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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT MÔ PHỎNG SỐ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG LỒNG ỐNG GVHD: TS TRẦN THANH TÌNH SVTH: ĐỒN MINH TRÍ LÊ VĂN CƯỜNG SKL009465 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI MÔ PHỎNG SỐ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG LỒNG ỐNG SVTH MSSV ĐỒN MINH TRÍ 18147251 LÊ VĂN CƯỜNG 18147172 GVHD: TS TRẦN THANH TÌNH Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022 i iii iv v vi vii viii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy TS Trần Thanh Tình Thầy tận tình bảo giúp đỡ chúng em giải đáp thắc mắc chúng em gặp phải thực đồ án, Thầy nghiêm khắc nhắc nhở đồng hành lỗi sai chúng em mắc phải định hướng cho chúng em, nói Thầy nguồn động lực to lớn ln truyền đạt kinh nghiệm tích lũy q trình làm việc giảng dạy, Thầy ln hỗ trợ cung cấp nguồn tài liệu, phần mềm quan trọng để chúng em thực đề tài tiến độ Nhóm chúng em xin gửi lời cám ơn đến thầy cô giáo môn “Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh”, người truyền thụ kiến thức quý báu chuyên ngành cho chúng em, thầy cô cố gắng tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em truyền thụ kiến thức để chúng em vận dụng thực đồ án Chúng em xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp, Thầy Cơ bỏ thời gian q báu để tham gia buổi bảo vệ đồ án tốt nghiệp nhóm em đưa lời nhận xét, ý kiến đánh giá để chúng em nhận sai rút nghiệm sửa chữa Trong trình thực đồ án nhóm chúng em cố gắng thực đồ án với kết tốt kiến thức kinh nghiệm cịn hạn hẹp nên khó tránh khỏi sai sót Nhóm chúng em mong nhận ý kiến đóng góp Thầy Cơ Chúng em xin chân thành cám ơn ix TÓM TẮT Đề tài thực đồ án tốt nghiệp “Mô số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống”, Nội dung đồ án gồm phần: Tổng quan, Cơ sở chi tiết thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, Phương pháp mô CFD, Xây dựng mơ hình mơ phỏng, Kết mô phỏng, Kết luận kiến nghị Mô số CFD đề tài nhiều người quan tâm tính tiện lợi giúp người dùng tự nghiên cứu khoa học liên quan đến dòng chảy Bên cạnh thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống nói phổ biến nhiều nơi sử dụng có cấu tạo đơn giản xuất từ lâu, nên đồ án kết hợp tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống mô số CFD Bài nghiên cứu thực khảo sát khả trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng trơn với lưu chất nước, dạng lưu động lưu động ngược chiều phần mềm ANSYS 19.2 Sau đó, tiến hành thay đổi lưu lượng nước lạnh hình vành khuyên lên 100 (%), 200 (%), 300 (%) so với lưu lượng ban đầu Ảnh hưởng thứ hai mà nhóm khảo sát nhiệt độ, thực tăng nhiệt độ nước nóng dải nhiệt độ từ 55(℃) đến 95(℃) ống nhỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Bên cạnh đó, nhóm cịn thực mơ thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn, ống lồng ống dạng có cánh so sánh với thiết bị ống lồng ống dạng trơn hiệu suất trao đổi nhiệt Kết mô số thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống phần mềm ANSYS 19.2 cho thấy kết đáng mừng với độ tin cậy tính xác cao, ngồi kết việc khảo sát yếu tố