ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(94) 2015 55 MÔ PHỎNG TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN HÌNH DẠNG BẢN CỰC CHO THIẾT BỊ PHÂN TÁCH RÁC THẢI ĐIỆN TỬ ELECTROSTATIC MODELING AN[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(94).2015 55 MÔ PHỎNG TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN HÌNH DẠNG BẢN CỰC CHO THIẾT BỊ PHÂN TÁCH RÁC THẢI ĐIỆN TỬ ELECTROSTATIC MODELING AND CHOICE OF ELECTRODE SHARE FOR ELECTRONIC WASTE SEPARATION DEVICES Đinh Quốc Trí, Lê Đức Tùng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tri.dinhquoc@hust.edu.vn; tung.leduc1@hust.edu.vn Tóm tắt - Các hạt có tính chất điện khác có quỹ đạo di chuyển khác trường tĩnh điện Do đó, xử lý, phân tách rác thải điện tử công nghệ tĩnh điện phương pháp cho hiệu cao Để thiết kế, chế tạo thiết bị yêu cầu trước tiên nhà nghiên cứu phải xác định xác phân bố điện trường tĩnh tạo thiết bị Trong nội dung báo, tác giả áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)-tích hợp phần mềm Maxwell ANSYS để tính tốn mơ trường tĩnh điện Thơng qua kết phân tích mơ điện trường với nhiều dạng điện cực khác nhau, tác giả đề xuất lựa chọn điện cực phù hợp cho thiết bị phân tách rác thải Kết mô so sánh với thực nghiệm thiết bị phân tách rác thải điện tử chế tạo Abstract - The particles which have different electrical properties will have different trajectories in electric field Therefore, the treatment and the separation of electronic waste (e-waste) by electrostatic technology is a highly effective method In order to design and manufacture the device, the first requirement is that the researchers must pinpoint the distribution of electric fields generated by these devices In this paper, the authors apply finite element method (FEM) Integrated in Maxwell ANSYS software to calculate and simulate electric fields And then, through the electric field analysis of different electrode types, the authors propose an electrode share suitable for e-waste separation device The results from simulation are also compared with those from experiments on the real e-waste separation device Từ khóa - rác thải điện tử; thiết bị phân tách rác thải điện tử; điện trường tĩnh; phương pháp phần tử hữu hạn; phần mềm Maxwell ANSYS Key words - E-waste; e-waste separation device; Electrostatic; Finite element method; Maxwell ANSYS software Đặt vấn đề Chất thải điện tử loại chất thải độc Loại chất thải chứa nhiều thành phần gây ô nhiễm nghiêm trọng, nguy hại cho sức khỏe người mơi trường như: chì (Pb); cadmium (Cd); thủy ngân (Hg); hợp chất brom như: PBBs; PBDEs; asen (thạch tín); CFC; HCFC (có khả phá hủy tầng ozone) Tuy nhiên, khía cạnh tích cực, chất thải điện tử thực “mỏ vàng” theo nghĩa đen lẫn nghĩa bóng, chứa nhiều vật liệu quý thu hồi như: vàng; bạc; đồng; platin; niken… Đây “dòng chất thải có khả tiềm tàng”, xử lý khai thác cách Ước tính, điện thoại di động có đến 150g vàng, gấp 10 lần lượng vàng quặng vàng, chưa kể đến 100kg đồng, 3kg bạc nhiều kim loại khác Bởi thế, không xử lý chất thải điện tử đồng nghĩa với việc lãng phí nguồn tài nguyên cực lớn [1] Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị tái chế chất thải điện tử vấn đề cấp thiết đặt ra, để khai thác nguồn tài nguyên lớn giảm tác hại đến mơi trường Hiện nay, giới có nhiều phương pháp xử lý chất thải điện tử, từ phương pháp thủ công thô sơ đến phương pháp đại tiến tiến [2]: Công nghệ sử dụng điện phân hóa học; Cơng nghệ sử dụng nguyên lý trọng lực; Công nghệ sử dụng nhiệt hóa học; Cơng nghệ sử dụng tĩnh điện Phương pháp tĩnh điện phương pháp đại, không gây ô nhiễm môi trường sức khỏe người phân loại Chất