اسکرابر ونتوری

اسکرابر ونتوری

اسکرابر ونتوری با انرژی حاصل از جریان گاز ورودی با سرعت بالا مایعی که برای تمیز کردن گاز است را اتمی میکند.این نوع فناوری بخشی از گروه کنترل آلودگی هوا است که در مجموع به آن اسکرابرمرطوب گفته می شود.

از ونتوری می توان برای جمع آوری آلاینده های ذره ای و گازی استفاده کرد،اما اگرچه سطح مایع ارائه شده بسیار زیاد است.ماشین اسکرابر در از بین بردن ذرات موثرتر هستند، زیرا ذرات در اثر تماس گیر می کنند .

اسکرابر گاز ،گازها باید در اثر جذب در مدت زمان نسبتاً کوتاه به دام بیفتند. .دستگاه های ونتوری همچنین برای بیش از ۱۰۰ سال برای اندازه گیری جریان مایعات مورد استفاده قرار گرفته اند .ویلیام جونز و دیگر محققان دریافتند که آنها میتوانند به طور موثر از تنظیمات ونتوری برای حذف ذرات از جریان گاز استفاده کنند.

عملکرد دستگاه اسکرابر ونتوری

از سه قسمت تشکیل شده است :

  • قسمت همگرا
  • قسمت گلو
  • قسمت واگرا

جریان گاز ورودی وارد قسمت همگرایی میشود و با کاهش منطقه ، سرعت گاز افزایش می یابد.مایع یا در حلق و یا در ورودی قسمت همگرا وارد می شود.گاز ورودی باحرکت در سرعتهای بسیار بالا در قسمت کوچک گلو ،به طور آشفته با مایع مخلوط می شود و تعداد زیادی قطره بسیار ریز تولید می کند.

در حالی که جریان گاز ورودی با مه قطرات ریز مایع مخلوط می شود ، ذرات و حذف گاز در بخش واگرا رخ می دهد.جریان ورودی سپس از طریق قسمت واگرا خارج می شود ، جایی که مجبور می شود سرعت خود را کم کند.اگر مایع در بالای قسمت همگرا وارد شود و دیواره ها را تا گلو بپوشاند ،  ونتوری دارای “دیواره مرطوب” یا “گلو خیس” باشد.

به ذرات موجود در جریان اجازه می دهد مستعد تزریق روی سطوح برای شستشو است .ذرات در گلو سایش مکانیکی ذرات با سرعت زیاد در گلو را کاهش می دهد.برای مدیریت گازهای گرم و خشک ورودی که حاوی گرد و غبار یا ذرات ساینده یا خورنده هستند مانند گازهای کوره یا کوره بسیار موثر است.

خیس شدن گلو با اسپری که به دیواره ها هدایت می شود یا با یک غشای محصور کننده بخش همگرا که آب از آن جریان دارد،به دست آورد.این روش فقط در منبع تزریق مایع قابل استفاده است زیرا گاز با سرعت بالا باعث برش قطرات دیواره ها می شود.مایع همچنین می تواند توسط نازل های اسپری مستقیماً به جریان گاز وارد شود .برای سرعتهای پایین جریان گاز عملکرد کارآمدتری را فراهم کند ، یا بسته به نوع کاربرد هر دو روش ممکن است استفاده شود.

مطلب مرتبط : کاربرد اسکرابر

ونتوریس

ونتوریس های ساده نواحی گلو را ثابت کرده اند و بنابراین فقط در محدوده خاصی از دبی ها به طور موثر کار خواهند کرد.بطن های قابل تنظیم گلو اجازه می دهد تا با تغییر اندازه گلو مطابق با میزان جریان گاز ، بازده در طیف وسیعی از جریان ها حفظ شود.مشخص شد که انواع خاصی از دهانه ها (نواحی گلو) که تلاطم بیشتری نسبت به یک ونتور واقعی ایجاد می کنند.برای یک واحد انرژی مشخص مصرف شده به همان اندازه کارآمد هستند و نتایج این یافته ها منجر به ایجاد دهانه حلقوی یا گلو قابل تنظیم می شود.

اسکرابر ونتوری

اندازه ناحیه گلو با حرکت دادن پیستون یا دیسک قابل تنظیم به سمت بالا یا پایین در گلو تغییر می کند.با تغییر اندازه گلو دهانه حلقوی را کاهش می دهد یا افزایش می دهد.گاز از دهانه حلقوی عبور می کند و مایعی را که روی پیست پاشیده می شود یا از بالا به داخل آن می چرخد ​​، اتمی می کند.

ونتوریس خیس از گلو با گلوهای گرد می تواند جریان ورودی به اندازه ۸۸۰۰۰ متر مکعب در ساعت (۴۰۰۰۰ cfm) را کنترل کند.در سرعت جریان ورودی بیشتر از این ، دستیابی به توزیع یکنواخت مایع دشوار است ، مگر اینکه از رگه های اضافی یا سرپیچ استفاده شود.برای کنترل جریانهای ورودی بزرگ ، از اسکرابرهایی که با گلوهای باریک و مستطیل شکل طراحی شده اند استفاده شده است.

ونتوری حلقوی مستطیلی

گلو به گونه ای ساخته می شود که می تواند با وارد کردن صفحات یا فلپ های متحرک در گلو قابل تنظیم باشد.از اسپری شستشوی آب برای شستشوی مداوم مواد جمع آوری شده از صفحه استفاده می شود.با قرار دادن تعدادی لوله به موازات یکدیگر می توان مجموعه ای از دهانه های ونتوری طولی ایجاد کرد که در شکل ۷ نشان داده شده است.

