Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơi dạng ống lửa

Hiệu quả trao đổi nhiệt của lò hơi bịảnh hưởng bởi lớp chảy tầng ở thành ống, từ đó việc thiết kế một thiết bị chèn đơngiản để phá vỡ lớp chảy tầng ở thành ống giúp cải thiện quá trình t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

1911504210238 1911504210253

Đà Nẵng, 6/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

1911504210238 1911504210253

Đà Nẵng, 6/2023

Tên đề tài: “Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệtcủa lò hơi dạng ống lửa”.

1 1911504210227 Võ Văn Năng 19DL2

2 1911504210238 Đoàn Đình Quân 19DL2

3 1911504210253 Trần Mạnh Trúc 19DL2

Sinh viên thực hiện:

Bài báo cáo này trình bày kết quả thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Môphỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơi dạngống lửa” Nghiên cứu này tập trung vào hiệu quả trao đổi nhiệt của lò hơi loại ống lửa

và nhằm tìm ra phương pháp nâng cao hiệu suất Hiệu quả trao đổi nhiệt của lò hơi bịảnh hưởng bởi lớp chảy tầng ở thành ống, từ đó việc thiết kế một thiết bị chèn đơngiản để phá vỡ lớp chảy tầng ở thành ống giúp cải thiện quá trình trao nhiệt Chúng tôi

đã tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng và thiết kế các lõi chèn dạng băng xoắn và

lò xo với các bước xoắn khác nhau để đưa vào tính toán, phân tích kết quả trong phầnmềm Solidworks Flow Simulation kết hợp với thực nghiệm đối sánh để đánh giá độ tincậy của kết quả Thông qua tính toán, phân tích kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng việc

sử dụng các lõi chèn dạng băng xoắn và lò xo đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất traođổi nhiệt so với sử dụng ống trơn thuần túy (hiệu suất tăng lên 43% khi sử dụng lõichèn dạng băng xoắn có bước xoắn 50mm và 30% với lõi chèn lò xo có bước xoắn20mm) Sự thay đổi tỉ lệ xoắn cũng dẫn đến sự thay đổi hiệu suất, hiệu suất sẽ tăng lênnếu tăng tỉ lệ xoắn Và hiệu suất sẽ giảm khi tốc độ dòng khí tăng lên Nghiên cứu còncho thấy khi chèn các thiết bị tạo rối sẽ làm tăng hệ số ma sát, nó giúp tăng thời giantrao đổi nhiệt của thiết bị và cải thiện hiệu suất, hệ số ma sát giảm khi tăng tốc độ dòngkhí Và kết quả thực nghiệm hoàn toàn đúng với xu hướng của kết quả mô phỏng và

cơ sở lý thuyết của đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Minh Tiến

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Năng Mã SV: 1911504210227

Đoàn Đình Quân Mã SV: 1911504210238Trần Mạnh Trúc Mã SV: 1911504210253

1.Tên đề tài:

Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơidạng ống lửa

2.Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Các tài liệu liên quan đến bộ trao đổi nhiệt

- Tài liệu nâng cao hiệu suất nhiệt lò hơi.

- Tài liệu đào tạo Solidworks Flow Simulation.

3.Nội dung chính của đồ án:

- Tìm hiểu nguyên lý, vai trò, vấn đề thách thức của lò hơi dạng ống lửa và cácbiện pháp cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm phát thải

- Thiết kế mô hình mô phỏng kết hợp các bộ tạo rối

- Thiết lập các điều kiện mô phỏng, các quy trình mô phỏng và phương pháp tínhcác thông số liên quan

- Phân tích kết quả mô phỏng báo cáo ảnh hưởng của các biên dạng tạo rối

- Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành đo đạc lấy kết quả Viết báo cáo tổngkết

4.Các sản phẩm dự kiến:

- Mô hình thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt và các biên dạng tạo rối

- Bản kết quả mô phỏng và thực nghiệm

- Hoàn thiện bản báo cáo từ 50-70 trang, các bản vẽ A0 hoặc bản vẽ A3 theođúng quy định

Tên đề tài: Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệt

của lò hơi dạng ống lửa

Thời gian thực hiện: Từ ngày: 26/12/2022 đến ngày: 18/06/2023.

5.Mục tiêu.

Cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơi loại ống lửa bằng cách lắp thêm bộ tạo rối

6.Nội dung chính.

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Thiết kế mô hình mô phỏng kết hợp các bộ tạo rối

Chương 3: Phương pháp mô phỏng

Chương 4: Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 5: Thực nghiệm đối sánh

7 Kết quả dự kiến đạt được.

- Bài báo tham gia hội thảo

- Luận văn tốt nghiệp

8 Tiến độ thực hiện.

TT Thời gian Nội dung công việc Kết quả dự kiến đạt được

1 Tuần 1 Nhận nhiệm vụ và viết đề

cương - Nhiệm vụ và đề cương đề tài

2 Tuần 2 - 4 Chương 1: Tổng quan về vấn đề

nghiên cứu

*Báo cáo tổng quan, bao gồm:

- Nguyên lý làm việc của lò hơidạng ống lửa

- Vai trò của lò hơi

- Các vấn đề thách thức đối với

lò hơi loại ống lửa

- Các biện pháp cải thiện hiệu

- Ảnh hưởng của bước xoắn

6 Tuần 11-12 Chương 5: Thực nghiệm đối

sánh

- Chế tạo mô hình thực nghiệm

- Đo đạc ảnh hưởng của bộ tạo rối (loại lò xo) đến hiệu suất traođổi nhiệt

- Bài báo tham gia hội thảo

- Luận văn tốt nghiệp

7 Tuần 15 Nộp sản phẩm đề tài cho Bộ

môn

- Bài báo tham gia hội thảo

- Luận văn tốt nghiệp

Đà Nẵng, ngày 01…tháng 01…năm 2023

BỘ MÔN DUYỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

Trải qua thời gian học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đà Nẵng, mộtkhoảng thời gian với chúng em không phải là đủ để trang bị vốn kiến thức làm quenvới công việc mang tính chuyên môn, thực tế khá cao Song từ những ngày tháng cầnmẫn bước chân tới giảng đường đã giúp em đúc kết được nhiều kiến thức quý báu từ

sự giảng dạy và truyền đạt tận tình của quý Thầy, Cô ở trường Giờ đây với vốn kiếnthức đã tích lũy được từ quý Thầy, Cô giúp chúng em có thể hoàn thành đề tài bảo vệtốt nghiệp này

Với sự kính trọng và biết ơn sâu sắc chúng em xin gửi đến Ban giám hiệu nhàtrường, Lãnh đạo khoa cùng các Thầy, Cô lời cảm ơn chân thành về những kiến thứchữu ích mà em nhận được từ sự truyền đạt của Quý Thầy, Cô Đặc biệt gửi lời cảm tớithầy GVC.TS Nguyễn Minh Tiến là giáo viên trực tiếp hướng dẫn và KS Tống DuyQuốc đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành chuyên đề đồ án tốt nghiệp này

Chúng em xin gửi đến các Thầy, Cô trong ban hội đồng chấm thi lòng biết ơnchân thành đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến quý báu để chúng em có thêm vốnkiến thức vận dụng cho công việc sau này khi tốt nghiệp

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự động viên, sự nhiệt tình chỉ bảo từ Bangiám hiệu nhà trường, Lãnh đạo khoa cùng các Quý Thầy, Cô đã tạo điều kiện cho emhoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Nhóm em xin cam đoan rằng đề tài “Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rốiđến hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơi dạng ống lửa.” được tiến hành một cách minhbạch, công khai Mọi thứ được dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thâncùng với sự giúp đỡ không nhỏ từ TS Nguyễn Minh Tiến, KS Tống Duy Quốc và cácThầy tại Bộ môn Cơ khí Ô tô – Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật –Đại học Đà Nẵng.

