1. Trang chủ
  2. » Giáo Dục - Đào Tạo

Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

148 8 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Mô Phỏng Số Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Dạng Ống Lồng Ống
Tác giả Đoàn Minh Trí, Lê Văn Cường
Người hướng dẫn TS. Trần Thanh Tình
Trường học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại Khóa Luận Tốt Nghiệp
Năm xuất bản 2022
Thành phố Thành Phố Hồ Chí Minh
Định dạng
Số trang 148
Dung lượng 14,47 MB

Cấu trúc

  • CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN (22)
    • 1.1 Giới thiệu về đề tài (22)
      • 1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài và lí do thực hiện mô phỏng số CFD (22)
      • 1.1.2 So sánh ưu nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm (23)
    • 1.2 Nhiệm vụ đề tài (24)
    • 1.3 Đối tượng và giới hạn đề tài (24)
      • 1.3.1 Đối tượng (24)
      • 1.3.2 Giới hạn đề tài (25)
    • 1.4 Giới thiệu tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt (25)
      • 1.4.1 Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt (25)
      • 1.4.2 Hiện trạng của thiết bị trao đổi nhiệt (26)
      • 1.4.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt (27)
      • 1.4.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo nguyên lí hoạt động (28)
      • 1.4.5 Ứng dụng và vai trò của thiết bị trao đổi nhiệt trong đời sống (34)
  • CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ TĐN ỐNG LỒNG ỐNG (35)
    • 2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống (35)
    • 2.2 Các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (38)
    • 2.3 Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trên thị trường (43)
    • 2.4 Hiện trạng, các nghiên cứu và bài báo về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (43)
      • 2.4.1 Các nghiên cứu ở ngoài nước (43)
      • 2.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam (45)
    • 2.5 Công thức tính toán thực tế thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (46)
      • 2.5.1 Công thức tính toán (46)
      • 2.5.2 Tính toán cho mô hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (53)
  • CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD (58)
    • 3.1 Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD (58)
      • 3.1.1 Giới thiệu chung (58)
      • 3.1.2 Các bước mô phỏng (60)
    • 3.2 Các phương trình điều khiển và phương pháp rời rạc hóa miền tính toán (61)
      • 3.2.1 Phương trình điều khiển (61)
      • 3.2.2 Các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán (62)
    • 3.3 Giới thiệu về phần mềm ANSYS (66)
    • 3.4 Phương pháp chia lưới (71)
  • CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG (79)
    • 4.1 Thiết lập mô hình cần mô phỏng (79)
    • 4.2 Chia lưới (80)
    • 4.3 Mô hình toán học và thông số mô phỏng (84)
      • 4.3.1 Mô hình toán học dùng trong mô phỏng (84)
      • 4.3.2 Thiết lập quá trình mô phỏng (84)
      • 4.3.3 Thiết lập các thông số vật lý (88)
  • CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG (89)
    • 5.1 Kết quả hội tụ của lưới (89)
    • 5.2 Kết quả mô phỏng ống lồng ống dạng trơn (94)
      • 5.2.1 Đặc tính truyền nhiệt (94)
      • 5.2.2 Khảo sát hiệu suất TĐN của thiết bị khi thay đổi lưu lượng dòng chảy (99)
      • 5.2.3 Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi nhiệt độ (107)
    • 5.3 Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi hình dạng (114)
      • 5.3.1 Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống xoắn (114)
      • 5.3.2. Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống có cánh (126)
  • CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ (134)
    • 6.1 Kết luận (134)
    • 6.2 Kiến nghị (135)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (136)

Nội dung

TỔNG QUAN

Giới thiệu về đề tài

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài và lí do thực hiện mô phỏng số CFD

Việc nghiên cứu về các thiết bị trao đổi nhiệt và động lực học chất lỏng đang trở nên phổ biến, nhưng thường gặp khó khăn do chi phí và nguy hiểm tiềm ẩn khi thực hiện thí nghiệm trực tiếp Để giải quyết vấn đề này, phương pháp mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) đã trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả, giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường độ chính xác trong nghiên cứu khoa học Thông qua việc sử dụng phần mềm mô phỏng số, CFD cho phép chúng ta phân tích và hiểu rõ hơn về đặc tính của thiết bị và độ chính xác của phương pháp mô phỏng số Vì vậy, việc kiểm tra tính chính xác của mô phỏng CFD là cần thiết để xác định liệu rằng CFD có thể thay thế cho việc sử dụng phương pháp thực nghiệm hay không.

Phương pháp số là cách giải quyết các phương trình liên tục, phương trình động lượng (Navier Stokes) và phương trình năng lượng, vốn là những phương trình vi phân từng phần phức tạp Để giải quyết những phương trình này, phương pháp số chia miền tính toán thành nhiều miền nhỏ hơn, sau đó rời rạc hóa và chuyển hệ phương trình vi phân từng phần phi tuyến thành hệ phương trình vi phân toàn phần tuyến tính, cuối cùng giải lặp để đưa ra kết quả.

Việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp để thực hiện kiểm tra mô phỏng cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được lựa chọn vì cấu tạo đơn giản, hiệu quả trao đổi nhiệt cao và phổ biến trên toàn thế giới, đồng thời cũng có nhiều nghiên cứu liên quan đến thiết bị này, giúp cho việc mô phỏng số trở nên hiệu quả hơn.

1.1.2 So sánh ưu nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm

CFD là phương pháp mô phỏng mới mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với thực nghiệm truyền thống Với khả năng đưa ra kết quả nhanh chóng và có độ chính xác tương đối cao, CFD cho phép người dùng thỏa sức sáng tạo mà không bị giới hạn bởi vấn đề kinh phí hay lo lắng về nguy cơ xảy ra khi tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị thí nghiệm phức tạp.

* Đối với phương pháp mô phỏng CFD: Ưu diểm:

- Tốc độ tính toán nhanh và đang được cải thiện đáng kể

- Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xác định nguyên nhân vấn đề

- Tiết kiệm chi phí do sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích, đo lường cho công việc nghiên cứu và thiết kế

- Cải thiện và tăng tính an toàn

Phương pháp mô phỏng đòi hỏi đầu tư vào các công cụ mô phỏng hiện đại và chuyên nghiệp, bao gồm cả máy tính mạnh mẽ và bản quyền phần mềm chuyên dụng, điều này có thể dẫn đến chi phí cao và đầu tư đáng kể.

* Đối với phương pháp thực nghiệm [1]: Ưu điểm:

Tự tạo ra các điều kiện thiết lập quá trình của các thí nghiệm theo ý riêng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát và điều chỉnh các biến chứng liên quan, từ đó giúp họ hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các điều kiện ấy đối với đối tượng nghiên cứu.

Thực hiện một hành động có thể lặp đi lặp lại nhiều lần và mang lại kết quả giống nhau chứng tỏ mối quan hệ có tính quy luật và đảm bảo tính tin cậy của đề tài nghiên cứu.

Thay đổi bản chất cấu trúc và cơ chế của đối tượng cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về quan hệ và bản chất của nó Bằng cách thay đổi những yếu tố nhất định của môi trường, chúng ta có thể xác định được các quy luật và phát hiện ra các thành phần và cơ chế chính xác Điều này giúp chúng ta nắm bắt được ảnh hưởng của những tác động bên ngoài và đi sâu vào bản chất của đối tượng.

- Đòi hỏi sự chuẩn bị công phu cả về lý luận và công cụ thực hiện

- Nhiều rủi ro và không đảm bảo sự an toàn trong quá trình thực hiện

- Chi phí đắt, đầu tư ban đầu tốn kém

- Tốc độ chậm và có nhiều trường hợp không thực hiện được

Dưới đây là Bảng 1.1 so sánh giữa mô phỏng (CFD) và thực nghiệm:

Bảng 1.1So sánh giữa mô phỏng và thử nghiệm

Tiêu chí Mô phỏng (CFD) Thực nghiệm

Chi phí Tương đối rẻ Đắt

Thông tin Đầy đủ Thiếu Độ an toàn Cao Có nhiều nguy hiểm

Nhiệm vụ đề tài

Qua đề tài thì những mục tiêu sinh viên cần đạt được là:

- Tính toán cơ sở lí thuyết

- Chạy mô phỏng dựa trên các thông số ban đầu

- So sánh và đánh giá kết quả nhận được từ mô phỏng với kết quả trong bài báo hoặc tính dựa trên lí thuyết

Mô phỏng số CFD giúp kiểm tra sự ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy và hình dạng của thiết bị đến sự trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống, từ đó cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt.

Đối tượng và giới hạn đề tài

Trong đồ án này, chúng em tập trung nghiên cứu và phân tích thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng, bao gồm cả ống thẳng và ống dạng xoắn, để đánh giá hiệu suất và ứng dụng của chúng trong các hệ thống công nghiệp Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống thẳng và ống dạng xoắn là hai loại thiết bị phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Việc nghiên cứu và phân tích các thiết bị này sẽ giúp chúng em hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, ưu điểm và nhược điểm của từng loại, từ đó có thể áp dụng và cải tiến chúng trong thực tế.

4 nhiệt dạng ống lồng ống có cánh, phương pháp mô phỏng số CFD và phần mềm mô phỏng ANSYS 19.2

1.3.2 Giới hạn đề tài Đề tài giới hạn trong việc tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống và tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng CFD Tính toán lý thuyết và mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống.

Giới thiệu tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

1.4.1 Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là một trong những thiết bị quan trọng trong kỹ thuật, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt Với ứng dụng rộng rãi trong các quy trình công nghệ, thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò không thể thiếu trong các hệ thống như lò hơi, thiết bị ngưng tụ và bay hơi trong hệ thống lạnh Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm là một ví dụ điển hình, minh họa rõ nét vai trò quan trọng của nó trong các ứng dụng thực tế.

Hình 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt [2]

1.4.2 Hiện trạng của thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là một trong những thiết bị quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tùy theo cấu tạo và mục đích sử dụng Các loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến bao gồm thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, dạng vỏ bọc chùm ống, dạng ống lồng ống, Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống lò hơi, hệ thống lạnh và các quá trình công nghiệp khác Đặc biệt, thiết bị trao đổi nhiệt còn được sử dụng để thu hồi nhiệt khói thải, tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất cho các quá trình sản xuất.

Công Ty Cổ Phần Kỹ Thuật Công Nghệ DTP là đơn vị chuyên sản xuất các loại thiết bị trao đổi nhiệt chất lượng cao, bao gồm cả dạng ống, tấm và chùm Với địa chỉ tại 759/7A Hương Lộ 2, công ty chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm thiết bị trao đổi nhiệt DTP uy tín và hiệu quả.

Khu Phố 2, Phường Bình Trị Đông, Quận Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh (TPHCM), Việt

- Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt PHE - Công Ty TNHH Kỹ Thuật Nhiệt PHE địa chỉ 37 Lê Quốc

Hưng, Phường 13, Quận 4, Tp Hồ Chí Minh (TPHCM), Việt Nam [3];

- Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Tiến Lộc - Công Ty TNHH TM Và SX Thiết Bị Công Nghiệp

Tiến Lộc địa chỉ 144A/1 Nhân Hòa, X Tây Hòa, H Trảng Bom, Đồng Nai, Việt Nam [3];

- Nồi Hơi Hoa Sen - Công Ty TNHH Cơ Nhiệt Lạnh Hoa Sen địa chỉ Số 90/41 Dương Cát

Lợi, TT Nhà Bè, H Nhà Bè, Tp Hồ Chí Minh (TPHCM), Việt Nam [3]

Bộ trao đổi nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất điện, hóa dầu và hệ thống thu hồi nhiệt, nhờ khả năng truyền nhiệt hiệu quả và phù hợp Chúng được thiết kế để đạt được tải nhiệt tối ưu, với các thông số hình học như đường kính, chiều dài và số lượng ống có thể được sửa đổi để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt và đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng ngành.

1.4.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt

* Nguyên nhân gây ra chuyển động [4]:

Quá trình chuyển động khác nhau sẽ dẫn đến sự tỏa nhiệt khác nhau, và có hai loại chuyển động chính ảnh hưởng đến quá trình này: chuyển động cưỡng bức và chuyển động tự nhiên.

- Chuyển động cưỡng bức: sự chuyển động của chất lỏng do tác động của ngoại lực gây nên như: bơm, quạt, máy nén và gió

Chuyển động tự nhiên là một hiện tượng quan trọng trong trao đổi nhiệt đối lưu, được gây ra bởi sự chênh lệch khối lượng riêng của các vùng trong chất lỏng Sự chênh lệch này thường xuất phát từ sự khác biệt về nhiệt độ và thể tích không gian trong quá trình trao đổi nhiệt Trong nhiều trường hợp, chuyển động tự nhiên thường đi kèm với trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, mặc dù mức độ của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào từng tình huống cụ thể.

Chúng ta đều biết rằng chuyển động của chất lỏng có hai chế độ chính là chảy tầng và chảy rối Khi dòng chảy chuyển sang chế độ chảy rối, cường độ tỏa nhiệt sẽ lớn hơn so với chế độ chảy tầng Điều này thường xảy ra khi số Reynolds nhỏ hơn, tức là khi vận tốc dòng chảy và kích thước của hệ thống nhỏ.

Chế độ chảy của chất lỏng thường được phân loại dựa trên số Reynolds Khi số Reynolds nhỏ hơn 2200, dòng chảy được coi là chảy tầng, trong khi đó, nếu số Reynolds lớn hơn 10^4, dòng chảy sẽ chuyển sang chế độ chảy rối Đối với khoảng giá trị trung gian từ 2200 đến 10^4, dòng chảy sẽ ở chế độ chuyển tiếp hoặc chảy quá độ.

* Tính chất vật lý của chât lỏng [4]:

Chất lỏng tải nhiệt hiện nay bao gồm nhiều loại như nước, dầu, không khí, mỗi loại có tính chất vật lý riêng biệt, ảnh hưởng đến quá trình tỏa nhiệt Các thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tỏa đổi nhiệt đối lưu bao gồm các yếu tố như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất và diện tích tiếp xúc, quyết định hiệu suất tỏa nhiệt của chất lỏng tải nhiệt.

- Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp 𝐶 𝑝

- Hệ số khuếch tán nhiệt 𝑎

- Độ nhớt động lực học à

* Hình dáng và kích thước bề mặt trao đổi nhiệt [4]:

Hình dáng và kích thước bề mặt trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu, bởi chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất chuyển động của dòng chảy Thiết bị trao đổi nhiệt với diện tích trao đổi nhiệt lớn sẽ làm tăng khả năng trao đổi nhiệt đáng kể Đồng thời, hình dáng của thiết bị cũng tác động đến chế độ dòng chảy, từ đó làm thay đổi khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt.

