(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Phạm Sơn Minh, người thầy tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu quan trọng, định hướng sửa chữa thiếu sót suốt q trình tơi nghiên cứu để hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình dạy dỗ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập trường Tơi cảm ơn lời hỏi thăm, giúp đỡ động viên nhiệt tình anh chị học viên lớp cao học khóa 2012-2014B ngành Kỹ Thuật Cơ Khí gia đình tạo điều kiện cho tơi học tập tốt Cuối tơi xin cảm ơn Phịng Cao học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện để tơi học tập thực xong luận văn Học viên thực ii TÓM TẮT Nhiệt thải nhiệt phát sinh trình đốt cháy nhiên liệu phản ứng hoá học thải ngồi mơi trường Hiện đa số qui trình sản xuất, phần lượng chưa tái sử dụng cho mục đích kinh tế qui trình sản xuất khác Nhìn chung, với phương pháp tận dụng nhiệt thải phổ biến nay, hiệu suất tận dụng nhiệt phụ thuộc lớn vào nhiệt độ khí thải Trong đề tài nghiên cứu tận dụng nhiệt thải, tận dụng nhiệt thải hệ thống thu hồi nhiệt cách tốt để tận dụng nhiệt thải tiết kiệm nhiên liệu Sự phục hồi sử dụng nhiệt thải khơng bảo tồn nhiên liệu nói chung nhiên liệu hóa thạch nói riêng, mà cịn làm giảm lượng nhiệt thải mơi trường hiêu ứng nhà kính môi trường Trong đề tài tác giả ứng dụng CAE thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động Sử dụng phẩn mềm Ansys Workbench 14 để mơ phân tích ảnh hưởng từ thơng số hệ thống đến nhiệt độ đầu khí Từ cho mơ hình hệ thống tận dụng nhiệt thải phù hợp Đề xuất mơ hình thực nghiệm, tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải , tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết iii ABSTRACT Waste heat is generated during fuel combustion or chemical reactions after that they are released into environment Currently, most of the manufacturing process, this energy is not re-used for economic purposes as well as other production processes yet In general, to get the best out of using waste heat, the utilization of heat depends greatly on the temperature of the exhaust gas In the researches to get the best out of using waste heat, the best way to take advantage of waste heat and save the economy is that using heat recovery system The re-use of waste heat not save the fuel in general and in particular fossil fuel, but also reduce the amount of waste heat into the environment and the greenhouse effect on the environment In this subject, the author has used CAE system to re-use waste heat from the engine He was using ANSYS Workbench 14 software to analysis the impact of the main parameters of the system to output air temperature Since then, the system model suitable waste heat Then, he will develop a waste heat system in the best way Proposed an empirical model, carried out the design and manufacturing systems utilize waste heat, conduct experiments and verify the results iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii Đề xuất mơ hình thực nghiệm, tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải , tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết iii MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG viii DANH SÁCH HÌNH ix Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài .9 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương NGHIÊN CỨU TỔNG THỀ VỀ CÁC DẠNG ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG MÔI TRƯỜNG PHẦN MỀM ANSYS CFX 11 2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 11 2.1.1 Giới thiệu chung 11 2.1.2 Kiểu tốn phân tích với ANSYS 14 13 2.2 Lý thuyết điều kiện biên 15 2.2.1 Định nghĩa điều kiện biên 15 2.2.2 Một số điều kiện biên toán học 15 2.3 Các dạng điều kiện biên ANSYS CFX [7] 16 2.3.1 Kiểu biên INLET 17 2.3.2 Kiểu biên OUTLET 18 2.3.3 Kiểu biên OPENING 19 v 2.3.4 Kiểu biên WALL 19 2.4 Lý thuyết truyền nhiệt 22 2.4.1 Khái niệm trao đổi nhiệt 22 2.4.2 Các phương thức trao đổi nhiệt 22 2.4.2.1 Dẫn nhiệt .23 2.4.2.2 Tỏa nhiệt (hay trao đổi nhiệt đối lưu) 25 2.4.2.3 Trao đổi nhiệt xạ 25 Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC THƠNG SỐ CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ ĐẦU RA CỦA KHÍ .28 3.1 Một số loại thiết bị tận dụng nhiệt thải 28 3.1.1 Thiết bị thu hồi nhiệt [9] 28 3.1.2 Thiết bị thu hồi nhiệt xạ kim loại [12] 28 3.1.3 Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu [10],[11] 29 3.1.4 Tuabin nhiệt [12] 30 3.1.5 Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống [13] 31 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hệ thống đến nhiệt độ đầu khí 32 3.2.1 Thiết kế mơ hình: 32 3.2.2 Thông số mô : .33 3.2.2.1 Các thông số công tác chủ yếu động .33 3.2.2.2 Thông số vật liệu 33 3.2.3 Thiết lập mơ hình mơ hệ thống phần mềm Ansys 14 35 3.2.4 So sánh kết mô phỏng: .36 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ SO SÁNH VỚI 43 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 4.1 Tìm hiểu động hình dạng kích thước ống xả khí thải cho thực nghiệm .43 4.1.1 Động máy phát điện CAT D333 .43 4.1.2 Ống xả khí thải : 43 4.2 Mơ q trình gia nhiệt khơng khí hệ thống 45 vi 4.2.1 Thiết kế, mô kiểm tra nhiệt độ với trường hợp .46 4.2.1.1 Thiết kế mơ hình ống bao 46 4.2.1.2 Mô , kiểm tra nhiệt độ đầu ( Trường hơp 1) .47 4.2.2 Thiết kế, mô kiểm tra nhiệt độ với trường hợp .52 4.2.2.1 Thiết kế mơ hình ống bao ngồi 52 4.2.2.2 Mô , kiểm tra nhiệt độ đầu ( Trường hơp 2) .52 4.3 Đề xuất cho mơ hình thực nghiệm 56 4.4 So sánh kết q trình thực nghiệm với mơ .58 4.4.1 Quá trình thực nghiệm : 58 4.4.2 Kết thực nghiệm .59 4.4.3 So sánh với kết mô 59 Chương KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Nguồn nhiệt thải chất lượng Bảng 1.2: Nhiệt độ nhiệt thải vùng nhiệt độ cao từ nguồn khác Bảng 1.3 Nhiệt độ nhiệt thải điển hình vùng nhiệt độ trung bình từ nguồn khác .4 Bảng 1.4: Nhiệt độ nhiệt thải điển hình vùng nhiệt độ thấp từ nguồn khác Bảng 1.5 Các ứng dụng thiết bị thu hồi nhiệt thải Bảng 3.1: Kết mô sau thay đổi khoảng cách X với mẫu 36 Bảng 3.2: Kết mô sau thay đổi khoảng cách X với mẫu 37 Bảng 3.3: Kết mô sau thay đổi khoảng cách X với mẫu 38 Bảng 3.4: Kết mô sau thay đổi khoảng cách X với mẫu 39 Bảng 3.5: Kết mô mẫu 40 Bảng 3.6: Kết mô tạo gân ống xả 41 Bảng 3.7: Kết mô thay đổi thống số lưu lượng hút 41 Bảng 4.1: Kết mô mẫu (trường hợp 1) 50 Bảng 4.2: Kết mô nhiệt độ đầu (outlet) trường hợp .51 Bảng 4.3: Kết mô mẫu (trường hợp 2) 55 viii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 : Giao diện