منطقه بین میله های مجاور یک گلو ونتوری کوچک است. اسپری های آب به جلوگیری از تجمع مواد جامد کمک می کنند.تمیزه شدن اصلی مایع در میله ها اتفاق می افتد،جایی که گاز با سرعت بالا در حال حرکت است .گاز با سرعت بالا در فاصله ها ، قطرات کوچک لازم برای جمع آوری ذرات ریز را ایجاد می کند.

این روش می تواند تراکم قطرات آب بسیار بالایی را در جریان گاز ایجاد کند که به دلیل محیط بسیار بالای گلو نسبت به انواع دیگر است.این میله ها به دلیل سرعت زیاد باید از مواد مقاوم در برابر سایش ساخته شوند.

اسکرابر ونتوری گلو به شکل مستطیل

همه دستگاه های شستشوی ونتوری به جداکننده حباب احتیاج دارند.سرعت بالای گاز از طریق دستگاه اسکرابر تمایل به جذب قطرات با جریان گاز تمیز خروجی خواهد داشت.جداکننده های سیکلونیک ، مش پد و تیغه ها برای حذف قطرات مایع از گاز دودکش و بازگشت مایع به آب دستگاه اسکرابر استفاده می شوند.

اسکرابر اجکتور ونتوری

مانند یک برج اسپری، اسکرابر ونتوری اجکتوری از یک اسپری یا shower از پیش ساخته شده استفاده میکند. با این حال، در یک اسکرابر ونتوری اجکتوری به جای تعداد زیادی نازل، تنها از یک نازل استفاده میشود. این نازل در فشارهای بالاتر و نرخ تزریق بالاتر نسبت به اکثر محفظه های اسپری کار میکند.

نازل اسپری فشار بالا (حداکثر ۶۸۹ کیلو پاسکال یا ۱۰۰ psig) در قسمت گلویی یک انقباض ونتوری قرار میگیرد.اجکتور ونتوری در بین سیستم های اسکرابر موجود منحصر به فرد است زیرا میتواند گاز فرآیند را بدون کمک فن یا دمنده حرکت دهد. اسپری مایعی که از نازل می آید یک خلاء جزئی در مجرای جانبی اسکرابر ایجاد میکند.

خلاء جزئی ناشی از اثر برنولی است و شبیه به دستگاه های آسپیراتور آب است که در آزمایشگاه های شیمی استفاده میشود. این خلاء جزئی میتواند برای انتقال گاز فرآیند از طریق ونتوری و همچنین از طریق سیستم فرآیند تاسیسات استفاده شود. در مورد موادی که به راحتی مسدود میشوند، گازهای محترقه یا جوهای بسیار خورنده، حذف یک فن در سیستم میتواند از بسیاری از مشکلات احتمالی جلوگیری کند.

انرژی برای تشکیل قطرات پاک کننده از مایع تزریق میشود. اسپری‌های فشار بالا که از گلوی ونتوری عبور میکنند، قطرات مایع ریز متعددی را تشکیل میدهند که اختلاط آشفته بین فازهای گاز و مایع را ایجاد میکنند. نرخ های تزریق مایع بسیار بالا برای ارائه قابلیت انتقال گاز و راندمان جمع آوری بالاتر استفاده میشود. مانند سایر انواع ونتوریس، باید وسیله ای برای جداسازی مایع حباب شده از جریان گاز نصب شود.جداکننده های حباب معمولاً برای حذف قطرات کوچک باقی مانده استفاده میشوند.

اسکرابر کیش سپتیک

جمع آوری ذرات

مایع اتمیزه شده تعداد زیادی قطرات ریز را فراهم می کند تا ذرات گرد و غبار روی آنها تأثیر بگذارد. این قطرات مایع حاوی ذرات باید از جریان خروجی اسکرابر، معمولاً توسط جداکننده‌های سیکلونی حذف شوند.راندمان حذف ذرات با افزایش افت فشار به دلیل افزایش تلاطم به دلیل سرعت بالای گاز در گلو افزایش مییابد.

Venturis را می توان با افت فشار از ۱۲ میلی بار تا ۲۵۰ میلی بار کار کرد.اکثر ونتوری ها معمولاً با افت فشار در محدوده ۵۰ تا ۱۵۰ سانتی متر (۲۰ تا ۶۰ اینچ) آب کار می کنند. در این افت فشار، سرعت گاز در قسمت گلو معمولاً بین ۳۰ تا ۱۲۰ متر بر ثانیه (۱۰۰ تا ۴۰۰ فوت بر ثانیه) یا تقریباً ۲۷۰ مایل در ساعت در انتهای بالا است.

این افت فشار بالا منجر به هزینه های عملیاتی بالایی می شود.نرخ تزریق مایع یا نسبت مایع به گاز (L/G) نیز بر جمع آوری ذرات تأثیر می گذارد. مقدار مناسب مایع باید تزریق شود تا پوشش مایع کافی در ناحیه گلو ایجاد شود و تلفات تبخیر جبران شود.

اگر مایع کافی وجود نداشته باشد، اهداف مایع کافی برای تامین بازده جذب مورد نیاز وجود نخواهد داشت.بیشتر سیستم‌های ونتوری با نسبت L/G 0.4 تا ۱.۳ L/m3 (3 تا ۱۰ gal/1000 ft3) کار می‌کنند.نسبت L/G کمتر از ۰.۴ L/m3 (3 gal/1000 ft3) معمولاً برای پوشاندن گلو کافی نیست و افزودن بیش از ۱.۳ L/m3 (10 gal/1000 ft3) معمولاً کارایی جمع آوری ذرات را به میزان قابل توجهی بهبود نمی بخشد.

