ELEKTROFILTER MODELL BERENDEZÉS KÍSÉRLETI ÉS NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI VIZSGÁLATA Suda Jenő Miklós
BEVEZETÉS Elektrofilterekkel, azaz elektrosztatikus elven működő leválasztó berendezésekkel /ESP/ leggyakrabban erőművi leválasztóként találkozhatunk, hiszen ez a típus igen hatékony a nagy mennyiségű füstgázokban levő szennyezők leválasztásában. A technológia elvi alapja meglehetősen egyszerű: a berendezésbe beáramló poros gázban levő, a villamos erőtérben feltöltött porszemcsék a földelt gyűjtőelektródok felé vándorolva azon feltapadnak, majd onnan különböző módszerekkel eltávolíthatóak. A leválasztási folyamat modellezése, számítása során azonban a villamos erőtérben mozgó kétfázisú közeg turbulens áramlásával, és annak minden összetettségével szembesülhetünk [1]. A kutatás célja egy ESP utca modellezésének segítségével az elektrofilterekben lejátszódó leválasztási folyamat részletes feltérképezése kísérleti és numerikus áramlástani /CFD/ módszerekkel. A számítások esetében a geometriai modellezés részletességén túl kiemelkedő jelentőségű a kezdeti– és peremfeltételek megválasztása. Jelen esetben az elektrofilter utca középvonalában elhelyezkedő korona elektród sor áramlási térre gyakorolt hatása az összehasonlító vizsgálat tárgya.
6
1
2s y x
Gyűjtőelektród
2c
2. ábra LDV mérési helyek egy elektrofilter utcában
2
ALKALMAZOTT MÉRÉSTECHNIKA
3
A POLYTEC 380 típusú Lézer Doppler Anemométerrel /LDA/ (3. ábra) és a levegőbe juttatott dp,50=1,5µm méretű olajköd tracer részecskék segítségével történő x,y koordinátairányok menti (u, v sebesség– és T.I. turbulencia intenzitás profil) mérések alapján a teljes utca áramlási tere feltérképezhető. A mérések eredményeiről bővebben lásd [2] és [3].
4
7
10
12 11 1 ESP modell 2 ESP utcák 3 Korona elektród 4 Gyűjtőelektród
LDV mérési helyek
5
A kísérleti berendezés (1. ábra) hat párhuzamos utcából álló szívott üzemű laboratóriumi modell elektrofilter [2]. 8
Korona elektród
Az ESP modellen végzett LDV mérések és a korábbi, egyutcás számítások összevetése során tapasztalt eltérések indokolttá tették az egész modell berendezés áramlástani „ellenőrzését”. Alapvetően áramlástani vonatkozású eltéréseket tapasztaltunk a belépésnél és az utcaközépen, így annak érdekében, hogy a villamos erőtér befolyásoló hatását elimináljuk, a jelen cikkben közölt eredmények mind feszültségmentes U0=0kV esetre vonatkoznak. Továbbá, az itt tárgyalt mérések és számítások során a belépő levegő sebesség ube=1m/s értékű.
MODELL ELEKTROFILTER
9
feszültség (U0=0÷20kV) voltak. A belépő levegő sebesség változásának a porszemcsék áramlására gyakorolt hatásáról az [1] és [2] irodalmak számolnak be. A leválasztó utcára jellemző inhomogén villamos erőtér hatása a porszemcsék y irányú sebességkomponensének változásában mutatkozik meg. Az erre vonatkozó vizsgálatok eredményeiről bővebben lásd a [3] és [4] irodalmakat, melyek az inhomogén villamos erőtér hatását elemzik a második korona elektród közeli (x=50±5mm) porszemcse sebességprofilok segítségével.
