Phương pháp mô phỏng số được sử dụng cho thiết bị đổi nhiệt để mô phỏng sự trao đổi nhiệt giữa dòng chảy lạnh chảy trong bó ống và dòng chảy nóng chảy ngoài bó ống với cùng một vận tốc b
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)
Kỹ thuật nhiệt lạnh đang trở thành một ngành phát triển mạnh mẽ, với nhiều sản phẩm mới được nghiên cứu và ra mắt liên tục Đặc biệt, phần mềm ANSYS Fluent đã thu hút sự chú ý trong lĩnh vực mô phỏng động lực học chất lỏng, cho phép nghiên cứu một cách tự do mà không bị hạn chế về không gian và thời gian Việc chỉ dựa vào phân tích lý thuyết và thực nghiệm sẽ không cung cấp được thông tin chi tiết về các thông số như nhiệt độ, vận tốc và áp suất, cũng như cách cải thiện hiệu suất truyền nhiệt Hơn nữa, thực nghiệm có thể gặp khó khăn về chi phí và an toàn, đe dọa đến tính mạng con người Do đó, mô phỏng CFD trở thành một giải pháp cần thiết, giúp làm việc trong môi trường an toàn hơn mà không phải lo lắng về các rủi ro từ thực nghiệm Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài: “Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống”.
Phương pháp số là cách giải các phương trình liên tục như phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình động lượng (Navier-Stokes) và phương trình năng lượng Những phương trình này là vi phân từng phần phức tạp, không thể giải trực tiếp mà cần đến phương pháp số Phương pháp này rời rạc hóa miền tính toán thành các thể tích kiểm soát nhỏ và sau đó rời rạc hóa các phương trình Hệ phương trình vi phân phi tuyến được chuyển thành hệ tuyến tính đại số và được giải lặp để đạt được kết quả.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống là một phần quan trọng trong các hệ thống lạnh và có nhiều ứng dụng trong đời sống Nó có độ phức tạp cao, cho phép khảo sát các đặc tính dòng chảy và quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất.
1.1.2 Ưu nhược điểm của mô phỏng và thực nghiệm
Trong nghiên cứu chất lỏng, có ba phương pháp chính: phân tích lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng (CFD) Việc sử dụng các công thức ước lượng và sổ tay thực nghiệm giúp kỹ sư thiết kế cơ bản cho thiết bị công nghiệp, nhưng không đủ để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao Do đó, CFD (Computational Fluid Dynamics) đã ra đời như một công cụ hỗ trợ mới với nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp thực nghiệm Bài viết này sẽ trình bày một số ưu nhược điểm của CFD và thực nghiệm, giúp làm rõ tính nổi bật và ứng dụng của từng phương pháp.
Đối với vô phỏng CFD:
- 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
- Rút ngắn đáng kể quá trình thiết kế và thương mại hóa sản phẩm bằng mô phỏng
Tiết kiệm chi phí nhờ giảm thiểu số lượng thí nghiệm và thiết bị phân tích, đo lường trong nghiên cứu và thiết kế Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình và thiết bị hoạt động hiệu quả hơn mà còn giảm thiểu lượng nguyên vật liệu và năng lượng tiêu thụ.
- Tối ưu hóa và phát triển bền vững , giúp quá trình hoạt động được ổn định hơn, cho ra sản phẩm tốt hơn [1]
- Cải thiện và tối ưu hóa tính an toàn, bảo vệ môi trường
- Phương pháp mô phỏng đòi hỏi công cụ mô phỏng phải có giá trị cao, đắt tiền Ví dụ như máy tính hay các phần mềm chuyên dụng
Các nhà nghiên cứu chủ động tạo ra các điều kiện cần thiết để không chỉ chờ đợi sự xuất hiện của hiện tượng, mà còn có khả năng đánh giá đầy đủ các yếu tố và ảnh hưởng mà những điều kiện này mang lại cho đối tượng nghiên cứu.
Việc lặp lại nhiều lần với kết quả giống nhau chứng tỏ mối quan hệ có tính quy luật, từ đó đảm bảo tính tin cậy của đề tài.
Thay đổi bản chất cấu trúc và cơ chế của đối tượng có thể thực hiện thông qua việc điều chỉnh các yếu tố môi trường, từ đó thay đổi điều kiện và ảnh hưởng của các tác động bên ngoài.
- Có khả năng đi sâu vào quan hệ bản chất, xác định được các quy luật, phát hiện ra các thành phần và cơ chế chính xác [2]
- Đòi hỏi sự chuẩn bị công phu cả về lý luận và công cụ thực hiện
Mỗi thí nghiệm chỉ có thể xác định mối quan hệ giữa một yếu tố nhất định, trong khi một đề tài nghiên cứu cần kiểm nghiệm nhiều yếu tố khác nhau để có cái nhìn toàn diện hơn.
- Chi phí đắt đỏ, đầu tư ban đầu tốn kém
- Tốc độ chậm và có nhiều khả năng không thực hiện được
- Nhiều rủi ro và không đảm bảo sự an toàn trong quá trình thực hiện.
Mục đích và nhiệm vụ đề tài
Mô phỏng được thực hiện với các thay đổi về vận tốc đầu vào ở cả hai phía trong và ngoài bó ống, số lượng tấm chắn, và độ hở của tấm chắn Mục tiêu là đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị và đề xuất giải pháp thiết kế tối ưu cho thiết bị.
Qua đề tài thì những mục tiêu 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 thu được từ mô phỏng với kết quả tính toán lí thuyết và với kết quả có trong bài báo liên quan
- Thực hiện mô phỏng cho các trường hợp thay đổi về vận tốc đầu vào, số lượng tấm chắn và độ hở của các tấm chắn đó
- Đưa ra các đánh giá và kết luận
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bài nghiên cứu này tập trung vào bộ trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, với lưu chất bên trong bó ống và vỏ đều là nước Mô phỏng được thực hiện để phân tích quá trình truyền nhiệt giữa chất lỏng nóng chảy trong vỏ và chất lỏng lạnh trong bó ống, nhằm đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị Nghiên cứu cũng xem xét các trường hợp thay đổi để kiểm tra và đánh giá sự tối ưu của thiết bị.
Giới thiệu về thiết bị trao đổi nhiệt
1.4.1 Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị quan trọng trong kỹ thuật, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt Nó được sử dụng rộng rãi trong các quy trình công nghệ, bao gồm lò hơi để sản xuất hơi nước và các thiết bị ngưng tụ, bay hơi trong hệ thống lạnh.
Hình 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt [3]
1.4.2 Hiện trạng của thiết bị trao đổi nhiệt
Quá trình truyền nhiệt giữa các lưu chất qua thiết bị đã được ứng dụng từ lâu trong sản xuất Nhiệt thường tồn tại ở các trạng thái không mong muốn, do đó cần chuyển đổi thành các trạng thái phù hợp Điều này dẫn đến sự ra đời của nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt, đáp ứng nhu cầu của từng quy trình sản xuất khác nhau.
Hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt được sản xuất đa dạng với nhiều loại hình như thiết bị dạng tấm, dạng vỏ bọc chùm ống và dạng ống lồng ống, phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau Các thiết bị này thường được ứng dụng trong lò hơi, đặc biệt là bộ Economizer, giúp thu hồi nhiệt từ khói thải và tiết kiệm năng lượng Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong hệ thống lạnh với vai trò là thiết bị ngưng tụ hoặc bay hơi Sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật lạnh đã dẫn đến việc hình thành nhiều công ty sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt.
Công ty Cổ Phần Kỹ Thuật Công Nghệ DTP chuyên sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt chất lượng cao, bao gồm các loại thiết bị dạng ống, tấm và chùm Địa chỉ công ty tại số 759/7A Hương Lộ.
2, Khu Phố 2, Phường Bình Trị Đông, Quận Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh (TPHCM), Việt Nam [4]
- Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt PHE - Công Ty TNHH Kỹ Thuật Nhiệt PHE Địa chỉ: Số 37
Lê Quốc Hưng, Phường 13, Quận 4, Tp Hồ Chí Minh (TPHCM), Việt Nam [4]
Công ty TNHH TM và SX Thiết Bị Công Nghiệp Tiến Lộc chuyên cung cấp thiết bị trao đổi nhiệt, có địa chỉ tại Số 144A/1 Nhân Hòa, xã Tây Hòa, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai, Việt Nam.
Công Ty TNHH Cơ Nhiệt - Kỹ Thuật Trung Đức chuyên cung cấp thiết bị sấy công nghiệp chất lượng tại địa chỉ Số 93/20 Bờ Bao Tân Thắng, phường Sơn Kỳ, quận Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Nồi Hơi Hoa Sen thuộc Công Ty TNHH Cơ Nhiệt Lạnh Hoa Sen, có địa chỉ tại Số 90/41 Dương Cát Lợi, thị trấn Nhà Bè, huyện Nhà Bè, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Ngành công nghiệp chế biến hóa chất, bao gồm sản xuất điện và hóa dầu, sử dụng bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt hiệu quả cho các quá trình làm mát, sưởi ấm và thay đổi giai đoạn vật liệu Các bộ trao đổi nhiệt này được thiết kế để tối ưu hóa tải nhiệt thông qua nhiều biến thể linh hoạt, với các thông số hình học như đường kính và chiều dài có thể điều chỉnh để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt Dòng chất lỏng cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền nhiệt, bao gồm tốc độ và hiệu quả Trong những năm qua, nhu cầu về tốc độ truyền nhiệt cao với áp suất tối thiểu vẫn được duy trì, cùng với sự phát triển công nghệ nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí cho thiết bị.
1.4.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt
Hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt có thể được đánh giá qua nhiều phương pháp khác nhau Một số yếu tố quan trọng có thể tác động đến hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị bao gồm thiết kế, vật liệu chế tạo, và điều kiện vận hành.
Sự chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và chất làm mát là yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ trao đổi nhiệt Để đạt hiệu quả tối ưu, nhiệt độ của chất làm mát cần phải thấp hơn nhiệt độ của chất lỏng nóng, giúp hấp thụ nhiều nhiệt từ chất lỏng nóng hơn.
Nhiệt độ chất làm mát sẽ dần ấm lên theo thời gian Chẳng hạn, việc làm lạnh một cốc nước ở nhiệt độ phòng bằng đá sẽ mang lại hiệu quả cao hơn so với việc chỉ sử dụng nước mát Nguyên tắc này cũng áp dụng cho các thiết bị trao đổi nhiệt.
Tốc độ dòng chảy là yếu tố quan trọng trong hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt, ảnh hưởng đến cả phía sơ cấp và thứ cấp Dòng chảy lớn hơn có thể cải thiện khả năng truyền nhiệt, nhưng cũng đồng nghĩa với khối lượng lớn hơn, gây khó khăn trong việc loại bỏ nhiệt lượng và làm tăng vận tốc cũng như tổn thất áp suất.
Bộ trao đổi nhiệt cần được lắp đặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất để đảm bảo hiệu quả hoạt động Phương pháp lắp đặt tối ưu là cho chất lỏng chảy theo hướng ngược dòng, tức là chất làm mát di chuyển từ trái sang phải trong khi chất lỏng nóng di chuyển ngược lại Đối với thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và ống, chất làm mát nên được đưa vào từ vị trí đầu vào thấp nhất để duy trì đầy đủ nước trong bộ trao đổi nhiệt Đối với bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí, cần chú ý đến luồng không khí trong quá trình lắp đặt, vì bất kỳ phần nào của lõi bị chặn sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát.
