ROZDĚLENÍ ČIŠTĚNÉHO PLYNU V TKANINOVÝCH FILTRECH

Transkript

1 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech ROZDĚLENÍ ČIŠTĚNÉHO PLYNU V TKANINOVÝCH FILTRECH Tomáš Hlnčík, Václav Koza VŠCHT Praha, Ústav plynárenství, koksocheme a ochrany ovzduší, Techncká 5, , Praha 6 tel.: , tomas.hlnck@vscht.cz Př osazování tkannových fltrů plynů e čnnost fltrů ovlvňována geometrí přívodu znečštěného a odvodu čstého plynu. Článek prezentue metodu pro ohodnocení těchto vlvů pomocí CFD (computatonal flud dynamcs, počítačová smulace proudění). Přínosem metody e zednodušení modelu vntřku fltru př zachování vypovídací schopnost k vlvům uspořádání přívodů. Model e uplatněn na studum vlvu umístění přívodů plynu k fltru, vlvu odporu fltračních přepážek a vlvu celkového toku čštěného plynu fltrem. Došlo , přato Úvod Tkannové fltry s vertkálním rukávc rozdělené do sekcí svslým přepážkam někdy vykazuí nerovnoměrné rozdělení čštěného plynu do ednotlvých sekcí. To se proevue nerovnoměrným opotřebením ak nosné konstrukce, tak rukávců a zkrácením žvotnost. Př dané konstrukc se během pracovního cyklu rovnoměrnost rozdělení plynu mění. Rukávce, ke kterým byl zpočátku volněší přítok čštěného plynu, se rychle zanášeí, ech odpor roste a plyn se přesouvá k dalším, zatím čstším, rukávcům. Nerovnoměrné zatížení rukávců a komor se však tímto procesem nkdy úplně nevykompenzue. Prvotní vlv na rozdělení plynu mez komory má vzáemné uspořádání přívodu a odtahu čštěného plynu, které e mnohdy nutno volt s ohledem na vestavění fltru do prostoru, který e k dspozc a ne en na základě představ o optmální funkc fltru. Rovnoměrnost rozdělení plynu se vylepšue různým konstrukčním úpravam dstrbuce přváděného plynu do komor. Jednoduchý dvorozměrný CFD model řešený programem Fluent 6, který prezentueme na příkladu šestkomorového fltru, umožňue posoudt základní vlastnost konstrukce fltru a vlv případných konstrukčních úprav dstrbuce přváděného plynu. Rovněž lze ednoduše srovnat chování fltru v celém rozsahu průtoků plynu (např. v regulačním rozsahu předřazeného topenště). 2. CFD metoda modelování transportních procesů v plynoměru Pro smulac transportu proudění v tkannovém fltru sme použl metodu CFD Computatonal Flud Dynamcs. Př použtí CFD metody e potřeba neprve vytvořt model t. vrtuální prototyp zkoumaného tkannového fltru, na kterém byla realzována výpočtová síť s dostatečnou hustotou, aby výpočet konvergoval z důvodu úzkých štěrbn. Na obrázku 1 e uvedena ukázka vysíťované plochy tkannového fltru. Na tento model se následně aplkuí matematcké postupy tak, aby ze zadaných okraových podmínek a počítačových podmínek byly získány údae o děích probíhaících v celé zkoumané oblast př respektování fyzkálních zákonů. CFD e založen na řešení fundamentálních nelneárních rovnc popsuících proudění tekutn a turbulence na konečném počtu malých obemů. Pro každý obem e počítaný transport hmoty a hybnost na základě: Rovnce kontnuty p t x t v 0. (1) Naver Stokesových rovnce v v v x f x p x, (2) V rovncích e ρ hustota, v vektor rychlost, p tlak, τ tenzor Reynoldsových napětí, f vlv tíhových sl [1, 2]. Uvedený systém parcálních dferencálních rovnc e řešený numerckou metodou konečných obemů na oblast a s okraovým podmínkam odpovídaícím modelovanému systému. Př výpočtu byl použt RNG k- ε model turbulence, kde k e rychlost tvorby turbulence energe a ε rychlost eí dspace [3]. Obr. 1 Ukázka vysíťované plochy tkannového fltru 97

