Tính toán mô phỏng trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong két làm mát dạng tấm trên động cơ tua bin khí tàu thủy

Bài viết Tính toán mô phỏng trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong két làm mát dạng tấm trên động cơ tua bin khí tàu thủy xây dựng mô hình mô phỏng trao đổi nhiệt giữa hai kênh nước biển và dầu bôi trơn ngăn cách bởi 3 tấm làm mát được thiết kế nguyên bản.

NLN *158 - 06/2022*16 Số: 158 - 06/2022 Trang 16 - 24 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ TỔN THẤT ÁP SUẤT TRONG KÉT LÀM MÁT DẠNG TẤM TRÊN ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ TÀU THỦY Nguyễn Quốc Quân, Phùng Văn Được, Lê Tiến Dương –ĐHKT Lê Quý Đôn Trần Văn Ngưỡng – Nhà máy X52 Dương Quốc Cường – ĐH Trần Đại Nghĩa E-mail: ngquanturbine@lqdtu.edu.vn Ngày nhận bài: 03/12 /2021 Ngày duyệt đăng: 20/06/2022 Ngày nhận sửa theo ý kiến phản biện: 10/05/2022 Tóm tắt: Két làm mát dạng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực có làm mát dầu bơi trơn động tua bin khí tàu thủy Do đặc điểm hình dạng phức tạp nên tính tốn lý thuyết dựa vào hệ số thực nghiệm, cịn mơ hình mơ CFD thường giản lược để đảm bảo chất lượng chia lưới Bài báo xây dựng mơ hình mơ trao đổi nhiệt hai kênh nước biển dầu bôi trơn ngăn cách làm mát thiết kế nguyên Sử dụng phần mềm Siemens FloEFD mô truyền nhiệt liên hợp cho kết nhiệt độ đầu cao tính tốn lý thuyết kênh dầu nước tương ứng 0,54 oC 0,83 oC, sai số tổn thất áp suất so với cơng thức thực nghiệm 22,9% 4,3% Từ khóa: Két làm mát, làm mát, tổn thất áp suất, trao đổi nhiệt, Siemens FloEFD KÝ HIỆU: N – Công suất định mức động theo lý lịch, kW ge – Suất tiêu hao nhiên liệu theo lý lịch, g/kWh Hu – Nhiệt trị thấp nhiên liệu, kJ/kg Cw – Nhiệt dung riêng nước biển, J/kg.oK 1 – Khối lượng riêng dầu bôi trơn, kg/m3 2 – Khối lượng riêng nước biển, kg/m3 𝛿 – Chiều dày làm mát, m a – Chiều dài phần trao đổi nhiệt làm mát, m b – Chiều rộng phần trao đổi nhiệt làm mát, m I ĐẶT VẤN ĐỀ Két làm mát dạng có ngun lý làm việc hồn toàn phù hợp với hệ thống làm mát tàu thủy, với kết cấu linh động, dễ dàng thay đổi số phương án bố trí dịng chảy, đáp ứng làm việc cho họ động có dải cơng suất thay đổi phạm vi tương đối rộng Két làm mát dạng đánh giá có hiệu trao đổi nhiệt lớn nhiều so với két làm mát dạng ống (shell tube), có giới hạn nhiệt độ áp suất rộng, kích thước nhỏ hơn, nhẹ h – Khoảng cách làm mát, m de – Đường kính quy dẫn lớp mơi chất tấm, m  – Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm làm mát, W/m oC 1 – Độ nhớt động học dầu bôi trơn, m2/s 2 – Độ nhớt động học nước biển, m2/s 1 – Hệ số dẫn nhiệt dầu bôi trơn, W/m.K 2 – Hệ số dẫn nhiệt nước biển, W/m.K  – Góc gân, độ  – Góc chữ V (chervon), độ không cần phải làm thường xuyên dạng khác [1] Các với dãy gân dạng chữ V xếp chồng với tạo thành lỗ làm tăng cường dòng rối chất lỏng nhằm nâng cao hiệu trao đổi nhiệt két làm mát Các lý thuyết tính tốn trao đổi nhiệt đưa với toán trao đổi nhiệt dòng lưu chất chảy phẳng Lý thuyết tính tốn q trình trao đổi nhiệt két làm mát dạng cần sử dụng hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kích thước hình học động học cụ thể NLN *158 - 06/2022*17 [2],[3],[4] Muley [5] nghiên cứu ảnh hưởng góc β (30o, 90o 120o), dạng gân khác số Reynolds tới hệ số trao đổi nhiệt tổn thất áp suất thực nghiệm két làm mát thương mại Kết chứng minh mơ hình tính