1.4.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
- Phân loại theo chiều chuyển động của môi chất:
Thiết bị trao đổi nhiệt được phân loại dựa trên chiều chuyển động của môi chất, bao gồm bốn loại chính: loại cùng chiều, nơi môi chất vào và ra ở cùng một phía; loại ngược chiều, với môi chất vào và ra ở hai phía khác nhau, chuyển động ngược chiều bên trong thiết bị; loại cắt nhau, trong đó hai môi chất chuyển động cắt ngang qua vách ngăn; và loại hỗn hợp, với một phần thiết bị cho môi chất chuyển động cùng chiều và phần còn lại cho môi chất chuyển động ngược chiều.
- Phân loại theo công dụng của thiết bị:
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau như bình ngưng (dàn ngưng), bình bay hơi (dàn bay hơi), thiết bị cô đặc và thiết bị tinh cất.
Hình 1.2 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí [7]
- Phân loại theo sự hoạt động của môi chất:
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống
- Thiết bị gồm một bó ống bên trong có chất lỏng cần được làm nóng hoặc lạnh chạy qua
- Bộ trao đổi nhiệt ống chùm thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi áp suất và nhiệt độ làm việc cao
- Môi chất trao đổi nhiệt có thể là chất lỏng, khí, gas hoặc hơi
Hình 1.7 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống [13]
Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưu chất Một chất lỏng chảy bên trong các ống, trong khi chất lỏng còn lại chảy qua vỏ bên ngoài Thiết kế này tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hệ thống công nghiệp.
Trong quá trình trao đổi nhiệt, chất lỏng lạnh hấp thụ nhiệt từ chất lỏng nóng, dẫn đến việc chất lỏng nóng đi vào từ đầu vòi ống và thoát ra ở đầu vòi bên kia.
Chất lỏng sẽ lạnh hơn ở đầu ra so với đầu vào Để cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta thiết kế chiều chuyển động của lưu chất trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng Bố trí kiểu dòng chảy sẽ được điều chỉnh tùy theo ứng dụng cụ thể.
Sự truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc, được xác định bởi số lượng ống kim loại dẫn nhiệt Trong bộ thiết bị này, dòng chất lỏng có thể diễn ra theo hai hướng: dòng chảy song song hoặc dòng chảy chéo.
1.5.2 Cấu tạo của thiết bị
Có rất nhiều kiểu dạng khác nhau nhưng về cơ bản cấu tạo của thiết bị trao đổi nhiệt và có các bộ phận chính gồm:
Ống trao đổi nhiệt là bộ phận thiết yếu trong hệ thống trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, với bề mặt ống đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa lưu thể bên trong và bên ngoài ống.
Mặt sàng ống là tấm kim loại hình tròn được khoan lỗ với đường kính phù hợp cho ống trao đổi nhiệt, có thể tạo rãnh theo mẫu hình vuông hoặc tam giác để định hình ống Ngoài ra, mặt sàng ống cần phải có khả năng chống ăn mòn trong quá trình sử dụng để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
Vỏ là thùng chứa chất lỏng với các cửa lưu chất đóng vai trò là cổng vào và ra Thông thường, vỏ có tiết diện tròn và được chế tạo bằng cách cuộn một tấm kim loại có kích thước phù hợp thành hình trụ, sau đó hàn mối nối dọc.
Vòi phun thường được trang bị một tấm cản lực nằm ngay bên dưới, giúp chuyển hướng dòng chất lỏng và tạo ra tác động trực tiếp với vận tốc cao lên hàng ống trên cùng.
- Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào/ra phía trong ống:
Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất trong ống vào/ra của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được thiết kế để kiểm soát dòng lưu chất bên trong Thiết bị này được chế tạo từ thép hợp kim, đảm bảo độ bền và hiệu quả trong quá trình trao đổi nhiệt.
Nắp đậy của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là tấm hình tròn được lắp với mặt bích của khoang đầu bằng các bulong
Chúng tôi định vị và duy trì khoảng cách giữa các ống trong quá trình lắp ráp và vận hành, ngăn ngừa rung động do dòng chảy xoáy Bằng cách định hướng dòng chảy phía vỏ, chúng tôi tăng tốc độ dòng và đảm bảo chất lỏng lưu động đều qua toàn bề mặt ống, cải thiện góc xung kích và tăng hệ số truyền nhiệt.
Hình 1.8 Cấu tạo của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống [14]
Trong thiết bị này, một chất lỏng chảy trong ống, trong khi chất lỏng khác di chuyển bên ngoài ống nhưng vẫn nằm trong vỏ bọc Cách bố trí lưu động của các chất lỏng nóng và lạnh được minh họa như hình bên dưới.
Lưu động trong hệ thống có thể được phân loại thành nhiều dạng: a) Lưu động cùng chiều, b) Lưu động ngược chiều, c) Lưu động hỗn hợp song song, d) Lưu động cắt nhau một lần, e) Lưu động cắt nhau thuận chiều, f) Lưu động cắt nhau ngược chiều, và g) Lưu động cắt nhau phức tạp Mỗi dạng lưu động này có những đặc điểm và ứng dụng riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định của hệ thống.
Hình 1.9 Các phương thức lưu động của chất lỏng [15]
- Ít tốn kém hơn so với bộ làm mát dạng tấm
- Có thể được sử dụng như một phần của hệ thống với nhiệt độ và trọng lượng làm việc cao hơn
- Giảm áp suất trên bộ làm mát ống ít hơn
- Rò rỉ ống được tìm thấy và ngăn chặn dễ dàng vì thử nghiệm áp suất rất đơn giản
- Bộ làm mát hình ống trong hệ thống làm lạnh cũng có thể hoạt động rất tốt
- Bộ làm mát dạng ống có thể được ưa chuộng để bôi trơn dầu làm mát do sự khác biệt về trọng lượng
- Hiệu quả trao đổi nhiệt kém hơn so với bộ làm mát dạng tấm
- Việc vệ sinh và bảo trì khá rắc rối vì bộ làm mát dạng ống yêu cầu đẩy tổ ống ra ngoài để vệ sinh
- Không thể mở rộng dung lượng của bộ làm mát dạng ống
- Yêu cầu nhiều không gian hơn trái ngược với bộ làm mát dạng tấm
Bộ thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống là thiết bị phổ biến nhất trong việc truyền nhiệt cho các ứng dụng quy trình công nghiệp Chúng thường được lựa chọn cho nhiều nhiệm vụ khác nhau.
- Quy trình làm mát bằng chất lỏng hoặc khí
- Quá trình hoặc hơi chất làm lạnh hoặc hơi nước ngưng tụ
- Xử lý bay hơi chất lỏng, hơi nước hoặc chất làm lạnh
- Xử lý loại bỏ nhiệt và làm nóng sơ bộ nước cấp
- Bảo toàn năng lượng nhiệt, thu hồi nhiệt
- Làm mát động cơ, dầu và nước giải nhiệt
- Làm mát bằng dầu thủy lực và dầu bôi trơn
- Nhiều ứng dụng công nghiệp khác
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về bài báo liên quan
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt, chủ yếu đến từ nước ngoài Bạn có thể tìm kiếm thông tin liên quan đến "Shell and tube heat exchanger" trên trang https://www.sciencedirect.com để có được nhiều kết quả nghiên cứu hữu ích về thiết bị này.
In this research paper, we referenced an article by Indian authors Swanand Gaikwad and Ashish Parmar titled "Numerical simulation of the effect of baffle cut and baffle spacing on shell side heat exchanger performance using CFD." This study focuses on the numerical simulation of heat exchange efficiency influenced by baffle cut and spacing in shell-and-tube heat exchangers, utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) methods.
Hình 2.1 Một hình ảnh từ bài báo liên quan [17]
Các thông số ban đầu
Hình 2.2 Mô hình hình học của bài báo liên quan [17]
Hình 2.2 trình bày mô hình bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, được đề cập trong mục 2.1 Kích thước hình học và đặc tính vật liệu của thiết bị sẽ được tham khảo và thiết kế đồng nhất nhằm phục vụ cho mô phỏng trong nghiên cứu này Các bảng 2.1 và 2.2 dưới đây sẽ cung cấp thông tin chi tiết về kích thước cụ thể của mô hình cũng như thuộc tính của vật liệu.
Bảng 2.1 Các thông số của mô hình
Số thứ tự Mô tả Giá trị Đơn vị
1 Độ dài của vỏ, 𝐿 𝑠 600 mm
2 Đường kính ngoài ống vỏ, 𝐷 𝑜𝑠 90 mm
3 Đường kính trong ống vỏ, 𝐷 𝑖𝑠 86 mm d ot
4 Đường kính ngoài ống trong, 𝑑 𝑜𝑡 20 mm
5 Đường kính trong ống trong, 𝑑 𝑖𝑡 16 mm
Bảng 2.2 Các thuộc tính của vật liệu
Số thứ tự Mô tả Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng riêng của chất lỏng, 𝜌 998 kg/m 3
2 Độ nhớt động học của chất lỏng chảy trong vỏ (𝜇 𝑠 ) ở 177 𝑜 𝐶 155,94× 10 −6 N.s/m 2
3 Môi chất chảy trong ống Nước -
4 Môi chất chảy trong vỏ Nước -
5 Nhiệt độ đầu vào phía vỏ 450 K
6 Nhiệt độ đầu vào phía ống 300 K
Tính hệ số truyền nhiệt
Trong tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt lượng truyền được giữa hai dòng môi chất có thể tính theo các công thức sau:
- 𝑄 là nhiệt lượng truyền được, kW
- 𝑘 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m 2 K
- 𝐹 là diện tích bề mặt truyền nhiệt, m 2
- ∆𝑡 𝑚 là độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa hai hai loại chất lỏng
- 𝐺 1 , 𝐺 2 là lưu lượng khối lượng chất lỏng nóng và lạnh, kg/s
- 𝑐 𝑝1 , 𝑐 𝑝2 là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của hai loại chất lỏng, kJ/(kg.K)
- 𝑡′ 1 , 𝑡′ 2 là nhiệt độ đầu vào của hai dòng chất lỏng nóng và lạnh, K
- 𝑡′′ 1 , 𝑡′′ 2 là nhiệt độ đầu ra của hai dòng chất lỏng nóng và lạnh, K
Tính theo phương pháp LMTD:
Với nhiệt độ đầu ra của dòng chất lỏng nóng chảy 𝑡′′ 1 và nhiệt độ đầu ra của dòng chất lỏng lạnh 𝑡′′ 2, được lấy từ kết quả mô phỏng, chúng ta có thể tính toán nhiệt lượng của thiết bị theo công thức (2.2) và (2.3).
Theo phương trình cân bằng nhiệt, nhiệt lượng tỏa ra 𝑄 1 phải bằng với nhiệt lượng thu vào 𝑄 2 Tuy nhiên, khi tính toán từ kết quả nhiệt độ đầu ra của mô phỏng, có sự sai số giữa 𝑄 1 và 𝑄 2 Do nghiên cứu này tập trung vào dòng chất lỏng chảy phía vỏ, giá trị 𝑄 1 sẽ được sử dụng cho các tính toán.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị được tính theo công thức sau:
- 𝑁 là số ống bên trong của thiết bị
- 𝑑 𝑜𝑡 là đường kính ngoài của ống trong, m
Dòng lưu động ngược chiều có thể được phân tích qua hai đầu: đầu có độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất gọi là ∆𝑡 𝑚𝑎𝑥 và đầu có độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất gọi là ∆𝑡 𝑚𝑖𝑛 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡 𝑚 được tính toán theo phương pháp LMTD.