ANSYS 14 13 Hình 2.2: Trình tự để giải toán ANSYS 14 14 Hình 2.3 :Điều kiện biên mơ hình đa pha 16 Hình 2.4 : Các điều kiện biên định nghĩa dịng chảy 17 Hình 2.5: Kiểu biên Symmetry 21 Hình 2.6 : Mơ hình không thiết lập điều kiện biên đối xứng 21 Hình 2.7: Ba phương thức trao đổi nhiệt (a): dẫn nhiệt; (b): đối lưu; (c): xạ 22 Hình 2.8: Cân nhiệt cho dV V 24 Hình 2.9 : Tia nhiệt thang đo sóng điện từ 26 Hình 3.1 : Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004) 28 Hình 3.2: Thiết bị thu hồi nhiệt xạ kim loại (Hardtech Group) 29 Hình 3.4: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp .30 Hình 3.3: Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu (Reay, D.A., 1979) .30 Hình 3.5: Tuabin nhiệt (SADC, 1999) 31 Hình 3.6: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống bọc 32 Hình 3.7a: Mơ hình thực tế Hinh 3.7b: Mơ hình thí nghiệm .33 Hình 3.8 : Kích thước sơ ống xả khí thải 34 Hình 3.9: Các mẫu thiết kế ống bao 35 Hình 3.10: Miêu tả thống số đầu vào cho toán .35 Hình 3.11: Biểu đồ nhiệt độ đầu thay đổi khoảng cách X với mẫu 36 Hình 3.12 :Biểu đồ nhiệt độ đầu thay đổi khoảng cách X với mẫu 37 Hình 3.13: Biểu đồ nhiệt độ đầu thay đổi khoảng cách X với mẫu 38 Hình 3.14: Biểu đồ nhiệt độ đầu thay đổi khoảng cách X với mẫu 39 Hình 3.15: Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu mẫu 40 Hình 3.16: Tạo gân ống xả 40 Hình 3.17: Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu tạo gân ống xả mẫu 41 Hình 3.18: Biểu đồ nhiệt độ đầu thay đổi thống số lưu lượng hút 42 ix Hình 3.19 : Biểu đồ so sánh nhiệt độ mẫu 2T, 2S 42 Hình 4.1 : Động máy phát điện CAT D333 43 Hình 4.2 : Ống xả khí thải 44 Hình 4.3 : Kích thước sơ ống xả .44 Hình 4.4 : Q trình gia nhiệt khơng khí hệ thống 45 Hình 4.5 : Hai trường hợp mơ (1): dịng gia nhiệt quạt thổi đặt đầu vào(inlet); (2): dòng gia nhiệt quạt hút đặt đầu ra(outlet) .46 Hình 4.6 : Ống bao ngồi kích thước 46 Hình 4.7 : Mơ hình 3D ( trường hợp 1) 47 Hình 4.8 : Mơ hình hình học toán 47 Hình 4.9: Chia lưới 47 Hình 4.10: Miêu tả thống số đầu vào cho toán 48 Hình 4.11: Điều kiện biên INLET 48 Hình 4.12: Điều kiện biên OUTLET 49 Hình 4.13: Điều kiện biên WALL 49 Hình 4.14: Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu mẫu (trường hợp 1) .50 Hình 4.15: Tạo gân ống xả 50 Hình 4.17: Ống bao ngồi kích thước 52 Hình 4.18: Mơ hình 3D ( trường hợp 2) .52 Hình 4.19: Mơ hình hình học toán 53 Hình 4.20: Chia lưới 53 Hinh 4.21: Miêu tả thống số đầu vào cho tốn 53 Hình 4.22: Điều kiện biên INLET 54 Hình 4.23: Điều kiện biên OUTLET 54 Hình 4.24: Điều kiện biên WALL 55 Hình 4.25: Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu mẫu (trường hợp 2) .56 Hình 4.26: Kích thước ống bao ngồi mơ hình thực nghiệm 56 Hình 4.27: a) Quạt thổi 57 Hình 4.28: Lắp ống bao cách nhiệt ống Amiang 58 Hình 4.29: Nhiệt độ đo Turbo cổ ống xả 58 x Qua kết phân tích nhiệt độ đầu khí trường hợp đề xuất trường hợp (mẫu X=190mm) để thiết kế cho mơ hình thực nghiệm Trong mơ hình thí nghiệm dịng khí gia nhiệt (khí lạnh) ngược chiều với dịng khí thải ống xả (khí nóng) ,khác với mơ hình thực nghiệm dịng khí nóng lạnh song song, truyền nhiệt hiệu so với dòng khí ngược chiều Kết thí nghiệm kết mơ giúp chủ động việc tăng giảm