2 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech Pro smulační výpočty byl použt software FLU- ENT 6. FLUENT 6 e CFD program umožňuící komplexní řešení úloh z oblast proudění. Program umožňue ak staconární, tak nestaconární analýzu 2D 3D problémů a následnou kvaltní vzualzac výsledků. V našem případě sme z možností FLUENTu využl modelování staconárního dvorozměrného (2D) problému v pravoúhlých souřadncích. 3. Model fltru Šestkomorový fltr podle schematckého obrázku 2 má v každé komoře shodný počet rukávců zavěšených z osazovací desky. Čštěný plyn se přvádí vstupním hrdlem o průřezu S [m 2 ] pod komory a po vyčštění odvádí výstupním hrdlem o průřezu S e [m 2 ] nad osazovací deskou. Umístění výstupního hrdla na stené nebo opačné straně fltru s hrdlem vstupním ovlvňue rozdělení plynu mez komory, podobně ako případné vestavby pod komoram a tvar výsypek pro zachycené částce. Obr. 2 Řez tkannovým fltrem (zednodušení osazovací desky na 1 otvor/komora) Průtok čštěného plynu do fltru e charakterzován střední rychlostí v [m/s] a hustotou (čstého) plynu ρ ve vstupním hrdle,, (3) V v S kde V... obemový tok plynu na vstupu [m 3 /s] v... střední rychlost ve vstupním hrdle [m/s] S... průřez vstupního hrdla [m 2 ], případně, (4) m V kde m... hmotnostní tok čstého plynu na vstupu [kg/s], ρ... hustota čstého plynu ve vstupním hrdle [kg/m 3 ]. Tok plynu se rozdělí mez komory fltru tak, že tok -tou komorou e... obemový tok čstého plynu -tou komorou V k, [m 3 /s], = 1,2,..., 6... hmotnostní tok čstého plynu -tou komorou m k, [kg/s], = 1,2,..., 6. Rozdělení plynu mez komory fltru e dáno konstrukcí pod komoram, paralelně zapoeným hydraulckým odpory ednotlvých rukávců podle ech okamžtého stavu a případně dynamckým účnky plynu proudícího nad rukávc k výstupnímu hrdlu fltru Hydraulcký ekvvalent v edné komoře V -té komoře [ = 1,2,, 6] fltrue plyn n rukávců. Průtok plynu komorou a tedy všem rukávc celkem e výše zavedený V k,. Nahradíme spoené chování všech rukávců v -té komoře [ = 1,2,, 6] vždy edním ekvvalentním otvorem v osazovací desce o průřezu S p, [m 2 ], který př průtoku danou komorou vykazue stenou tlakovou ztrátu ako rukávce v -té komoře [ = 1,2,, 6], S p, V k, 2p p, p p,. (5) 3.2. Dvorozměrný model fltru Pro účely CFD výpočty nahradíme fltr vertkálním řezem a předpokládáme tloušťku řezu 1 m. Rozměry fltru a vestaveb pak budou stené ako ve skutečnost, rozměry otvorů vstupního a výstupního hrdla a ekvvalentních otvorů v osazovací desce číselně rovny průřezům těchto otvorů. Model CFD má oblast řešení a charakter okraových podmínek daný uvedenou geometrí fltru, okraovou podmínkou ve vstupním hrdle e zadaná střední rychlost v a ve výstupním hrdle konstantní absolutní tlak. Médem e vzduch o zadané hustotě plynu ρ, t. odpovídaící provozní teplotě fltru. Energetcká blance (sdílení tepla) není v modelu zahrnuta. 4. Výsledky smulačních výpočtů Řešení CFD modelu poskytne rozložení rychlostí a tlaků ve fltru, ze kterých se vyhodnotí hmotnostní průtoky komoram, [ = 1,2,, 6]. Kvanttatvním m k, ukazatelem nerovnoměrnost rozdělení plynu mez komory e varační součntel δ hmotnostních průtoků komoram, t. podíl výběrové směrodatné odchylky a střední hodnoty hmotnostních průtoků komoram. Na všech následuících obrázcích e znázorněno proudění fltrem ako pole špek udávaících směr proudění, množství špek e úměrné lokální hustotě toku a barva absolutní hodnotě rychlost Vlv vzáemné polohy hrdel Následuící obrázek 3 a tabulka 1 srovnává rozdělení plynu mez komoram podle toho, zda e výstupní hrdlo na druhé č na stené straně fltru ako hrdlo vstupní. 98