1.4.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo nguyên lí hoạt động

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý tích trữ và nhả nhiệt trên cùng một bề mặt vật Khi chất lỏng nóng chuyển động qua, bề mặt vật rắn nhận và tích trữ nhiệt, sau đó nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh khi tiếp xúc Thiết bị này thường được ứng dụng trong ngành luyện kim và bộ sấy không khí của nhà máy nhiệt điện, mang lại hiệu quả cao trong việc trao đổi nhiệt.

Hình 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt [4]

Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp là loại thiết bị cho phép hai chất lỏng nóng và lạnh tiếp xúc trực tiếp và hòa trộn với nhau để thực hiện quá trình truyền nhiệt Ưu điểm của thiết bị này là có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ và hiệu suất cao Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp là hai chất lỏng phải hòa trộn lẫn nhau, dẫn đến nhiều hạn chế trong ứng dụng thực tế.

Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều hòa không khí, bao gồm tháp giải nhiệt, bộ phận phun ẩm và bộ hòa trộn các dòng khí Một ví dụ điển hình là tháp giải nhiệt sử dụng nước kết hợp không khí, thuộc loại thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp, giúp tăng hiệu quả trao đổi nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

Hình 1.3 Tháp giải nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí [4]

* Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn:

- Xét về kết cấu có thể phân thành các loại sau: loại vỏ bọc chùm ống, loại có cánh, loại tấm, loại tấm xoắn ốc

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống là loại thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp nhờ vào độ bền cao, quy trình sản xuất đơn giản và lịch sử lâu đời Loại thiết bị này được cấu tạo từ các ống nhỏ bên trong và ống lớn bọc bên ngoài, cho phép tùy chỉnh kết cấu theo yêu cầu của khách hàng Các ống bên trong có thể được thiết kế thêm các cánh để tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt, đồng thời dòng chảy có thể được thiết lập theo chiều cùng hoặc ngược chiều để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.

Hình 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống [5]

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh là một loại thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả, bao gồm các ống được lắp thêm các cánh để tăng diện tích trao đổi nhiệt Loại thiết bị này thường được sử dụng khi cường độ trao đổi nhiệt giữa hai loại chất lỏng có chênh lệch rất lớn Thông thường, cánh sẽ được lắp ở phía lưu chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhỏ, chẳng hạn như không khí, để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

Hình 1.5 Dạng có cánh được sử dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt loại có cánh [4]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ TĐN ỐNG LỒNG ỐNG

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

* Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:

Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống là thiết bị truyền nhiệt đơn giản và hiệu quả, hoạt động dựa trên nguyên tắc trao đổi nhiệt giữa hai chất lỏng thông qua bề mặt truyền nhiệt là thành ống kim loại Thiết bị này bao gồm hai ống đồng trục với đường kính khác nhau, cho phép lưu chất chảy bên trong và bên ngoài ống Hiệu suất của thiết bị phụ thuộc vào các yếu tố như diện tích truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt độ trung bình Tuy nhiên, nhược điểm của loại thiết bị này là diện tích truyền nhiệt hạn chế, đòi hỏi phải tăng chiều dài của ống để tăng diện tích trao đổi nhiệt, dẫn đến tăng chi phí vật liệu và giảm áp suất, làm tăng chi phí vận hành.

* Sơ đồ lưu động và cơ chế làm việc:

Hình 2.1 Sơ đồ bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống chuyển động ngược chiều [8]

Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống hoạt động dựa trên quá trình dẫn nhiệt, nơi nhiệt lượng được truyền qua thành ống bên trong, thường được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt như thép, nhôm hoặc đồng Trong dạng lưu động ngược chiều, dòng nóng hơn đi ngang qua ống bên trong, trong khi vỏ bên ngoài chứa dòng lạnh, giúp trao đổi nhiệt hiệu quả.

Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống thường được sử dụng trong dòng chảy ngược chiều, trong đó chất lỏng của nó di chuyển theo các hướng ngược nhau

Hình 2.2 Sơ đồ bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống chuyển động cùng chiều [8]

Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống cũng có thể được sử dụng trong dòng chảy thuận chiều, nơi cả hai chất lỏng chuyển động theo cùng một hướng Tuy nhiên, dòng chảy ngược thường là chế độ hiệu quả nhiệt nhất, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

* Nhận xét về chế độ chuyển động cùng chiều và ngược chiều [4]:

Với cùng điều kiện nhiệt độ vào và nhiệt độ ra, độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆̅𝑡 của lưu động ngược chiều lớn hơn so với lưu động thuận chiều Điều này là do khi lưu động ngược chiều, độ chênh nhiệt độ hai phía của bề mặt truyền nhiệt tương đối đồng đều, trong khi lưu động thuận chiều thì phụ tải nhiệt trên bề mặt rất không đồng đều, dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt khác nhau giữa hai phương thức lưu động.

Khi bố trí lưu động thuận chiều, nhiệt độ đầu ra của chất lỏng lạnh luôn luôn thấp hơn nhiệt độ đầu ra của chất lỏng nóng Tuy nhiên, khi bố trí lưu động ngược chiều, nhiệt độ đầu ra của chất lỏng lạnh có thể thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ đầu ra của chất lỏng nóng, phụ thuộc vào đương lượng nhiệt của hai chất lỏng Cụ thể, nếu đương lượng nhiệt của chất lỏng nóng lớn hơn chất lỏng lạnh (G1.cP1 > G2.cP2), nhiệt độ đầu ra của chất lỏng lạnh có thể cao hơn nhiệt độ đầu ra của chất lỏng nóng.

Bố trí lưu động ngược chiều cũng tồn tại một số hạn chế đáng kể Cụ thể, nhiệt độ cao nhất của chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh tập trung ở một đầu thiết bị trao đổi nhiệt, dẫn đến nhiệt độ vách kim loại ở đầu đó rất cao Điều này không chỉ làm giảm độ bền của thiết bị mà còn có thể phát sinh các sự cố không mong muốn trong quá trình hoạt động.

* Ưu và nhược điểm của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Ưu điểm:

- Có hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, cấu tạo gọn, khả năng chịu lực và độ bền cao

- Bảo đảm kín, không rò rỉ

- Do môi chất chỉ chuyển động vào ra trong một ống duy nhất nên lưu lượng nhỏ

- Quá trình chế tạo tương đối khó khăn, nhất là ống có cánh

- Do tiết diện bị co thắt nên ảnh hưởng sự lưu động của môi chất bên trong các ống dễ bị móp, nhất là ống lớn ở ngoài

Thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN) kiểu ống lồng ống được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để gia nhiệt hoặc làm mát cho các loại môi chất lỏng như nước sử dụng trong lò hơi, làm lạnh nhanh bia, làm mát bia, Trong các hệ thống lạnh và điều hòa không khí (ĐHKK), thiết bị này được sử dụng làm thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, với nước chuyển động ở ống bên trong và môi chất lạnh chuyển động ngược lại Thiết bị TĐN ống lồng ống có thể được chế tạo từ các vật liệu như đồng, kẽm, thép, hợp kim hoặc inox, và thường được kết nối thành các module để đáp ứng các công suất khác nhau Trong các hệ thống ĐHKK trung tâm hoặc hệ thống lạnh công nghiệp, thiết bị ngưng tụ ống lồng ống được chế tạo thành từng cụm lớn với kết cấu và bố trí gọn gàng Thiết bị này cũng được ứng dụng trong các quy trình công nghệ sản xuất đồ hộp thực phẩm, chẳng hạn như sản xuất nước nho ép từ quả nho đỏ, giúp tiêu diệt hệ vi sinh vật và vô hoạt các enzyme.

Nguyên liệu sẽ được làm nóng đến nhiệt độ cần thiết trước khi được lấy ra ở cuối đường ống Quá trình thanh trùng được thực hiện ở nhiệt độ 135 độ C và thời gian tiếp xúc là khoảng 5 giây, giúp đảm bảo an toàn thực phẩm và chất lượng sản phẩm.

Hình 2.3 Thiết bị thanh trùng UHT (Ultra High Temperature) [9]

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm công nghiệp hóa chất, vui chơi giải trí, dịch vụ du lịch, sinh hoạt, giao thông vận tải, hóa chất, y tế, nhà máy nhiệt điện và nghiên cứu phòng thí nghiệm.

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống thẳng trơn:

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống đơn có thiết kế đơn giản và chiều dài tương đối ngắn Cấu tạo của chúng thường bao gồm các ống đơn được ghép lại với nhau thông qua đầu chuyển hướng, cho phép lắp ráp bằng rắc co nối hoặc mặt bích nối để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt và công suất của hệ thống.

Hình 2.4 Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống được ghép từ nhiều ống đơn [10]

* Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh:

- Ống có cánh nằm ngang:

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống ngoài loại ống trơn còn được cải tiến thành loại ống lồng ống có cánh để tăng diện tích trao đổi nhiệt và khả năng trao đổi nhiệt Cánh của ống có thể được gắn cả bên trong hoặc bên ngoài của ống, với thiết kế nằm ngang hoặc nằm dọc theo chiều đường ống đối với ống có cánh thẳng Quá trình chế tạo ống có cánh bắt đầu bằng việc chọn ống thô ban đầu có đường kính trong theo quy định, sau đó đường kính ngoài sẽ được tính toán dựa trên chiều cao cánh Ống sau đó sẽ được gia công tiện trên máy công nghệ cao CNC để đảm bảo chiều cao, dày và bước ống chính xác theo tính toán ban đầu.

Hình 2.5Loại ống có cánh nằm ngang [10]

Several companies specialize in manufacturing finned tube equipment, including Mandev Tubes in Maharashtra, India, and Metal Alloys, a joint venture with a diversified finned tubing product line in Ohio, USA In India, notable manufacturers include Krishna Copper, a prominent copper finned tube producer, and Post Khodiyar Colony Additionally, Ningbo Winroad Refrigeration Equipment in China is another key player in the industry, contributing to the global supply of finned tubes.

Ống có cánh nan hoa là loại ống được thiết kế phức tạp với nhiều cánh nhỏ trải đều trên bề mặt, giúp gia tăng khả năng trao đổi nhiệt hiệu quả So với ống có cánh ngang, ống có cánh nan hoa giảm thiểu việc ngăn cản chuyển động của dòng chảy, từ đó nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt.

Quy trình chế tạo ống có cánh đòi hỏi sự phức tạp và đầu tư lớn, đồng thời yêu cầu công nghệ chế tạo hiện đại với kỹ thuật cao cấp Quá trình gia công và chế tạo ống có cánh thường được thực hiện trên các máy CNC tiên tiến, đảm bảo độ chính xác và chất lượng cao cho sản phẩm cuối cùng.

Hình 2.6 Ống trao đổi nhiệt có cánh nan hoa [10]

- Ống có cánh dọc thân:

Bên cạnh loại ống có cánh nằm ngang, còn có loại thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng cánh nằm dọc theo chiều dài đường ống, giúp tăng khả năng trao đổi nhiệt và hạn chế cản trở dòng chảy của môi chất Loại ống này có thiết kế chế tạo đơn giản hơn so với loại ống có cánh nằm ngang Ngoài ra, một số loại ống còn được gắn thêm cánh nằm dọc theo đường ống ngoài để tăng cường khả năng giải nhiệt với môi trường xung quanh.

Hình 2.7 Biên dạng ống có cánh nằm dọc [10]

Trên thị trường hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống với đa dạng biên dạng cánh, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị tiết kiệm năng lượng như economizer của lò hơi, máy lạnh và máy sưởi.

Nhà máy sản xuất ống FIN TUBE PRODUCTS, INCở Mỹ, địa chỉ 188 S Lyman St., Suite

Công ty 100 Wadsworth, OH 44281, Hoa Kỳ sản xuất đa dạng các chủng loại ống khác nhau như hình 2.8, với sự phong phú về kích thước và chủng loại có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu của khách hàng.

Hình 2.8 Một số loại ống có cánh đang được bày bán trên thị trường [11]

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn là loại thiết bị được chế tạo từ nguyên lí ống lồng ống dạng trơn, nhưng có hình dạng ống xoắn Mặc dù quá trình chế tạo gặp nhiều khó khăn, nhưng thiết bị này lại mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn so với dạng ống thẳng đơn Ưu điểm của thiết bị ống lồng ống dạng xoắn còn là tiết kiệm không gian khi lắp đặt trong hệ thống lạnh, do hình dạng xoắn giúp gọn lại Thiết bị này thường được sử dụng trong các hệ thống có công suất nhỏ và trung bình, và việc chế tạo ống dạng hình tròn giúp tăng tính rối của dòng chảy, từ đó trao đổi nhiệt tốt hơn.

Đối với thiết bị TĐN ống lồng dạng elip xoắn, hình dạng này được chế tạo với mục đích tương tự như ống dạng tròn, nhằm tiết kiệm không gian lắp đặt Ngoài ra, dòng chảy bên trong ống elip dạng xoắn cũng sẽ chảy thuận lợi hơn ở những khúc cua, giúp thay đổi dòng chảy một cách hiệu quả.

Loại ống dạng vuông xoắn được thiết kế để tận dụng không gian góc tường, giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt cho các bộ phận khác trong hệ thống Ngoài ra, thiết kế này còn tạo ra các góc chuyển hướng đột ngột, làm tăng khả năng tạo rối và gia tăng hiệu quả trao đổi nhiệt, giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống.

Hình 2.10 Ống lồng ống dạng vuông xoắn [10]

Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trên thị trường

Thiết bị ống lồng ống có cánh ngang được sản xuất từ các vật liệu chất lượng cao theo tiêu chuẩn công nghiệp, với chiều dài tối đa 6 mét và đường kính ngoài từ 6 đến 73 mm Ngoài ra, nhà máy cũng sản xuất ống hình chữ U với cánh cao từ 4 đến 30 mm, được chế tạo từ các loại kim loại như đồng, nhôm, thép các bon hoặc hợp kim.

