TỔNG QUAN
Lí do chọn đề tài
Trong những thập kỷ qua, bộ trao đổi nhiệt đã trở thành hệ thống kỹ thuật thiết yếu cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu Nhu cầu tiết kiệm năng lượng, vật liệu và những thách thức về môi trường đã thúc đẩy nghiên cứu phát triển công nghệ và kỹ thuật mới nhằm cải thiện quá trình truyền nhiệt Các thiết bị trao đổi nhiệt hiệu suất cao ngày càng được chú trọng, với thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống nổi bật nhờ vào hiệu suất trao đổi nhiệt cao, khả năng chịu áp suất lớn và tính linh hoạt trong thiết kế.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với cấu trúc lá xoắn liên tục mang lại diện tích tiếp xúc lớn giữa ống dẫn và ống làm bằng vật liệu dẫn nhiệt, cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn Thiết kế nhỏ gọn của thiết bị này tối ưu hóa năng lượng trong quá trình trao đổi nhiệt, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động.
Nhóm chúng tôi đã quyết định tiến hành khảo sát thiết bị bằng cách thực hiện mô phỏng số cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục.
Mục đích và nhiệm vụ
Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với lá xoắn liên tục được thực hiện với nhiều thông số làm việc khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể và tổn thất áp suất Qua đó, lựa chọn mô hình và thông số tối ưu Tiếp theo, mô hình mới với hai lá xoắn sẽ được khảo sát dưới điều kiện tối ưu Cuối cùng, bài viết đưa ra kết luận và kiến nghị cho đề tài nghiên cứu.
* Nhiệm vụ của đề tài bao gồm:
Thiết lập mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với thành trơn, ống lồng ống có một lá xoắn liên tục, và ống lồng ống có hai lá xoắn liên tục là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt Các mô hình này giúp phân tích và tính toán cơ sở lý thuyết cho quá trình trao đổi nhiệt, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị Việc áp dụng các cấu trúc xoắn liên tục không chỉ cải thiện khả năng trao đổi nhiệt mà còn giảm thiểu áp lực chênh lệch, góp phần vào sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.
- Thực hiện mô phỏng và đọc hiểu kết quả sau khi mô phỏng
- Đánh giá, so sánh kết quả và đưa ra kết luận.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tập trung vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục, trong đó lưu chất nước nóng có nhiệt độ từ 36℃ đến 40℃ chảy bên trong ống, trong khi lưu chất nước lạnh với nhiệt độ từ 8℃ đến 17℃ di chuyển ở phần vành khuyên giữa hai ống.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đánh giá tài liệu là việc sử dụng các bài báo khoa học và nghiên cứu trước đó để phản biện và xây dựng cơ sở lý luận cho nghiên cứu của nhóm.
Phương pháp tính toán lý thuyết sử dụng các thông số và dữ liệu hiện có để thực hiện các phép tính cần thiết Trong khi đó, phương pháp thực nghiệm dựa vào số liệu thu thập từ các lần mô phỏng mô hình, sau đó tiến hành phân tích và đánh giá kết quả.
Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm việc tính toán hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể, xác định hệ số truyền nhiệt đối lưu và đánh giá tổn thất áp suất trong hệ thống Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện thiết kế hệ thống nhiệt.
Giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị chuyên dụng để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa chất cần gia nhiệt và chất mang nhiệt, được ngăn cách bởi vách hoặc ống nhằm tránh sự pha trộn Thiết bị này đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như điện, thực phẩm và điều hòa không khí, góp phần thúc đẩy sản xuất công nghiệp và cải thiện đời sống con người.
Thiết bị trao đổi nhiệt được phân loại dựa trên cấu trúc thành ba dạng chính: thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp.
1.5.1 Thiết bị trao đổi dạng ống
* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, hoạt động hiệu quả ở các mức áp suất, nhiệt độ và lưu chất khác nhau Trong thiết bị này, lưu chất di chuyển trong ống chùm, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp theo chiều cùng hoặc ngược chiều với môi chất bên ngoài ống.
Hình 1.1 Thiếu bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
Thiết bị này có cấu trúc ống nhỏ đặt đồng tâm với ống lớn, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt giữa hai dòng chất lỏng Tuy nhiên, thiết kế ống đôi này thường chỉ được sử dụng cho lưu lượng thấp.
Hình 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
* Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh
Loại thiết bị này bao gồm các ống trao đổi nhiệt và cánh tản nhiệt được gắn lên ống thông qua gá hoặc hàn Nó có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như HVAC và kho lạnh.
Hình 1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh
1.5.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm thép giăng
Loại thiết bị này bao gồm một chuỗi tấm trao đổi nhiệt được ghép kín bằng giăng cao su hỗn hợp, tạo ra nhiều khe rãnh cho hai lưu chất nóng và lạnh chạy xen kẽ, từ đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt hiệu quả giữa chúng.
Hình 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín
Các tấm trao đổi nhiệt được xếp chồng lên nhau, với hai tấm kim loại được hàn kín ở giữa, giúp tạo ra không gian kín Điều này góp phần giảm thiểu tổn thất nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt.
Hình 1.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín
* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc
Loại thiết bị này bao gồm hai tấm trao đổi nhiệt được uốn thành hình xoắn ốc, giúp tạo ra hai lối ra vào đơn Thiết kế xoắn ốc không chỉ hạn chế việc bám cặn mà còn tăng hiệu quả truyền nhiệt.
Hình 1.6 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc
1.5.3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp
Thiết bị giải nhiệt thường được sử dụng trong các quá trình sản xuất để làm mát hiệu quả Nước sau khi được làm mát sẽ được tuần hoàn trong hệ thống nhiệt để trao đổi nhiệt Những thiết bị này có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, hiệu suất cao và nhiều mức độ điều chỉnh, phổ biến như tháp giải nhiệt và bộ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
Giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lá xoắn liên tục
Thiết bị này bao gồm hai cặp ống đồng tâm và một lá xoắn liên tục được lắp đặt ở khu vực vành khuyên giữa hai ống Việc bổ sung lá xoắn giúp tăng chiều dài trao đổi nhiệt, từ đó tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt giữa hai môi chất.
Hình 1.8 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lá xoắn liên tục
Có nhiều ưu điểm nổi bật:
Cấu trúc ống kép xoắn với diện tích tiếp xúc lớn giữa hai dòng chất lỏng giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt Nhờ đó, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả hơn, nâng cao khả năng truyền nhiệt.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với lá xoắn liên tục có thiết kế nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền nhiệt cao trong diện tích hạn chế.
Vách ngăn xoắn ốc giúp giảm bám bẩn bằng cách gián đoạn dòng chảy và tạo ra sự nhiễu loạn, từ đó làm giảm sự tích tụ bẩn trên các bề mặt truyền nhiệt Điều này mang lại lợi ích đặc biệt cho hiệu suất hoạt động của hệ thống.
7 ứng dụng liên quan đến chất lỏng có xu hướng bám bẩn cao, vì nó giảm thiểu nhu cầu vệ sinh cũng như bảo trì thường xuyên
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống nổi bật với tính linh hoạt cao, có khả năng xử lý nhiều loại chất lỏng, bao gồm chất lỏng ăn mòn, nhớt và ở nhiệt độ cao Chúng có thể được tùy chỉnh và thiết kế phù hợp với các yêu cầu quy trình cụ thể, giúp đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình truyền nhiệt
* Một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất truyền nhiệt:
Tốc độ dòng chảy và lưu lượng chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất trao đổi nhiệt Khi tốc độ dòng chảy quá nhanh hoặc lưu lượng giữa hai dòng lưu chất chênh lệch lớn, hiệu suất trao đổi nhiệt sẽ không được tối ưu.
