Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA MÁY TÀU BIỂN

THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP
ĐIỆN CHO MUỘI TRONG BẦU LỌC TĨNH ĐIỆN DÙNG ĐỂ XỬ LY
KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ TÀU THỦY
Thành viên tham gia:
1. Phạm Trung Nam Lớp: MKT53-ĐH2
2. Lưu Minh Tân Lớp: MKT53-ĐH2
3. Bùi Văn Hiệp Lớp: MKT53-ĐH2
Đơn vị : Khoa Máy Tàu Biển
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Hà

Hải Phòng, 2016
Khoa Máy Tàu Biển

Page 1


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

LỜI CAM ĐOAN



Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

MỤC LỤC

Khoa Máy Tàu Biển

Page 4


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU

Khoa Máy Tàu Biển

Page 5


Số hình

Tên hình

Trang


BIỂU
Sự phân bố diện trường từ cực phóng đến ống thu ở
Kết quả của quá trình mô phỏng
-30 kV
Lưuphân
lượng
vận tốc
của phóng
dòng khí
Sự
bốquạt
diệnvà
trường
từ cực
đến ống thu ở
-50kV
Thông số động cơ
Sự phân bố diện trường từ cực phóng đến ống thu ở
-70kV
cho thấy cường độ điện trường giữa cực phóng và
ống thu ở -30 kV.

2-1
2.2
2-2
2.3
3-1
2.4
2.5
2.6


2.14

Phân bố vận tốc với D = 120 mm

2.15

Phân bố áp suất với D = 100 mm

2.16

Phân bố vận tốc với D = 100 mm

2.17

Phân bố áp suất với V = 10 m/s

2.18

Phân bố vận tốc với V = 10 m/s

2.19

Phân bố áp suất với V = 15 m/s

2.20

Phân bố vận tốc với V = 15 m/s

2.21

Biến áp
3.6

Thiết bị đo độ chênh áp

Page 6

13

4/2016


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu.
Ô nhiễm không khí là một vấn đề cấp thiết của toàn thế giới nói chung
và Việt Nam nói riêng, cùng với việc phát triển của các ngành công nghiệp
vấn đề này đang trở nên khó khăn hơn. Việt Nam là một nước công nghiệp
đang phát triển sẽ kéo theo sự phát triển của các ngành công nghiệp nặng như
xây dựng, khai khoáng, sản xuất giấy, xi măng . . . cùng với đó kéo theo sự
phát triển của các thiết và máy móc công nghiệp. Tuy nhiên đi kèm với đó là
những hệ quả về ô nhiễm môi trường đặc biệt nghiêm trọng. Ô nhiễm không
khí ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống và sức khỏe của người dân và môi
trường xung quanh do khói muội ô nhiễm trong quá trình sản xuất xả thải ra
môi trường.
Không chỉ vậy, việc xả khí thải của các động cơ diesel tàu thủy trực tiếp
ra môi trường. Cũng góp phần làm cho môi trường không khí càng trở nên ô

5. Kết quả đạt được của đề tài.
Đã tính toán và mô phỏng quá trình nạp điện cho muội trong bầu lọc
tĩnh điện.
Kết quả của thực nghiệm phù hợp với quá trình mô phỏng.
Hiệu suất lọc bụi đạt được hiệu quả cao.

Khoa Máy Tàu Biển

Page 8


Đề tài nghiên cứu sinh viên

Khoa Máy Tàu Biển

4/2016

Page 9


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Khái niệm về muội và sự hình thành muội trong động cơ diezel
1.1.1. Khái niệm về muội
Muội là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn của động cơ diesel.
Muội có thành phần hóa học bao gồm : NOx, SOx, CO, CnHm …

Page 10


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

Sự góp phần của chúng trong tổng lượng các hạt lơ lửng trong các đô
thị, chúng co liên quan tới các bệnh về đường hô hấp (hen xuyễn, viêm phế
quản,viêm cơ phổi..).
Khả năng có thể gây bệnh ung thư và đột biến gen của các hợp chất hữu
cơ bị hấp thụ trong muội.
Thực tế trong tất cả các loại bụi có trong không khí, muội là loại có kích
thước hạt dễ bị giữ lại nhiều nhất, với thời gian lâu nhất trong hệ thống hô
hấp. Các hạt muội có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận
lợi cho các tác động ung thư từ các chất khác. Muội còn gây tổn thương mắt,
dị ứng mũi. . . và cũng có khả năng gây ung thư da nếu tiếp xúc liên tục.
Một số nghiên cứu cho thấy hạt muội đi qua đường mũi, đường miệng làm
tăng khả năng tụ máu và do đó dễ gây tác động tới hoạt đông của hệ tim
mạch, gây tắc nghẽn động mạch…
Cho đến năm 1930, tác nhân chính gậy ung thư trong muội là các
hidrocacbon thơm nhiều nhân (PHA) đã được xác định. Những nghiên cứu
chuyên sâu về muội chỉ thực sự phát triển từ những năm 1970 nhờ kỹ thuật
quang học để khảo sát quá trình tạo thành muội trong buồng cháy.
1.1.2. Các thiết bị xử lý muội hiện đang sử dụng trong nước và nước
ngoài. Phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị đo
Các thiết bị xử lý muội hiện đang sử dụng trong nước và nước ngoài