có sai số nhỏ so với số công thức thực nghiệm khác [6] Hiện nay, động lực học tính tốn chất lưu (CFD) ứng dụng rộng rãi nghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa két làm mát dạng Phương pháp cho kết phù hợp, cung cấp nhiều thơng tin hữu ích dịng chảy mà thực nghiệm thực [7] Kanaris [8]Lỗi! Không tìm thấy nguồn tham chiếu sử dụng Ansys CFX mô kênh tấm, mô phần trao đổi nhiệt, gân đơn giản hóa, sử dụng mơ hình rối k-ω SST với lưu lượng nhiệt độ đầu vào áp suất đầu Các kết nghiên cứu phù hợp với thực nghiệm có sai số lớn đơn giản hóa gân thành dạng hình sin so với gân thực Tsai [9]Lỗi! Khơng tìm thấy nguồn tham chiếu sử dụng Ansys Fluent mô mơ hình với kênh lưu chất chảy qua phần trao đổi nhiệt, lưới phi cấu trúc dạng tứ diện (tetrahedral), mơ hình rối k- ε với góc β = 65º Kết tính tổn thất áp suất cao thực nghiệm 20% Han [10] mô kênh có phần trao đổi nhiệt, mơ hình rối k- ε RNG, 2,6 triệu phần tử lưới tứ diện, lưu lượng nhiệt độ đầu vào, áp suất đầu Tác giả nhận định nguyên nhân sai số so với thực nghiệm lớn lên tới 35% mơ hình mơ giản lược Gherasim [11] sử dụng Ansys CFX mô dòng chảy tầng chảy rối hai kênh ngăn cách sát thực tế bỏ qua độ dày, mơ hình rối k- ε Relalizable so sánh với mơ hình khác cho kết tốt so với thực nghiệm Tác giả nhận định mơ hình phức tạp nên chia lưới dạng tứ diện mà tạo lớp biên Kan [12] sử dụng Ansys Fluent mô ảnh hưởng lưu lượng dịng góc dãy gân β = 30º, 45º, 60º với mơ hình 10 (9 kênh nước), 10 triệu phần tử tứ diện, lưu lượng nhiệt độ đầu vào, áp suất đầu ra, mơ hình rối k- ε, có phần dẫn hướng đơn giản hóa Skočilasa [13] sử dụng Ansys CFX nghiên cứu mơ ảnh hưởng góc dãy gân β = 30º, 45º, 60º số Reynolds tới đặc tính nhiệt-thủy lực kênh nước nóng nằm hai Kết so sánh với tính tốn lý thuyết dựa liệu thực nghiệm với sai số trao đổi nhiệt 4,9% tổn thấp áp suất 13,8% Mơ hình đơn giản hóa thơng số như: có phần dẫn hướng, kênh nước nóng, cố định tính chất vật lý nước làm mát, hai phải có khe hở để tạo kênh lưu chất Sarraf [14] nghiên cứu mô ảnh hưởng số Reynolds góc dãy gân chevron β (30o, 45o, 55o, 65o, 70o) tới trao đổi nhiệt tổn thất áp suất phần mềm Star CCM+, cho kết phù hợp với thực nghiệm Mơ hình mơ gồm kênh ngăn cách tấm, lưới chia dạng đa diện, mơ hình rối k- ε số Re > 200, hai kênh nước có đầu vào lưu lượng nhiệt độ, đầu áp suất Tuy nhiên, dù mô hình có kênh lưu chất giản lược gân thành dạng hình sin bỏ qua phần dẫn hướng, dòng đầu vào thẳng vào phần trao đổi nhiệt Như vậy, việc mô két làm mát dạng thường nghiên cứu phần trao đổi nhiệt hay giản lược hình dạng gân đặc điểm hình học phức tạp, khó chia lưới Trong báo trình bày kết mơ trao đổi nhiệt liên hợp kênh nóng lạnh qua làm mát không giản lược Két thiết kế làm mát dầu bôi trơn động tua bin khí tàu thủy đối tượng có cơng bố tương tự trước II TÍNH TỐN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH KÉT LÀM MÁT DẠNG TẤM 2.1 Tính tốn diện tích trao đổi nhiệt két làm mát dầu bơi trơn động tua bin khí Đối tượng tính tốn nghiên cứu két làm mát dạng dùng làm mát dầu bôi trơn động tua bin khí tàu thủy UGT3000 hãng Zoria-Masproekt (Ukraine) Động UGT3000 với kết cấu dạng ba trục (hai trục tua bin-máy nén, trục tua bin chân vịt) đặt ổ trục Trong trình làm việc, dầu bơi trơn bơm tuần hồn trước vào ổ trục phải làm mát nước biển két làm mát Trong nghiên cứu này, két làm mát tính tốn thiết kế, mơ với