Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT MÔ PHỎNG SỐ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG VỎ BỌC CHÙM ỐNG GVHD: TS TRẦN THANH TÌNH SVTH: NGUYỄN HỮU MIN LÊ ANH KHOA SKL009412 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: MƠ PHỎNG SỐ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG VỎ BỌC CHÙM ỐNG Sinh viên thực MSSV Nguyễn Hữu Min : 18147207 Lê Anh Khoa : 18147198 Giảng viên hướng dẫn : TS Trần Thanh Tình Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Đã năm trôi qua, kể từ chúng em bước chân vào giảng đường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúng em tiếp thu nhiều kiến thức chuyên ngành, kĩ mềm, học hỏi nhiều qua nhiệt tình đầy tâm huyết giảng viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vì vậy, chúng em xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô thực công tác giảng dạy trường đặc biệt thầy cô môn Công nghê ̣ Kĩ thuật Nhiê ̣t – Điê ̣n lạnh, khoa Cơ khí Động Những mà chúng em học hành trang quý báu để chúng em gặt hái thành công sau trường Tiếp đến, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Thanh Tình, thầy định hướng đề tài, trực tiếp hướng dẫn, dạy chúng rấ t tận tình bổ sung cho chúng em lượng kiến thức chuyên ngành mà chúng em cịn yếu Người khơng ngần ngại bỏ thời gian công sức để giải đáp, đưa giải pháp để chúng em có thể tiếp tục hoàn thành đồ án tốt nghiê ̣p Kiến thức vô hạn mà tiếp thu người có hạn, q trình thực đề tài tốt nghiệp không tránh khỏi thiếu sót Chúng em rấ t mong sự bảo, góp ý tận tình từ q thầy Cuối cùng, chúng em xin chúc quý thầy cô nhiều sức khoẻ, hạnh phúc thành công đường giảng dạy Chúng em xin chân thành cảm ơn ! i TÓM TẮT Đề tài thực luận án tốt nghiệp “Mô số thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống” Nội dung luận án gồm phần: Tổng quan, Cơ sở lý thuyết, Phương pháp mô CFD, Xây dựng mơ hình mơ phỏng, Kết mơ phỏng, Kết luận Nghiên cứu thực khảo sát trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ bọc chùm ống Phương pháp mô số sử dụng cho thiết bị đổi nhiệt để mô trao đổi nhiệt dòng chảy lạnh chảy bó ống dịng chảy nóng chảy ngồi bó ống với vận tốc ban đầu 1m/s Sau thay đổi tăng dần vận tốc, thay đổi số lượng chắn giảm độ hở chắn để khảo sát tăng giảm hệ số trao đổi nhiệt hiệu suất truyền nhiệt thiết bị Q trình khảo sát đặc tính truyền nhiệt thực phần mềm mơ động lực học tính toán lưu chất ANSYS Phương pháp dựa định luật bảo toàn động lượng, khối lượng lượng Kết mô số thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống phần mềm ANSYS cho thấy độ tin cậy xác cao Kết mô tăng lên hệ số truyền nhiệt thực thay đổi nêu trên, đồng thời làm tăng tổn thất áp suất thiết bị Ngoài ra, kết mơ cịn thể so sánh nhiệt đầu hai dịng chảy ống ngồi ống trường hợp thay đổi vận tốc, số lượng độ hở chắn ii vỏ không đổi Nhiệt độ đầu lấy từ kết mơ trình bày bảng 5.12 Bảng 5.12 Kết thu từ mô với phần cắt chắn khác Nhiệt độ đầu (K) Lưu lượng - khối lượng (kg/s) Nhiệt độ đầu vào 20% 25% 30% 35% 40% (K) Chất lỏng chảy 1,38 450 419,28 420,67 421,99 423,48 424,39 0,52 