nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số

TÓM TẮTĐề tài được thực hiện trong đồ án tốt nghiệp này là “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số”.. Bài nghiên c

TỔNG QUAN

Giới thiệu về đề tài

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

Hiện tại, kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh đang là một ngành “hot” và có xu hướng phát triển lớn mạnh không ngừng cùng với những thiết bị liên quan, các chuyên gia liên tục không ngừng nghiên cứu và đưa ra những sản phẩm công nghệ mới Bên cạnh đó, để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, các phần mềm nghiên cứu liên quan cũng đã phát triển và được nhiều người biết đến đặc biệt trong số đó là phần mềm ANSYS WORKBENCH Đây là một phần mềm mô phỏng về động lực học chất lưu với nhiều ưu điểm thích hợp cho sự nghiên cứu tự do, thoải mái mà không bị gò bó về mặt không gian và thời gian Nếu như các bài nghiên cứu chỉ dựa trên phân tích lý thuyết và thực nghiệm thì kết quả thu được chỉ đơn giản là các thông số vĩ mô, chúng ta không thể biết chính xác thông tin chi tiết như: phân bố nhiệt độ, vận tốc, áp suất,… hoặc cách thức để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt Hơn nữa, việc tiến hành thực nghiệm cũng có một số khó khăn liên quan đến chi phí hoặc nguy hiểm nhất định, đe dọa trực tiếp đến tính mạng của con người Chính vì thế, việc tiến hành thực hiện mô phỏng CFD là một phương án cấp thiết, giúp cho chúng ta làm việc trong một môi trường an toàn hơn mà không cần phải lo sợ đến việc tiếp xúc với các công việc thực nghiệm, đo đạc có thể gây nguy hại cho bản thân

Hiện nay, việc gia nhiệt và làm mát các hệ thống bằng những TBTĐN đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau như: nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, công nghiệp nấu chảy thủy tinh, kim loại, công nghiệp dược phẩm, thực phẩm, công nghiệp giấy, hóa dầu, kho lạnh, ngưng tụ khí và công nghiệp điện tử, Chính vì thế, việc cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt trong các thiết bị này có ý nghĩa rất quan trọng Nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt sẽ giúp giảm kích thước của thiết bị, tiết kiệm chi phí vốn đầu tư ban đầu, cũng như chi phí và thời gian vận hành Một trong những cách để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt đó là việc sử dụng TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn thay vì dạng ống lồng ống thẳng như chúng ta đã biết Đây là một phương pháp thụ động để cải thiện hiệu suất của TBTĐN được nhiều người quan tâm đến Ngoài ra, để nâng cao tối đa hiệu suất trao đổi nhiệt trong thiết bị dạng xoắn này, chúng ta có thể thêm các hạt nano kim loại vào chất lỏng cơ bản ban đầu, các kết quả này đã được chứng minh bởi các nhà nghiên cứu từ nhiều nước trên thế giới bằng phương pháp mô phỏng số Chính vì những ưu điểm trên và với mong muốn kiểm nghiệm các kết quả đã được nghiên cứu trước đó, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số” làm nội dung đề tài thực hiện khóa luận tốt nghiệp

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

CFD là phương pháp mới có nhiều ưu điểm hơn so với thực nghiệm Mô phỏng đưa ra kết quả nhanh, có độ chính xác tương đối và có thể thực hiện lại một cách dễ dàng thỏa sức sáng tạo của người dùng Không cần phải lo về những ràng buộc về kinh phí hay nguy hiểm có thể xảy ra khi tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị thí nghiệm

*Đối với phương pháp mô phỏng CFD

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

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

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

- Cải thiện và tăng tính an toàn

- Phương pháp mô phỏng CFD đòi hỏi công cụ mô phỏng phải có giá trị cao, đắt tiền

Ví dụ: Máy tính hay bản quyền của các phần mềm chuyên dụng

*Đối với phương pháp thực nghiệm

- Tự tạo ra các điều kiện thiết lập quá trình của các thí nghiệm theo ý riêng, cũng như những ảnh hưởng mà các điều kiện ấy gây ra cho đối tượng

- Có thể lặp đi lặp lại nhiều lần thực hiện với những kết quả giống nhau, chứng tỏ một mối quan hệ có tính quy luật và đảm bảo được tính tin cậy của đề tài

- Cho phép thay đổi bản chất cấu trúc và cơ chế của đối tượng, thay đổi điều kiện, ảnh hưởng của những tác động bên ngoài Bằng cách thay đổi những yếu tố nào đó của môi trường, đi sâu vào quan hệ bản chất, xác định được các quy luật, phát hiện ra các thành phần và cơ chế chính xác

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

- Chi phí đắt, 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

Bảng 1.1 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm

Tiêu chí Mô phỏng CFD Thực nghiệm

Chi phí Tương đối rẻ Đắt

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

Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng trao đổi nhiệt của 1 mô hình cụ thể; khảo sát ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xắn; khảo sát ảnh hưởng của việc tăng bước xoắn của thiết bị, việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị Các mô hình được thực hiện mô phỏng trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2 Kết quả cho thấy việc tăng lưu lượng thể tích, bước xoắn và sử dụng chất lỏng nano CuO có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

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

- Tính toán cơ sở lý thuyết

- Thực hiện 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 lý thuyết và kết quả có trong bài báo liên quan

- Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố như lưu lượng thể tích, bước xoắn, lưu chất sử dụng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số

- Đưa ra các đánh giá và kết luận.

Đối tượng và giới hạn đề tài

Trong đồ án này đối tượng mà chúng em quan tâm đến là TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn, phương pháp mô phỏng số CFD và phần mềm mô phỏng ANSYS WORKBENCH 19.2

1.3.2 Giới hạn đề tài Đề tài giới hạn trong việc tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn và tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng CFD Tính toán lý thuyết và mô phỏng số TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn dựa theo bài báo khoa học.

Giới thiệu tổng quan về TBTĐN

TBTĐN là thiết bị được chế tạo để thực hiện trao đổi nhiệt giữa chất cần gia nhiệt với chất mang nhiệt được ngăn cách bởi vách hoặc ống để không bị pha trộn TBTĐN đóng vai trò quan trọng và hiện đang ứng dụng rất rộng rãi ở nhiều ngành như: công nghiệp điện, thực phẩm, điều hòa không khí,… Thúc đẩy mạnh cho sản xuất công nghiệp và đời sống con người

Hình 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt [1]

Quá trình truyền nhiệt giữa các lưu chất với nhau thông qua các thiết bị đã được con người sử dụng từ rất lâu để ứng dụng vào các quá trình sản xuất Thông thường, nhiệt có trạng thái phù hợp với mục đích sử dụng Từ đây, các TBTĐN ra đời với nhiều chủng loại khác nhau, phù hợp với từng quá trình sản xuất