Tính chất của vật liệu thiết kế bề mặt trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hiệu suất của bề mặt này, cũng như độ bền và mức độ hao mòn mà nó phải chịu.
Sự chênh lệch nhiệt độ giữa lưu chất lạnh và lưu chất nóng là yếu tố quan trọng trong thiết kế thiết bị Độ chênh lệch nhiệt độ lớn giúp chất làm mát hạ nhiệt hiệu quả hơn cho lưu chất nóng, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Cáu cặn là hiện tượng không thể tránh khỏi trong các thiết bị trao đổi nhiệt, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất truyền nhiệt Sự xuất hiện của bẩn và cặn bám làm giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và cản trở dòng lưu chất, dẫn đến giảm hiệu quả hoạt động và có thể làm hư hại kết cấu thiết bị nếu không được xử lý kịp thời.
Diện tích trao đổi nhiệt là yếu tố quan trọng trong hiệu suất truyền nhiệt, vì lượng nhiệt chủ yếu được trao đổi qua bề mặt tiếp xúc Khi diện tích tiếp xúc tăng, hiệu suất truyền nhiệt cũng tăng theo Tuy nhiên, việc mở rộng diện tích truyền nhiệt có thể gây khó khăn trong quá trình lắp đặt và sản xuất.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống bao gồm hai ống đồng tâm, cho phép truyền nhiệt giữa hai chất lỏng mà không trộn lẫn Thiết bị này có nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào thiết kế, ứng dụng và yêu cầu không gian Tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt đều có vách ngăn cách chất lỏng, giúp truyền nhiệt đồng thời Ống lồng ống là một trong những thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản với cấu hình linh hoạt, có hai loại chính là chảy ngược chiều và chảy cùng chiều.
Nguyên lý hoạt động
Bài viết mô tả một hệ thống bao gồm hai ống đồng tâm, trong đó một chất lỏng lưu thông bên trong ống nhỏ và một chất lỏng khác chảy qua không gian giữa hai ống Hai chất lỏng này thực hiện quá trình trao đổi nhiệt qua vách ngăn giữa chúng, giúp sản phẩm đạt được nhiệt độ cần thiết.
Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống [3]
- Các loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống:
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống được phân loại theo hướng dòng chảy, bao gồm dòng chảy cùng chiều và dòng chảy ngược chiều Việc lựa chọn giữa hai loại dòng chảy này ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt, tổn thất áp suất trong hệ thống và tính tiện lợi, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.
❖ Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dòng chảy ngược chiều
Thiết kế tối ưu cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là dòng chảy ngược, giúp đạt được hệ số truyền nhiệt tốt nhất Mô hình này cho phép thiết bị hiệu quả trong việc làm lạnh hoặc làm nóng các đầu ra theo yêu cầu.
Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dòng ngược chiều [3]
Trong dòng chảy ngược chiều, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các chất lỏng tối đa xảy ra ở cả hai đầu Khi xem xét sơ đồ, chất lỏng số 1 (nóng) và chất lỏng số 2 (lạnh) cho thấy rằng nhiệt độ bên lạnh ở đầu ra (T2out) có thể đạt gần bằng T1in, và nhiệt độ này lớn hơn T1out.
❖ Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dòng chảy cùng chiều
Dòng chảy cùng chiều là loại mà các đầu vào và đầu ra ở một đầu Truyền nhiệt ít hơn dòng chảy ngược và hiệu quả thấp
Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dòng chảy cùng chiều [3]
Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt theo chiều cùng có hiệu suất và tốc độ truyền nhiệt thấp hơn so với thiết kế ngược dòng Tuy nhiên, thiết kế này vẫn rất cần thiết cho một số ứng dụng cụ thể.
Ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
Trong bối cảnh các ngành công nghiệp ngày càng phải tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về bảo vệ môi trường và quản lý nguồn nước, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống đã trở thành giải pháp hàng đầu để đáp ứng các quy định này.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm hóa chất, điện, và dầu khí Chúng được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp nặng và nhẹ, cũng như trong máy nén và lò hơi do khả năng chịu nhiệt độ cao Ngoài ra, thiết bị này còn được áp dụng trong xử lý nước thải, lọc dầu, và hệ thống làm mát, sưởi ấm của nhà máy chế biến.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là một giải pháp phổ biến trong các ứng dụng sử dụng hơi nước, nước, chất nóng ngưng tụ và các chất lỏng tương thích khác Nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm và nước giải khát Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp đã áp dụng thiết bị này trong quy trình công nghệ, đặc biệt trong ngành sản xuất đồ hộp thực phẩm.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là giải pháp hiệu quả cho quá trình tiệt trùng dung dịch thực phẩm, nhờ vào khả năng nâng nhiệt độ nhanh chóng và duy trì vận tốc dòng chảy lớn Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tiệt trùng công nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất và đảm bảo an toàn thực phẩm.
Sử dụng trong các hệ thống truyền nhiệt giữa các môi trường khí-lỏng, lỏng-lỏng và hơi-lỏng, thiết bị này lý tưởng cho các chất lỏng có độ nhớt cao hoặc chứa hạt và sợi.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm công nghiệp hóa chất, giải trí, dịch vụ du lịch, sinh hoạt, giao thông vận tải, ngành hóa, y tế, nhà máy nhiệt điện và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Ưu, nhược điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
- Có thể xử lý tốt cả áp suất cao và nhiệt độ cao vì chúng có thể giãn nở tự do và có kết cấu chắc chắn, đơn giản
- Các bộ phận của chúng đã được tiêu chuẩn hóa do tính phổ biến của chúng, cho phép dễ dàng tìm nguồn cung ứng và sửa chữa
- Chúng là một trong những thiết kế linh hoạt nhất, cho phép dễ dàng thêm/ tháo các bộ phận
- Có diện tích nhỏ, cần ít hoặc không cần không gian bảo trì trong khi vẫn truyền nhiệt tốt
- Thiết kế của chúng cho phép giãn nở nhiệt nhiều hơn mà không cần bất kì khe co giãn nào
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có khả năng ghép nối tiếp hoặc song song, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt một cách hiệu quả Việc bổ sung cánh tản nhiệt và tạo các đường cong chữ U không chỉ nâng cao khả năng truyền nhiệt mà còn làm cho thiết bị trở nên linh hoạt, dễ dàng sửa chữa và nâng cấp.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có hiệu suất truyền nhiệt thấp hơn so với thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng vỏ, do đó, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền nhiệt không quá cao.
- Nó không có sẵn trong thiết kế dòng chảy chéo Do đó, không thể sử dụng các thiết bị trao đổi này cho một số ứng dụng cụ thể
- Khi thêm bất kì thiết bị bổ sung nào, khả năng rò rỉ sẽ tăng lên do số lượng mối nối tăng
- Có nhiều khả năng rò rỉ từ các kết nối bị loại bỏ
- Những thiết bị trao đổi nhiệt này có những hạn chế về truyền nhiệt và có thể được sử dụng cho các nơi có diện tích nhỏ
- Các ống dễ bị bám bẩn và khó vệ sinh nếu không tháo rời toàn bộ dàn trao đổi nhiệt.