thải nghiền nhỏ sơ chế Sau đó, dựa vào tính chất vật lý hạt kim loại phi kim mà đưa qua trường tĩnh điện với quỹ đạo khác hứng khay thu hồi khác [2], [3] Khi nghiên cứu thiết bị xử lí chất thải điện tử công nghệ cao áp tĩnh điện, vấn đề quan trọng phải xác định xác phân bố điện trường hai cực Chỉ có xác định xác phân bố lựa chọn hình dạng điện cực hợp lý, xác định quỹ đạo chuyển động hạt khác điện trường Để xác định phân bố trường tĩnh điện, người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm (thiết kế mẫu đo đạc) phương pháp mô [4] Phương pháp thực nghiệm cho kết xác lại có chi phí cao Trên thực tế, nhà thiết kế thường sử dụng phương pháp mô phỏng, lựa chọn thơng số phù hợp sau thiết kế, chỉnh định mẫu thật Sau so sánh kết thực tế đo từ thí nghiệm kết mơ tính tốn lý thuyết Nếu sai khác phạm vi chấp nhận được, ta tiến hành sản xuất thiết bị thật Bài báo tập trụng nghiên cứu số vấn đề: Mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell, từ tiến hành lựa chọn hình dạng điện cực thích hợp Kết hợp thực nghiệm mô phỏng, đưa kiến nghị đề xuất Trong phần báo, tác giả giới thiệu sở lý thuyết trường tĩnh điện, phương pháp giải toán tĩnh điện Phần trình bày kết mơ trường tĩnh điện với loại điện cực khác Từ kết cho phép lựa chọn hình dạng điện cực thích hợp Và cuối cùng, so sánh mơ kết đo đạc mẫu thí nghiệm thực tế trình bày phần Đinh Quốc Trí, Lê Đức Tùng, 56 Hệ phương trình Maxwell mơ tả trường tĩnh điện Điện trường tĩnh toán nghiên cứu phân bố điện trường (E) không gian (Ω) tạo phân bố điện tích (ρ) Điện trường tĩnh trường hợp riêng trường điện từ tổng quát giới hạn hai điều kiện sau: • Các đại lượng điện không thay đổi theo thời gian Đạo hàm riêng đại lượng theo thời gian khơng • Khơng có chuyển động hạt mang điện, nghĩa mật độ dịng điện ln khơng Mơ hình trường tĩnh điện khơng gian (Ω), diện tích biên (Γ) mơ tả hệ phương trình: 𝑟𝑜𝑡𝑬 = { Ω, 𝑑𝑖𝑣𝑫 = 𝜌 𝑫 = 𝜀𝑬, (1) 𝒏 × 𝑬|𝚪𝒆 = { , với Γ = Γ𝑒 ∪ Γ𝑑 𝒏 𝑫|Γ𝑑 = Trong đó: E vec tơ cường độ điện trường (V/m); D vec tơ độ điện dịch (C/m2); ρ mật độ điện tích (C/m3) ; ε số điện mơi mơi trường (F/m) Phương trình điều kiện biên trường điện tĩnh tách thành nhóm độc lập, nhóm chứa đại lượng liên quan đến trường từ trường điện Ta khảo sát trường điện tĩnh, trường điện khơng thay đổi theo thời gian điện tích đứng n Để giải hệ phương trình (1), người ta sử dụng phương pháp giải tích phương pháp số phương pháp tích phân số, phương pháp vi phân số [4] Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp vi phân số Cơ sở phương pháp làm rời rạc hóa miền liên tục phức tạp toán Các miền liên tục chia thành nhiều miền (các phần tử) Các miền liên kết với điểm nút Trên miền này, phương trình vi phân tương đương với toán giải xấp xỉ dựa hàm xấp xỉ phần tử, thỏa mãn điều kiện biên với cân liên tục phần tử Các hàm xấp xỉ biểu diễn qua giá trị hàm (hoặc giá trị đạo hàm) nút phần tử Các giá trị gọi bậc tự phần tử xem ẩn số cần tìm tốn [4]-[6] Phương pháp PTHH có khối lượng tính tốn lớn, kết xác hay khơng phụ thuộc q trình chia miền khảo sát thành miền Tuy nhiên, nhược điểm khắc phục cách sử dụng cơng cụ máy tính phần mềm chuyên dụng Do nói phương pháp PTHH phương pháp số hiệu thông dụng nhất, thích hợp với hàng loạt tốn vật lý kỹ thuật, hàm cần tìm xác định dựa miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học vật lý khác Phương pháp hiệu với toán thiết kế sơ thiết bị điện - điện tử, xử lý nhanh thay đổi kích thước hình dạng thiết bị [4]-[6] Trước sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng, đánh giá phân bố cường độ điện trường, nhà nghiên cứu môn Hệ thống điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội sử