Konference ANSYS 2009 Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII Richard Matas, František Wegschmied Západočeská univerzita v Plzni, Výzkumné centrum Nové technologie, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň, email: mata@ntc.zcu.cz ZVVZ-Enven Engineering a.s., Sažinova 1339, 399 01 Milevsko, e-mail: frantisek.wegschnmied@zvvz-enven.cz Abstrakt: Příspěvek popisuje CFD model odlučovače teplárny ELUIII. Na tomto odlučovači proběhlo komplexní modelování odlučovače včetně vnitřních struktur, porovnání vlivu zařízení před odlučovačem i vstupních okrajových podmínek, modelů turbulence, vestaveb ve vstupním potrubí atd. Výsledky numerického modelování jsou stručně shrnuty a je provedeno porovnání s dostupnými experimentálními daty. Klíčová slova: elektroodlučovač, CFD, porézní zóna Abstract: The paper deals with numerical simulation of flow in an electric precipitator on the power station ELUIII. The precipitator was modelled comprehensively to find behaviour of flow. The influences of the inert parts of the works, of the boundary conditions, of the turbulence models and of the geometry of the inlet parts were tested. The results of the numerical modelling are briefly summarized and the comparison with the experimental data is performed. Keywords: electric precipitator, CFD, porous zone 1. Úvod Elektroodlučovače odlučují prach vznikající v různých výrobních technologických procesech. Jejich výhody jsou: nízká tlaková ztráta, malá citlivost na překročení teplot, nízké provozní náklady, možnost vysokých provozních teplot, nenáročnost na obsluhu. Princip elektrostatického odlučovače tuhých látek ze spalin spočívá v tom, že prach obsažený v nevyčištěných spalinách je působením silného elektrického pole s prostorovým nábojem iontů elektricky nabit a odloučen na sběrné elektrody, ze kterých je již mechanicky odstraňován do zásobníků. Simulace vlastního proudění v elektrických odlučovačích má v ZVVZ Enven Engineering, a.s. Milevsko dlouhou tradici a je v souladu s trendy ve světě [2]. Protože je potřeba provádět simulace rychleji, aby byl k dispozici dostatek informací o zařízení ještě před jeho stavbou a uvedením do provozu, je třeba zefektivnit a přitom zpřesnit CFD simulace. To je i jedním z cílů výzkumně vývojového projektu podporovaného MPO, jenž je řešen firmou ZVVZ Enven Engineering,a.s., Milevsko v úzké spolupráci s výzkumným centrem NTC na Západočeské univerzitě v Plzni. Jedním z odlučovačů, vybraných pro citlivostní analýzu a porovnání s měřením, je odlučovač umístěný za odsířením teplárny ELUIII v Plzni. Na tomto odlučovači byla provedena řada
TechSoft Engineering & SVS FEM simulací a rovněž měření proudového pole. Získané zkušenosti a poznatky budou v praxi využívány při modelování proudových polí dalších zařízení. 2. Model filtru geometrie a výpočetní síť Aby mohly být CFD simulace efektivně prováděny, je třeba konstrukčně velmi složitý odlučovač vhodně zjednodušit. V současné době je používána metodika, jež se rodila z řady modelů připravovaných za různých podmínek. Tvorba geometrie je vhodně uzpůsobena požadavkům a nástroje pro její přípravu se neustále vyvíjí. V současné době se připravuje přechod na plnou parametrizaci v CAD systému. Vlastní síťování je prováděno v preprocesoru GAMBIT. Při síťování je nutné vhodně zvolit strategii postupu, tzn. rozvrhnout velikost a počet buněk v sekcích (u popisované úlohy velikost cca 100 mm) a postupovat vhodným způsobem, aby se docílilo kvalitní sítě s minimem čtyřstěnů. Některé části geometrie je nutno vhodně rozčlenit, aby bylo možno využít potenciálu šestistěnů. Vlastní odlučovač ELUIII byl modelován pomocí hybridní sítě s výsledným počtem buněk 3 867 166, z toho 3 217 504 šestistěnů. Výslednou síť je možno vidět na obrázku 1. Tento model byl pro některé simulace doplněn zjednodušeným modelem části před odlučovačem. Obr. 1. Výpočetní síť vlastního odlučovače s částečným pohledem na vestavby 3. Postup řešení Řešení popsaného odlučovače proběhlo v několika etapách. V první etapě byl řešen odlučovač s ideálními návrhovými podmínkami na vstupu pro tři režimy proudění. Dále byl testován vliv