اجکتور ونتوریس در حذف ذرات بزرگتر از ۱.۰ میکرومتر در قطر موثر است. این اسکرابرها روی ذرات زیر میکرومتر استفاده نمیشوند مگر اینکه ذرات متراکم شوند.جمع‌آوری ذرات عمدتاً از طریق برخورد با گاز خروجی (از فرآیند) از طریق اسپری عبور می‌کند.

تلاطمی که در ناحیه گلو ایجاد می شود نیز باعث می شود که ذرات با قطرات مرطوب تماس پیدا کرده و جمع شوند. راندمان جمع آوری ذرات با افزایش فشار نازل و/یا افزایش نسبت مایع به گاز افزایش می یابد. افزایش در هر یک از این دو پارامتر عملیاتی همچنین منجر به افزایش افت فشار برای یک سیستم معین می شود.

بنابراین افزایش افت فشار راندمان جمع آوری ذرات را نیز افزایش می دهد. اجکتور ونتوری با نسبت L/G بالاتری نسبت به سایر اسکرابرهای ذرات معلق کار میکند (یعنی ۷ تا ۱۳ لیتر در متر مکعب در مقایسه با ۰.۴-۲.۷ L/m3 برای اکثر طرح های دیگر)، و اغلب به فشار مایع بالاتری نیز نیاز دارند، به خصوص اگر از آنها استفاده شود. گاز فرآیند را هدایت می کند.

جمع آوری گاز

اسکرابرهای ونتوری را می توان برای حذف آلاینده های گازی استفاده کرد. با این حال، زمانی که حذف آلاینده های گازی تنها نگرانی است، از آنها استفاده نمی شود.

سرعت بالای گاز ورودی در اسکرابر ونتوری منجر به زمان تماس بسیار کوتاه بین فاز مایع و گاز می شود. این زمان تماس کوتاه، جذب گاز را محدود می کند. با این حال، از آنجایی که ونتوری ها در مقایسه با سایر اسکرابرها طراحی نسبتاً باز دارند، هنوز هم برای حذف همزمان آلاینده های گازی و ذرات بسیار مفید هستند، به ویژه در موارد زیر :

  • پوسته پوسته شدن می تواند یک مشکل باشد
  • غلظت بالایی از گرد و غبار در جریان ورودی وجود دارد
  • گرد و غبار چسبنده است یا تمایل به بستن دهانه ها دارد
  • آلاینده گازی بسیار قابل حل است یا بطور شیمیایی قابلیت واکنش با مایع دارد

برای به حداکثر رساندن جذب گازها، ونتوری ها به گونه ای طراحی شده اند که در مجموعه ای از شرایط متفاوت از شرایط مورد استفاده برای جمع آوری ذرات کار کنند. سرعت گاز کمتر و نسبت مایع به گاز برای جذب بیشتر است.

برای یک طرح ونتوری معین، اگر سرعت گاز کاهش یابد، افت فشار (مقاومت در برابر جریان) نیز کاهش می یابد و بالعکس. بنابراین با کاهش افت فشار، سرعت گاز کاهش یافته و زمان ماند مربوطه افزایش می‌یابد. نسبت مایع به گاز برای این کاربردهای جذب گاز تقریباً ۲.۷ تا ۵.۳ L/m3 (20 تا ۴۰ gal/1000 ft3) است. کاهش سرعت گاز باعث می شود که زمان تماس بیشتر بین فازها و جذب بهتر باشد.

افزایش نسبت مایع به گاز باعث افزایش حلالیت بالقوه آلاینده در مایع می شود. به همین دلیل است که اغلب به جای آن از اسکرابر ونتوری اجکتوری برای این منظور استفاده می شود، اگرچه عوامل دیگر همچنان ممکن است منجر به انتخاب یک اسکرابر ونتوری معمولی شود.

اگرچه اسکرابرهای ونتوری قادر به کنترل تصادفی ترکیبات آلی فرار (VOC) هستند، عموماً اسکرابرهای ونتوری به کنترل PM (ذرات) و حلالیت بالا یا گازهای واکنش پذیر محدود می شوند.

اجکتور ونتوریس زمان تماس گاز و مایع کوتاهی دارد زیرا سرعت گاز خروجی از داخل ظرف بسیار زیاد است. این زمان تماس کوتاه، راندمان جذب سیستم را محدود می کند. اگرچه اجکتور ونتوریس عمدتاً برای حذف گاز استفاده نمی شود، اما اگر گاز بسیار محلول باشد یا از یک اسکرابر بسیار واکنش پذیر استفاده شود، می توانند موثر باشند. در این موارد، راندمان حذف تا ۹۵ درصد قابل دستیابی است.

تعمیرات و نگهداری اسکرابر

مشکل اصلی تعمیر و نگهداری اسکرابرهای ونتوری، سایش پوسته اسکرابر به دلیل سرعت بالای گاز است. سرعت گاز در گلو میتواند به سرعت ۴۳۰ کیلومتر در ساعت (۲۷۰ مایل در ساعت) برسد. ذرات و قطرات مایعی که با این سرعت ها حرکت میکنند میتوانند به سرعت پوسته اسکرابر را فرسایش دهند.

سایش همچنین می تواند در پایین دست بخش گلو رخ دهد. برای کاهش سایش در اینجا، زانویی در پایین اسکرابر (که به جداکننده منتهی می شود) می تواند غرق شود (یعنی با یک حوضچه از مایع شستشو پر شود). ذرات و قطرات روی حوضچه مایع تاثیر می‌گذارند و سایش پوسته اسکرابر را کاهش می‌دهند.

یک تکنیک رایج برای کمک به کاهش ساییدگی استفاده از یک پیش پاک کننده (به عنوان مثال، کوئنچ اسپری یا سیکلون) برای حذف ذرات بزرگتر و آسیب رسان است. این همچنین دارای مزیت افزوده ای است که بار ذرات حمل شده توسط مایع را کاهش می دهد.

