Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ix TÓM TẮT x MỤC LỤC xi MỤC LỤC HÌNH xiv MỤC LỤC BẢNG xvii CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT xviii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu CNC 1.1.1 Gia công CNC 1.1.2 Vật liệu gia công CNC 1.1.3 Phương pháp gia công CNC .2 1.1.4 Ưu, nhược điểm gia công CNC 1.1.5 Ứng dụng công nghệ CNC .5 1.2 Giới thiệu thiết kế sinh học 1.2.1 Giới thiệu súng 1.2.2 Các nghiên cứu giới .7 1.3 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt 11 1.3.1 Các định nghĩa 11 1.3.2 Phân loại TBTĐN 12 1.4 Giới thiệu đề tài nghiên cứu 14 1.4.1 Tính cấp thiết đề tài 14 1.4.2 Lý chọn đề tài 14 1.4.3 Mục đích nghiên cứu 14 1.4.4 Đối tượng nghiên cứu .14 1.4.5 Phạm vi nghiên cứu 14 1.5 Các phần mềm hỗ trợ 14 CHƯƠNG KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Các nghiên cứu thiết kế sinh học giới .16 2.1.1 Nghiên cứu thiết kế sinh học thiết bị trao đổi nhiệt 16 2.1.2 Cao ốc EASTGATE xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối 16 2.2 Giới thiệu phương pháp Taguchi 17 2.2.1 Hình thành phương pháp 18 xi 2.2.2 Mục tiêu phương pháp Taguchi .19 2.2.3 Ưu điểm nhược điểm: 19 2.3 Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm 20 2.4 Các bước tiến hành 21 2.4.1 Chọn yếu tố khảo sát .22 2.4.2 Chọn mức độ khảo sát 22 2.4.3 Chọn bảng quy hoạch trực giao 22 2.4.4 Phân tích liệu thí nghiệm 24 2.5 Giới thiệu phần mềm Inventor .29 2.5.1 Chức Inventor 29 2.5.2 Xây dựng model phần mềm Inventor 2019 31 2.6 Tiến hành mô 36 2.6.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 36 2.6.2 Mơ hình tính tốn dịng chảy rối Ansys 37 2.7 Phần mềm Minitab 38 CHƯƠNG XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG SỐ 40 3.1 Mô 40 3.2 Kiểm nghiệm lưới mô 52 3.2.1 Kích thước tính độc lập lươi 52 3.2.2 Kiểm nghiệm mô 53 3.3 Mô xử lý số liệu 53 3.3 Xử lý số liệu theo Taguchi (L9) 54 3.4.1 Kết mô 54 3.4.2 Kết mơ thí nghiệm hiệu trao đổi nhiệt 68 3.4.3 Xử lý số liệu theo Taguchi 68 3.4.4 Xử lý theo ANOVA 75 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM THỰC TẾ 78 4.1 Mơ hình thực tế 78 4.2 Sơ đồ nguyên lý 82 4.3 Mơ hình thực tế đã lắp đặt 83 4.4 Thực nghiệm .83 4.4.1 Cơ sở thực nghiệm 83 xii 4.4.2 4.5 Các bước tiến hành thực nghiệm 85 Tính tốn lý thuyết sơ 85 4.5.1 Phương trình cân nhiệt 85 4.5.2 Tính tốn trường hợp thí nghiêm 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN 91 5.1 Kết luận .91 5.2 Kiến nghị 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 xiii MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Cơng nghệ CNC xu hướng hàng đầu .5 Hình 1.2: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ Hình 1.3: Ghế Bướm thiết kế Eduardo Garcia Campos thi A Design Award 2012-2013 Hình 1.4: Concept thiết kế xe Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm .8 Hình 1.5: Chim bói cá tàu Shinkansen .9 Hình 1.6: Bản vẽ máy bay lấy ý tưởng từ loài chim 10 Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) 10 Hình 1.8: Dự án BioArch 11 Hình 1.9: Sơ đồ khối TBTĐN 12 Hình 2.1: Ngân sách trao đổi nhiệt thực vật tính dị hình lá, minh họa che nắng bóng râm từ loài sồi khác 16 Hình 2.2: Trung tâm Eastgate .17 Hình 2.3: Model xây dựng phần mềm Inventor 32 Hình 2.4: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện 32 Hình 2.5: Hình minh họa trao đổi nhiệt ban đầu sau thu phóng 33 Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau tăng lần 34 Hình 2.7: Khối ống đa diện 35 Hình 2.8: Bộ góp xây dựng phần mềm Inventor 35 Hình 2.9: Phần mềm Minitab 19 39 Hình 3.1: Import