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được sản xuất bởi công ty KLM Technology Group rất phù hợp cho các ứng dụng áp suất cao nhờ đường kính tương đối nhỏ và điểm kết nối của các ống là các mặt bích nhỏ Các phần ống lồng ống được thiết kế tối đa 165 (bar) cho ống bên ngoài và lên đến 1033 (bar) cho ống bên trong, với khớp nối kim loại chắc chắn và bền bỉ Kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trên thị trường thường có ống ngoài từ 50,8 đến 101,6 (mm) và ống bên trong từ 19 đến 63,5 (mm), với các tùy chọn ống trơn hoặc có cánh dọc, và số lượng vây từ 16 đến 48 trên mỗi ống.

Hiện trạng, các nghiên cứu và bài báo về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, chủ yếu đến từ Ấn Độ, Mỹ và Trung Quốc, chiếm số lượng lớn về nghiên cứu thiết bị này Các nghiên cứu thường tập trung vào cấu trúc và hình dạng của thiết bị, cũng như sự trao đổi nhiệt của các chất lỏng khác nhau trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.

Researchers at Al-Nahrain University in Baghdad, Iraq, have conducted a study on smooth and finned tube heat exchangers, referencing the work of Vinous and colleagues, specifically their paper "Turbulent Flow Heat Transfer And Pressure Loss In A Double Pipe Heat Exchanger With Triangular Fins".

[14] Trong bài nghiên cứu của mình, Vinous đã thực hiện so sánh giữa ống có cánh và ống trơn về số Reynolds, Nusselt, tổn thất áp suất trong ống,…

Một nghiên cứu đáng chú ý về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn ốc được thực hiện bởi Rakesh trong bài báo "CFD Analysis Of Double Helical Pipe Parallel & Counter Flow Heat Exchanger" Bài báo này tập trung vào việc nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn và sử dụng phương pháp mô phỏng CFD để phân tích hiệu suất của thiết bị này.

Ngoài các nghiên cứu về thiết bị ống lồng ống trơn, ống lồng ống có cánh và ống lồng ống dạng xoắn, một số nghiên cứu khác đã tập trung vào thiết bị trao đổi nhiệt có thêm các thanh xoắn bên trong ống Một ví dụ đáng chú ý là nghiên cứu của Kurma và cộng sự, trong đó họ đã xây dựng mô hình để đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị này.

A study on "Triangular Perforated Twisted Tape With V-Cuts In Double Pipe Heat Exchanger" investigates the effectiveness of incorporating twisted tapes into the inner tube of a double pipe heat exchanger, comparing its performance to a smooth double pipe heat exchanger without twisted tape inserts.

Đại học Azad Hồi giáo, Chi nhánh Saveh, Saveh, Iran cũng đã thực hiện một số nghiên cứu và đầu tư các mô hình thí nghiệm về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, tập trung vào hiệu quả trao đổi nhiệt khi sử dụng chất lỏng nano, như minh chứng trong bài báo khoa học "Heat Transfer of Iron Oxide Nanofluid in a Double Pipe Heat Exchanger" của Reza và cộng sự.

2.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

Các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ở Việt Nam khá đa dạng, tập trung vào vấn đề truyền nhiệt khi thay đổi hình dạng và vận tốc dòng chảy của chất lỏng, cũng như mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt bằng phần mềm mô phỏng, nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình truyền nhiệt và tìm ra giải pháp tối ưu cho thiết bị này.

Một số nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng thẳng trơn có thể được tham khảo, điển hình như bài báo của Thái Ngọc Sơn và cộng sự, "Ứng Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Để Xây Dựng Phương Trình Tiêu Chuẩn Tỏa Nhiệt Đối Với Lưu Chất Chảy Rối Trong Ống" Bài báo này áp dụng phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu để thiết lập phương trình tính hệ số Nusselt, kết hợp với mô phỏng bằng CFD cho thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng thẳng trơn, cung cấp một nguồn tham khảo quý giá cho việc thực hiện đồ án này.

Research on finned double-pipe heat exchangers can be attributed to the work of Lê Ngọc Trung and colleagues, as presented in their paper "Calculations For Testing The Overall Coefficient Of Heat Transfer On The Double Pipe Heat Exchange Equipment" This study focuses on calculating, testing, and optimizing the performance of double-pipe heat exchange equipment.

Một nghiên cứu đáng chú ý về mô phỏng CFD thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống được thực hiện bởi Nguyễn Xuân Viên và cộng sự, trong đó họ đã trình bày về quá trình truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thu hồi nhiệt thải hệ thống điều hòa không khí Water Chiller Bài báo này tập trung vào việc sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất và khả năng hoạt động của thiết bị này.

Công thức tính toán thực tế thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Công thức tính toán được trình bày trong chương này tập trung vào thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống lưu động ngược chiều, với sơ đồ lưu động được minh họa ở Hình 2.14, giúp người đọc dễ dàng hiểu và áp dụng vào thực tế.

* Tính nhiệt lượng 𝑄 theo phương trình cân bằng nhiệt [4]:

Công thức tính nhiệt lượng trao đổi Q (W) giữa lưu chất nóng và lạnh được xác định bởi nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của mỗi chất, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của từng chất Cụ thể, nhiệt lượng trao đổi Q được tính bằng tích của nhiệt độ chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra của lưu chất nóng và lạnh, và nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp tương ứng Trong đó, nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất nóng là Cp1, của lưu chất lạnh là Cp2, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của lưu chất nóng lần lượt là t1′ và t1′′, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của lưu chất lạnh lần lượt là t2′ và t2′′.

* Tính ∆̅𝑡 trung bình theo sơ đồ lưu động ngược chiều [4]:

Hình 2.11 Sơ đồ lưu động ngược chiều của thiết bị TĐN ống lồng ống [4]

Xác định nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng và lưu chất lạnh 𝑡 1 và 𝑡 2 :

2 (𝑡 2 ′ +𝑡 2 ′′ ) , (℃) Vận tốc của lưu chất nóng đi trong ống nhỏ:

𝜋.𝜌 1 𝑑 1 2 , (m/s) (2.3) Vận tốc của lưu chất lạnh phía trong không gian vòng xuyến bên ngoài ống nhỏ:

Trong hệ thống ống, vận tốc của lưu chất nóng và lạnh được ký hiệu là 𝜔 1 và 𝜔 2 (được tính bằng m/s), trong khi lưu lượng khối lượng của chúng được biểu thị bằng 𝐺 1 và 𝐺 2 (tính bằng kg/s) Ngoài ra, đường kính trong và đường kính ngoài của ống nhỏ được ký hiệu là 𝑑 1 và 𝑑 2 (được tính bằng m), và đường kính trong của ống lớn được ký hiệu là 𝐷 (cũng tính bằng m).

* Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu 𝛼 1 [4]:

𝛾 1 (2.5) Ở chế độ chảy rối (Re > 10 4 ), tính số Nusselt:

Chọn nhiệt độ vách tường bên trong của ống nhỏ 𝑡 𝑤1 :

𝑑 1 𝑁𝑢 1 , (W/m 2 K) (2.7) Nhiệt lượng tỏa ra trên 1 mét chiều dài ống:

Các thông số quan trọng của lưu chất trong ống nhỏ bao gồm số Reynolds (Re1), độ nhớt động học (γ1), số Nusselt (Nu1) và số Prandtl (Pr1) Bên cạnh đó, số Prandtl của vách trong ống nhỏ (Prw1) và nhiệt độ vách bên trong (tw1) cũng đóng vai trò quan trọng Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất trong ống nhỏ (α1) cũng là một yếu tố cần được xem xét trong quá trình tính toán và phân tích.

𝜆 1 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt của lưu chất chảy trong ống nhỏ, 𝑞 1 (W/m) là mật độ dòng nhiệt do lưu chất nóng tỏa ra trên 1 mét chiều dài của ống

* Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu 𝛼 2 [4]:

Nhiệt độ truyền qua vách:

Nếu ống mỏng 𝜆 lớn ta coi 𝑡 𝑤1 = 𝑡 𝑤2 :

𝑞 1 = 𝑞 2 , (W/m) Đường kính tương đương của phần không gian hình xuyến D/d2 là:

Khi trị số Reynolds được xác định, ta có thể xác định chế độ chảy của dòng chất lưu Đối với dòng chảy rối trong ống với Re > 10 4, hệ số tỏa nhiệt 𝛼 có thể được tính toán dựa trên công thức D/d2, giúp đánh giá quá trình truyền nhiệt trong ống.

Do đó 𝛼 2 suy ra được công thức:

Trong không gian hình xuyến, một số tham số quan trọng được sử dụng để mô tả quá trình lưu chất, bao gồm đường kính tương đương 𝑑 𝑡𝑑, số Reynolds 𝑅𝑒 2, độ nhớt động học 𝛾 2, số Nusselt 𝑁𝑢 2 và số Prandtl 𝑃𝑟 2, cũng như số Prandtl của lưu chất tại bề mặt 𝑃𝑟 𝑤2, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và dự đoán hành vi của lưu chất trong không gian này.

Số Prandtl của vách trong không gian hình vòng xuyến đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất Nhiệt độ vách bên trong không gian hình vòng xuyến (𝑡 𝑤2) và hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất (𝛼 2) ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ dòng nhiệt do lưu chất tỏa ra trên 1 mét chiều dài ống (𝑞 2) Đồng thời, hệ số dẫn nhiệt của lưu chất chảy trong không gian hình vòng xuyến (𝜆 2) và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo ống (𝜆) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất tỏa nhiệt của hệ thống.

* Phương trình truyền nhiệt qua tường [27]:

Với 𝑞 𝑤𝑎𝑙𝑙 là thông lượng nhiệt tại tường, 𝑘 là hệ số truyền nhiệt thực nghiệm, 𝑇 𝑤𝑎𝑙𝑙 là nhiệt độ của tường, 𝑇 ∞ là nhiệt độ môi trường

*Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình loga (LMTD method) [4]:

- Tính toán cho dạng lưu động thuận chiều và ngược chiều:

Với 𝑄 (W) là nhiệt lượng trao đổi, 𝑘 (W/m 2 K) là hệ số truyền nhiệt của thiết bị, ∆̅𝑡 ( o C) là độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hai loại chất lỏng nóng và lạnh

- Tính toán cho dạng chất lỏng lưu động phức tạp:

Tính toán dựa theo hệ số hiệu chỉnh 𝜀 ∆𝑡 là hàm của thông số P và R: ε ∆t = f(P, R) và tra đồ thị ε ∆t = f(P, R)

P là độ tăng nhiệt độ của chất lỏng 2 (chất lỏng lạnh), R là tỷ lệ đương lượng nhiệt giữa hai loại chất lỏng

Để tính độ chênh nhiệt độ trung bình ∆̅𝑡 𝑓𝑡 ( o C ) của dạng lưu động phức tạp, ta nhân thêm hệ số hiệu chỉnh ε ∆t vào độ chênh nhiệt độ trung bình của dạng lưu động ngược chiều.

* Phương pháp hiệu suất (NTU method) [4]:

Phương trình cân bằng nhiệt:

So sánh 𝐶 1 và 𝐶 2 bên nào lớn thì là 𝐶 𝑚𝑎𝑥 bên nào bé thì là 𝐶 𝑚𝑖𝑛 giả sử 𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝐺 1 𝐶 𝑝1 và

𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 𝐺 2 𝐶 𝑝2 thì khả năng truyền nhiệt tối đa của thiết bị sẽ là 𝑄 𝑚𝑎𝑥 = 𝐶 𝑚𝑖𝑛 (𝑡 1 ′ − 𝑡 2 ′ )

Nhưng trên thực tế thiết bị chỉ truyền được 𝑄 = 𝐺 2 𝐶 𝑝2 (𝑡 2 ′′ − 𝑡 2 ′ ) từ đó ta tính được hiệu suất của thiết bị 𝜀 là:

Hoặc 𝜀 được tính theo công thức trong bảng 14.1 trang 406 sách Truyền nhiệt của thầy Hoàng Đình Tín [4]

Với 𝜀 và 𝐶, chúng ta có thể tra bảng mối liên hệ để tìm ra 𝜀 = 𝑓(𝐶, 𝑁𝑇𝑈) và từ đó xác định được 𝑁𝑇𝑈, một số không có thứ nguyên phản ánh tính năng kinh tế kỹ thuật tổng hợp của thiết bị trao đổi nhiệt.

Đương lượng nhiệt của thiết bị được biểu thị bằng các thông số C1 và C2 (đơn vị W/K), trong khi hệ số chuyển nhiệt được ký hiệu là NTU Ngoài ra, nhiệt lượng tối đa có thể trao đổi nhiệt được ký hiệu là Qmax (đơn vị W) Diện tích truyền nhiệt của thiết bị được biểu thị bằng F (đơn vị m2), và hệ số truyền nhiệt của thiết bị được ký hiệu là k (đơn vị W/m2.K).

* Công thức dùng trong tính toán thiết bị ống lồng ống dạng xoắn [20]:

Chiều dài của một vòng xoắn:

𝐿 𝑥 = 𝜋 𝐷 𝑥 (2.17) với 𝐿 𝑥 là chiều dài của một vòng xoắn, 𝐷x là đường kính của vòng xoắn

Bán kính tương đương của vòng xoắn:

Công thức tính toán liên quan đến các yếu tố của ống xoắn ốc bao gồm số vòng xoắn (𝑁), tổng chiều dài của ống (𝐿), bán kính xoắn (𝑅), bước xoắn (𝑝), bán kính tương đương của phần vòng xuyến (𝑟 𝑡𝑑) và bán kính tương đương của phần vòng xuyến (𝑑 𝑡𝑑), trong đó các thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và tính chất của ống xoắn ốc.

Hệ số hiệu chỉnh độ cong bên trong của ống nhỏ:

Hệ số hiệu chỉnh độ cong bên ngoài của ống nhỏ:

Hệ số tỏa nhiệt của nước nóng ống lồng ống xoắn:

𝛼 𝑥1 = 𝛼 1 𝜀 𝑅1 , (W/m 2 K) (2.22) Nhiệt lượng tỏa ra trên 1 (m) chiều dài ống xoắn:

Hệ số tỏa nhiệt của nước lạnh trong ống lồng ống xoắn:

𝛼 𝑥2 = 𝛼 2 𝜀 𝑅2 , (W/m 2 K) (2.24) Nhiệt lượng tỏa ra trên 1 (m) chiều dài ống xoắn:

* Tính trở kháng thủy lực của thiết bị trao đổi nhiệt [4]:

- ∆pm trở kháng ma sát:

- ∆pc trở kháng cục bộ:

Công thức tính áp lực cần thiết để vận chuyển chất lỏng qua ống phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm đường kính trong của ống (d) nếu ống tròn, hoặc đường kính tương đương nếu ống không tròn, tổng chiều dài ống (L), khối lượng riêng của chất lỏng (𝜌), hệ số ma sát (𝜁) phụ thuộc vào đặc tính thủy động của dòng chảy, độ thô nhám và hình dạng kết cấu của bề mặt ống, và vận tốc trung bình của dòng chất lỏng (𝜔).