روش تزریق مایع در گلو ونتوری

این روش نیز می تواند مشکلاتی ایجاد کند. نازل های اسپری برای توزیع مایع استفاده می شوند زیرا نسبت به سرریزها برای تزریق مایع کارآمدتر هستند (الگوی اسپری موثرتری دارند). با این حال، نازل های اسپری می توانند به راحتی در هنگام چرخش مایع، وصل شوند.

برای رفع این مشکل می توان از ریمورهای اتوماتیک یا دستی استفاده کرد. با این حال، هنگامی که دوغاب های مایع سنگین (چه چسبناک یا دارای ذرات بارگذاری شده) در گردش مجدد قرار می گیرند، تزریق در سرریز اغلب ضروری است.

اجکتور ونتوریس در معرض مشکلات سایشی در نواحی با سرعت بالا – نازل و گلو قرار دارند. به دلیل نرخ بالای تزریق مایع و فشار نازل، هر دو باید از مواد مقاوم در برابر سایش ساخته شوند. نگهداری از پمپی که مایع را به گردش در می آورد نیز بسیار مهم است.

علاوه بر این، سرعت بالای گاز، استفاده از جداکننده های حباب را برای جلوگیری از انتقال بیش از حد مایع ضروری می کند. جداکننده ها باید به راحتی در دسترس یا قابل جابجایی باشند تا در صورت وصل شدن، تمیز شوند.

شبیه سازی CFD بازدهی حذف ذرات غبار از اسکرابر ونتوری در CFX

  • شبیه­ سازی بازدهی حذف ذرات غبار از اسکرابر ونتوری در ANSYS CFX
  • مدل مش تهیه شده در ANSYS ICEM
  • روش اولرین-لاگرانژین برای جریان چند فازی
  • بررسی بازدهی حذف غبار در نرخ جریانی گاز و مایع متفاوت
  • اعتبار سنجی شبیه ­سازی در برابر سرعت گاز گلوگاه و بازدهی حذف غبار

چکیده

این تحقیق شبیه ­سازی دینامیک سیال محاسباتی (CFD)بازدهی حذف غبار اسکرابر ونتوری در ANSYS CFX را ارائه می­نماید.اسکرابر ونتوری ذرات غبار را بصورت موثری از گاز آلوده شده بصورت قطرات ریز که از هم پاشیدگی مایع بدلیل انرژی جنبشی بالای گاز جاری درون آن تشکیل شده­ اند بصورت متراکم در می آورد.روش اولرین-لاگرانژین در ANSYS CFX برای نشان دادن بازدهی حذف غبار از اسکرابر ونتوری برای شدت جریان گازی ۰۹/۰، ۱۱۵/۰ و ۱۴/۰ کیلوگرم بر ثانیه و شدت جریان مایع ۱/۰، ۱۳/۰ و ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه بکار رفته است.

ذرات غبار آبگریز دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) با قطر ۱ میکرومتر دارای دانسیته ۲۳/۴ گرم بر سانتی متر مکعب در شبیه­ سازی و انجام آزمایش استفاده شده است.سرعت گاز گلوگاه، کسر حجمی، اندازه قطره و بازدهی حذف برای بررسی عملکرد اسکرابر ونتوری مورد تحقیق قرار گرفته­ اند.مدل ریزسازی آبشاری و تفکیک کردن (CAB) برای پیش بینی تفکیک شدن مایع در اسکرابر ونتوری مورد استفاده قرار گرفته است.نتایج شبیه­ سازی از نتایج آزمایشگاهی سرعت گاز در گلوگاه و بازدهی حذف غبار مورد تصدیق قرار گرفته­ اند.نتیجه شبیه­ سازی پیش بینی خوبی از نتایج آزمایشگاهی دارد.

مقدمه

در نیروگاه هسته ­ای (NPP)، مهار راکتور آخرین مانع برای پیشگیری از رهاسازی محصول شکافت رادیواکتیو به محیط زیست بخاطر بحران هسته راکتور است.مهار راکتور می­تواند بدلیل افزایش فشار ایجاد شده بوسیله تنزل گرمای هسته راکتور مذاب شده شدیداً آسیب ببیند (AREVA, 2011).

برای پیشگیری از پیامدهای وخیم :

سیستم مهار تخلیه شده فیلتر شده (FVCS) (Schlueter and Schmitz, 1990) در نیروگاه هسته ­ای برای محافظت از درستی عملکرد مهار در برابر افزایش فشار و حذف محصولات شکافت که در حالات آروسل، بخار و گازی تشکیل می­شوند نصب شده تا از سوخت به مهار آزاد شوند (Rust et al., 1995). FCVS عمدتاً از اسکرابر ونتوری و فیلتر رشته فلزی تشکیل شده است .اسکرابر ونتوری یکی از مهمترین انواع اسکرابر مرطوب است.

جهت تمیز کردن گاز مهار شده در برابر قطرات با زمان تماس کوتاه بین فازهای مایع و گاز درون آن استفاده می­شود.اسکرابر ونتوری در درجه اول شامل سه بخش است:

  • اول بخش همگرا که گاز را به سرعت حداکثر آن می­رساند
  • دوم بخش گلوگاه که بین بخش­های همگرا و واگرا است که گاز و مایع با یکدیگر در تبادل هستند
  • سوم بخش منتشر کننده است که سرعت سیال برای بازیابی فشار کاهش پیدا می­کند (Goncalves et al., 2003).