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực Nhóm

em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Võ Văn NăngĐoàn Đình QuânTrần Mạnh Trúc

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN 3

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 4

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI NÓI ĐẦU iii

CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 13

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 15

1.1.Nguyên lý làm việc của lò hơi dạng ống lửa 15

1.1.1.Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động 15

1.1.2.Ưu điểm và nhược điểm của lò hơi ống lửa 16

1.2.Ứng dụng của lò hơi trong công nghiệp và đời sống 17

1.2.1.Ứng dụng của lò hơi trong ngành công nghiệp điện 17

1.2.2.Ứng dụng lò hơi trong công nghiệp chế biến thực phẩm 17

1.2.3.Ứng dụng lò hơi trong công nghiệp dệt, nhuộm 17

1.2.4.Ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy 17

1.2.5.Ứng dụng lò hơi trong chế biến cao su 18

1.2.6.Ứng dụng của lò hơi trong chế biến gỗ 18

1.2.7.Ứng dụng lò hơi trong ngành xây dựng 18

1.2.8.Ứng dụng của lò hơi trong ngành dịch vụ 18

1.2.9.Ứng dụng của lò hơi trong ngành y tế 18

1.2.10.Ứng dụng lò hơi trong giao thông vận tải 18

1.2.11.Ứng dụng trong đời sống sinh hoạt 19

1.3.Các nhân tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt của lò hơi 19

1.3.1.Hình thức chuyển động của dòng chảy 19

1.3.2.Hình thức cọ xát của dòng chảy lên bề mặt chịu nhiệt 20

1.3.3.Nhiệt độ dòng chảy 20

1.3.4.Tốc độ dòng chảy 20

1.3.5.Diện tích truyền nhiệt 20

1.3.7.Nồng độ tro xỉ tuần hoàn 21

1.3.8.Tần suất va đập của vật liệu lò 21

1.4.Một số giải pháp nâng cao hiệu suất lò hơi và giảm phát thải 21

1.4.1.Giảm thiểu hệ số không khí thừa 21

1.4.2.Kiểm soát nhiệt độ khói thải 21

1.4.3.Kiểm soát lưu lượng xả đáy lò hơi 22

1.4.4.Thu hồi nước ngưng 23

1.4.5.Sản xuất hơi bằng nhiệt thải 23

1.4.6.Gia nhiệt nước cấp cho lò hơi 23

1.4.7.Xử lý nước cấp cho lò, kiểm soát cáu cặn và bám bẩn 23

1.4.8.Giảm thất thoát do bám bẩn và đóng cặn 24

1.4.9.Bảo ôn (cách nhiệt) lò hơi 24

1.4.10.Thay thế lò hơi 24

1.5.Các hiện tượng hư hỏng và tai nạn khi sử dụng lò hơi 25

1.5.1.Áp suất tăng quá mức cho phép 25

1.5.2.Phồng, nổ ống của phần trao đổi nhiệt 25

1.5.3.Van an toàn hỏng 25

1.5.4.Cường độ đốt giảm 25

1.5.5.Đường thoát khói nghẹt 26

1.5.6.Hiệu suất nồi hơi giảm 26

1.6.Tính cấp thiết của đề tài 26

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ CÁC BỘ TẠO RỐI 27

2.1.Cơ sở lý thuyết 27

2.2.Thiết kế mô hình mô phỏng kết hợp các bộ tạo rối 28

2.3.Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp 29

2.3.1.Mô phỏng CFD là gì? Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD? 29

2.3.2.Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 32

2.4.Tổng quan về phần mềm Solidworks Flow Simulation 33

2.4.1.Phần mềm Solidworks Flow Simulation 33

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 36

3.1.Quy trình mô phỏng 36

3.2.Điều kiện mô phỏng 36

3.2.1.Chương trình thiết lập ban đầu và các điều kiện giả định 36

3.2.2.Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 37

3.2.3.Xác định lưu chất lỏng 37

3.2.5.Chia lưới 39

3.2.6.Thiết lập kết quả 41

3.3.Phương pháp tính toán các thông số 41

Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 44

4.1.Ảnh hưởng của bộ tạo rối dạng lò xo và băng xoắn 44

4.1.1.Nhiệt độ 44

4.1.2.Vận tốc 47

4.1.3.Áp suất 49

4.2.Hiệu suất và hệ số ma sát 50

4.3.Tiểu kết 52

Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐỐI SÁNH 54

5.1.Thiết bị thí nghiệm 54

5.1.1.Thân thiết bị trao đổi nhiệt 55

5.1.2.Máy thổi khí nóng 55

5.1.3.Máy bơm nước 56

5.1.4.Biên dạng lò xo chèn 57

5.1.5.Cảm biến nhiệt độ loại K 57

5.1.6.Mạch đọc cảm biến nhiệt độ Arduino 58

5.2.Quy trình thực nghiệm 63

5.3 Kết quả thực nghiệm 63

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 1

Phụ lục 1: Các bản vẽ có trong đồ án 1

Danh sách hình v

Hình 1 1.Cấu tạo của lò hơi ống lửa [1] 15

Hình 1 2.Ứng dụng lò hơi trong ngành công nghiệp sản xuất giấy [2] 17

Hình 1 3.Lò hơi sử dụng trong đầu máy xe lửa [2] 19

Hình 1 4.Biểu diễn dòng chảy tầng và chảy rối trong ống [3] 20Y Hình 2 1.Đặc tính dòng chảy trong ống [4] 27

Hình 2 2.Mô hình thực nghiệm của Vijay Raj Giri, Ajay Kumar Jha và Tri Ratna Bajracharya (2019) [6] 28

Hình 2 3.Mô hình tính toán CAD 3D của bộ trao đổi nhiệt lò hơi 29

Hình 2 4.Trường hợp bộ ống trơn 29

Hình 2 5.Trường hợp bộ ống có chèn lõi cuộn băng xoắn 29

Hình 2 6.Trường hợp bộ ống có chèn cuộn lò xo 29

Hình 2 7.Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD [8] 3 Hình 3 1.Quy trình mô phỏng 36

Hình 3 2.Xác định không gian mô phỏng và miền tính toán 37

Hình 3 3.Dòng chảy chất lỏng bên trong ống, bên trái khí nóng, bên phải nước 37

Hình 3 4.Điều kiện biên của mô hình mô phỏng 38

Hình 3 5.Biểu đồ độ hội tụ lưới mô hình ống trơn 39

Hình 3 6.Biểu đồ độ hội tụ lưới mô hình có chèn băng xoắn 40

Hình 3 7.Biểu đồ độ hội tụ lưới mô hình có chèn lò xo 40

Hình 3 8.Chia lưới mô hình loại ống trơn 41

Hình 3 9.Chia lưới mô hình loại ống có chèn thêm lò xo 41

Hình 3 10.Chia lưới mô hình loại ống có chèn băng xoắn 4 Hình 4 1.Biểu đồ phân bố nhiệt độ của ống trơn với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 44

Hình 4 2.Biểu đồ phân bố độ của ống chèn băng xoắn có 100mm và chèn lò xo có 20mm với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 45

Hình 4 3.Biểu đồ sự thay đổi tỉ lệ tăng nhiệt độ nước đầu ra của ống chèn lò xo so với ống trơn thuần túy 45

Hình 4 4.Biểu đồ sự thay đổi tỉ lệ tăng nhiệt độ nước đầu ra của ống chèn băng xoắn với ống trơn thuần túy 46

lưu lượng dòng khí 46

Hình 4 6.Biểu đồ ảnh hưởng của bước xoắn loại băng xoắn đến nhiệt độ đầu ra của khí theo lưu lượng dòng khí 47

Hình 4 7.Biểu đồ phân bố vận tốc của ống trơn với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 48

Hình 4 8.Biểu đồ phân bố vận tốc của ống chèn băng xoắn có bước xoắn 100mm với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 48

Hình 4 9.Biểu đồ phân bố vận tốc của ống chèn lò xo có bước xoắn 20mm với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 48

Hình 4 10.Biểu đồ phân bố áp suất của ống trơn với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 49