5 Belépő oldal, olajköd 6 POLYTEC LDV 380 7 Optikai szál 8 LDE 300 Controller
9 Adatgyűjtő PC 10 Pozícionáló állvány 11 Elszívó ventilátor 12 Nagyfeszültségű táp
1. ábra A modell mérőberendezés vázlata A földelt gyűjtőelektródok által határolt L=300mm hosszú, 2s=66mm széles ESP utcákba (2. ábra) egy lekerekített beömlésen keresztül felülről áramlik a beszívott levegő. A nagyfeszültségű tápra kapcsolt korona elektródok 2c=50mm osztással az utcaközépen helyezkednek el. A porszemcsék mozgásának vizsgálatát célul kitűző kutatás során a változtatott két fő paraméter a belépő levegő sebesség (ube=0,5÷2,5m/s), illetve a negatív korona
3. ábra Modell elektrofilter és LDA Az ESP utcában kialakuló sebesség és turbulencia intenzitás eloszlások x és y koordináta irányok menti változása jól elemezhető a belépéstől ∆x=25mm–ként –a korona elektródot tartalmazó és elektródok közti keresztmetszetekben is– mért profilok alapján. Az LDA mérések y koordináta irányú felbontása ∆y=1mm. Jelen esetben két metszet (x=50mm, x=225mm) profiljait hasonlítjuk össze a CFD eredményekkel. NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI SZÁMÍTÁSOK A számítások a FLUENT®6.1. verziójú numerikus áramlástani CFD kóddal, a „realizable” k–ε turbulencia modellel készültek. Három különböző, „A”, „B” és „C” jelzetű számítások eredményeit vetjük össze: FLUENT „A”: 16350 cellaszámú háló, a korona elektród sorok nélkül modellezett teljes 2D geometria, FLUENT „B”: 21590 cellaszámú háló, a korona elektród sorok figyelembe vételével modellezett teljes 2D geometria, valamint a
elektród sor áramlási nyoma a két–két gyűjtőelektród lap között kialakuló kétfázisú határréteg áramlás sebesség és turbulencia intenzitás eloszlását, így a berendezés leválasztási hatásfokát is jelentősen befolyásolja, ezért szükséges annak figyelembe vétele. A „C” jelű számítás a 300mm hosszú, viszont az utca középvonal menti szimmetriáját kihasználva csak a félszélességű (s=33mm) utcára vonatkozik. Továbbá az ESP utca belépésénél és kilépésénél levő korona elektródok körüli áramlás helyes számításának érdekében a numerikus háló itt kiterjed a félutcát megelőző és az azt követő 50mm hosszú térrészre is, viszont a korona elektródok tartókeretét még nem tartalmazza ez a háló. A három számítási eset közül a „C” jelű verzió geometriája a legnagyobb felbontású, numerikus hálójának részlete a 6. ábrán látható. Mind a fali, mint pedig a korona elektród környezetében besűrített, de még így is viszonylag durva határréteg háló szintén a számítás gyorsaságát hivatott növelni.
FLUENT „C”: 20716 cellaszámú határréteg háló, külön az elektrofilter egy félszélességű utcája. Az „A” jelű esetben a teljes számítási geometria numerikus hálóelemeit mutatja a 4. ábra. Az 5. ábrán pedig a „B” verzió korona elektródok és az azokat tartó keret körüli hálórészlete látható. Az „A” és „B” jelű számítások kezdeti– és peremfeltételeit az LDA mérés paraméterei határozták meg. Ennek megfelelően például a mérésnél beállított ube=1m/s belépő sebesség a modell kilépő keresztmetszetére átszámítva mint „outflow” peremfeltétel megadásával biztosított.
