Khảo sát ảnh hưởng vận tốc phun nhiên liệu tới trường nhiệt độ trong lò nung gốm sử dụng gas45046

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG VẬN TỐC PHUN NHIÊN LIỆU TỚI TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NUNG GỐM SỬ DỤNG GAS Nguyễn Hồng Qn1, Trương Tiến Dũng1 Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt: Ngày nay, làng nghề sản xuất gốm sứ nước ta chủ yếu sử dụng lò nung gốm sứ dạng nhiên liệu gas Phương pháp thiết kế lị nung chủ yếu dựa tính tốn thiết kế truyền thơng, tức tính tốn dựa phương trình cân nhiệt lượng, nhiệt trị nhiên liệu, lượng nhiên liệu cần thiết cung cấp để lò đạt tới giá trị thiết kế Các phương pháp không cho ta biết trước phân bố trường nhiệt độ, áp suất, vận tốc dịng khí diễn lò Từ thực tế trên, báo cáo có mục đích giới thiệu phương pháp mơ số trường nhiệt độ lị nung gas phần mềm mơ số CFD, ANSYS Fluent Các qui trình mơ tính tốn sơ giới thiệu cụ thể Một vài kết mô ảnh hưởng trường vận tốc tới trường phân bố nhiệt độ trình bày Từ khóa: Lị nung gốm sứ, ANSYS Fluent,Truyền dẫn nhiệt, Đối lưu nhiệt SIMULATION OF TEMPERATURE DISTRIBUTION IN A GAS FIRED CERAMIC KILN Abstract: Nowadays, in the ceramics production village of Viet Nam, people use gas as the mainly fuel to make the kilns active The method of kiln design is still based on the equilibrium heat equation, calorific value of fuel, amount of fuel, to caculate the temperature field Therefore, we not know the distribution of temperature, pressure, velocity field of gas flow in kiln In the report, the numerial simulation of the temperature distribution in the gas ceramic kiln by using the ANSYS Fluent software is introduced The process of simulation is presented in detail Keywords: Gas Fired Kiln, ANSYS Fluent, Heat Tranfer Mở đâu Công nghiệp gốm sứ ngành cổ truyền phát triển sớm Từ bao đời nay, đồ gốm gắn bó mật thiết với đời sống nhân dân ta Nghề gốm phát triển rải rác khắp đất nước Những trung tâm sứ gốm nước ta, xuất từ thời Lý - Trần mà đến cịn hưng thịnh nghề nghiệp, Bát Tràng (Hà Nội), Thổ Hà, Phù Lãng (Bắc Ninh), Hương Canh (Vĩnh Phúc), Quế Quyển (Hà Nam Ninh), Chum Thanh (Thanh Hóa)… Chất lượng sản phẩm gốm sứ phụ thuộc nhiều vào cơng nghệ lị nung, lị nung tốt cho phép rút ngắn thời gian nung, cho sản phẩm làm có chất lượng cao [1, 2, 3] Thời xa xưa, quy mơ lị nung nhỏ gọn, thợ đắp lò dùng đất sét mà đắp lò chưa phải dùng tới gạch chịu lửa để bầu lò thân lò ngày Tồn lị nhìn bên ngồi có hình dưa, phình rộng, hai đầu cụt Cấu trúc lị đơn giản sáng tạo Điểm đáng ý, lò gốm loại hầu hết dùng nhiên liệu đốt tre, gỗ Từ khoảng 50 - 70 năm trở lại đây, để tăng số lượng hàng lần nung, lị nung thiết kế dạng hình hộp đứng (người dân thường gọi lò hộp) cao rộng lị có hình dạng dưa (chiều cao lị lên đến 7-10 mét) than sử dụng nguồn nhiên liệu cung cấp nhiệt cho trình nung gốm Với phát triển ngành công nghiệp gốm sứ, khoảng 10-15 năm trở lại đây, lò nung gốm than dần thay lò nung sử dụng nhiên liệu khí đốt Đi đầu cho chuyển phải kể đến nghệ nhân Bát Tràng, họ cho đời lị gas bơng gốm với thể tích m3 Chiếc lị nung sử dụng khí đốt cho thấy hiệu so với lị sử dụng than Nhiệt độ lò lan tỏa hơn, thời gian nung giảm xuống từ 2024%, tiêu hao nhiên liệu giảm 