Hình 4 11.Biểu đồ phân bố áp suất của ống chèn băng xoắn có bước xoắn 100mm với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 49

Hình 4 12.Biểu đồ phân bố áp suất của ống chèn lò xo có bước xoắn 20mm với tốc độ dòng khí là 500 lít/phút 49

Hình 4 13.Biểu đồ sự thay đổi hiệu suất truyền nhiệt của ống chèn băng xoắn so với ống trơn thuần túy theo từng lưu lượng dòng khí 50

Hình 4 14.Biểu đồ sự thay đổi hiệu suất truyền nhiệt của ống chèn lò xo so với ống trơn thuần túy theo từng lưu lượng dòng khí 51

Hình 4 15.Biểu đồ sự thay đổi hệ số ma sát của ống chèn lò xo so với ống trơn thuần túy theo từng lưu lượng dòng khí 52

Hình 4 16.Biểu đồ sự thay đổi hệ số ma sát của ống chèn băng xoắn so với ống trơn thuần túy theo từng lưu lượng dòng khí 5 Hình 5 1.Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống trao đổi nhiệt đối lưu 54

Hình 5 2.Thân thiết bị trao đổi nhiệt 55

Hình 5 3.Máy thổi hơi cầm tay CFCooper HG2A 56

Hình 5 4.Bơm XH-18 56

Hình 5 5.Lò xo với bước xoắn cố định 57

Hình 5 6.Lò xo với bước xoắn thay đổi 57

Hình 5 7.Cảm biến nhiệt độ loại K 58

Hình 5 8.Arduino Uno R3 58

Hình 5 9.Module Max6675 59

Hình 5 10.Màn hình LCD 1602A kèm I2C 59

Hình 5 11.Giao diện điều khiển phần mềm PLX-DAQ 60

Hình 5 12.Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ 1 kênh 60

Hình 5 13.Đồ thị thay đổi nhiệt độ thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt thông thường 63

xoắn cố định 64

Hình 5 15.Đồ thị thay đổi nhiệt độ thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt có chèn lò xo bước xoắn thay đổi 64

Hình 5 16.Đồ thị hiệu suất giữa loại trơn và chèn lò xo 65

Danh sách bảng Bảng 2 1.Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi? 31Y Bảng 3 1.Thông số cài đặt 3 Bảng 5 1.Thông số máy thổi khí nóng 55

Bảng 5 2.Thông số kỹ thuật bơm 56

Bảng 5 3.Kết quả thực nghiệm 64

Bảng 5 4.Hiệu suất truyền nhiệt 65

 Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

Ký tự Nguồn gốc Chú giải

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài.

Năm 2017, ThS Nguyễn Thanh Trí cùng các cộng sự thực hiện đề tài “Khảo sát,đánh giá hiện trạng và đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho lò hơi tại cácdoanh nghiệp công nghiệp trên địa bàn thành phố Đà Nẵng” Kết quả khảo sát chothấy hiệu suất lò hơi của các doanh nghiệp là tương đối thấp dưới 70%, đặc biệt là các

lò hơi cũ hiệu suất dưới 55% Vì vậy, tìm kiếm giải pháp hiệu quả để tăng cường hiệusuất trao đổi nhiệt, qua đó giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quảkinh tế là thực sự cần thiết Có rất nhiều giải pháp được áp dụng như kiểm soát lượngoxy dư, thu hồi nước ngưng, tận dụng nhiệt khí xả Một phương pháp khác đang đượcquan tâm hiện nay là thay đổi tính chất dòng chảy tại lớp biên trong ống lửa bằng cáchlắp thêm thiết bị tạo rối Tuy nhiên, việc cải tạo này có thể làm tăng hệ số ma sát vàcản trở dòng chảy, có thể làm ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của lò hơi Do đó,nhóm sinh viên đề xuất đề tài “Mô phỏng sự ảnh hưởng của thiết bị tạo rối đến hiệusuất trao đổi nhiệt của lò hơi dạng ống lửa”

II Mục tiêu đề tài.

Nâng cao được hiệu suất trao đổi nhiệt của lò hơi công nghiệp loại ống lửa Xâydựng mô hình tính toán trên máy tính để mô phỏng và đưa ra các nhận xét cơ bản về

sự ảnh hưởng của các biên dạng tạo rối đến hiệu suất trao đổi nhiệt

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.Đối tượng nghiên cứu: Lò hơi công nghiệp loại ống lửa

IV Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm nhưng chủyếu là lý thuyết Về phần lý thuyết, dựa vào cấu tạo của lò hơi loại ống lửa và sự ảnhhưởng của hình thức chuyển động của dòng chảy đến truyền nhiệt của lò hơi, việc phá

vỡ lớp ngoại biên chảy tầng giúp tăng cường hiệu quả truyền nhiệt Dựa vào đó nhómnghiên cứu xây dựng mô hình trao đổi nhiệt và các thiết bị chèn và đưa vào tính toán,phân tích kết quả trong phần mềm Solidworks Flow Simulation Về thực nghiệm, xây

dựng mô hình thực nghiệm dựa vào mô hình mô phỏng để thực nghiệm đánh giá độ tincậy của kết quả mô phỏng.

V Nội dung của đồ án.

Nội dung của đồ án bao gồm những vấn đề sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Thiết kế mô hình mô phỏng kết hợp các bộ tạo rối

Chương 3: Phương pháp mô phỏng

Chương 4: Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 5: Thực nghiệm đối sánh

Kết luận và phương hướng phát triển

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.Nguyên lý làm việc của lò hơi dạng ống lửa.

1.1.1.Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Hệ thống lò hơi là nguồn cung cấp nhiệt năng và phát điện chủ yếu cho các quátrình sản xuất tương đối trong công nghiệp Do thiết lập dễ dàng và có thể cung cấpnăng lượng nhiệt lớn với chi phí thấp, hệ thống nồi hơi đóng một vai trò quan trọngtrong ngành Theo các mục đích sử dụng khác nhau, nồi hơi công nghiệp có thể đượcphân thành các loại khác nhau, chẳng hạn như nồi hơi hơi nước, nồi hơi ống nước vànồi hơi ống lửa, v.v Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào đối tượng nghiêncứu đó là lò hơi loại ống lửa

Hình 1 1.Cấu tạo của lò hơi ống lửa [1]

Đây là một trong những kiểu lò hơi được thiết kế cơ bản và được sử dụng lâu đờinhất trên thế thới Loại nồi hơi này thường được sử dụng trong động cơ xe lửa , tàuhỏa trong giai đoạn thế kỷ 18 Cấu tạo cơ bản của loại nồi hơi này là các chất tải nhiệtnhư khói nóng, khí nóng sẽ di chuyển trong đường ống được bao bọc bởi nước đượcchứa trong một ba lông cỡ lớn

Hoạt động của nồi hơi ống lửa đơn giản như chính cấu tạo của nó Trong nồi hơiống lửa, nhiên liệu cháy bên trong ống lò Các khí nóng được tạo ra trong ống lò sau

đó đi qua các ống lửa Các ống lửa được ngâm trong nước bên trong bình chính củanồi hơi Khi các khí nóng được truyền qua các ống này năng lượng nhiệt của khí đượctruyền vào nước bao quanh chúng Kết quả là hơi nước được tạo ra và tự nhiên bốc lên

và được lưu trữ trên mặt nước trong cùng một nồi hơi của ống lửa Hơi này sau đóđược lấy ra từ cửa thoát hơi để sử dụng cho mục đích cần thiết Nước được đưa vàonồi hơi thông qua đầu vào cấp nước Vì hơi nước và nước được lưu trữ cùng một bình,nên việc tạo ra hơi áp suất rất cao là khá khó khăn

1.1.2.Ưu điểm và nhược điểm của lò hơi ống lửa.

Cũng giống như bao loại lò hơi công nghiệp khác, lò hơi dạng ống lửa cũng cónhững ưu thế riêng và bên cạnh đó cũng tồn tại những nhược cũng như là thách thứcriêng của nó

1.1.2.1.Ưu điểm.