Y Z
X
5. ábra Háló korona elektródokkal (FLUENT „B”)
Y Z
6. ábra Határréteg háló részlet (FLUENT „C”)
Y Z
X
X
SZÁMÍTÁSI EREDMÉNYEK
4. ábra 2D geometria numerikus háló (FLUENT „A”) A valós modellgeometria középső 2D síkmetszetének numerikus hálózása során –a nagy cellaszámot kerülendő– a falfelületek és a korona elektródok környezetében viszonylag durva, 10 soros határréteg háló készült. Az 5. ábrán jól látható az utcaközépen levő 7db 1mm átmérőjű korona elektródból álló elektród sor, valamint az utca előtt és után az elektródokat tartó nagyobb, 3mm átmérőjű keret. A keretre erősített korona
A háromféle („A”, „B” és „C”) módon elvégzett numerikus szimuláció elsődleges célja az, hogy a laboratóriumi modellen végzett LDA mérésekkel való összevetésből levonható következtetések alapján meghatározzuk a CFD számításokhoz megfelelő numerikus paramétereket, a geometriai részletezettség alapján a korona elektródok figyelembe vételének vagy elhanyagolásának jelentőségét, illetve, hogy a hosszadalmas mérési sorozatok helyett a modell elektrofilter utcáiba áramló levegő sebességeloszlásának egyenletességéről is információt kapjunk. A jelenlegi kialakítású többutcás laboratóriumi modell elektrofilteren
végzett LDA mérési eredmények és az egyszerű ESP félutcára vonatkozó számítási eredmények alapján pedig a numerikus szimuláció kezdeti– és peremfeltételeinek helyességére vonhatóak le értékes következtetések. FLUENT „A” (7., 8. és 9. ábrák)
10. ábra Sebességeloszlás, umean=0÷1,5 m/s
7. ábra Sebességeloszlás, umean=0÷1,5 m/s
11. ábra Sebességeloszlás, vmean=–0,01÷0,01 m/s
8. ábra Sebességeloszlás, vmean=–0,01÷0,01 m/s
12. ábra Turbulencia intenzitás eloszlás, T.I.u=0÷20 % Ugyanezen jelenség miatt már a belépésnél is jelentős, valamint az utcaközépen, a hossz mentén nő a turbulenciafok (T.I.: vö. 9. és 12. ábrák). 9. ábra Turbulencia intenzitás eloszlás, T.I.u=0÷20 % Az „A” és „B” jelzetű CFD eredmények (7–12. ábrák) alapján egyértelmű, hogy a korona elektród sor nyom leválasztó térbeli áramlásra gyakorolt hatásának vizsgálata kiemelkedően fontos. A külső szabad térből az utcába belépő, eleve kissé aszimmetrikus sebességprofil a korona elektród sor mögötti nyom hatása miatt jelentősen eltér a két síklap közötti ideális határréteg–áramlás jellegzetes sebességprofiljától (umean: vö. 7. és 10. ábrák, illetve vmean: vö. 8. és 11. ábrák). FLUENT „B” (10., 11. és 12. ábrák)
Megjegyzés: Az adott szintvonalas ábra színskálájának (kék, piros) végpontjai az ábra feliratában megadott tartomány (min, max) szélsőértékeit jelentik. A keretre erősített korona elektród sor nyomának hatása a hat elektrofilter utca turbulencia intenzitás eloszlására részleteiben is látható a következő két ábra, a 13. ábra (FLUENT „A”) és a 14. ábra (FLUENT „B”) számítások összevetésekor.
16. ábra Sebességeloszlás, vmean=–0,01÷0,01 m/s
17. ábra Turbulencia intenzitás eloszlás, T.I.=0÷13 % Az eltérés oka az, hogy bár a korona elektród sort a FLUENT „C” félutca modell tartalmazza, de sem a korona elektród 1mm átmérőjéhez képest háromszoros, 3mm átmérőjű keretet, így az emiatt eleve jelentős turbulenciafokkal belépő áramlást, mint kezdeti feltételt nem modellezi, sem a valós berendezésre jellemző kissé aszimmetrikus sebesség és turbulencia eloszlást nem veszi figyelembe az itt bemutatott „C” számítási verzió.
14. ábra FLUENT „B”: turbulencia intenzitás eloszlás a korona elektród sorokat is modellező elektrofilter utcákban, T.I.=0÷13 % A korona elektródok áramlási nyoma a leválasztó utcában előrehaladva szélesedik. Ez a csökkent áramlási sebességgel és megnövekedett turbulencia intenzitással jellemzett nyom a szintén vastagodó fali határréteggel összenő. Megállapítható, hogy a leválasztó utca végére az átlagos turbulencia intenzitás szint mintegy kétszeresére nő. FLUENT „C” (15., 16. és 17. ábrák) A félutca szélességre vonatkozó FLUENT „C” számítás az előzőekben bemutatottakhoz képest igen jelentős eltérést mutat. A 15–17. ábrákon az előzőekkel megegyező léptékben skálázott szintvonalas ábrákon látható az eltérés, aminek oka főként a kezdeti– és peremfeltételekben rejlik. A valós laboratóriumi modell elektrofilteren végzett LDA mérések eredményei és egy ideális, homogén belépő peremfeltételekkel modellezett félutca számítások közötti eltérés még egyértelműbben kimutatható adott keresztmetszetekben mért és számított profilok segítségével.