30%, sản phẩm đạt yêu cầu thu hồi 90% sản phẩm lần nung đặc biệt giảm ô nhiễm môi trường đáng kể [4, 5] Lị nung sử dụng khí đốt có quy trình vận hành lị đơn giản, khơng phức tạp loại lò nung trước Đặc biệt lò nung gas cho lửa cao nhiệt lượng xung quanh lị, nung sản phẩm khác với nhiệt độ nung từ 1.200 - 1.800C, áp suất khí lại tương đối cao, dễ bắt lửa Việc điều chỉnh nhiệt độ hay tốc độ nâng nhiệt độ lò tương đối đơn giản chỉnh áp lực khí Chính đặc điểm ưu việt mà lò gas người dân tiếp nhận sử dụng rộng rãi Nhờ công nghệ lị nung sử dụng gas hộ gia đình sản xuất gốm sứ tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao lực cạnh tranh Tuy nhiên, qua tiếp xúc với hộ sản xuất gốm làng nghề Bát Tràng, nhóm nghiên cứu nhận thấy cơng nghệ sử dụng lò nung gas cần phải tiếp tục cải tiến lò sản phẩn gốm sứ chất lượng hơn, giúp cho nhà sử dụng vận hành, kiểm sốt lị dễ dàng hơn, hiệu suất lị cao Để sản phẩm gốm sứ đạt chất lượng tốt nhất, nhiệt độ lị cần phải phân bố đồng Việc bố trí đầu phun nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến phân bố nhiệt độ vận tốc dịng khí bên lị Với yêu cầu thực tiễn trên, báo cáo này, nhóm nghiên cứu đề xuất mơ hình mơ trường nhiệt độ chuyển động dịng khí nóng lị nung gas Bài tốn khảo sát ảnh hưởng vận tốc nhiên liệu phun vào lò tới trường nhiệt độ thu không gian chiều để cập đến Tốc độ dòng nhiên liệu phun vào lò ảnh hưởng lớn tới hiệu suất nhiệt lò phun chất lượng sản phẩm Để giải hệ thống phương trình mơ tả q trình trao đổi nhiệt lị nung, phần mềm tính tốn số khí động lực học (CFD) ANSYS Fluent sử dụng Đây phần mêm tính tốn chun dụng, phổ biến kiểm định nhiều tốn mơ khí động lực học tương ứng với mơ hình nhóm nghiên cứu xây dựng Các kết thu dùng để so sánh với kết khảo sát thực tế lò nung gốm sở sản xuất gốm sứ Bát Tràng mà nhóm nghiên cứu phát triển nghiên cứu Mơ hình hóa 2.1 Các phương trình Để khảo sát trình trao đổi nhiệt diễn lị nung gốm sứ sử dụng khí đốt, cần dựa vào định luật học chất lỏng, định luật bảo toàn khối lượng, định luật động lượng, định luật bảo toàn lượng [6, 7, 8] Từ định luật này, xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả q trình vật lý diễn lị nung, phương trình dẫn Phương trình chuyển động: 𝜌 ⃗ 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 𝜌𝑔 − 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑝 + 𝜇∇2 𝑢 ⃗ Phương trình liên tục: 𝜕𝜌 = −𝑑𝑖𝑣(𝜌𝑢 ⃗) 𝜕𝑡 (1) (2) Phương trình lượng: 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = 𝑎∇2 T + qv ρCp −𝑢 ⃗ 𝑔𝑟𝑎 𝑑𝑇 (3) Trong đó, u vận tốc dòng chất lưu, 𝑇 nhiệt độ chất lưu, 𝑝 áp suất dịng khí, 𝜌 khối lượng riêng, 𝜇 độ nhớt động lực học dịng khí cháy, 𝐶𝑝 nhiệt dung riêng khí cháy, 𝑎 hệ số dẫn nhiệt độ (𝑎 = 𝜆 𝐶𝑝 𝜌 [𝑚2 /𝑠]), 𝑞𝑣 nguồn nhiệt lị Hệ phương trình khơng giải phương pháp giải tích, nghiệm hệ thống xác định gần trường hợp cụ thể (điều kiện biên, điều kiện đầu xác định) phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân hữu hạn….Trong báo cáo này, hệ phương trình mơ tả q trình chuyển động dịng khí cháy lị nung khơng gian 2D tính tốn nhờ phần mềm tính tốn số ANSYS Fluent Các bước tính tốn miêu tả cụ thể phần sau 2.2 Các bước tính tốn số giải hệ phương trình ANSYS Fluent Trong phần này, quy trình để giải số hệ phương