Hiện nay, TBTĐN được sản xuất rất nhiều và phổ biến với các dạng tùy theo cấu tạo và mục đích sử dụng khác nhau như: TBTĐN dạng tấm, TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống, TBTĐN dạng ống lồng ống,… Các loại TBTĐN được ứng dụng phổ biến nhất là trong lĩnh vực lò hơi, được sử dụng để thu hồi nhiệt khói thải như: bộ Economizer, Air Dryer còn hay gọi là bộ tiết kiệm năng lượng TBTĐN cũng được ứng dụng trong hệ thống lạnh và được sử dụng với vai trò là thiết bị ngưng tụ hoặc thiết bị bay hơi,…

Các ngành công nghiệp, hóa dầu và hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng bộ trao đổi nhiệt như một phương tiện truyền nhiệt hiệu quả và phù hợp để làm mát, sưởi ấm , thay đổi giai đoạn vật liệu tùy thuộc vào bản chất của ngành Các bộ trao đổi nhiệt này được thiết kế để đạt được tải nhiệt tối ưu Các thông số hình học như: đường kính, chiều dài, số lượng ống,… là những thông số có thể được sửa đổi để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt và thay đổi cấu tạo tùy theo yêu cầu của khách hàng

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

Hiệu suất của TBTĐN có thể được xác định theo nhiều cách Và một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị như:

Tốc độ dòng chảy và lưu lượng chất lỏng: Khi có tốc độ dòng chảy nhanh hoặc lưu lượng quá chênh lệch giữa hai dòng lưu chất sẽ không đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt được tối ưu

Tính chất của vật liệu: Tính chất của vật liệu thiết kế lên bề mặt trao đổi nhiệt sẽ ảnh hưởng đến bề mặt trao đổi nhiệt cũng như độ bền và sự hao mòn của bề mặt đó

Sự chênh lệch nhiệt độ: Độ chênh lệch nhiệt độ của lưu chất có nhiệt độ thấp đối với lưu chất có nhiệt độ cao là rất quan trọng khi chúng ta thiết kế thiết bị thực tế Vì nhiệt độ của chất làm mát càng thấp thì sẽ giúp giảm nhiệt độ của lưu chất nóng tốt hơn

Cáu cặn: Xuất hiện bẩn đóng cặn trong TBTĐN là điều không tránh khỏi Chúng làm cho bề mặt trao đổi nhiệt bị hẹp đi, cản trở dòng lưu chất đi trong thiết bị nên rất ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt và kết cấu của thiết bị nếu không được được xử lý

Diện tích trao đổi nhiệt: Lượng nhiệt trao đổi chủ yếu thông qua bề mặt tiếp xúc Do đó, diện tích tiếp xúc tăng thì hiệu suất truyền nhiệt tăng nhưng sẽ khó khăn nếu diện tích truyền nhiệt lớn sẽ khó cho việc lắp đặt và sản xuất

*TBTĐN kiểu hồi nhiệt: Nguyên lý làm việc của TBTĐN loại hồi nhiệt là trên cùng một bề mặt vật, lúc chất lỏng nóng chuyển động qua, bề mặt vật rắn nhận và tích trữ nhiệt, khi tiếp xúc với chất lỏng lạnh thì vật nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh Hình 1.2 là một ví dụ về TBTĐN kiểu hồi nhiệt Thiết bị này thường dùng trong ngành luyện kim, bộ sấy không khí của nhà máy nhiệt điện

Hình 1.2 TBTĐN kiểu hồi nhiệt [2]

*TBTĐN hỗn hợp: Trong TBTĐN hỗn hợp thì hai chất lỏng nóng và lạnh thông qua quá trình tiếp xúc trực tiếp, hòa trộn với nhau để thực hiện quá trình truyền nhiệt Thiết bị này có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao, tuy nhiên hai chất lỏng phải hòa trộn lẫn nhau nên có nhiều hạn chế trong ứng dụng Ứng dụng của TBTĐN hỗn hợp trong hệ thống điều hòa không khí gồm: tháp giải nhiệt, bộ phận phun ẩm, bộ hòa trộn các dòng khí,… Hình 1.3 là tháp giải nhiệt sử dụng nước kết hợp không khí và thuộc loại TBTĐN hỗn hợp

Hình 1.3 Tháp giải nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí [3]

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

+ TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống: TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống như Hình 1.4 bên dưới, đây là loại thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp vì độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời, vật liệu chế tạo phổ biến Loại TBTĐN này được ghép lại từ các ống nhỏ ở bên trong và ống lớn bọc bên ngoài Tùy theo yêu cầu của khách hàng mà các ống bên trong có thể thay đổi kết cấu như: lắp đặt thêm các cánh trao đổi nhiệt tốt hơn, dòng chảy ở bên trong có thể là cùng chiều hoặc ngược chiều,…

Hình 1.4 TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống [4]

+ TBTĐN loại ống có cánh: TBTĐN loại ống có cánh gồm các ống, ở trên có lắp thêm các cánh tăng diện tích trao đổi nhiệt và thường được sử dụng khi cường độ trao đổi nhiệt giữa hai loại chất lỏng có chênh lệch rất lớn Thông thường, cánh sẽ được lắp ở phía lưu chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhỏ (thường là không khí) như Hình 1.5 bên dưới

Hình 1.5 TBTĐN loại ống có cánh [5]

+ TBTĐN dạng tấm: TBTĐN dạng tấm bao gồm các tấm được lắp ráp với nhau, tạo không gian riêng giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh làm mát đi vào để thực hiện trao đổi nhiệt qua mặt ngăn cách là các tấm Hình 1.6 là hình ảnh thực tế của TBTĐN dạng tấm Khi thiết kế bề mặt các tấm này phải khớp với nhau tránh việc hai dòng lưu chất tiếp xúc trực tiếp, ở việc ghép nối giữa các tấm có thể lựa chọn loại được ghép với nhau bằng gioăng cao su hoặc được hàn kín nơi mối ghép giữa các tấm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các loại TBTĐN dạng ống

Tùy theo nhu cầu thực tế cũng như công nghệ, có thể chia TBTĐN dạng ống thành 3 loại:

*TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng

TBTĐN ống lồng ống thẳng được sử dụng tương đối phổ biến trong công nghiệp Do nó có cấu tạo đơn giản, gồm có ống thẳng bên ngoài bao bọc ống thẳng bên trong Các ống trong nối với nhau bởi các cút cong, còn các ống bên ngoài được nối với nhau bởi các đầu chuyển hướng Chúng có thể lắp ghép bằng rắc co nối hoặc các bích nối tùy thuộc vào công suất của tải như Hình 2.1 bên dưới

Hình 2.1 Các module ống lồng ống thẳng đơn [9]

*TBTĐN dạng ống lồng ống cong, xoắn

Tùy thuộc vào hình dạng bên ngoài của TBTĐN dạng ống lồng ống cong, xoắn ta chia làm các loại sau:

TBTĐN dạng ống lồng ống xoắn tròn: Thiết bị này gồm các ống có kích thước lớn và nhỏ lồng vào nhau như Hình 2.2 Trong quá trình chế tạo, chúng được định vị sao cho đồng trục với nhau rồi sau đó được uốn cong Lưu ý, trong quá trình uốn cong phải tránh bị gãy khúc làm tắc dòng chuyển động ở trong ống Tuy công việc chế tạo phức tạp nhưng hiệu quả trao đổi nhiệt là khá cao và tiết kiệm được diện tích mặt bằng lắp đặt