thơng số đầu vào trình bày Bảng Bảng Các thông số cho trước tính tốn diện tích trao đổi nhiệt két làm mát STT Thông số, đơn vị Công suất định mức động theo lý lịch, [kW] Suất tiêu hao nhiên liệu theo lý lịch, [g/kWh] Nhiệt trị thấp nhiên liệu, [kJ/kg] Ký hiệu N ge Hu Giá trị 2940 291 41800 NLN *158 - 06/2022*18 Độ chênh nhiệt độ dầu bôi trơn vào két làm mát, [oC] Độ chênh nhiệt độ nước biển vào két làm mát, [oC] Nhiệt dung riêng nước biển, [J/kg.oK] Khối lượng riêng nước biển, [kg/m3] Khối lượng riêng dầu bôi trơn, [kg/m3] Chiều rộng phần trao đổi nhiệt làm mát, [m] Chiều dài phần trao đổi nhiệt làm mát, [m] Khoảng cách làm mát, [m] Chiều dày làm mát, [m] Đường kính quy dẫn lớp môi chất tấm, [m] Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm làm mát, [W/m oC] Lưu lượng khối lượng dầu ngăn đẩy, [kg/s] Độ nhớt động học dầu bôi trơn, [m2/s] Độ nhớt động học nước biển, [m2/s] Hệ số dẫn nhiệt dầu bôi trơn, [W/m.K] Hệ số dẫn nhiệt nước biển, [W/m.K] Dạng gân Góc gân, γ Góc chữ V (góc chervon) β 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Tổng lượng nhiệt động tương ứng lượng nhiệt tỏa đốt cháy nhiên liệu chế độ định mức: 𝑄𝑜 = 𝐻𝑢 × 𝑔𝑒 × 𝑁𝑒 0,291 × 2940 = 41800.103 × = 9933770 [𝐽/𝑠] 3600 Lượng nhiệt qua két làm mát tương ứng tổn thất khí ổ trục, rô to tua bin máy nén thấp áp, cao áp rô to tua bin chân vịt: 9933770 𝑄𝑑 = 1% 𝑄0 = = 99337,7 [𝐽/𝑠] 100 Lưu lượng thể tích dầu bơi trơn qua két làm mát: 𝑚1 = 𝑀1 𝜌1 = 3,28 850 = 0,0039 [m3/s] Lưu lượng thể tích cần thiết nước biển qua két làm mát: 𝑚2 = 𝐶 99337,7 𝑝2 𝜌2 𝛥𝑇2 = 4174×994,5×3 = 0,008 [m3/s] Số kênh mơi chất dịng nước dầu bơi trơn tương ứng n1 = n2 = 60 [kênh] Vận tốc trung bình dòng dầu qua kênh: 0,0039 𝑚1 𝑤1 = 𝑏.ℎ.𝑛 = 0,3×0,005×60 = 0,043 [m/s] Vận tốc trung bình dòng nước biển qua kênh: 𝑤2 = 𝑚2 𝑏.ℎ.𝑛2 = 0,008 0,3×0,005×60 = 0,089 [m/s] Số Reynolds dịng dầu bôi trơn: 2 1 b a h 𝛿 de  M1 1 2 1 2 độ độ 40 4174 994,5 850 0,3 0,4 0,005 0,0005 0,005 16,3 3,28 0,0000045 0,000000754 0,1064 0,624 Hình thang 90 60 𝑤1 𝑑𝑒 0,043 × 0,005 = = 47,64 𝜈1 0,0000045 Số Nusselt dịng dầu theo cơng thức thực nghiệm Lỗi! Khơng tìm thấy ng̀n tham chiếu.: µ1 0,14 𝑁𝑢1 = 𝐴𝑅𝑒1𝑛 𝑃𝑟10,4 ( ) = 12,1 µ1𝑤 Trong đó: - A = 0,14 n = 0,73; - 𝑃𝑟1 = 𝑐1 𝜈1 𝜌1 𝜆1 = 71,3 số Prandtl trung bình dầu; - µ1, µ1w độ nhớt động lực học nhiệt độ trung bình nhiệt độ thành dầu 𝜇1 = 0,00386[𝑃𝑎 𝑠]; Trong đó: M1 – lưu lượng khối bơm hút dầu [kg/s] 𝑄𝑑 𝑅𝑒1 = ∆𝑡1 ∆𝑡2 Cw 𝜇1𝑤 = 0,00625[𝑃𝑎 𝑠] Hệ số trao đổi nhiệt dòng dầu với thành tấm: 𝛼1 = 𝑁𝑢1 𝜆1 𝑑𝑒 = 12,1×0,1064 0,005 = 257,6 [W/m2.oC] Số Reynolds dòng nước biển: 𝑤2 𝑑𝑒 0,089 × 0,005 𝑅𝑒2 = = = 587,75 𝜈2 0,754 × 10−6 Số Nusselt dịng nước biển Lỗi! Khơng tìm thấy ng̀n tham chiếu.: µ2 0,14 𝑁𝑢2 = 𝐴 𝑅𝑒2𝑛 𝑃𝑟20,4 ( ) = 29,35 µ2𝑤 Trong đó: - A = 0,14 n = 0,73; NLN *158 - 06/2022*19 - 𝑃𝑟2 = 𝑐2 𝜈2 𝜌2 𝜆2 = 5.0 số Prandtl trung bình nước biển; - µ2, µ2w độ nhớt động lực học nhiệt độ trung bình nhiệt độ thành nước biển 𝜇2 = 0,00075[𝑃𝑎 𝑠]; 𝜇2𝑤 = 0,000536[𝑃𝑎 𝑠] Hệ số trao đổi nhiệt dòng nước biển với thành làm mát: 𝛼2 = 𝑁𝑢2 𝜆2 29,35×0,624 = 𝑑𝑒 0,005 = 3663,45 [W/m2.oC] Hệ số truyền nhiệt tổng dòng dầu bơi trơn với dịng nước biển: 𝑘= 1 𝛿 + + 𝛼1 𝜆 𝛼2 𝜉𝑐 = 1 0,0005 + + 257,6 16,3 3663,45 1,1 Tổn thất áp suất kênh nước biển theo Mulley: 𝛥𝑝2 = 𝑓2 𝜌2 𝑤2 𝑎 𝑑𝑒 = 4.0,46 994,5.0,0892 0,4 0,005 = 579,78 [𝑃𝑎] 2.2 Thiết kế mơ hình 3D tấm làm mát Sử dụng phần mềm Siemens