Từ công thức (2.1) và các giá trị vừa tìm được ở trên, ta có thể rút ra được hệ số truyền nhiệt k và được tính như sau:
0,26 × 131,85 = 1624,52 W/(m 2 K) [2.6] Vậy hệ số truyền nhiệt 𝑘 của thiết bị ta tính được bằng 1624,52 W/(m 2 K)
𝑄 𝑚𝑎𝑥 = 𝐶 𝑚𝑖𝑛 (𝑡′ 1 − 𝑡′ 2 ) = 2,17 × (450 − 300) = 325,5 kW Đây là giá trị cực đại theo lý thuyết mà thiết bị có thể truyền được, trên thực tế nhiệt lượng truyền được là:
Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt:
325,5 = 0,17 [2.8] Trong trường hợp lưu động ngược chiều, ta tra đồ thị sau để tìm NTU:
Hình 2.3 Quan hệ 𝜺 = 𝒇(𝑪, 𝑵𝑻𝑼) đối với sơ đồ lưu động ngược chiều [18]
Sơ đồ trên minh họa thiết bị trao đổi nhiệt dạng lồng ống, trong đó cả hai dòng chảy đều có chiều hướng lưu động ngược chiều Chất lỏng bên trong ống và bên ngoài vỏ đều là 1 pass, cho phép áp dụng đồ thị để tính toán Mặc dù giả thiết cho rằng bó ống với nhiều ống nhỏ sẽ có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn một ống đơn là đúng, nhưng hiệu suất truyền nhiệt thực tế được xác định bằng công thức (2.8) Do đó, sơ đồ trong hình 2.3 có thể được sử dụng để tìm hệ số NTU cho thiết bị này.
Ta tra ra được 𝑁𝑇𝑈 = 0,2 và
Từ đó ta tính được hệ số truyền nhiệt k bằng:
0,26 = 1669,23 W/(m 2 K) Vậy hệ số truyền nhiệt 𝑘 tính theo phương pháp 𝜀 − 𝑁𝑇𝑈 là 1669,23 W/(m 2 K)
Tính số Reynolds
Xét dòng chất lỏng chảy phía ống vỏ, hệ số Reynolds được xác định theo công thức sau:
- 𝑢 1 là vận tốc trung bình của chất lỏng chảy phía vỏ, m/s
- 𝐷 𝐸 là đường kính tương đương, m
- 𝜈 1 là độ nhớt động học của chất lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng, m 2 /s
Nội suy theo nhiệt độ từ bảng thông số vật lý của nước trên đường bão hòa, như được trình bày trong sách bài tập Truyền nhiệt của thầy Hoàng Đình Tín và Bùi Hải, cho phép chúng ta xác định hệ số nhớt động học một cách chính xác.
𝜈 = 0,187 10 −2 m 2 /s Đường kính tương đương ta tính theo công thức:
Trong đó, 𝐹 là diện tích tiết diện ngang mà chất lỏng lưu động qua, m 2 và 𝑈 là chu vi ướt, m
Thay các giá trị vừa tìm được vào công thức ban đầu, ta có được giá trị của hệ số Reynolds bằng:
Ta thấy số Reynolds vừa tính được lớn hơn 10 4 nên có thể khẳng định dòng chất lỏng chảy phía ống vỏ là dòng chảy rối
Xét dòng chất lỏng chảy bên trong bó ống, hệ số Reynolds được xác định theo công thức sau:
- 𝑢 2 là vận tốc trung bình của chất lỏng lưu động trong các ống, m/s
- 𝑑 𝑖𝑡 là đường kính trong của ống bên trong, m
- 𝜈 2 là độ nhớt động học của chất lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng, m 2 /s
Tương tự nội suy theo nhiệt độ trung bình của dòng chất lỏng chảy trong ống, ta tìm được hệ số nhớt động lực 𝜈 2 = 0,773 10 −6 m 2 /s
Suy ra hệ số Reynolds bằng:
Ta thấy số Reynolds vừa tính được lớn hơn 10 4 nên có thể khẳng định dòng môi chất chảy bên trong bó ống cũng là dòng chảy rối.
Tính số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt α
Nhiệt độ trung bình 𝑡 1 của môi chất nóng chảy phía ống vỏ là:
Từ kết quả nhiệt độ đầu ra 𝑡′′ 2 lấy từ kết quả mô phỏng, nhiệt độ trung bình 𝑡 2 của môi chất lạnh chảy bên trong bó ống là:
Chọn nhiệt độ tại bề mặt vách trong của các ống trong bó ống bằng:
Hệ số Nusselt của dòng môi chất lạnh chảy trong các ống nhỏ được tính theo công thức sau:
Xét tỉ số giữa chiều dài ống và đường kính của ống trong: 𝑙
Khi giá trị của ⁄ = 30 < 50, theo bảng (10.3) trang 217 trong sách bài tập Truyền nhiệt của thầy Hoàng Đình Tín và Bùi Hải, ta tìm được hệ số 𝜀 𝑙 = 1,05 Đồng thời, các ống nhỏ bên trong bó ống là ống thẳng, do đó hệ số 𝜀 𝑅 = 1.
Khi đó, số Nuselt bằng:
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dòng môi chất chảy bên trong các ống nhỏ là:
0,016 = 6429,16 W/(m 2 K) Nhiệt lượng nhận được trên một đơn vị chiều dài ống:
- 𝑡 𝑤2 là nhiệt độ vách trong của ống trong, K
- 𝑡 𝑤1 là nhiệt độ vách ngoài của ống trong, K
- 𝑑 𝑜𝑡 là đường kính ngoài của ống trong, m
- 𝑑 𝑖𝑡 là đường kính trong của ống trong, m
- là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ống, W/(m.K)
Từ đó suy ra được nhiệt độ tại bề mặt vách ngoài của ống nhỏ là:
Khi đó hệ số Nusselt của dòng chảy trong vỏ là:
Giá trị 𝜀 𝑖 được xác định dựa trên trung bình của ba hàng ống, với 𝜀 𝑖 của hàng ống thứ nhất là 0,6, hàng ống thứ hai là 0,7 và hàng ống thứ ba là 1 Để xác định giá trị 𝜀 𝜑, chúng ta tham khảo bảng 8.5 trong sách "Truyền nhiệt" của thầy Hoàng Đình Tín, trang 189.
Bảng 2.3 Hệ số hiệu chỉnh của góc 𝝋
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất nóng chảy trong vỏ là:
Tính trở kháng thủy lực của thiết bị
Trong thiết bị trao đổi nhiệt, sự chuyển động của chất lỏng nóng và lạnh yêu cầu tiêu hao năng lượng cho bơm hoặc quạt, dẫn đến chi phí vận hành cao Khi tăng tốc độ dòng 𝜔, 𝛼 sẽ tăng và 𝐹 sẽ giảm, giúp tiết kiệm vật tư và thiết bị, nhưng đồng thời làm tăng chi phí vận hành Do đó, việc lựa chọn tốc độ hợp lý là rất quan trọng Trong tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, cần chú ý đến cả diện tích truyền nhiệt và trở kháng thủy lực, đảm bảo chúng nằm trong giới hạn cho phép.
Tổng tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt được xác định bởi công thức:
- ∆𝑃 𝑚 là trở kháng ma sát
- ∆𝑃 𝑐 là trở kháng cục bộ
- ∆𝑃 𝑔 là trở kháng gia tốc
- ∆𝑃 𝑜 là trở kháng trọng trường
Chất tải nhiệt là một chất lỏng thực, có tính nhớt, dẫn đến sự ma sát giữa chất lỏng và bề mặt ống khi chảy Sự ma sát này gây ra tổn thất áp suất ∆𝑝 𝑚 trong hệ thống.
Trở kháng ma sát được tính theo công thức sau:
- 𝑑 𝑖𝑡 là đường kính trong của ống, m
- 𝜌 là khối lượng riêng tính theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng, kg/m 3
- 𝑢 là tốc độ trung bình của chất lỏng, m/s
- 𝑓 là hệ số ma sát Hệ số ma sát tính theo phương trình Colebrook:
Số Reynolds của dòng môi chất chảy phía ngoài ống được ký hiệu là 𝑅𝑒 𝑓1, với giá trị 10691,87 Đường kính tương đương 𝐷 𝐸 là 0,02 m, được tính toán theo mục 2.4 của chương 2 Độ nhám 𝜀 được xác định dựa trên bảng dữ liệu tương ứng.
Hình 2.4 Độ nhám của các loại vật liệu [19]
Với vật liệu ống là đồng (Copper), chúng ta chọn 𝜀 = 0,0015 mm Sau khi thay thế tất cả các giá trị vào phương trình [2.19], hệ số ma sát được tính toán là 𝑓 = 0,0182.
Từ đó ta dễ dàng tính được trở kháng ma sát của thiết bị:
Trở kháng cục bộ xảy ra khi dòng chảy lưu động qua bó ống và các tấm chắn
Hệ số trở kháng cục bộ được ký hiệu là , trong đó 𝑑 𝑜𝑡 đại diện cho đường kính ngoài của ống nhỏ Để phân tích, chúng ta xem xét bước ống ngang theo hướng dòng ký hiệu là 𝑠 1 và bước ống dọc theo hướng dòng ký hiệu là 𝑠 2, từ đó tính toán tỉ số 𝑠 1.
⁄𝑑 nên hệ số ma sát được tính theo công thức sau:
Với 𝑚 là số hàng ống mà chất lỏng lưu động qua
Dòng chất lỏng trong vỏ di chuyển qua bó ống và va chạm với các tấm chắn, do đó khi tính toán hệ số hiệu chỉnh, cần xem xét góc lớn khi chất lỏng gặp tấm chắn và thay đổi hướng dòng với góc 90 độ Để xác định hệ số hiệu chỉnh 𝜀 ∆𝑝, hãy tham khảo bảng dưới đây.
Bảng 2.4 Hệ số hiệu chỉnh của góc dòng chảy
Từ đó ta dễ dàng tính được trở kháng cục bộ bằng:
Trở kháng này xảy ra là do sự tăng tốc của dòng chảy gây nên và được tính:
- 𝑢 là tốc độ của dòng chảy của chất lỏng, m/s
- 𝜌 là khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3
Khi nghiên cứu về chất lỏng giọt, thực tế cho thấy nếu tần số 𝜔 1 và 𝜔 2 không chênh lệch quá lớn, thì trở lực này sẽ nhỏ hơn so với các trở lực khác và có thể được bỏ qua.