nhiệt độ, lưu lượng dịng chảy, hình dạng thiết bị ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống phương pháp mô số CFD tăng lên hệ số truyền nhiệt hiệu suất trao đổi nhiệt thực thay đổi nêu trên, điều tạo hướng cho việc nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt x CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu đồ án tập trung vào vấn đề mô thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố lưu lượng, nhiệt độ dịng chảy thay đổi hình dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thay đổi ảnh hưởng đến hiệu trao đổi nhiệt thiết bị đề tài đạt kết sau: Tìm hiểu sở lý thuyết thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Đồ án tốt nghiệp đạt mục tiêu mô số CFD phần mềm ANSYS, tính tốn lý thuyết so sánh với thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dựa vào thông số tham khảo từ báo khoa học Kiểm chứng tính xác phương pháp mô số CFD so với phương pháp thực nghiệm thực mô số thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống báo khoa học Khảo sát ảnh hưởng việc thay đổi lưu lượng dòng chảy đầu vào nước lạnh đến hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng báo khoa học Khảo sát ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ nước nóng vào đến hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt xác định khoảng nhiệt độ giúp tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt ống lổng ống sử dụng để mô đồ án Khảo sát trình trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt thay đổi hình dạng ống ảnh hưởng hình dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống đến hiệu suất trao đổi nhiệt 113 6.2 Kiến nghị Khi thực mô so sánh với thực nghiệm, phần mềm ANSYS nặng khiến cho việc chia lưới cho mơ hình mơ tốn thời gian, thiết bị laptop có cấu hình thấp khơng đáp ứng nhu cầu phần mềm nên để thực mơ cách nhanh chóng xác nên đề nghị cần có phương pháp giải đầu tư thiết bị máy tính có cấu hình ổn định Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống muốn gia tăng hiệu suất trao đổi nhiệt tốt nên kết hợp ba phương pháp thay đổi nhiệt độ nước, gia tăng lưu lượng đầu vào thay đổi hình dạng ống có hiệu cao thay đổi riêng lẻ phần Tuy nhiên, thay đổi phương pháp cần phải xem xét vấn đề trở kháng thủy lực để chọn thiết bị phù hợp với kinh tế 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://toc.123docz.net/document/96667-uu-va-nhuoc-diem-cua-phuong-phapnghien-cuu-thuc-nghiem.htm [2] vi.wikipedia.org/wiki/Thiết_bị_trao_đổi_nhiệt [3] https://www.yellowpages.vn/tgcls/60488974/thi%E1%BA%BFt-b%E1%BB%8Btrao-%C4%91%E1%BB%95i-nhi%E1%BB%87td%E1%BA%A1ng-%E1%BB%91ng-ch%C3%B9m.html?j=5 [4] Hồng Đình Tín, Cơ sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, nhà xuất Đại học quốc gia TPHCM 2013 [5] https://athenatech.com.vn/thiet-bi-trao-doi-nhiet-dang-ong-long-vo/ [6] https://titania.com.vn/phan-loai-thiet-bi-trao-doi-nhiet/ [7] https://diginexus.edu.vn/thiet-bi-trao-doi-nhiet-la-gi-ung-dung-va-cac-loai/ [8] https://www.thomasnet.com/articles/process-equipment/double-pipe-heatexchangers/ [9] https://www.ebookbkmt.com/2017/04/ung-dung-thiet-bi-trao-oi-nhiet-kieu.html [10] Hồ Trần