Hình 2.2 TBTĐN dạng ống lồng ống xoắn tròn [9] Ở dạng này, hai loại lưu chất đều chuyển động cưỡng bức trong không gian rỗng giữa các ống với bán kính cong 𝑅 Lưu chất chuyển động bên trong do tác động của lực ly tâm nên hình thành một dòng tuần hoàn phụ, chuyển động mạnh hơn, làm tăng tính rối, kết quả là cường độ trao đổi nhiệt tăng lên nhiều hơn

TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse, hình vuông, hình chữ nhật xoắn:

+ TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse xoắn: Thiết bị này có cấu tạo tương tự như ống lồng ống xoắn tròn, tuy nhiên khi lồng vào nhau chúng được uốn theo khuôn dạng có hình elipse như Hình 2.3 Nhờ có biên dạng elipse cho nên dòng lưu chất dễ dàng chuyển động ở các vị trí ngoặc dòng chuyển hướng mà không bị cản trở Thiết bị có thể được bố trí trong không gian hẹp, ít chiếm diện tích mặt bằng

Hình 2.3 TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse xoắn [9]

+ TBTĐN dạng ống lồng ống hình vuông, hình chữ nhật xoắn: Trong một số trường hợp để các thiết bị được lắp đặt gọn gàng, phù hợp với không gian mặt bằng ở bên ngoài Lúc đó TBTĐN dạng ống lồng ống được chế tạo có biên dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật như Hình 2.4

Hình 2.4 TBTĐN dạng ống lồng ống hình vuông, hình chữ nhật xoắn [9] Đối với các loại thiết bị này, việc tạo rối của dòng lưu chất trong quá trình chuyển động sẽ lớn hơn, quá trình tỏa nhiệt đối lưu được tăng cường Lưu chất chuyển động bên trong ngoặc dòng đột ngột nhiều lần do các kích thước có định dạng khác nhau ngoặc tại các góc, kéo dài thời gian tiếp xúc của hai dòng lưu chất và hình thành một dòng tuần hoàn phụ Vì vậy, khả năng tạo rối và hiệu quả trao đổi nhiệt về phía hai môi chất được nâng lên

*TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn là một loại TBTĐN dạng ống lồng ống Những thiết bị này bao gồm cuộn dây xoắn ốc được đặt trong một vỏ, sử dụng trong các hệ thống lạnh dưới dạng bình ngưng hoặc bình bay hơi đồng tâm như Hình 2.5 Hiệu suất trao đổi nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn cao hơn TBTĐN ống lồng ống thẳng

Hình 2.5 TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn [10]

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

*Sơ đồ lưu động và cơ chế làm việc

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn có sơ đồ lưu động và cơ chế làm việc giống với TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng

Hình 2.6 Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động ngược chiều [9]

Dạng lưu động ngược chiều: Dòng nóng hơn đi ngang qua ống bên trong, còn vỏ bên ngoài chứa dòng lạnh như Hình 2.6 Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống hoạt động thông qua quá trình dẫn nhiệt, trong đó nhiệt lượng được truyền qua thành ống bên trong, vật liệu làm ống thường làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt như: Thép, nhôm, đồng,…

TBTĐN dạng ống lồng ống thường được sử dụng cho dòng chảy ngược chiều, trong đó các chất lỏng di chuyển theo các hướng ngược nhau

Hình 2.7 Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động thuận chiều [9]

Dạng lưu động thuận chiều: TBTĐN dạng ống lồng ống cũng có thể được sử dụng cho dòng chảy thuận chiều như Hình 2.7 Trong đó, cả hai chất lỏng chuyển động theo cùng một hướng nhưng dòng chảy ngược chiều có chế độ trao đổi nhiệt hiệu quả nhất

*Nhận xét về chế độ chuyển động thuận chiều và ngược chiều

- Cùng điều kiện nhiệt độ vào và nhiệt độ ra thì độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

∆𝑡̅̅̅ của lưu động ngược chiều lớn hơn thuận chiều Khi lưu động ngược chiều, độ chênh nhiệt độ hai phía của bề mặt truyền nhiệt tương đối đồng đều, còn lưu động thuận chiều thì phụ tải nhiệt trên bề mặt rất không đồng đều

- Khi bố trí lưu động thuận chiều, nhiệt độ đầu ra của chất lỏng t 2 ′′ luôn luôn nhỏ hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng t 1 ′′ Còn khi bố trí lưu động ngược chiều thì nhiệt độ ra của chất lỏng t 2 ′′ có thể thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng t 1 ′′ Nó tùy thuộc vào đương lượng nhiệt G c p của hai chất lỏng, ví dụ G 1 c p1 > G 2 c p2 thì nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh có thể cao hơn nhiệt độ chất lỏng nóng

- Bố trí lưu động ngược chiều cũng tồn tại nhiều khuyết điểm Vì nhiệt độ cao nhất của chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh (t 1 ′ và t 2 ′′ ) đều tập trung ở một đầu TBTĐN làm cho nhiệt độ vách kim loại ở đầu ấy rất cao dẫn đến giảm độ bền thiết bị và phát sinh sự cố

*Ưu và nhược điểm của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

- Có cấu tạo gọn, diện tích nhỏ

- Có hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn thiết bị ống lồng ống dạng thẳng, khả năng chịu lực và độ bền cao

- Bảo đảm kín, không rò rỉ

- Lưu lượng nhỏ do lưu chất chỉ chuyển động vào và ra trong một ống duy nhất

- Quá trình chế tạo tương đối khó khăn

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

- TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng gia nhiệt và làm mát như: Hệ thống thu hồi nhiệt, công nghiệp thực phẩm, nhà máy điện hạt nhân, xử lý hóa chất, máy nước nóng năng lượng mặt trời, các thiết bị làm lạnh (bình ngưng, bình bay hơi và điều hòa không khí)

- Sử dụng cho hệ thống thu hồi nhiệt thải trong chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC).