روش دینامیک

سیال محاسباتی (CFD) بطور گسترده­ای در تحقیقات بخاطر محدوده بررسی می شود.وسیع ویژگی­ها در شاخه ­های مختلف علوم و مهندسی برای بهبود و تحلیل عملکرد سیستم یا طراحی مورد استفاده قرار گرفته است.ANSYS CFX یکی از بهترین ابزار CFD است که تکنیک حجم محدود را برای مطالعه پدیده پیچیده هستند.مانند جریان چند فازی، واکنش شیمیایی، توربولانسی و انتقال حرارت و جرم و غیره در سیستم و طراحی استفاده می­کند.

اسکرابر ونتوری یکی از مهترین اجزاء FVCS برای حذف آروسل­ها یا غبار از گاز مهار شده است.بنابراین، طراحی صحیح اسکرابر ونتوری ضروری است.به همین دلیل، دانش در مورد دینامیک سیال در اسکرابر ونتوری بسیار مهم است که شامل جریان سه فازی بعنوان مثال گاز، مایع و غبار است.

دو روش در دسترس برای شبیه­ سازی جریان چند فازی در CFX وجود دارد :

فازهای پراکنده شده را بصورت زنجیره متقابل اصلاح می ­نماید در حالیکه روش لاگرانژین فازهای پراکنده را بصورت ماهیت­های فردی اصلاح می­کند (ANSYS, 2010).مزیت روش لاگرانژین به اولرین ردیابی ذره (قطره یا جامد) تزریق شده درون دامنه است.مقادیر متوسط به عنوان مثال سرعت، جرم، و دمای فاز ذرات محاسبه می­شود.در حالیکه روش لاگرانژین این مقادیر را برای هر ذره ارائه شده محاسبه می­نماید (Guerra et al., 2012).

بازدهی حذف ذرات غبار در اسکرابر ونتوری بوسیله طرح اولرین-لاگرانژین در ANSYS CFX شبیه ­سازی و تحلیل شده است.ویژگی­ های اسکرابر ونتوری مانند سرعت گاز در گلوگاه، کسر مایع، اندازه قطره و بازدهی حذف مطالعه شده ­اند.

نتایج شبیه ­سازی با نتایج آزمایشگاهی برای اعتبار سنجی مدل و روش شبیه­ سازی مقایسه شده­ اند.بخش ۲ کار قبلی برای بازدهی­ حذف غبار در بسته ­های نرم افزاری مختلف را بررسی می­کند.بخش ۳ امکانات توسعه داده شده برای آزمایش بازدهی حذف غبار را تشریح می­کند.بخش ۴ مدل ریاضی برای توربولانس، انتقال ذرات و بازدهی حذف ذرات را تشریح می­کند.بخش ۵ روش عددی حل مسئله را روشن می­نماید.در بخش ۶، نتایج بدست آمده از شبیه ­سازی بحث شده ­اند.بخش ۷ نتایج این کار تحقیقاتی را بصورت خلاصه تشریح می­کند.

اسکرابر

تاریخچه

پاک و چانگ (۲۰۰۶) بازدهی جمع آوری ذرات غبار در اسکرابر ونتوری را بوسیله کد KIVA شبیه ­سازی کردند.مدل استفاده شده در کد KIVA برای جریان گاز، مایع و جریان غبار تصحیح شده بود.برای فاز گازی و روش لاگرانژین برای قطره و غبار استفاده شده است.معادله ناویر-استوکس معادله حرکت گاز را حل کرد، در حالیکه معادله بست-بوسینس-اوسین (B-B-O) برای قطره و غبار بکار رفت.تصحیح اشمل و همکاران برای تعیین ضریب درگ قطره پیشنهاد شده بود.

ذره غبار بوسیله مکانیسم بهم فشردگی اینرسیایی توسط قطرات گیر افتاده بود.افت فشار بدلیل پیش بینی ناصحیح قطره و در نظر نگرفتن غشاء روی دیواره­ها پایین پیش بینی شد.نتایج آزمایشگاهی و شبیه­ سازی برای بازدهی گردآوری با همدیگر بخوبی مطابقت دارند.تائو و کویشنگ (۲۰۰۹) پدیده انتقال حرارت و جرم بین قطره و فاز گاز در اسکرابر ونتوری را بصورت عددی با نرم افزار FLUENT مورد مطالعه قرار دادند.فاز گاز با روش اویلر بصورت فاز پیوسته در نظر گرفته شد، درحالیکه قطره و فاز غبار با روش لاگرانژین در حوزه مورد بررسی بصورت فاز مجزا ملاحظه گردید.

مدل توربولانس

مدل توربولانس RNG k-ε برای شبیه­ سازی استفاده شد. آب بصورت اسپری تزریق شد.بازدهی جمع آوری قطره بصورت منفرد برای بهم فشردگی اینرسیایی محاسبه شد.ضریب انتقال حرارت از تصحیح رانز و مارشال محاسبه شد در حالیکه تصحیح ناسلت برای محاسبه ضریب انتقال جرم استفاده شد.عملکرد اسکرابر ونتوری در موقعیت­های مختلف بافل و نسبت مایع به گاز مختلف ارزیابی شده است.

پارامترهای در نظر گرفته شده برای تحلیل عملکرد اسکرابر ونتوری بصورت زیر بودند:افت فشار، بازدهی جمع آوری، کسر مولی، سرعت و نمودارهای دما.مشاهده شد که با کاهش نسبت مایع به گاز و باز بودن بافل، افت فشار و بازدهی جمع آوری افزایش یافت.جونیوا و همکاران (۲۰۰۹) بازدهی گرفتن اسکرابر ونتوری را با بسته OpenFOAM شبیه­سازی کردند.