- Thiết kế nồi hơi ống lửa khá đơn giản và rất dễ dàng trong quá trình bảo trì sửachữa

- Phù hợp cho các ngành công nghiệp quy mô nhỏ

- Người vận hành không cần phải có trình độ chuyên môn cao cũng có thể vậnhành được nồi hơi ống lửa

- Vì trong nồi hơi ống lửa, nước được chứa trong 1 ba lông lớn nên không có việctắc ống trao đổi nhiệt trong quá trình hoạt động, hơn nữa việc xả bỏ cáu cặn trong một

ba lông lớn cũng rất dễ dàng

- Có thể không cần đến hệ thống xử lý nước cấp cho nồi hơi ống lửa

1.1.2.2.Nhược điểm.

- Hiệu suất của nồi hơi ống lửa khá thấp, chỉ có thể lên tới 75%

- Khó khăn trong việc cải tạo và nâng cấp để tăng công xuất nồi hơi lên

- Chiếm nhiều diện tích lắp đặt lò hơi

- Áp suất làm việc thấp, tối đa là 20bar

- Việc xử lý trong quá trình biến động tải khá khó khăn

- Vấn đề cắt giảm và xử lý khí thải nhằm đảm bảo vấn đề môi trường

Hiện nay vấn đề năng lượng và môi trường là những vấn đề nóng và cấp thiết củatoàn thế giới chứ không chỉ của riêng một ngành nghề, một quốc gia hay một vùnglãnh thổ nào nữa Với thực tế giá nhiên liệu ngày càng tăng cao, chất lượng môi trườngngày càng suy giảm trầm trọng kéo theo bao hệ lụy vô cùng to lớn đến nền kinh tế vàchất lượng sống của mọi người Từ đó cũng đặt ra một thách thức to lớn cho nồi hơicông nghiệp dạng ống lửa là phải nâng cao hiệu suất của lò từ đó tiết kiệm nhiên liệugiảm phát thải ô nhiễm ra môi trường Và đây cũng là trọng tâm mà đề tài nghiên cứumuốn hướng đến

1.2.Ứng dụng của lò hơi trong công nghiệp và đời sống.

1.2.1.Ứng dụng của lò hơi trong ngành công nghiệp điện.

Ứng dụng đầu tiên của lò hơi mà chúng ta cần đề cập đến là ứng dụng trongngành công nghiệp điện Như tên gọi của chúng, lò hơi có chức năng cung cấp nguồnhơi nước có năng lượng cao Dòng năng lượng này được ngành công nghiệp điện sửdụng để quay các cánh tuabin hơi kết quả làm trục tuabin của máy phát điện quay tạo

ra nguồn điện phục vụ cho các hoạt động sản xuất, sinh hoạt đời sống của con người

1.2.2.Ứng dụng lò hơi trong công nghiệp chế biến thực phẩm.

Trong chế biến thực phẩm nồi hơi cũng được biết đến là thiết bị quan trọng,không thể thiếu Cụ thể, hơi nước từ lò hơi có thể dùng để phục vụ quá trình sản xuấtcác loại thực phẩm đóng hộp: thịt, cá, trứng, sữa, nước uống Mục đích giúp thựcphẩm giữ được độ tươi ngon lâu hơn, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm theo quychuẩn

Với lò hơi sử dụng nhiên liệu là dầu, gas sẽ sản sinh ra lượng hơi cao hơn, ổnđịnh hơn so với sử dụng nhiên liệu là than hay điện bên cạnh đó còn đáp ứng tốt yêucầu vệ sinh về chất đốt và kho bãi Vì thế với các nhà máy sản xuất, khu công nghiệphoặc khu chế biến thực phẩm sẽ ưu tiên sử dụng loại dùng dầu hoặc gas

1.2.3.Ứng dụng lò hơi trong công nghiệp dệt, nhuộm.

Lò hơi còn có chức năng cung cấp hơi nước phục vụ các công đoạn sản xuất(nhuộm, hồ, sấy, vải) trong công nghiệp dệt, nhuộm Tuy nhiên, cần lưu ý tùy thuộcvào từng công đoạn sử dụng nhiệt và công nghệ sẽ có những yêu cầu về nhiệt độ hơikhác nhau

1.2.4.Ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy.

Là một thiết bị không thể thiếu trong sản xuất giấy, chúng được sử dụng trongcông đoạn hồ, nấu bột giấy, xeo giấy, hấp giấy, sấy giấy Bằng cách sử dụng nguồnnhiệt hơi nước từ lò hơi đến các hệ thống máy móc, trang thiết bị Với ưu điểm chi phíhợp lý, tiện lợi, an toàn cho sức khỏe con người lẫn môi trường

Hình 1 2.Ứng dụng lò hơi trong ngành công nghiệp sản xuất giấy [2]

1.2.5.Ứng dụng lò hơi trong chế biến cao su.

Lò hơi có ứng dụng sản sinh ra hơi nước để cung cấp cho các lò lưu hóa trongchế biến cao su Mà chức năng của lò lưu hóa là hấp, sấy cao su để phục vụ cho cáccông xưởng chế biến các loại thiết bị, vật dụng làm từ cao su như: vỏ, ruột bánh xeđạp, các loại gioăng đệm cao su

1.2.6.Ứng dụng của lò hơi trong chế biến gỗ.

Với lĩnh vực sản xuất ván ép, gỗ được tư vấn nên sử dụng lò hơi tầng sôi, các phụ phế phẩm trong quá trình sản xuất như mùn cưa, phoi bào, củi có thể tận dụng làmnguồn nhiên liệu đốt giúp tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp Lượng nhiệt do lò hơi cung cấp được ngành chế biến gỗ sử dụng để phục vụ cho quá trình làm ván ép, bảo dưỡng, xông, sấy gỗ, hấp tẩm dầu cho cột gỗ

1.2.7.Ứng dụng lò hơi trong ngành xây dựng.

Trong lĩnh vực xây dựng, việc chờ đợi cho các cấu kiện bê tông khô mới có thểthi công một số hạn mục phía sau điều này dẫn đến mất thời gian, giảm năng suất cũngnhư tốc độ hoàn thành công trình Thì lò hơi sẽ là một giải pháp cung cấp hơi nước đểsấy khô nhanh các cấu kiện bê tông nhưng vẫn đảm bảo độ bền, chất lượng cho côngtrình đang thi công

1.2.8.Ứng dụng của lò hơi trong ngành dịch vụ.

Trong các ngành dịch vụ, lò hơi cũng được biết đến là thiết bị quan trọng Ví dụnhư các trung tâm thương mại, trung tâm thể thao phức hợp, khách sạn, khu nghỉdưỡng Với chức năng cung cấp hơi và nhiệt cho quá trình sưởi ấm, dịch vụ xông hơi –massage, vệ sinh các dụng cụ, nấu ăn Đặc biệt là hệ thống xông hơi, tắm hơi sử dụnghơi nước

1.2.9.Ứng dụng của lò hơi trong ngành y tế.

Lò hơi sinh ra hơi nước ở nhiệt độ cao có thể tiêu diệt tối đa các mầm bệnh, các

vi khuẩn cũng như các vi sinh vật có trong các dụng cụ, rác thải Vậy nên chúng được

ứng dụng trong lĩnh vực y tế để xử lý chất thải và khử trùng các trang thiết bị y tế Từ

đó giúp tránh tình trạng nhiễm khuẩn, gây ô nhiễm, gây nguy hiểm cho môi trường vàsức khỏe con người

1.2.10.Ứng dụng lò hơi trong giao thông vận tải.

Từ thế kỷ 17, động cơ hơi nước đã bước đầu được thành hình và có những bướcphát triển sau đó với những loại tàu, thuyền được gắn lò hơi Cụ thể là lò hơi này sẽsản sinh ra hơi, nguồn hơi có động năng cao này sẽ giúp quay các cánh tuabin và làmquay chân vịt Hay là sẽ giúp quay các piston của đầu máy xe lửa

Hình 1 3.Lò hơi sử dụng trong đầu máy xe lửa [2]

1.2.11.Ứng dụng trong đời sống sinh hoạt.