Tính hệ số ma sát 𝜁 theo công thức Haaland [21]:

3,7) 1,11 ] với 𝑓 là hệ số ma sát được kí hiệu trong công thức Haaland, 𝜀 là độ nhám [21]

Trở kháng này xảy ra là do sự tăng tốc của dòng chảy gây nên và được tính:

Trở lực của dòng chảy chất lỏng thường được biểu thị bằng công thức liên quan đến vận tốc của dòng chảy (u) và khối lượng riêng của chất lỏng (ρ) Tuy nhiên, trong thực tế, khi chất lỏng có dạng giọt và tần số góc 𝜔 1 và 𝜔 2 không chênh lệch quá lớn, trở lực này thường nhỏ hơn so với các trở lực khác và có thể được bỏ qua trong tính toán.

Trong hệ thống hở môi chất tiếp xúc với khí quyển, trở kháng trọng trường được tính:

Công thức tính áp suất chất lỏng phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng, bao gồm gia tốc trọng trường (g) với giá trị khoảng 9,81 m/s 2, chiều cao giữa tiết diện vào và ra của thiết bị (H) đo bằng mét, khối lượng riêng trung bình của chất lỏng (ρ) và khối lượng riêng trung bình của không khí ngoài trời (ρ0), cả hai đều đo bằng kg/m 3.

Dấu “+” sử dụng cho dòng chảy từ dưới lên, dấu “-” sử dụng cho dòng chảy từ trên xuống

Vì đây là hệ thống kín nên ∆𝑝 𝑜 = 0

* Công thức tính công suất bơm [4]:

𝑁 là công suất trên trục của bơm (kW) , 𝑉 là lưu lượng thể tích của chất lỏng (m 3 /s), ∆𝑝 tổng trở lực (Pa) hoặc (N/m 2 ), 𝜂 là hiệu suất của bơm

2.5.2 Tính toán cho mô hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Mô hình thực nghiệm được thiết lập dựa trên nghiên cứu của Thái Ngọc Sơn và cộng sự, trong đó đề cập đến việc ứng dụng phần mềm mô phỏng để xây dựng phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt đối với lưu chất chảy rối trong ống Vật liệu làm ống được sử dụng là inox và các thông số khác được ghi lại chi tiết Thiết bị trao đổi nhiệt trong mô hình này là dạng ống trơn và lưu động ngược chiều, cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và vận hành hệ thống trao đổi nhiệt hiệu quả.

Bảng 2.1Thông số mô hình thực nghiệm của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống [18]

Biến số Kích thước (mm)

Chiều dài bộ trao đổi nhiệt 2000 Đường kính trong của ống nhỏ d1 17 Đường kính ngoài của ống nhỏ d2 19 Đường kính trong của ống lớn D 30

Trong Bảng 2.2 là thông số đầu vào của nước nóng và nước lạnh đi bên trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Bảng 2.2 Thông số của lưu chất đi trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống [18]

STT Vị trí Nhiệt độ ( o C) Lưu lượng khối lượng (kg/s)

* Tính hệ số truyền nhiệt 𝑘 từ kết quả của thực nghiệm:

- Tính hệ số truyền nhiệt 𝑘 theo phương pháp LMTD:

- Tính hệ số truyền nhiệt 𝑘 theo phương pháp 𝜀 − 𝑁𝑇𝑈:

Tra đồ thị quan hệ 𝜀 = 𝑓(𝐶, 𝑁𝑇𝑈) trang 406 sách Truyền Nhiệt của thầy Hoàng Đình Tín

* Tính số Reynolds, số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu:

- Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng và lưu chất lạnh trong ống 𝑡 1 , 𝑡 2 :

- Đối với dòng chất lưu nóng chảy trong ống nhỏ:

Từ 𝑡 1 = 58,3 (℃) tra bảng thông số vật lí của nước ta có:

𝛾 1 = 0,491 10 −6 (m 2 /s) 𝜆 1 = 0,65 (W/m K) Tính được vận tốc nước nóng chảy trong ống nhỏ:

Hệ số Reynolds của nước nóng:

=> Vậy lưu chất trong ống nhỏ là chảy rối

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước nóng:

- Đối với dòng lưu chất lạnh trong vòng xuyến:

𝑡 2 = 32,3 (℃) tra bảng thông số vật lí của nước ta có:

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước lạnh:

* So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả tính của bài báo:

Bảng 2.3 So sánh kết quả tính lý thuyết và kết quả bài báo khoa học [18]

Tiêu chí Kết quả lý thuyết Kết quả bài báo Sai số lý thuyết/bài báo (%)

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD

Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD

Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp mô phỏng động lực học của dòng chảy, bao gồm nhiều mô hình khác nhau như mô phỏng dòng chảy rối và mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt Trong mô phỏng CFD, phương pháp số được sử dụng để giải quyết các bài toán liên quan đến dòng chảy của chất lưu, giúp hiểu rõ bản chất của dòng chảy và các tác động của nó Các phương trình điều khiển của dòng chảy thường rất phức tạp, như phương trình Navier Stokes, một trong 6 bài toán thiên niên kỷ vẫn chưa có giải pháp chính xác, do đó mô phỏng CFD đóng vai trò quan trọng trong việc khảo sát và phân tích dòng chảy.

Hình 3.1 Mô hình căn bản của CFD [22]

* Một số ứng dụng của CFD:

Mô phỏng CFD đóng vai trò quan trọng trong ngành hàng không và vũ trụ, giúp tối ưu hóa thiết kế các bộ phận quan trọng của máy bay Đặc biệt, mô phỏng CFD được sử dụng để tối ưu hóa biên dạng cánh của máy bay, giúp tăng lực nâng và giảm hoặc giữ nguyên lực cản của không khí khi máy bay vận hành, từ đó nâng cao hiệu suất và an toàn bay.

Hình 3.2 Mô phỏng biên dạng cánh máy bay [22]

Trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, ứng dụng của CFD cũng đóng vai trò quan trọng tương tự như trong ngành hàng không Cụ thể, CFD được sử dụng để mô phỏng dòng khí chuyển động xung quanh xe, từ đó giúp các nhà thiết kế đưa ra hình dạng thích hợp cho xe ô tô, đảm bảo tính khí động học và hiệu suất vận hành tối ưu.

Ứng dụng của CFD trong công nghiệp xây dựng cho phép mô phỏng và phân tích các số liệu quan trọng trong tòa nhà, bao gồm hệ thống thông gió, hệ thống sưởi ấm và hệ thống điều hòa không khí Đặc biệt, CFD được sử dụng để đánh giá chất lượng không khí trong tòa nhà, giúp các kiến trúc sư và kỹ sư xây dựng có thể thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điều hòa không khí hiệu quả hơn.

Hình 3.3 Mô phỏng trường nhiệt độ với CFD [23]

Hệ thống hóa chất và dầu khí là một lĩnh vực quan trọng cần được mô phỏng chính xác để đảm bảo hiệu suất và an toàn Một số thiết bị phản ứng quan trọng cần được mô phỏng bao gồm tầng sôi, cột sủi bọt (bubble column), tháp chưng cất, tháp hấp thụ và hệ thống ống nối Ngoài ra, mô phỏng hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình sản xuất.

- Thiết bị công nghiệp bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm, phân tách pha, trao đổi nhiệt [22]

- Thời tiết và khí hậu: Mô hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai [22]

- Hàng hải và đóng tàu: Mô hình tương tác giữa sóng và ứng suất vỏ tàu, mô hình phỏng đoán lực cản vỏ tàu [22]

Quy trình mô phỏng cơ bản của CFD:

- Bước 1: Tạo dựng mô hình và xử lí hình học được làm trên phần mềm solid work, Workbench và một số phần mềm khác

- Bước 2: Thực hiện chia lưới tùy theo người dùng lựa chọn chia lưới có cấu trúc hoặc không có cấu trúc

- Bước 3: Thiết lập thông số của mô hình

- Bước 4: Thiết lập phương pháp giải

Bước 6 là giai đoạn quan trọng trong quá trình mô phỏng, tại đây chúng ta cần kiểm tra sự hội tụ của lưới Nếu lưới không hội tụ, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết quả mô phỏng, dẫn đến sai số rất lớn so với thực tế Do đó, việc kiểm tra và đảm bảo sự hội tụ của lưới là bắt buộc, nếu không đạt được sự hội tụ, chúng ta cần phải chia lại lưới để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác.

Bước 7: Sau khi hoàn tất kiểm tra lưới hội tụ, tiến hành mô phỏng các trường hợp khác nhau, xử lý và phân tích kết quả thu được, đồng thời lập bản báo cáo chi tiết về kết quả mô phỏng để tổng hợp và đánh giá hiệu quả của mô hình.

40 Để hiểu rõ hơn về quy trình mô phỏng có thể tham khảo Hình 3.4

Hình 3.4 Quy trình mô phỏng cơ bản CFD [22]

Các phương trình điều khiển và phương pháp rời rạc hóa miền tính toán

Mô phỏng CFD sử dụng phương pháp số để giải quyết các bài toán liên quan đến dòng chảy, giúp xử lý các phương trình điều khiển phức tạp như phương trình liên tục, phương trình Navier Stokes và phương trình năng lượng, vốn khó có thể giải bằng tay.

Phương trình Navier Stokes là một hệ phương trình toán học mô tả chuyển động của chất lỏng không nén được, dựa trên định luật 2 Newton Hệ phương trình này biểu diễn bảo toàn động lượng của phần tử chất lỏng trong hệ tọa độ Descartes ba chiều, bao gồm 3 trục x, y, z.

Các phương trình điều khiển của dòng chảy gồm phương trình liên tục, phương trình Navier Stokes, phương trình năng lượng

Trong đó t là thời gian, 𝜌 là khối lượng riêng, 𝜐⃗ là vận tốc dòng chảy, p là áp suất lưu chất,

Năng lượng bên trong một đơn vị khối lượng được ký hiệu là 𝑒, trong khi lực thể tích được biểu diễn bằng 𝑓⃗ Hệ số dẫn nhiệt được ký hiệu là 𝑘 𝑒𝑓𝑓, và entanpy của chất 𝑗 được biểu diễn bằng ℎ 𝑗 Ngoài ra, 𝐽⃗ 𝑗 đại diện cho dòng khuếch tán của các chất 𝑗, và ứng suất kéo được thể hiện bằng 𝜏⃗ 𝑒𝑓𝑓.

3.2.2 Các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán

Các phương pháp CFD phổ biến bao gồm FDM (Phương pháp Sai phân hữu hạn), FVM (Phương pháp Vùng hữu hạn) và FEM (Phương pháp Phần tử hữu hạn), được ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng dòng chảy và chuyển nhiệt Trong đó, phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Differences Method) là một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất.

Phương pháp rời rạc hóa miền không gian là một kỹ thuật quan trọng trong mô phỏng số, bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Những phương pháp này cho phép chia miền không gian và thời gian thành các phần tử lưới rời rạc, giúp mô hình hóa và phân tích các hệ thống phức tạp Hình 3.5 minh họa rõ ràng ba phương pháp rời rạc hóa miền không gian, giúp người đọc hiểu rõ hơn về từng phương pháp và cách áp dụng chúng trong thực tế.

Hình 3.5 Phương pháp rời rạc hóa miền không gian[25]

* Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) [26]:

Phương pháp sai phân hữu hạn là một kỹ thuật số để giải phương trình vi phân bằng cách tính gần đúng các đạo hàm với sai phân hữu hạn Kỹ thuật này tách rời miền không gian và thời gian thành các bước hữu hạn, sau đó tính gần đúng giá trị của nghiệm tại các điểm rời rạc bằng cách giải các phương trình đại số chứa các giá trị và sai phân hữu hạn từ các điểm lân cận Miền giải pháp được bao phủ bởi một lưới, tại mỗi điểm lưới, phương trình vi phân được mô phỏng gần đúng bằng cách thay thế các đạo hàm riêng bằng các phép gần đúng theo các giá trị nút của các hàm Điều này cho phép chuyển đổi phương trình vi phân thông thường hoặc phương trình đạo hàm riêng phi tuyến thành một hệ phương trình tuyến tính có thể được giải bằng đại số, từ đó có thể tìm ra nghiệm tại mỗi điểm nút và xác định sai phân tại điểm nút đó để biết nghiệm của vị trí xung quanh.

- Tốc độ nhanh hơn so với hai phương pháp còn lại

- Tài nguyên sử dụng trên máy thấp hơn

- Độ chính xác trung bình

- Chủ yếu chỉ dùng trong lưới có cấu trúc

* Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [27]:

Phương pháp phần tử hữu hạn ban đầu được giới thiệu vào năm 1956 và ban đầu chỉ được sử dụng để phân tích cấu trúc Tuy nhiên, đến đầu những năm 1990, phương pháp này mới trở nên phổ biến trong tính nghiệm của phương trình Euler và Navier-Stokes Đây là một phương pháp phổ biến để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học, bao gồm các lĩnh vực truyền thống như phân tích cấu trúc, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ Phương pháp này hoạt động bằng cách chia miền xác định của bài toán thành nhiều miền con (phần tử lưới) có thể có bất kỳ hình dạng nào, sau đó giải hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán cơ học và vật lý học, giúp xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể Ngoài ra, FEM còn được ứng dụng trong việc giải các phương trình sóng, truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và trường điện từ Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, FEM được tích hợp trong thiết kế và phát triển sản phẩm, đặc biệt là trong các ngành hàng không, cơ khí, ô tô Các phần mềm FEM hiện đại cung cấp các thành phần cụ thể như môi trường làm việc nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc, giúp tạo ra độ cứng và ứng suất, đồng thời giảm thiểu trọng lượng, vật liệu và chi phí trong mô phỏng cấu trúc.

- Biểu diễn chính xác hình học phức tạp, lưới càng mịn, càng nhiều phần tử thì tính chính xác càng cao

Phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn là hai kỹ thuật mạnh mẽ trong mô phỏng số, cho phép xử lý dễ dàng các dạng hình học cong và không đều phức tạp Ưu điểm của hai phương pháp này là có thể áp dụng được trong cả lưới không có cấu trúc, giúp tăng tính linh hoạt và chính xác trong mô phỏng.