15. ábra Sebességeloszlás, umean=0÷1,5 m/s
MÉRÉS ÉS SZÁMÍTÁS ÖSSZEHASONLÍTÁSA A hat utca közül a két középső, a 3. és 4. utca terhelt legkevésbé aszimmetrikus tulajdonságokkal a kezdeti belépő sebesség– és turbulencia intenzitás profilt tekintve, ahogy azt az LDA mérések előtti áramlás láthatóvá tételi vizsgálatok ki is mutatták. Így az LDA mérések esetében eleve a 4. utcára esett a választás. A továbbiakban közölt, erre az utcára vonatkozó diagramok a 4. utca két adott keresztmetszetében mutatják a mért, illetve háromféle módon számított sebesség– és turbulencia profilokat. Az összehasonlító elemzés a második korona elektródot tartalmazó x=50mm keresztmetszetre (18. és 19. ábra) és az x=225mm két korona elektród közötti keresztmetszetre (20. és 21. ábra) vonatkozik. A megadott ábrák az áramlási sebesség x irányú komponensének (umean) és a turbulencia intenzitás (T.I.) mért illetve „A”, „B” és „C” jelzetű módon számított profiljait mutatják. 3
Streamwise velocity, u mean [m/s ]
13. ábra FLUENT „A”: turbulencia intenzitás eloszlás a korona elektród sor nélkül modellezett elektrofilter utcákban, T.I.=0÷13 %
meas LDA x=50mm calc FLUENT A x=50mm 2,5
calc FLUENT B x=50mm calc FLUENT C x=50mm 2
1,5
1
0,5
0 0
11
22
33
44
55
66
Transversal coordinate axis, y [mm ]
18. ábra Mért és számított sebességprofilok, x=50mm A 18. és 19. ábrák sebességprofiljai alapján megállapítható, hogy a belépő keresztmetszettől mind x=50mm, mind x=225mm távolságban a „B” és „C” számított sebességprofilok jellegükben és értékre is jól egyeznek a mért értékekkel. Az utcaközép tekintetében az „A” számítási verzió kivétel, hiszen az utcaközépen ez a FLUENT „A” modell nem tartalmazza a korona elektród sort.
Streamwise velocity, u mean [m/s ]
3
meas LDA x=225mm calc FLUENT A x=225mm
2,5
calc FLUENT B x=225mm calc FLUENT C x=225mm 2
1,5
1
0,5
0 0
11
22
33
44
55
66
Transversal coordinate axis, y [mm ]
Az utca belépéstől távoli, x=225mm keresztmetszetében az említett beáramlási zavarásokkal szemben már az utcabeli áramlás 2D jellege és az elektród sor nyoma dominál. Így a fenti megállapításokkal összhangban a mérési eredményekben jellegben és már értékekben is a legjobb egyezést a FLUENT „B” számítási verzió mutatja. A kétoldali fali határrétegek és az utcaközép nagyobb turbulencia intenzitású jellege, valamint a kismértékű, de még érzékelhető aszimmetria is nyomon követhető a mérési pontokra legjobban illeszkedő „B” számítás turbulencia intenzitás profilja alapján.
19. ábra Mért és számított sebességprofilok, x=225mm
ÖSSZEFOGLALÁS
A 20. és 21. ábrák turbulencia intenzitás profiljain már szembetűnőbb az eltérő számítási modellekből eredő különbség. Egyrészt az „A”, „B” és „C” verziók T.I. profiljai egymáshoz képest is jelentős eltérést mutatnak, amely nagyrészt a korona elektród sor figyelembe vételére ill. elhanyagolására, másrészt ESP utcába belépő valós áramlás aszimmetriájával magyarázható. A kezdeti turbulenciaprofil aszimmetrikus jellege csökken az utcahossz mentén, hiszen az összeérő fali határréteg és utcaközép korona elektród nyoma válik meghatározóvá.