Anh Ngọc, Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng kỹ thuật lạnh, Luận văn tiến sĩ Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2014 [11] https://www.fintube.com/index.html [12] https://cnx.org/contents/Qt64hPK-@1.1:KbVQY877@1/Thi%E1%BA%BFtb%E1%BB%8B-ng%C6%B0ng-t%E1%BB%A5 [13] https://www.klmtechgroup.com/PDF/ess/PROJECT_STANDARDS_AND_SPECI FICATIONS_double_pipe_heat_exchangers_Rev01.pdf [14] Vinous cộng sự, "Turbulent Flow Heat Transfer and Pressure Loss In A Double Pipe Heat Exchanger With Triangular Fins", International Energy & Environment Foundation, pp 149-158, 2016 [15] A.Rakesh, "CFD Analysis Of Double Helical Pipe Parallel & Counter Flow Heat Exchanger", International Journal of Advanced Research Trends in Engineering and Technology, pp 175-187, 2017 [16] Kumar, "Modeling of triangular perforated twisted tape with V-Cuts in double pipe heat exchanger", Materials Today, pp 1-7, 2020 [17] Reza cộng sự, "Heat Transfer of Iron Oxide Nanofluid in a Double Pipe Heat Exchanger", Journal of Materials Science & Surface Engineering, pp 84-89, 2015 115 [18] Thái Ngọc Sơn 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", Tạp Chí Khoa Học Và Công Nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol 20, No 1, pp 48-52, 2022 [19] Nguyễn Xuân Viên cộng sự, "Nghiên Cứu Mơ Phỏng Q Trình Truyền Nhiệt Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống Thu Hồi Nhiệt Thải Hệ Thống Điều Hịa Khơng Khí Water Chiller", Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật số 66 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, pp 37-45, 2021 [20] Hồ Trần Anh Ngọc, "Nghiên Cứu Tính Tốn Q Trình Trao Đổi Nhiệt Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống Dạng Xoắn", Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ Đại Học Đà Nẵng - Số 5, pp 58-62, 2014 [21] https://hungtlu.files.wordpress.com/2016/03/on-ch-ch4-ton-that-2.pdf [22] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/ [23] https://www.cfd-engineer.com/news/Nhung-ung-dung-cua-CFD-trong-BuildingHVAC [24] Mohammadian cộng sự, "A Comparison Of Standard k–ε And Realizable k–ε Turbulence Models In Curved And Confuent Channels", Environmental Fluid Mechanics, pp 543-568, 2019 [25] https://cfdisrael.blog/2019/01/22/numerical-schemes-in-cfd-part-i-the-cellreynolds-problem/ [26] https://vncfdgroup.files.wordpress.com/2013/04/cc3a1c-phc6b0c6a1ng-phc3a1pcfd.pdf [27] J Blazek, Computational fluid dynamics, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 1GB, UK, Elsevier, 2005 [28] https://advancecad.edu.vn/phan-mem-ansys/ [29] https://romeo.univ-reims.fr/documents/fluent/tgrid/ug/chp15.pdf [30] ANSYS, ANSYS Meshing User's Guide, ANSYS, 2010 [31] https://cfdisrael.blog/2019/02/01/know-thy-mesh-mesh-quality-part-i/ [32] https://featips.com/2021/05/07/how-to-verify-mesh-quality-in-ansys-workbench/ [33] https://www.cfd-online.com/Forums/main/8398-pressure-based-density-basedsolver.html [34] Nguyễn Cơng Thành, "Ứng Dụng Mơ Hình Dịng Chảy Rối Trong Tính Tốn Dịng Chảy Tự Do Qua Đập Tràn", Tạp Chí Khoa Học Kỹ Thuật Thủy Lợi Và Mơi Trường - Số 43, pp 27-34, 2013 [35] Ozden cộng sự, "Shell