Phương pháp phần tử hữu hạn đòi hỏi kiến thức chuyên môn về toán học cao và nền tảng toán học chặt chẽ, đặc biệt là khi giải quyết các bài toán elliptic và parabol phức tạp.

- Vì lưới càng mịn tính chính xác càng cao nên tốn thời gian và tài nguyên hơn các phương pháp khác

Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) là một phương pháp thường được sử dụng trong các bài toán liên quan đến dòng chảy và được áp dụng trong mô phỏng lần này Phương pháp này chia miền mô hình thành các thể tích kiểm soát liền kề hữu hạn và áp dụng các phương trình bảo toàn cho mỗi miền nhỏ Tại tâm của mỗi miền nhỏ là một nút tính toán, nơi các giá trị biến sẽ được tính toán Quá trình tính toán liên quan đến việc lấy tích phân thể tích và bề mặt gần đúng, từ đó nhận được phương trình đại số cho mỗi bề mặt, bao gồm các giá trị nút lân cận Các miền nhỏ này có thể có nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn như tam giác, tứ giác, và có một điểm nút trung tâm.

- Khả năng tính toán các nghiệm xuất hiện trong phương trình chính xác hơn các phương pháp khác

- Có thể được thực hiện khá dễ dàng trên các lưới có cấu trúc cũng như trên các lưới không có cấu trúc

- Độ chính xác cục bộ của phương pháp phần tử hữu hạn có thể được tăng lên bằng cách tinh chỉnh lưới xung quanh góc của lưới

- Phức tạp, tốn thời gian

- Yêu cầu tài nguyên máy tính cung cấp lớn hơn so với phương pháp FDM.

Giới thiệu về phần mềm ANSYS

Để thực hiện mô phỏng CFD, có nhiều phần mềm khác nhau có thể được sử dụng, trong đó ANSYS là một trong những lựa chọn phổ biến nhất Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các mô hình ảo đa lĩnh vực, giúp họ hiểu rõ hơn về các hiện tượng phức tạp mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm việc Nhờ đó, người dùng có thể thỏa sức sáng tạo mà không bị giới hạn bởi các thông số biến động, đồng thời tiết kiệm thời gian và công sức.

Hầu hết các mô phỏng trong phần mềm ANSYS được thực hiện thông qua ANSYS Workbench, một trong những sản phẩm chính của công ty Với ANSYS, người dùng có thể mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ từng thành phần của các cấu trúc khác nhau, đặc biệt là đối với những đối tượng có kích thước lớn Người dùng có thể tùy chỉnh kích thước và thông số vật lý của đối tượng, sau đó thêm các yếu tố như trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính vật lý khác Sau đó, phần mềm ANSYS sẽ mô phỏng và phân tích chuyển động, phân bố nhiệt độ và các hiệu ứng khác theo thời gian.

Phần mềm ANSYS Workbench là nền tảng tích hợp nhiều module và phần mềm con, hoạt động như môi trường trung gian kết nối các module khác nhau, cung cấp các mối liên kết giúp chuyển đổi nhiệm vụ và tích hợp các chương trình Trong bài mô phỏng này, chúng ta sẽ tập trung vào bốn module chính: ANSYS Design Modeler, ANSYS Meshing, ANSYS Fluent và CFD Post, giúp người dùng dễ dàng thiết kế, mô hình hóa và phân tích dữ liệu.

Hình 3.6 Giao diện của ANSYS Workbench

ANSYS Design Modeler là một module quan trọng trong ANSYS Workbench, cho phép người dùng tạo mô hình và thực hiện việc tạo Geometry trên không gian 3D với 3 mặt phẳng có thể lựa chọn, bao gồm XY Plane, ZX Plane và YZ Plane Giao diện của Geometry được thiết kế tối giản hóa với các lệnh được mô tả bằng hình ảnh trực quan, giúp người dùng dễ dàng nắm bắt và sử dụng Các lệnh vẽ được trình bày một cách rõ ràng và trực quan, như minh họa trong Hình 3.7, nhằm hỗ trợ người dùng trong quá trình tạo mô hình.

Hình 3.7 Giao diện của ANSYS Design Modeler

Hình 3.8 Các lệnh dựng hình và tạo khối trên ANSYS Design Modeler

Hình 3.8 ở trên thể hiện các lệnh dựng hình và tạo khối trong ANSYS Design Modeler, bao gồm nhiều lệnh vẽ đa dạng như vẽ đường thẳng, hình tròn, hình vuông, hình elip và nhiều hình dạng khác.

Sau khi tạo Geometry, bước tiếp theo là tạo lưới trong ANSYS Meshing Giao diện Mesh được thiết kế đơn giản và dễ nhìn, với các lệnh được mô tả bằng hình ảnh trực quan Để tạo lưới, người dùng chỉ cần chọn lệnh Generate Mesh, lưới sẽ tự động được tạo ra Tuy nhiên, lưới tạo ra theo cách này thường không có cấu trúc, do đó ANSYS Meshing cung cấp các lệnh hỗ trợ khác để tạo lưới có cấu trúc và chính xác hơn.

Hình 3.9 Giao diện của phần tạo lưới Mesh

Khi tạo lưới, cấu trúc lưới ban đầu có thể còn thô Để điều chỉnh và thay đổi cấu trúc lưới, phần mềm cung cấp một số phương pháp khác nhau, bao gồm Sizing để thay đổi kích thước phần tử và lệnh Method để thay đổi cách thức chia lưới, giúp người dùng tinh chỉnh lưới một cách linh hoạt và chính xác.

Hình 3.10 Một số lệnh điều chỉnh lưới

Phần Setup và Solution cho phép người dùng điều chỉnh và nhập các thông số liên quan tới Geometry như vật liệu, vận tốc, nhiệt độ, Sau đó, hệ thống sẽ đưa ra kết quả số liệu chính xác sau khi thực hiện mô phỏng, giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về kết quả đạt được.

Phần mềm ANSYS Fluent cung cấp các tùy chọn thiết lập trong giao diện chính, bao gồm General, Materials, Solution và các tính năng khác Khi sử dụng phần mềm này, người dùng cần quan tâm đến một số phần quan trọng để thiết lập và chạy mô phỏng hiệu quả.

Mục General được sử dụng để thiết lập các thông số và phương pháp khi mô phỏng, trong khi lệnh Model cho phép người dùng thiết lập và lựa chọn mô hình bài toán phù hợp cho mô phỏng, bao gồm các mô hình như Laminar và k-ε.

+ Mục Materials để thiết lập loại chất liệu sẽ được dùng dựng mô hình và dòng chất lỏng

+ Mục Cell Zone Condition thay đổi chọn loại vật liệu được sử dụng đã thiết lập ở Materials

Trong mô hình dòng chất lỏng, mục Boundary Condition đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các thông số đầu vào và ra của dòng chất lỏng Tiếp theo, mục Solution cung cấp các lựa chọn về phương pháp tính toán và thiết lập, đồng thời đưa ra kết quả số học sau khi thực hiện tính toán xong, như thể hiện trong Hình 3.11.

Hình 3.11 Giao diện của mục solution

Mục Results là nơi trình bày kết quả sau khi giải quyết các vấn đề, cung cấp kết quả mô phỏng hoàn chỉnh về các thông số như nhiệt độ, vận tốc và các yếu tố khác dưới dạng số liệu cụ thể cũng như biểu đồ trực quan.

Module CFD Post là công cụ trình bày chi tiết kết quả mô phỏng, giúp mô tả quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị thông qua các tính năng như tạo Contour, Streamline, mặt cắt và đường đi của chất lưu dưới dạng vector Giao diện chính của CFD Post cung cấp một cái nhìn tổng quan về kết quả mô phỏng, giúp người dùng dễ dàng phân tích và hiểu rõ hơn về quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị.

Phương pháp chia lưới

Chia lưới là quá trình phân tích không gian hình học liên tục của một đối tượng thành hàng nghìn hoặc nhiều hình dạng nhỏ hơn để xác định chính xác hình dạng vật lý của nó, giúp mô tả và phân tích đối tượng một cách chi tiết và chính xác hơn.

- Lưới càng chi tiết, mô hình 3D sẽ càng chính xác, cho phép mô phỏng độ trung thực cao

Chia lưới, còn được gọi là tạo lưới, là quá trình tạo ra một lưới hai chiều và ba chiều để chia các hình học phức tạp thành các phần tử rời rạc Quá trình này giúp chuyển đổi phương trình vi phân từng phần phi tuyến thành hệ phương trình vi phân toàn phần tuyến tính, cho phép giải quyết các vấn đề phức tạp một cách hiệu quả hơn.

Việc chia lưới thường đòi hỏi một lượng thời gian đáng kể để thu được kết quả mô phỏng chính xác Do đó, các công cụ chia lưới tự động nâng cao có thể cung cấp các giải pháp nhanh chóng và chính xác hơn, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất mô phỏng.

* Các yếu tố đánh giá chất lượng lưới:

Mục đích của việc chia lưới là rời rạc hóa và chuyển đổi phương trình vi phân từng phần phi tuyến thành hệ phương trình vi phân toàn phần tuyến tính, từ đó có thể giải bằng phương pháp số Đây là bước quan trọng trong mô phỏng, giúp đảm bảo kết quả chính xác Tuy nhiên, phương trình Navier-Stokes vẫn là một trong những bài toán thiên niên kỷ chưa có lời giải Vì vậy, chất lượng lưới (Mesh Quality) đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt chuyển động của dòng chảy và đạt được kết quả chính xác.

Chất lượng lưới (Mesh Quality) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo kết quả phân tích chính xác của quá trình mô phỏng Một lưới chất lượng tốt giúp người dùng tiết kiệm thời gian bằng cách giảm thiểu số lần chạy bổ sung và tăng khả năng dự đoán khi chia lưới chính xác hơn Để đánh giá chất lượng lưới, người ta thường dựa vào các thông số quan trọng như Smoothness, Skewness và Aspect Ratio, cũng như Orthogonal Quality.

Smoothness là yếu tố quan trọng trong lưới chất lượng cao, đòi hỏi sự thay đổi kích thước từ mặt này sang mặt khác hoặc ô tiếp theo phải diễn ra một cách từ từ, không có sự chênh lệch quá đột ngột Sự thay đổi kích thước cần diễn ra chậm rãi từ nhỏ đến lớn, tránh sự khác biệt lớn về kích thước giữa các mặt hoặc ô liền kề, vì điều này có thể dẫn đến lưới tính toán kém Các phương trình vi phân được sử dụng để giải quyết vấn đề này giả định rằng các ô thu nhỏ có kích thước tương đương nhau hoặc gần bằng nhau, không quá chênh lệch về kích thước.

Hình 3.13 Lưới tốt và lưới không tốt [29]

Khi so sánh hình ảnh trên, có thể thấy rằng các lưới giáp nhau ở phần chuyển tiếp có sự thay đổi khác nhau nhưng vẫn giữ được kích thước tương đương gần bằng nhau Điều này là rất quan trọng vì trong toán học, việc chia lưới giúp chuyển đổi phương trình vi phân toàn phần phi tuyến, như phương trình Navier Stokes, thành hệ phương trình vi phân toàn phần tuyến tính Sự khác biệt về kích thước của các lưới có thể gây khó khăn trong quá trình tính toán và mô phỏng của phần mềm, do đó việc đảm bảo kích thước lưới đồng nhất là cần thiết.

Tỷ lệ khung hình, còn được biết đến với tên gọi Aspect Ratio, là tỷ số giữa độ dài cạnh dài nhất và độ dài cạnh ngắn nhất của một mặt hoặc ô Đây là một yếu tố quan trọng áp dụng cho nhiều loại phần tử khác nhau, bao gồm tam giác, tứ diện, hình chữ nhật và lục diện, với cách xác định riêng biệt cho từng loại.

Tỷ lệ khung hình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ gần lý tưởng của một mặt hoặc ô Để đạt được mức độ gần lý tưởng, tỷ lệ khung hình cần phải được tối ưu hóa Một tỷ lệ khung hình tốt thường là tỷ lệ mà tại đó hình ảnh hoặc nội dung được trình bày một cách rõ ràng, sắc nét và dễ quan sát Tuy nhiên, để xác định chính xác tỷ lệ khung hình tốt, cần phải xem xét các yếu tố khác như kích thước màn hình, độ phân giải và mục đích sử dụng.

+ Đối với mặt hoặc ô đều (ví dụ: tam giác đều hoặc hình vuông), tỷ lệ khung hình tốt nhất sẽ là 1

Đối với các ô hoặc các mặt có hình dạng ít đều đặn, tỷ lệ khung hình thường lớn hơn 1 do sự khác biệt về chiều dài của các cạnh Nếu tỷ lệ khung hình vượt quá 2, điều đó cho thấy có vấn đề với chất lượng lưới và cần được xem xét lại để đảm bảo độ chính xác và ổn định của mô hình.

Để cải thiện tỷ lệ khung hình và độ mượt mà của các mặt và ô hình tam giác, tứ diện và hình đa diện, bạn nên tập trung vào việc cải thiện độ lệch nhau của các cạnh Điều này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất đồ họa và mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn.

Khi tạo lưới, điều quan trọng là phải kiểm tra tỷ lệ khung hình hoặc sự thay đổi kích thước để tránh độ lệch giữa các khung hình Việc chênh lệch về tỷ lệ khung hình giữa hai ô có thể gây mất cân bằng và ảnh hưởng đến chất lượng của lưới, đặc biệt là khi có bước nhảy lớn về kích thước ô giữa hai ô có độ lệch thấp hoặc ô có độ nghiêng thấp.

Hình 3.14 Hai ô có tỉ lệ khung hình khác nhau lớn [29]

Độ xiên (Skewness) là một trong những thước đo chất lượng chính của lưới, giúp xác định mức độ của lưới so với mức lý tưởng Chỉ số Skewness được đánh giá dựa trên hình dạng của lưới, trong đó các hình chữ nhật và hình tam giác cân được coi là có chỉ số Skewness thấp, ngược lại các hình chữ nhật và hình tam giác bị xiên vẹo tạo thành hình bình hành và hình tam giác không cân sẽ có chỉ số Skewness cao.

Hình 3.15 Các dạng lưới có độ xiên khác nhau [29]

Các giá trị đánh giá của Skewness được trình bày trong Hình 3.16, cho thấy các lưới có giá trị skewness bằng không được đánh giá là tốt và lí tưởng, trong khi đó các giá trị bằng 1 hoặc gần bằng 1 được xem là xấu và không lí tưởng Điều này là do các ô có Skewness gần bằng 1 thường có các nút gần như đồng phẳng, thẳng hàng trong không gian 2D.

