Оптимизация электростатического фильтра для систем регулирования горения

05/06/2018

Негативные последствия парникового эффекта заставили учёных задуматься о разработке процессов горения, которые бы минимизировали накопление углекислого газа в атмосфере. Возможные виды топлива в подобных процессах предположительно могут содержать различные биомассы и биотоплива, которые бы очень быстро перерабатывали углерод. Но есть и обратная сторона медали: Сжигание подобных материалов приводит к выделению углерода и частиц золы, которые необходимо удалить из камеры сгорания. Для улучшения фильтрации частиц учёные численно проанализировали конструкции электростатических фильтров (ЭФ) и сопоставили результаты расчёта с экспериментальными данными.

Как работает электростатический фильтр?

Всё понятно из названия: Электростатический фильтр (осадитель) за счет статического электричества очищает загрязненный воздух на выходе камер сгорания от частиц пыли и сажи. Система электродов заряжает (ионизирует) и ускоряет частицы, которые затем оседают и скапливаются на пластинах осадителя, после чего их можно удалить/утилизировать. Электростатические фильтры размещают на выходе дымовых труб, вытяжек, камер сгорания и т.п.

Изображение электростатического фильтра. Гданьск, Польша.
Электростатический фильтр на мусоросжигательном заводе в Польше. Изображение предоставлено LukaszKatlewa — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

В типовой конструкции электростатического осадителя продукты сгорания, выходящие из дымооводов, проходят через два электрода, которые обычно изготавливаются в форме металлических стержней, пластин или проводящих нитей и размещаются внутри трубы. К одному из электродов прикладывается высокое отрицательное напряжение, которое, в свою очередь, отрицательно заряжает частицы продуктов сгорания. Второй электрод, который расположен дальше по трубе, заряжается противоположно или заземляется (что встречается чаще). Таким образом, создаётся сильное электрическое поле между двумя электродами, что приводит к ускорению отрицательно заряженных частиц. Частицы притягиваются к заземлённому электроду, скапливаются на нём, затем их можно легко удалить и утилизировать.

В поисках путей улучшения работы электростатических фильтров, в частотности процессов ионизации, исследователи Donato Rubinetti и Josef Wüest с кафедры "Эффективность использования биомасс и ресурсов" Университета прикладных наук и искусств на северо-западе Швейцарии в Виндише (University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland) провели ряд исследований в сотрудничестве с компанией OekoSolve, занимающейся сокращением выбросов. Они рассказали о своих разработках на конференции пользователей COMSOL 2017 в Роттердаме.

Численное моделирование электростатического фильтра в COMSOL Multiphysics®

Исследовательская группа построила расчетную модель электростатического фильтра в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® с использованием модуля расширения Вычислительная гидродинамика (CFD). В модели рассматривались сопряженные между собой гидродинамический и электростатические процессы, а также движение заряженных частиц. Для этой цели были задействованы физические интерфейсы группы Fluid Flow, интерфейс Electrostatics, математический PDE-интерфейс и интерфейс Particle Tracing for Fluid Flow.

Аспекты настройки электростатической части задачи исследователи уже показывали ранее на конференции COMSOL в 2015 году. В частности они определили силы, действующие на частицы (силы Кулона и силы сопротивления), а также оптимизировали расположение пластины электрода для захвата и ионизации частиц.

На конференции COMSOL 2017 авторы продолжили исследования на основе этой модели. При этом использовались аналогичные физические и численные методики но уже на более комплексной геометрии. Чтобы получить нужное ускорение для эффективного удаления частиц, они в итоге добились широкого диапазона пространственной плотности зарядов вдоль всего фильтра. Подобное распределение исследователи рассчитывали на основе уравнения Пуассона и уравнения переноса электрического заряда.

Двумерная модель электростатического фильтра

На изображениях ниже цифрой 5 обозначен отрицательно заряженный электрод, а цифрами с 1 по 4 положительно заряженные кольца, к которым притягиваются частицы после прохождения продуктов сгорания через цилиндр.

3D-геометрия фильтра.
2D-геометрия фильтра.

Трёхмерная (слева) и двухмерная (справа) геометрические модели электростатического фильтра. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2017 в Роттердаме, авторы Rubinetti & Wüest из компании OekoSolve AG.

Настроив численную модель, исследователи смогли проанализировать напряженность электрического поля по всем компонентам. Они построили двухмерную и трёхмерную модели и сравнили распределения электрического поля.

В трёхмерной модели количество элементов сетки достигало 1.6 млн, а в двухмерной — 0.3 млн. Специалисты захотели выяснить, будет ли достаточно двухмерного расчёта в дальнейших исследованиях для сокращения времени вычислений. В итоге они показали, что двухмерная модель подходит для получения понимания происходящих процессов и достаточно точных результатов.

Экспериментальная установка для валидации

Исследователи также собрали экспериментальный стенд для валидации результатов. Они проверили численную модель, используя эмпирические данные, полученные на испытательном стенде.

На схеме ниже представлен экспериментальный стенд, на котором указаны электрод P3, измерительные кольца M1 — M4, а также ток C, который начинает протекать сверху. На коронирующем электроде был задан электрический потенциал, который может вариороваться от -2 кВ до -30 кВ. За счет эффектов ионизации и ускорения плазменного слоя, электрический ток можно детектировать и измерять на заземляющих кольцах.

