Mô phỏng quá trình tách bụi với mô hình cyclone bằng phần mềm solidworks simulation và kiểm tra với mô hình thực nghiệm

Bài viết trình bày ảnh hưởng của đường kính xiclon, loại xiclon vận tốc đưa khí vào và đường kính hạt bụi lên hiệu xuất xử lý. Kết quả của nghiên cứu là đưa ra khuyến cáo sử dụng xiclon sao cho hiệu quả nhất và có một mô hình trực quan sử dụng trong giảng dạy môn Kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí.

Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng năm học 2020 - 2021 MƠ PHỎNG Q TRÌNH TÁCH BỤI VỚI MƠ HÌNH CYCLONE BẰNG PHẦN  MỀM SOLIDWORKS SIMULATION VÀ KIỂM TRA VỚI MƠ HÌNH THỰC  NGHIỆM SIMULATION ABOUT PROCESS DUST COLLECTION WITH THE CYCLONE MODEL  DESIGNED BY  SOLIDWORKS SIMULATION SOFTWARE AND CHECK WITH REAL  EXPERIMENTAL MODEL SVTH: Nguyễn Huy Sơn*, Nguyễn Văn Thanh Hà** Lớp *16MT, **17QLMT, Khoa Mơi trường, Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email:   nguyenhuy.son0502@gmail.com, trachthienky560@gmail.com GVHD: TS. Lê Hồng Sơn Khoa Mơi trường, Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: lhson@dut.udn.vn Tóm tắt – Xiclon thiết bị dùng để xử lý bụi giúp giảm thiểu ô nhiểm môi trường không khí khu công nghiệp Nghiên cứu sử dụng phần mềm Solidworks Simulation để mơ q trình tách bụi xảy xiclon sử dụng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng Ngồi nghiên cứu cịn trình bày ảnh hưởng đường kính xiclon, loại xiclon vận tốc đưa khí vào đường kính hạt bụi lên hiệu xuất xử lý Kết nghiên cứu đưa khuyến cáo sử dụng xiclon cho hiệu có mơ hình trực quan sử dụng giảng dạy mơn Kiểm sốt nhiễm mơi trường khơng khí Từ khóa – Xiclon; thiết bị lọc bụi ly tâm; xiclon LIOT; mô xiclon; Solidworks simulation, phân bố vận tốc, hiệu suất xử lý, tối ưu hoá Abstract - Cyclone is a device used to treat dust to help reduce air pollution in industrial zones This study uses “Solidworks Simulation” software to simulate the dust collection process that takes place inside xiclon and uses experimental models to verify In addition, the study also presents the effects of cyclone diameter, intake flow velocity and particle diameter on treatment efficiency The results of the study are to recommend the most effective use of cyclone and have a visual model used in teaching Air pollution control Key words - Cyclone; centrifugal dust collector; cyclone LIOT; cyclone simulation; Solidworks simulation; velocity distribution; collection efficiency; optimization Đặt vấn đề việc xác định hiệu suất xử lý 1.1.Hiện trạng 1.2 Một trong những vấn đề  đặt ra cho Việt Nam khi   bước vào thời kỳ cơng nghiệp hố là cải thiện ơ nhiễm  mơi trường do các chất phát sinh từ nền cơng nghiệp và  hoạt động sản xuất. Chất lượng mơi trường khơng khí       vấn   