300 311,88 311,78 311,28 310,48 310,39 bó ống Chất lỏng chảy phía vỏ Từ giá trị có bảng 5.12, ta tiếp tục tính tốn so sánh hiệu suất trao đổi nhiệt trường hợp thay đổi độ hở chắn Nhiệt lượng truyền tối đa: 𝑄𝑚𝑎𝑥 = (𝐺 𝑐𝑝 )𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′2 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 300) = 326.196 W Nhiệt lượng truyền thiết bị trường hợp độ hở chắn 20%: 𝑄1 = (𝐺 𝑐𝑝 )𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′′1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 419,28) = 66.804 W Nhiệt lượng truyền thiết bị trường hợp độ hở chắn 25%: 𝑄2 = (𝐺 𝑐𝑝 )𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′′1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 420,67) = 63.782 W Nhiệt lượng truyền thiết bị trường hợp độ hở chắn 30%: 95 𝑄3 = (𝐺 𝑐𝑝 ) 𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′′1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 421,99) = 60.911 W Nhiệt lượng truyền thiết bị trường hợp độ hở chắn 35%: 𝑄4 = (𝐺 𝑐𝑝 )𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′′1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 423,48) = 57.671 W Nhiệt lượng truyền thiết bị trường hợp độ hở chắn 40%: 𝑄5 = (𝐺 𝑐𝑝 ) 𝑚𝑖𝑛 (𝑡′1 − 𝑡′′1 ) = 0,52 × 4182 × (450 − 424,39) = 57.024 W Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt với độ hở chắn 20%: 𝜀1 = 𝑄1 66.804 = = 0,205 𝑄𝑚𝑎𝑥 326.196 Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt với độ hở chắn 25%: 𝜀2 = 𝑄2 63.782 = = 0,196 𝑄𝑚𝑎𝑥 326.196 Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt với độ hở chắn 30%: 𝜀3 = 𝑄3 60.911 = = 0,187 𝑄𝑚𝑎𝑥 326.196 Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt với độ hở chắn 35%: 𝜀4 = 𝑄4 57.671 = = 0,177 𝑄𝑚𝑎𝑥 326.196 Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt với độ hở chắn 40%: 𝜀5 = 𝑄5 57.024 = = 0,175 𝑄𝑚𝑎𝑥 326.196 96 Hình 5.30 Biểu đồ so sánh hiệu suất ứng với độ hở chắn Nhìn biểu đồ so sánh hiệu suất ứng với độ hở chắn (hình 5.30), thấy việc tăng tỉ lệ cắt chắn thiết bị hiệu suất thiết bị giảm đồng thời tổn thất áp suất giảm Kết cho thấy muốn cải thiện hiệu suất thiết bị việc giảm độ hở chắn mang lại lợi ích, nhiên kéo theo chi phí chế tạo thiết bị tăng, đồng thời tổn thất áp suất tăng làm gia tăng chi phí vận hành chi phí thiết bị 97 CHƯƠNG KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Mục đích đề tài nghiên cứu mô thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống với lưu chất nước chảy ống nước nóng chảy ngồi vỏ, với lưu động thiết bị ngược chiều từ tìm hiểu ảnh hưởng vận tốc đầu vào lưu chất ảnh hưởng việc thay đổi số lượng chắn đến thiết bị Các kết thu luận văn sau: - Trên sở số liệu lấy từ báo khoa học, đồ án xây dựng mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt vỏ bọc chùm ống phần mềm Ansys Design Modeler - Dựa số liệu từ báo, đồ án thiết lập thơng số vật lý cho mơ hình dùng q trình mơ - Đồ án có số kết định mô trình truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt vỏ bọc chùm ống - Đồ án thực việc tính tốn dựa theo cơng thức có sẵn so sánh với kết mô - Đồ án xác định ảnh hưởng việc tăng vận tốc đầu vào lưu chất làm tăng nhiệt lượng, hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất làm giảm hiệu suất thiết bị - Đồ án xác định ảnh hưởng việc tăng số lượng chắn giảm độ hở chắn giúp tăng hiệu suất, hệ số truyền nhiệt, nhiệt lượng trao đổi thiết bị, nhiên làm tăng tổn thất áp suất thiết bị 6.2 Kiến nghị Trong thời gian thực đồ án tốt nghiệp, đồ án nghiên cứu tốn mơ q trình truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt vỏ bọc chùm ống, đưa số kết ảnh hưởng vận tốc đầu vào chắn đến thiết bị trao đổi nhiệt Tuy nhiên, kết dừng lại mô so sánh với kết báo, chưa 98 có kết đo thực tế để so sánh đối chiếu Và hạn chế mặt thời gian sở vật chất nên đồ án chưa tiến hành nhiều trường hợp khác thay đổi góc lệch chắn, thay đổi hình dạng chắn,…và tối ưu hóa tốn Do vậy, để có kết tốt hơn, chúng em cần phải cố gắng 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/ [2] https://toc.123docz.net/document/96667-uu-va-nhuoc-diem-cua-phuong-phapnghien-cuu-thuc-nghiem.htm [3] https://apolytech.com/wp-content/uploads/2020/02/Thiet-Bi-Trao-Doi-Nhiet-VaNhung-Ung-Dung-Va-Phan-Loai-4.jpg [4] https://www.yellowpages.vn/cls/488974/thiet-bi-trao-doi-nhiet dang-ong-tam-chum.html [5] https://thaikhuongpump.com/thiet-bi-trao-doi-nhiet/ [6] Bùi Hải, Dương Đức Hồng Hà Mạnh Thư, “Thiết bị trao đổi nhiệt”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2001 [7] https://hoangbach.vn/temp/-uploaded-San-pham-Dan-trao-doi-nhiet_hoang-bachDan-ngung-giai-nhiet-bang-khong-khi-1_thumb_1200x1200.png [8] https://heatexchanger.vn/wp-content/uploads/2021/04/Plate-Heat-Exchanger.png [9] https://nangluongsachvietnam.vn/userfile/User/dangthai/images/noi%20dia%.jpg [10] https://1.bp.blogspot.com/-tDXXrTxcgE/W3qsDqWnFyI/AAAAAAAAa9I/dBFjKy77SgEhU_Levy9VA5PWFqr1 EuMJQCLcBGAs/s1600/4%2B%25281%2529.png [11] http://www.mechanicalbooster.com/wp-content/uploads/2013/10/direct-contact-heatexchanger.png [12] https://titania.com.vn/tim-hieu-cac-ung-dung-cua-thiet-bi-trao-doi-nhiet/ [13] https://athenatech.com.vn/thiet-bi-trao-doi-nhiet-dang-ong-long-vo/ [14] https://athenatech.com.vn/thiet-bi-trao-doi-nhiet-dang-ong-chum-va-ung-dung-trongcong-nghiep/ 100 [15] Hồng Đình Tín, “Cơ sở Truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt”, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2013 [16] https://thaikhuongpump.com/thiet-bi-trao-doi-nhiet/thiet-bi-trao-doi-nhiet-dang-ongchum/ [17] https://doi.org/10.1515/cppm-2020-0033 [18] Sadik Kakac, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkị, “Heat exchangers – Selection, Rating and Thermal Design”, Third Edition [19] Trần Thanh Tình, Slide giảng “Cơ học lưu chất ứng dụng” – chương [20] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/ [21] https://adtsystems.vn/cung-tim-hieu-ve-mo-phong-cfd/ [22] https://www.thinkfast.com.vn/2020/07/toi-uu-hoa-bien-dang-canh-may-baykhong.html [23] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/ [24] https://www.cfd-engineer.com/news/Nhung-ung-dung-cua-CFD-trong-BuildingHVAC [25] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/ [26] Nguyễn Xuân Viên, Nguyễn Trang Doanh Đoàn Minh Hùng, "Nghiên cứu mơ q trình truyền nhiệt 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 [27] https://romeo.univ-reims.fr/documents/fluent/tgrid/ug/chp15.pdf [28] https://romeo.univ-reims.fr/documents/fluent/tgrid/ug/chp15.pdf [29] https://romeo.univ-reims.fr/documents/fluent/tgrid/ug/chp15.pdf [30] https://cfdisrael.blog/2019/02/01/know-thy-mesh-mesh-quality-part-i/ [31] https://onscale.com/wp-content/uploads/2020/04/structured-unstructured.png 101 [32] https://123.design/wp-content/uploads/2019/11/fan_blade-1024x581.png [33] https://advancecad.edu.vn/phuong-phap-phan-tu-huu-han-fem/ [34] https://mimirbook.com/vi/9492b34d0d1 [35] https://vncfdgroup.files.wordpress.com/2013/04/cc3a1c-phc6b0c6a1ng-phc3a1pcfd.pdf?fbclid=IwAR0P9FpVSOm69Ksk_HBKe5T7oGzz2uoNk0ZGOZ3rDmcuAie6sn3y9J4I0s [36] https://wivi.wiki/wiki/Finite_volume_method [37] Blazek, “Computational fluid dynamics”, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 1GB, UK, Elsevier, 2005 [38] Nguyễn Cơng Thành, “Ứng dụng mơ hình dịng chảy rối tính tốn dịng chảy tự qua đập tràn”, Tạp Chí Khoa Học Kỹ Thuật Thủy Lợi Và Mơi Trường - Số 43, pp 27-34, 2013 102 PHỤ LỤC: CÀI ĐẶT THƠNG SỐ VẬT LÍ CHO MƠ PHỎNG Bước 1: Kích hoạt phương trình lượng Models → Energy → Edit Hình P1 Thiết lập phương trình lượng Bước 2: Mơ hình rối Models → Viscous → Edit - Chọn k-epsilon (2eqn) Model - Chọn standard k-epsilon Model - Chọn Scalable near wall treatment 103 Hình P2 Thiết lập mơ hình rối Bước 3: Cài đặt thông số cho vật liệu Thông số vật liệu lấy mặc định theo fluent thể theo bảng bên  Đối với nước: Material → Creat/edit → Fluent database → Materia type (fluid) → Fluent fluid material (water-liquid) → Copy 104 Hình P3 Cài đặt lưu chất ống  Vật liệu đồng: Material → Creat/edit → Fluent database → Materia type (solid) → Fluent Solid material (copper) → Copy Hình P4 Cài đặt vật liệu cho vỏ thiết bị 105 Bước 4: Gán vật liệu cho vùng làm việc 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 P5 Gán giá trị cho lưu chất vật liệu Bước 5: Đặt điều kiện biên Để thiết lập thông số đầu vào vận tốc nhiệt độ cần vào mục Boundary Condition nhập thông số vận tốc vào ô Velocity Magnitude nhập giá trị nhiệt độ mục Thermal Hình P6 Gán giá trị đầu vào cho lưu chất 106 Bảng P1 Điều kiện biên cho hot inlet STT Thông số Giá trị Velocity Magnitude m/s Specification Temperature Chọn Intensity and Hydraulic Diameter 450 K Bảng P2 Điều kiện biên cho cold inlet STT Thông số Giá trị Velocity Magnitude m/s Specification Temperature Chọn tub Intensity and Hygraulic Diameter 300 K Bước 6: Khởi tạo giá trị ban đầu Để khởi tạo lại giá trị ban đầu, vào mục Initialization chọn Initialize Hình P7 Khởi tạo lại giá trị ban đầu Bước 7: Thiết lập số vòng lặp mô 107 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 đến số lúc lưới bắt đầu hội tụ, việc thiết lập số vịng lặp tránh việc mơ hình chưa hội tụ mà chương trình dừng số vịng lặp q ngắn Hình P8 Thiết lập số vòng lặp 108