Geometry Edit 40 Hình 3.2: Đặt tên thay đổi thuộc tính 41 Hình 3.3: Khởi động Edit Mesh 41 Hình 3.4: Điều kiện biên mô .42 Hình 3.5: Thiết lập thơng số bảng tùy chọn tạo Mesh .42 Hình 3.6: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Skewness 43 Hình 3.7: Thông số Aspect Ratio hướng dẫn yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT 43 Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo TC Orthogonal 44 Hình 3.9: Models sau chia lưới 45 Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mơ hình Error! Bookmark not defined xiv Hình 3.12: Gắn thuộc tính vật liệu cho mơ hình 46 Hình 3.13: Setup thông số wall_shell 47 Hình 3.14 Thiết lập Momentum Velocity inlet cold and hot water .48 Hình 3.15: Thiết lập nhiệt độ Velocity inlet cold and hot water 47 Hình 3.16: Thiết lập Hybrid Initialization 48 Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate 49 Hình 3.18: Trường nhiệt độ mặt cắt model 50 Hình 3.19: Trường nhiệt độ phần vỏ 49 Hình 3.20: Trường nhiệt độ phần hot & cold water .50 Hình 3.21: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .55 Hình 3.22: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .55 Hình 3.23: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 55 Hình 3.24: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .56 Hình 3.25: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 56 Hình 3.26: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 57 Hình 3.27: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .57 Hình 3.28: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 58 Hình 3.29: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 58 Hình 3.30: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .59 Hình 3.31: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 59 Hình 3.32: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 60 Hình 3.33: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .60 Hình 3.34: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 61 Hình 3.35: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 61 Hình 3.36: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .62 Hình 3.37: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .62 Hình 3.38: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 63 Hình 3.39: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .63 Hình 3.40: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 64 Hình 3.41: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 64 Hình 3.42: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .65 xv Hình 3.43: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 65 Hình 3.44: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 66 Hình 3.45: Kết mơ thí nghiệm lần thứ .66 Hình 3.46: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 67 Hình 3.47: Kết mơ thí nghiệm lần thứ 67 Hình 3.48: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means 73 Hình 3.49: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN .73 Hình 3.50: Bảng tính tốn Anova từ Minitab 19 Analysis of Variance 77 Hình 4.1: Hình khối ống đa diện sau gia cơng CNC 78 Hình 4.2: Thiết bị trao đổi nhiệt thực tế qua gia công CNC 78 Hình 4.3: Bơm nước lạnh 79 Hình 4.4: Bơm nước nóng 79 Hình 4.5: Cảm biến nhiệt độ 80 Hình 4.6: Điện trở gia nhiệt nước 80 Hình 4.7: Chiết áp 81 Hình 4.8: Lưu lượng kế 81 Hình 4.9: Sơ đồ lắp đặt 82 Hình 4.10: Mơ hình thực tế đã lắp đặt .83 xvi MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng Taguchi L9 20 Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi 23 Bảng 2.3: Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN 24 Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN 25 Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình tỷ số SN 26 Bảng 2.6: Kết mô với giá trị Means 27 Bảng 2.7: Kích thước model 31 Bảng 2.8: Bảng thu gọn tham số tỷ lệ 33 Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ 34 Bảng 3.1: Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness 43 Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Orthogonal Quality 45 Bảng 3.3: Grid independence study details .52 Bảng 3.4: Bảng kết kiểm nghiệm 52 Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model .52 Bảng 3.6: Bảng thông số yếu tố ảnh hưởng đến mô 42 Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số yếu tố 55 Bảng 3.8: Bảng kết mơ thí nghiệm độ chênh nhiệt độ TBTĐN 69 Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean 69 Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN 72 Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình tỉ số SN 73 Bảng 4.1: Mức độ yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt TBTĐN…… 83 Bảng 4.2: Bảng Taguchi L9 84 Bảng 4.3: Bảng ấn định thông số yếu tố 84 xvii CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT  i: số thứ tự thí nghiệm (Experiment number)  u: số thứ tự thử nghiệm (Trial number)  Ni: số thử nghiệm thí nghiệm thứ i (Number of trials for experiment i)  𝑥̅ : Trung bình chung mẫu  SN: Signal Noise Ratio  SS1 : Độ lệch phương nhóm  SS2 : Độ lệch phương nhóm  SSk : Độ lệch phương nhóm k  SST: Tổng độ lệch bình phương chung  SSK: Tổng độ lệch bình phương nhóm  SSH: Tổng độ lệch bình phương nhóm  SSE: Tổng độ lệch bình phương phần dư  SSW: Tổng lệch phương  MSW: Phương sai nội nhóm  MSB: Phương sai nhóm  MSK: Phương sai nhóm (cột)  MSH: Phương sai khối (hàng)  MSE: Phương sai phần dư  Trial: Thử nghiệm  TN: Thí nghiệm  Lv: mức độ (level)  F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2  Cp: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, kJ/(kg.K)  Q: Công suất nhiệt, W  Nu: Tiêu chuẩn Nusselt  Re: Tiêu chuẩn Reynolds  Gr: Tiêu chuẩn Grashoff  Pr: Tiêu chuẩn Prandtl  𝜆: Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K) xviii  α: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/(m2.K)  ω: Vận tốc, m/s  υ: Độ nhớt động học, m2/s  dtd: Đường kính tính tốn  ԑl: Hệ số hiệu chỉnh  k: hệ số truyền nhiệt, W/m2.oK xix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu CNC 1.1.1 Gia công CNC Gia công CNC phương pháp gia cơng khí máy móc ứng dụng cơng nghệ đại CNC (computer numerial control) nhằm đạt độ xác cao tốc độ làm việc nhanh chóng CNC (computer numerical control) việc sử dụng máy tính để điều khiển loại máy gia công kim loại Bằng cách sử dụng chương trình viết ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 phòng thí nghiệm Servomechanism Viện Cơng nghệ Massachusetts Trong gia cơng CNC, máy móc loại bỏ vật liệu khỏi khối rắn để tạo chi tiết dựa mơ hình CAD CNC sản xuất phận với dung sai chặt chẽ tính chất vật liệu tuyệt vời, độ lặp lại cao, tối ưu chi phí sản xuất chi tiết với khối lượng thấp đến trung bình (lên đến 1000 chi tiết) Có phương pháp gia cơng CNC khác tùy sản phẩm gia công mà chọn phương pháp gia công phù hợp phay, tiện, khoan, mài, cắt bánh răng, bào, chuốt, cưa, plasma, laser [1] 1.1.2 Vật liệu gia cơng CNC Có nhiều vật liệu dùng để gia cơng CNC, có loại vật liệu kim loại, hơp kim, nhựa gỗ 1.1.2.1 Vật liệu kim loại Kim loại thường sắt, nhôm… dùng để tạo chi tiết máy, linh kiện xe… Kim loại màu đồng, nhơm chì, kẽm, thiếc… dùng để tạo sản phẩm nhiều ngành nghề xây dựng, dân dụng, thiết