NX thiết kế mơ hình 3D phần trao đổi nhiệt (Hình 1) làm mát theo thông số Bảng Hình 1a thể phần gân trao đổi nhiệt, hình 1b góc gân β, hình 1c kích thước cụ thể gân hình thang = 217,2 [W/m2.oC] Trong đó: c – hệ số cản tính đến ảnh hưởng cặn bẩn bám b) Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit dòng chất lỏng: 𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝛥𝐴 −𝛥𝐵 𝑙𝑛 𝛥𝐴 𝛥𝐵 = (90−35)−(50−32) = 33,13 [oC] (90−35) 𝑙𝑛(50−32) a) Diện tích trao đổi nhiệt cần thiết làm mát két: 𝐹= 𝑄 𝑘.𝐿𝑀𝑇𝐷 = 99337,7 [m2] = 13,8 217,2×33,13 Hình Thiết kế phần trao đổi nhiệt tấm làm mát: Diện tích trao đổi nhiệt thực tế lớp chất lỏng: 𝐹𝑝𝑙 = 2𝑎 × 𝑏 × 𝑛1 = × 0,4 × 0,3 × 60 = 14,4 [m2] Như với số lượng 60 kênh nước 60 kênh dầu (121 tấm), diện tích trao đổi nhiệt két đảm bảo yêu cầu Nếu việc lựa chọn số kênh khơng đạt cần phải lựa chọn tính lại đạt giá trị phù hợp Để tính tổn thất áp suất kênh sử dụng công thức thực nghiệm với hệ số hiệu chỉnh Mulley [5],[6]: - Kênh dầu bôi trơn: f1 = ( )  ,83 30  30,     Re    Re +    6, 28 ,5 c) ,2 a) mơ hình 3D phần trao đổi nhiệt; b) gân với β = 60o; c) kích thước gân hình thang Phần dẫn hướng thiết kế cho đảm bảo dòng phân chia vào kênh trao đổi nhiệt không tạo thành điểm chết (Hình 2) Phần dẫn hướng có kết cấu dạng rãnh dập phía ngược chiều Nhiệm vụ phần dẫn hướng để định hướng dòng chảy từ lỗ dẫn chất lỏng đến phần trao đổi nhiệt Trong trình làm việc, phần dẫn hướng tham gia phần vào q trình trao đổi nhiệt dịng chất lỏng = 1, 667 - Kênh nước biển: f2 = ()  30 ,83  30,     Re    Re +    6, 28 ,5 ,2 = 0, 46 Theo Mulley Lỗi! Không tìm thấy nguồn tham chiếu., tổn thất áp suất kênh dầu bằng: 𝜌1 𝑤1 𝑎 850.0,0432 0,4 𝛥𝑝1 = 𝑓1 = 4.1,667 𝑑𝑒 0,005 = 419,2 [𝑃𝑎] Hình Mơ hình 3D phần dẫn hướng Mơ hình vị trí phần thể Hình Khuyết định vị khuyết dạng bán nguyệt đầu làm mát Khuyết định vị NLN *158 - 06/2022*20 có nhiệm vụ dẫn hướng cho làm mát q trình tháo lắp cố định vị trí chúng Rãnh chứa gioăng bố trí xung quanh làm mát lỗ dẫn chất lỏng nhằm chứa gioăng Sử dụng gioăng để đảm bảo làm kín mơi chất, tránh việc, nước biển rị rỉ vào dầu bôi trơn làm giảm chất lượng, tính làm việc dầu, gây hỏng hóc động Hình Mơ hình 3D tấm bố trí phần III MƠ PHỎNG TRUYỀN NHIỆT LIÊN HỢP GIỮA HAI KÊNH LƯU CHẤT CỦA KÉT LÀM MÁT DẠNG TẤM 3.1 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm Siemens FloEFD FloEFD phần mềm mô chất lưu truyền nhiệt, chạy độc lập tích hợp hồn tồn vào phần mềm CAD NX, Solidworks, SolidEdge, Catia Creo Cũng phần mềm CFD khác giải hệ phương trình Navier-Stokes phụ thuộc thời gian phương pháp thể tích hữu hạn [16]: 𝜕𝜌 𝜕 𝑝 (𝜌𝑢𝑖 ) = 𝑆𝑀 + 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝜌𝑢𝑖 𝜕 𝜕𝑝 + (𝜌𝑢𝑖 𝑢𝑗 ) + 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑖 𝜕 𝑝 𝑅 = (𝜏 + 𝜏𝑖𝑗 ) + 𝑆𝑖 + 𝑆𝐼𝑖 𝜕𝑥𝑗 𝑖𝑗 𝜕𝜌𝐻 𝜕𝜌𝑢𝑖 𝐻 𝜕 𝜕𝑝 𝑅 + = (𝑢𝑗 (𝜏𝑖𝑗 + 𝜏𝑖𝑗 ) + 𝑞𝑖 ) + 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑡 𝜕𝑢 𝑖 𝑝 𝑅 − 𝜏𝑖𝑗 + 𝜌𝜀 + 𝑆𝑖 𝑢𝑖 + 𝑆𝐻 + 𝑄𝐻 𝜕𝑥𝑗 𝐻=ℎ+ 𝑢2 𝛺2 𝑟 + 𝑘− − ∑ ℎ𝑚 𝑦𝑚 𝑚 Trong đó: u - vận tốc dịng lưu chất, ρ – mật độ; Si – đơn vị lực đơn vị khối lượng sức cản hơi, trọng lực hệ tọa độ quay; h – enthalpy; 𝑝 𝑝 𝑝 𝑆𝑀 , 𝑆𝐼𝑖 , 𝑆𝐻 biến trao đổi tiếp diện tương tác hạt Euler-Lagrange; QH – nguồn nhiệt đơn vị thể tích, τij – tensor ứng suất tiếp nhớt, qi – thông lượng nhiệt khuếch tán; Ω– vận tốc góc hệ tọa độ quay, r - khoảng cách từ điểm tới trục quay hệ tọa độ quay, k – động rối, hm0 enthalpy riêng phần tử thứ m hỗn hợp, ym – mật độ phần tử m Các số để thể trục tọa độ 𝑖, 𝑗 = 1,2,3 Mơ hình rối dùng để mô tả ảnh hưởng độ rối tới dòng chảy, đặc biệt tới ứng suất tiếp thơng lượng nhiệt tường, mơ hình rối lại phụ thuộc vào điều kiện dòng gần tường FloEFD sử dụng mơ hình rối k-ε Lam Bramhost phần dịng chảy chính, cịn lớp biên sử dụng mơ hình rối Prandlt Đối với lưu chất Newton, tensor ứng suất tiếp định nghĩa: 𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑢𝑘 𝜏𝑖𝑗 = 𝜇 ( + − 𝛿 ) 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑖 𝑖𝑗 𝜕𝑥𝑘 Theo giả thiết Boussienesq, tensor ứng suất Reynolds viết dạng: 𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑢𝑘 𝑅 𝜏𝑖𝑗 = 𝜇𝑡 ( + − 𝛿𝑖𝑗 ) − 𝜌𝑘𝛿𝑖𝑗 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑘 Trong đó, δij - hàm Kronecker (bằng i=j, ngược lại), μ – độ nhớt động lực học, μt – độ nhớt xoáy rối k – động rối Đối với dòng chảy tầng μt k 0, cịn với mơ hình rối k-ε μt xác định hai tham số động rối k khếch tán rối ε: 𝐶𝜇 𝜌𝑘 𝜇𝑡 = 𝑓𝜇 𝜀 Ở fμ hệ số nhớt rối xác định biểu thức: 20.5 𝑓𝜇 = [1 − exp(−0.0165𝑅𝑦 )] (1 + ) 𝑅𝑇 Trong đó: 𝜌𝑘 𝜌√𝑘𝑦 𝑅𝑇 = ; 𝑅𝑦 = 𝜇𝜀 𝜇 Với y khoảng cách từ tường Hàm cho phép chuyển đổi qua lại dòng chảy tầng chảy rối Hai phương trình biến đổi bổ sung dùng để biểu diễn động khuếch tán rối: 𝜕𝜌𝑘 𝜕 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝑘 (𝜌𝑢𝑖 𝑘) = + ((𝜇 + ) ) + 𝑆𝑘 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝑘 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝜌𝜀 𝜕 𝜕 𝜇𝑡 𝜕𝜀 (𝜌𝑢𝑖 𝜀) = + ((𝜇 + ) ) + 𝑆𝜀 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 𝜎𝜀 𝜕𝑥𝑖 Các tham số nguồn Sk Sε xác định: 𝜕𝑢𝑖 𝑅 𝑆𝑘 = 𝜏𝑖𝑗 − 𝜌𝜀 + 𝜇𝑡 𝑃𝐵 𝜕𝑥𝑗 NLN *158 - 06/2022*21 𝜀 𝜕𝑢𝑖 𝜌𝜀 𝑅 𝑆𝜀 = 𝐶𝜀1 (𝑓1 𝜏𝑖𝑗 + 𝜇𝑡 𝐶𝐵 𝑃𝐵 ) − 𝐶𝜀2𝑓2 𝑘 𝜕𝑥𝑗 𝑘 Ở PB biểu thị sinh rối lực viết dạng: 𝑔𝑖 𝜕𝜌 𝑃𝐵 = − 𝜎𝐵 𝜌 𝜕𝑥𝑖 Với gi thành phần gia tốc trọng trường theo phương xi, số σB= 0.9, CB = PB > nếu: 0.05 𝑓1 = + ( ) ; 𝑓2 = − exp (−𝑅𝑇2 ) 𝑓𝜇 Hằng số phương trình xác định thực nghiệm, đó: Cμ = 0,09; Cε1 = 1.44, Cε2 = 1.92; σε = 1.3; σε = Khi số Lewis Le = thơng lượng nhiệt khuếch tán xác định theo biểu thức: 𝜇 𝜇𝑡 𝜕ℎ 𝑞𝑖 = ( + ) ; 𝑖 = 1, 2, 𝑃𝑟 𝜎𝑐 𝜕𝑥𝑖 Với σc = 0.9, Pr - số Prandtl, h – enthalpy Đối với tốn tĩnh biến (ρ, ui, H, p, k, ε) phương trình khơng thay đổi theo thời gian FloEFD tự động phát miền lưới không đủ mịn để giải truyền thống kết hợp phương pháp giải tích biểu thức thực nghiệm Điều giúp giải toán thực tế mà khơng cần làm mơ hình vốn tốn nhiều công sức Lớp biên phân làm ba loại: dày, mỏng trung bình Lớp biên mỏng độ dày lớp biên δ nhỏ lần ô lưới sát biên h, lúc phần mềm sử dụng phương pháp giải tích (Hình 4a) Lớp biên coi “dày” δ >10h, phần mềm áp dụng hàm tường phương pháp VanDriest (Hình 4b) Trong trường hợp lớp biên trung bình kết hợp phương pháp cho có chuyển tiếp êm hai mơ hình: lưới mịn dùng thuyết Van-Driest, ngược lại giải biên mỏng kết hợp số thực nghiệm Đối với toán truyền nhiệt liên hợp chất lưu chất rắn, ngồi giải hệ Navier-Stokes thơng lượng nhiệt dẫn nhiệt vật rắn tính tốn theo phương trình: 𝜕𝜌𝑒 𝜕 𝜕𝑇 = (𝜆𝑖 ) + 𝑄𝐻 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 𝜕𝑥𝑖 Trong e – nội riêng với e = CT, C nhiệt dung riêng, QH lượng nhiệt tỏa (hoặc hấp thu vào) đơn vị thể tích, λi giá trị riêng tensor dẫn nhiệt Với môi trường đẳng hướng λ1 = λ2 = λ3 = λ Với tốn tĩnh e = const, phương trình viết dạng: 𝜕 𝜕𝑇 (𝜆 ) + 