Hiện trạng các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

2.3.1 Các nghiên cứu ở Việt Nam

“Mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc bằng phần mềm Matlab” của nhóm tác giả Hồ Tấn Thành, Nguyễn Hoàng Thuận - Trường Đại học

Công nghiệp Thực phẩm TP HCM [11] Bài báo tập trung đưa ra quy trình tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt phổ biến (dạng ống xoắn và vỏ bọc) và mô phỏng quá trình tính toán thiết kế trên phần mềm MATLAB Nhiệt độ dòng nóng (chất tải nhiệt nóng), nhiệt độ dòng lạnh (chất tải nhiệt lạnh), loại chất tải nhiệt, lưu lượng dòng và loại thiết bị truyền nhiệt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán Mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt giúp tính toán hàng trăm phép tính khi có sự thay đổi của một thông số bất kỳ

Hình 2.8 Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc mà nhóm tác giả Hồ Tấn Thành,

Nguyễn Hoàng Thuận mô phỏng tính toán thiết kế

“Nghiên cứu tính toán quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống dạng xoắn” của tác giả Hồ Trần Anh Ngọc - Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng Bài báo này đưa ra phương pháp tính toán TBTĐN ống lồng ống dạng xoắn để có thể áp dụng tính

Hiện tại, các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong nước vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các nghiên cứu từ nước ngoài

2.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Kumar và cộng sự đã nghiên cứu các bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống xoắn bằng phương pháp số và thực nghiệm [12] Theo cách tiếp cận phương pháp số, phần mềm Ansys Fluent đã được sử dụng, trong đó phương pháp k − ε tiêu chuẩn được áp dụng để lập mô hình dòng chảy rối và cuối cùng các đặc tính về vận tốc và nhiệt độ đã được chứng minh Salimpour đã nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn [13] Vì sự thay đổi nhiệt độ của bộ trao đổi nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất của chất lỏng nên nó cũng sẽ ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt Salimpour đã đánh giá độ nhớt, độ dẫn nhiệt, công suất và mật độ cụ thể bằng cách xem chất lỏng hoạt động trong ống (dầu) là hàm số của nhiệt độ Ở nhiệt độ chất lỏng đầu vào là 70 ℃, hệ số Prandtl được đặt ở trong mối tương quan Dravid và cộng sự và kết quả của nghiên cứu này (thông số thay đổi) được so sánh với kết quả của Dravid và cộng sự (thông số cố định)

Jayakumar và cộng sự đã kiểm tra sự truyền nhiệt trong cuộn xoắn ốc với điều kiện biên là nhiệt độ không đổi và dòng nhiệt không đổi trong tường [14] Kết quả chỉ ra rằng bước xoắn chỉ có hiệu quả ở khu vực đang phát triển và hệ số Nusselt cục bộ phụ thuộc vào bước xoắn khi xảy ra hiện tượng xoắn trong dòng chảy Điều đáng nói là hệ số Nusselt trung bình không phụ thuộc vào bước xoắn Trong một nghiên cứu khác, Jayakumar đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn và trình bày mối tương quan để tính hệ số truyền nhiệt trong ống

Hashemi và Behabadi đã nghiên cứu dòng chất lỏng nano bên trong cuộn xoắn ốc trong điều kiện biên nhiệt độ không đổi [15] Năm 1995, Choi lần đầu tiên giới thiệu nanofuid như một môi trường mới để truyền nhiệt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne Chất lỏng nano thu được bằng cách khuấy các hạt nano trong chất lỏng truyền nhiệt thông thường và được sử dụng phổ biến, được gọi là chất lỏng cơ bản,…

Ngoài ra, còn rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm, các kết quả được đăng trên các trang tạp chí khoa học uy tín.

Giới thiệu về bài báo liên quan

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều bài báo nói về nghiên cứu mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trong các TBTĐN và chủ yếu là các bài báo từ nước ngoài Chúng ta có thể dễ dàng tra cứu trên trang https://link.springer.com với các từ khóa liên quan đến “Shell and coil heat exchanger” sẽ cho ra rất nhiều kết quả về các bài nghiên cứu mô phỏng của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Trong nội dung đồ án này, chúng em có tham khảo một bài báo của Iran Cụ thể là bài báo của nhóm tác giả: Mohammad Zaboli, Seyed Soheil Mousavi Ajarostaghi, Mehdi Noorbakhsh và Mojtaba Aghajani Delavar với tiêu đề là: “Effects of geometrical and operational parameters on heat transfer and fluid flow of three various water based nanofluids in a shell and coil tube heat exchanger”, hiểu nôm na theo nghĩa tiếng Việt là:

“Ảnh hưởng của các thông số hình học và vận hành đến sự truyền nhiệt và dòng chảy của ba chất lỏng nano gốc nước khác nhau trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn”.

Công thức tính toán thực tế TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Nhóm chúng em sẽ sử dụng cơ sở lý thuyết mà bài báo đưa ra kết hợp cơ sở lý thuyết từ sách “Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt” của tác giả Hoàng Đình Tín, NXB Đại học Quốc Gia TP HCM, 2013

Các công thức tính toán cho TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn về cơ bản giống với công thức tính toán cho TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng Tuy nhiên, đối với TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn, khi lưu chất chuyển động trong ống cong, do tác dụng của lực ly tâm sẽ gây nên chảy vòng phụ trên mặt cắt Bán kính cong r td càng lớn, tác dụng của lực ly tâm càng nhỏ; khi r td = ∞ cũng chính là ống thẳng, lực ly tâm bằng 0 Do sự xuất hiện của hiện tượng chảy vòng phụ khiến cho lưu chất bị nhiễu loạn kịch liệt, kết quả làm tăng hệ số tỏa nhiệt α Để xét đến ảnh hưởng này, chúng ta vẫn có thể dùng công thức của ống thẳng, nhưng kết quả nhận được cần phải nhân thêm với hệ số hiệu chỉnh độ cong ε R đối với trường hợp lưu chất chuyển động trong ống cong ở chế độ chảy rối Còn khi lưu chất chuyển động trong ống cong ở chế độ chảy tầng, chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của lực ly tâm này

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn mà nhóm chúng em khảo sát thuộc trường hợp lưu động ngược chiều và ở chế độ chảy tầng Khi tính toán cho các trường hợp đang khảo sát trong đồ án này, chúng ta chỉ quan tâm đến công thức tính toán cho lưu chất đi bên trong ống xoắn ở chế độ chảy tầng

*Tính nhiệt lượng 𝑄 theo phương trình cân bằng nhiệt

G 1 c p1 , ℃ Với: Q (W) là nhiệt lượng trao đổi của thiết bị; c p1 , c p2 (J/(kg ℃)) là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất nóng và lưu chất lạnh; t 1 ′ , t 1 ′′ (℃) lần lượt là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng; t 2 ′ , t 2 ′′ (℃) lần lượt là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh

*Tính ∆𝑡̅̅̅ trung bình theo sơ đồ lưu động ngược chiều

Hình 2.9 Sơ đồ lưu động ngược chiều của thiết bị TĐN dạng ống lồng ống [16]

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

2 (t 2 ′ + t 2 ′′ ) , ℃ Vận tốc của lưu chất nóng đi trong ống xoắn: ω 1 =

Với: ω 1 (m/s) là vận tốc của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn; G 1 (kg/s) là lưu lượng khối lượng của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn; d 1 (m) là đường kính trong của ống xoắn; V (lít/phút) là lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng

*Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu 𝛼 1

Xác định hệ số Reynolds:

Re 1 = ω 1 d 1 ν 1 [2.4] Ở chế độ chảy tầng của chất lỏng (Re < 2300), hệ số Nusselt được tính bởi công thức:

Với: ε L là hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng

Nếu tỷ số chiều dài của ống xoắn trên đường kính trong của ống xoắn l/d 1 > 50 thì có thể bỏ qua không cần xét đến ảnh hưởng này Nếu l/d 1 < 50 thì α 1 được tính theo công thức [2.7] cần phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng ε L như trong Bảng 2.1 bên dưới

