بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیهسازی جریان چرخشی متلاطم دوفازی سیال جامد در داخل یک سیکلون خشک غبارگیر صنعتی بهصورت عددی و با استفاده از مدل آشفته k- RNG انجامگرفته است. جریان دوفازی با استفاده از رویکرد اویلرین لاگرانژی شبیهسازیشده است. همچنین شبیهسازی عددی جریان هوا با ذرات جامد در داخل سیکلون توسط نرمافزار انسیس فلوئنت انجامگرفته است. در پایان با مقایسه سرعتهای مختلف و افت فشارهای ایجادشده، میزان سرعت بهینه جریان در داخل سیکلون موردنظر تعیینشده است.
مقدمه
ازجمله مهمترین تجهیزات مورداستفاده در کارخانههای احیا مستقیم، غبارگیرها میباشند. غبارگیر سیستمی است که بهمنظور افزایش کیفیت هوای خارجشده از پروسس های صنعتی و تجاری از طریق جمعآوری غبار و یا سایر آلودهکنندههای محیطی از جریان هوا و یا گاز مورداستفاده قرار میگیرد و وظیفه سیکلونهای خشک در این غبارگیرها، جداسازی غبار از جریان اصلی هوا و افزایش کیفیت هوای محیط کار است.
این عمل علاوه بر پاکیزگی کارخانه، منجر به بازیابی محصول با ارزش بهواسطه جلوگیری از پخش آن در محیط میشود. سیکلونها براساس نیروی گریز از مرکزعمل جداسازی را انجام میدهند، بدینصورت که جریان گاز حامل غبار که از جدار بالایی استوانهای شکل بدنه سیکلون به یک مخروط ناقص منتهی می شود وارد سیکلون گردیده و بهطرف پایین جریان مییابد.
جریان سیال ابتدا در فضای حلقوی بین سطح جانبی لوله خروجی و سطح داخلی استوانه سیکلون و سپس در محفظه سیکلون به چرخش درمیآید و بهاینترتیب یک گرداب محیطی بوجود میآید. جریان هوا توسط نیروی گریز از مرکز با دیواره سیکلون برخورد کرده و ذرات موجود در آن به دلیل جرم و اینرسی از جریان هوا جداشده و سقوط میکنند.
جریان چرخشی نزولی پس از طی کل ارتفاع سیکلونمجدداً بهصورت جریان چرخشی با شعاع کمتر اما صعودی حرکت و از بالای سیکلون خارج میشود. ذرات درشت بهوسیله نیروهای گریز از مرکز بهصورت چرخشی تهنشین میشوند و ذرات ریزتر به همراه هوا از اگزوز بالای سیکلون خارج میگردد. در این مقاله به بررسی الگوی جریان هوا و غبار در جداکننده سیکلون با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی پرداختهشده است.
روش تحقیق
اساس شبیهسازی سیکلون خشک بر مبنای حل معادلات ناویر استوکس میباشد:
همچنین با توجه به مغشوش بودن جریان درون سیکلون خشک، در مدلسازی توربولانسی از مدل k-ɛ RNG استفادهشده است که در آن k معرف انرژی جنبشی مؤلفههای آشفتگی سرعت و ɛ نرخ استهلاک انرژی میباشد که معادلات آن بهصورت زیر میباشند:
در مدل RNG ضرایب ɛ و Cɛ2 در معادله اصلی تغییر میکند و همچنین ضریبCɛ1 نیز ثابت نیست و تابعی از Pk - آشفتگی ناشی از نیروهای ویسکوزیته - میباشد.
برای حل معادلات حاکم از روش حجم محدود استفادهشده است. در این روش انتگرال معادلات دیفرانسیل بر روی المان ها کوچک محاسبه میشود. جملات جابجایی در معادله مومنتوم و انرژی، از روش کوئیک1 به دست میآیند.[2] برای ارتباط بین معادلات پیوستگی و مومنتوم از الگوریتم سیمپل2 با شبکهبندی جابجا شده و حلکننده براساس فشار3 و بهصورت ضمنی4 استفاده شده است.[3] جهت تعیین رفتار و مسیر حرکت ذرات در داخل سیکلون از دیدگاه اویلرین لاگرانژی بهره گرفتهشده است. برای شرایط مرزی نیز از شرط مرزی ورودی سرعت5 برای ورودی جریان و جریان خروجی6 در مرز خروجی استفادهشده است. همچنین اصل عدم لغزش7 برای دیوارهها در نظر گرفتهشده است.
سیکلونهامعمولاً برای جداسازی ذرات بزرگتر از 10 میکرون بهکاربرده میشوند اما برای ذرات 15تا30 میکرون راندمان نزدیک به 90 درصد دارند. اندازه ذرات غبار در مطالعه حاضر 30 میکرون در نظر گرفتهشده است. همچنین ذرات ورودی به سیکلون دارای چگالی 1700 کیلوگرم بر مترمکعب بوده که از مجرای ورودی به همراه جریان هوا و با سرعت یکسان با هوای ورودی وارد میشوند.
شبیه سازی حاضر مربوط به سیکلون خشک غبارگیر واحد احیا مستقیم فولاد کاوه جنوب کیش میباشد که ابعاد کلی آن در شکل 1 نشان دادهشده است.
برای شبکهبندی هندسه سیکلون خشک موردنظر از شبکه ساختاریافته ششوجهی استفادهشده است و همچنین جهت وابسته نبودن نتایج به شبکه، شبکهبندی برای چند مدل با تعداد سلولهای 350000، 570000 و 700000 انجام شد و در نهایت با بررسی نتایج و در نظر گرفتن دقت و سرعت حل مسئله، شبکه 570000 سلولی برای این شبیهسازی انتخاب گردید.
نتایج و بحث
با افزایش سرعت در داخل سیکلون، جدایش ذرات از هوا نیز بهتر صورت خواهد گرفت. درواقع کارایی کل سیکلون با افزایش سرعت افزایش مییابد.
