.2. Kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý

Tiến hành thực nghiệm trên mô hình vật lý theo các điều kiện biên đã xác định của công tác mô phỏng số. Việc đo đạc giá trị vận tốc dòng khí được thực hiện tại 24 điểm (vị trí điểm đo được xác định theo tiêu chuẩn GOST 12.3.018-79) trên mỗi vị trí tiết diện 1-1, 2-2, 3-3 và 4-4. Số liệu đo đạc được sử dụng để tính toán giá trị hệ số động lượng M_k. Kết quả giá trị hệ số động lượng M_k được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Giá trị hệ số động lượng M_k của các trường hợp khảo sát

4. KẾT LUẬN

Việc ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS Flow Simulation tính toán mô phỏng khí động lực dòng khí trong thiết bị LBTĐ trên mô hình số do nhóm tác giả xây dựng cho phép dự báo được trường vận tốc lưu chất tại từng điểm trong buồng lọc thiết bị;

Với sự trợ giúp của mô phỏng số cho phép xác định được vị trí tối ưu bố trí các lớp lưới phân phối khí, vấn đề mà cơ sở lý thuyết chưa giải quyết được;

Việc thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình vật lý các dữ liệu nghiên cứu mô phỏng cho phép khẳng định độ tin cậy của mô hình số xây dựng được và được khuyến cáo sử dụng trong công tác thiết kế bộ phận phân phối khí của thiết bị LBTĐ ứng dụng thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Идельчик И.Е. (1983), "Аэрогидродинамика технологических аппаратов" (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов), Машиностроение – 351 с.: ил., Москва, Российская Федерация.

[2]. Идельчик И.Е. (1992), "Справочник по гидравлическим сопротивлениям" /Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп., Машиностроение – 672 с.: ил., Москва, Российская Федерация.

[3]. Solid Works Flow Simulation (2014), Technical Reference.

[4]. Solid Works Flow Simulation (2014), Solving Engineering Tasks.

TS. Dương Văn Long*, Lê Huy, Phạm Văn Thắng

Trung tâm CN và TB Môi trường, Viện Nghiên cứu Cơ khí