Trong đời sống sinh hoạt của chúng ta cũng ít nhiều chúng ra đã nhận thấy ứngdụng của lò hơi Lò hơi được sử dụng trong đời sống dân dụng hằng ngày có cấu tạođơn giản, không phức tạp như nồi hơi trong công nghiệp Một số dụng cụ gia đìnhchính là nồi hơi kiểu nhỏ như:

- Nồi hơi nồi hơi tráng bánh cuốn, bánh đa, miến

- Thiết bị sưởi: cơ chế sưởi ấm của máy sưởi có khá nhiều, và một trong đóchính là sử dụng hơi nóng đi qua các ống tỏa nhiệt để sưởi ấm không khí trong nhà

- Nồi áp suất là một dạng nồi hơi nguyên thủy Cơ chế hầm của nồi áp suấtchính là đóng kín không xả hơi nước – hơi nóng khi đun sôi nước ra môi trường Hơinước này được giữ trong nồi góp một phần năng lượng nhiệt làm chín nhừ nguyên liệunấu ăn trong nồi

1.3.Các nhân tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt của lò hơi.

1.3.1.Hình thức chuyển động của dòng chảy.

Dòng chảy thường chuyển động ở dạng chảy tầng và chảy rối Chảy tầng là chỉdòng chuyển động theo từng lớp, giữa các lớp dòng chảy chỉ có chuyển động dọc theohướng song song, không có chuyển động ngang Đối với khí khói trong lò, trong khíkhói có mang theo hạt tro cũng chuyển động song song cùng dòng khí, giữa các hạtkhông va chạm mạnh với nhau, giữa các hạt và bề mặt ống nhận nhiệt có một lớp khíngoại biên dày nhất định, thông thường hạt không va chạm mạnh lên bề mặt ống nhận.Chảy rối khác chảy tầng, trong chảy rối ngoài có chuyển động dọc cân bằng ra, còn cóchuyển động ngang giữa các bộ phận của dòng có sự xáo trộn mạnh với nhau Các hạtnhiên liệu bị mang theo trong khí khói lò trong quá trình chuyển động va đập với nhau.Cho nên các bề mặt nhận nhiệt vừa chịu cọ xát của dòng khí và vừa chịu va đập củahạt nhiên liệu rắn Lớp khí ngoại biên trên bề mặt nhận nhiệt mỏng và phá vỡ do các

va chạm cho nên hiệu quả truyền nhiệt ở cháy rối lớn hơn nhiều ở chảy tầng [10]

Hình 1 4.Biểu diễn dòng chảy tầng và chảy rối trong ống [3]

1.3.2.Hình thức cọ xát của dòng chảy lên bề mặt chịu nhiệt.

Khi khói cũng như dòng chảy thể khí-rắn cọ xát lên bề mặt nhận nhiệt trong lòhơi có thể chia ra làm 2 loại cọ xát ngang và cọ xát dọc Khi cọ xát ngang lớp ngoạibiên trên bề mặt nhận nhiệt do chịu tác dụng lực va đập theo phương vuông góc, trởnên mỏng hơn, nhiệt trở giảm Đồng thời do dòng chảy thay đổi hướng, khi chuyểnđộng, giữa các dòng chảy sẽ xáo trộn mạnh hơn Khi cọ xát dọc, dòng khí chảy dọctheo bề mặt nhận nhiệt, song song với đường tâm ống, dòng chảy chuyển động không

bị cản trở, phương không thay đổi, cho nên lớp ngoại biên trên bề mặt nhận nhiệt dàyhơn và ổn định hơn, nhiệt trở lớn hiệu quả truyền nhiệt cũng kém hơn [10]

1.3.3.Nhiệt độ dòng chảy.

Nhiệt lượng sẽ truyền từ nơi có nhiệt độ cao về nơi có nhiệt độ thấp vì thế đối vớidòng chảy có nhiệt độ cao, độ chênh nhiệt độ giữa vật nhận nhiệt và vật toả nhiệt lớnnhiệt, sẽ truyền nhanh hơn Bên cạnh đó khi nhiệt độ dòng chảy cao, hệ số toả nhiệt sẽlớn dẫn đến lượng nhiệt được truyền đi lớn

1.3.4.Tốc độ dòng chảy.

Như đã đề cập ở trên, hiệu suất truyền nhiệt bị ảnh hưởng bởi hình thức dòng chảy, vậy nên với dòng chảy có tốc độ cao dòng chảy sẽ rối hơn, lớp ngoại biên trên thành ống sẽ mỏng, lớp nhiệt trở mỏng giúp quá trình truyền nhiệt nhanh hơn Tuy nhiên kéo theo thời gian trao đổi nhiệt cũng bị rút ngắn

1.3.5.Diện tích truyền nhiệt.

Diện tích truyền nhiệt lớn, dẫn đến lượng nhiệt truyền đi cũng lớn do đó quá trìnhtruyền nhiệt tăng cao

1.3.6.Kích thước hạt.

Với lò hơi tầng sôi (CFB), kích thước hạt nhiên liệu lớn, khối lượng hạt sẽ lớn,dưới tác dụng của dòng khí, lực chuyển động tăng, hạt nhiên liệu va đập lên bề mặtnhận nhiệt mạnh hơn, làm truyền nhiệt tăng lên

1.3.7.Nồng độ tro xỉ tuần hoàn.

Với lò CFB nồng độ tro xỉ lớn, hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn Nồng độ tro xỉthấp, hiệu quả truyền nhiệt kém Thông thường ở lò CFB có thể điều chỉnh được lượngtro xỉ sinh ra bằng cách điều chỉnh nồng độ tro xỉ Nhưng với lò hơi tầng sôi, lượng tro

xỉ bay theo lớn, không có bộ phận phân ly và cháy tuần hoàn, gây tổn thất nhiệt docháy không hoàn toàn lớn, giảm hiệu suất nhiệt của lò hơi [10]

1.3.8.Tần suất va đập của vật liệu lò.

Nhiệt trở của thể khí thường lớn hơn thể rắn Khi các hạt vật liệu lò có nhiệt độcao và va đập nhanh lên bề mặt nhận nhiệt, do có sự chênh lệch nhiệt độ lớn tại thờiđiểm tiếp xúc bởi va đập, hạt vật liệu bị nguội lạnh, nhiệt lượng mà hạt này mang theođược truyền rất nhanh cho thành ống, tần suất va đập càng nhanh, truyền nhiệt càngmạnh Đây cũng là một trong những nguyên nhân truyền nhiệt của bề mặt nhận nhiệt ở

lò hơi tầng sôi lớn hơn nhiều so với truyền nhiệt từ ngọn lửa nhiệt độ cao cho bề mặtnhận nhiệt ở trong buồng lửa [10]

1.4.Một số giải pháp nâng cao hiệu suất lò hơi và giảm phát thải.

1.4.1.Giảm thiểu hệ số không khí thừa.

Việc kiểm soát quá trình cháy là điều vô cùng quan trọng, cung cấp đủ oxy choquá trình cháy giúp quá trình cháy diễn ra triệt để đảm bảo lượng nhiên liệu tổn thất là

bé nhất Tùy theo điều kiện làm việc của lò mà cần một lượng nhiên liệu nhất định, khilưu lượng nhiên liệu thay đổi, lượng khí cũng phải được thay đổi theo để duy trì quátrình đốt cháy thích hợp Ứng dụng trên các lò hơi hiện nay có 2 dạng chính để điềukhiển quá trình cháy là:

- Điều khiển vị trí

- Tự động cắt lượng oxy.

1.4.2.Kiểm soát nhiệt độ khói thải.