dụng phương pháp thực nghiệm để chế tạo thiết bị phân tách rác thải điện tử Phương pháp thực nghiệm cho kết tin cậy cao, có nhược điểm lãng phí nhiều thời gian chi phí lớn Nghiên cứu lựa chọn sử dụng phần mềm Maxwell hãng ANSYS (Phần mềm phân tích mơ điện từ trường dựa phương pháp phần tử hữu hạn - FEM) để phục vụ cho việc thiết kế sơ có nhìn tổng quan phân bố điện từ trường thiết bị xử lí chất thải điện tử Kết thu giúp loại bỏ mẫu thiết kế chế tạo không phù hợp, rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu [7] Mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell ANSYS Để chế tạo thiết bị phân tách chất thải điện tử hoạt động với hiệu suất cao, nhà nghiên cứu thiết bị trước tiên phải tạo vùng trường tĩnh điện tương đối đồng Dưới đây, tác giả thực số tính tốn mơ điện trường với hình dạng điện cực khác để minh chứng lý giải việc lựa chọn hình dáng điện cực thiết bị Để có nhìn tổng quan mối liên hệ hình dáng điện cực phân bố điện từ trường, tác giả thực mô phân bố điện trường với số trường hợp điện cực sau: Điện cực dạng trụ-trụ; Điện cực dạng dây dẫn trụ; Điện cực dạng trụ hình rẻ quạt Đây hình dạng điện cực thường sử dụng minh chứng hiệu việc phân tách rác thải điện tử [1], [2] 3.1 Trường hợp Các thơng số ban đầu: • • • Điện cực hình trụ, bán kính 20mm, đặt điện áp -30kV; Điện cực hình trụ, bán kính 40mm, đặt điện áp +30kV; Máng nghiêng dài 250mm, nối đất, nghiêng 35o so với phương nằm ngang Hình Phân bố điện trường cực trụ+trụ Kết mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell giới thiệu Hình Ta nhận thấy: điện trường phân bố không đồng điện cực Trong vùng không gian hạt bay khỏi máng nghiêng, điện trường có giá trị nhỏ Nếu chế tạo thiết bị sử dụng điện ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(94).2015 cực dạng hiệu suất phân tách chất thải thấp 3.2 Trường hợp Các thông số đầu vào: • • • Điện cực dây dẫn, đặt điện áp -30kV; Điện cực hình trụ, bán kính 40mm, đặt điện áp +30kV; Máng nghiêng dài 250mm, nối đất, nghiêng 35o so với phương nằm ngang 57 kết nghiên cứu nhà khoa học Nga [8] Thiết bị lọc chất thải điện tử với điện cực hình rẻ quạt kết hợp điện cực hình trụ chế tạo thành cơng Phịng thí nghiệm Cao áp, Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Hình 4) Hình Thiết bị phân tách rác thải điện tử sử dụng điện cực hình rẻ quạt điện cực hình trụ Hình Phân bố điện trường cực dây dẫn+trụ Kết mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell cho Hình Điện trường phân bố điện cực yếu Do đó, phương án đặt dây dẫn làm điện cực không hiệu Nếu muốn chế tạo thiết bị phân tách dạng này, người ta thường sử dụng từ đến dây dẫn song song coi chúng điện cực 3.3 Trường hợp Các thông số đầu vào: • • • So sánh kết mô thực nghiệm Để so sánh kết thực nghiệm kết mô mô hình điện cực hình rẻ quạt điện cực hình trụ, ta dùng máy đo cường độ điện trường HI- 3604 đo nhiều điểm khác Ta có bảng kết sau: Bảng Kết giá trị điện trường mô thực nghiệm Điện cực hình rẻ quạt, đặt điện áp-30kV; Điện cực hình trụ, bán kính 40mm, đặt điện áp +30kV; Máng nghiêng nối đất, dài 250 mm, nghiêng 35oso với phương nằm ngang Hình Biểu đồ kết thực nghiệm mơ 10 điểm đo (E (x,y) kV/cm) Hình Phân bố điện trường điện cực máng nghiêng+trụ Kết mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell cho Hình Điện trường phân bố tương đối đồng cực mơi trường làm việc hạt Ngồi ra, giá trị điện áp đặt lên hai cực không ảnh hưởng đến phân bố điện trường, mà ảnh hưởng đến giá trị điện trường Như vậy, thơng qua số tốn mơ trường tĩnh điện với dạng điện cực khác nhau, kết luận rằng, việc lựa chọn điện cực hình rẻ quạt điện cực hình trụ hợp lý chế tạo thiết bị phân