Trong hệ thống hở môi chất tiếp xúc với khí quyển, trở kháng trọng trường được tính:
- 𝑔 là gia tốc trọng trường, 𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 2
- H là chiều cao giữa tiết diện vào và ra của thiết bị, m
- 𝜌 là khối lượng riêng trung bình của chất lỏng, kg/m 3
- 𝜌 0 là khối lượng riêng trung bình của không khí ngoài trời, 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
Như vậy trở kháng thủy lực ∆𝑃 𝑠 của thiết bị bằng tổng trở kháng ma sát và cục bộ:
Tính công suất bơm
Sau khi tính tổng các trở lực, công suất của bơm được tính theo công thức sau:
- 𝐺 1 là lưu lượng khối lượng của chất lỏng chảy phía vỏ, kg/s
- 𝜌 là khối lượng riêng trung bình của chất lỏng, kg/m 3
- 𝜂 là hiệu suất của bơm, chọn 𝜂 = 0,8
- ∆𝑃 ∑ là tổng trở lực, Pa
- 𝑁 𝑏 là công suất của bơm, W
Như vậy ta tính được tổng công suất của bơm cho dòng chất lỏng chảy phía ống vỏ là 0,45 W
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD
Giới thiệu về CFD
Động lực học chất lưu tính toán (CFD) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật, chuyên về mô phỏng và phân tích các vấn đề khí động học và dòng chảy nhiệt CFD sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu để giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lỏng và khí, với sự hỗ trợ của máy tính để thực hiện các tính toán phức tạp Việc áp dụng siêu máy tính tốc độ cao giúp đạt được các giải pháp chính xác hơn cho những bài toán lớn và phức tạp Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển phần mềm nhằm cải thiện độ chính xác và tốc độ cho các kịch bản mô phỏng như dòng chuyển động và dòng chảy hỗn loạn Quá trình xác nhận phần mềm thường được thực hiện qua thí nghiệm trong đường hầm gió hoặc so sánh với các phân tích thực nghiệm trước đó, và xác nhận cuối cùng thường được thực hiện bằng thử nghiệm quy mô đầy đủ.
Phương pháp CFD được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp, như phân tích khí động học, hàng không vũ trụ, siêu âm, mô phỏng thời tiết, khoa học tự nhiên, kỹ thuật môi trường, thiết kế hệ thống công nghiệp, kỹ thuật sinh học, và dòng chất lỏng cùng với truyền nhiệt Hình 3.1 dưới đây minh họa kết quả của việc áp dụng CFD để mô phỏng quá trình chảy từ một thác nước.
Hình 3.1 Mô phỏng các giai đoạn của quá trình chảy từ một thác nước [21]
CFD mang lại nhiều lợi ích vượt trội, do đó nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, ô tô, y sinh, xử lý hóa chất, điều kiện không khí thông gió nhiệt, thủy lực, điện thế hệ, thể thao và hàng hải.
Mô phỏng CFD được ứng dụng trong ngành hàng không và vũ trụ để tối ưu hóa biên dạng cánh máy bay, từ đó tăng cường lực nâng và giảm thiểu lực cản không khí trong quá trình vận hành.
Hình 3.2 Mô phỏng biên dạng cánh máy bay [22]
CFD được ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô để mô phỏng dòng khí chuyển động, từ đó giúp xác định hình dạng tối ưu cho xe.
Trong ngành công nghiệp xây dựng, ứng dụng mô phỏng nhiệt độ cho các khu vực, như hình 3.3, là rất quan trọng Nó cho phép mô phỏng các hệ thống trong tòa nhà, bao gồm hệ thống thông gió, sưởi ấm và điều hòa không khí Đặc biệt, trong lĩnh vực điều hòa không khí, CFD được sử dụng để đánh giá chất lượng không khí, đảm bảo môi trường sống và làm việc tốt nhất cho người sử dụng.
Hình 3.3 Mô phỏng trường nhiệt độ với CFD [24]
Hệ thống hóa chất và dầu khí bao gồm các thiết bị như phản ứng, tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối và hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt.
- Thiết bị công nghiệp: Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm, phân tách pha, trao đổi nhiệt
- Thời tiết và khí hậu: Mô hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai
- Hàng hải và đóng tàu: Mô hình tương tác giữa sóng và ứng suất vỏ tàu, mô hình phỏng đoán lực cản vỏ tàu [23]
Hình 3.4 Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD [25]
Giới thiệu phần mềm hỗ trợ mô phỏng
ANSYS là phần mềm tiên tiến cho phép mô phỏng và kiểm tra các ứng dụng thực tế thông qua phương pháp chia lưới thể tích hữu hạn ANSYS Fluent được sử dụng để giải quyết vấn đề tăng cường truyền nhiệt và phân tích ảnh hưởng của nó đến sự giảm áp suất của chất làm mát.
ANSYS Fluent được phát triển dựa trên các phương trình cơ bản của dòng chất lỏng như Navier-Stokes, Bernoulli và Euler Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập các thông số cần thiết để tính toán hiệu quả ANSYS Fluent hỗ trợ thiết kế mô hình 2D và 3D, đồng thời cho phép chuyển đổi từ các phần mềm khác một cách linh hoạt Nhờ vào đó, người dùng có thể xác định các thông số như vận tốc, nhiệt độ, áp suất, quỹ đạo chuyển động và ảnh hưởng của các biên dạng lên dòng chảy Đồ thị mà ANSYS xuất ra cung cấp thông tin hỗ trợ cả về mặt định tính và định lượng.
ANSYS Design Modeler và ANSYS Meshing là hai mô-đun thiết yếu trong quá trình làm việc với ANSYS Đầu tiên, người dùng sẽ tạo mô hình hình học của đối tượng thông qua ANSYS Design Modeler Sau đó, bước tiếp theo là thực hiện quá trình chia lưới bằng ANSYS Meshing để chuẩn bị cho các phân tích tiếp theo.
Chuyển hình dạng của khối từ phương trình vi phân từng phần phi tuyến tính Navier-Stokes thành các phương trình nhỏ giúp chuyển đổi sang hệ phương trình tuyến tính.
Mô-đun CFD Post là bước cuối cùng trong quy trình mô phỏng với ANSYS, được sử dụng để xử lý và phân tích kết quả của mô phỏng.
Trong bốn mô-đun cần sử dụng cho bài mô phỏng, tất cả đều nằm trong phần mềm ANSYS Mechanical Workbench, thường được gọi tắt là WB Phiên bản hiện tại được sử dụng cho mô phỏng là Workbench 19.2, nổi bật với dung lượng nhẹ và giao diện đơn giản, mang đến nhiều lựa chọn cho người dùng.
Hình 3.5 Giao diện của ANSYS Workbench 19.2
Trong giao diện ANSYS Workbench 19.2 có nhiều lựa chọn khác nhau như Design Assessment, Electric, Fluid flow (Fluent), Transient Thermal,…
Phần mềm Fluid Flow (fluent) hiện đang được chú trọng để mô phỏng dòng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống.
Hình 3.6 Giao diện của Fluid Flow (fluent)
Giao diện phần mềm được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, cho phép người dùng thực hiện quy trình mô phỏng một cách hiệu quả Đầu tiên, người dùng cần tạo khối Geometry, có thể thực hiện trực tiếp trên giao diện Workbench hoặc nhập mô hình đã tạo từ các phần mềm khác như SolidWorks.
Hình 3.7 Giao diện của Geometry Design Modeler
Geometry cho phép người dùng tạo mô hình 3D trên ba mặt phẳng: XY-Plane, ZX-Plane và YZ-Plane Giao diện của Geometry được thiết kế đơn giản với các lệnh được minh họa bằng hình ảnh trực quan, giúp người dùng dễ dàng sử dụng Tuy nhiên, một nhược điểm là không hỗ trợ chức năng Undo và Redo trong một số trường hợp, buộc người dùng phải xóa và tạo lại khối nếu cần chỉnh sửa.
Sau khi hoàn thành việc tạo hình học trên giao diện Workbench, bước tiếp theo là tạo lưới Mesh Giao diện Mesh cũng được thiết kế tối ưu để dễ dàng sử dụng cho người dùng, tương tự như giao diện Geometry.
Để tạo lưới Mesh trong ANSYS, trước tiên cần tạo hoặc nhập geometry từ phần mềm khác Mặc dù có thể sử dụng mô-đun ICEM CFD để tạo lưới, việc thực hiện trực tiếp trên màn hình chính của Workbench sẽ đơn giản hơn.
Hình 3.9 Lưới được chia trên Workbench
Phần Setup và Solution cho phép điều chỉnh và nhập các thông số liên quan đến hình học như chất liệu, vận tốc, nhiệt độ, và cung cấp kết quả số liệu sau khi thực hiện mô phỏng.
Hình 3.10 Giao diện của Fluent Launcher khi mở Setup
Trong giao diện chính của phần Setup, có một số yếu tố quan trọng cần chú ý, bao gồm phần general để thiết lập thông số và phương pháp mô phỏng, cùng với lệnh model giúp xác định và lựa chọn bài toán cho mô phỏng, chẳng hạn như laminar hay k-epsilon.
- 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
- Mục Boundary Condition thiết lập các thông số đầu vào và ra của dòng chất lỏng
Hình 3.11 Giao diện chính khi thực hiện Setup
Mục Solution cung cấp các lựa chọn về phương pháp tính toán và thiết lập, đồng thời trình bày kết quả số học sau khi hoàn tất quá trình tính toán.
Hình 3.12 Giao diện của mục Solution
Phần cuối cùng là kết quả được tạo ra trên phần mềm CFD POST, nơi trình bày kết quả sau khi giải quyết các vấn đề, bao gồm hình ảnh mô phỏng hoàn chỉnh về nhiệt độ, vận tốc, cùng với việc xuất số liệu dưới dạng số và biểu đồ.
Hình 3.13 Giao diện chính của CFD POST
Các bước thực hiện mô phỏng
Các bước mô phỏng cơ bản bao gồm các bước sau:
- Bước 1: Tạo dựng mô hình và xử lí hình học được làm trên phần mềm solid work, work bench và một số phần mêm khác
- Bước 2: Thực hiện chia lưới tùy theo người dung lựa chọn chia lưới có cấu trúc hoặc không có cấu trúc
- Bước 3: Thiết lập thông số của mô hình và phương pháp giải
Bước 5: Kiểm tra hội tụ của lưới Nếu lưới không hội tụ, cần phải chia lại lưới để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác, tránh sai số lớn so với thực tế.
Bước 6: Sau khi kiểm tra lưới hội tụ, tiến hành mô phỏng các trường hợp khác nhau, xử lý kết quả và lập báo cáo kết quả mô phỏng.
Các phương trình điều khiển
Các phương trình toán học mô tả chuyển động chất lỏng đã phát triển trong hai thế kỷ, bắt đầu với phương trình Euler vào năm 1756–1757, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn năng lượng, khối lượng và động lượng Tiếp theo, phương trình Navier – Stokes được phát triển để mô tả chuyển động chất lỏng dựa trên ứng suất căng, kết hợp với phương trình Euler Đây là công thức toán học của các định luật bảo toàn trong động lực học chất lỏng (CFD), quy định sự điều chỉnh của dòng chất lỏng và sự truyền nhiệt Khi áp dụng cho chất lỏng liên tục, các định luật này xác định tốc độ thay đổi của các đặc tính chất lỏng dưới tác động của các lực bên ngoài.
Phương trình Navier-Stokes được phát triển dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng cho một thể tích nhất định Bằng cách áp dụng các nguyên tắc này, chúng ta có thể suy ra phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng.