Dựa vào nhiệt độ khói thải chúng ta có thể đánh giá được hiệu suất của lò hơi,khi lò hơi có nhiệt độ khói thải lớn thì lò hơi sẽ có hiệu suất thấp, lượng nhiên liệu tiêuhao lớn Khi nhiệt độ khói thải cao nghĩa là quá trình trao đổi nhiệt kém, tổn thấtnhiều Tuy nhiên nếu nhiệt độ khí thải quá thấp cũng không tốt vì hơi nước trong khóithải sẽ đọng sương trên bề mặt về phía đuôi của lò và tạo thành axit sunfuric gây ănmòn Vì vậy chúng ta cần duy trì nhiệt độ khí thải ở mức độ phù hợp nhất Hiện nayvới các lò hơi có nhiệt độ khói thải lớn hơn 120oC nên lắp đặt thêm thiết bị thu hồinhiệt ở cuối đường khói dùng để tận dụng lượng nhiệt này cho việc hâm dầu, hâmnước hoặc sấy không khí, đây là một cách làm hiệu quả giúp giảm tổn thất do khóithải

Trong quá trình vận hành nếu phát hiện nhiệt độ khói tăng, chúng ta cần thựchiện một số biện pháp sau:

- Thường xuyên vệ sinh các bề mặt đốt của lò, tần suất thực hiện ít nhất một calàm việc 1 lần, nếu hiện tượng này vẫn còn xuất hiện thì hãy tăng tần suất vệ sinh

- Việc đảm bảo hệ số không khí thừa sẽ giúp tối ưu được quá trình cháy, đâycũng là một giải pháp nhằm kiểm soát nhiệt độ khói thải

- Việc sử dụng nước bị lẫn tạp chất sẽ gây đóng cặn trên các bề mặt trao đổinhiệt làm tăng nhiệt trở gây cản trở quá trình truyền nhiệt Vì thế cần có biện pháphiệu chỉnh kịp thời chất lượng nước cấp vào

1.4.3.Kiểm soát lưu lượng xả đáy lò hơi.

Trong quá trình sinh hơi, nồng độ các tạp chất trong nước lò sẽ tăng dần do đócần duy trì tốt chế độ xả lò để giảm bớt tạp chất trong nước lò và thải cáu cặn ra khỏi

lò Nếu lượng xả đáy không thích hợp thì có thể xảy ra các trường hợp sau [11]:

- Nếu xả đáy quá ít thì lượng tạp chất trong nồi sẽ vượt quá giới hạn cho phépdẫn đến đóng cáu cặn cản trở quá trình truyền nhiệt của lò hơi và làm giảm tuổi thọcủa thiết bị

- Nếu lượng xả đầy quá nhiều thì sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt, nhiên liệu, nướccấp và hóa chất bổ sung

Do vậy, để tiết kiệm năng lượng vấn đề đặt ra là: xả đáy ít nhất mà vẫn đảm bảochất lượng nước lò hơi và thu hồi nhiệt từ nước xả lò Có thể tiết kiệm nhiệt từ việc xảđáy thông qua các biện pháp sau:

- Giảm tối thiểu lượng nước xả nhờ điều chỉnh van xả sao cho chất lượng nướcđược duy trì ở mức độ cho phép

- Kiểm soát lượng nước xả nhờ sử dụng hệ thống tự động kiểm soát lượng xảđáy (lắp thiết bị phân tích và thay bằng van có thể tự động điều chỉnh) Qua thực tế sửdụng hệ thống tự động xả đáy có thể tiết kiệm được 20% lưu lượng xả.

- Giảm thiểu lượng nước xả đáy bằng cách thu hồi càng nhiều nước ngưngcàng tốt (sử dụng nước ngưng sẽ làm giảm lượng tạp chất đưa vào lò)

- Chọn hệ thống xử lý nước cấp có khả năng giảm thiểu sự tạo thành cáu cặntrong lò (thường chỉ áp dụng đối với những dự án mới hoặc dự án mới cải tạo)

1.4.4.Thu hồi nước ngưng.

Việc thu hồi nước ngưng là một giải pháp tiết kiệm năng lượng khả thi Giúp tối

ưu hóa hoạt động của lò hơi và đem lại những cơ hội tiết kiệm:

- Giảm chi phí cho việc xử lý nước cấp cho lò và chi phí cho bổ sung nước

- Việc sử dụng nước ngưng sẽ đảm bảo chất lượng hơn trong nước ít các tạp chất từ đó giảm lượng nước xả đáy và năng lượng tiêu hao cho xả đáy

- Vì nước ngưng mang trong mình một lượng nhiệt vậy nên đơn vị sử dụng lò hơi nâng cao được nhiệt độ nước cấp mà không tốn thêm năng lượng

1.4.5.Sản xuất hơi bằng nhiệt thải.

Các lò hơi công suất nhỏ được thiết kế trước đây thường có nhiệt độ khói thải rấtcao do người ta chưa quan tâm đến vấn đề tiết kiệm năng lượng Vấn đề đặt ra là xácđịnh được phương cách tận dụng nhiệt trong khói thải một cách hợp lý, kinh tế Các lòhơi cũ có nhiệt độ khói thải có thể tới 500 đến 600 oC thì việc sử dụng bộ sấy khôngkhí là không kinh tế do yêu cầu cao về vật liệu chế tạo, mặt khác việc trang bị bộ sấykhông khí vào các thiết bị này sẽ làm thay đổi đặc tính bức xạ của buồng đốt, làm ảnhhưởng xấu đến quá trình truyền nhiệt Do vậy người ta có thể xem xét các phươngcách tận dụng nhiệt như sau [11]:

- Sản xuất hơi bằng cách lắp thêm bộ sinh hơi sử dụng khói thải ở đầu ra củabuồng đốt

- Lắp đặt thiết bị hâm nóng dầu hoặc Ethylene Glycol đưa đến nơi sử dụngkhác

- Lắp đặt thiết bị hâm nóng dầu để cấp cho lò hơi

Tuy nhiên, trong thực tế do phần lớn các quy trình công nghệ điều cần hơi nướcnên biện pháp thường áp dụng nhất là thiết bị sinh hơi bằng nhiệt khói thải không cóbuồng đốt

1.4.6.Gia nhiệt nước cấp cho lò hơi.

Gia nhiệt nước cấp cho lò hơi sẽ giảm được lượng oxy trong nước, do đó giảm được sự ăn mòn Có thể sử dụng một trong các phương pháp sau:

- Tái sử dụng nước ngưng.

- Đặt bộ hâm nóng nước của lò

- Sử dụng các quá trình trao đổi nhiệt khác

1.4.7.Xử lý nước cấp cho lò, kiểm soát cáu cặn và bám bẩn.

Nếu nước được cấp vào lò không được kiểm soát tốt, nước có lẫn nhiều tạp chất

sẽ sinh ra đóng cáu cặn trong lò trong một số trường hợp nghiêm trọng có thể sẽ gây

nổ ống Bên cạnh đó còn làm cho chất lượng hơi kém đi, đóng cáu cặn trên ống dẫnhơi, nếu hơi này được sử dụng cho các thiết bị khác như tuabin có thể gây ra những sự

cố nghiêm trọng Vậy nên trước khi cấp nước vào lò cần xem xét kỹ lưỡng các tiêuchuẩn chất lượng nước cho phép để quyết định phương pháp xử lý nước phù hợp vàthực hiện các biện pháp xử lý nước

1.4.8.Giảm thất thoát do bám bẩn và đóng cặn.