Các công thức liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
Nhóm sẽ sử dụng cơ sở lý thuyết mà bài báo đưa ra kết hợp cơ sở lý thuyết từ sách
“Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt” [4] của thầy Hoàng Đình Tín cho phần này
Vật liệu của các bộ phận trao đổi nhiệt là thép không gỉ và hệ số dẫn nhiệt của nó ở nhiệt độ 36℃ là 𝜆 = 15,2 W/mK
❖ Phương trình cần bằng nhiệt Q:
Trong công thức nhiệt, Q đại diện cho dòng nhiệt tính bằng watt (W), G là lưu lượng khối lượng tính bằng kg/s, và cp là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp tính bằng kJ/kg.℃ Các ký hiệu tn” và tl” thể hiện nhiệt độ đầu ra của chất lỏng nóng và lạnh, trong khi tn’ và tl’ là nhiệt độ đầu vào của chúng.
❖ Tính vận tốc trung bình:
Vận tốc trung bình của chất lỏng được ký hiệu là 𝑢 (m/s), trong khi khối lượng riêng của lưu chất được biểu thị bằng 𝜌 (kg/m³) Đường kính thủy lực được ký hiệu là Dh (m) và lưu lượng khối lượng được ký hiệu là G (kg/s).
Với Re là số Reynolds và được tính bởi công thức:
Trong đó: 𝜇 là độ nhớt động lực học (Pa.s)
Với Pr là số Prandtl được tính bởi công thức:
❖ Tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt: m c p p p
Tổn thất áp suất do ma sát:
Tổn thất áp suất do ma sát trong ống được tính bằng công thức ∆𝑝 𝑚 = 𝑓 * (L/Di) * (𝜌 * ul²)/2, trong đó ∆𝑝 𝑚 là tổn thất áp suất (Pa), Di là đường kính trong của ống (m), L là chiều dài ống (m), 𝜌 là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/𝑚³), ul là vận tốc trung bình của chất lỏng (m/s), và 𝑓 là hệ số ma sát.
KhiRe 10= 4 −2.10 5 thì 0,1364 0,25 f = Re Tổn thất áp suất cục bộ:
Trong đó: f là giá trị hệ số ma sát, ∆𝑝 𝑐 là tổn thất áp suất cục bộ (Pa)
❖ Đường kính thủy lực của ống trơn:
Trong đó: Dh là đường kính thủy lực (m), Ds là đường kính ngoài của ống bên ngoài (m),
Do là đường kính ngoài của ống bên trong (m).
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục
Lá xoắn gắn ở khu vực vành khuyên giữa hai ống của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có tác dụng làm tăng nhiễu loạn và mở rộng diện tích bề mặt truyền nhiệt Khi số Reynolds cao, áp suất giảm đáng kể với độ xoắn giảm Ngược lại, ở số Reynolds thấp, lá xoắn trở nên lý tưởng hơn để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với lá xoắn ở khu vực vành khuyên giữa hai ống đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất truyền nhiệt.
So với các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có thành trơn, thiết bị mới cho thấy khả năng truyền nhiệt tăng gấp ba lần và giảm áp suất lớn hơn từ hai đến bốn lần.
Chúng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sưởi ấm không gian, điều hòa không khí, làm mát, sản xuất điện, các hệ thống kỹ thuật, ngành hóa dầu và các hệ thống liên quan đến khí dễ cháy.
Hình 2.4 Ống lồng ống có lá xoắn
Nhiệt độ đầu vào, lưu lượng và khoảng cách xoắn là những yếu tố chính ảnh hưởng đến tổn thất áp suất và hệ số trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục Nhóm chúng tôi đã thực hiện nhiều mô phỏng nhằm tìm hiểu và xác định các thông số cũng như cấu hình tối ưu nhất cho thiết bị này.
Các công thức của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục [9]
Trong đó: u là vận tốc chất lỏng, t là nhiệt độ, p là áp suất, 𝜌 là mật độ chất lỏng, m là độ nhớt động học của chất lỏng và Prandtl
Các phương trình vận chuyển thực tế mô hình 𝑘 − 𝜀 được đưa ra dưới đây:
❖ Phương trình động năng hỗn loạn: i t i i i u k v k x x v x
❖ Phương trình tiêu tán năng lượng hỗn loạn :
❖ 𝛤 đại diện cho việc tạo ra động năng hỗn loạn do gradient vận tộc trung bình và được tính: i i j i i j turb i j i i u u u u u u v x x x x
❖ Độ nhớt động học là:
❖ Các hằng số thực nghiệm cho khả năng thực hiện được mô hình mô hình 𝑘 – 𝜀 hỗn loạn là:
❖ Vận tốc trung bình của chất lỏng phía vành khuyên: u G
Trong đó: G là lưu lượng khối lượng (kg/s), 𝜌 là khối lượng riêng (kg/m 3 ), A là diện tích mặt cắt ngang (m 2 )
❖ Diện tích mặt cắt vành khuyên:
Diện tích mặt cắt ngang của vành khuyên được ký hiệu là A (m²), trong khi B đại diện cho khoảng cách xoắn Đường kính ngoài của ống bên ngoài được ký hiệu là Ds, và D0 là đường kính ngoài của mặt ống bên trong.
❖ Với giá trị vận tốc trung bình, số Reynolds cho phía vành khuyên được xác định:
❖ Dòng nhiệt của chất lỏng bên khuyên (nước lạnh):
❖ Dòng nhiệt của chất lỏng bên trong ống (nước nóng):
(2 ) s o fin fin h fin fin o fin
Trong đó: Dh là đường kính thủy lực (m 2 ), Ds là đường kính ngoài của ống bên ngoài (m),
Do là đường kính ngoài của ống bên trong (m), N là số là xoắn, h fin chiều cao lá xoắn (m),
fin là bề dày lá xoắn (m).
❖ Số Nusselt cho phía vành khuyên là:
Trong đó: α là hệ số truyền nhiệt đối lưu, Dh là đường kính thủy lực, 𝑘 là độ dẫn nhiệt của chất lỏng
❖ Số Nusselt cho ống trong:
❖ Tổn thất áp suất qua ống trong là:
❖ Hệ số ma sát của ống trong:
❖ Đánh giá hệ số truyền nhiệt phía vành khuyên:
❖ Mối liên hệ giữa hệ số ma sát 𝑓, số Reynolds và khoảng cách lá xoắn B:
❖ Mối liên hệ giữa số Reynolds và khoảng cách xoắn B:
❖ Hệ số tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể 𝜂 (%):
❖ Chiều dài đường dẫn chất lỏng vành khuyên L (m):
❖ Diện tích truyền nhiệt vành khuyên F (m 2 ):
Các nghiên cứu liên quan
Hiện tại, ở Việt Nam, số lượng bài báo nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống còn hạn chế, chủ yếu là từ các nguồn nước ngoài Tuy nhiên, thiết bị này, đặc biệt là loại có lá xoắn, nổi bật nhờ tính đa dạng và nhiều ứng dụng hữu ích trong các nhà máy và các ngành công nghiệp khác nhau Dưới đây là một số bài báo quốc tế mà nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở cho đề tài này.
Với các từ khóa như “double pipe” và “counter flow double pipe”, bạn sẽ tìm thấy nhiều bài viết liên quan đến mô phỏng bộ trao đổi nhiệt kiểu ống đôi Mô hình này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt trong các hệ thống nhiệt.