44 Định luật bảo toàn khối lượng (tính liên tục), phát biểu rằng khối lượng chảy vào và thoát ra một sản phẩm chất lỏng phải bằng nhau [26]
- 𝜌 là khối lượng riêng, kg/m 3
- 𝜐 là thành phần vận tốc, m/s
Định luật bảo toàn động lượng, hay còn gọi là định luật chuyển động thứ hai của Newton, khẳng định rằng tổng lực ngoại tác động lên một hạt chất lỏng tương đương với sự thay đổi động lượng tuyến tính của hạt đó.
- j là chỉ số tọa độ Descartes, m
- 𝜇 là hệ số nhớt động lực học, N.s/m 2
- g là gia tốc trọng trường, m/s 2
Kết hợp các phương trình theo các phương x,y,z ta được dạng phương trình Navier- Stokes tổng hợp:
Sử dụng độ nhớt động học 𝑣 = 𝜇/𝜌, phương trình trở thành:
Phương trình 𝜕 𝑡 (𝜌𝑒) + ∇ [(𝜌𝑒 + 𝑝)𝜐⃗] = ∇ [𝑘 𝑒𝑓𝑓 𝛻𝑇 − ∑ 𝑗 ℎ 𝑗 𝐽⃗ 𝑗 + (𝜏⃗ 𝑒𝑓𝑓 𝜐⃗)] mô tả sự thay đổi năng lượng bên trong một đơn vị khối lượng theo thời gian Trong đó, 𝑡 là thời gian, 𝜌 là khối lượng riêng, 𝜐⃗ là vận tốc dòng chảy, 𝑝 là áp suất lưu chất, và 𝑒 là năng lượng nội tại Các yếu tố khác bao gồm lực thể tích 𝑓⃗, hệ số dẫn nhiệt 𝑘 𝑒𝑓𝑓, entanpy của chất 𝑗 (ℎ 𝑗), dòng khuếch tán của các chất 𝑗 (𝐽⃗ 𝑗), và ứng suất kéo Reynolds (𝜏⃗ 𝑒𝑓𝑓).
Phương pháp chia lưới
Mục đích của việc chia lưới trong mô phỏng phương trình Navier - Stokes là chuyển đổi phương trình vi phân toàn phần phi tuyến thành hệ phương trình tuyến tính, nhằm giải quyết vấn đề mà hiện nay vẫn chưa có lời giải và nằm trong danh sách các bài toán thiên niên kỷ Việc chia lưới đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình mô phỏng, vì để đạt được kết quả chính xác, lưới cần phải đủ tinh vi để nắm bắt được các chuyển động của dòng chảy.
Chất lượng lưới (mesh quality) là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả của lưới trong quá trình mô phỏng, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích Một lưới chất lượng tốt giúp người dùng tiết kiệm thời gian bằng cách giảm thiểu việc chạy nhiều lưới khác nhau, đồng thời nâng cao độ chính xác trong dự đoán nhờ vào việc chia lưới chính xác hơn Các thông số đại diện cho chất lượng lưới bao gồm Smoothness, Skewness và Aspect Ratio Trong đó, Smoothness đề cập đến độ mượt của lưới; lưới chất lượng cao cần có sự thay đổi kích thước mượt mà từ ô này sang ô khác, tránh sự chênh lệch đột ngột và đảm bảo sự chuyển đổi kích thước diễn ra từ từ.
Hình 3.14 Lưới mịn và lưới không có độ mịn [28]
Khi so sánh các lưới ở phần chuyển tiếp, có sự thay đổi kích thước khác nhau nhưng dần dần trở nên tương đồng Việc chia lưới trong toán học nhằm chuyển phương trình vi phân toàn phần phi tuyến, như phương trình Navier-Stokes, sang hệ phương trình tuyến tính Sự khác biệt về kích thước lưới sẽ gây khó khăn trong quá trình tính toán và mô phỏng phần mềm.
Tỷ lệ khung hình, hay còn gọi là aspect ratio, là tỷ số giữa độ dài cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của một mặt hoặc ô Nó áp dụng cho các hình dạng như tam giác, tứ diện, hình chữ nhật và lục diện, với cách xác định khác nhau cho từng loại Tỷ lệ khung hình cũng giúp đánh giá mức độ gần lý tưởng của một mặt hoặc ô.
Độ xiên (Skewness) là một trong những thước đo chất lượng chính của lưới, phản ánh mức độ của lưới so với mức lý tưởng Những hình chữ nhật và hình tam giác cân thường có chỉ số Skewness tốt, trong khi các hình dạng bị xiên vẹo như hình bình hành và hình tam giác không cân có chỉ số Skewness cao.
Hình 3.15 Các dạng lưới có độ xiên khác nhau [29]
3.5.2 Lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc
Lưới có cấu trúc với độ chính xác cao cho phép tự quản lý, bao gồm tám điểm góc nút trong ba chiều và có kết nối đều đặn Mỗi đối tượng trong lưới được xác định bởi một vectơ chỉ số duy nhất (i, j, k), thể hiện tọa độ trong hệ tọa độ toàn khối Các đối tượng lân cận được xác định bằng cách điều chỉnh một trong ba chỉ số, giúp dễ dàng xác định các vùng lân cận của mỗi ô thông qua các vectơ vị trí liền kề.
Hình 3.16 Chia lưới cấu trúc theo các trục [30]
Lưới có cấu trúc được tạo thành từ các khối với vị trí rõ ràng, mang lại sự đơn giản và hiệu quả trong quá trình mô phỏng Chất lượng của lưới cấu trúc thường cao hơn, giúp các bước tính toán trở nên chính xác hơn Tuy nhiên, việc sử dụng lưới cấu trúc tiêu tốn nhiều tài nguyên máy tính và thời gian xử lý kết quả lâu hơn so với lưới không có cấu trúc.
Hình 3.17 Lưới có cấu trúc và không có cấu trúc [31]
- Lưới không có cấu trúc:
Lưới không có cấu trúc là loại lưới mà các vị trí khớp nối giữa các phần tử không được kết nối chính xác Thông thường, các phần tử trong lưới này được tạo thành từ các hình tứ diện Đặc điểm nổi bật của lưới không có cấu trúc là sự kết nối không đều giữa các phần tử.
Có 49 cấu trúc kết nối dựa trên cạnh, mặt hoặc ô, cho phép một nút trong ô kết nối với nhiều nút lân cận Số lượng nút kết nối này vượt xa lưới cấu trúc, dẫn đến sự thay đổi hình dạng của các phần tử và ảnh hưởng đến các chỉ số như độ mịn, độ nghiêng và tỷ lệ khía cạnh, từ đó tạo ra các phụ thuộc kết nối phức tạp.
Mắt lưới phi cấu trúc chủ yếu được tự động hóa, dễ tạo ra và thường là lựa chọn duy nhất khả thi trong nhiều trường hợp Một trong những ưu điểm chính của lưới không cấu trúc là khả năng tạo ra dễ dàng Trong ngành công nghiệp, khi CFD ngày càng được sử dụng phổ biến, người ta nhận thấy rằng khoảng 80% thời gian của con người dành cho việc giải quyết các vấn đề động lực học chất lỏng liên quan đến việc tạo ra lưới Thêm vào đó, khoảng 80% lỗi mô phỏng xuất phát từ lưới kém chất lượng, trong khi lưới không cấu trúc thường khó hội tụ hơn nhiều so với lưới có cấu trúc.
Hình 3.18 Lưới không cấu trúc [31]
Trong nghiên cứu này, việc chọn lưới không cấu trúc cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống phức tạp sẽ giúp đơn giản hóa quá trình chia lưới.
Phương pháp CFD
Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là những khái niệm quan trọng thường gặp trong tài liệu về động lực học chất lỏng tính toán (CFD) Những phương pháp này đóng vai trò then chốt trong việc giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến dòng chảy và truyền nhiệt.
Trong lĩnh vực CFD, các phương pháp chính được sử dụng bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Mặc dù còn nhiều phương pháp khác, bài viết này sẽ tập trung vào ba phương pháp chủ yếu này.
3.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn - FEM
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật số gần đúng, được sử dụng để giải quyết các bài toán mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng Phương pháp này có khả năng áp dụng cho các miền xác định với hình dạng và điều kiện biên đa dạng, đặc biệt trong những trường hợp mà nghiệm chính xác không thể tìm thấy thông qua phương pháp giải tích.
Hình 3.19 Một kết quả của phương pháp phần tử hữu hạn [32]
Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa miền xác định của bài toán bằng cách chia thành nhiều miền con, gọi là phần tử Các phần tử này được kết nối tại các điểm nút chung Trong mỗi phần tử, nghiệm được chọn là một hàm số xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút, được gọi là hàm xấp xỉ, nhằm thỏa mãn điều kiện cân bằng của phần tử.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật toán học hiệu quả để giải gần đúng các bài toán liên quan đến phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân, như trong trường hợp phương trình truyền.
Lời giải gần đúng cho các vấn đề về nhiệt độ được đưa ra bằng cách loại bỏ hoàn toàn phương trình vi phân, đặc biệt là trong các trạng thái ổn định Ngoài ra, phương trình vi phân từng phần có thể được chuyển đổi thành một phương trình vi phân thường tương đương, sau đó được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ quan trọng trong cơ học, giúp xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể Bên cạnh đó, phương pháp này cũng được ứng dụng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, đặc biệt trong lĩnh vực vật lý plasma, truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và trường điện từ.
Nhiều chuyên ngành trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, như hàng không, cơ khí và ô tô, thường áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong thiết kế và phát triển sản phẩm Các phần mềm FEM hiện đại tích hợp nhiều thành phần như môi trường nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc Trong mô phỏng cấu trúc, FEM đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa độ cứng, ứng suất, đồng thời giảm thiểu trọng lượng, vật liệu và chi phí.
Hình 3.20 Một số ứng dụng của FEM trong vật liệu tổng hợp ngành hàng không [33]
3.6.2 Phương pháp sai phân hữu hạn – FDM
Trong toán học, phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) là một kỹ thuật số được sử dụng để giải các phương trình vi phân Phương pháp này hoạt động bằng cách xấp xỉ các phương trình vi phân thông qua các phương pháp số, giúp tìm ra nghiệm gần đúng cho các bài toán phức tạp.
52 trình sai khác, trong đó các khác biệt hữu hạn xấp xỉ các đạo hàm FDM là phương pháp rời rạc [34]
Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) chuyển đổi các phương trình vi phân thông thường (ODE) và phương trình đạo hàm riêng (PDE), bao gồm cả phi tuyến tính, thành hệ phương trình tuyến tính có thể giải bằng kỹ thuật đại số ma trận Sự phát triển của máy tính hiện đại cho phép thực hiện các phép tính đại số tuyến tính này một cách hiệu quả, đồng thời tính dễ thực hiện của FDM đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi trong phân tích số hiện đại.
Phương pháp FDM (Phương pháp sai phân hữu hạn) là một trong những giải pháp số phổ biến nhất cho các phương trình vi phân riêng (PDE), bên cạnh các phương pháp phần tử hữu hạn Để áp dụng FDM, trước tiên cần hiểu rõ về sơ đồ sai phân Giả sử hàm số f(x) liên tục trên miền D, ta sẽ chia miền này thành các đoạn có độ dài h Bằng cách khai triển chuỗi Taylor của hàm f(x) tại điểm xi, ta có thể xây dựng các phương trình sai phân để giải quyết vấn đề.
