การออกแบบไซโคลนโดยจำลองกระบวนการและการพิมพ์สามมิติ

Abstract

การเผาไหม้เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ และชีวมวล ภายใต้กระบวนการทางความร้อนในการผลิตไฟฟ้าของอุตสาหกรรมต่างๆ มักพบสารประกอบอนินทรีย์ในเถ้า ซึ่งเป็นมลพิษทางอากาศ ปะปนออกมากับแก๊สผลิตภัณฑ์หลังการเผาไหม้ นักวิจัยจึงพยายามจะหาวิธีแยกเถ้า หรือ อนุภาคของแข็ง เหล่านี้ออกจากแก๊สผลิตภัณฑ์ อุปกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ ไซโคลน เนื่องจากไซโคลนสามารถสร้างได้ง่าย ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ โดยใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางและแรงโน้มถ่วงในการแยกอนุภาคของแข็งออกจากแก๊ส ปัจจุบันมีการพัฒนาไซโคลนให้มีรูปร่างต่างๆ แต่ยังขาดงานวิจัยที่ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรูปร่างไซโคลนกับประสิทธิภาพการแยกทั้งในเชิงคำนวณและเชิงทดลอง โดยงานวิจัยนี้จะแบ่งการศึกษาออกเป็น 3 ส่วน คือ การหาแบบการจำลองและภาวะที่เหมาะสมสำหรับการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของไซโคลนในระบบสามมิติจากการทดลองของ Azadi และคณะ เพื่อนำมาศึกษาผลของความดันลด และประสิทธิภาพในการแยกของไซโคลนรูปร่างต่างๆ ที่ปรับเปลี่ยนจากไซโคลนสแตมาน และสร้างไซโคลนสแตมานต้นแบบด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติซึ่งมีความสามารถในการปรับแต่งรูปร่างสูง พร้อมทั้งเปรียบเทียบผลจากการทดลองไซโคลนต้นแบบกับผลจากการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ ผลที่ได้พบว่า แบบจำลองที่เหมาะสมต่อการใช้ในการศึกษาพฤติกรรมการไหลของไซโคลนในระบบสามมิติ คือ RNG k-epsilon model ที่มีสัดส่วนโดยปริมาตรของของแข็งเท่ากับ 6×105 และมีความเร็วทางเข้าเท่ากับ 15 เมตรต่อวินาที โดยได้นำมาศึกษาผลของไซโคลนในรูปร่างต่างๆ ดังนี้ ไซโคลนสแตมาน ไซโคลนที่มุมของทางเข้าเพิ่ม 15 องศา ไซโคลนที่มุมของทางเข้าเพิ่ม 30 องศา ไซโคลนที่มุมของทางเข้าเพิ่ม 45 องศา ไซโคลนที่มุมของทางเข้าลดลง 15 องศา ไซโคลนที่มุมของทางเข้าลดลง 30 องศา ไซโคลนที่มุมของทางเข้าลดลง 45 องศา ไซโคลนที่เพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทางออกแก๊ส 10% และ ไซโคลนที่ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทางออกแก๊ส 10% ซึ่งมีไซโคลนเพียงรูปแบบเดียวที่ให้ผลของประสิทธิภาพในการแยกสูงกว่าไซโคลนสแตมาน คือ ไซโคลนที่ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทางออกแก๊ส 10% โดยให้ประสิทธิภาพสูงกว่าประมาณ 1.4%