Side CFD Analysis Of A Small Shell-And-Tube Heat Exchanger", Energy Conversion and Management, vol 51, pp 1004-1014, 2010 116 [36] https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_(fluid_dynamics [37] https://www.engineering.com/story/3-criteria-for-assessing-cfd-convergence 117 PHỤ LỤC 1: CÁC BƯỚC THỰC HIỆN VÀ LƯU Ý KHI MÔ PHỎNG CFD Sau bước thực số lưu ý mô CFD: Bước Lựa chọn mơ hình phần mềm tạo geomery Mơ hình nên lựa chọn mơ hình thực nghiệm có số liệu thực tế, tiện so sánh kết sau mơ Khuyến khích lựa chọn mơ hình đơn giản có đầy đủ thơng số nhiệt độ, số liệu kích thước, vật liệu sử dụng mơ hình, lưu chất mơ hình cần có thơng tin rõ ràng tính chất vật lí độ nhớt động học, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng hệ số dẫn nhiệt Tạo geomery nên ưu tiên lựa chọn phần mềm vẽ 3d đơn giản mà ANSYS hỗ trợ ví dụ solid work chọn Import vào phần Geomery Workbench thay tạo Geomery trực tiếp ANSYS vẽ sai khó để sửa thời gian vẽ lại Bước Tạo lưới lưu ý tạo lưới Lưới ANSYS tạo tự động cách chọn Generate Mesh thô nên dùng lệnh phần Insert Sizing, Inflation, để thay đổi cấu trúc lưới số phần tử để lưới có chất lượng tốt hơn, lưu ý sau tạo lưới xong cần tạo tên gọi cho phần đầu vào, đầu lưu chất, tên lưu chất tên thành phần cấu tạo nên vỏ Lưu ý tạo lưới nên lựa chọn kích thước phần tử mặc định xem xét thay đổi kích thước phần tử sau tạo xong, tránh việc chỉnh sửa kích thước phần tử nhỏ, laptop máy tính khơng chạy số lượng phần tử lớn làm thời gian chất lượng lưới không tốt Bước Thiết lập thông số phương pháp giải cho mơ hình mơ Trong mục General lựa chọn trạng thái mô Steady để lưu chất mơ hình chạy ổn định không thay đổi theo thời gian Lựa chọn phương pháp giải, khuyến khích lựa chọn theo tiêu chuẩn nhà phát triển phần mềm đưa Pressure lưu chất sử dụng chất lỏng Density lưu chất dạng khí 118 Phần Model để tiết kiệm tài nguyên thời gian nên ta dùng mơ hình Realizable k – ε sử dụng phổ biến nhất, mơ hình cải tiến phát triển dùng cho dòng lưu chất chảy rối chảy tầng Thiết lập thêm vào thông số vật liệu thực nghiệm mục Material với vỏ bên ngồi ta chọn loại vật liệu Đồng, Nhơm,… lưu chất khí lỏng, tạo hai theo thực nghiệm Trong mục Cell Zone Conditon cần kiểm tra lại thiết lập vật liệu chọn vỏ chất liệu Solid lưu chất Fluid Thiết lập thông số đầu vào Velocity-Inlet Mass-Flow-Inlet tùy vào thực nghiệm dùng vận tốc hay lưu lượng khối lượng, thiết lập nhiệt độ, vận tốc dòng chảy,… đầu lưu chất thiết lập Pressure-Oulet lưu chất mục Boundary Conditions Bước Chạy mô Trước chạy mô cần lưu ý khởi tạo lại liệu cách chọn Initialize mục Solution Initialize để xóa liệu chạy trước đó, lưu ý chọn số vòng lặp mục Number Of Iteration ban đầu nên vào khoảng 100 đến 200 để xem xét tốc độ chạy thiết bị có đáp ứng nhu cầu khơng sau tăng số vịng lặp lên, sau khởi tạo xong nhấn Calculate thực chạy mô phỏng, thời gian chạy phụ thuộc vào số phần tử lưới tạo số vòng lặp chọn Bước Xét hội tụ lưới Xét hội tụ lưới gồm lượt xét: lượt thứ xem xét số đánh giá chất lượng lưới lựa chọn lưới tốt Lượt xét thứ hai tiến hành xét hình dạng vận tốc lưu chất, lưới có hình dạng (Profile) vận tốc