Схема лабораторного испытательного стенда для исследования электростатических фильтров.
Схема лабораторного испытательного стенда. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2017 в Роттердаме, авторы Rubinetti & Wüest из компании OekoSolve AG.

Сравнение результатов

Теперь давайте посмотрим на распределение напряжённости электрического поля по результатам расчёта двухмерной модели. На изображении ниже силовые линии электрического поля наглядно показывают уменьшение интенсивности от кольца №1 к кольцу №4. Распределение напряжённости электрического поля отображается преимущественно синим цветом (что соответствует малым значениям), потому что максимальный ток достигается в небольшой области около электрода.

На изображении справа эта зона (конец электрода) показана крупным планом. Даже при увеличенном масштабе максимальная напряжённость электрического поля локализована на поверхности электрода (см. красную линию). На основе этих результатов можно сделать выводы о возможности использования упрощенного двумерного расчёта, так как он достаточно точно показывают значение напряжённости электрического поля в самой важной части установки — области рядом с электродом.

Распределение напряжённости электрического поля в электростатическом фильтре в COMSOL.
Крупный план области вблизи электрода электростатического фильтра в COMSOL.

Напряжённость электрического поля и силовые линии электрического поля (слева) и крупный план области вблизи электрода (справа). Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2017 в Роттердаме, авторы Rubinetti & Wüest из компании OekoSolve AG.

Не смотря на то, что по результатам расчёта двухмерной модели можно эффективно анализировать распределение напряжённости электрического поля, значения измеренного электрического тока из-за несоответствия размеров можно лишь качественно и оценочно сравнивать с данными эксперимента. Для дальнейшего анализа исследовательская группа использовала нормированные данные.

Ниже приведены графики всех измерений (M1–M4) и различных численных исследований (S1–S4). Расхождение можно объяснить несоответствием размеров, а также некоторыми другими факторами, обусловленными спецификой экспериментальной установки. Тем не менее, по этим графикам можно точно сказать, что данные на первом кольце значительно отличаются от других (и совпадает общий тренд изменения данных от кольца к кольцу). Это значит, что до определенной степени можно опираться на результаты моделирования в двухмерной постановке.

График сравнения результатов расчёта двухмерной модели с измерениями электростатического осадителя.
Сравнение результатов моделирования и измерений. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2017 в Роттердаме, авторы Rubinetti & Wüest из компании OekoSolve AG.

Уже после конференции COMSOL 2017 в Роттердаме исследователи решили проблему несоответствия результатов и вернулись к размерным величинам. Они более подробно изучили особенности моделирования электрических полей, и особенное внимание они уделили тому, как изменяются процессы ионизации при температуре до 1000 K. Учёные также создали осесимметричный экспериментальный стенд, а затем построили двухмерную осесимметричную модель для проверки результатов моделирования.

Новый стенд помог исследователям:

  1. Разместить электрод на оси цилиндра
  2. Изменять напряжение на электроде до 30 кВ
  3. Измерять ток на кольцах

Как можно заметить по графикам ниже, результаты моделирования теперь с высокой точностью сходятся с экспериментальными данными:

График сравнения результатов осесимметричного двухмерного расчёта с измерениями
Сравнение результатов расчёта новой эталонной модели и эксперимента. Изображение предоставлено Donato Rubinetti.

В расчетах, как и в эксперименте, ток начинал протекать только при значении напряжения выше порядка 12 кВ, что показана на анимации ниже.

 

Анимация результатов расчёта обновлённой осесимметричной модели. Анимация предоставлена Donato Rubinetti.

Что дальше?

Исследовательская группа доказала эффективность мультифизического моделирования для ускорения дальнейших разработок в области фильтрации элементов сгорания. Учёные показали, что двухмернй постановки вполне достаточно для понимания распределения полей в расчётной области.

Можно ли благодаря моделированию реализовать инновационные задумки? В своей статье учёные сосредоточились на моделировании электрического поля, которое определяется разностью потенциалов на электродах. В текущей модели не учитывается влияние заряженных частиц на электрическое поле, и исследования продолжаются в этом направлении. В новом подходе на основе на моделировании облака заряженных частиц, над котором работают авторы, уже учитывается динамика прохождения частицами всей гранульной горелки до окончательного осаждения на коллекторе.

Обычно эксперименты позволяют учёным увидеть только частицы, которые уже осели на электродах. По словам Рубинетти, имея больше времени и вычислительных ресурсов, расчёт полноценной трёхмерной модели гранульной горелки позволил бы визуализировать облако частиц более чётко, чем когда-либо прежде: можно будет увидеть траектории заряженных частиц и их взаимодействие.

В долгосрочной перспективе Рубинетти хочет «дальше развивать методики моделирования электростатических осадителей, чтобы изучить влияние внешней конвекции на процессы ионизации, а также добавить учет температурных зависимостей свойств жидкостей (таких, как плотность и вязкость), а также процессов ионизации частиц». Многообещающие результаты исследований позволяют учёным с оптимизмом смотреть в будущее и продолжать оптимизировать конструкции систем регулирования горения.

Дополнительные материалы

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