Các mặt và ô bị lệch nhiều có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết quả giải bài toán vi phân tuyến tính, vì các phương trình được giả định rằng các ô tương đối bằng nhau Do đó, việc đảm bảo các ô và mặt được phân chia đều đặn là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác từ phần mềm mô phỏng.

Hình 3.16 Chỉ tiêu chất lượng ứng với giá trị Skewness [29]

Công thức tính chỉ số Skewness (lấy số lớn nhất) [29]:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

Thiết lập mô hình cần mô phỏng

Trong đồ án, chúng tôi thực hiện mô phỏng ba mô hình thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau, bao gồm dạng ống lồng ống trơn, dạng ống lồng ống xoắn và dạng có cánh, tất cả đều sử dụng lưu động ngược chiều Mô hình mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn được thiết lập dựa trên bài báo khoa học tham khảo số [18], với thiết kế thực nghiệm được minh họa ở Hình 4.1 và Hình 4.2 Phần mềm ANSYS được sử dụng để thực hiện mô phỏng các mô hình này.

Hình 4.1 Thông số mô hình mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Thông số kỹ thuật của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được sử dụng để mô phỏng được trình bày trong Bảng 4.1 Quá trình trao đổi nhiệt được xét đến là trao đổi nhiệt giữa lưu chất lạnh ở ống lớn và lưu chất nóng ở bên trong ống nhỏ Ngoài ra, thiết bị còn được bọc cách nhiệt lý tưởng, do đó đường kính ngoài của ống lớn không được xét đến trong quá trình mô phỏng này.

Bảng 4.1Bảng thông số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống [18]

Thông số Kích thước (mm)

Chiều dài bộ trao đổi nhiệt 2000 Đường kính trong của ống nhỏ d1 17 Đường kính ngoài của ống nhỏ d2 19 Đường kính trong của ống lớn D 30

Chia lưới

Trong mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, lưới được chia theo cả hai phương pháp có cấu trúc và không có cấu trúc để tăng độ chính xác Sự tập trung gia tăng số lớp lưới ở phần trao đổi nhiệt giữa hai bên lưu chất giúp đảm bảo khả năng hội tụ của lưới và chất lượng của lưới Đồng thời, bề mặt trao đổi nhiệt của ống nhỏ cũng được quan tâm và gia tăng số lượng các lớp lưới để đạt được kết quả chính xác hơn trong quá trình mô phỏng.

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới trong ANSYS 19.2 bao gồm nhiều yếu tố quan trọng, trong đó phần mềm mô phỏng quan tâm nhiều nhất đến Orthogonal Quality và Skewness Đây là hai chỉ số ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hội tụ của lưới và độ chính xác của kết quả mô phỏng Chỉ số Orthogonal Quality đánh giá độ trực giao của phần tử lưới so với phần tử tiêu chuẩn, trong khi chỉ số Skewness đánh giá độ xiên góc của phần tử lưới so với phần tử tiêu chuẩn.

Để đảm bảo yêu cầu hội tụ của bài toán mô phỏng, cần chú trọng đến hai chỉ số quan trọng là Average Orthogonal Quality và Average Skewness Chỉ số Average Orthogonal Quality tối thiểu phải đạt mức trên 0,2 và tiến đến 1, thể hiện sự cải thiện từ mức tạm chấp nhận đến mức xuất sắc Đồng thời, chỉ số Average Skewness tối thiểu phải nằm trong khoảng từ 0,94 đến 0, cho thấy sự tiến bộ từ mức tạm chấp nhận đến mức xuất sắc.

Trong quá trình mô phỏng, nhóm chúng em đã tạo ra nhiều lưới với số lượng phần tử khác nhau Tuy nhiên, để tối ưu hóa thời gian và tài nguyên sử dụng trên máy tính, chúng em chỉ chọn ra 3 lưới có chất lượng tốt nhất với số lượng phần tử hợp lý.

Bảng 4.2 Bảng chỉ tiêu đánh giá lưới đã tạo

Lưới Số phần tử Average Orthogonal Quality Average Skewness

Dựa trên bảng 4.2, có thể đánh giá chất lượng lưới và xác định 3 lưới có chất lượng tốt nhất, bao gồm lưới M1 với khoảng 2 triệu phần tử, lưới M2 với khoảng 2,4 triệu phần tử và lưới M3 với khoảng 2,8 triệu phần tử Ba lưới này đều có chỉ số Average Orthogonal Quality và Average Skewness nằm trong mức rất tốt, cho thấy khả năng hội tụ cao và tốc độ mô phỏng nhanh hơn.

- Lưới M1: Lưới M1 Hình 4.4 được chia xấp xỉ 2 triệu phần tử, lưới được chia theo kiểu có cấu trúc kết hợp không có cấu trúc

- Lưới M2: Lưới M2 Hình 4.5 được chia xấp xỉ 2,4 triệu phần tử, lưới được chia theo kiểu có cấu trúc kết hợp không có cấu trúc

- Lưới M3: Lưới M3 Hình 4.6 được chia xấp xỉ 2,8 triệu phần tử, lưới được chia theo kiểu có cấu trúc kết hợp không có cấu trúc

Mô hình toán học và thông số mô phỏng

4.3.1 Mô hình toán học dùng trong mô phỏng Để thiết lập mô hình toán học, phân tích chuyển động của lưu chất và quá trình truyền nhiệt của chất lỏng trong mô phỏng các phương trình điều khiển sẽ được sử dụng gồm: phương trình liên tục, phương trình Navier Stokes, và phương trình năng lượng

Trong đó t là thời gian, 𝜌 là khối lượng riêng, 𝜐⃗ là vận tốc dòng chảy p là áp suất lưu chất

Năng lượng bên trong một đơn vị khối lượng được ký hiệu là 𝑒, trong khi lực thể tích được biểu diễn bằng 𝑓⃗ Hệ số dẫn nhiệt được ký hiệu là 𝑘 𝑒𝑓𝑓, và entanpy của chất 𝑗 được biểu diễn bằng ℎ 𝑗 Dòng khuếch tán của các chất 𝑗 được đại diện bởi 𝐽⃗ 𝑗, và ứng suất kéo được thể hiện bằng 𝜏⃗ 𝑒𝑓𝑓.

4.3.2 Thiết lập quá trình mô phỏng

* Lựa chọn trạng thái bài toán mô phỏng sử dụng:

Phần mềm mô phỏng sử dụng hai trạng thái mô phỏng chính là Steady và Transient Trong đó, trạng thái Steady mô phỏng dòng chất lỏng ở trạng thái ổn định, không phụ thuộc vào thời gian, trong khi trạng thái Transient mô phỏng dòng chất lỏng thay đổi theo thời gian Đối với đồ án này, chúng tôi lựa chọn phương pháp Steady để thực hiện mô phỏng.

Lựa chọn một trong hai phương pháp giải (Solve) là Pressure hoặc Density: Phương pháp

Các phương pháp giải dựa trên mật độ (Density) và áp suất (Pressure) đều được sử dụng để mô phỏng các điều kiện dòng chảy khác nhau Phương pháp Pressure ban đầu được phát triển cho các dòng chảy không nén được, nhưng sau đó đã được mở rộng để giải quyết cả các dòng chảy có thể nén được Ngược lại, phương pháp Density bắt nguồn từ ngành hàng không để mô phỏng các dòng chảy có thể nén được và thường được sử dụng trong các ứng dụng khí động học liên quan đến dòng chuyển động và siêu âm Hiện nay, cả hai phương pháp đều đã được cải thiện để giải quyết cả dòng nén được và không nén được, nhưng ưu tiên lựa chọn phương pháp Pressure cho các bài toán liên quan đến chất lỏng và phương pháp Density cho các bài toán liên quan đến dòng khí.

Có 3 nhánh chính trong mô hình rối đó là: DNS (Direct Numerical Simulation), LES (Large

Eddy Simulation), RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes):

DNS (Mô Phỏng Số Trực Tiếp) là phương pháp mô phỏng số có độ chính xác cao nhất trong CFD, không cần đến mô hình nhiễu loạn Với phương pháp này, phạm vi về thời gian và không gian của bài mô phỏng phải được giải quyết đồng thời, đảm bảo tính toán chính xác tất cả các mô hình không gian và thời gian của dòng chảy từ các phần nhỏ nhất.

Mô hình nhiễu loạn là phương pháp toán học giúp tìm ra nghiệm gần đúng cho một bài toán bằng cách xuất phát từ nghiệm chính xác của một bài toán tương tự đơn giản hơn Trong khi đó, mô phỏng số trực tiếp là phương pháp giải các phương trình một cách trực tiếp mà không cần đến các mô hình nhiễu loạn, đòi hỏi phải có các phần tử lưới rất tốt và đặc biệt rất nhỏ để đạt được các giải pháp chính xác Tuy nhiên, việc xây dựng phần tử lưới cực tốt là rất khó khăn, ngay cả với những mô hình đơn giản nhất có hệ số Reynolds thấp, cũng cần máy tính cực mạnh mẽ và dung lượng lưu trữ lớn mới có thể thực hiện được.

Mô phỏng xoáy lớn (LES) là một mô hình toán học cho sự hỗn loạn được sử dụng trong tính toán động lực học chất lỏng LES hiện đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, bao gồm khí đốt, âm học và mô phỏng lớp ranh giới khí quyển So với mô hình DNS, LES có chi phí thực hiện mô phỏng thấp hơn và tập trung vào thang đo lớn và trung bình của thời gian và không gian, bỏ qua những thang đo nhỏ nhất Phương pháp này lấy những xoáy lớn hình thành trong dòng chảy và chỉ cần chia lưới đủ tốt để bỏ qua các xoáy nhỏ, từ đó mang lại kết quả mô phỏng có độ chính xác khá cao.

Phương trình RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) là phương trình chuyển động trung bình theo thời gian của dòng chất lỏng, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tính toán hiện nay Mô hình RANS là một phương pháp mô hình dòng chảy rối phổ biến, mặc dù độ chính xác của nó kém hơn so với một số phương pháp khác, nhưng nó lại có tốc độ tính toán nhanh hơn Các tham số đặc trưng của dòng chảy, bao gồm vận tốc và áp suất tại một điểm, phụ thuộc thời gian và được chia thành hai phần: phần trung bình và phần giao động.

Trong đó, các thành phần vận tốc và áp suất trung bình theo thời gian được biểu diễn bởi (𝑢̅, 𝑣̅, 𝑤̅, 𝑝̅), còn các thành phần vận tốc và áp suất giao động xung quanh các giá trị trung bình được biểu diễn bởi (𝑢 ′ , 𝑣 ′ , 𝑤 ′ , 𝑝′).

Sau khi biến đổi phương trình RANS được viết dưới dạng:

𝜎̅ 𝑦 = 2𝜈𝑆̅ 𝑖𝑗 với 𝑆̅ 𝑖𝑗 là vận tốc biến dạng trung bình 𝑢̅̅̅̅̅̅ 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′ là tenso ứng suất Reynolds Chúng ta sẽ tạm gọi hai phương trình trên là phương trình RANS

Phương pháp RANS được lựa chọn để tiến hành mô phỏng do sự phổ biến của nó trong nhiều nghiên cứu mô phỏng CFD khác nhau Mặc dù độ chính xác của RANS có thể thấp hơn so với một số phương pháp khác, nhưng nó lại yêu cầu ít tài nguyên hơn khi mô phỏng và không đòi hỏi chất lượng thiết bị máy tính cao như mô phỏng LES, điều này làm cho RANS trở thành lựa chọn phù hợp cho mô phỏng.

Trong mô hình RANS, phần lựa chọn Viscous Mode cung cấp nhiều mô hình khác nhau cho người sử dụng, mặc định là mô hình dòng chảy tầng Tuy nhiên, để thuận tiện hơn, việc lựa chọn mô hình k –  được khuyến nghị vì đây là mô hình được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tế.

Mô hình dòng chảy rối Realizable k –  được đánh giá cao hơn so với Standard k –  model và được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu liên quan đến dòng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt Trong một nghiên cứu mô phỏng về thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống, mô hình Realizable k –  đã được lựa chọn để thực hiện mô phỏng CFD do ưu thế về tốc độ và chi phí Mô hình này sử dụng phương trình vận chuyển chính xác của lực xoáy và thành phần dao động để suy ra phương trình vận tốc, giúp dự đoán chính xác sự phân bố và tốc độ thay đổi của các vòng xoáy dòng chảy Điều này làm cho mô hình Realizable k –  trở thành lựa chọn ưu tiên trong việc mô phỏng dòng chảy phức tạp.

Hình 4.7 Hình ảnh của dòng xoáy tạo thành của chất lưu khi chảy rối [36]

4.3.3 Thiết lập các thông số vật lý

Thông số vật lý của Inox 304 và nước được thiết lập theo bài báo danh mục tài liệu tham khảo số [18]

Bảng 4.3 Bảng thông số vật liệu làm ống Inox 304 [18]

STT Thông số Giá trị

1 Khối lượng riêng 𝜌 (Denisty) 7930 (kg/m 3 )

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp (Specific Heat) 500 (J/kgK)

3 Hệ số dẫn nhiệt 𝜆 (Thermal conductivity) 16,27 (W/m.K)

Thông số trong Bảng 4.3 được thiết lập theo bài báo [18] với vật liệu làm ống là Inox 304

Bảng 4.4 Bảng thông số vật lý của nước ở 20 ( o C) [18]

STT Thông số Giá trị

1 Khối lượng riêng 𝜌 (Denisty) 998,2 (kg/m 3 )

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp (specific Heat) 4182 (J/kgK)

3 Hệ số dẫn nhiệt 𝜆 (Thermal conductivity) 0,6 (W/m.K)

4 Độ nhớt động lực học 𝜇 (Viscosity) 0,001003 (kg/m.s)

Bảng 4.4 trình bày các thông số vật lý của nước tại 20 độ C, bao gồm khối lượng riêng, nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt động lực học Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong mô phỏng và sẽ thay đổi theo nhiệt độ, giúp mô hình phản ánh chính xác hơn các điều kiện thực tế.