Bài báo khoa học “Phân Tích Đặc Tính Truyền Nhiệt Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Dạng Ống Lồng Ống Có Lá Xoắn Liên Tục Qua Phân Tích Số” của tác giả Md.Anash Mia nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với lá xoắn liên tục thông qua mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán ba chiều (CFD) Nghiên cứu tập trung vào sự phân bố dòng chảy tầng phía sau lá xoắn, cũng như các yếu tố ảnh hưởng như số Reynolds (Re), bước sóng và chiều cao lá xoắn đến số Nusselt (Nu), hệ số truyền nhiệt, tốc độ truyền nhiệt, hiệu quả và tổn thất áp suất của thiết bị Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất truyền nhiệt giữa thiết bị có và không có lá xoắn liên tục.
Bài viết của tác giả Sohail Bux và cộng sự nghiên cứu về "Thiết kế và phân tích thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn nhằm tăng cường truyền nhiệt" Nghiên cứu này trình bày một bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và buồng với cấu trúc lá xoắn, góp phần nâng cao hiệu suất truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp.
Bài viết "Đánh giá toàn diện về thiết kế và phân tích các kỹ thuật tăng cường thụ động trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống" của tác giả Thejaraju R và cộng sự đã xem xét cả công việc thử nghiệm lẫn lý thuyết liên quan đến các phương pháp tăng cường, điều kiện làm việc, tỷ lệ phần trăm tăng cường truyền nhiệt và dòng chất lỏng Bài báo cung cấp cái nhìn sâu sắc về các quan sát đối với bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, đồng thời trình bày tỷ lệ phần trăm tăng cường trong số Nusselt và hệ số ma sát từ các nghiên cứu trước đó.
The article "On design and analysis of concentric tube micro fin heat exchanger for applications of tire pyrolysis lube oil cooling" by Muhammad Ahmad Jamil and colleagues presents a comprehensive design and analysis of a lubricant cooling system based on concentric tube micro fins for tire pyrolysis applications It details the thermal, hydraulic, and economic characteristics of the heat exchanger influenced by tire pyrolysis oil (TPO), Ethylene Glycol (EG), and crude oil (CO) To achieve this, a robust numerical model was developed and implemented using engineering equation-solving software.
In a study by Anas El Maakoul and colleagues, titled "Numerical Design and Investigation of Heat Transfer Enhancement and Performance for an Annulus with Continuous Helical Baffles in a Double-Pipe Heat Exchanger," the authors explore innovative methods to improve heat transfer efficiency in double-pipe heat exchangers Their research focuses on the design and performance evaluation of annular spaces enhanced by continuous helical baffles, demonstrating significant advancements in thermal performance.
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt của lá xoắn liên tục trong bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống Bài báo so sánh các cấu hình khác nhau của lá xoắn, phân tích tác động của chúng đến sự phân bố áp suất và vận tốc trong bộ trao đổi nhiệt Kết quả cho thấy sự thay đổi hình học của lá xoắn ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ truyền nhiệt và áp suất Nghiên cứu được thực hiện thông qua mô phỏng số với phần mềm ANSYS WORKBENCH, giúp khảo sát sự biến đổi của vận tốc, áp suất và hệ số truyền nhiệt trong hệ thống này.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục cho thấy tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng công nghiệp, khiến nghiên cứu về hệ thống này trở nên cần thiết Các thông số hoạt động như cấu hình, kích thước lá xoắn, vận tốc dòng vào và loại lưu chất ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống Nghiên cứu sẽ tập trung vào bài báo “Numerical design and investigation of heat transfer enhancement and performance for an annulus with continuous helical baffles in a double-pipe heat exchanger” để phân tích thiết bị này Bài báo nghiên cứu thiết kế và hiệu quả trao đổi nhiệt, đồng thời khảo sát dòng chất lỏng, hệ số truyền nhiệt và áp suất cho các cấu hình khác nhau Phân tích số được thực hiện cho các giá trị Reynolds và khoảng cách vòng xoắn từ 0,025 đến 0,1 m, với mô hình được xác nhận qua so sánh với các dữ liệu thực nghiệm Kết quả cho thấy lá xoắn giúp nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và giảm áp suất so với các bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống đơn giản.
Hình 2.5 Bài báo tham khảo [9]
Gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng cường truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt có thể tiết kiệm năng lượng, thời gian và nâng cao hiệu suất nhiệt, đồng thời kéo dài tuổi thọ thiết bị Các cải tiến này được thực hiện thông qua việc kết hợp các tính năng hình học thụ động khác nhau, giúp tăng cường đặc tính truyền nhiệt và giảm điện trở nhiệt nhờ vào áp suất cao hơn.
TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG CFD VÀ PHẦN MỀM ANSYS
Mô phỏng CFD
* Sự ra đời của CFD
Năm 1922, Lewis Fry Richardson đã khởi xướng nền tảng cho phương pháp CFD, nhưng phải đến năm 1967, mô phỏng CFD ba chiều đầu tiên mới được công bố cho cánh máy bay Kể từ đó, CFD đã phát triển mạnh mẽ trong các nghiên cứu của NASA và Boeing Ban đầu, phương trình cơ bản của CFD chỉ dựa trên Navier-Stokes và định nghĩa dòng môi chất chỉ bao gồm đơn chất, như khí hoặc lỏng.
Ngày nay, CFD được phân loại mô hình toán học theo sơ đồ tư duy:
Hình 3.1 Sơ đồ phân loại mô hình toán học của CFD
* Tính cấp thiết của mô phỏng CFD
Việc áp dụng công thức thực tế và kinh nghiệm trong thi công giúp xác định kích thước thiết kế cơ bản của thiết bị sản xuất Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ ngày càng cao, chỉ dựa vào kiến thức và kinh nghiệm của kỹ sư không đủ để nâng cao hiệu suất và hiệu quả kinh tế của thiết bị Do đó, sự ra đời của các phần mềm hỗ trợ là cần thiết để đáp ứng nhu cầu này.
Mô phỏng CFD là một phần mềm hỗ trợ hiệu quả, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, giúp cải thiện quá trình thiết kế và phân tích trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
- Tiết kiệm thời gian khi xác định được vấn đề của thiết bị thông qua mô phỏng
- Tiết kiệm chi phí khi ta sử dụng ít công cụ thí nghiệm trong việc nghiên cứu và thiết kế
- Tối đa hóa hiệu suất của sản phẩm khi đưa ra sản xuất hàng loạt
- Sản phẩm được thu gọn tối ưu để vật liệu không bị dư thừa
* Một số ứng dụng của CFD
- Công nghiệp hàng không vũ trụ: mô phỏng tối ưu biên dạng cánh nâng máy bay, thiết kế máy bay
- Công nghiệp sản xuất ô tô: mô phỏng động cơ và lực ma sát tại vỏ xe
- Kỹ thuật y sinh: thiết bị hô hấp, dòng chảy trong mạch máu,…
- Thiết bị công nghiệp: bơm ly tâm, tuabin, máy nén,…
- Hàng hải và đóng tàu: thiết kế vỏ tàu, phỏng đoán lực cản tại vỏ tàu,…
- Công nghiệp hóa chất và dầu khí: mô phỏng thiết bị phản ứng (khuấy trộn Continuous flow Stirred Tank Reactor - CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column,…)
- Khí tượng học: dự báo thời tiết và thiên tai
Ngành công nghiệp xây dựng hiện nay đang chú trọng đến việc mô phỏng điều kiện vi khí hậu bên trong tòa nhà Điều này bao gồm phân tích các hệ thống điều hòa không khí, thông gió và sưởi ấm, cùng với việc đánh giá tải trọng của công trình Việc áp dụng các công nghệ mô phỏng này giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng.