Trong tính toán bằng phương pháp số ta xấp xỉ nghiệm cần tìm bằng nghiệm gần đúng
Để tính 𝑓 ′ (𝑥 𝑖 ) với độ chính xác cao, có thể áp dụng công thức khai triển Taylor gần đúng Trong trường hợp này, giá trị của h có thể là bất kỳ số nào khác 0, với |ℎ| = 𝑑 > 0, từ đó ta có thể rút ra nhiều khả năng khác nhau từ công thức trên.
Để dễ hình dung, người ta thường sử dụng sơ đồ hình tượng để ghi nhớ công thức Theo công thức (4.1), ta vẽ điểm 𝑥 𝑖 và 𝑥 𝑖 + 𝑑 để nhớ rằng khi tính 𝑓 ′ (𝑥 𝑖 ), cần sử dụng giá trị của 𝑓(𝑥) tại hai điểm này Tương tự, với công thức (4.2), ta có hình biểu diễn điểm 𝑥 𝑖 và điểm 𝑥 𝑖 − 𝑑.
Hình 3.21 Sơ đồ sai phân hình tượng [35]
Sơ đồ sai phân được hiểu nôm na như vậy
Phương pháp sai phân hữu hạn áp dụng sơ đồ sai phân để xấp xỉ các toán tử như toán tử đạo hàm riêng và toán tử tích phân, nhằm giải quyết các phương trình mà không cần xem xét các đặc tính vật lý của mô hình.
Ý tưởng của hai phương pháp trên:
FDM (Phương pháp Phân giải Phân đoạn) là phương pháp xấp xỉ phương trình, trong đó các thành phần của phương trình gốc được biến đổi thành một phương trình mới tương tự để giải nghiệm Ngược lại, FEM (Phương pháp Phần tử Hữu hạn) là phương pháp xấp xỉ nghiệm, giữ nguyên các đại lượng của phương trình gốc nhưng làm việc với nghiệm xấp xỉ của nghiệm gốc.
3.6.3 Phương pháp thể tích hữu hạn – FVM
Phương pháp giải
Lựa chọn một trong hai phương pháp giải (Solve) là Pressure hoặc Density:
- Density là phương pháp giải dựa trên mật độ
- Pressure là phương pháp giải dựa trên áp suất
Các phương pháp dựa trên áp suất ban đầu đã được phát triển cho các dòng chảy không nén nhưng sau đó được mở rộng để giải quyết nhiều điều kiện dòng chảy khác nhau, bao gồm cả các dòng tốc độ có thể nén Ngược lại, phương pháp dựa trên mật độ, bắt nguồn từ ngành hàng không, chủ yếu được sử dụng để mô phỏng các dòng chảy có thể nén, đặc biệt trong các ứng dụng khí động học và mô phỏng dòng chuyển động siêu âm.
Hiện nay, cả bộ giải Pressure và Density đã được cải thiện để xử lý dòng nén và không nén Tuy nhiên, khi giải quyết bài toán liên quan đến chất lỏng, nên ưu tiên phương pháp Pressure Ngược lại, đối với dòng khí động lực học, phương pháp Density là lựa chọn tốt hơn Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn phương pháp Pressure để giải quyết bài toán chất lỏng.
Mô hình rối
Đối với mô phỏng chúng ta có 3 phương pháp có thể dùng đó là DNS (Direct Numerical Simulation), LES (Large Eddy Simulation) và RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes):
DNS (Direct Numerical Simulation) là phương pháp mô phỏng số trực tiếp với độ chính xác cao nhất trong CFD, không cần mô hình nhiễu loạn Để sử dụng DNS, cần có lưới rất tốt và ước lượng bước thời gian cực nhỏ để đạt giải pháp chính xác Việc xây dựng lưới tối ưu là thách thức, ngay cả với các mô hình đơn giản và hệ số Reynolds thấp, đòi hỏi máy tính mạnh mẽ và dung lượng lưu trữ lớn Tài nguyên tính toán cần thiết cho DNS thường vượt quá khả năng của các máy tính hiện có.
Mô phỏng xoáy lớn (LES) là một mô hình toán học quan trọng trong tính toán động lực học chất lỏng, được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật như khí đốt, âm học và mô phỏng lớp ranh giới khí quyển So với mô hình DNS, LES giúp giảm chi phí thực hiện mô phỏng bằng cách tập trung vào các thang đo lớn và trung bình của thời gian và không gian, trong khi bỏ qua các thang đo nhỏ hơn Phương pháp này chỉ lấy những xoáy lớn và yêu cầu chia lưới đủ tốt, cho phép đạt được độ chính xác cao trong kết quả mô phỏng.
Phương trình Navier-Stokes trung bình (RANS) là công cụ quan trọng để mô phỏng chuyển động của dòng chất lỏng theo thời gian Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tính toán để mô hình hóa dòng chảy rối Do đó, chúng tôi quyết định chọn mô hình RANS cho bài mô phỏng này.
Phương pháp này có độ chính xác kém hơn so với hai phương pháp trước, nhưng lại nhanh hơn về tốc độ Các tham số đặc trưng của dòng chảy, bao gồm vận tốc và áp suất tại một điểm, phụ thuộc vào thời gian và được chia thành hai phần: phần trung bình và phần dao động.
Trong phương trình RANS, các thành phần lưu tốc và áp suất trung bình thời gian được ký hiệu là 𝑢̅, 𝑣̅, 𝑤̅, 𝑝̅, trong khi các thành phần lưu tốc và áp suất mạch động xung quanh các giá trị trung bình được ký hiệu là 𝑢′, 𝑣′, 𝑤′, 𝑝′ Sau khi thực hiện các biến đổi, phương trình RANS được trình bày một cách rõ ràng hơn.
- Phương trình động lượng lượng [38]:
Trong đó, 𝜎̅ 𝑦 = 2𝜈𝑆̅ 𝑖𝑗 với 𝑆̅ 𝑖𝑗 là vận tốc biến dạng trung bình 𝑢̅̅̅̅̅̅ 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′ là tensor ứng suất
Trong bối cảnh hiện tại, phương pháp RANS được sử dụng phổ biến trong nhiều bài báo mô phỏng CFD, mặc dù có độ chính xác thấp hơn so với hai phương pháp khác Tuy nhiên, RANS yêu cầu ít tài nguyên hơn và không đòi hỏi chất lượng thiết bị máy tính cao như phương pháp LES (Large Eddy Simulation) Do đó, chúng tôi quyết định lựa chọn RANS cho quá trình mô phỏng.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
Tạo hình (geomergy)
Bài nghiên cứu này dựa trên mô hình từ báo cáo liên quan [17] và sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống với 6 tấm chắn đơn, có độ hở 40% Bó ống gồm 7 ống thẳng, trong đó nước nóng vào vỏ từ một phía và nước lạnh vào các ống theo hướng ngược lại Các ống được sắp xếp theo hình lục giác đều, với cấu trúc đơn giản hóa như hình 4.1 Mô hình ba chiều được xây dựng bằng mô-đun Design Modeler trong ANSYS Workbench, được chia thành sáu phần: đầu vào, đầu ra, thành, vỏ, chất lỏng và các tấm chắn, như thể hiện trong hình 4.1.
Hình 4.1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống
Các thông số kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống sử dụng trong mô phỏng được ghi lại trong bảng 4.1 bên dưới
Bảng 4.1 Thông số kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt
Số thứ tự Mô tả Giá trị Đơn vị
1 Độ dài của vỏ, 𝐿 𝑠 600 mm
2 Đường kính ngoài vỏ, 𝐷 𝑜𝑠 90 mm
3 Đường kính trong vỏ, 𝐷 𝑖𝑠 86 mm
4 Đường kính ngoài ống, 𝑑 𝑜𝑡 20 mm
5 Đường kính trong ống, 𝑑 𝑖𝑡 16 mm
Dựa trên mô hình ban đầu với các thông số kích thước trong bảng 4.1, chúng tôi sẽ thực hiện các thay đổi như điều chỉnh vận tốc dòng chảy phía vỏ, số lượng tấm chắn và độ hở của các tấm chắn Mục tiêu là khảo sát sự biến thiên của hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất và hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt Những thay đổi này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 5.
Chia lưới (mesh)
4.2.1 Kiểu lưới và không gian chia lưới Đối với mô hình được tạo ra, việc chia lưới được thực hiện với sự trợ giúp của mô-đun Mesh có trong ANSYS, việc tạo ra toàn bộ miền đã được thực hiện bằng cách sử dụng CFD và hình học được chia thành các miền rắn và lỏng.Việc chia lưới miền chất lỏng được thực hiện tốt hơn Toàn bộ mô hình được sử dụng chia lưới lục diện không có cấu trúc, vì nó đòi hỏi ít nỗ lực tính toán hơn
Hình 4.2 Một mặt cắt của lưới được chia 4.2.2 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới
The quality of the mesh significantly impacts the convergence and accuracy of simulation problems To evaluate mesh quality using the finite volume method in Fluent, several metrics are considered, including Element Quality, Aspect Ratio, Jacobian Ratio (MAPDL), Jacobian Ratio (Corner Nodes), Jacobian Ratio (Gauss Points), Warping Factor, Parallel Deviation, Maximum Corner Angle, Skewness, Orthogonal Quality, and Characteristic Length However, Fluent primarily focuses on two key indicators: Orthogonal Quality and Skewness Orthogonal Quality assesses the deviation of mesh elements from standard elements, while Skewness evaluates the angular deviation of mesh elements compared to standard elements The value ranges for Orthogonal Quality and Skewness, as outlined in the Ansys Fluent guidelines, are illustrated in the accompanying figure.
Để đảm bảo hội tụ trong mô phỏng, người dùng cần chia lưới theo yêu cầu của Fluent, với Average Orthogonal Quality lớn hơn 0,1 và Average Skewness nhỏ hơn 0,95 Các chỉ số đánh giá độ hội tụ được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4.2 Các chỉ số đánh giá độ hội tụ của lưới
Dựa vào bảng chỉ số đánh giá chất lượng lưới, ba lưới M1, M2, và M3 đều có chất lượng tốt, cho thấy khả năng hội tụ cao khi chạy mô phỏng Cả ba lưới này đều có chỉ số Average Orthogonal Quality và Average Skewness trong mức rất tốt, đảm bảo khả năng hội tụ nhanh chóng và hiệu quả trong quá trình mô phỏng.
Hình 4.4 Lưới được chia với xấp xỉ 1,6 triệu phần tử
Hình 4.5 Lưới được chia với xấp xỉ 2,3 triệu phần tử
Thiết lập các thông số vật lý
Mô hình được xây dựng bằng mô-đun Design Modeler tại mục 4.1, bảng 4.3 dưới đây sẽ cung cấp thông tin về loại môi chất chảy bên trong thiết bị cùng các thông số liên quan.
Nhiệt độ đầu vào của môi chất được thiết lập với 63 số cụ thể, và cách thiết lập này sẽ được trình bày chi tiết trong phần phụ lục, nơi có thông tin về cài đặt các thông số vật lý cho mô phỏng.