nhiệt độ đầu khí cần thiết cách thay đổi thơng số hệ thống như: thiết kế, lưu lượng hút, linh hoạt việc ràng buộc điều kiện biên, tiết kiệm chi phí chế thạo mơ hình nhiều lần 5.2 Tính khả thi đề tài: Việc mô thành công kết nhiệt độ đầu hệ thống tận dụng nhiệt thải môi trường Ansys Workbench 14 So sánh với kết thực nghiệm hồn tồn có khả áp dụng vào thực tiễn Trong thực tế ống xả khí thải có nhiều hình dáng, kích thước khác nhau, việc áp dụng phần mềm Ansys 14 vào mô hệ thống tiết kiệm chi phí chế tạo thử nghiệm đảm bảo kết xác 5.3 Những vấn đề tồn đề tài hướng phát triển: - Những vấn đề tồn đề tài : giới hạn đề tài khơng có điều kiện để thử tải động mà dùng 1/3 tải - Hướng phát triển đề tài : + Cải thiện hệ thống thu nhiệt cách linh hoạt ống xả không đạt nhiệt độ mong muốn ( nhiệt độ ống xả cao hoăc thấp) + Thiết kế thêm bô phận giữ nhiệt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT PGS.TS Bùi Hải , PGS.TS Bùi Thế Sơn, Giáo trình Kỹ thuật nhiệt , NXB Khoa học kỹ thuật PGS.TS Lê Viết Lượng , Lý thuyết động Diesel ,NXB Giáo dục, 2000 PGS.TS.Đỗ Thành Trung , Giáo trình Ansys – Phân tích ứng suất biến dạng PGS.TS.Nguyễn Hồi Sơn , TS.Phan Đức Huynh, Giáo trình ứng dụng Ansys vào toán kỹ thuật Nồi tận dụng nhiệt khí xả động Diezel tàu thủy kiểu Moduyn, GS.TS.Lê Viết Lượng, NCS.Nguyễn Ngọc Hải, KS.Phan Văn Đức Nghiên cứu tận dụng nhiệt từ khí xả động để chạy máy lạnh, Nguyễn Hữu Huệ, Chu Mai Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành Nghiên cứu tính tốn mơ nhiệt - kết cấu cho buồng đốt động hàng không môi trường phần mềm Ansys Workbench Ansys CFX TIẾNG NƯỚC NGOÀI Fuel Economy in furnaces and Waste heat recovery-PCRA Sustainable Energy Authority of Victoria (SEAV), Australia Best Practice Design, Technology and Management, Module 2004 10.Heat Recovery Systems by D.A.Reay, E & F.N.Span, London, 1979 11.Reay, D.A Low Temperature Waste Heat Recovery in the Process Industry Good Practice Guide No 141 1996 12.SADC Energy Sector Module 15 Heat Recovery Systems Developed as part of the SADC Industrial Energy Management Project for the Canadian International Development Agency www.siemp.co.zw/manuals/htm 1999 13.King Fahad University of Petroleum & Minerals 2003 14.Hardtech Group www.hardtech.es/hgg_tt_hrt.0.html 63 PHỤ LỤC 64 65 66 67 68 69 70 71 72 Mô cho thực nghiệm Trường hợp ( X = 210 mm) Trường hợp ( X = 190 mm) Trường hợp ( X = 170 mm) 73 Trường hợp ( X = 210mm) Trường hợp ( X = 190mm) Trường hợp ( X = 170mm) 74 Tạo gân ống xả trường hợp Mẫu ( X = 210mm) 75 S K L 0 ... vậy, nghiện cứu thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động vào việc sấy khô loại nông sản, hải sản dược liệu vấn đề cần thiết cấp thiết Hệ thống sấy tận dụng nhiệt thải từ động hệ thống cung cấp... Thiết lập qui trình ứng dụng cơng cụ mơ (CAE) cho q trình thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải - Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hệ thống đến nhiệt độ đầu khí - Thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng. .. phương pháp tận dụng nhiệt thải phổ biến nay, hiệu suất tận dụng nhiệt phụ thuộc lớn vào nhiệt độ khí thải Trong đề tài nghiên cứu tận dụng nhiệt thải, tận dụng nhiệt thải hệ thống thu hồi nhiệt cách