Konference ANSYS 2009 Numerická studie proudění v modelu látkového filtru Jan Sedláček Západočeská univerzita v Plzni, Výzkumné centrum Nové technologie Univerzitní 8, 306 14 Plzeň, email: sedlacek@ntc.zcu.cz Abstrakt: Příspěvek se zabývá numerickou simulací proudění v hadicovém látkovém filtru. Tyto filtry jsou, s ohledem na svoji velmi dobrou účinnost, používány v celé řadě průmyslových technologií pro čištění vstupních či výstupních plynů. Pro maximální efektivitu filtračního procesu a zajištění dlouhé životnosti hadic, je nezbytné zajištění rovnoměrného využití filtrační plochy hadic a omezení lokálních vysokých rychlostí velkých částic v blízkosti hadic. Numerické simulace na modelech tohoto typu filtru si kladou za cíl bližší poznání charakteru proudění uvnitř filtru během provozu. Obsahem tohoto příspěvku jsou výsledky numerické studie na modelu malého jednosekcového filtru řešené v programu FLUENT. Ověřována byla použitelnost různých matematických modelů náhrady filtračního materiálu hadic s ohledem na věrohodnost výsledků, velikost úlohy a její výpočetní náročnost. Klíčová slova: hadicový filtr, CFD, porézní zóna Abstract: The paper deals with numerical simulation of flow in a bag filter. These filters are, with respect to their high efficiency, used in the wide range of industrial technologies for cleaning of incoming or exhaust gases. To achieve maximal efficiency of the discrete phase separation and long lifetime of the bags, it is necessary to ensure uniform load on bags surface and avoid motion of heavy particles with high velocities near to the bags. Numerical simulations performed on models of this type of filter were focused on improvement of knowledge about flow and processes inside the filter during operation. The paper contains some results of numerical simulations on a simplified model of a small one-sectional bag filter. Different methods and models of filter material substitution were tested with the aim to satisfy results reality and considerable case size and computational requirements. Keywords: bag filter, CFD, porous zone 1. Úvod V celé řadě technologických procesů dochází ke vzniku prachových částic různého chemického složení a velikostí, které jsou unášeny technologickým plynem a jejichž vypouštění do okolního prostředí je z bezpečnostního a ekologického hlediska nepřípustné. Proto se používají různé typy filtrů pro zachycení co největšího objemu těchto částic. Dovolená míra úletu je často stanovena legislativně. Mezi filtry, které umožňují filtrovat velké objemy plynů a zachytávat s vysokou účinnosti pevné částice z plynu, patří vedle elektrostatických odlučovačů i filtry látkové. Pro velké průtoky jsou filtry obvykle řešeny jako hadicové v jedné či více sekcích s on-line či off-line pulsním proplachem. Toto řešení jednak umožňuje velký průtok plynu a hlavně zajišťuje možnost
TechSoft Engineering & SVS FEM kontinuálního provozu zařízení. Nevýhodou těchto filtrů je teplotní omezení čištěného plynu dle použitého typu hadic a poměrně velká tlaková ztráta. Při nevhodném návrhu filtru může také během provozu docházet k abrazi filtračních hadic rychle letícími těžkými částicemi, nevhodná konzistence odlučovaného prachu pak může způsobit zanesení resp. zalepení hadic. Tento příspěvek popisuje provedenou úvodní studii pro numerické simulace proudění v hadicových látkových filtrech, kde se do přímého rozporu dostávají možné způsoby modelování filtračních hadic s výpočetní náročností úlohy resp. požadavky na výpočetní výkon. 2. Výchozí modely filtru porous jump Hadicové látkové filtry jsou, dle požadovaného průtoku filtrovaného plynu, zařízení různých velikostí s počtem hadice od několika desítek po řádově až dva tisíce hadic. Hadice různých délek (v řádu metrů) a průměrů jsou napnuty přes nosné koše a zavěšeny v každé sekci ve více řadách na nosné přepážce. Kontinuálnost provozu filtru je zajištěna pulsním tlakovým zpětným proplachem pomocí stlačeného vzduchu, kdy jsou obvykle v sekundových odstupech proplachovány jednotlivé řady sekce. Z uvedeného vyplývá potřeba relativně detailního popisu jednotlivých hadic resp. řad hadic a nestacionarita proudění v hadicovém filtru s proměnnými podmínkami na jednotlivých řadách hadic. Z toho důvodu byla pro posouzení možnosti simulovat tento typ zařízení, zejména pak větších velikostí, provedena studie pro ověření možných matematických popisů filtračních hadic. Pro studii byl zvolen model menšího zařízení s pouze 64 filtračními hadicemi. Veškeré výpočty úvodní studie byly realizovány za pomocí výpočetního programu FLUENT 6.3. Model se snažil postihnout problémy vznikající na reálných dílech, kde vzhledem k zaústění vstupního potrubí do oblasti výsypky nelze očekávat příznivou proudovou situaci ve filtru Výpočetní síť byla u ověřovacího modelu připravena, vzhledem k potenciálním velikostem filtru, relativně jemná a s dobrou kvalitou viz. Obr. 1. U velkých modelů lze bohužel očekávat, že síť bude muset být nezbytně řidší. Obr. 1. Výchozí model hadicového látkového filtru nereálné proudnice a detail výpočetní sítě
Konference ANSYS 2009 Matematická náhrada vlastních filtračních hadic byla u výchozího modelu řešena pomocí prosté tlakové ztráty definované v závislosti na rychlosti porous jump. Tento způsob náhrady porézních hadic by měl být teoreticky pro danou aplikaci vyhovující a je nejméně náročný z hlediska požadavků na přípravu výpočetní sítě a výpočetní nároky. Parametry pro stanovení tlakové ztráty byly odhadnuty a následně modifikovány tak, aby byla dosažena požadovaná celková tlaková ztráta filtru cca 1000 Pa odpovídající obvyklému provoznímu stavu. Nutno zhruba upřesnit měřítko filtru: průměr vstupního potrubí 0,45 m, délka hadic 2,5 m a parametry výpočtu: nestlačitelný vzduch za normálních podmínek, RNG k-e turbulentní model, vstupní rychlosti 5 15 m/s. Výsledky za těchto podmínek realizované nebyly příliš přesvědčivé, nepříliš stabilní simulace vykázaly nereálný charakter na rozhraní a uvnitř filtračních hadic. Konvergence výpočtu nebyla pro vyšší vstupní rychlosti resp. tlakové ztráty filtru dosažitelná. Proudění v hadicích vykazuje příliš výraznou dominantní tangenciální složku rychlosti s ohledem na válcový tvar hadic viz. Obr. 1. Tato složka není nijak tlumena přechodem plynu přes stěnu hadic dovnitř, což neodpovídá ani teoretickým předpokladům, ani zkušenostem. S cílem zachovat hustotu výpočetní sítě použitelnou i pro modely velkých filtrů byla následně použita kombinace tlakové ztráty porous jump s válcovou porézní zónou uvnitř hadic, tj. s vektory tlakového odporu ve válcových souřadnicích. Osová a radiální složka pak byly specifikovány bez odporu, definován byl pouze odpor v tangenciálním směru. Při aplikaci této kombinované náhrady došlo k výraznému utlumení tangenciálního proudění uvnitř hadice, nicméně proudění nebylo přesto příliš reálné viz. Obr. 2. U některých hadic docházelo lokálně i k proudění plynu zevnitř hadice do vstupní oblasti s vyšším tlakem, což je fyzikálně neopodstatněné. Ke stabilizaci výpočtu a zreálnění rychlostního pole by možná přispělo přiměřené rozložení tlakové ztráty mezi porous jump zónu a radiální složku odporu vnitřní zóny, příp. definice radiálního odporu v závislosti na poloměru, to však již nebylo dále testováno. Z výpočtů vyplynula nevhodnost náhrady filtrační stěny pomocí porous jump v případě, kdy úloha obsahuje více těchto zón a vektory rychlosti jsou výrazně odkloněné od kolmice k nahrazovaným stěnám, resp. k nim směřují tečně. Model pak (v souladu se svou definicí) nerespektuje změnu hybnosti plynu a generuje nereálné rychlostní pole. Obr. 2: Kombinovaný model filtrační hadice rychlostní pole a rozložení tlaku v řezech modelem
TechSoft Engineering & SVS FEM 3. Modely s porézní zónou Na základě negativní zkušenosti s náhradou filtrační hadice tlakovou ztrátou byl připraven další model s upravenou výpočetní sítí viz. Obr. 3., kdy je filtrační hadice, resp. její rozšířená stěna, nahrazena porézní stěnou s definovaným odporem ve všech třech směrech. Reálná stěna filtračních hadic má tloušťku například jen 2 5 mm, což by při vytváření výpočetní sítě přinášelo značné problémy a vedlo k nezbytnosti použití interface. Za provozu je přitom hadice obalena vrstvou prachu a její stěna je tlustší. Stěna proto byla rozšířena na 7-10 mm, což by ještě i při částečném rozšíření dovnitř hadice, nemělo způsobit významnější omezení proudění vnitřkem hadice díky zmenšení jejího vnitřního průřezu. Vzhledem k nezbytnému minimálnímu počtu výpočetních buněk v této stěně bohužel významně narostl celkový počet výpočetních