Bảng 4.5 Bảng thông số đầu vào của chất lưu đi trong ống [18]

STT Vị trí Nhiệt độ ( o C) Lưu lượng khối lượng (kg/s)

Bảng 4.5 cung cấp thông số về lưu lượng khối lượng đầu vào của lưu chất nóng và lưu chất lạnh khi đi bên trong ống, trong đó lưu chất được sử dụng là nước.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả hội tụ của lưới

Để lựa chọn lưới hội tụ tốt nhất, chúng tôi sẽ xem xét và so sánh kết quả của ba lưới M1, M2 và M3, bao gồm hình dạng vận tốc của lưu chất đi trong ống và chỉ số Residuals Sau khi chạy mô phỏng trên cả ba lưới, chúng tôi sẽ đánh giá và lựa chọn lưới có chất lượng tốt nhất để đạt được kết quả mô phỏng chính xác nhất.

Hình 5.1 Vị trí thiết bị mô phỏng trên trục tọa độ (x;y;z)

Khi chạy mô phỏng, việc lựa chọn điểm quan sát lưu chất là rất quan trọng Chúng ta có thể chọn điểm (x;y;z) = (1,8;0;0) như Hình 5.1, nằm trên đường đi của lưu chất, để phân tích nhiệt độ và chỉ số Residuals tại điểm đó Việc quan sát tại điểm này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hành vi của lưu chất và đánh giá độ chính xác của mô phỏng.

Residuals là một thước đo cơ bản trong hội tụ nghiệm giải lặp, đại diện cho "phần dư" trong tiếng Việt Nó định lượng trực tiếp sai số trong nghiệm của hệ phương trình, giúp đánh giá độ chính xác của kết quả.

Trong phân tích CFD, phần dư đo lường sự mất cân bằng cục bộ của một biến được bảo tồn trong mỗi khối lượng kiểm soát Mỗi ô trong mô hình sẽ có giá trị dư riêng của nó cho mỗi phương trình được giải, và giá trị dư càng thấp thì giải pháp càng chính xác về mặt số học Trong thực tế, mức dư của 10^-4 được coi là hội tụ lỏng lẻo, mức 10^-5 được coi là hội tụ tốt và mức 10^-6 được coi là hội tụ chặt chẽ, mặc dù đối với các vấn đề phức tạp, việc đạt được mức dư thấp nhất có thể là một thách thức.

Hình 5.2 Chỉ số Residuals và hình dạng vận tốc của lưới M1

Kết quả mô phỏng trên Hình 5.2 cho thấy chỉ số Residuals của lưới bắt đầu ổn định từ vòng lặp 300 trở đi, với các đường biểu diễn có xu hướng nằm ngang và giao động quanh vị trí cố định Cụ thể, giá trị thấp nhất của chỉ số Residuals đạt được là 10^-9, cho thấy mô hình đã đạt được độ chính xác cao.

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tại điểm xét trên lưới M1 đã ổn định sau vòng lặp thứ 80, giao động xung quanh nhiệt độ khoảng 64,2 độ C, như thể hiện trong Hình 5.3.

Hình 5.4 Chỉ số Residuals và hình dạng vận tốc của lưới M2

Sau khi chạy mô phỏng, chỉ số Residuals của lưới bắt đầu ổn định từ vòng lặp 300 trở đi, với các đường xu hướng nằm ngang và giao động quanh vị trí cố định, thể hiện sự hội tụ của mô hình Cụ thể, giá trị thấp nhất của chỉ số Residuals đạt gần 10^-9, cho thấy độ chính xác cao của kết quả mô phỏng.

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tại điểm xét trên lưới M2 đã ổn định sau vòng lặp thứ 100 Cụ thể, nhiệt độ tại vị trí này giao động xung quanh giá trị khoảng 64,1 độ C, cho thấy sự ổn định nhiệt độ sau quá trình mô phỏng.

Hình 5.6 Chỉ số Residuals và hình dạng vận tốc của lưới M3

Sau khi chạy mô phỏng, chỉ số Residuals của lưới thể hiện trong Hình 5.6 bắt đầu ổn định từ vòng lặp 300 trở đi, với các đường biểu diễn có xu hướng nằm ngang và giao động quanh vị trí cố định, đạt giá trị thấp nhất gần 10^-9.

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tại điểm xét trên lưới M3 đã ổn định từ vòng lặp thứ 120, với nhiệt độ giao động xung quanh giá trị khoảng 64,1 độ C, như thể hiện trong Hình 5.7.

* Lựa chọn lưới phù hợp dựa vào Profile vận tốc:

Kết quả mô phỏng của ba lưới cho thấy cả ba đều có xu hướng hội tụ về chỉ số Residuals và đường nhiệt độ tại điểm (x;y;z) = (1,8;0;0) Các kết quả này cho thấy chỉ số Residual và nhiệt độ tại điểm xét đều gần tương đồng nhau, giao động quanh giá trị nhiệt độ 64 độ C Do đó, bước tiếp theo là phân tích hình dạng Profile vận tốc của cả ba lưới M1, M2, M3 để đánh giá sự khác biệt và tương đồng giữa chúng.

Để so sánh hình dạng vận tốc của các lưới, chúng ta nên gộp chúng lại thành một hình dạng chung như trong Hình 5.8 Bằng cách này, chúng ta có thể lựa chọn lưới có hình dạng vận tốc gần giống nhau nhất, giúp tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Hình 5.8 Hình dạng vận tốc của các lưới được chọn

Dựa trên hình dạng vận tốc của các lưới được chọn, có thể thấy lưới M1 có hình dạng vận tốc khác biệt so với lưới M2 và M3 Trong khi đó, lưới M3 và hai lưới còn lại có hình dạng vận tốc tương đối gần nhau Tuy nhiên, do lưới M3 có số lượng phần tử lớn, nên quá trình mô phỏng trên máy sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên và thời gian hơn so với các lưới còn lại Vì vậy, lưới M2 được chọn để tiến hành mô phỏng và xuất ra kết quả cuối cùng, cũng như thực hiện các bước tiếp theo.

Kết quả mô phỏng ống lồng ống dạng trơn

* Kết quả và nhận xét:

Kết quả chạy mô phỏng với mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lưới M2 đã được thu thập và so sánh với kết quả thực nghiệm Các hệ số quan trọng như Reynolds và hệ số truyền nhiệt 𝑘, cũng như độ sụt áp 𝛥𝑝, đã được tính toán dựa trên công thức trình bày trong mục "2.5.1 Công thức tính toán" và được trình bày chi tiết trong Bảng 5.1 và Bảng 5.2.

Với lưu lượng khối lượng của ống nhỏ là 0,074 kg/s và lưu lượng khối lượng của ống lớn là 0,236 kg/s, nhiệt độ đầu vào của nước nóng và nước lạnh đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, cụ thể là 65 độ C đối với nước nóng và 30 độ C đối với nước lạnh.

Bảng 5.1Bảng kết quả nhiệt độ mô phỏng CFD và thực nghiệm

STT Các thông số Kí hiệu Mô phỏng

1 Nhiệt độ đầu vào của ống nhỏ ( o C)

2 Nhiệt độ đầu vào của ống lớn ( o C)

3 Nhiệt độ đầu ra của ống nhỏ ( o C)

4 Nhiệt độ đầu ra của ống lớn ( o C)

Bảng 5.2 Bảng kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm

STT Các thông số Kí hiệu

1 Hệ số Reynolds ống nhỏ 𝑅𝑒 1 11736,1 11287,1 3,91

2 Hệ số Reynolds ống lớn 𝑅𝑒 2 7887,3 7989,6 0,91

3 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị (W/m 2 K) 𝑘 1547,5 1495,9 3,33

6 Độ sụt áp của ống lớn bên ngoài (N/m 2 ) 𝛥𝑝 2 936,0 936,3 0,02

Dựa trên kết quả mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và so sánh với kết quả thực nghiệm từ bài báo khoa học [18], chúng tôi nhận thấy sự chênh lệch nhỏ về nhiệt độ đầu ra giữa mô hình thực nghiệm và mô phỏng, đặc biệt là giữa ống lớn và ống nhỏ Kết quả này được trình bày chi tiết trong Bảng 5.1, cho phép chúng tôi rút ra một số nhận xét quan trọng về hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.

Kết quả cho thấy sai số nhiệt độ đầu ra của ống nhỏ là khoảng 2,31%, trong khi đó sai số nhiệt độ đầu ra của ống lớn là 0,31% Những sai số này được coi là không đáng kể, cho thấy độ chính xác cao trong việc đo lường nhiệt độ đầu ra của cả hai loại ống.

Dựa trên các thông số sẵn có, việc tính toán hệ số Reynolds, hệ số truyền nhiệt 𝑘 của thiết bị và nhiệt lượng trao đổi 𝑄 đã cho thấy sự sai số đáng kể giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng Sự chênh lệch này cho thấy cần phải xem xét và cải thiện mô hình mô phỏng để đạt được kết quả chính xác hơn.

Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm có thể được giải thích một phần là do sai số trong quá trình tính toán, bao gồm việc làm tròn số hoặc sai số do chia lưới và thiết lập các bước khi chạy mô phỏng Theo kết quả trong Bảng 5.2, sai số của hệ số truyền nhiệt 𝑘 là 3,33% và 𝑄 là 8,9%, đều nằm trong mức dưới 10% và được coi là chấp nhận được.

Kết quả nhiệt độ cho thấy sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm, điều này cũng ảnh hưởng đến sự khác biệt giữa các giá trị thực nghiệm và mô phỏng Đặc biệt, các giá trị liên quan như hệ số Reynolds, hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt lượng trao đổi của thiết bị trao đổi nhiệt cũng có sự chênh lệch, tuy nhiên mức độ chênh lệch này vẫn nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được.

Bảng 5.3 Một số trường hợp khác về kết quả nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm

Các thông số đầu vào Thực nghiệm Mô phỏng CFD

Ngoài việc mô phỏng trường hợp cụ thể với các thông số nhiệt độ và lưu lượng khí cụ thể, nhóm nghiên cứu còn thực hiện chạy mô phỏng thêm một số trường hợp khác dựa trên kết quả thực nghiệm trong tài liệu tham khảo và tiến hành so sánh kết quả để đánh giá tính chính xác của mô hình.

Dựa trên kết quả trong Bảng 5.3, sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trong các trường hợp khác nhau là khá nhỏ và dưới 10% Điều này giúp chúng ta tin tưởng và chấp nhận kết quả mô phỏng CFD Do đó, trong các nghiên cứu tiếp theo, nhóm sẽ sử dụng kết quả mô phỏng CFD để nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống.

- Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến hiệu suất trao đổi nhiệt bằng mô phỏng CFD

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trao đổi nhiệt bằng mô phỏng CFD

- Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống dạng xoắn so với ống trơn bằng mô phỏng CFD

- Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống có cánh dọc thân so với ống trơn bằng mô phỏng CFD

* Chi tiết phân bố nhiệt độ tại một số vị trí và đường dòng:

Sau khi hoàn thành chạy mô phỏng và thu được kết quả, bước tiếp theo là vẽ Contour sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất đi trong ống Điều này giúp chúng ta trực quan hóa sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị, cung cấp thông tin chi tiết và chính xác về hiệu suất trao đổi nhiệt.

Hình 5.9 Sự thay đổi của nhiệt độ trên thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Hình 5.10 Mặt cắt nhiệt độ ở giữa thiết bị trao đổi nhiệt

Vị trí mặt cắt có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) đơn vị là mét (m) Hình 5.10, biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất bên trong và bên ngoài

Hình 5.11 Mặt cắt nhiệt độ tại gần đầu vào của lưu chất nóng

Vị trí mặt cắt có tọa độ (x;y;z) = (1,8;0;0) đơn vị là mét (m) được biểu thị ở Hình 5.11, cho thấy sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất bên trong và bên ngoài tại vị trí này, nằm gần đầu ra của lưu chất lạnh và gần đầu vào của lưu chất nóng.

Hình 5.12 Đường đi của dòng lưu chất

Ngoài ra, chúng ta cũng có thể biểu diễn đường dòng thể hiện đường đi của dòng lưu chất trong ống dưới dạng vận tốc, từ đầu vào của hai phía nước nóng và nước lạnh đến đầu ra Đặc biệt, ở phần đầu vào và đầu ra, vận tốc của dòng chất lưu cao hơn so với các vị trí khác, điều này có thể được minh họa rõ hơn thông qua Hình 5.12.

5.2.2 Khảo sát hiệu suất TĐN của thiết bị khi thay đổi lưu lượng dòng chảy

Trong phần này, chúng tôi tiến hành mô phỏng CFD để kiểm tra ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến quá trình trao đổi nhiệt Các thông số như 𝑡 1 ′ , 𝑡 2 ′ , 𝐺 1 và 𝐺 2 được giữ nguyên, trong khi lưu lượng được tăng dần theo các tỷ lệ khác nhau Cụ thể, lưu lượng được tăng thêm 100%, 200% và 300% so với lưu lượng ban đầu của bài báo thực nghiệm, nhằm đánh giá sự thay đổi rõ rệt trong quá trình trao đổi nhiệt Các giá trị cụ thể được trình bày trong Bảng 5.3.

Bảng 5.4 Bảng kết quả thay đổi lưu lượng nước lạnh

Các số liệu đều được tính toán dựa vào công thức ở mục “2.5.1 Công thức tính toán”

Kết quả so sánh nhiệt độ và vận tốc tại mặt cắt trên cùng một vị trí đối với cả 4 trường hợp cho thấy những khác biệt đáng kể Tại vị trí có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) mét, nằm giữa thiết bị trao đổi nhiệt và cách đầu vào và đầu ra một mét, các giá trị nhiệt độ và vận tốc được ghi nhận và so sánh Vị trí cắt này được minh họa rõ hơn trong Hình 5.1.

Trước khi tạo Contour cho mô hình, chúng ta cần thiết lập khoảng giá trị nhiệt độ và vận tốc để đảm bảo mô hình đồng bộ với nhau, giúp dễ dàng so sánh Khoảng giá trị nhiệt độ được thiết lập trong khoảng từ 300 đến 337 độ Kelvin (K).