A teljes modell elektrofilterre, illetve egy félutca geometriára vonatkozó számítások sebesség– és turbulencia intenzitás profiljait a leválasztó utca két keresztmetszetében a mérési pontokkal hasonlítottuk össze. Az LDA-mérés és a FLUENT CFD számítás eredményeinek elemzése kimutatta, hogy az elektrofilter modell berendezés numerikus áramlástani számításakor döntő jelentőséggel bír a háló geometriai részletessége, így jelen esetben olyan geometriai elemek, mint a korona elektród sor és rögzítő keret figyelembe vétele.
Turbulence intensity, T.I. u [% ]
30
meas LDV x=50mm
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
calc FLUENT A x=50mm 25
A szerző köszönetét fejezi ki E. Pap, B. Wunderlich és A. Lanzke urak méréstechnikai segítségéért /Otto–von– Guericke–Universität Magdeburg BMBF Projekt–Nr.: UNG.–007–99./, valamint a TÉT D/37–99, OTKA T030116 és FKFP 0624/2000 által nyújtott kutatási támogatásokért.
calc FLUENT B x=50mm calc FLUENT C x=50mm 20
15
10
5
0 0
11
22
33
44
55
66
Transversal coordinate axis, y [mm ]
20. ábra Mért és számított T.I. profilok, x=50mm Turbulence intensity, T.I. u [% ]
30
meas LDA x=225mm calc FLUENT A x=225mm 25
calc FLUENT B x=225mm calc FLUENT C x=225mm 20
15
10
5
0 0
11
22
33
44
55
66
Transversal coordinate axis, y [mm ]
21. ábra Mért és számított T.I. profilok, x=225mm A 20. ábra alapján megállapítható továbbá, hogy mindhárom számítás alulbecsli az utca x=50mm keresztmetszetében az LDA mérésekkel meghatározott ténylegesen érvényes turbulenciafokot, de a mérési pontokat legjobban követő, jellegre helyes T.I. eloszlást a FLUENT „B” számítás eredményezett. A belépéshez közeli szakaszon az eltérést és a mérési pontok nagy szórását a valós modell berendezés esetében főként az LDA méréshez szükséges közeli olajköd bevezetés zavaró hatása, a berendezés geometriai kialakításának tökéletlensége és a korona elektród keret valós rögzítése és annak zavaró hatása, valamint a valós áramlás 3D mivolta is magyarázza.
IRODALOM [1] Suda, J.M., Kiss, I., Kristóf, G., Lajos, T. and Berta, I. 1999. Investigations on the Role of the Inhomogeneity in Flow and Electric Field Conditions in Particle Transport Modelling in ESPs. Proc. XI. Conference on Fluid Machinery, HUNGARY Budapest, Sept. 6–9. 1999. Paper No. 48. CD–ROM. [2] Suda, J.M., Kiss, I., Lajos, T. and Berta, I. 2001. Study of Particle Dispersion and Turbulence Modification Phenomena in Electrostatic Precipitators. Proc. 8th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, ICESP VIII, USA Birmingham, Alabama, May 14–17. 2001. Vol.1. Paper No.A1–3. [3] Suda, J.M., Wunderlich, B., Kiss, I. and Pap, E. 2003. On the Laser Doppler Velocimetry Measurements and Numerical Simulation of Particle Flow Field in a Model Electrostatic Precipitator. Proc. Conf. on Modelling Fluid Flow – 12th Int. Conf. on Fluid Flow Technologies, HUNGARY Budapest, Sept. 3–6. 2003., ISBN 963 420 778 2, Vol. II. pp.728–735. [4] Iváncsy, T., Kiss, I., Suda, J.M. and Berta, I. 2004. Efficiency of the Precipitation of Fine Particles Influenced by the ESP Supply Mode. Proc. 9th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, ICESP IX, SOUTH AFRICA Kruger Gate Npumalanga, May 17–21. 2004. Paper No.A01.
