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

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
;
TÓM TẮT
Thiết 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
phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến hiệu quả lọc bụi
là mức 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
kế trong thực tế, một trong những nội dung phải giải quyết là cần xác định được bộ thông số
cấu 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
mềm 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. Từ 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
Hiệu suất lọc bụi của thiết bị LBTĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: 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, …, trong đó phải kể đến ảnh hưởng của mức độ chênh lệch
giữa vận tốc của dòng chảy lưu chất tại từng vị trí so với vận tốc trung bình. Trong công trình
787


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[1] [3], từ lý thuyết đến thực nghiệm đã chỉ ra rằng mối quan hệ giữa 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 = 1 − exp −






(1.1)

trong đó: ω – vận tốc lắng hạt bụi; L – chiều dài hữu ích buồng lọc; h – khoảng cách
giữa các 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 của bộ phận phân phối khí
(hệ số thoáng, số lượng và vị trí tương hỗ của các tấm đột lỗ,...) của thiết bị, hệ số này được
tác giả Idelchik I.E. [1] xác định có giá trị nằm trong khoảng M k = 1 ÷ 1,2 sẽ đảm bảo hiệu
suất lọc bụi của thiết bị là cao nhất.
Trong công trình [1] hệ số M k được xác định thông qua tính toán từ kết quả đo đạc khi
thí nghiệm trên mô hình vật lý. Việc xác định hệ số M k thông qua thí nghiệm trên mô hình
vật lý đòi hỏi chi phí vật chất và thời gian thực hiện dài.
Với 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 giả trình bày việc thực hiện mô phỏng CFD trường 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. Các kết quả
nhận 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
thiết kế chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện do Viện Nghiên cứu Cơ khí chủ trì thực hiện.
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÌNH HỌC
Đối tượng nghiên cứu là thiết bị LBTĐ loại khô, kiểu nằm ngang, dạng hai tuyến,
bốn 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 học thiết bị LBTĐ
788


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
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) [4] [5], 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 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:
- Thiết bị không bị lọt khí;
- Toàn bộ quá trình là đẳng nhiệt;
- Dòng chảy không bị nén;
- Vận tốc dòng khí tại đầu vào không đổi.
Bài toán được thiết lập với các thông số đầu vào như sau:
- Vận tốc đầu vào, m/s:

13;

- Độ thoáng tấm đột lỗ, %: 50 – 56;
- Vị trí tấm đột lỗ: lần lượt tại P1, P2, …, P12 (h. 2).
789


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong bài toán mô phỏng, cần xác định được vị trí cũng như số lượng tấm phân phối khí
sao cho hệ số trường vận tốc M k đáp ứng điều kiện để đạt được sự phân bố đều vận tốc dòng
chảy:
Mk =

trong đó:

M ki =

M k1 + M k 2 + M k 3
≤ 1,2
3

∫ν

2
i

(4.1)

dF

(4.2)

Fki

2
ν gas
Fki

i = 1, 2, 3 vị trí tiết diện sau trường 1, 2 và 4
5. TRIỂN KHAI MÔ PHỎNG
Sau khi thiết 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
tấm phân phối khí đến sự phân bố vận tốc dòng chảy tại từng vị trí trong thiết bị, một loạt các
mô phỏng với cùng vận tốc đầu vào 13 m/s được thực thi. Hướng dòng chảy là từ phải sang
trái. Giả thiết dòng chảy trong thiết bị LBTĐ thảo mãn những điều kiện sau:
a) Dòng chảy trong thiết bị LBTĐ là dòng chảy Newton không nén được mô tả bằng
phương trình liên tục:
∂ρ
+ ∇.( ρ v ) = 0
∂t

(5.1)

Và phương trình Navier-Stockes như 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 trong thiết bị LBTĐ là dòng chảy không nén nên Ma << 1. Như vậy, công
thức (5.1) sau khi tối giản sẽ thu được
∇.v =
0