elementů a tím i výpočetní náročnost úlohy. Aplikace této náhrady pro filtr s např. 1500 hadicemi je značně nereálná. Zároveň se však samozřejmě jedná o náhradu, která je nejblíže reálným filtračním hadicím. Obr. 3: Úprava výpočetní sítě pro náhradu filtrační hadice porézním médiem Výpočty realizované na tomto modelu vykazovaly velmi dobrou stabilitu a s ohledem na předchozí výpočty s chaotickým proudovým polem i výsledky překvapily ustáleností rychlostního pole a jeho rovnoměrností v oblasti hadic viz. Obr. 4. Úloha byla řešena za různých podmínek (vstupní rychlost, odpory porézní zóny), rozložení rychlostního pole uvnitř filtru se však nijak výrazně neměnilo. Vzhledem k výsledkům získaným na tomto modelu byla následně navržena a otestována náhrada použitelná i na modelech velkých filtrů. Jedná se o velmi zjednodušenou náhradu, kdy je celá oblast s hadicemi nahrazena jednou porézní zónou. S ohledem na významný vliv uzavřených den hadic na charakter proudění pod hadicemi a distribuci proudu mezi hadice byly na spodní ploše této zóny zachovány tyto stěny. Zároveň byly zachovány i omezené průřezy pro přestup vzdušiny z hadic do horní komory, toto však již na charakter proudění nemá tak výrazný vliv. Odpor porézní zóny ve vertikální ose byl definován relativně malý s ohledem na výšku zóny, oba odpory v horizontální rovině byly definovány několikanásobně větší, stejné. Konkrétní hodnoty byly průběžně upravovány dle podmínek výpočtu (vstupní rychlost) a očekávané ztráty filtru. Výpočet byl relativně stabilní a poměrně dobře konvergoval. Vypočtené výsledky při vhodně zvolených parametrech zóny vcelku dobře korespondovaly s výsledky předchozího výpočtu s náhradou pouze stěny hadic porézní zónou. Dna hadic tvořená vnitřními stěnami modelu dle očekávání formují proudění ve spodní části filtru, malý odpor porézní zóny ve vertikálním směru přitom umožňuje dobrý přechod proudu ze spodní části mezi hadice.
Konference ANSYS 2009 Obr. 4: Výsledky simulace v modelu s náhradou stěny filtrační hadice porézní zónou: proudnice, vektory rychlosti v celkovém pohledu a v řezu komorou s hadicemi Tento zjednodušený způsob náhrady oblasti s filtračními hadicemi byl následně aplikován i na model velkého, šestikomorového filtru. Díky jedné porézní zóně v každé sekci bez výrazných nároků na hustotu sítě byla úloha tvořena cca 10,5 milionem výpočetních elementů. Výpočet byl opět vcelku stabilní, konvergence byla ovlivněna nestacionárním prouděním v kanálech filtru. Vypočtené výsledky jsou smysluplné, v souladu s fyzikálními předpoklady, bohužel je není možno konfrontovat s experimentálními daty viz. Obr. 5. I v případě řešení modelu existujícího odlučovače je měření na skutečném díle za provozu velmi obtížně proveditelné. Obr. 5: Výsledky simulace na modelu šestikomorového filtru s náhradou oblasti hadic jednou porézní zónou kontury rychlosti
TechSoft Engineering & SVS FEM 4. Závěr Přes teoreticky vcelku jednoduché proudění v hadicovém látkovém filtru není jeho numerická simulace, zejména pak při respektování provozních podmínek, zcela jednoduchou záležitostí. Stupeň zjednodušení oblasti s hadicemi pomocí porézních zón silně ovlivňuje výsledky a možnost popisu jevů probíhajících ve filtru. Výsledky některých modelů náhrady filtračních hadic pak dokonce dávají výsledky, jež jsou v rozporu z fyzikální realitou. Optimální variantou náhrady pro simulaci hadicových filtrů se na základě provedené studie jeví náhrada rozšířené stěny hadice (stěna reálné hadice má tloušťku např. pouze 3 mm) porézní zónu s vhodnou volbou hodnot odporu ve všech třech osách. Tento způsob náhrady je však dobře použitelný pouze pro menší filtry s menším počtem hadic, kdy výpočetní síť dosahuje únosné velikosti. Pro velké filtry je pak lépe použitelná náhrada oblasti hadic jednou velkou porézní zónou v každé sekci filtru se zachovanými pevnými překážkami (dna hadic apod.) V případě potřeby analyzovat proudění ve velkém filtru detailněji je pak možno navázat dílčími modely jednotlivých sekcí filtru s náhradami jednotlivých hadic, kdy je předpočtené rychlostní pole aplikováno jako okrajové podmínky výpočtu. 5. Poděkování Tento příspěvek vznikl za finančního přispění MŠMT v rámci projektu výzkumu a vývoje 1M06059. 6. Reference 1. Uživatelský manuál ANSYS FLUENT 6.3.