Hình 5.13 Thiết lập khoảng giá trị cho thí nghiệm thay đổi lưu lượng

- Mặt cắt tại vị trí có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) đơn vị là mét (m) với lưu lượng khối lượng

𝐺 2 = 0,236 (kg/s) như Hình 5.1 bên dưới

Hình 5.14 Mặt cắt biểu thị nhiệt độ với lưu lượng khối lượng 𝐺 2 = 0,236 (kg/s)

- Mặt cắt tại vị trí có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) đơn vị là mét (m) với lưu lượng khối lượng

𝐺 2 = 0,472 (kg/s) như Hình 5.15 bên dưới

Hình 5.15Mặt cắt biểu thị nhiệt độ với lưu lượng khối lượng 𝐺 2 = 0,472 (kg/s)

- Mặt cắt tại vị trí có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) đơn vị là mét (m) với lưu lượng khối lượng

𝐺 2 = 0,708 (kg/s) như Hình 5.16 bên dưới

Hình 5.16 Mặt cắt biểu thị nhiệt độ với lưu lượng khối lượng 𝐺 2 = 0,708 (kg/s)

- Mặt cắt tại vị trí có tọa độ (x;y;z) = (1;0;0) đơn vị là mét (m) với lưu lượng khối lượng

𝐺 2 = 0,944 (kg/s) như Hình 5.17 bên dưới

Hình 5.17 Mặt cắt biểu thị nhiệt độ với lưu lượng khối lượng 𝐺 2 = 0,944 (kg/s)

Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi hình dạng

5.3.1 Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống xoắn

* Thiết lập mô hình và mô phỏng:

Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn và tiến hành so sánh hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị này với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn, nhằm đánh giá hiệu quả của thiết kế dạng xoắn trong việc nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt.

Một nghiên cứu khác cũng được thực hiện để mô phỏng và đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn khi giảm bán kính vòng xoắn Việc giảm bán kính vòng xoắn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị, và kết quả mô phỏng sẽ giúp chúng ta hiểu rõ liệu hiệu suất trao đổi nhiệt sẽ tăng lên hay giảm xuống khi thực hiện thay đổi này.

- Lí do chọn mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn ốc:

+ Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị

+ Giảm được diện tích lắp đặt thiết bị

+ So sánh ưu nhược điểm so với ống lồng ống dạng trơn

- Thiết lập thông số của mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn:

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn được tính toán dựa trên các bước tính toán của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng trơn, sau đó nhân với hệ số hiệu chỉnh để có được kết quả cuối cùng Do đó, các bước tính toán tiếp theo, chẳng hạn như tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu, sẽ tương tự như cách tính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống trơn.

Trong đó: 𝐿 𝑥 là chiều dài một vòng xoắn, 𝑁 là số vòng xoắn, 𝑅 (m) là bán kính xoắn, 𝑝 (m) là bước xoắn

Các thông số đầu vào gồm:

Hình 5.30 Mô hình cơ bản trước khi tạo Geometry cho ống lồng ống xoắn

Hình 5.30 thể hiện mô hình hóa của ống lồng ống xoắn, bao gồm mô tả chi tiết về hình dạng của thiết bị và các thông số kỹ thuật cần thiết trước khi thiết lập mô hình trong phần mềm ANSYS.

Mô hình ống lồng ống xoắn với bán kính xoắn 𝑅 là 50 (mm):

Hình 5.31 Mô hình ống lồng ống xoắn

Hình 5.31 là mô hình sau khi chúng ta tạo trong phần mềm ANSYS dựa vào các thông số chúng ta đã tính trước đó

- Chia lưới cho mô hình:

Hình 5.32 Chia lưới cho mô hình

Sau khi thiết lập mô hình xong tiến hành chia lưới cho mô hình và kết quả đạt được như hình 5.32

- Kết quả hội tụ của lưới đã chia:

Hình 5.33 Kết quả hội tụ Residuals

Sau khi thực hiện chia lưới, các thông số và phương pháp giải được thiết lập như đã trình bày ở mục 4.3.2 và 4.3.3 Kết quả cho thấy lưới đã hội tụ ở vòng lặp 300 trở đi, thể hiện sự ổn định của mô hình sau khi được chia lưới và chạy mô phỏng, như minh họa trong Hình 5.33.

- Tạo Streamline hiển thị đường đi của chất lưu trong ống:

Hình 5.34 Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất dưới dạng Streamline

Trong hình 5.34 ta thấy sự thay đổi nhiệt độ cũng như áp suất của thiết bị ống lồng ống dạng xoắn dưới dạng các đường Streamline

- Tạo Contour nhiệt độ và áp suất của ống trong (inner-pipe):

Hình 5.35 Contour nhiệt độ và áp suất ống trong

Hình 5.35 minh họa rõ ràng các đường Contour về nhiệt độ và áp suất của miền chất lỏng nóng bên trong ống trong Đặc biệt, nhiệt độ và áp suất giảm dần từ đầu vào của nước nóng đến đầu ra của nước nóng, thể hiện sự phân bố nhiệt độ và áp suất một cách rõ ràng và logic.

- Contour nhiệt độ và áp suất của phần không gian hình vành khuyên ống ngoài (outer- pipe):

Hình 5.36 Contour nhiệt độ và áp suất phần vành khuyên

Hình 5.36 hiển thị các Contour về nhiệt độ và áp suất của miền chất lỏng lạnh trong hình vành khuyên

- Nhiệt độ, áp suất và vận tốc của mặt cắt dọc ống xoắn:

Để hiểu rõ hơn về quá trình trao đổi nhiệt trong ống xoắn, chúng ta có thể thực hiện việc cắt dọc ống lồng xoắn như minh họa trong Hình 5.37, giúp chúng ta quan sát rõ ràng nhiệt độ, áp suất và vận tốc tại mặt cắt dọc của ống.

* Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt thiết bị ống lồng ống xoắn với ống trơn:

Trong phần này các công thức tính toán được sử dụng sẽ được lấy từ mục “2.5.1 Công thức tính toán”

- Kết quả chạy mô phỏng với thiết bị ống lồng ống xoắn:

- Tính hệ số truyền nhiệt theo phương pháp LMTD (Công thức 2.11 và 2.12):

Tính nhiệt độ trung bình logarit:

Diện tích trao đổi nhiệt: 𝐹 = 𝜋 𝑑 2 𝐿 = 𝜋 0,019.2 = 0,12 (m 2 )

Hệ số trao đổi nhiệt của thiết bị:

- Theo phương pháp 𝜀 − 𝑁𝑇𝑈 (Công thức 2.15 và 2.16):

Tra đồ thị [4] suy ra được 𝑁𝑇𝑈 = 0,9 = 𝑘.𝐹

- Tính hệ số Reynolds, hệ số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với dòng chất lưu nóng chảy trong ống nhỏ:

Từ 𝑡 1 = 55,7 (℃) tra bảng thông số vật lí của nước [4]:

𝛾 1 = 0,517 10 −6 (m 2 /s) 𝜆 1 = 0,65 (W/m K) Vận tốc nước nóng chảy trong ống nhỏ:

Hệ số Reynolds của nước nóng:

0,517 10 −6 = 10851 > 10 4 Vậy chất lưu trong ống nhỏ là chảy rối

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước nóng:

0,017 = 2149,5 (W/m 2 K) Mật độ dòng nhiệt truyền qua 1 mét chiều dài ống:

Tra bảng thông số vật lí của nước [4] suy ra: 𝑃𝑟 𝑤2 = 4

- Tính hệ số Reynolds, hệ số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với dòng chất lưu lạnh chảy trong vòng xuyến:

Ta có 𝑡 2 = 33 (℃) tra bảng thông số vật lí của nước [4]:

𝛾 2 = 0,761 10 −6 (m 2 /s) 𝜆 2 = 0,62 (W/m K) Vận tốc nước lạnh chảy trong không gian hình vành khuyên:

Hệ số Reynolds của nước lạnh:

Hệ số Nusselt của nước nóng:

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước lạnh:

0,03 − 0,019= 3376,8 (W/m 2 K) Bán kính tương đương vòng xoắn:

Hệ số hiệu chỉnh độ cong của ống nhỏ đường kính 𝑑 1 :

Hệ số hiệu chỉnh độ cong của ống nhỏ đường kính 𝑑 2 :

Hệ số tỏa nhiệt của nước nóng ống lồng ống xoắn:

𝛼 𝑥1 = 𝛼 1 𝜀 𝑅1 = 2149,5.1,58 = 3396,3 (W/m 2 K) Nhiệt lượng tỏa ra trên 1 mét chiều dài ống xoắn nhỏ:

Hệ số tỏa nhiệt của nước lạnh ống lồng ống xoắn:

𝛼 𝑥2 = 𝛼 2 𝜀 𝑅2 = 3376,8.1,65 = 5571,8 (W/m 2 K) Nhiệt lượng tỏa ra trên 1 mét chiều dài ống xoắn nhỏ:

Hệ số truyền nhiệt của ống lồng ống xoắn:

Bảng 5.8 Bảng so sánh kết quả ống trơn và ống xoắn

Tiêu chí đánh giá Ống lồng ống trơn Ống lồng ống xoắn

Tổn thất ma sát vành khuyên (Pa) ∆𝑝 2 ∆𝑝 2

Nhiệt độ đầu ra của nước nóng ( o C) 𝑡 1 ′′ 𝑡 1 ′′

Nhiệt độ đầu ra của nước lạnh ( o C) 𝑡 2 ′′ 𝑡 2 ′′

Hiệu suất trao đổi nhiệt (%) 𝜀 𝜀

Dựa trên kết quả tính toán CFD và so sánh khả năng trao đổi nhiệt của ống lồng ống trơn và ống lồng ống dạng xoắn như trong Bảng 5.8, chúng ta có thể thấy được sự khác biệt đáng kể về hiệu suất trao đổi nhiệt giữa hai loại ống này.

+ Ống lồng ống dạng xoắn có khả năng tạo rối rất tốt, hệ số tỏa nhiệt đối lưu của ống xoắn khá lớn, gấp 1,6 lần so với ống thẳng

+ Hệ số truyền nhiệt 𝑘 của ống xoắn cũng lớn hơn ống thẳng 1,5 lần

+ Ống xoắn có tổn thất cao (bao gồm tổn thất ma sát và cục bộ) lớn gấp 2 lần so với ống thẳng

+ Hiệu suất trao đổi nhiệt của ống xoắn được cải thiện từ 40,9 (%) lên 55,4 (%) và nhiệt lượng trao đổi cũng tăng từ 4519,3 (W) lên 6008,9 (W)

Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn mang lại tiềm năng lớn khi thay thế cho ống trơn truyền thống Thiết bị này không chỉ giúp tiết kiệm không gian lắp đặt mà còn gia tăng hiệu suất trao đổi nhiệt đáng kể Mặc dù quá trình chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn ốc có thể gặp một số khó khăn, nhưng lợi ích mà nó mang lại là rất đáng kể.

* Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi bán kính vòng xoắn:

- Thiết lập thông số mô hình ống xoắn giảm 𝑅 𝑥 vòng xoắn xuống một nửa với:

Trong đó: 𝐿 𝑥 (m) là chiều dài một vòng xoắn, 𝑁 là số vòng xoắn, 𝑅 𝑥 (m) là bán kính xoắn,

- Kết quả chạy mô phỏng CFD thiết bị ống lồng ống xoắn với bán kính xoắn 𝑅 𝑥 25 (mm):

Bảng 5.9 Kết quả tính toán khi giảm bán kính xoắn của thiết bị ống lồng ống xoắn

Kết quả tính toán lý thuyết cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống xoắn với bán kính xoắn là 25mm được trình bày ở bảng 5.9, dựa trên kết quả mô phỏng CFD Quá trình tính toán này tương tự như các bước tính toán đã được thực hiện cho thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống xoắn có bán kính xoắn là 50mm.

Bảng 5.10 So sánh kết quả khi giảm bán kính vòng xoắn

Kết quả khảo sát về sự trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn với bán kính xoắn khác nhau được trình bày trong Bảng 5.10 So sánh kết quả cho thấy sự khác biệt đáng kể về hiệu suất trao đổi nhiệt giữa hai thiết bị có bán kính xoắn 𝑅 𝑥 = 50 (mm) và 𝑅 𝑥 = 25 (mm) Sự khác biệt này cho thấy rằng bán kính xoắn có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị.

Tiêu chí Ống lồng ống xoắn

𝑅 𝑥 = 50 (mm) Ống lồng ống xoắn

Tổn thất ma sát vành khuyên (Pa) ∆𝑝 2 ∆𝑝 2

Nhiệt độ đầu ra của nước nóng ( o C) 𝑡 1 ′′ 𝑡 1 ′′

Nhiệt độ đầu ra của nước lạnh ( o C) 𝑡 2 ′′ 𝑡 2 ′′

Hiệu suất trao đổi nhiệt (%)

Khi giảm bán kính vòng xoắn từ 50 mm xuống 25 mm, hiệu quả trao đổi nhiệt được cải thiện đáng kể Cụ thể, hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt nhiệt đều tăng lên, dẫn đến hiệu suất trao đổi nhiệt tăng từ 55,4% lên 63,6%.

Khi so sánh hệ số tỏa nhiệt đối lưu của thiết bị ống lồng ống xoắn với bán kính xoắn khác nhau, kết quả cho thấy hệ số này tăng lên đáng kể khi giảm bán kính xoắn Cụ thể, thiết bị ống lồng ống xoắn có bán kính xoắn là 25 mm cho hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía nước nóng và nước lạnh tăng gấp 1,1 lần so với thiết bị có bán kính xoắn là 50 mm Sự gia tăng này cho thấy bán kính xoắn nhỏ hơn có thể cải thiện hiệu suất tỏa nhiệt của thiết bị.

Khi giảm bán kính vòng xoắn từ 50 mm xuống 25 mm, độ sụt áp tăng gần 1,4 lần và hệ số truyền nhiệt tăng thêm 1,18 lần Sự thay đổi này có thể là do việc thay đổi bán kính vòng xoắn ảnh hưởng đến số Reynolds, làm tăng tính rối của dòng chảy và dẫn đến việc trao đổi nhiệt tốt hơn.

5.3.2 Khảo sát sự trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống có cánh

* Thiết lập và kết quả mô phỏng thiết bị ống lồng ống có cánh:

- Mục đích mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có cánh:

+ Kiểm tra khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống có cánh dọc thân so với ống trơn

+ Tìm kiếm phương hướng mới để gia tăng hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

- Số liệu của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng có cánh khi thiết lập mô hình:

Các thông số kỹ thuật của hệ thống bao gồm độ dày cánh (𝛿), chiều cao cánh (ℎ), chiều dài ống (𝐿), đường kính trong của ống nhỏ (𝑑 1), đường kính ngoài của ống nhỏ (𝑑 2) và đường kính trong của ống lớn (𝐷).

Hình 5.38 Mô hình thiết bị ống lồng ống có cánh

Ngày đăng: 28/12/2023, 18:51

TỪ KHÓA LIÊN QUAN