a. Phin lọc muội



Không tạo sức cản của
- Nhược điểm:
Không lọc được các hạt muội nhỏ.
Cần thêm thiết bị xử lý nước, cấp nước.
Khó lắp đặt.
c. Thiết bị xử lý xúc tác

Hình 1.3. Lọc muội khí xả bằng thiết bị xử lý xúc tác
- Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản.
Lọc được lớn muội.
- Nhược điểm:
Giá thành cao.
Độ chênh áp lớn.
Độc hại do phải dung hóa chất để đốt.
Cần có chất xúc tác để lọc muội.

Khoa Máy Tàu Biển

Page 13


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

d. Hệ thống bầu lọc tĩnh điện

Hình 1.4. Lọc muội khí xả bằng Hệ thống bầu lọc tĩnh điện

Hệ thống bầu lọc tĩnh điện có khả năng xử lý khối lượng lớn khí thải ở
nhiệt độ cao, nếu cần thiết, với sự sụt giảm áp suất nhỏ hợp lý, và việc loại
bỏ các hạt trong phạm vi micromet. Bầu lọc tĩnh điện thường đạt hiệu quả
99,9% .
" Hệ thống bầu lọc tĩnh điện
1. Có thể xử lý tất cả các hạt muội có kích khac nhau.
2. Có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 850 0C.
3. Có thể hoạt động ở dòng khí bão hòa.
4. Có lượng sụt áp thấp.
5. Thời gian làm việc lâu dài.
6. Công suất tiêu thụ điện thấp"

Khoa Máy Tàu Biển

Page 15


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

CHƯƠNG 2
CƠ SƠ LY THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH
NẠP TĨNH ĐIỆN CHO MUỘI TRONG BẦU LỌC TĨNH ĐIỆN
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán
2.1.1. Nguyên lý làm việc của bầu lọc tĩnh điện
“Hệ thống bầu lọc tĩnh điện là một thiết bị sử dụng lực điện trường để
lọc muội. Các hạt muội được tích điện nhờ các ion có trong trường điện từ.
Cực thu hút các hạt muội mang điện. Cực phóng luôn được duy trì ở mức
điện áp cao.”

thường được tiến hành một cách đồng thời để tăng độ tin cậy. Muội được
nạp vào qua bầu lọc tĩnh điện và phải được loại bỏ theo định kỳ.
Làm việc của một Hệ thống bầu lọc tĩnh điện

Làm việc của thiết bị bầu lọc tĩnh điện yêu cầu một giá trị cao của dải
điện áp DC được cung cấp tới điện cực phóng. Các nguồn cung cấp điện cho
bầu lọc tĩnh điện được chuyển đổi từ điện áp xoay chiều công nghiệp (220480 V) sang điện áp DC trong khoảnggiá trị điện áp từ 20.000 V đến
100.000 V theo yêu cầu. Hệ thống có chứa một biến áp, chỉnh lưu điện áp
cao, và đôi khi tụ lọc. Bầu lọc tĩnh điện có thể cung cấp một trong hai nửa
sóng hoặc toàn bộ sóng điện áp DC có điều chỉnh. Có những thành phần phụ
trợ và kiểm soát để cho phép điện áp được điều chỉnh đến mức cao nhất có
thể mà không phát ra tia lửa điện quá mức và để bảo vệ các nguồn cung cấp
và các điện cực khi xảy ra hiện tượng hồ quang điện hoặc ngắn xảy ra mạch.
Điện áp đưa vào các điện cực làm cho không khí giữa các điện cực
phóng bị ion hóa. Ion hóa này gây ra một sự phóng điện. Phóng điện xảy ra
khi không khí xung quanh một dây dẫn ion hóa. Các cường độ trường điện
phải đủ lớn để gây ra sự ion hóa. Các điện cực thường có một khoảng phóng
điện, một điện áp cao hơn so với sự phóng điện có thể đẫn đến phát ra tia
lửa. Các ion được tạo ra trong quá trình phóng điện theo đường sức điện, từ
các cực phóng đến các ống thu. Vì vậy, mỗi cực phóng thiết lập một khu
vực nạp mà các hạt muội phải vượt qua.
Tại bất kỳ điện áp đặt nào cũng tồn tại một điện trường trong không
gian của các điện cực. Đối với điện áp đặt ít hơn một giá trị gọi là "điện áp
đặt ban đầu ", tạo thành một khu vực được tích điện. Khi giá trị của điện áp
đặt tăng cao hơn so với điện áp đặt điện ban đầu, dòng khí xả gần điện cực

Khoa Máy Tàu Biển

Page 17



Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016

Các phần dưới đây sẽ giải thích các quá trình khác nhau về mặt lý thuyết
:
-

Cấp điện áp một chiều.
Nạp điện cho muội
Vận tốc chuyển động của các hạt muội trong trường điện.
Hiệu suất bầu lọc tĩnh điện.