Hình 3.2 Ứng dụng CFD trong lĩnh vực HVAC
Hình 3.3 Ứng dụng CFD trong công nghiệp hàng không
3.1.2 Các bước mô phỏng CFD
* Quy trình cơ bản khi thực hiện mô phỏng cơ bản CFD như sau:
Bước 1: Mô tả bài toán
Bước 2: Xây dựng mô hình hình học trên Workbench, solidword, sketch up, v.v
Bước 3: Tiến hành chia lưới cho mô hình, có thể lựa chọn giữa lưới có cấu trúc hoặc không có cấu trúc Việc sử dụng lưới dày đặc sẽ giảm thiểu tình trạng rách lưới trong quá trình chạy mô phỏng.
Bước 4: Thiết lập thông số điều kiện biên mô hình
Bước 5: Chọn phương trình giải chạy cho mô hình
Bước 7: Kiểm tra hội tụ lưới, nếu lưới chưa hội tụ sẽ dẫn đến kết quả mô phỏng sẽ có sai số lớn so với thực tế
Bước 8: Nếu lưới đã hội tụ, ta thực hiện mô phỏng với các trường hợp khác nhau, xử lý kết quả và tạo báo cáo
Bước 9: Đánh giá các mặt hạn chế và khả năng cải tiến của mô hình
Hình ảnh lưu đồ sau đây cho ta thấy rõ hơn về quy trình mô phỏng:
Hình 3.4 Lưu đồ quy trình mô phỏng cơ bản CFD
3.1.3 Phương pháp giải trong CFD
CFD thưởng sử dụng ba phương pháp chính để chuyển đổi hệ phương trình phi tuyến thành hệ phương trình tuyến tính, bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Mặc dù còn nhiều phương pháp khác, bài viết này chỉ tập trung vào ba phương pháp nêu trên.
* Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)
Phương pháp sai phân hữu hạn là kỹ thuật xấp xỉ các toán tử như đạo hàm riêng và tích phân để giải hệ phương trình mà không cần xem xét đặc tính vật lý của mô hình Phương pháp này áp dụng kỹ thuật số để giải các phương trình vi phân thông qua việc gần đúng đạo hàm bằng sai phân hữu hạn Cả không gian và thời gian được rời rạc hóa thành các bước hữu hạn, và giá trị của nghiệm tại các điểm này được tính xấp xỉ bằng cách giải các phương trình đại số với các hiệu và giá trị hữu hạn từ các điểm lân cận Đối với các phương trình liên quan đến định luật bảo toàn động lượng và năng lượng, quá trình rời rạc hóa cũng được thực hiện tương tự.
Người ta xây dựng phương trình sai phân hữu hạn dựa trên phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định hai chiều có dạng:
* Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM):
Phương pháp này sử dụng đạo hàm riêng để biểu diễn phương trình dưới dạng đại số Trong phương pháp thể tích hữu hạn, các số hạng phân kỳ trong tích phân của phương trình đạo hàm riêng được chuyển đổi thành tích phân mặt theo định lý phân kỳ Những số hạng này sau đó được đánh giá như thông lượng tại các bề mặt của mỗi thể tích hữu hạn Phương pháp này thường được áp dụng cho các bài toán liên quan đến động lực học chất lỏng.
Phương pháp thể tích hữu hạn là một kỹ thuật tiên tiến hơn so với phương pháp sai phân hữu hạn, đặc biệt phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và động học dòng chảy Trong tính nhiệt, phương pháp này dựa trên nguyên tắc cân bằng năng lượng của các phân tố thể tích Kỹ thuật thể tích hữu hạn tập trung vào điểm giữa của phân tố thể tích, tương tự như cách tiếp cận của phương pháp sai phân hữu hạn.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật giải gần đúng cho các phương trình vi phân đạo hàm riêng trong miền xác định có hình dạng cụ thể và điều kiện phức tạp, khi không thể tìm ra nghiệm chính xác Phương pháp này chủ yếu được áp dụng trong phân tích cấu trúc của chất rắn, nhưng cũng có thể sử dụng cho chất lỏng, đặc biệt trong các lĩnh vực như phân tích cơ học.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ mạnh mẽ trong việc giải quyết các bài toán về kết cấu, truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và xác định ứng suất với biến dạng của vật thể Nó cũng được áp dụng trong việc giải các phương trình sóng và vật lý plasma Điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng xử lý những bài toán hình học và biên phức tạp với mối quan hệ rời rạc, trong khi phương pháp sai phân hữu hạn lại đơn giản hơn về lý thuyết trong việc vận dụng kiến thức hình học.
Giới thiệu phần mềm ANSYS WORKBENCH
Ngày nay, ANSYS là phần mềm toàn diện, bao quát nhiều lĩnh vực vật lý, cho phép người dùng can thiệp vào mô hình ảo trong giai đoạn thiết kế Phần mềm này mạnh mẽ trong việc phân tích các thông số biến dạng, các hàm nhiều bậc, và giảm bớt ràng buộc cũng như hạn chế vật lý Nhờ đó, người dùng có thể sáng tạo và điều chỉnh các thông số như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, và khối lượng riêng, nhằm khảo sát và cải tiến chất lượng mô hình mà không cần tiếp xúc với môi trường làm việc thực tế.
ANSYS Workbench tích hợp nhiều module và phần mềm con, tạo nền tảng chung để liên kết các nhiệm vụ Trong bài mô phỏng này, nhóm sẽ tập trung vào bốn module chính: ANSYS Design Modeler, ANSYS Meshing, ANSYS Fluent và CFD Post ANSYS Design Modeler cho phép thiết kế thiết bị cần mô phỏng, trong khi ANSYS Meshing hỗ trợ chia lưới và tạo các vùng lưới dày hơn để tránh rách lưới và sai sót trong quá trình mô phỏng Sau đó, điều kiện biên sẽ được thiết lập và mô phỏng sẽ được thực hiện với ANSYS Fluent Cuối cùng, CFD Post sẽ được sử dụng để xuất và xử lý kết quả mô phỏng.
Hình 3.5 Giao diện của ANSYS WORKBENCH 19.2
Tại giao diện ANSYS WORKBENCH ta thấy có năm phần mềm Fluid Flow:
Fluid Flow - Blow Molding (Polyflow): ứng dụng mô phỏng quá trình thổi tạo hình cho vật liệu đàn hồi
Fluid Flow - Extrusion (Polyflow): ứng dụng mô phỏng cho thử thiết kế những chất đàn hồi mới tối ưu cho quá trình sản xuất
Fluid Flow (CFX): ứng dụng mô phỏng cho dòng lưu chất
Fluid Flow (Fluent): ứng dụng mô phỏng cho dòng lưu chất
Fluid Flow (Polyflow): ứng dụng mô phỏng cho chất đàn hồi
Nhóm em thực hiện mô phỏng dòng môi chất trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách sử dụng phần mềm Fluid Flow (Fluent) để phân tích và tối ưu hóa quá trình lưu chất.
Hình 3.6 Giao diện Fluid Flow (Fluent)
Để bắt đầu, chúng ta cần thực hiện các bước theo thứ tự từ trên xuống như hình minh họa Bước đầu tiên là xây dựng hình học với Geometry, có thể thực hiện trực tiếp trên Workbench hoặc nhập mô hình đã thiết kế sẵn từ các phần mềm khác như AutoCAD, Solidworks, SketchUp, v.v.