Bảng 4.3 Các thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng
Môi chất chảy phía vỏ Nước
Môi chất chảy trong bó ống Nước
Nhiệt độ đầu vào của môi chất chảy trong bó ống 300K
Nhiệt độ đầu vào của môi chất chảy phía vỏ 450K
Vận tốc đầu vào phía bó ống và phía vỏ 1m/s
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả hội tụ của lưới
Trong chương 4, chúng tôi đã thực hiện chia lưới với số lượng phần tử khác nhau và áp dụng các chỉ số đánh giá chất lượng lưới Kết quả cho thấy lưới M1, M2 và M3 có chất lượng cao hơn so với các lưới khác Sau khi chạy mô phỏng trên ba lưới này, chúng tôi đã thu được một số kết quả nhất định Chúng tôi sẽ tiếp tục xem xét và lựa chọn lưới hội tụ tốt nhất cho mô phỏng, nhằm đạt được kết quả chính xác nhất Các yếu tố như hình dạng vận tốc (profile) của lưu chất trong ống, chỉ số residuals và các vấn đề liên quan sẽ được phân tích kỹ lưỡng.
Xét vận tốc tại 1 điểm bất kỳ có tọa độ (x;y;z) = (0;-0,025;0,55) của dòng lưu chất chảy phía vỏ, vị trí của điểm đó được thể hiện như trong hình 5.1
Hình 5.1 Vị trí xét profile nhiệt độ tại 1 điểm của lưu chất
Hình 5.2 Chỉ số residuals của lưới M1
Hình 5.3 Chỉ số residuals của lưới M2
Hình 5.4 Chỉ số residuals của lưới M3
Trong hình 5.2 và 5.3, chỉ số residuals của lưới M1 và M2 bắt đầu từ vòng lặp 400 trở đi cho thấy xu hướng nằm ngang và giao nhau.
Kết quả mô phỏng cho thấy ba lưới đều có xu hướng hội tụ về chỉ số residuals, với các giá trị dao động quanh vị trí cố định, đặc biệt là vị trí thấp nhất gần 10^-6 Cụ thể, trong hình 5.4, chỉ số residuals của lưới M3 bắt đầu ổn định và nằm ngang từ vòng lặp 400 trở đi, cho thấy sự cải thiện đáng kể trong quá trình mô phỏng.
Hình 5.5 Profile nhiệt độ của 3 lưới
Trong hình 5.5, các profile vận tốc của các lưới có hình dạng tương tự, gây khó khăn trong việc so sánh Do đó, chúng ta cần gộp các hình dạng vận tốc lại với nhau để tiến hành so sánh và chọn lưới có hình dạng vận tốc gần giống nhất Cách làm này sẽ nâng cao độ chính xác của kết quả sau khi mô phỏng.
Hình 5.5 thể hiện các đường vận tốc tại 1 điểm bất kỳ của 3 lưới tại vòng lặp 400 đến
Các đường dao động trong nghiên cứu có xu hướng đi ngang và ổn định tại một vị trí cố định Cụ thể, lưới thứ 1 cho kết quả vận tốc khoảng 0,027 m/s, trong khi lưới thứ 2 và lưới thứ 3 dao động quanh vận tốc lần lượt là 0,015 m/s và 0,011 m/s Sự chênh lệch giữa lưới thứ 2 và lưới thứ 3 là khoảng 0,004 m/s, cho thấy sự tương đồng cao và có thể chấp nhận được trong kết quả.
Để đảm bảo kết quả chính xác, cần xem xét vận tốc tại một vùng của dòng lưu chất chảy trong vỏ, với vị trí của điểm này được thể hiện trong hình 5.6.
Hình 5.6 Vị trí xét profile nhiệt độ tại 1 vùng của lưu chất
Hình 5.7 Profile vận tốc của 3 lưới
Hình 5.7 cho thấy lưới M2 và M3 có kết quả tương đồng ở một số vị trí, trong khi lưới M1 lại có sự khác biệt rõ rệt Kết hợp với hình 5.5, chúng ta có thể lựa chọn lưới M2 hoặc M3 cho mô phỏng và tính toán Tuy nhiên, lưới M3 có số lượng phần tử lớn hơn, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều tài nguyên và thời gian khi chạy mô phỏng Do đó, lưới M2 sẽ được ưu tiên để mô phỏng và xuất kết quả cuối cùng, cũng như thực hiện các bước tiếp theo trong trường hợp thay đổi vận tốc và đặc tính của tấm chắn, sẽ được trình bày ở các mục (5.2.3), (5.3) và (5.4).
Kết quả mô phỏng TBTĐN vỏ bọc chùm ống trường hợp 6 tấm chắn
5.2.1 So sánh, đối chiếu kết quả giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng
Kết quả phân tích CFD được xử lý bằng các công cụ có sẵn trong Fluent và CFD Post, với thông tin chi tiết được trình bày trong bảng 5.1 Bảng này cho thấy rằng, với vận tốc đầu vào của dòng lưu chất chảy trong vỏ là 1m/s, các giá trị như nhiệt độ đầu ra, tổn thất áp suất và nhiệt lượng được thu thập trực tiếp từ quá trình chạy CFD.
Bảng 5.1 Kết quả thu được từ mô phỏng
Lưu lượng khối lượng phía ống 𝐺 2
Lưu lượng khối lượng phía vỏ 𝐺 1 (kg/s)
Nhiệt độ đầu ra phía vỏ 𝑡′′ 1 (K)
Nhiệt độ đầu ra phía ống 𝑡′′ 2 (K)
Tổn thất áp suất (Pa)
Dựa trên kết quả từ mô phỏng, chúng tôi sẽ so sánh với kết quả tính toán lý thuyết ở chương 2 và các kết quả mô phỏng trong bài báo liên quan để đánh giá tính hợp lý của nghiên cứu này.
So sánh, đối chiếu kết quả giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng
Trước tiên là sự so sánh với kết quả cùa tính toán cơ lý thuyết ban đầu
Bảng 5.2 Bảng so sánh nhiệt lượng giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng
Tính toán lý thuyết Mô phỏng Sai số
Tổn thất áp suất (Pa) 522 571 8,58%
Nhiệt lượng tính theo phía vỏ (kW) 55,69 55,97 0,5%
Theo bảng 5.2, tổng tổn thất áp suất của dòng chảy trong ống vỏ được tính toán lý thuyết là 522 Pa, dựa trên công thức 2.17 trong chương 2.
Kết quả đo được là 69 phỏng với áp suất 571 Pa, sai số giữa hai kết quả là 8,58%, thấp hơn 10%, cho thấy kết quả này là chấp nhận được Hơn nữa, trong quá trình tính toán lý thuyết, một số điều kiện của chất lỏng và nhiều yếu tố ảnh hưởng khác đã bị bỏ qua, do đó sai số này là không đáng kể.
Bài nghiên cứu này tập trung vào dòng chảy bên trong vỏ, với mọi tính toán nhiệt lượng truyền được dựa trên dòng chảy trong vỏ Theo bảng 5.2, nhiệt lượng truyền được ở phía vỏ theo tính toán là 55,69 kW, trong khi kết quả mô phỏng cho giá trị 55,97 kW, với sai số chỉ 0,5% Hai kết quả này gần giống nhau, và sự tương đồng này có được nhờ việc sử dụng nhiệt độ đầu ra của chất lỏng từ mô phỏng trong tính toán lý thuyết.
Bảng 5.3 Bảng so sánh nhiệt lượng giữa bên ngoài ống và bên trong ống
Nhiệt lượng tính theo bên trong vỏ (kW)
Nhiệt lượng tính theo bên trong ống
Bảng 5.3 trình bày sự so sánh nhiệt lượng giữa hai dòng chảy trong bó ống và bên trong vỏ Tổng nhiệt lượng truyền của thiết bị được tính toán ban đầu ở vỏ là 55,69 kW (theo công thức 2.2) và ở ống là 59,96 kW (theo công thức 2.3) Sai số giữa hai giá trị này là 7,12%, cho thấy sai số nhỏ hơn 10%, điều này chứng tỏ hai kết quả gần nhau và có thể chấp nhận được.
Như vậy, kết luận rằng, kết quả giữa tính toán lí thuyết và mô phỏng là tương đương nhau, cho thấy tính hợp lí của bài làm
So sánh kết quả mô phỏng trong bài làm với kết quả mô phỏng trong bài báo:
Bảng 5.4 Bảng so sánh tổn thất áp suất mô phỏng so với bài báo liên quan
Kết quả của bài báo Mô phỏng Sai số
Tổn thất áp suất (Pa) 343,5 571 39,84%
Kết quả từ bài báo liên quan cho thấy có sự chênh lệch đáng kể với sai số lên đến 39,84% Nguyên nhân chính là do sự khác biệt trong việc chia lưới; bài báo sử dụng 1.473.646 điểm phần tử, trong khi nghiên cứu này chia lưới với 2.214.963 điểm, dẫn đến ảnh hưởng đến kết quả.
5.2.2 Sự phân bố nhiệt độ và vận tốc
Sau khi hoàn thành mô phỏng và thu được kết quả, chúng ta sẽ phân tích sự biến đổi nhiệt độ của lưu chất trong vỏ trong quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị Lưu chất chảy vào vỏ với vận tốc 1m/s.
Hình 5.8 Phân bố nhiệt độ của dòng chảy trong vỏ
Dòng lưu chất chảy trong vỏ là chất lỏng nóng với nhiệt độ đầu vào 450K, khi di chuyển từ bên trái sang bên phải của thiết bị, nhiệt độ sẽ giảm dần.
Chúng ta sẽ tiến hành vẽ một số mặt cắt (hình 5.9) nhằm thể hiện sự phân bố vận tốc và nhiệt độ tại các mặt cắt này Việc này giúp chúng ta dễ dàng quan sát sự thay đổi của nhiệt độ và vận tốc trong quá trình trao đổi nhiệt.
Hình 5.9 Vị trí các mặt cắt dùng để thể hiện phân bố nhiệt độ và vận tốc
Các hình màu đen trong hình 5.9 thể hiện các mặt cắt từ trái sang phải, với hình tròn đầu tiên đánh dấu vị trí dòng chảy đầu vào của thiết bị trao đổi nhiệt Các mặt cắt tiếp theo cách nhau lần lượt 0,03 m, 0,086 m, 0,15 m, 0,3 m và 0,57 m Tại vị trí 0,03 m và 0,57 m, chúng ta có thể quan sát sự phân bố vận tốc và nhiệt độ của chất lỏng nóng cháy ở đầu vào và đầu ra Vị trí 0,086 m cho thấy phân bố ngay tại tấm chắn, trong khi hai vị trí còn lại là hai vị trí bất kỳ, với vị trí cuối cùng nằm ngay đầu ra Bảng 5.5 bên dưới sẽ minh họa rõ hơn về sự phân bố vận tốc và nhiệt độ tại các mặt cắt đã xác định.
Bảng 5.5 Sự phân bố nhiệt độ và vận tốc tại các mặt cắt
Vị trí Vận tốc Nhiệt độ Đầu vào
Dựa vào bảng 5.5, vận tốc và nhiệt độ của dòng lưu chất tại đầu vào là lớn nhất Tại mặt cắt thứ 2, cách đầu vào 0,086m, dòng chảy va chạm với tấm chắn, khiến vận tốc bằng 0 và nhiệt độ ở nửa trên thấp hơn nửa dưới do sự thay đổi hướng dòng chảy Ở vị trí 0,15m, nhiệt độ phân bố khá đồng đều, trong khi tại 0,3m, nhiệt độ cao chủ yếu tập trung ở phía dưới và vận tốc giảm từ dưới lên trên Cuối cùng, vận tốc lớn nhất của dòng lưu chất được ghi nhận tại vòi phun ở đầu ra, nơi nhiệt độ cũng là thấp nhất.