مدل TAB

مدل TAB برای تفکیک کردن قطره استفاده شده است.بازدهی گرفتن قطره منفرد بوسیله جمع کردن مکانیسم اینرسی، حائل شدن و نفوذ محاسبه شده است.اثر فیلم دیواره نیز بررسی شده بود. مدل­های ته نشینی و ماندگی قطره در تحقیق استفاده شده بودند.افت فشار کلی و بازدهی جمع آوری از شبیه­سازی محاسبه شدند که بخوبی با داده آزمایشگاهی پیش بینی شدند.

تجهیزات آزمایشگاهی

نمودار طرح کلی امکانات آزمایشگاهی برای مطالعه بازدهی حذف غبار از اسکرابر ونتوری در شکل ۲ نشان داده شده است.در مرحله اول، گاز بشدت فشرده شده بوسیله کمپرسور هوا تامین می­شود.این گاز فشرده شده به میزان اضافی در تانک هوا ذخیره می­شود.گاز فشرده شده بوسیله فیلترهای هوا قبل از تزریق درون چرخه اصلی تمیز می­شود.در مرحله دوم دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) با قطر متوسط ۱ میکرومتر درون چرخه اصلی از دستگاه تزریق ذرات غبار تزریق می­شود.

مرحله سوم شامل مخزن آب برای تزریق مایع درون اسکرابر ونتوری است.اسکرابر ونتوری درون مخزن ونتوری طوری قرار داده شده است که جهت جریان­های گاز مخالف جاذبه می ­باشد.اسکرابر ونتوری در نرخ جریان جرمی گاز ۰۹/۰، ۱۱۵/۰ و ۱۴/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان مایع ۱/۰، ۱۳/۰ و ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه عمل می­کند.غلظت ذرات غبار در نقطه نمونه گیری در ورودی Si و خروجی So بوسیله روش فیلتراسیون اندازه گیری شده است.بازدهی حذف غبار از معادله زیر محاسبه شده است:

اسکرابر
اسکرابر یا تصفیه هوا

مدلسازی عددی – معادله توربولانس

مدل RNG k-ε در شبیه سازی برای مدلسازی توربولانس فاز گاز در محدوده بکار رفته استفاده شده است.معادلات بقاء برای انرژی جنبشی توربولانس k و انرژی اتلاف ε برای فاز گاز بصورت زیر هستند (ANSYS, 2010)

فاز انتقال ذره

در مدل CFD قطره و ذره غبار بصورت ذره مجزا اصلاح شده ­اند.نیروی اعمالی روی هر ذره جمع نیروی درگ و نیروی شناوری بدلیل جاذبه روی ذره است.معادله حرکت ذره می­تواند بصورت زیر نوشته شود (ANSYS, 2010)

  1. کمپرسور هوا
  2. مخزن هوا
  3. فیلتر هوا
  4. شیر
  5. درجه فشار
  6. جریان سنج جرمی
  7. دستگاه تزریق ذره غبار
  8. دریچه نمونه گیری Si در ورودی
  9. اسکرابر ونتوری
  10. مخزن ونتوری  
  11. شیر                           
  12. مخزن آب
  13. دریچه نمونه گیری So در خروجی

شکل ۲. تجهیزات آزمایشگاهی برای بازدهی حذف غبار از اسکرابر ونتوری

اسکرابر یا تصفیه هوا

شکل ۳. (a) مش اسکرابر ونتوری، (b) مش در گلوگاه و (c) مش نزدیک دیواره مرزی

اسکرابر یا تصفیه هوا

شکل ۴. سرعت گاز در نرخ جریان گاز

شکل ۵. اندازه قطره در نرخ جریان جرمی مایع ۱/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز:

ضریب درگ

مدل درگ شیلر ناومن برای محاسبه ضریب درگ ذرات استفاده شده است (ANSYS, 2010)

تفکیک قطره و مدل بهم آمیختگی

قطرات بدلیل توربولانس گاز و نیروهای آئرودینامیکی خارجی اعمالی روی مایع تشکیل شده اند.اتمی شدن آبشاری و مدل تفکیک (CAB) دفرمگی قطره با آنالوژی سیستم جرم-حلقه را اصلاح می­کند.بر اساس مدل CAB نیروی ترمیمی حلقه بوسیله کشش سطحی قطره ارائه شده است .درحالیکه نیروی خارجی بوسیله نیروی آئرودینامیکی اعمالی روی قطره جایگزین شده است.ویسکوزیته مایع نیروهای میرایی را ارائه می­کند (ANSYS, 2010).دفرمگی قطره در مدل CAB می­تواند بصورت زیر نشان داده شود (ANSYS, 2010)

نرخ تولید محصول قطره کوچک از معادله زیر محاسبه می­شود (ANSYS, 2010)

اندازه قطره کوچک بصورت زیر محاسبه می­شود (ANSYS, 2010)

Kbr رژیم تفکیک داده شده را ارائه می­نماید (ANSYS, 2010):

شکل ۶. اندازه قطره در نرخ جریان جرمی مایع ۱۳/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز

شکل ۷. اندازه قطره در نرخ جریان جرمی مایع ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز

بازدهی جمع آوری قطره منفرد

بازدهی جمع آوری قطره منفرد η از مکانیسم بهم فشردگی اینرسیایی محاسبه شده است.بهم فشردگی اینرسیایی تابع عدد استوکس است که وابسته به دانسیته­ ها، سرعت نسبی و قطرها است.بهم فشردگی اینرسیایی برای اندازه ذره با قطر ۱ میکرومتر غالب است (لیم و همکاران، ۲۰۰۶).بهم فشردگی اینرسیایی بازدهی قطره منفرد بوسیله کالورت (۱۹۷۰) تعریف شده است

که ψ بصورت زیر تعریف شده است (پاک و چانگ، ۲۰۰۶)

بازدهی حذف غبار

بازدهی حذف غبار توسط معادله زیر تعریف شده است

روش عددی – مدل توربولانس

روش اولرین-لاگرانژین برای جریان سه فازی در این تحقیق بکار رفته است.محاسبات در حالت پایا انجام شده است.گاز (هوا) بعنوان زمینه حامل اصلاح شده است، درحالیکه ذرات غبار بصورت جامد پخش شده انتقالی و مایع (آب) بصورت سیال پخش شده انتقالی در حوزه در نظر گرفته شده­ اند.مدل توربولانس RNG k-ε برای گاز استفاده شده است. این مدل در اشکال خم شونده و جریان­های چرخشی بخوبی عمل می­کند (ANSYS, 2010).