𝑄𝐻 = 𝜕𝑥𝑖 𝑖 𝜕𝑥𝑖 Năng lượng trao đổi chất lưu chất rắn tính tốn thơng qua thơng lượng nhiệt theo hướng vng góc với tiếp diện chúng, có tính tới nhiệt độ bề mặt chất rắn đặc tính lớp biên chất lưu cần FloEFD sử dụng phần tử lưới dạng hình hộp chữ nhật với tốn có tương tác chất lưu-chất rắn lưới gồm loại phần tử: chất lưu (tồn lưới lưu chất), chất rắn (toàn chất rắn), phần tử lai lớp biên gồm chất lưu chất rắn (Hình 5) Phần tử lai tính tốn theo hàm tường phần tử chứa tới 36 loại vật liệu khác Hình Các lưới tính tốn dạng khác nhau: 1) lưới chất lưu; 2) ô lưới lai biên chất lưu-chất rắn; 3) ô lưới chất rắn [16] a) Lớp biên “mỏng” với tâm khối phần tử gần tường nằm bên lớp biên (δ10h) Hình Phân loại lớp biên FloEFD [16] Bộ giải tính xấp xỉ phương trình bảo tồn theo tâm phần tử thể tích hữu hạn Trên tiếp diện chất rắn-chất lưu thơng lượng tính theo điều kiện biên có tính tới đường cong bề mặt áp dụng mơ hình lớp biên Truyền nhiệt liên hợp giải đồng thời tốn khơng tách thành vấn đề riêng có mối NLN *158 - 06/2022*22 liên hệ với giải khác (ví dụ Ansys Workbench) Như vậy, với việc sử dụng ô lưới hình hộp chữ nhật, phần tử lai chất lưu-chất rắn, hàm tường giải phương pháp kết hợp giải tích-phương trình thực nghiệm hệ phương trình bảo tồn NavierStockes, FloEFD phù hợp giải tốn với mơ hình 3D phức tạp thực tế mà phương pháp thơng thường khó giải được, ví dụ két làm mát dạng 3.2 Thiết lập mơ hình mơ Bảng 3) theo nhiệt độ nhập vào thư viện vật liệu phần mềm Hình Mơ hình mơ với tấm: kênh nước kênh dầu bơi trơn Mơ hình mơ (Hình 6) ghép làm mát tương ứng với kênh chất lưu (1 kênh dầu bôi trơn, kênh nước biển) Giữa có bố trí gioăng bao kín cao su cứng (hard rubber) Các tính tốn trao đổi nhiệt thực chế độ công suất định mức động tua bin khí Khi đó, lưu lượng dầu bôi trơn xác định thông qua lưu lượng bơm Các điều kiện biên mơ hình mơ thể Bảng Các tính chất dầu ( Bảng Các điều kiện biên kênh nước dầu Tên điều kiện biên Lưu lượng đầu vào (Inlet Volume Flow), m3/s Nhiệt độ đầu vào (Inlet Temperature), độ Áp suất tĩnh đầu (Outlet Static Pressure), Pa Kênh nước Kênh dầu 0,0001329 0,000643 32 90 101325 Bảng Thông số dầu bôi trơn nhập vào phần mềm Siemens FloEFD Nhiệt độ t, oC Khối lượng riêng ρ, kg/m3 Nhiệt dung riêng đẳng áp cp, kJ/(kg.К) Hệ số dẫn nhiệt λ, W/(m.K) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 892,5 886,4 880,3 874,2 868,2 862,1 856,0 850,0 843,9 837,8 831,8 825,7 819,6 1,549 1,620 1,666 1,729 1,788 1,846 1,905 1,964 2,026 2,085 2,144 2,202 2,261 0,1123 0,1115 0,1106 0,1008 0,1090 0,1082 0,1072 0,1064 0,1056 0,1047 0,1038 0,1030 0,1022 Hệ số khuếch tán nhiệt а·108, m2/s 8,14 7,83 7,56 7,28 7,03 6,80 6,58 6,36 6,17 6,00 5,83 5,67 5,50 Độ nhớt động lực học μ·104, Pa.s 629,8 335,5 198,2 128,5 89,4 65,3 49,5 38,6 30,8 25,4 21,3 18,1 15,7 Độ nhớt động học v·106, m2/s Hệ số giãn nở thể tích β·104, К-1 Hệ số Prandlt Pr 70,5 37,9 22,5 14,7 10,3 7,58 5,78 4,54 3,66 3,03 2,56 2,20 1,92 6,80 6,85 6,90 6,95 7,00 7,05 7,10 7,15 7,20 7,25 7,30 7,35 7,40 866 484 298 202 146 111 87,8 71,3 59,3 50,5 43,9 38,8 34,9 Mơ hình chia lưới (Hình 7) gồm 22.333.038 phần tử, lưu chất: 9.705.151; chất rắn: 12.627.887; phần tử lai: 5.131.768 Tại kênh hẹp theo mặt cắt đạt tối thiểu phần tử Hình Mơ hình chia lưới két làm mát NLN *158 - 06/2022*23 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết mơ vận tốc dịng chảy