giống chứng tỏ lưới có khả hội tụ tốt kết xác chọn lưới để trình bày kết 119 Bước Xử lý kết Khi xử lý kết tốt nên xử lý CFD Post module Workbench để tiện theo dõi dễ hơn, để biểu sơ đồ dòng nhiệt hay vận tốc trước hết cần tạo mặt phẳng Vào Location chọn Plane thiết lập thơng số trục tọa độ cắt qua vị trí ta muốn biểu diễn trao đổi nhiệt, sau ta vào Contour chọn mục nhiệt độ vận tốc, áp suất tùy theo nhu cầu lựa chọn mặt phẳng biểu diễn mặt (Plane) vừa tạo Để biểu thị rõ đường vận tốc dấu mũi tên ta vào mục Velocity chọn mặt Plane để biểu diễn vận tốc mặt vừa tạo chọn tất để biểu diễn vận tốc tồn thiết bị, khuyến khích nên tạo nhiều Plane khác biểu diễn Plane Tạo đồ thị cho vận tốc nhiệt độ, để tạo đồ thị tương tự vào Location chọn Line thiết lập tọa độ trục vị trí nơi muốn biểu diễn đồ thị sau đố nhấp chọn Chart thiết lập thơng số sau: vị trí đồ thị chọn Line vừa tạo, trục Y lựa chọn X để biểu thị trục x chiều dài ống, trục Y chọn vận tốc nhiệt độ cần biểu diễn 120 PHỤ LỤC 2: HƯỚNG DẪN CÁC BƯỚC THIẾT LẬP MÔ PHỎNG Sau hướng dẫn chi tiết bước thiết lập mô phỏng: Bước Kích hoạt phương trình lượng Models→ Energy→Edit Hình P2.1 thiết lập phương trình lượng Bước Mơ hình rối Models→ Viscous→Edit - Chọn k-epsilon (2eqn) Model - Chọn standard k-epsilon Model - Chọn Scalable Near Wall Treatment Enhanced Wall Treatment 121 Hình P2.2 Thiết lập mơ hình rối Bước Cài đặt thông số cho vật liệu Thiết lập lưu chất sử dụng nước trạng thái lỏng, tạo vật liệu làm ống Inox 304 với thông số có sẵn cách nhấp đúp vào mục Materials Hình P2.3 Cài đặt lưu chất ống 122 Hình P2.4 Tạo thông số cho vật liệu Inox 304 Bước Gán giá trị lưu chất vật liệu cho mơ hình ống lồng ống Tiến hành gán lưu chất di chuyển ống vật liệu ống mục Cell Zone Conditions, thay đổi mục Material Name với vật liệu mà ta thiết lập trước Hình P2.5 Gán giá trị cho lưu chất vật liệu 123 Bước Nhấp chọn Boundary Conditions để gán giá trị biên cho ống giá trị nhiệt độ, lưu lượng,… đầu vào cho mơ hình Để thiết lập thơng số đầu vào lưu lượng nhiệt độ cần vào mục Boundary Condition nhập thông số lưu lượng khối lượng vào ô Mass Flow Rate nhập giá trị nhiệt độ mục Thermal Hình P2.6 Gán giá trị đầu vào cho lưu chất Bước Thiết lập tiêu chí đánh giá hội tụ Residuals Để thiết lập tiêu chí đánh giá hội tụ vào mục Monitor chọn Residual cài đặt thơng số hình, mục đích việc nhằm giúp tránh q trình chạy mơ thông số xuống mức với mức thiết lập dừng lại chưa chạy hết số vịng lặp cài đặt 124 Hình P2.7 Thiết lập Residuals Bước Khởi tạo lại chương trình Khởi tạo lại chương trình vào mục Initialization chọn Initialize, mục đích khởi tạo để xóa hết liệu cũ tránh việc liệu cũ trước ghi đè lên liệu làm sai lệch kết Hình P2.8 Khởi tạo lại chương trình Bước Thiết lập số vịng lặp mơ Sau thiết lập thông số tiến hành vào mục Run Calculation cài đặt số vịng lặp Number Of Iterations, số vòng lặp tùy thuộc vào thiết bị bạn có đủ mạnh để chạy số vịng lặp lớn khơng mà cân nhắc, số vịng lặp chạy 125 đến số lúc lưới bắt đầu hội tụ, việc thiết lập số vòng lặp tránh việc mơ hình chưa hội tụ mà chương trình dừng số vịng lặp q ngắn Hình P2.9 Thiết lập số vịng lặp 126 S K L 0