Hình 3.7 Giao diện ANSYS Design Modeler
Sau khi hoàn thành thiết kế, chúng ta sẽ sử dụng tính năng Browse ở Import Geometry để chuẩn bị cho việc chia lưới cấu trúc trong ANSYS Mesh, với giao diện hiển thị như hình bên dưới.
Hình 3.8 Giao diện thiết bị trên ANSYS Mesh
Để chia lưới cho một thiết bị trong ANSYS, cần thực hiện nhiều bước, bao gồm tạo Body Sizing, Edge Sizing và Inflation Bước quan trọng cuối cùng là tạo Name Selections, giúp định dạng hướng đi cho các dòng môi chất khi đi qua thiết bị Mỗi lưới ANSYS sẽ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và loại thiết bị cụ thể.
Hình 3.9 Giao diện các bước chia lưới ANSYS Mesh
Sau khi chia lưới, bước tiếp theo là thiết lập các điều kiện biên cho mô hình và tiến hành chạy mô phỏng trên ANSYS Fluent Giao diện của ANSYS Fluent cung cấp nhiều thư mục quan trọng như General, Models, Materials, và Cell Zone Conditions Hình 3.10 minh họa các lệnh cần thực hiện trong quá trình thiết lập này.
Hình 3.10 Các lệnh trong Setup
Với nhanh chậm của việc chạy mô phỏng tùy vào cấu hình máy mà ta có thể chỉnh để tối ưu về mặt thời gian
Hình 3.11 Cài đặt tốc độ chạy mô phỏng trước Setup
Sau khi hoàn tất quá trình Setup, bước tiếp theo là kiểm tra sự hội tụ của mô phỏng Để trình bày kết quả, chúng ta sử dụng CFD Post để tạo ra các biểu đồ Contour, Streamline và mặt cắt, giúp trực quan hóa quá trình mô phỏng một cách hiệu quả.
Giao diện chính của CFD Post cung cấp nhiều tính năng hỗ trợ người dùng trong việc trình bày kết quả, bao gồm khả năng hiển thị đường đi của lưu chất dưới dạng vector.
Tổng quan về phương pháp chia lưới và chất lượng lưới
Mục đích của việc chia lưới là chuyển đổi phương trình vi phân toàn phần phi tuyến Navier-Stokes thành hệ phương trình tuyến tính Phương trình Navier-Stokes được coi là một trong những bài toán khó khăn nhất trong toán học hiện đại, và việc chia lưới đóng vai trò quan trọng trong mô phỏng Nếu lưới được thiết kế tốt, kết quả thu được sẽ chính xác và thực tế hơn.
3.3.2 Lưới có cấu trúc trong Ansys Workbench
Lưới có cấu trúc chính xác cao và khả năng tự quản lý Mỗi đối tượng được xác định bởi một vectơ duy nhất (i,j,k) trong hệ tọa độ Các đối tượng lân cận được xác định bằng cách cộng hoặc trừ một với một trong ba trục (x,y,z), giúp dễ dàng xác định các vùng lân cận của mỗi ô thông qua vectơ liền kề trên hệ tọa độ.
Hình 3.13 Lưới cấu trúc trên hệ trục tọa độ
Lưới được cấu tạo từ các khối có vị trí rõ ràng, giúp mang lại sự đơn giản và hiệu quả Chất lượng của các lưới có cấu trúc thường cao hơn, đồng thời các bước tính toán trong mô phỏng cũng sẽ chính xác hơn.
Hình 3.14 Lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc
* Lưới không có cấu trúc
Lưới không có cấu trúc là loại lưới mà các vị trí khớp nối hoặc các phần tử kết nối bị lệch, dẫn đến việc hình thành các hình tứ diện Đặc điểm của lưới không có cấu trúc là các khớp nối không đều, với cấu trúc dựa trên mặt, cạnh hoặc ô để duy trì sơ đồ kết nối Một nút trong ô có thể kết nối với nhiều nút lân cận, số lượng nút kết nối vượt trội hơn so với lưới có cấu trúc, làm cho hình dạng lưới thay đổi và ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng.
Mắt lưới không cấu trúc chủ yếu được tự động hóa và dễ tạo hơn, thường là lựa chọn duy nhất khả thi Một ưu điểm lớn của lưới không cấu trúc là khả năng tạo ra dễ dàng, điều này đặc biệt quan trọng khi CFD ngày càng được sử dụng trong ngành công nghiệp Thực tế cho thấy, tới 80% thời gian của con người trong việc giải quyết các vấn đề động lực học chất lỏng thường dành cho việc tạo ra lưới, và 80% lỗi mô phỏng xuất phát từ lưới kém Hơn nữa, lưới không cấu trúc thường gặp khó khăn trong việc hội tụ so với lưới có cấu trúc.
Hình 3.15 Lưới không có cấu trúc
3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lưới
Chất lượng lưới đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích kết quả của quá trình mô phỏng Để tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác của dự đoán lưới, người ta thường sử dụng các chỉ số đánh giá như Orthogonal Quality, Skewness và Aspect Ratio.
Tỷ lệ khung hình, hay còn gọi là aspect ratio, là tỷ số giữa độ dài cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của một mặt hoặc ô Nó áp dụng cho các hình dạng như tam giác, tứ diện, hình chữ nhật và lục diện, với cách xác định khác nhau cho từng loại Tỷ lệ khung hình cũng giúp đánh giá mức độ gần gũi với hình dạng lý tưởng của một mặt hoặc ô.
Độ xiên, hay còn gọi là Skewness, là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng lưới chính Nó phản ánh mức độ lệch của lưới so với hình dạng lý tưởng Những hình chữ nhật và tam giác cân có chỉ số Skewness thấp, cho thấy chất lượng tốt Ngược lại, các hình chữ nhật và tam giác vẹo, tạo thành hình bình hành hoặc tam giác không cân, sẽ có chỉ số Skewness cao, chỉ ra sự kém chất lượng trong cấu trúc lưới.
Hình 3.16 Các dạng lưới có độ xiên khác nhau [12]
Chất lượng trực giao, hay còn gọi là Orthogonal Quality, có phạm vi đánh giá từ 0 đến 1, trong đó giá trị gần 0 thể hiện chất lượng kém và giá trị gần 1 cho thấy chất lượng tốt Chất lượng trực giao được hiểu là tính vuông góc giữa các vectơ của các mặt trong lưới được chia, và đây là một trong những tiêu chí quan trọng trong việc đánh giá chất lượng lưới.
Hình 3.17 Định nghĩa trực giao
Hình 3.18 cho ta thấy khoảng giá trị đánh giá chất lượng lưới thông qua chỉ số Skewness và Orthogonal
Hình 3.18 Các chỉ số kiểm tra chất lượng lưới
Quy trình kiểm tra mô hình mô phỏng CFD
* Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:
Phương trình toán học đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các mô hình, tuy nhiên, để giải quyết các mô hình này trên máy tính, cần áp dụng các phương pháp số.
Mục đích chính của quy trình kiểm tra CFD là giảm thiểu sai số do phương pháp số gây ra Kiểm tra mô hình CFD không chỉ là một bước quan trọng trong quy trình, mà còn giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả mô phỏng.