kênh nước dầu thể Hình cho thấy phần dẫn hướng dòng chảy vào kênh trao đổi nhiệt, khơng có vị trí dịng bị dừng (điểm chết) Ở phần trao đổi nhiệt dòng chảy rối đồng bao xung quanh điểm tiếp xúc hai tấm, giúp tăng cường trao đổi nhiệt đồng thời tăng tổn thất áp suất kênh a) b) Hình 10 Nhiệt độ trung bình đầu vào đầu dịng: a) dầu bơi trơn; b) nước biển a) Hình 11 Phân bố nhiệt độ tấm làm mát kênh b) Hình Phân bố vận tốc dịng kênh: a) nhìn từ xuống; b) mặt cắt ngang dọc Phân bố nhiệt độ vị trí tồn dịng chất lỏng (dầu bôi trơn nước biển) thay đổi dần từ đầu vào sang đầu ra, khơng có thay đổi nhiều theo bề ngang (Hình 9) Tổn thất áp suất dịng dầu bơi trơn: 𝛥𝑝1 = 101840,11 − 101325 = 515,11[𝑃𝑎] Tổn thất áp suất dòng nước biển: 𝛥𝑝2 = 101879,88 − 101325 = 554,88[𝑃𝑎] Sử dụng cơng thức Mulley [5] tổn thất áp suất kênh dầu nước biển tương ứng 419,2 Pa 579,8 Pa, sai số mơ tương ứng 22,9% 4,3% V KẾT LUẬN Hình Phân bố nhiệt độ dịng dầu bơi trơn dịng nước biển Nhiệt độ trung bình đầu dòng dầu nước tương ứng 50,54 oC 35,83 oC, phù hợp với tính tốn lý thuyết 50 oC 35 oC (Hình 10) Nhiệt độ làm mát lớn 89,97 oC đầu vào dòng dầu nhỏ 31,97 oC đầu vào nước biển (Hình 11) Nhiệt độ gioăng bao kín lớn 89,79 oC vị trí tiếp với đầu vào dầu nhỏ 31,97 oC vị trí tiếp xúc với đầu vào nước biển Bài báo trình bày kết mô trao đổi nhiệt liên hợp kênh nước dầu bôi trơn két làm mát động tua bin khí tàu thủy Mơ hình mơ với hai kênh nước dầu ngăn giữ nguyên thiết kế, không giản lược cơng bố khác Cấu trúc dịng lưu chất cho thấy thiết kế đạt yêu cầu tạo dịng rối đồng khơng có điểm chết Kết tính tốn nhiệt độ đầu cao tính toán lý thuyết kênh dầu nước tương ứng 0,54oC 0,83oC, sai số tổn thất áp suất so với công thức thực nghiệm 22,9% 4,3% Việc chế tạo thử nghiệm két tiêu tốn nhiều chi phí cơng sức nên cần nghiên cứu mơ để giảm thiểu sai sót tối ưu hóa thiết kế trước chế tạo Các kết tính tốn lý thuyết mơ cần so sánh với thực nghiệm NLN *158 - 06/2022*24 để khẳng định độ xác nằm hướng nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Manglik R M., Sundén Bengt, Wang Lieke Plate heat exchangers: Design, applications and performance WIT Press, 2007, 288p [2] Holger Martin A theoretical approach to predict the performance of chevron type plate heat exchangers Chem Eng Process 35 (4), 1996, pp.301-310 [3] D Dovic, B Palm, S Savaic Generalized correlations for predicting heat transfer and pressure drop in plate heat exchanger channels of arbitrary geometry Int J Heat Mass Transf 52, 2009, pp.4553-4563 [4] Arsenyeva O, Tovazhnyansky L, Kapustenko P The influence of plate corrugations geometry on plate heat exchanger performance in specified process conditions Energy 57, 2013, pp 201-207 [5] Muley A., Manglik R M Experimental Study of Turbulent Flow Heat Transfer and Pressure Drop in a Plate Heat Exchanger With Chevron Plates Journal of Heat Transfer,121(1),1999.pp.110-117 [6] Anisoara Arleziana Neagu, Claudia Irina Koncsag, Alina Barbulescu, Elisabeta Botez Estimation of pressure drop in gasket plate heat exchangers Ovidius University of Constanta, Volume 27, Number 1, pp 62- 72, 2016 DOI:10.1515/auoc2016-0011 [7] Aslam Bhutta M.M., Hayat N., Bashir M.H., Khan A.R.et al CFD applications in various heat exchangers design: A review Applied Thermal Engineering, 32, 2012 pp.1–12 DOI:10.1016/j.applthermaleng.2011.09.001 [8] Kanaris A.G., Mouza