(5.3)

b) Dòng chảy được mô hình hóa là một dòng chảy đẳng nhiệt và độ nhớt dòng chảy,
nhiệt độ dòng chảy là hằng số
c) Sử dụng mô hình dòng chảy rối tiêu chuẩn k − ε để kiểm soát quá trình chảy rối
trong lòng thiết bị LBTĐ, được biểu diễn như sau:

µ

∂( ρ k )
+ ∇.( ρ kU ) = ∇.  t ∇k  + 2 µt Eij .Eij − ρε
∂t
σk


(5.4)

 µt

ε
ε2
∂ ( ρε )
+ ∇.( ρεU ) = ∇.  ∇ε  + C1ε 2 µt Eij .Eij − C2ε ρ
(5.5)
k
k
∂t
σk

Các giá trị hằng số sẽ được lấy như sau:
Cµ = 0.09 ;

σ k = 1.00 ;

σ ε = 1.30 ;

790

C1ε = 1.44 ;

C2ε = 1.92


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

6. KẾT 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)

(a)

(b)

(c)

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

(a)

(b)

(c)

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 mặt cắt vuông góc với dòng khí
sau trường 1, 2 và 4. (d) - Phân bố
vận tốc theo không gian ba chiều
(d)
791


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhận xét: Tấm phân phối khí có ảnh hưởng rõ đến sự phân bố dòng khí trong buồng
lọc. 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, tại 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
dọc theo hướng dòng chảy phân bố đều hơn so với trường hợp P1. Tuy nhiên, trong trường
hợp 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)

(a)

(b)

(c)

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 mặt cắt vuông góc với dòng khí

sau trường 1, 2 và 4. (d) - Phân bố
vận tốc theo không gian ba chiều
(d)
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
những vùng biên có xuất hiện hiện tượng xoáy cục bộ, phân bố rải rác, không đồng đều.
Trong không gian của trường thứ nhất có hiện tượng xoáy cục bộ, dòng chảy có xu hướng đi
xuống vùng không gian của các phễu trong trường 1 với vận tốc lớn, tạo hiện tượng chảy
xoáy trong không gian của các phễu thu bụi. Vận tốc dòng khí trong buồng lọc nằm trong dải
từ 0 đến 2,788 m/s.

792


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Trường hợp bố trí 01 tấm đột lỗ tại vị trí P5 và P10 (h.6)

(a)

(b)

(c)

(d)

(d)

(f)

(g)

Hình 6. Hình ảnh phân bố vận tốc ứng
với tấm phân phối khí tại vị trí P5 và
P10. (a), (b), (c) - Phân bố vận tốc tại
các mặt 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 bố vận tốc theo hình chiếu
mặt bằng. (g) - Phân bố vận tốc theo
không gian ba chiều

Nhận xét: Dòng khí trong thiết bị LBTĐ đã được phân bố tương đối đồng đều. Trường
vận tốc của dòng khí tại mặt cắt trường 1, trường 2, trường 3 (hình 6 (a), (b), (c)) nằm trong
khoảng 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 hiện tượng chảy rối ở vùng không gian trường 1, hiện tượng chảy xoáy ở trong
vùng không gian phễu 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
buồng lọc.
6.2. Kết quả tính toán CFD, lựa chọn vị trí và số lượng hợp lý tấm phân phối khí
Từ kết quả thu được của quá trình mô phỏng, thay vào công thức (4.1), ta sẽ thu được
hệ 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

Vị trí tấm
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
3

1

P1

5.758

5.306

4.573

5.212

2

P 12

7.282

5.294

3.691

5.422

3

P5

2.163

1.628

1.309

1.7

4

P 5 và P 10

1.102

1.110

1.195

1,136

793


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhận 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 M k ≤ 1,2. Kết quả xác định được làm cơ sở để xây dựng bộ
thông số 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
hợp lý để đảm bảo yêu cầu thiết kế (hệ số M k ≤ 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 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
1.

TS. Dương Văn Long, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương
Email: , 0913388777.

2.

KS. Đinh Gia Nghiêm, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương
Email: , 0978215588.

794