Konference ANSYS 2009 turbulentního modelu a usměrňovací lopatky v přívodním potrubí. Tato etapa přinesla řadu poznatků, které se promítly i do dalších prací. V roce 2008 proběhlo na odlučovači náročné měření proudových polí. Byly měřeny rychlosti ve směru hlavního toku vzdušiny a tlaky na vstupu a výstupu. Dále byl proměřen rychlostní profil před a za první sekcí. Druhá etapa byla věnována výpočtům při režimu dle okrajových podmínek získaných při měření. Zjistilo se, že charakter proudění získaný měřením a výpočtem dobře odpovídá charakteru naměřenému, ale v jednom místě se lokálně liší. Na základě tohoto poznatku byly provedeny další testovací výpočty na vliv vstupní rychlosti a rozdělovacích stěn. Poslední etapa výpočtů pak byla věnována pracím na rozšířeném modelu odlučovače, který byl rozšířen o zjednodušený model absorbéru odsíření, viz obrázek 2. To je zařízení, umístěné před odlučovačem, jehož vliv může významně ovlivňovat vstupní rychlostní pole do odlučovače. Byl ověřován vliv vlastního zařízení a dále vliv poruch na usměrňovacích lopatkách ve vstupním potrubí absorbéru. Obr. 2. Model odlučovače rozšířený o absorbér Ze všech etap řešení úlohy jsou k dispozici proudová pole a rozložení vzdušiny v odlučovači. Výsledků bylo získáno velké množství, proto následující kapitola uvádí pouze malou část pro získání přehledu o vlivu některých faktorů na vybrané parametry.
TechSoft Engineering & SVS FEM 4. Výsledky řešení U první etapy byl kladen důraz spíše na vlastní metodiku řešení a na obecnější závislosti. Porovnání modelů turbulence ukázalo, že mezi modely nejsou příliš velké rozdíly, alespoň z hlediska potřebné úrovně přesnosti pro praxi, přesto jsou znatelné. Mnohem výraznější změnu poměrů ve filtru přinese absence usměrňovacích vestaveb ve vstupním potrubí. Tabulka 1 ukazuje vliv turbulentního modelu a vestaveb na tlakové ztráty a stupeň nerovnoměrnosti filtru. Varianta p c [Pa] Stup. nerovnom 1. sekce Stup. nerovnom 2. sekce realizable k - ε 183 0,216 0,347 realizable k - ε bez vestaveb 296 0,259 0,439 SST k - ω 182 0,247 0,405 Tab. 1. Parametry získané z výpočetních modelů první etapy řešení Obrázek 3 ukazuje potom porovnání proudových polí pro různé průtoky filtrem, tedy pro různé provozní režimy, vlevo pro režim při průtočném množství 168,37 kg/s, střední rychlosti na vstupu do skříně 1,13 m/s a hustotě média 0,889 kg/m3 odpovídající provozu a vpravo režim při průtočném množství 111,52 kg/s, střední rychlosti na vstupu do skříně 0,58 m/s a hustotě 1,15 kg/m3 odpovídající podmínkám při měření. Je vidět že charakter proudění není režimem výrazně ovlivněn a že přenositelnost podmínek při měření na reálný provoz je dobrá. Obr. 3. Rychlostního pole před první sekcí pro odlišné provozní režimy[m/s] Ve druhé etapě prováděné výpočty se porovnávaly s měřením, jehož výsledky jsou na obrázku 4. Výpočet provedený za srovnatelných podmínek pomocí CFD systému FLUENT 6.3 byl, kromě
Konference ANSYS 2009 standardních zobrazení proudových polí, viz obrázek 5, vyhodnocen stejným způsobem, jako měření. Obr. 4. Rychlostní pole získané měřením před a za první sekcí [m/s] Obr. 5. Vypočtené rychlostní pole - rychlost X [m/s] v podélném řezu odlučovačem
TechSoft Engineering & SVS FEM Tato metodika vyhodnocení umožňuje získat celkový přehled o charakteru proudění v odlučovači a zároveň vyhodnotit integrální parametry, jako např. již zmíněný stupeň nerovnoměrnosti. Pro urychlení vyhodnocení byl vytvořen skript v jazyku Scheme, jenž velmi rychle převede libovolné hodnoty z výpočtu do požadované podoby. Oba způsoby zobrazení proudových polí jsou na obr. 6. Obr. 6. Rychlostní pole získané výpočtem [m/s] před (vlevo) a za (vpravo) první sekcí, nahoře standardní výstup z programu FLUENT, dole styl ZVVZ - Enven Engineering, a.s.