(1) Kiểm tra nghiệm lưới (mesh-independent test)
(2) Kiểm tra và sang lọc các lỗi xuất hiện trong các thuật toán (bugs)
(3) Phương pháp tính (numerical scheme)
* Quy trình kiểm nghiệm (validation) trong mô hình CFD:
Mục đích chính của quy trình kiểm nghiệm trong mô hình CFD là so sánh kết quả mô hình với dữ liệu thực tế, và quy trình này được áp dụng trong hầu hết các giai đoạn phát triển của mô hình Quy mô kiểm nghiệm trong mô hình CFD có thể được hiểu là việc đánh giá tính chính xác và độ tin cậy của các dự đoán mà mô hình đưa ra.
(1) Kiểm nghiệm hay khảo sát một phần trong hệ thống với điều kiện giới hạn
(2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống với điều kiện thực tế
(3) Kiểm nghiệm các thông số khác nhau thông qua các dải điều kiện khác nhau
Kiểm nghiệm thời gian thực là một quy trình quan trọng, trong đó việc kiểm nghiệm trên quy mô lớn với nhiều thông số khác nhau sẽ nâng cao độ tin cậy của mô hình.
36 sự chính xác càng cao
Hình 3.19 Qui trình kiểm nghiệm CFD
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHÒNG
Xây dựng hình học (Geometry)
Trong đồ án này, nhóm chúng em đã xây dựng mô hình thông qua module Design Modeler của phần mềm ANSYS, đồng thời tham khảo các bài báo khoa học liên quan để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình.
Hình 4.1 Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lá xoắn liên tục
Nhóm đã thiết kế hình dạng cũng như kích thước của ống sao cho giống với bài báo Bảng 4.1 cho ta thấy kích thước chính xác của ống
Bảng 4.1 Thông số kết cấu
Vật liệu được sử dụng là thép không gỉ, với kích thước cụ thể như sau: đường kính trong của ống bên trong (D i) là 10 mm, độ dày ống bên trong (δ) là 1 mm, đường kính ngoài của ống bên trong (D o) là 12 mm, và đường kính ngoài của ống bên ngoài (D s) là 16 mm.
Chiều cao của lá xoắn ( h fin ) 2 mm
Chiều dày của lá xoắn ( fin ) 1 mm
Chia lưới và chọn lưới chạy mô phỏng
Trong mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục, lưới được chia theo phương pháp không có cấu trúc, với phần lá xoắn được chia lưới nhỏ để tăng độ chính xác cho quá trình mô phỏng Sự chú trọng cũng được đặt vào lưới của phần ống dẫn lưu chất, nhằm đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của kết quả.
Trong ANSYS Mesh 19.2, các tiêu chí đánh giá chất lượng lưới bao gồm: Element Quality, Aspect Ratio, Jacobian Ratio (MAPDL), Jacobian Ratio (Corner Nodes), Gauss Point, Warping Factor, Parallel Deviation, Maximum Corner Angle, Skewness, Orthogonal Quality và Characteristic Length Phần mềm Fluent đặc biệt chú trọng đến hai chỉ số Skewness và Orthogonal Quality, vì chúng ảnh hưởng lớn đến khả năng hội tụ và độ chính xác của kết quả mô phỏng Orthogonal Quality đánh giá độ trực giao của các phần tử lưới, trong khi Skewness đo lường độ xiên góc của chúng Giá trị chấp nhận cho Averange Skewness là từ 0 đến 0,95, và cho Averange Orthogonal Quality là từ 0,15 đến 1, nhằm đảm bảo kết quả lưới tốt nhất.
Trong quá trình mô phỏng, nhóm em đã tạo ra nhiều lưới với số lượng phần tử khác
Nhóm em đã lựa chọn ba lưới có chất lượng tốt nhất với số phần tử hạn chế để tiết kiệm thời gian và tài nguyên máy tính trong quá trình mô phỏng Các chỉ số của ba lưới này được trình bày trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2 Bảng chỉ tiêu đánh giá của các lưới đã tạo
Lưới Số phần tử Averange Orthogonal Quality Averange Skewness
Để đảm bảo kết quả so sánh chính xác, cần điều chỉnh số lượng phần tử bằng cách tăng hoặc giảm lượng lưu chất, vì đây là yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống.
Dựa vào Bảng 4.2, chúng ta có thể đánh giá chất lượng của các lưới đã được tạo ra Kết quả cho thấy có ba lưới đạt chất lượng xấp xỉ tốt, dựa trên chỉ số đánh giá chất lượng lưới.
Lưới M1 với 1 triệu phần tử, lưới M2 với 1,5 triệu phần tử và lưới M3 gần 2 triệu phần tử đều cho thấy chất lượng tốt, chứng tỏ khả năng hội tụ cao khi thực hiện mô phỏng Theo bảng chỉ số đánh giá, cả ba lưới đều có chỉ số Average Orthogonal Quality và Average Skewness nằm trong mức tốt và rất tốt, điều này đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình mô phỏng.
Lưới M1: Lưới M1 thể hiện ở Hình 4.2 được chia xấp xỉ 1 triệu phần tử, lưới được chia theo kiểu không có cấu trúc
Lưới M2: được thể hiện ở Hình 4.3, lưới xấp xỉ 1,5 triệu phần tử được chia theo kiểu không có cấu trúc
Lưới M3: được thể hiện ở Hình 4.4, lưới xấp xỉ 2 triệu phần tử được chia theo kiểu không có cấu trúc
Điều kiện biên
Mô hình được xây dựng thông qua mô-đun Design Modeler sẽ hiển thị loại môi chất chảy bên trong ống và các thông số nhiệt độ đầu vào của môi chất đó.
Sau đây là các bước để cài đặt thông số vật lí cho mô phỏng
Bước 1: Kích hoạt phương trình năng lượng
Hình 4.5 Thiết lập phương trình năng lượng
Bước 2: Thiết lập mô hình rối
+ Chọn k-epsilon (2eqn) trong Model
+ Chọn Realizable trong k-epsilon Model
Hình 4.6 Thiết lập mô hình rối
Bước 3 Cài đặt thông số nước và thép cho mô hình
Thiết lập lưu chất được sử dụng trong bài mô phỏng là nước và vật liệu làm ống là
44 thép không gỉ, các thông số đã được thiết lập trong mục “Materials”
Hình 4.7 Thiết lập thông số cơ bản của nước
Hình 4.8 Thiết lập thông số cơ bản của thép không gỉ
Bước 4 Gán các giá trị lưu chất và vật liệu
We will assign the fluid properties in the "Cell Zone Conditions" section and update the "Material Name" to accurately reflect the material we previously established.
Hình 4.9 Gán môi chất cho ống bên ngoài
Bước 5 Thiết lập điều kiện biên trong phần "Boundary Conditions" để nhập các thông số đầu vào như lưu lượng, vận tốc gió, nhiệt độ và áp suất.