Hình 5.10 dưới đây minh họa đường dòng vận tốc của dòng chảy trong ống vỏ với 6 tấm chắn, trong đó vận tốc đầu vào của dòng chảy là 1m/s Dòng chảy bắt đầu từ phía bên trái và đi ra phía bên phải như thể hiện trong hình.
Hình 5.10 Đường dòng của dòng chảy trong vỏ
Môi chất ở phía vỏ được đưa vào từ vòi phun bên trái, chảy ngang qua bó ống và va vào tấm chắn, làm thay đổi hướng dòng chảy Sau đó, môi chất tiếp tục đi xuống qua phần hở của tấm chắn và chảy dọc theo bó ống, trước khi lại va vào tấm chắn lần nữa, thay đổi hướng dòng theo vuông góc với bó ống Quá trình này lặp đi lặp lại, tạo ra đường dòng của môi chất chảy phía vỏ có hình dạng dích dắc giống như chữ U.
5.2.3 Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc đến đặc tính truyền nhiệt
Chúng ta sẽ sử dụng phần mềm CFD để kiểm tra ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc đầu vào dòng chảy trong vỏ đến quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị vỏ bọc chùm ống Mô hình trước đó của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được áp dụng, trong đó vận tốc đầu vào của dòng chảy phía vỏ sẽ được điều chỉnh với các giá trị 1m/s, 1,5m/s, 2m/s, 2,5m/s và 3m/s, trong khi vận tốc đầu vào của bó ống sẽ giữ nguyên ở mức 1m/s.
Hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất
Khả năng truyền nhiệt của thiết bị được thể hiện qua hệ số truyền nhiệt k theo như trong công thức (2.6) ở chương 2
- 𝑄: Nhiệt lượng truyền được (kW)
- ∆𝑡 𝑚 : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (công thức 2.5)
Kết quả mô phỏng TBTĐN vỏ bọc chùm ống với số tấm chắn khác nhau
Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm CFD để kiểm tra ảnh hưởng của sự thay đổi số lượng và khoảng cách tấm chắn đến quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị vỏ bọc chùm ống Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt trước đó sẽ được áp dụng, với các tấm chắn được sao chép và di chuyển đến vị trí mong muốn Sau khi điều chỉnh khoảng cách giữa các tấm chắn, mô hình sẽ được chia lưới lại theo các tham số đã thiết lập, và các điều kiện biên sẽ được giữ nguyên như ở phần trước Số lượng điểm lưới của mô hình cho từng trường hợp thay đổi được trình bày trong bảng 5.8.
Bảng 5.8 Khoảng cách các tấm chắn và số điểm lưới
Khoảng cách giữa các tấm chắn 86 62 48
Sự phân bố vận tốc
Dưới đây là hình ảnh mô phỏng kết quả về đường dòng vận tốc của chất lỏng lưu động trong vỏ, cho thấy sự thay đổi khoảng cách giữa các tấm chắn ở vận tốc đầu vào cụ thể.
Hình 5.16 Sự phân bố vận tốc trong trường hợp 6 tấm chắn
Hình 5.17 Sự phân bố vận tốc trong trường hợp 8 tấm chắn
Hình 5.18 Sự phân bố vận tốc trong trường hợp 10 tấm chắn
Qua các đường dòng trong hình, dòng chảy chạm tấm chắn và thay đổi hướng Trong trường hợp có 6 tấm chắn, không gian phía sau tấm chắn không được sử dụng hiệu quả so với 2 trường hợp còn lại Điều này cho thấy sự khác biệt trong hiệu quả sử dụng không gian giữa các trường hợp.
Số liệu cho thấy 10 tấm chắn có vận tốc cục bộ cao nhất lần lượt là 1,48 m/s, 1,47 m/s và 1,44 m/s Điều này chứng tỏ rằng việc tăng số lượng tấm chắn sẽ làm giảm vận tốc cục bộ của thiết bị.
Hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất
Khả năng truyền nhiệt của thiết bị được thể hiện qua hệ số truyền nhiệt k (công thức 2.6):
- 𝑄: Nhiệt lượng truyền được, kW
- ∆𝑡 𝑚 : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, K (công thức 2.5)
Việc phân tích và so sánh được thực hiện dựa trên kết quả mô phỏng CFD, với các thông số như nhiệt độ đầu ra, nhiệt lượng và tổn thất áp suất được trích xuất từ quá trình mô phỏng và trình bày rõ ràng trong bảng 5.9.
Bảng 5.9 Các kết quả thu được mô phỏng khi thay đổi số tấm chắn
Nhiệt độ đầu vào phía vỏ
Nhiệt độ đầu ra phía vỏ 𝑡′′ 1 (K)
Nhiệt độ đầu vào phía ống 𝑡′ 2 (K)
Nhiệt độ đầu ra phía ống 𝑡′′ 2 (K)
Tổn thất áp suất theo mô phỏng CFD (Pa)
Hình 5.19 Biểu đồ so sánh tổn thất áp suất và hệ số truyền nhiệt
6 tấm chắn 8 tấm chắn 10 tấm chắn
Tổn thất áp suất phía vỏ (Pa) Hệ số truyền nhiệt(W/m^2.K)
Dựa vào bảng 5.9 và hình 5.19, khi thay đổi số lượng tấm chắn, hệ số truyền nhiệt tăng lên, nhưng tổn thất áp suất ở vỏ cũng gia tăng Việc tăng số lượng tấm chắn từ 6 lên 10 tấm chỉ làm tăng hiệu số truyền nhiệt tương ứng 1,045 và 1,1 lần, trong khi tổn thất áp suất tăng đáng kể 4,36 và 5,42 lần Điều này cho thấy để nâng cao hệ số truyền nhiệt, cần đầu tư một chi phí lớn cho bơm và chi phí vận hành.
Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt
Khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt có thể xác định từ phương trình cân bằng năng lượng:
- 𝑐 𝑝 : Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, bằng 4182 J/(kg.K)
- 𝐺: Lưu lượng khối lượng (kg/s)
ΔT là chênh lệch nhiệt độ (K) trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống với 6,8 và 10 tấm chắn Nhiệt độ đầu vào của dòng chảy ở cả phía ống và phía vỏ không thay đổi khi số lượng tấm chắn thay đổi Nhiệt độ đầu ra của chất lỏng được thu thập từ mô phỏng và trình bày trong bảng 5.10.
Bảng 5.10 Kết quả thu được từ mô phỏng với 6, 8 và 10 tấm chắn
Lưu lượng khối lượng (kg/s)
Chất lỏng chảy trong ống
Chất lỏng chảy ngoài vỏ
Dựa trên các giá trị từ bảng 5.10, chúng tôi sẽ tiến hành tính toán và so sánh hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi số lượng tấm chắn.
Nhiệt lượng truyền được tối đa:
𝑚𝑖𝑛 (𝑡′ 1 − 𝑡′ 2 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 300) = 326.196 𝑊 Nhiệt lượng truyền được của thiết bị trong trường hợp có 6 tấm chắn:
𝑚𝑖𝑛 (𝑡′ 1 − 𝑡′′ 1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 424,39) = 57.024 𝑊 Nhiệt lượng truyền được của thiết bị trong trường hợp có 8 tấm chắn:
𝑚𝑖𝑛 (𝑡′ 1 − 𝑡′′ 1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 423,27) = 58.128 𝑊 Nhiệt lượng truyền được của thiết bị trong trường hợp có 10 tấm chắn:
𝑚𝑖𝑛 (𝑡′ 1 − 𝑡′′ 1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 422,14) = 60.585 𝑊 Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt trong trường hợp có 6 tấm chắn:
Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt trong trường hợp có 8 tấm chắn:
326.196= 0,178 Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt trong trường hợp có 10 tấm chắn:
Hình 5.20 Biểu đồ so sánh hiệu suất truyền khi thay đổi số tấm chắn
Việc tăng số lượng tấm chắn của thiết bị sẽ cải thiện hiệu suất, nhưng đồng thời cũng làm tăng tổn thất áp suất Kết quả cho thấy rằng, mặc dù việc tăng tấm chắn mang lại lợi ích về hiệu suất, chi phí chế tạo thiết bị sẽ tăng lên Hơn nữa, tổn thất áp suất gia tăng sẽ dẫn đến chi phí vận hành cao hơn, yêu cầu bơm có công suất lớn hơn khi số lượng tấm chắn tăng.
5.4 Kết quả mô phỏng TBTĐN vỏ bọc chùm ống với các trường hợp tấm chắn có độ hở khác nhau
Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào ảnh hưởng của phần hở của tấm chắn đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt trước đó sẽ được áp dụng để phân tích vấn đề này.
Số lượng tấm chắn trong mô hình vẫn giữ nguyên là 6, nhưng độ hở của tấm chắn đã được điều chỉnh từ 30% lên 35% và 40% Sau khi thay đổi độ hở, mô hình được chia lưới lại bằng các tham số đã sử dụng trước đó, và các điều kiện biên cũng được áp dụng như trong phần trước.
Hình 5.21 Tấm chắn với độ hở lần lượt là 30%, 35%, 40%
Sự thay đổi nhiệt độ và vận tốc
Các hình dưới đây minh họa sự phân bố nhiệt độ trong một mặt cắt ngang của ống và vỏ, với tốc độ đầu vào của chất lỏng nóng và lạnh là 1m/s.
Hình 5.22 Phân bố nhiệt độ trong trường hợp tấm chắn có độ hở 30%
Hình 5.23 Phân bố nhiệt độ trong trường hợp tấm chắn có độ hở 35%
Hình 5.24 Phân bố nhiệt độ trong trường hợp tấm chắn có độ hở 40%
Các dải nhiệt độ trong các hình ảnh cho thấy sự thay đổi và phân bố nhiệt của dòng chảy bên trong vỏ và trong bó ống Chất lỏng ở vỏ bắt đầu từ đầu phun bên trái, di chuyển ngược chiều với dòng chảy trong ống, và đến đầu phun bên phải, nhiệt độ của nó giảm dần.
Dưới đây là một số hình ảnh minh họa đường đi của chất lỏng lưu động ở phía vỏ khi thay đổi độ hở của các tấm chắn, với vận tốc đầu vào của ống và vỏ được thiết lập là 1 m/s, giúp thể hiện rõ sự tương tác giữa vận tốc dòng chảy và thiết kế của hệ thống.
Hình 5.25 Đường dòng trong trường hợp độ hở của tấm chắn là 30%
Hình 5.26 Đường dòng trong trường hợp độ hở của tấm chắn là 35%
Hình 5.27 Đường dòng trong trường hợp độ hở của tấm chắn là 40%
Khi tăng độ hở của tấm chắn, các đường dòng cho thấy xu hướng chảy ít vuông góc hơn.
Hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất
Tương tự như cách tính ở hai trường hợp thay đổi ở mục 5.3 và 5.4, khả năng truyền nhiệt của thiết bị được thể hiện qua hệ số truyền nhiệt k (công thức 2.6):
- 𝑄: Nhiệt lượng truyền được, kW
- ∆𝑡 𝑚 : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (công thức 2.5)