Ở các lò hơi sử dụng nguồn nhiên liệu đốt là dầu hoặc than thì lớp muội than bámtrên bề mặt ống sẽ đóng vai trò như một lớp cách nhiệt không mong muốn làm cản trởquá trình trao đổi nhiệt của thiết bị, vì thế việc kiểm tra loại bỏ chúng cần diễn rathường xuyên để đảm bảo hiệu suất của lò Việc đóng cặn bẩn hay bám muội sẽ gâynên các vấn đề như tăng nhiệt trở vách, tăng nhiệt độ khói thải từ đó làm tổn thất nhiênliệu và hiệu suất của thiết bị

Ước tính nhiệt độ khói lò cứ tăng 220C sẽ gây tổn thất ước tính khoảng 1% [14]

Độ dày lớp cáu cặn (mm) 0,5 1 2 3 4 5 6Tổn thất nhiên liệu (%) 1,2 2,2 4 4,7 6,3 6,8 8,2

(Nguồn công ty Korea Energy Management corp)Hiện nay để xử lý cáu cặn, chúng ta có các biện pháp sau:

- Dùng sóng siêu âm

- Dùng nam châm vĩnh cửu

- Dùng điện từ trường

Khi tiến hành xử lý lớp cáu cặn thì mang lại lợi ích sau:

- Tiết kiệm từ 2-4% tiền nhiên liệu [13]

- Giảm chi phí đầu tư lắp đặt và vận hành hệ thống mềm nước [13]

- Tăng tuổi thọ ống lò lên 1,5-2 lần Không phải tốn tiền phá cáu bằng axit [14]

1.4.9.Bảo ôn (cách nhiệt) lò hơi.

Lớp cách nhiệt có vai trò là giảm thiểu sự thất thoát nhiệt của thiết bị trao đổinhiệt ra môi trường, vì thế trong quá trình vận hành lò hơi cần phải kiểm tra thườngxuyên lớp cách nhiệt này và tiến hành bổ sung, sửa chữa kịp thời nếu có sự cố để giảmthiểu tổn thất do thất thoát nhiệt Tuy nhiên việc bọc cách nhiệt cũng cần được xem xét

kỹ lưỡng khi chọn chiều dày cách nhiệt tối ưu tránh việc hấp thụ ẩm gây giảm hiệuquả.

Với thực trạng sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như các vấn

đề môi trường Thì việc thay thế bằng lò hơi sử dụng nguồn nhiên liệu đốt từ cácnguồn phế, phụ phẩm nông nghiệp (trấu, vỏ cà phê, vỏ hạt điều, rạ, vỏ dừa, ) sẽ là mộtgiải pháp góp phần giải quyết các thực trên

1.5.Các hiện tượng hư hỏng và tai nạn khi sử dụng lò hơi.

1.5.1.Áp suất tăng quá mức cho phép.

a.) Hiện tượng

Đồng hồ áp lực chỉ trị số cao hơn áp suất làm việc bình thường

b.) Nguyên nhân

Van an toàn không tác động hoặc tác động không kịp thời, tác động không hếtcông suất do kẹt, cường độ đốt tăng quá mức bình thường và bên tiêu thụ ngừng việclấy hơi, trong khi bên cung cấp vẫn hoạt động

1.5.2.Phồng, nổ ống của phần trao đổi nhiệt.

a.) Hiện tượng

Nhìn qua cửa kiểm tra vào buồng đốt thấy bộ phận của diện tích tiếp nhiệt bịphồng Hoặc nghe thấy tiếng nổ ống sinh hơi (ống lò, ống lửa) bên trong lò, hơi nướcthoát ra ống khói, áp suất tụt mạnh

Đóng không kín khi áp suất chưa cao quá cho phép hoặc vượt quá áp suất chophép mà vẫn không làm việc.

b.) Nguyên nhân

Bề mặt tiếp xúc của van bị mòn không đều, bị vênh, kẹt cứng lò xo hoặc các bộphận cơ khí do bẩn

1.5.4.Cường độ đốt giảm.

a.) Hiện tượng

Nhiên liệu đủ nhưng lửa không bốc

b.) Nguyên nhân

Thiếu gió cung cấp cho sự cháy, nghẹt đường thoát khói

1.5.5.Đường thoát khói nghẹt.

a.) Hiện tượng

Có hiện tượng khói phì ra cửa lò và khi mở cửa lò khói thoát yếu

b.) Nguyên nhân

Do van gió trong đường ống bị bít lại, hoặc có vật lạ rơi vào gây nghẹt đườngống

1.5.6.Hiệu suất nồi hơi giảm.

a.) Hiện tượng

Lửa đốt ổn định mà áp sinh hơi của lò kém, đốt mà lâu tăng áp

b.) Nguyên nhân

Do không vệ sinh thường xuyên ống lửa bị bẩn hoặc nước cấp không đảm bảodẫn đến đóng cặn lò

1.6.Tính cấp thiết của đề tài.

Bài toán kinh tế được đặt ra: Giả sử một lò hơi công nghiệp loại ống lửa có côngsuất 2 tấn/giờ hoạt động 8 tiếng/ngày và 330 ngày/năm, sử dụng nhiên liệu đốt là dầudiesel và lò có hiệu suất 70%

Để có được 1 tấn hơi thì tiêu tốn 78kg ( hiệu suất 100%) nhiên liệu đốt (dầudiesel)

+Với hiệu suất 70% thì cần 111,4kg nhiên liệu/1 tấn hơi

+Với hiệu suất 75% thì cần 104kg nhiên liệu /1 tấn hơi

Với giá dầu diesel hiện tại là khoảng 25.000 (đồng/kg)

Với thời gian hoạt động như trên đã đề cập, thì một năm chi phí dành cho nhiênliệu đốt sẽ giảm được khi tăng hiệu suất từ 70% lên 75%:

=2x8x330x(111,4 – 104)x25.000= 976.800.000(đồng)

Như vậy chỉ cần tăng hiệu suất lên 5% thì số tiền giảm được trong một năm chochi phí nhiên liệu là xấp xỉ 1 tỷ đồng Đây là lợi ích về mặt kinh tế vô cùng lớn chodoanh nghiệp sử dụng lò hơi Bên cạnh đó khi tăng được hiệu suất còn giúp chúng tatiết kiệm được nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm góp phần vào công cuộc giảm phátthải khí gây ô nhiễm do quá trình cháy sinh ra để bảo vệ môi trường Qua đó ta thấytác dụng vô cùng lớn khi nâng cao được hiệu suất lò hơi.

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ CÁC BỘ TẠO RỐI

2.1.Cơ sở lý thuyết.

Khi chất lỏng chuyển động từ ngoài vào ống, chỗ miệng ống chất lỏng mới bắt đầu tiếp xúc với vách nên sự ma sát giữa dòng lưu thể và vách chưa hình thành, sựphân bố tốc độ tương đối đều (chiều dày lớp biên rất mỏng), càng vào trong do ma sátnên lớp chất lỏng gần vách tốc độ càng giảm (lớp biên tăng dần chiều dày) nhưng dolưu lượng lưu thể không thay đổi nên tốc độ giữa ống càng tăng

Hình 2 1.Đặc tính dòng chảy trong ống [4]

Như đã đề cập ở phần các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của lòhơi, đối với dòng chảy tầng hình thành ở lớp biên cản trở quá trình truyền nhiệt Cònđối với dòng chảy rối ngoài tồn tại chuyển động dọc cân bằng ra còn có chuyển độngngang giữa các bộ phận của dòng làm chúng xáo trộn mạnh với nhau Lớp ngoại biênchảy tầng cũng mỏng hơn nên từ đó quá trình truyền nhiệt sẽ tốt hơn nhiều so với dòngchảy tầng Và đề tài nghiên cứu này sẽ đi tìm phương pháp phá hủy lớp biên chảy tầngnày, cũng như tạo rối cho dòng chảy từ đó đánh giá sự thay đổi hiệu suất

Thực tế các nhà khoa học thế giới đã có những nghiên cứu để đánh giá sự hiệuquả của việc phá hủy lớp biên chảy tầng này đến việc tăng hiệu suất truyền nhiệt bằngnhiều cách khác nhau:

- Manglik và Bergles (1993) đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của băngxoắn trong dòng chảy tầng Họ kết luận rằng các lý do chính để tăng cường truyềnnhiệt chính là phá bỏ dòng chảy tầng ở gần lớp biên tường và sự cản trở của băng xoắnlàm tăng thời gian trao đổi nhiệt [5]