kế… 1.1.2.2 Vật liệu hợp kim Inox dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crom Đây vật liệu hợp kim để gia công khí vơ phổ biến Thép có độ bền cao, độ cứng tốt Khi phủ thêm lớp mạ kẽm, thép có khả chống ăn mịn vượt trội Thép gia cơng cắt máy Oxy-Gas CNC, máy Plasma CNC… để tạo chi tiết phù hợp cho cơng trình *Cảm biến nhiệt độ Hình 4.5: Cảm biến nhiệt độ + Kích thước 60*98*3.1cm XH-W3001 12V/120W + Phạm vi khống chế nhiệt độ -50oC đến 110oC + Công suất tải tối đa 1500w *Điện trở gia nhiệt nước Điện trở gia nhiệt nước với cơng suất 2500W Hình 4.6: Điện trở gia nhiệt nước 80 *Chiết áp Dùng để điều chỉnh dòng điện 12V cấp cho bơm, cơng dụng điều chỉnh lưu lượng Hình 4.7: Chiết áp *Lưu lượng kế Là thiết bị thị lượng nược chảy qua ông đơn vị thời gian (10 lít/phút) Hình 4.8: Lưu lượng kế 81 4.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.9: Sơ đồ lắp đặt Mơ hình sơ đồ lắp đặt phác thảo trước 82 4.3 Mơ hình thực tế lắp đặt Hình 4.10: Mơ hình thực tế đã lắp đặt 4.4 Thực nghiệm 4.4.1 Cơ sở thực nghiệm Bảng 4.1: Mức độ yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt TBTĐN Yếu tố Lv Lv Lv Nhiệt độ phòng (oC) 20 24 28 Vận tốc nước lạnh (m/s) 1.5 2.25 Nhiệt độ nước lạnh (oC) 20 25 30 83 Bảng 4.2: Bảng Taguchi L9 STT P1 P2 P3 1 1 2 3 2 2 3 3 Bảng 4.3: Bảng ấn định thông số yếu tố STT P1 P2 P3 20 1.5 20 20 2.25 25 20 30 24 1.5 25 24 2.25 30 24 20 84 4.4.2 28 1.5 30 28 2.25 20 28 25 Các bước tiến hành thực nghiệm Bước Mở cơng tắc cấp nguồn cho mơ hình Kiểm tra cảm biến cịn hoạt động khơng Đổ nước đầy vào thùng nước nóng lạnh cách nhiệt Bước Tiến hành cấp điện gia nhiệt nước nóng, dùng nhiệt kế đo đến nhiệt độ theo thông số ấn định dùng lại Dùng đá điện trở tương tự nước nóng cho nước lạnh Điều chỉnh nhiệt độ phịng theo thơng số bảng Bước Khi nhiệt độ nước nóng, lạnh nhiệt độ phịng đã theo thơng số ấn định tiến hành bật bơm nước nóng nước lạnh hoạt động điều chỉnh lưu lương theo chiết áp theo thông số đã ấn định Bước Quan sát cảm biến nhiệt độ nước lạnh, nóng vào ra, đợi số liệu ổn định tiến hành ghi chép Bước Sau ghi chép xong (khoảng phút rưỡi) tắt dừng bơm lặp lại từ đâu Mỗi thí nghiệm tiến hành lần 4.5 Tính tốn lý thuyết sơ 4.5.1 Phương trình cân nhiệt Phương trình cân nhiệt dùng để tính tốn cho thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân súng bỏ qua tổn thất nhiệt theo công thức (1-16) tài liệu [9] Q = G1.Cp1.(t1’- t1”) = G2.Cp2.(t2”- t2’) Trong đó: G1, G2 lưu lượng khối lượng nước chất lỏng nóng lạnh, [kg/s]; 85 Cp1, Cp2 nhiệt dung riêng nước nóng lạnh, [J/kg.℃]; t1’, t1” nhiệt độ nước nóng vào ra, [℃]; t2’, t2” nhiệt độ nước lạnh vào ra, [℃] 4.5.2 Tính tốn trường hợp thí nghiêm Trường hợp có thơng số sau, nhiệt độ nước nóng t1’ = 85 oC, lưu lượng 6,8l/p Nước lạnh t2’= 25 oC, lưu lượng 6,8l/p Nhiệt độ bề mặt 20 oC Thiết bị trao đổi ngược chiều, làm nhôm có hệ số dẫn nhiệt 𝜆 = 201 W/mK TBTĐN có phần chỉnh gồm phần ống góp nơi nước lạnh vào nước nóng ra, phần TBTĐ nhiệt, phần ống góp nới nước nóng vào nướng lạnh Bỏ qua tổn thất nhiệt góp ta có Vận tốc nước nóng ống (12 ống) ω= 𝑄 𝑆 = (6,8⁄1000.60.12)/(π.0,0022)= 0,75457 m/s Trong đó: ω vận tốc trung bình nước ống, m/s; Q lưu lượng thể tích, m3/s; S tiết diện bề mặt ống, m2; Tiêu chuẩn Reynolds cho phần nước nóng: Re = ω.dtd ν Trong đó: ω vận tốc, m/s; 86 dtd đường kính tính tốn, m; ν độ nhớt động học, nhiệt độ t2’ = 85 ℃ tra bảng thông số vật lý nước đường bão hòa ta ν = 0,3455.10-6 m2/s Đường kính tính tốn dtd = d = 0,004 m Vậy Ref = 0,75457.0,004 0,3455.10−6 = 8735,977 Vì 2200 < Ref