Bảng 2.1 Trị số ε L khi chảy tầng

Chọn nhiệt độ vách tường bên trong của ống xoắn t w1 : t w1 = 1

Từ đó suy ra: α 1 = λ 1 d 1 Nu 1 , W/(m 2 ℃) [2.7]

Với: Re 1 là hệ số Reynolds của lưu chất trong ống xoắn; ν 1 (m 2 /s) là độ nhớt động học của lưu chất đi trong ống xoắn; Nu 1 là hệ số Nusselt của lưu chất đi trong ống xoắn;

Pr 1 là hệ số Prandtl của lưu chất đi trong ống xoắn; Pr w1 là hệ số Prandtl của vách trong ống xoắn; t w1 (℃) là nhiệt độ vách bên trong của ống xoắn; α 1 (W/(m 2 ℃)) là hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất đi trong ống xoắn; λ 1 (W/(m ℃)) là hệ số dẫn nhiệt của lưu chất đi trong ống xoắn

*Công thức dùng trong tính toán TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Chiều dài của cuộn ống xoắn được tính bởi công thức từ bài báo: l = H

Với: l (m) là chiều dài của cuộn ống xoắn, H (m) là chiều cao xoắn, P c (m) là bước xoắn, D c (m) là đường kính xoắn

Diện tích của cuộn ống xoắn:

Với: F (m 2 ) là diện tích truyền nhiệt của thiết bị, d 1 (m) là đường kính trong của ống xoắn

Vì đây bài toán mô phỏng không phụ thuộc vào thời gian (Steady) nên dòng nhiệt từ lưu chất nóng truyền qua thành ống xoắn ổn định do đó hệ số truyền nhiệt k của thiết bị: k = α 1 , W/(m 2 ℃) [2.10]

*Tính trở kháng thủy lực của TBTĐN Ở đây chúng ta chỉ xét đến tổn thất áp suất bên trong phía ống xoắn, còn tổn thất phía vỏ chúng ta không xét đến: Δp = ρ 1 g h loss , N/m 2 [2.11] Trong đó: h loss = h loss,flow + h loss,local = ξ l d 1 ω 1 2

Trong đó: d 1 (m) là đường kính trong của ống tròn, nếu ống không tròn ta dùng đường kính tương đương; l (m) là tổng chiều dài ống, ρ 1 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của lưu chất nóng, ξ là hệ số ma sát và là đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào đặc tính thủy động của dòng chảy, độ thô nhám và hình dạng kết cấu của bề mặt ống, ω 1 (m/s) là vận tốc trung bình của dòng lưu chất nóng.

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD

Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD

Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp mô phỏng động lực học chất lưu, mô phỏng CFD sử dụng phương pháp số để giải quyết các bài toán liên quan đến dòng chảy của chất lưu Các phương trình mô tả dòng chảy thường rất phức tạp mà chúng ta khó có thể giải bằng tay, điển hình là phương trình Navier Stokes - một trong 6 bài toán thiên niên kỷ hiện giờ vẫn chưa có ai giải ra được Do đó, chúng ta dùng phương pháp mô phỏng CFD để hiểu rõ về bản chất của dòng chảy và các tác động của nó tới quá trình khảo sát

Hình 3.1 Tổng quan về CFD [17]

Vì CFD có rất nhiều lợi thế nên nó thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như: Hàng không vũ trụ, ô tô, y sinh, xử lý hóa chất, điều hòa không khí, thủy lực,…

- Ứng dụng trong ngành hàng không và vũ trụ: Mô phỏng CFD được sử dụng nhằm tối ưu hóa biên dạng cánh của máy bay giúp tăng lực nâng và giảm hoặc giữ nguyên lực cản của không khí khi máy bay vận hành

Hình 3.2 Mô phỏng biên dạng cánh máy bay [18]

- Ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô: Dùng để mô phỏng dòng khí chuyển động xung quanh ô tô từ đó đưa ra thiết kế hình dạng thích hợp cho chúng

- Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng: Dùng để mô phỏng các số liệu trong tòa nhà

Ví dụ: Hệ thống thông gió, hệ thống sưởi ấm, hệ thống điều hòa không khí, Trong điều hòa không khí CFD được dùng để đánh giá chất lượng của không khí

Hình 3.3 Mô phỏng trường nhiệt độ với CFD [19]

- Hệ thống hóa chất và dầu khí: Mô phỏng thiết bị phản ứng, tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt

- Thiết bị công nghiệp: Bơm, quạt, máy nén, tuabin, 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

Hình 3.4 Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD [17]

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

Các phương trình toán học của chuyển động chất lưu đã phát triển trong khoảng hai thế kỷ Đầu tiên, phương trình Euler mô tả chuyển động của chất lưu dựa trên các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng Phương trình Navier Stokes mô tả chuyển động của chất lưu dựa trên ứng suất căng với phương trình Euler Phương trình Navier Stokes là công thức toán học của các định luật bảo toàn của động lực học chất lưu (CFD) Khi áp dụng cho một chất lưu liên tục, các định luật bảo toàn này quy định tốc độ thay đổi của một đặc tính chất lưu mong muốn đối với các lực bên ngoài

Phương trình Navier Stokes được xây dựng từ các định luật bảo toàn về khối lượng, động lượng và năng lượng được viết cho một thể tích đang xem xét bất kỳ Áp dụng các định luật bảo toàn về khối lượng, động lượng và năng lượng, chúng ta có thể suy ra được phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng như sau:

*Phương trình liên tục [20] Định luật bảo toàn khối lượng (tính liên tục), phát biểu rằng khối lượng đi vào và đi ra phải bằng nhau

∂t+ ∇(ρυ⃗ ) = 0 [3.1] Với: ρ (kg/m 3 ) là khối lượng riêng, t (s) là thời gian, υ⃗ là vận tốc dòng chảy

*Phương trình động lượng [20] Định luật bảo toàn động lượng (định luật II Newton), phát biểu rằng độ lớn ngoại lực tác dụng lên một hạt chất lưu bằng tốc độ thay đổi theo động lượng tuyến tính

∂x j )] + ρg i [3.2] Với: j (m) - chỉ số tọa độ Descartes; δ - the Kronecker Delta; μ ((N s)/m 2 )– độ nhớt động lực học; g (m/s 2 ) - gia tốc trọng trường

∂z(∇ u⃗ ) [3.5] Kết hợp các phương trình theo các phương x,y,z ta được dạng phương trình Navier Stockes tổng hợp: ρ ∂u ⃗⃗

Sử dụng độ nhớt động học ν = μ/ρ, phương trình trở thành:

3.2.2 Các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán

Ta có 3 phương pháp thường gặp gồm: Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM), phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM), phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) Các phương pháp này dùng để rời rạc hóa cấu trúc của mô hình nhằm chia miền không gian và thời gian thành các phần tử lưới Để hiểu rõ hơn về các phương pháp trên, Hình 3.5 mô tả 3 phương pháp rời rạc hóa miền không gian

Phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp thể tích hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn,… là những khái niệm rất thường gặp khi đọc các tài liệu CFD Ngoài 3 phương pháp trên còn có nhiều phương pháp khác nữa, tuy nhiên nhóm chúng em chỉ đề cập đến các phương pháp phổ biến này

Hình 3.5 Phương pháp rời rạc hóa miền không gian

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Là phương pháp phổ biến để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học Các lĩnh vực được quan tâm bao gồm phân tích cấu trúc, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ, chia miền dòng chảy thành các ô nhỏ, Kết quả sau khi giải các miền này là một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút

Phương pháp phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán cơ học để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể Ngoài ra, còn dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng Trong mô phỏng cấu trúc, FEM (phương pháp phần tử hữu hạn) giúp rất nhiều trong việc tạo ra độ cứng, ứng suất và cũng như trong việc giảm thiểu trọng lượng, vật liệu và chi phí

Hình 3.6 Một số ứng dụng của FEM trong vật liệu tổng hợp ngành hàng không

Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM): Là phương pháp số để giải phương trình vi phân bằng cách xấp xỉ chúng với các phương trình khác Dùng chuyển đổi phương trình vi phân thông thường hoặc phương trình đạo hàm riêng, có thể là phi tuyến tính thành một hệ phương trình tuyến tính được giải bằng kỹ thuật đại số ma trận

Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM): Là phương pháp rời rạc phương trình đạo hàm riêng, đặc biệt là phát triển từ các định luật bảo toàn trong vật lý Phương pháp này đánh giá các phương trình vi phân từng phần theo hình thức phương trình đại số Trong phương pháp thể tích hữu hạn, tích phân thể tích trong phương trình vi phân riêng có chứa số hạng phân kỳ được chuyển thành tích phân bề mặt, sử dụng định lý phân kỳ Các số hạng này sau đó được đánh giá như là các thông lượng tại các bề mặt của mỗi thể tích hữu hạn Trong bài nghiên cứu này, chúng ta chọn phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) để rời rạc hóa miền tính toán thành nhiều thành phần thể tích nhỏ, rời rạc hóa phương trình vi phân toàn phần phi tuyến thành hệ phương trình tuyến tính để giải quyết bài toán mô phỏng.

Giới thiệu về phần mềm ANSYS

ANSYS WORKBENCH là phần mềm bậc cao dùng để mô phỏng, kiểm tra nhiều ứng dụng và hiện tượng thực tế dựa trên việc chia lưới theo phương pháp thể tích hữu hạn Module ANSYS FLUENT được lập trình theo các phương trình cơ bản của dòng chất lưu Các thông số trong cài đặt chính giúp chúng ta khép kín được các ràng buộc để ANSYS tính toán Chúng ta có thể thiết kế mô hình 2D, 3D hoặc chuyển đổi từ các phần mềm khác vô cùng linh hoạt Từ đó, chúng ta có thể biết được vận tốc, nhiệt độ, áp suất cũng như ảnh hưởng của các biên dạng lên dòng chảy

ANSYS Design Modeler và ANSYS Meshing là hai module quan trọng mà chúng ta khi bắt đầu làm việc với ANSYS phải tiếp xúc với nó Tiếp theo là module Setup và Solution nơi điều chỉnh và nhập các thông số liên quan tới Geometry như chất liệu, vận tốc, nhiệt độ,… Đưa ra kết quả số liệu sau khi thực hiện mô phỏng

Cuối cùng là CFD Post, module này dùng để xử lý kết quả của mô phỏng, cũng chính là bước cuối cùng khi thực hiện mô phỏng với ANSYS

Hình 3.7 Giao diện của phần mềm 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,…

Hiện tại, module mà chúng ta cần quan tâm là Fluid Flow (Fluent) để thực hiện mô phỏng dòng chảy trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Hình 3.8 Giao diện của module Fluid Flow (Fluent)

Trên hình giao diện của module phần mềm khá đơn giản, dễ dàng thấy được để tiến tới quy trình mô phỏng hoàn chỉnh cần thực hiện các bước thứ tự như trên hình Đầu tiên là tạo khối Geometry, chúng ta có thể thực hiện trực tiếp trên giao diện WORKBENCH hoặc lựa chọn Import nhập mô hình chúng ta đã tạo trước đó trên các phần mềm khác như Solidworks, AutoCAD,…

Hình 3.9 Giao diện của Geometry Design Modeler

Geometry thực hiện tạo mô hình trên không gian 3D với 3 mặt phẳng lựa chọn XY-Plane, ZX-Plane, YZ-Plane Tiếp sau phần tạo Geometry trên giao diện WORKBENCH là phần tạo lưới Meshing Cũng tương tự như Geometry, giao diện Meshing được tối ưu hóa dễ nhìn cho người sử dụng

Hình 3.10 Giao diện của phần tạo lưới Meshing Để tạo lưới trước đó cần tạo Geometry hoặc nhập Geometry đã vẽ từ phần mềm khác vào sau đó mới có thể thực hiện được tạo lưới Ngoài việc tạo lưới trên màn hình chính WORKBENCH, chúng ta cũng có thể dùng một trong những module khác của ANSYS là ICEM CFD để tạo lưới Tuy nhiên, tạo lưới ngay trên WORKBENCH sẽ đơn giản hơn

Hình 3.11 Lưới được chia trên Meshing

Tiếp theo là phần Setup và Solution nơi chúng ta thiết lập các điều kiện biên, gán các thuộc tính vật liệu, cũng như chọn phương pháp giải phù hợp với từng bài toán cụ thể,…

Hình 3.12 Giao diện của Fluent Launcher khi mở Setup

Trong phần giao diện chính của phần Setup, chúng ta có một số phần cần quan tâm đến như General dùng thiết lập thông số và phương pháp khi mô phỏng; lệnh Model nhằm thiết lập; lựa chọn bài toán sử dụng cho mô phỏng như: Laminar, k-epsilon,…

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

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

- Mục Boundary Conditions thiết lập các thông số đầu vào và ra của dòng chất lỏng

Hình 3.13 Giao diện chính khi thực hiện Setup

- Mục Solution đưa ra các sự lựa chọn về phương pháp tính toán và thiết lập cũng như đưa ra kết quả số học sau khi thực hiện tính toán xong

Hình 3.14 Giao diện của mục Solution

Phần cuối cùng là Results được tạo riêng trên module CFD Post, nơi trình bày kết quả sau khi giải quyết các vấn đề trên và được trình bày bằng hình ảnh mô phỏng hoàn chỉnh về nhiệt độ, vận tốc,… Cũng như xuất số liệu ra dạng số và dạng biểu đồ.

Các bước mô phỏng

Các bước mô phỏng cơ bản bao gồm các bước sau:

- Bước 1: Tạo dựng mô hình và xử lý hình học được thực hiện trên phần mềm Solidworks, Workbench và một số phần mềm khác

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

- Bước 3: Thiết lập thông số của mô hình và phương pháp giải

- Bước 5: Kiểm tra hội tụ của lưới, nếu kiểm tra thấy lưới không hội tụ bắt buộc phải chia lại lưới và các điều kiện biên, nếu không kết quả mô phỏng sẽ sai số rất lớn so với thực tế

- Bước 6: Sau khi đã kiểm tra lưới hội tụ, thực hiện mô phỏng các trường hợp khác nhau, xử lý kết quả và làm bản báo cáo kết quả mô phỏng.