đề     quan   tâm     nay,     ngày  lượng khí thải khổng lồ được thải ra từ  các hoạt động  giao thơng vận tải và cơng nghiệp nhưng hầu hết các  nhà máy xí nghiệp chưa xử lý hoặc xử  lý chưa đạt u  cầu   Đặc   biệt     vấn   đề   ô   nhiễm   bụi   đối   với   mơi   trường khơng khí đã làm  ảnh hưởng rất lớn  đến sức  khỏe của con người và mơi trường xung quanh. Điển  hình như  các ngành cơng nghiệp luyện kim xi mạ, vật  liệu xây dựng, sản xuất phân bón, chế biến gỗ,  và các  q trình sản xuất phát sinh ra bụi thơ như đập, nghiền,  sàng,… Giải pháp lắp đặt thiết bị  xử  lý tại các nhà máy là   một cơng việc cần thiết  để  giảm thiểu ơ nhiễm mơi   trường khơng khí. Xiclon la mơt thiêt bi loc bui ly tâm ̀ ̣ ́ ̣ ̣ ̣   hiên nay đ ̣ ược sử dung kha phô biên  ̣ ́ ̉ ́ ở Viêt Nam và trên ̣   thế giới vì giá thành rẻ, cấu trúc đơn giản, vận hành dễ  dàng và có cơng suất khá lớn.  Tuy nhiên, trong q trình học tập sinh viên khó hình  dung về cấu trúc và quỹ đạo chuyển động của dịng khí  cũng như  các hạt bụi trong xiclon, cũng như  khó khăn   trong tìm kiếm các loại tài liệu liên quan. Thêm vào đó   hạn chế  lớn nhất khi  ứng dụng là các khó khăn trong    Để giải quyết các vấn đề trên, nghiên cứu tập trung   vào hồn thành 3 mục tiêu là xây dựng mơ hình 3D với   các loại xiclon khác nhau và mơ phỏng q trình tách bụi  xảy ra trong xiclon; xác định hiệu suất xử lý của một số  xiclon nhằm đưa ra khuyến cáo sử  dụng xiclon sao cho  có hiệu quả lọc bụi cao và kinh tế nhất; sau đó kiểm tra  bằng một mơ hình thực nghiệm Mục tiêu Đối tượng nghiên cứu ­ ­ ­ Xiclon LIOT, Xiclon Stairmand, xiclon SN­15 Thông   số:   Vận   tốc   vào,   đường   kính   hạt   bụi,  đường kính thiết bị, loại xiclon Các loại bụi: mùn cưa, xi măng, bột mỳ, vụn   sắt SVTH: Nguyễn Huy Sơn, Nguyễn Văn Thanh Hà; GVHD: TS Lê Hồng Sơn phỏng q trình tách bụi bằng phần mềm Solidworks   Simulation Hình 1: Tiêu chuẩn xiclon LIOT Nguồn: GS. Trần Ngọc Chấn, Kỹ thuật thơng gió (2011) Sau khi khảo sát các nghiên cứu và các bài báo đã   xuất bản, nhóm nghiên cứu nhận thấy nhiều nghiên cứu  đã sử  dụng các phần mềm mơ phỏng CFD để  dự  đốn  chuyển động của dịng khí và quỹ  đạo của hạt bụi bên   trong xiclon. Và hầu hết các nghiên cứu đều đề cập đến  chương   trình   mơ     3D   –   Solidworks   Simulation.  Trước hết phần mềm có giao diện dễ  sử  dụng, có thể  thay đổi nhiều biến số đầu vào, ra. Thứ hai, nó cho phép   làm các thực nghiệm và cho các kết quả  mà khơng cần  tính tốn bổ sung. Cuối cùng, Solidworks Simulation cho   phép xử lý nhanh chóng cho tất cả nhu cầu của các nhà  nghiên cứu, đồng thời cũng cung cấp một cách hiệu quả  để     nhà   nghiên   cứu   phân   tích   kết     cho   thực   nghiệm của mình.  