- Thiết lập thông số đầu vào ống bên ngoài: Nháy đúp chuột vào Inlet cold (mass-flow- inlet, id = 14) sẽ xuất hiện bảng như Hình 4.10
Hình 4.10 Nhập thông số lưu lượng cho ống bên ngoài
+ Tại thẻ “Momentum” ta nhập lưu lượng đầu vào là 0,3 kg/s (Hình 3.39)
+ Tại thẻ “Thermal” ta nhập nhiệt độ đầu vào t = 288 o K (Hình 4.11)
Hình 4.11 Nhập thông số nhiệt độ đầu vào
+ Sau khi thiết lập xong thì chọn “Apply” để lưu thông số
- Thiết lập thông số đầu vào ống bên trong: Nháy đúp chuột vào Inlet hot (mass-flow-inlet, id = 12) sẽ xuất hiện bảng như (Hình 4.12)
Hình 4.12 Nhập thông số lưu lượng cho ống bên trong
+ Tại thẻ “Momentum” ta nhập lưu lượng đầu vào là 0,1 kg/s ( Hình 4.12)
+ Tại thẻ “Thermal” ta nhập nhiệt độ đầu vào t = 313 o K (Hình 4.13)
Hình 4.13 Nhập thông số nhiệt độ đầu vào
- Thiết lập thông số đầu ra ống ngoài (Outlet_cold): Nháy đúp chuột vào “Outlet (Pressure- outlet, id= 15)” Đầu ra ống bên trong thiết lập giống với bên ngoài
+ Trong thẻ “momentum” ta nhập áp suất p = 0 pa (Hình 4.14)
+ Sau khi thiếp lập xong thì chọn “Apply” để lưu thông số
Hình 4.14 Nhập thông số đầu ra áp suất
- Thiết lập thông số tường ống bên ngoài: Nháy đúp chuột vào “outer_wall (wall, id)” + Chọn thẻ “Momentun”➔ chọn “Stationary Wall, No Slip, Standard”
Hình 4.15 Thiết lập thông số tường ống ngoài
+ Chọn thẻ “Thermal”➔ chọn “Heat flux”
+ Ta xác định bề mặt cách nhiệt nên heat flux = 0 W/m 2
Hình 4.16 Thiết lập thông số tường ống bên ngoài
- Thiết lập thông số tường ống bên trong: Nháy đúp chuột vào “inner_wall (wall, id)” + Chọn thẻ “Momentun”➔ chọn “Via system coupling”
Hình 4.17 Thiết lập thông số tường ống bên trong
Bước 6: Thiết lập tiêu chí đánh giá hội tụ Residuals Để thực hiện điều này, trong mục Monitor, chọn Residual và cài đặt tất cả các thông số như energy, x velocity, v.v về mức 10^-6 Mục đích của việc này là để tránh việc mô phỏng dừng lại khi các thông số đạt đến mức đã thiết lập, trong khi số vòng lặp vẫn chưa hoàn thành.
Hình 4.18 Thiết lập tiêu chí residual
Bước 7: Khởi tạo giá trị ban đầu Để khởi tạo lại giá trị ban đầu, chúng ta sẽ vào mục Initialization và chọn Initialize
Hình 4.19 Khởi tạo giá trị ban đầu
Bước 8 Thiết lập số vòng lặp khi mô phỏng
Sau khi thiết lập các thông số, chúng ta chuyển sang mục Run Calculation và thiết lập số vòng lặp tại ô Number Of Iterations Số vòng lặp cần được điều chỉnh dựa trên khả năng của thiết bị bạn, đảm bảo rằng nó đủ mạnh để xử lý số vòng lặp lớn.
Khi số vòng lặp đạt đến một mức nhất định, lưới sẽ bắt đầu hội tụ Việc thiết lập số vòng lặp phù hợp là cần thiết để đảm bảo mô hình của chúng ta hội tụ đúng cách, tránh tình trạng chương trình dừng lại khi số vòng lặp quá ngắn.
Hình 4.20 Thiết lập số vòng lập chạy mô phỏng
Sau khi thiết lập mô phỏng tính toán và nhận thấy biểu đồ "residuals" không mịn, chúng ta có thể khởi tạo lại giá trị ban đầu và thay đổi phương pháp để cải thiện chất lượng và độ chính xác của kết quả.
Kiểm tra kết quả của hội tụ lưới
* Xét sự hội tụ của lưới bằng Residuals:
Residuals là phần dư của các giá trị thí nghiệm tính toán, đóng vai trò là thước đo cơ bản nhất cho sự hội tụ của nghiệm giải lặp Chỉ số này thể hiện trực tiếp sai số trong nghiệm của hệ phương trình.
Trong CFD, phần dư đo lường sự mất cân bằng cục bộ của biến bảo tồn tại mỗi khối lượng kiểm soát, với mỗi phần tử trong mô hình có giá trị phần dư riêng cho từng phương trình Trong quá trình giải pháp lặp lại, phần dư không bao giờ bằng không, nhưng giá trị càng thấp thì độ chính xác của kết quả tính toán càng cao Cụ thể, phần dư bằng 10−4 được coi là hội tụ lỏng lẻo, 10−5 là hội tụ tốt, và từ 10−6 trở đi được xem là hội tụ chặt chẽ.
Sau khi chia lưới với số phần tử khác nhau và đánh giá chất lượng lưới thông qua các chỉ số như Average Orthogonal Quality và Average Skewness, chúng ta thiết lập thông số mô phỏng để tính toán dữ liệu Kết quả thu được bao gồm các giá trị nhiệt độ, vận tốc, và áp suất Từ đó, chúng ta lựa chọn lưới hội tụ tối ưu nhất để thiết lập mô phỏng cho các trường hợp đầu vào khác nhau Cuối cùng, sau khi chạy mô phỏng, chúng ta tạo một điểm với tọa độ (0;3;50) để vẽ Profile vận tốc cho từng trường hợp.
Hình 4.21 Điểm được chọn để so sánh kết quả vận tốc của mỗi lưới
Hình 4.22 Chỉ số Residuals lưới M1 với hình dạng vận tốc điểm đã chọn
Chỉ số Residuals của lưới M1 bắt đầu hội tụ từ vòng lặp 550 trở đi, cho thấy sự ổn định trong mô phỏng Đặc biệt, giá trị trung bình của độ lớn vận tốc tăng từ vòng lặp 0 đến 250 và bắt đầu hội tụ từ vòng lặp 250.
Hình 4.23 Chỉ số Residuals lưới M2 với hình dạng vận tốc điểm đã chọn
Chỉ số Residuals của lưới M2 đã bắt đầu hội tụ sau vòng lặp 800, cho thấy sự ổn định trong quá trình mô phỏng Giá trị trung bình của độ lớn vận tốc tăng từ vòng lặp 0 đến 325 và bắt đầu ổn định từ vòng lặp 325.
Hình 4.24 Chỉ số Residuals lưới M3 với hình dạng vận tốc điểm đã chọn
Chỉ số Residuals của lưới M3 đã bắt đầu hội tụ sau vòng lặp 925, cho thấy sự ổn định trong quá trình mô phỏng Giá trị trung bình của độ lớn vận tốc tăng liên tục từ vòng lặp 0 đến 425 và bắt đầu hội tụ từ vòng lặp 425.
* Lựa chọn lưới phù hợp dựa vào Profile vận tốc
Dựa vào chỉ số Residuals của các lưới sau khi tính toán, kết quả cho thấy các lưới đều đạt chất lượng tốt và tương đồng, dẫn đến việc so sánh trở nên khó khăn Do đó, việc so sánh Profile vận tốc sẽ được trình bày trong hình dưới đây.
Hình 4.25 Hình dạng vận tốc của điểm đã chọn trong mỗi lưới
Dựa vào hình ảnh, ta thấy rằng vận tốc lưới M2 và M3 có hình dạng tương tự nhưng cách xa lưới M1 Do M3 có số lượng phần tử lớn, nên dữ liệu khi mô phỏng trên máy sẽ nặng hơn, dẫn đến thời gian tính toán lâu hơn so với lưới M2 Vì vậy, dựa vào profile vận tốc, lưới M2 được chọn để mô phỏng và xuất kết quả cuối cùng, đồng thời tiến hành bước tiếp theo.