2.1.2.a. Cấp điện áp một chiều
Việc điều chỉnh điểm tích điện cho một bầu lọc tĩnh điện là điều chỉnh
điện áp và dòng điện. Kết quả của sự phóng điện phụ thuộc vào các cực
phóng. Vì vậy toàn bộ quá trình hoạt động của bầu lọc tĩnh điện phụ thuộc
chủ yếu vào điện áp.
Các mối quan hệ của dòng điện phóng cho một bầu lọc tĩnh điện là
I = AV ( V-Vc),
(2.1)
Trong đó
A : Hằng số;
Vc: Điện áp đặt ban đầu;
I : Cường độ dòng điện;
V : Điện áp đặt.
Tại mỗi điện cực d > 5×10 -2 m, điện áp ban đầu để phóng điện âm là 15
kV với d là khoảng cách giữa các cực trong (cm).
Điện trường của việc phóng điện được xác định bằng thực

,

(2.4)

Trong đó
: Mật độ dòng điện(A/m2);
µ: Độ nhớt của dòng khí (m2/Vs);
V: Điện áp cấp;
L: Khoảng cách ngắn nhất từ dây đến ống thu.
Điện trường giữa các ống thu và cực phóng tăng với sự gia tăng điện áp
cấp. Khi điện trường tăng cao mà vẫn tiếp tục tăng điện áp sẽ tạo ra tia lửa
điện. Các giá trị có mối quan hệ :
(2.5)
Trong đó
Es: Cường độ điện trường(V/m);
T: Nhiệt độ tuyệt đối (K);
P: Áp suất khí (atm).
2.1.2.b. Nạp điện cho muội.
Tích điện cho hạt là quá trình quan trọng của bầu lọc tĩnh điện.
Các hạt muội được tích điện bởi sự liên kết của các ion được tạo ra

Khoa Máy Tàu Biển

Page 20


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016


Page 21


Đề tài nghiên cứu sinh viên

4/2016
(2.12)

Trong đó
: Hằng số điện tích (C);
: Hằng số thời gian khuyếch tán tĩnh điện ( s);
K : Hằng số Boltzmann ≈ 1.38×10-23j/K;
T : Nhiệt độ ( K);
E: Điện tích điện tử ≈ 1.6 × 10-19C;
Ci: Vận tốc truyền nhiệt của ion(m/s);
ni : Mật độ số lượng của các ion trong không gian (m-3);
mi: Khối lượng ion(kg);
µi: Độ dịch chuyển ion (Vm/s2);
E: Cường độ điện trường (V/m);
J : Mật độ dòng điện (A/m2);
2.1.2.c. Vận tốc chuyển động của các hạt muội trong điện trường
Vận tốc di chuyển là vận tốc của các hạt muội khi chuyển động về phía
ống thu.
Các lực Culonb tác dụng lên một hạt điện tích trong điện trường:
F =qE

(2.13)

Trong đó
F: Lực coulonb (N);

e: Vận tốc dịch chuyển của hạt muội (m/s);
µ: Độ nhớt của dòng khí (Pas);
dp: Đường kính hạt muội (m);
Cm: Yếu tố điều chỉnh Cuning;
: Khoảng cách di chuyển tự do trung bình của phần tử khí(m);
T: Nhiệt độ (K);
P: Là áp suất (Pa);
= 0.07 µm cho không khí ở áp suất 1atm và nhiệt độ phòng (300 0K).
Đối với một phạm vi điện trường, vận tốc di chuyển được viết như:
(2.18)
Vận tốc di chuyển tỉ lệ thuận với đường kính hạt dp và với bình phương
cường độ điện trường E2.
Sự dịch chuyển của các hạt muội trong trường tích điện là :
(2.19)
(2.20)
2.1.2.d. Hiệu suất của bầu lọc tĩnh điện.
Hiệu suất thu của một bầu lọc tĩnh điện, η được tính bởi,
(2.21)
(2.22)
Trong đó
: Vận tốc di chuyển của các hạt muội (m/s);
Khoa Máy Tàu Biển

Page 24


Đề tài nghiên cứu sinh viên
f = A/Q: Phạm vi hút cụ thể (s/m);

4-2016