tách rác thải đạt hiệu suất cao Lựa chọn phù hợp với Dựa vào kết Bảng biểu đồ Hình 5, ta nhận thấy tương đồng kết đo kết mơ Tuy có sai số định, giải thích sai số nguyên nhân sau: • Điện cực gia cơng khơng xác: Trong mơ hình mơ phỏng, cực coi phẳng hoàn toàn Tuy nhiên thực nghiệm, vấn đề kĩ thuật chế tạo, điện cực thường khơng phẳng tuyệt đối, cấu tạo bề mặt có chỗ lồi lõm • Điện áp đặt lên điện cực dao động: Trong thực nghiệm, điều chỉnh điện áp đặt lên điện cực, điện áp không giữ vị trí cố định mà dao động quanh giá trị Đinh Quốc Trí, Lê Đức Tùng, 58 • Khoảng cách điện cực có sai lệch: Trong mơ hình mơ phỏng, khoảng cách điện cực vẽ cách xác Trong thực nghiệm, khoảng cách đo thước nên có sai số Bên cạnh đó, q trình thực nghiệm, khoảng cách cịn bị ảnh hưởng độ rung khung giá đỡ điện cực • Ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm khơng khí: Trong mơ phỏng, điều kiện trạng thái khơng khí lí tưởng, khơng xét đến ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm • Sai số sử dụng thiết bị đo: Khi thực đo cường độ điện trường thiết bị thật, đặc tính thiết bị đo nên gây sai số Kết luận Trong phạm vi nghiên cứu báo, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải toán điện trường tĩnh thiết bị tĩnh điện để phân tách rác thải điện tử Tác giả sử dụng phần mềm Maxwell để mô trường tĩnh điện thiết bị xử lý chất thải điện tử, từ lựa chọn dạng điện cực phù hợp Kết thu tương đồng với kết nhóm nghiên cứu người Nga Ngồi ra, thơng qua mơ hình thiết bị thật chế tạo, tác giả so sánh cường độ điện trường thu từ mô đo đạc thực nghiệm Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động hạt chất trường tĩnh điện Thông qua mô trường tĩnh điện mô quỹ đạo bay hạt chất thải, xác định vị trí đặt máng hứng chất thải phân tách để thu hiệu suất cao Ngoài nghiên cứu đánh giá hiệu suất thiết bị xử lý chất thải điện tử dạng máng nghiêng theo thông số: Hình dạng điện cực, góc nghiêng điện cực, điện áp đặt vào điện cực, hứa hẹn thu nhiều kết khả quan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Stevens, J Thomas, C Fotea (2005) Recovery & Recycling of Waste Electronic Circuit Boards, University of Surrey Environmental Body [2] Ronald E Hester, Roy M Harrison (2009) Electronic Waste Management, Royal Society of Chemistry [3] Đinh Quốc Trí (2013) Đánh giá khả tích điện phần tử dạng hạt có tính chất điện khác Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 97, 23-27 [4] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2001) Các phương pháp đại nghiên cứu tính tốn thiết kế kỹ thuật điện, NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Gerard Meunier (2008) The Finite Element Method for Electromagnetic Modeling, ISTE Ltd and John Wiley & Sons [6] A.E Bondeson, T Rylander, and P Ingelstrom (2005) Computational Electromagnetics, Springer, New York [7] Peter Kohnke (1999) Ansys Theory Reference, ANSYS [8] Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М (1974) Основы газодинамики дисперсных систем, Энергия (BBT nhận bài: 07/06/2015, phản biện xong: 29/07/2015) ... Nội (Hình 4) Hình Thiết bị phân tách rác thải điện tử sử dụng điện cực hình rẻ quạt điện cực hình trụ Hình Phân bố điện trường cực dây dẫn+trụ Kết mô phân bố điện trường phần mềm Maxwell cho Hình. .. trường, tác giả thực mô phân bố điện trường với số trường hợp điện cực sau: Điện cực dạng trụ-trụ; Điện cực dạng dây dẫn trụ; Điện cực dạng trụ hình rẻ quạt Đây hình dạng điện cực thường sử dụng... với dạng điện cực khác nhau, kết luận rằng, việc lựa chọn điện cực hình rẻ quạt điện cực hình trụ hợp lý chế tạo thiết bị phân tách rác thải đạt hiệu suất cao Lựa chọn phù hợp với Dựa vào kết Bảng