Konference ANSYS 2009 Na obrázku 6 je vidět poměrně nepříznivý charakter proudění, podobný naměřenému, kde se ukazuje přetížení odlučovače v jeho horní části. Část výsledků třetí etapy simulací charakterizuje obrázek 7, kde je možno porovnat varianty s různým stavem přívodního potrubí a různým nastavením modelu pro rozšířený model s absorbérem. Je vidět, že vestavby v přívodním potrubí dokáží významně ovlivnit charakter proudění v odlučovači. Přestože žádná z řešených variant nedosáhla tak výrazného lokálního zvýšení rychlosti před první sekcí, jako tomu bylo u měření, došlo u několika variant vestaveb k výraznému posunu rychlostí v profilu odlučovače. Obr. 7. Rychlostní pole [m/s] před první sekcí u modelu s absorbérem pro různý stav vestaveb v přívodním potrubí 5. Závěr Na odlučovači teplárny ELUIII byla provedena CFD simulace rychlostního pole vzdušiny. Výpočet celé řady modelů přinesl velké množství poznatků pro modelování proudového pole elektroodlučovačů. Výsledky mapují vliv řady vlivů na proudění v odlučovači s poměrně komplikovanou vstupní částí Je samozřejmé, že přehled uvedených výsledků není zdaleka úplný, celkový počet řešených variant se blíží třiceti a práce na zhodnocení celého projektu budou ještě doplněny vyhodnocením dalších odlučovačů podrobených podobné analýze.
TechSoft Engineering & SVS FEM Popisovaný odlučovač se vyznačuje poměrně nepříznivým rozložením proudového pole, což může mít vliv na odlučovací proces a navíc ztěžuje i numerické modelování a dokonce i měření. Při porovnání měření a výpočtů se charaktery proudového pole shodují, nicméně před první sekcí je patrný výrazní lokální rozdíl ve středu profilu. Ten je možno pravděpodobně přičíst na vrub vestavbám ve vstupním potrubí, jejichž stav nebylo možno v době měření na zařízení důkladně prověřit. Následné simulace potvrdily, že vstupní rychlostní profil a charakter i stav vestaveb vstupního potrubí mají výrazný dopad na proudění v odlučovači a jejich návrh i sledování stavu během provozu má klíčový význam. Řešení projektu pokračuje komplexním porovnáním různých variant s měřením na dalším odlučovači s výrazně odlišným rychlostním polem, kde by měl být řešen i pohyb druhé fáze a to včetně modelů komor s uvažováním elektrického odlučování. 6. Poděkování Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu, projektu FT-TA3/052. 7. Reference 1. Uživatelský manuál ANSYS FLUENT 6.3. 2. Kňourek, J.; Matas, R.; Wegschmied, F.: Simulace nestacionárního proudění vzdušiny v elektrostatickém odlučovači. In FLUENT 2006. Praha: Techsoft Engineering s.r.o., 2006 3. Matas, R.; Sedláček, J. Simulace procesu čištění spalin v energetických zařízeních. In Power system engineering, thermodynamics & fluid flow. Západočeská univerzita, 2008