- Vijay Raj Giri, Ajay Kumar Jha và Tri Ratna Bajracharya (2019) đã nghiêncứu mô hình số và phân tích thực nghiệm về việc nâng cao hiệu suất truyền nhiệt của

lò hơi ống lửa trơn chèn thêm các tạo rối băng xoắn và cuộn lò xo Kết quả cho thấyhiệu suất được tăng lên lần lượt là 3,4% và 5,7% đối với máy xáo trộn băng xoắn vàcuộn lò xo [6]

Hình 2 2.Mô hình thực nghiệm của Vijay Raj Giri, Ajay Kumar Jha và Tri Ratna

Bajracharya (2019) [6]

Tuy nhiên những nghiên cứu này chưa đánh giá sự ảnh hưởng của việc thay đổinhững bước xoắn khác nhau của thiết bị chèn sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suấttruyền nhiệt của lò hơi dạng ống lửa

Còn đối với Việt Nam, có nghiên cứu của ThS Nguyễn Thanh Trí làm chủnhiệm với đề tên đề tài là “Khảo sát, đánh giá hiện trạng và đề xuất các giải pháp tiếtkiệm năng lượng cho lò hơi tại các doanh nghiệp công nghiệp trên địa bàn thành phố

Đà Nẵng” được nghiệm thu vào cuối năm 2017 Qua khảo sát và đánh giá hiện trạngcác lò hơi, Đơn vị chủ trì đã đánh giá hiệu suất lò hơi của các doanh nghiệp tương đốithấp dưới 70%, đặc biệt các lò hơi cũ hiệu suất thấp dưới 55% [10] Và đề tài đã đề ra

10 giải pháp, song không có giải pháp nào tương tự như đề tài mà nhóm nghiên cứuchúng tôi đang hướng đến

Như vậy mục tiêu của nghiên cứu này là mô phỏng đánh giá tác động của bộ tạorối (lò xo, băng xoắn) theo từng bước xoắn khác nhau đến hiệu quả trao đổi nhiệt của

lò hơi và tiến đến thực nghiệm đối sứ kết quả

2.2.Thiết kế mô hình mô phỏng kết hợp các bộ tạo rối.

Sau khi tham khảo cơ sở lý thuyết và mô hình cấu tạo cơ bản của thiết bị trao đổinhiệt, nhóm sinh viên xây dựng mô hình hình học CAD 3D bằng phần mềm CAD 3DSolidworks phiên bản 2019 Tuy nhiên, để tối ưu quá trình tính toán mô phỏng, tiếtkiệm thời gian tính toán của phần mềm cũng như phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất

của sinh viên, mô hình hình học CAD 3D của hệ thống đã được xử lý tối ưu các chitiết phức tạp để đơn giản hóa quá trình mô phỏng và tính toán bằng phần mềm CAD3D Solidworks phiên bản 2019.

Hình 2 3.Mô hình tính toán CAD 3D của bộ trao đổi nhiệt lò hơi

Có 3 trường hợp chính mà nhóm thực hiện mô phỏng chính là trường hợp bộ ốngtrơn, ống có chèn băng xoắn và cuối cùng là trường hợp ống có chèn cuộn lò xo đượcthể hiện ở các bản vẽ

Hình 2 4.Trường hợp bộ ống trơn

Hình 2 5.Trường hợp bộ ống có chèn lõi cuộn băng xoắn

Hình 2 6.Trường hợp bộ ống có chèn cuộn lò xo

2.3.Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp.

2.3.1.Mô phỏng CFD là gì? Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?.

Tính toán Động lực học Chất lỏng (CFD) là một phần của cơ học chất lỏng sửdụng cấu trúc dữ liệu và tính toán số để phân tích và giải quyết các vấn đề về dòng

chất lỏng (khí và chất lỏng), chẳng hạn như thành phần hóa học, hình học, mật độ vàvận tốc và đồng thời là một cách tốt để thực hiện phân tích CFD hoặc giải quyết cácvấn đề về dòng chất lỏng Phần mềm đảm bảo rằng các khái niệm quy trình tối ưuđược sử dụng từ những giai đoạn đầu tiên của thiết kế sản phẩm, cho phép các thànhphần hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau CFD giúp dễ dàng phân tíchcác vấn đề về dòng chất lỏng phức tạp liên quan đến tương tác lỏng-khí, lỏng-rắnhoặc lỏng-lỏng Nó sử dụng các bộ giải nâng cao để chuyển đổi các định luật vật lý

từ phương trình vi phân từng phần sang phương trình đại số và giải chúng một cáchhiệu quả Các kỹ sư và nhà phân tích sử dụng máy tính để thực hiện các phép tínhnày nhằm mô phỏng chất lỏng chảy tự do và tương tác của chúng với các bề mặt Sửdụng máy tính tinh vi hoặc siêu máy tính, bạn có thể đạt được các giải pháp chính xác

ở tốc độ cao, ngay cả đối với những vấn đề phức tạp nhất CFD được sử dụng trongnhiều lĩnh vực khác nhau như: kỹ thuật hàng không vũ trụ để mô phỏng khí động họccủa máy bay, dòng chảy rối/giai đoạn, dòng nén/không nén được, thiết kế cánh, máyảnh Sản xuất điện tử như mô phỏng pin, làm mát, v.v Hệ thống sưởi ấm, thông gió vàđiều hòa không khí (HVAC) Mô phỏng khí động học của các bộ phận, đường ống vàvan ô tô Ngăn ngừa xâm thực, dụng cụ thể thao, v.v

Năm 1922, Lewis Fry Richardson (1881-1953) đặt nền móng đầu tiên cho CFD.Tuy nhiên, phải đến năm 1967, các mô hình CFD 3D đầu tiên dành cho mô phỏngcánh máy bay mới có sẵn Kể từ đó, CFD đã được sử dụng rộng rãi trong các nghiêncứu của NASA và Boeing Cơ sở của hầu hết các bài toán CFD là các phương trìnhNavier-Stokes, xác định dòng một pha (khí hoặc lỏng, nhưng không đồng thời khí vàlỏng) Từ nền móng đó, bằng việc giả sử đơn giản hóa các thành phần của phươngtrình Navier-Stokes ta có các phương trình khác như phương trình Euler, dòng Stokes,dòng Fanno, dòng Rayleigh, v.v Hoặc ngược lại, bằng việc bổ sung các khái niệm như

“nhiệt độ hạt” năng lượng dao động của hạt rắn (granular temperature – solidsfluctuating energy) thì các hệ đa pha khí-rắn được giải gần giống như dòng liên tục.Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hình toánhọc thì bao gồm:

- Các dòng chảy cơ bản và dòng chảy rối bên trong và ngoài vật thể

- Dòng phản ứng đốt cháy

- Dòng nén được

- Truyền nhiệt

- Dòng đa pha có hạt phân tán trong pha liên tục

- Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha

- Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động.

Bảng 2 1.Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi?

Sự ưu việt của mô phỏng CFD Tiết kiệm thời gian

- Tốc độ tính toán mô phỏng đã và đang

được cải thiện rõ rệt

- Hệ thống tiêu chuẩn cho mô phỏng

CFD hoàn thiện

- Sự hoàn thiện của lý thuyết mô phỏng

CFD

- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỷ

nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ thuật

số song song (Digital Twin)

- Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn

đề bằng cách dùng mô phỏng để xácđịnh nguyên nhân vấn đề

- Rút ngắn đáng kể quá trình thiết kế vàthương mại hóa sản phẩm bằng môphỏng

Tiết kiệm chi phí Tối ưu hoá về phát triển bền vững

- Sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích

đo lường cho công việc nghiên cứu và

thiết kế

- Giúp quá trình & thiết bị hoạt động

hiệu quả, tiêu tốn ít nguyên vật liệu và

năng lượng

- Giúp quá trình & thiết bị hoạt độnghiệu quả và ổn định hơn, cho ra sảnphẩm tốt hơn

- Giúp cải thiện tính an toàn và bảo vệmôi trường

Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đoànlớn như General Electric, Solidworks, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiOTechnologies, Dassault Systems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏngCFD kết hợp với IoT như một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các môhình máy học (machine learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹthuật số song song (Digital Twin)