مش

مش غیرساختاری اسکرابر ونتوری در ANSYS ICEM ایجاد شده است.حوزه مدل اسکرابر ونتوری ۳ بعدی به ۲۷۲۱۳۶ المان­های شش وجهی و ۲۸۴۶۰۷ گره تقسیم شده است.کیفیت مش مدل اسکرابر ونتوری بیش از ۶/۰ در مقیاس ۰ تا ۱ براساس ضابطه کیفیت مش تعریف شده در ANSYS ICEM (ANSYS ICEM CFD, 2009) است.شکل ۳ (a) مش اسکرابر ونتوری را در سطح نشان می­دهد و (b) مش را در گلوگاه در سطح نشان می­دهد درحالیکه (c) مش را در نزدیک دیوار مرزی نشان می­دهد.

حل کننده

طرح حرکت افقی با تفکیک پذیری بالا برای راه حل­های عددی صحیح انتخاب شده است. بدلیل سختی آن استفاده شده است.

ضابطه همگرایی

ضابطه همگرایی برای شبیه­سازی­ها برای باقیمانده­ها RMS ۴-۱۰ هستند.

شرایط مرزی

شرایط مرزی برای مدل ونتوری CFD بصورت زیر تعریف شده است:در ورودی، نرخ جریان جرمی گاز بکار رفته است درحالیکه غبار با جامد انتقالی ذره­ای با قطر متوسط ۱ میکرومتر تزریق شده است.مایع بصورت سیال انتقالی ذره­ای با شرایط مرزی نرخ جریان جرمی تزریق شده است.در خروجی اسکرابر ونتوری شرایط مرزی فشار استفاده شده است.ضرایب جبران موازی و عمودی برای قطرات در دیواره پخش کننده صفر هستند.

اسکرابر یا تصفیه هوا

شکل ۸. کسر مایع در نرخ جریان جرمی ۱/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز:

اسکرابر یا تصفیه هوا

شکل ۹. کسر مایع در نرخ جریان جرمی مایع ۱۳/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز:

اسکرابر یا تصفیه هوا

شکل ۱۰. کسر مایع در نرخ جریان جرمی مایع ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه و نرخ جریان جرمی گاز:

نتایج عددی و بحث

شبیه­ سازی جریان سه فازی در اسکرابر ونتوری بوسیله روش اولرین-لاگرانژین انجام شده است.ذرات غبار و قطره بوسیله روش لاگرانژین ردیابی شده ­اند.جهت مطالعه بازدهی حذف، ذرات آبگریز دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) در ورودی تزریق شده است.قطر TiO۲ ۱ میکرومتر و دانسیته آن ۲۳/۴ گرم بر سانتی متر مکعب است.بازدهی حذف غبار از اسکرابر ونتوری از نرخ جریان جرمی غبار در ورودی و خروجی اسکرابر ونتوری محاسبه شده است.بازدهی حذف اسکرابر ونتوری بستگی به قطر قطره، سرعت سیال و بهم فشردگی دارد.شبیه­ سازی حاضر انتقال جرم و حرارت و فیلم مایع روی دیواره­ها را ترکیب نمی­کند.

سرعت گاز

فاز گاز در اسکرابر ونتوری بصورت زمینه پیوسته اصلاح شده است.هنگامی که گاز وارد بخش همگرا می­شود، شتاب می­گیرد و به حداکثر سرعت در بخش گلوگاه می­رسد حال آنکه در بخش واگرا سرعت کم می­شود.بردارهای سرعت گاز در نرخ جریان جرمی ۰۹/۰، ۱۱۵/۰ و ۱۴/۰ کیلوگرم بر ثانیه عملکرد در بخش همگرا، گلوگاه و پخش کننده را همانطور که در شکل ۴ مشخص است نشان می­دهند.حداکثر سرعت گاز در گلوگاه به نرخ جریان جرمی ۱۴/۰ کیلوگرم بر ثانیه می­رسد.

اندازه قطره

اندازه قطره نقش قابل ملاحظه­ای در فرآیند حذف اسکرابر ونتوری دارد.مایع با نرخ جریان جرمی شرایط مرزی درون حوزه اسکرابر ونتوری از ورودی مایع نشان داده شده در شکل ۳ وارد می­شود.هنگامی که مایع وارد بخش گلوگاه شد، با سرعت بالای گاز برهم کنش دارد.سرعت بالای گاز مایع را به قطرات ریز تبدیل می­کند.تفکیک قطره در حوزه اسکرابر ونتوری بوسیله مدل CAB پیش بینی شده است.توزیع کنتور اندازه­های قطره در نرخ­های جریانی مختلف در شکل­های ۷-۵ نشان داده شده اند.اندازه قطره در محدوده کنتورها ۱۰۰-۱ میکرومتر است.نتایج نشان می­دهند که قطر قطره با افزایش نرخ جریان گاز کاهش می یابد.