3 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech Obr. 3 Vlv orentace výstupního hrdla Tabulka 1 Vlv orentace výstupního hrdla Vstupní hrdlo vlevo vlevo Výstupní hrdlo vlevo vpravo Průřez výstupu komor [m 2 ] 0,2 0,2 Rychlost ve vstupním hrdle [m/s] Střední průtok komoram [kg/s] 3,06 3,06 Směrodatná odchylka průtoků [kg/s] 0,74 2,59 Varační součntel průtoků [-] 0,24 0,85 V obou uspořádáních sou preferovány komory blíže k výstupnímu hrdlu fltru. Fltr se vstupem výstupem na stené straně má rovnoměrněší rozdělení průtoků mez komoram, ak e vdět z nžší hodnoty varačního součntele. U fltru s výstupem na druhé straně od vstupu dochází eště k recrkulac plynu ve výsypkách. Tabulka 2 Vlv odporu komor Průřez výstupu komor [m 2 ] 0,1 0,2 0,4 0,6 Rychlost ve vstupním hrdle [m/s] Celkový průtok [kg/s] 18,37 18,38 18,37 18,38 Střední průtok komoram [kg/s] 3,06 3,06 3,06 3,06 Směrodatná odchylka průtoků [kg/s] 0,24 0,74 2,68 5,64 Varační součntel průtoků [-] 0,08 0,24 0,88 1, Vlv odporu komor Následuící obrázek 4 a tabulka 2 srovnává rozdělení plynu mez komoram podle odporu komor, t. v modelu podle velkost výstupních otvorů komor. Na obrázku 4 a v tab. 2 e patrné, že s rostoucím odporem komor se vyrovnávaí průtoky komoram, ale ako další efekt se obevue crkulace plynu ve výsypkách, což může mít vlv na uložení částc v nch. 99

4 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech 0,1 m 2 0,2 m 2 0,4 m 2 0,6 m 2 Obr. 4 Vlv odporu komor (průřezy otvorů 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 m 2 ) 4.3. Vlv průtoku Následuící obrázek 4 a tabulka 3 srovnává rozdělení plynu mez komoram v závslost na celkovém průtoku, který se obdobně ako např. v případě čštění spaln mění v běžném regulačním rozsahu topenště 1:4. 100

5 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech 15 m/s 7,5 m/s 3,75 m/s Obr. 5 Vlv průtoku - vstupní rychlost do fltru 15; 7,5; 3,75 m/s Z obrázku 5 tabulky 3 e patrné, že rozdělení průtoků mez komory není zatížením fltru ovlvněno. Pro všechny modelované průtoky zůstal varační součntel konstantní. Tabulka 3 Vlv průtoku na rovnoměrnost rozdělení plynu Průřez výstupu komor [m 2 ] 0,2 0,2 0,2 Rychlost ve vstupním hrdle [m/s] 15 7,5 3,75 Celkový průtok [kg/s] 18,38 9,19 4,59 Střední průtok komoram [kg/s] 3,06 1,53 0,77 Směrodatná odchylka průtoků [kg/s] 0,74 0,38 0,19 Varační součntel průtoků [-] 0,24 0,25 0,25 101

6 Rozdělení čštěného plynu v tkannových fltrech 5. Závěr Prezentovaná ednoduchá metoda umožňue rychlé posouzení funkce tkannového fltru před eho podrobným návrhem. Další vývo metody vede ednak k posuzování návrhů vestaveb do fltru z hledska vlvu na dstrbuc plynu a ednak na dynamcké modelování pracovního cyklu fltru pomocí posloupnost kvazstaconárních stavů, mez nmž se zvětšování odporu vrstvy částc na fltrační tkanně modelue ako odpovídaící zmenšování průřezů výstupů komor. Poděkování Řešení této problematky bylo realzováno za fnanční podpory vyčleněné z prostředků výzkumného záměru MSM řešeného na Fakultě technologe ochrany prostředí VŠCHT Praha. Summary Tomáš Hlnčík, Václav Koza Insttute of Chemcal Technology, Prague The Gas Dstrbuton n the Bag Flters Wth Nonstandard Layout of Gas Ports The performance of the bag flters depends on the layout of gas ports as well as on other factors. The artcle presents the method for the evaluaton of these nfluences based on CFD. The advantage of presented method s n the smplfed representaton of the flter nternals wthout dstortng the results regardng the flter as a whole. The model s used to analyze the nfluence of ports mutual poston, the hydraulc resstance of flter sectons and of the total gas flow. Seznam symbolů f vlv tíhových sl [-],, k, p dolní ndexy k rychlost tvorby turbulentní energe [m 2 s -2 ] m hmotnostní tok [kgs -1 ] p tlak [Nm -2 ] Δp tlaková ztráta [Pa] t čas [s] v vektor rychlost [ms -1 ] V obemový tok [m 3 s -1 ] S průřez [m 2 ] δ varační součntel [-] ε rychlost dspace [m 2 s -3 ] ρ hustota [kgm -3 ] τ tenzor Reynoldsových napětí [Nm -2 ] Lteratura 1. Příhoda, J.; Louda, P. Matematcké modelování turbulentního proudění; ČVUT: Praha, Fořt, J.; et al. Numercké metody řešení problémů proudění III; ČVUT: Praha, Rocha, S. M. S.; et al.flud Dynamcs Study of the Influence of the Poston of the Feed n Fabrc Flters, 10th Internatonal Symposum on Process Systems Engneerng,