A.A., Paras S.V Flow and heat transfer prediction in a corrugated plate heat exchanger using a CFD code Chem Eng Technol 29 (8), 2006, pp.923-930 DOI: 10.1002/ceat.200600093 [9] Ying-Chi Tsai, Fung-Bao Liu, Po-Tsun Shen Investigations of the pressure drop and flow distribution in a chevron-type plate heat exchanger Journal International Communications in Heat and Mass Transfer, vol 36, 2009, pp 574 – 578 ISSN 0735-1933 [10] Xiao-Hong Han, Li-Qi Cui, Shao-Jie Chen, Guang-Ming Chen, Qin Wang A numerical and experimental study of chevron, corrugated-plate heat exchangers Int Commun Heat Mass Transf 37 (8), 2010, pp.1008-1014 [11] Iulian Gherasim, Nicolas Galanis, Cong Tam Nguyen Heat transfer and fluid flow in a plate heat exchanger Part II: Assessment of laminar and two-equation turbulent models Int J Therm Sci 50 (8), 2011, pp.1499-1511 [12] M Kan, O Ipek and B Gurel Plate Heat Exchangers as a Compact Design and Optimization of Different Channel Angles Acta Physica Polonica A Vol 128, 2015, pp49-52 DOI: 10.12693/APhysPolA.128.B-49 [13] Jan Skočilasa, Ievgen Palaziuk CFD simulation of the heat transfer process in a chevron plate heat exchanger using the SST turbulence model Acta Polytechnica 55(4):267 August 2015 DOI:10.14311/AP.2015.55.0267 [14] Sarraf K., Launay S., Tadrist L Complex 3D-flow analysis and corrugation angle effect in plate heat exchangers International Journal of Thermal Sciences, 94, 2015, pp.126–138 DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2015.03.002 [15] Olga Arsenyevaa, Leonid Tovazhnyanskya, et al Computer aided design of plate heat exchangers 20th European Symposium, 2010 DOI:10.1016/S1570-7946(10)28222-6 [16] Dassault Systems Technical Reference Solidworks Flow Simulation 2021, 160p NUMERICAL STUDY OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE DROP IN A PLATE HEAT EXCHANGER FOR COOLING OF MARINE GAS TURBINE Nguyen Quoc Quan*, Phung Van Duoc, Le Tien Duong - Le Quy Don Technical University Tran Van Nguong – Factory X52; Duong Quoc Cuong - Tran Dai Nghia University Email: ngquanturbine@lqdtu.edu.vn ABSTRACT Plate heat exchangers were widely used in many fields, including cooling marine gas turbine engines Due to the complex shape of the plate, the theoretical calculations were usually based on experimental coefficients The CFD simulation model was often simplified to ensure meshing quality This paper builds a simulation model of a plate heat exchanger with two seawater channels and lubricating oil separated by three cooling plates following the original complex design Using Siemens FloEFD software to simulate conjugate heat transfer, the channels' outlet temperature and pressure drop were consistent with the theoretical calculation  ... HÌNH KÉT LÀM MÁT DẠNG TẤM 2.1 Tính tốn diện tích trao đổi nhiệt két làm mát dầu bôi trơn động tua bin khí Đối tượng tính tốn nghiên cứu két làm mát dạng dùng làm mát dầu bôi trơn động tua bin khí. .. phần trao đổi nhiệt làm mát, [m] Chiều dài phần trao đổi nhiệt làm mát, [m] Khoảng cách làm mát, [m] Chiều dày làm mát, [m] Đường kính quy dẫn lớp mơi chất tấm, [m] Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm làm... trình bày kết mô trao đổi nhiệt liên hợp kênh nóng lạnh qua làm mát khơng giản lược Két thiết kế làm mát dầu bôi trơn động tua bin khí tàu thủy đối tượng có cơng bố tương tự trước II TÍNH TỐN THIẾT