کسر مایع

توزیع مایع درون اسکرابر ونتوری شدیداً روی عملکرد اسکرابر ونتوری اثر دارد.توزیع مایع بوسیله نرخ­های جریانی گاز و مایع اثر دارد. بنابراین توزیع کسر مایع در اسکرابر ونتوری بررسی شده است.مقدار گاز و مایع درون اسکرابر ونتوری بستگی به نرخ جریان جرمی دارد.اسکرابر ونتوری با نرخ جریان گاز ۰۹/۰، ۱۱۵/۰ و ۱۴/۰ و نرخ جریان مایع ۱/۰، ۱۳/۰ و ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه شبیه سازی شده است.کنتورهای کسر مایع در نرخ جریان جرمی مختلف برای ورودی گاز و مایع در شکل­های ۱۰-۸ نشان داده شده­اند.

اعتبار سنجی

شبیه­ سازی بازدهی حذف غبار اسکرابر ونتوری بوسیله مقایسه سرعت گاز گلوگاه و بازدهی حذف غبار با نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی شده است.

سرعت گاز گلوگاه

در شکل ۱۱، مقادیر آزمایشگاهی سرعت گاز در گلوگاه با مقادیر شبیه­سازی مقایسه شدند.نتایج نشان می­دهند که مقادیر شبیه ­سازی بسیار نزدیک به مقادیر آزمایشگاهی هستند که نتایج شبیه ­سازی را تصدیق می­کنند.

بازدهی حذف غبار

بازدهی حذف غبار از نتایج شبیه­سازی بوسیله نسبت جرمی ذرات غبار حذف شده به کل جرم در جریان ذرات غبار محاسبه شده است.نتایج شبیه­ سازی بازدهی حذف غبار در در نرخ­های جریان مایع ۱/۰، ۱۳/۰ و ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه بوسیله مقایسه با نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی شدند که در شکل­های ۱۴-۱۲ نشان داده شده ­اند.اثر فیلم دیواره ناچیز فرض شده بنابراین ضرایب جبران موازی و عمودی روی دیواره پخش کننده صفر هستند.

قطره­ای که با دیواره پخش کننده برخورد کرد دیگر قابل ردیابی نبود.مدل CAB برای تفکیک قطره در دامنه مورد استفاده قرار گرفته است.ذرات غبار با گاز در ورودی در بخش همگرا شتاب داده شدند.گلوگاه بسیار کوتاه است، بنابراین عمدتاً برخورد غبار با قطره در بخش پخش کننده اتفاق خواهد افتاد.برخورد ذرات غبار با قطرات مایع در ابتدا بستگی به بهم فشردگی اینرسی دارد.اگرچه مکانیسم بهم فشردگی وابسته به خصوصیات غبار و قطره است.عدد استوکس بزرگتر از ۱ است، که مشخص می­کند که ذرات بوسیله سرعت سیال بدون اثر می­مانند و روی آن تاثیر گذار نیست.

بعنوان نتیجه، برخوردهای ذرات با قطره بیشتر از جریان اطراف آن است.بهم فشردگی با افزایش سرعت نسبی بین قطره و غبار و با کاهش قطر قطره افزایش می­یابد.با افزایش نرخ جریان گاز، قطر کاهش می­یابد که در شکل­های ۷-۵ نشان داده شده است.کاهش در قطر سطح مقطع را افزایش می­دهد و شانس برهم کنش بین ذره و قطره را افزایش می­دهد.نتایج نشان می­دهند که بازدهی حذف غبار با افزایش نرخ جریان جرمی گاز افزایش می ­یابد.نتایج شبیه­ سازی بازدهی حذف غبار با نتایج آزمایشگاهی بخوبی مطابقت دارد.

نرخ جریان جرمی گاز

شکل ۱۱. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه­سازی سرعت گاز گلوگاه در نرخ جریان گازی مختلف

نرخ جریان جرمی گاز

شکل ۱۲. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه­سازی بازدهی حذف غبار در نرخ جریان مایع ۱/۰ کیلوگرم بر ثانیه

نرخ جریان جرمی گاز

شکل ۱۳. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه­سازی بازدهی حذف غبار در نرخ جریان جرمی مایع ۱۳/۰ کیلوگرم بر ثانیه

نرخ جریان جرمی گاز

شکل ۱۴. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه­سازی بازدهی حذف غبار در نرخ جریان جرمی مایع ۱۶/۰ کیلوگرم بر ثانیه

نتیجه گیری

شبیه­ سازی مدل اسکرابر ونتوری در ANSYS CFX برای مطالعه بازدهی حذف غبار اسکرابر ونتوری انجام شده است.مدل اسکرابر ونتوری در ANSYS ICEM مش بندی شده است.اولرین-لاگرانژین برای شبیه­ازی جریان سه فازی اجرا شده است.در مدل اسکرابر ونتوری، گاز بصورت روش اولرین در نظر گرفته شده درحالیکه غبار و قطره بوسیله روش لاگرانژین ردیابی شده ­اند.اثرات توربولانس بوسیله مدل RNG k-ε محاسبه شده ­اند.

مدل CAB برای تفکیک قطره در حوزه اسکرابر ونتوری استفاده شده است.بازدهی حذف غبار از نرخ جریان جرمی غبار در ورودی و خروجی محاسبه شده است.بهم فشردگی اینرسیایی برای گرفتن ذرات غبار استفاده شده است.سرعت­های گاز گلوگاه در نرخ جریان جرمی مختلف با نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی شده­ اند.کسر مایع برای تعیین توزیع کسر مایع درون اسکرابر بررسی شده است.بازدهی حذف ذرات غبار با افزایش نرخ جریان جرمی گاز و نرخ جریان مایع افزایش می­یابد.نتایج شبیه­ سازی و آزمایشگاهی بخوبی با هم توافق دارند که کار شبیه سازی را تصدیق می­کند.

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: ۲ میانگین: ۵]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

*

code