Thực hiện vẽ  3D các loại xiclon khác nhau; cài đặt   mơ     chuyển   động     dịng   khí     bụi   trong  xiclon; xuất mặt cắt phân bố vận tốc, áp suất, nhiệt độ  trong xiclon. Sau đó quay video hướng dẫn và làm tài  liệu hướng dẫn dạng Word Thiết lập điều kiện đầu vào với xiclon LIOT, xiclon  Stairmand, xiclon SN­15 đường kính D = 1600 mm: vận  tốc khí vào xiclon V = 15 m/s, đường kính hạt bụi d =  10.10­6 mm, tỷ trọng bụi  ρ = 1200 kg/m3; điều kiện môi  trường áp suất P = 101325 Pa, nhiệt độ t = 30 °C 3.2 Đánh giá hiệu suất xử lý của một số xiclon  Thiết lập điều kiện đầu vào với các thông số  thay   đổi như bảng 1: Bảng   1:  Thiết   lấp   thông   số   đầu   vào     thực   nghiệm đánh giá hiệu suất xử lý Hình 2: Tiêu chuẩn xiclon Stairmand Nguồn: GS. Trần Ngọc Chấn, Ơ nhiễm khơng khí và   xử lý khí thải – Tập 2 (2001) Hình 3: Tiêu chuẩn xiclon SN Nguồn:   PGS.TS   Hồng   Kim   Cơ,   Kỹ   thuật   môi   trường (2001) Nội dụng và phương pháp nghiên cứu 3.1 Thông số Thực  nghiệm 1 Thực  nghiệm 2 Thực  nghiệm 3 Loại xiclon LIOT LIOT LIOT,  Stairmand,  SN­1 Đường  kính xiclon  D (mm) 1600 Vận tốc  khí vào  V( m/s) Thay đổi 12 ­ 24 18 18 Đường  kính bụi δ  (μm) 1 ­ 25 1 ­ 25 1 ­ 25 Khối  lượng riêng  bụi ρ  (kg/m3) 1200 1200 1200 Áp suất  môi trường  P (Pa) 101325 101325 101325 Nhiệt độ  môi trường  (°C) 30 30 30 Xây   dựng  mơ  hình   3D    loại   xiclon     mô   Thay đổi 550­1765 1600 Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng năm học 2020 - 2021 Đường kính bé nhất mà tồn bộ cỡ hạt lớn hơn hoặc  bằng đường kính này sẽ bị giữ lại hồn tồn trong thiết  bị  lọc và do đó người ta cịn gọi là “đường kính giới   hạn” của hạt bụi. Ký hiệu δmin δmin =  Trong cơng thức trên: L ­ lưu lượng, m3/s; ρ ­ khối lượng đơn vị của bụi, kg/m3; μ ­ hệ số nhớ động lực của khơng khí, Pa.s; n ­ số vịng quay, υg/s; r1 , r2 và l ­ lần lượt là bán kính lõi, vỏ  và chiều dài   của thiết bị lọc, m Hiệu quả  lọc bụi theo cỡ  hạt  δ  của thiết bị     tính theo cơng thức: η(δ) =  Với:  Hình 4: Bản vẽ mơ hình Hình 5: Bản vẽ 3D 1.1.1 Thực nghiệm: Sự ảnh hưởng của kích thước hạt   bụi đến hiệu suất làm việc của xiclon Để   khảo   sát   ảnh   hưởng     kích   thước   hạt   đến  hiệu suất xử lý bụi của mơ hình, đề tài đã sử dụng loại   bụi là bụi gỗ, có kích thước khác nhau Bảng 2: Các thơng số của bụi gỗ để thực nghiệm 3.3 Kiểm chứng với mơ hình thực nghiện 3.3.1 Thiết lập mơ hình  Mơ hình thực nghiệm được thiết kế bằng chai nhựa  loại nước lọc Aquafina 1,5L và ống xylanh có các thơng  số thiết kế sau: Mẫu bụi Kích  thước (µm) Khối  lượng  bụi thử  nghiệm (g) Vận  tốc khí  đi vào (m/s) Khối  lượng  riêng  của bụi kg/m3 Đường kính ống dẫn khí và bụi vào: dv = 2 cm 450­280 44,31 13 210 Đường kính ống tâm: dt = 3,5 cm 280­71 43,57 13  210