trình code tính tốn số động lực học dịng chảy (CFD) giới thiệu cụ thể Các kết mơ báo cáo tính tốn dựa phần mềm mơ số ANSYS Fluent, bước tính toán chi tiết dẫn rõ ràng mục Trong phần mềm Ansys Fluent, phương pháp thể tích khối hữu hạn sử dụng để giải phương trình vi phân chuyển động Phương pháp thể tích khối hữu hạn phát triển dạng đặc biệt phương pháp sai phân hữu hạn, việc tích phân thể tích kiểm tra phân biệt phương pháp thể tích khối hữu hạn với phương pháp tính khác học chất lưu ứng dụng [tài liệu tham khỏa] Các bước tính tốn mơ phần mềm ANSYS Fluent cho toán thiết kế khí động học phân thành bước cụ thể sau: - Bước thứ nhất, “Tạo hình vật thể”: miền khảo sát vẽ, tạo hình nhờ module Geometrie Design ANSYS Fluent, sử dụng phần mềm tạo hình, chia lưới chuyên dụng (NX, SolidWorks…) - Bước thứ hai, “Chia lưới tính tốn”: vật thể tọa hình bước rời rạc thành hữu hạn phần tử sở Trong bước này, sử dụng phần mềm để chia lưới (NX, SolidWorks…) thay cho module Mesh ANSYS Fluent Tới bước này, tên miền điều kiện biên cần phải khai báo, phần khơng khai báo sang bước đặt điều kiện biên, toán phải giải lại từ bước - Bước thứ ba, “Chọn mơ hình giải tốn”: phương trình cần giải lựa chọn, phương pháp giải số khác đề xuất bước này, phương pháp tích hợp sẵn module Solution ANSYS Fluent Trong bước này, tốn khảo sát có u cầu đặc biệt đặc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, tuân theo hàm số đo từ thực tế, đưa vào mơ hình giải nhờ module mở rộng UDF - Bước thứ tư, “Xử lý kết tính tốn thu được”: để xem kết tính tốn sử dụng phần mềm chuyên dụng dùng để xử lý kết quả, phần mềm Blender…, sử dụng module xem kết ANSYS Fluent - Bước thứ năm, “Kiểm tra kết tính tốn thu được”: kết tính tốn cho thấy cấu hình lựa chọn hợp lý, thơng số thủy khí nhiệt động học đáp ứng tốt cho yêu cầu kỹ thuật đặt lựa chọn, ngược lại cần phải thiết kế mơ hình lị lặp lại từ bước thứ chọn cấu hình lị phù hợp dừng q trình tính tốn Trong phần tiếp theo, báo cáo trình bày cụ thể bước mơ số cho lị nung gốm sứ sử dụng phần mềm ANSYS Fluent Các kết tính tốn cho thấy ảnh hưởng trường nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào vận tốc khí gas phu vào lị nung Tính tốn mơ Trong phần này, để giải hệ phương trình mơ tả q trình trao đổi nhiệt diễn lị, sử dụng phần mềm mơ tính tốn ANSYS Fluent Mơ hình hình học lò nung gốm xây dựng nhờ module ANSYS Designer Mơ hình chia nhỏ thành phần tử sở nhờ module ANSYS Mesh Các thơng số hình học lị nung lấy dựa kích thước lò thực tế sở sản xuất gốm sứ Bát Tràng đặc trưng lý khí nhiên liệu trình bày hình bảng Để mơ q trình trao đổi nhiệt lò nung gốm, điều kiện ban đầu điều kiện biên cần phải tính tốn trước Trong báo cáo này, điều kiện ban đầu chọn điều kiện mơi trường khơng khí bên ngồi lị, nhiệt độ mơi trường (𝑇 = 300𝐾), vận tốc dịng khí lị ban đầu khơng Điều kiện biên cho phương trình Navier-Stokes tính tốn cho trường hợp vận tốc khí gas từ bé đến lớn Đối với điều kiện biên cho phương trình trao đổi nhiệt, để đơn giản tính tốn, ta giả thiết vách làm vật liệu cách nhiệt tốt, hệ số trao đổi nhiệt vách lị với mơi trường bên ngồi khơng, cịn cửa khí vào lị ta cho nhiệt độ dịng khí vào 1370K Đại lượng đặc trưng Khối lượng riêng [𝑘𝑔/𝑚3 ] Độ dẫn nhiệt [𝑊/𝑚 ℃] Nhiệt dung riêng [Kj/kg] Độ nhớt học [𝑚𝑚2 /𝑠] Số phần tử chia lưới [phần tử] Số nút chia lưới [phần tử] Giá trị 550 0,026 50000 0,3 4652 4802 Bảng 1: Các thông số đặc trưng lý nhiên liệu đốt Hình 1: Kích thước hình học lị nung gốm gas Sau q trình thiết lập điều kiện tính tốn cho mơ hình hệ thống lị nung gốm, dựa vào module ANSYS Solution, nhóm nghiên cứu thu kết khảo sát ảnh hưởng vận tốc phun nhiên liệu tới trường nhiệt độ lị sau Hình miêu tả trường vận tốc khí cháy dịch chuyển ổn định lò nung gốm vận tốc phun nhiên liệu 0,05𝑚/𝑠 Với vận tốc phun nhiên liệu này, qua kết mơ phỏng, nhận thấy dịng khí cháy chưa dịch chuyển tới mặt trần lị bẻ hướng sang ngang để khỏi lị Vì dịng khí cháy dịch chuyển dẫn tới trường phân bố nhiệt độ lị khơng đồng không đạt nhiệt độ cao biểu diễn hình Hình 2: Trường vận tốc khí cháy vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,05𝑚/𝑠 Hình 3: Trường nhiệt độ lị vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,05𝑚/𝑠 Hình miêu tả trường vận tốc khí cháy dịch chuyển ổn định lò nung gốm vận tốc phun nhiên liệu 0,1𝑚/𝑠 Với vận tốc phun nhiên liệu này, nhận thấy dịng khí cháy dịch chuyển tới mặt trần lị gần so với trường hợp Vì dịng khí cháy dịch chuyển dẫn tới trường phân bố nhiệt độ lò đồng hơn, nhiên chênh lệch nhiệt độ lò vùng lớn nhiệt độ trung bình khoảng lò bé 1000℃ Trường phân bố nhiệt độ biểu diễn hình Hình 4: Trường vận tốc khí cháy vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,1𝑚/𝑠 Hình 5: Trường nhiệt độ lò vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,1𝑚/𝑠 Khi vận tốc phun nhiên liệu tăng lên thành 0,5𝑚/𝑠, trường vận tốc khí cháy dịch chuyển ổn định lị thu Hình 6, trường phân bố nhiệt độ biểu diễn hình Từ kết thu nhận trường phân bố nhiệt độ lò đồng hơn, nhiệt độ trung bình khoảng lị lớn 1150℃ Hình 6: Trường vận tốc khí cháy vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,5𝑚/𝑠 Hình 7: Trường nhiệt độ lò vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 0,5𝑚/𝑠 Các hình 8, 9, 10 11 biểu diễn trường phân bố vận tốc nhiệt độ lò vận tốc phun nhiên liệu tăng lên tới 2𝑚/𝑠 5𝑚/𝑠 Qua hình vẽ thu được, nhận thấy tốc độ dòng khí cháy dịch chuyển lị tăng cao trường hợp trước nhiêu, nhiên trường phân bố nhiệt độ ổn định, đồng gần khơng thay đổi, nhiệt độ trung bình lị cao 1200C Hình 8: Trường vận tốc khí cháy vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 2𝑚/𝑠 Hình 9: Trường nhiệt độ lò vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 2𝑚/𝑠 Hình 10: Trường vận tốc khí cháy vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 5𝑚/𝑠 Hình 11: Trường nhiệt độ lị vận tốc phun nhiên liệu 𝑣𝑝ℎ𝑢𝑛 = 5𝑚/𝑠 Để thấy rõ phân bố trường nhiệt độ lò nung vận tốc phun nhiên liệu thay đổi, khảo sát phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang lò độ cao khác Từ trường nhiệt độ thu được, hình 12, nhận thấy phân bố nhiệt độ lò nung phụ thuộc nhiều vào vận tốc phun nhiên liệu Khi vận tốc phun nhiên liệu nhỏ, nhiệt độ lị phân bố khơng đồng (600C - 900C) khoảng chênh lệch nhiêt độ lớn bé lớn Nhiệt độ trung bình trường hợp đạt 900C Khi vận tốc phun nhiên liệu tăng cao, thấy trường nhiệt độ phân bố đồng đều, ổn định, gần không thay đổi Từ nhận thấy rõ ràng để vận tốc vịi phun q bé trường nhiệt độ khơng phân bố đồng đều, cịn vận tốc phun lớn tiêu tốn lượng mà không cải thiện trường phân bố nhiệt độ Hình 12: Đồ thị phân bố trường nhiệt độ mặt cắt khác lò tương ứng với vận tốc phun nhiên liệu khác 0,05; 0,1; 0,5; m/s, theo thứ tự từ xuông dưới, từ tái qua phải Qua kết phân tích sơ thu trên, nhận thấy rằng, để tăng hiệu sử dụng lượng khí gas dùng cho lị nung gốm, cần tính tốn, phân tích ảnh hưởng vận tốc phun nhiên liệu tới trường phân bố nhiệt độ theo quy trình rõ ràng, cụ thể, từ nghiên cứu tính tốn, thiết kế ban đầu khâu lắp đặt, vận hành thiết bị điều chỉnh vòi phun nhiên liệu Việc tính tốn mơ trường nhiệt độ theo thông số vận tốc phun nhiên liệu chiếm vị trí quan trọng q trình thiết kế hệ thống lị nung gốm khí đốt Các phân tích tối ưu hóa vận tốc phun nhiên liệu để thu trường phân bố nhiệt độ đồng đều, đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế thực nghiên cứu Kết luận Trên sở mơ hình mơ tả q trình khí nhiệt động lực học lò nung gốm sử dụng khí đốt, nhóm nghiên cứu mơ trường phân bố vận tốc dịng khí cháy, trường nhiệt độ lị nung việc sử dụng phần mềm mơ số ANSYS Fluent Quy trình mơ số CFD phần mềm ANSYS Fluent bao gồm bước giới thiệu cụ thể Từ kết mô thu được, nhận thấy vận tốc phun nhiên liệu ảnh hưởng lớn tới trường phân bố nhiệt độ lị nung gốm sử dụng khí đốt Việc tính tốn mơ trường nhiệt độ theo thơng số vận tốc phun nhiên liệu chiếm vị trí quan trọng q trình thiết kế hệ thống lị nung gốm khí đốt Để tăng hiệu sử dụng lượng khí gas dùng cho lị nung gốm, cần tính tốn, phân tích cụ thể q trình trao đổi nhiệt để tìm vận tốc phun nhiên liệu tối ưu tương ứng với trường nhiệt độ nung yêu cầu nhà sản xuất Việc tối ưu hóa vận tốc phun nhiên liệu cho lị nung gốm, để thu trường phân bố nhiệt độ đồng đều, đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế tốn quan trọng q trình thiết kế lò nung gốm Đây hướng phát triển nghiên cứu nhóm nghiên cứu thời gian tới Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Quang Minh, Kỹ thuật sản xuất vật liệu gốm sứ, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp HCM, 2000 [2] Phạm Xuân Yên –Huỳnh Đức Minh –Nguyễn Thu Thủy, Kỹ thuật sản xuất gốm sứ, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 1995 [3] Vũ Minh Đức, Công nghệ gốm xây dựng, Nhà Xuất Bản Xây dựng, 1999 [4] Nguyễn Kim Huân –Bạch Đình Thiên, Thiết bị nhiệt sản xuất vậtliệu xây dựng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 1998 [5] Phạm Văn Trí –Dương Đức Hồng –Nguyễn Cơng Cẩn, Lị cơng nghiệp, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 1999, Chương 4, tr 59-63 [6] N H Quan, Simplified PN Method for Modeling Coupled Heat Transfer in Semi-Transparent Non-Gray Materials, The 4th International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA4 Hanoi, August 25-26, 2016 [7] C E Baukal, Heat Transfer in Industrial Combustion, CRC Press LLC, 2000 [8] J Yogesh, Design and Optimization of Thermal SystemsModelling and control of oscillating-body wave energy converters with hydraulic power take-off and gas accumulator CRC Press, 2008  ... khảo sát ảnh hưởng vận tốc phun nhiên liệu tới trường nhiệt độ lị sau Hình miêu tả trường vận tốc khí cháy dịch chuyển ổn định lò nung gốm vận tốc phun nhiên liệu 0,05