Phương pháp chia lưới

Mục đích của việc chia lưới là để chuyển phương trình vi phân toàn phần phi tuyến tính chuyển sang hệ phương trình tuyến tính Như vậy, chia lưới có thể nói là phần quan trọng nhất trong cả quá trình mô phỏng, muốn kết quả đưa ra được chính xác lưới phải đủ tốt để nắm bắt được những chuyển động của dòng chảy

Mesh Quality là chỉ số đánh giá chất lượng lưới, ảnh hưởng đến kết quả phân tích của quá trình mô phỏng Chất lượng lưới được xác định bằng một trong những thông số đại diện sau đây: Smoothness, Skewness, Orthogonal Quality, Aspect Ratio [21] Đầu tiên là Smoothness độ mượt của lưới, trong lưới chất lượng cao, sự thay đổi kích thước từ mặt này hoặc ô tiếp theo phải thay đổi một cách từ từ Kích thước không thể chênh lệnh quá đột ngột mà phải thay đổi một cách chậm rãi từ nhỏ đến lớn

Hình 3.16 Lưới mịn và lưới không có độ mịn [22]

- Aspect Ratio: Là tỷ số giữa độ dài cạnh dài nhất với độ dài cạnh ngắn nhất Tỷ lệ khung hình áp dụng cho các phần tử tam giác, tứ diện, hình chữ nhật và lục diện và được xác định khác nhau cho từng loại phần tử

- Skewness: Độ xiên là một trong những thước đo chất lượng chính của lưới, độ xiên xác định mức độ của lưới như thế nào so với mức lý tưởng

Hình 3.17 Các dạng lưới có độ xiên khác nhau [23]

3.5.2 Lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc

Lưới có cấu trúc có độ chính xác cao và có thể tự quản lý được lưới Lưới có cấu trúc là lưới có tám điểm góc nút trong ba chiều và được đặc trưng bởi kết nối đều đặn Mỗi đối tượng được xác định bởi một vectơ chỉ số duy nhất (i, j, k) biểu thị các tọa độ trong một hệ tọa độ của toàn khối Các đối tượng lân cận được xác định bằng cách cộng hoặc trừ 1 với một trong ba chỉ số Do đó, các vùng lân cận của mỗi ô có thể dễ dàng được xác định bằng các vectơ vị trí liền kề về mặt cấu trúc liên kết

Hình 3.18 Chia lưới cấu trúc theo các trục [24]

Lưới có cấu trúc cấu tạo từ những khối có vị trí rõ ràng, các mắt lưới mang lại sự đơn giản và hiệu quả Bên cạnh đó, đa số các lưới có cấu trúc được tạo thành có chất lượng lưới thường cao hơn và các bước tính toán trong mô phỏng sẽ chính xác hơn

Tuy nhiên, lưới có cấu trúc sẽ sử dụng nhiều tài nguyên của máy tính Khi chạy dữ liệu mô phỏng cho mô hình sử dụng thời gian xử lý kết quả sẽ lâu hơn so với lưới không có cấu trúc

Hình 3.19 Lưới có cấu trúc và không có cấu trúc [25]

*Lưới không có cấu trúc

Lưới không có cấu trúc là lưới có các vị trí khớp nối - nơi các phần tử kết nối với nhau không chính xác, các phần tử lưới không có cấu trúc thông thường sẽ được cấu thành từ những hình tứ diện Lưới không có cấu trúc thường được xác định bằng kết nối không đều, cấu trúc dựa trên cạnh, dựa trên mặt hoặc dựa trên ô để giữ sơ đồ kết nối Một nút của ô có thể được kết nối với bất kỳ số lượng nút nào từ các nút lân cận của nó, tức là số lượng nút kết nối với nó nhiều hơn gấp nhiều lần so với lưới có cấu trúc dẫn đến việc hình dạng của các phần tử bị thay đổi ảnh hưởng đến các chỉ số như: Smoothness, Skewness, Aspect Ratio, điều này có thể dẫn đến các phụ thuộc kết nối phức tạp

Hình 3.20 Lưới không cấu trúc [25]

Trong bài nghiên cứu này, vì lý do TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn khá phức tạp và để đảm bảo kết quả mô phỏng được chính xác, cho nên chúng em kết hợp chia cả hai loại lưới không cấu trúc và cấu trúc Cụ thể phần lưu chất đi trong ống xoắn và đi bên ngoài vỏ được chia theo loại lưới không cấu trúc; phần thành ống xoắn được chia theo loại lưới cấu trúc và được chia làm nhiều lớp.

Phương pháp giải

Lựa chọn một trong hai phương pháp giải (Solver) là Pressure-Based hoặc Density- Based:

- Density-Based là phương pháp giải dựa trên mật độ

- Pressure-Based là phương pháp giải dựa trên áp suất

Các phương pháp dựa trên áp suất ban đầu được phát triển cho các dòng chảy không nén được, sau đó đã được mở rộng để giải quyết một loạt các điều kiện dòng chảy bao gồm cả các dòng tốc độ có thể nén được Ngược lại, đối với phương pháp dựa trên mật độ bắt nguồn từ ngành hàng không để mô phỏng các dòng chảy có thể nén được Là phương pháp chủ đạo được sử dụng trong việc mô phỏng các dòng chuyển động và siêu âm, đặc biệt là trong các ứng dụng khí động học

Hiện nay, mặc dù bộ giải Pressure-Based và Density-Based đều đã được cải thiện để giải cả đối với dòng nén được và không nén được Nhưng xét về tổng thể nếu chúng ta muốn giải quyết bài toán liên quan đến chất lỏng thì nên ưu tiên lựa chọn phương pháp Pressure-Based và ngược lại Đối với dòng khí động lực học thì ưu tiên lựa chọn phương pháp Density-Based Trong bài nghiên cứu này, liên quan đến chất lỏng nên chúng ta chọn phương pháp Pressure-Based để giải quyết bài toán

Hình 3.21 Bộ giải Pressure-Based được thiết lập cho mô hình

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

Thiết lập mô hình cần mô phỏng (Geometry)

Trong đồ án thực hiện mô phỏng mô hình TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn Mô hình này sử dụng dạng lưu động ngược chiều, các thông số hình học và điều kiện biên được thiết lập theo bài báo khoa học Kích thước của mô hình TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn được dựng như Hình 4.1 và Hình 4.2 bên dưới Phần mềm được sử dụng để mô phỏng là phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2

Hình 4.1 Kích thước TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Thông số hình học của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn được sử dụng để mô phỏng được ghi lại trong Bảng 4.1 Chúng ta chỉ xét đến quá trình trao đổi nhiệt lượng giữa lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn và lưu chất lạnh đi bên trong vỏ Ngoài ra, vỏ bên ngoài còn được bọc cách nhiệt lý tưởng theo tham khảo từ bài báo, vậy nên đường kính ngoài của vỏ sẽ không xét đến:

Bảng 4.1 Bảng thông số hình học mô hình TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn (Mô hình 1)

STT Thông số hình học Kích thước

3 Đường kính đầu vào và đầu ra của vỏ d sh 0,05

4 Đường kính trong của ống xoắn d 1 0,016

5 Đường kính ngoài của ống xoắn d 2 0,018

Trong quá trình thực hiện mô phỏng, nhóm đã thực hiện khảo sát ảnh hưởng của nhiều yếu tố bao gồm: lưu lượng, bước xoắn, sử dụng chất lỏng nanofluid đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị Để thuận tiện trong quá trình tính toán cũng như xuất kết quả, chúng ta thống nhất đặt tên cho thiết bị trao đổi nhiệt có các thông số hình học như trong Bảng 4.1 là mô hình 1 Tương tự cho những mô hình khác và các thông số hình học của chúng sẽ được đề cập trong những nội dung tiếp theo.

Chia lưới (Meshing)

Đối với các mô hình được tạo ra, việc chia lưới được thực hiện với sự trợ giúp của module Meshing có trong ANSYS WORKBENCH Trong mô hình TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn, lưới được chia theo cả hai phương pháp cấu trúc và không cấu trúc được tập trung gia tăng số lớp lưới ở phần trao đổi nhiệt giữa hai phía lưu chất Bề mặt trao đổi nhiệt của ống xoắn cũng được quan tâm và gia tăng số lượng các lớp lưới nhằm đảm bảo khả năng hội tụ của lưới cũng như chất lượng của lưới Nhằm mục đích đảm bảo tăng độ chính xác kết quả thu được cho các bước tiếp theo của quá trình mô phỏng Phần lưu chất nóng đi trong ống xoắn và lưu chất lạnh đi bên trong vỏ được chia theo loại lưới tứ diện Tetrahedral; phần thành ống xoắn được chia theo loại lưới lục diện Hexahedra Việc kết hợp chia hai loại lưới này, giúp kết quả mô phỏng sẽ chính xác hơn và tiết kiệm thời gian hơn

Hình 4.3 Phần lưu chất phía vỏ và phía ống xoắn được chia theo loại lưới tứ diện

Hình 4.4 Phần thành ống xoắn được chia theo loại lưới lục diện có cấu trúc

Hình 4.5 Mặt cắt lớp lưới bên trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Chất lượng lưới ảnh hưởng rất lớn đến sự hội tụ cũng như độ chính xác của bài toán mô phỏng Để đánh giá chất lượng lưới theo phương pháp thể tích hữu hạn trong FLUENT đưa ra các chỉ số: Element Quality, Aspect Ratio, Jacobian Ratio, Gaus Points, Warping Factor, Parallel Deviation, Maximum Corner Angle, Skewness, Orthogonal Quality, Characteristic Length Trong phần mềm mô phỏng, quan tâm nhiều nhất đến 2 chỉ số là Orthogonal Quality và Skewness

Các chỉ số này ảnh hưởng nhiều đến khả năng hội tụ của lưới và độ chính xác của kết quả mô phỏng Chỉ số Orthogonal Quality đánh giá độ trực giao của phần tử lưới so với phần tử tiêu chuẩn Chỉ số Skewness đánh giá độ xiên góc của phần tử lưới so với phần tử tiêu chuẩn Phổ giá trị của chỉ số Orthogonal Quality và Skewness theo hướng dẫn của ANSYS FLUENT được minh họa như trong Hình 4.6 bên dưới

Hình 4.6 Phổ giá trị của chỉ số Orthogonal Quality và Skewness Để đảm bảo yêu cầu hội tụ của bài toán mô phỏng, chỉ số Average Orthogonal Quality tối thiểu phải đạt ở mức trên 0,15 tiến đến 1 là mức tạm chấp nhận tiến đến mức xuất sắc Chỉ số Average Skewness tối thiểu phải ở trong khoảng 0,94 tiến đến 0 tức là mức tạm chấp nhận tiến đến mức xuất sắc

Trong quá trình mô phỏng, nhóm chúng em đã tạo ra nhiều lưới với số lượng phần tử khác nhau Tuy nhiên, nhóm chúng em chỉ chọn ra 3 lưới có chất lượng tốt nhất với số lượng phần tử tương đối nhằm tiết kiệm được thời gian và tài nguyên sử dụng trên máy tính khi thực hiện chạy mô phỏng Các kết quả về chỉ tiêu đánh giá độ hội tụ được trình bày trong Bảng 4.2

Bảng 4.2 Bảng chỉ tiêu đánh giá lưới đã tạo

Lưới Số phần tử Average Orthogonal Quality Average Skewness Đánh giá

Dựa vào Bảng 4.2 để đánh giá chất lượng lưới ở trên trong số tất cả các lưới đã được tạo thì dựa vào chỉ số đánh giá chất lượng lưới nhận thấy có 3 lưới lần lượt là lưới xấp xỉ 2,5 triệu phần tử gọi là lưới M1; lưới xấp xỉ 2,7 triệu phần tử gọi là lưới M2 và lưới xấp xỉ 3,0 triệu phần tử gọi là lưới M3 đều có chất lượng lưới khá tốt Cho thấy khả năng hội tụ của lưới khi chạy sẽ khá cao và sẽ được sử dụng để thực hiện chạy mô phỏng Như trong Bảng 4.2, cả ba lưới được lựa chọn đều có chỉ số Average Orthogonal Quality và Average Skewness đều nằm trong mức được đánh giá là rất tốt, điều này cho thấy khả năng hội tụ lưới khi tiến hành mô phỏng sẽ rất cao và nhanh hơn

- Lưới M1 được chia theo kiểu kết hợp giữa cấu trúc và không có cấu trúc, các phần tử lưới thuộc loại Tetrahedral có 4 mặt và Hexahedra có 6 mặt

Hình 4.7 Chất lượng của lưới M1

- Lưới M2 được chia theo kiểu kết hợp giữa cấu trúc và không có cấu trúc, các phần tử lưới thuộc loại Tetrahedral có 4 mặt và Hexahedra có 6 mặt

Hình 4.8 Chất lượng của lưới M2

- Lưới M3 được chia theo kiểu kết hợp giữa cấu trúc và không có cấu trúc, các phần tử lưới thuộc loại Tetrahedral có 4 mặt và Hexahedra có 6 mặt

Hình 4.9 Chất lượng của lưới M3

Thiết lập các thông số vật lý

Vật liệu vỏ của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn mà nhóm chúng em thực hiện mô phỏng là Plexiglass (có tên gọi khác là Acrylic hay Mica) Đây là loại thủy tinh hữu cơ trong suốt và thường dùng ở dạng tấm hoặc miếng để thay thế cho kính và thủy tinh nhờ ưu điểm nhẹ, khó vỡ, khả năng chịu lực tốt và độ bền cao hơn so với thủy tinh và có trọng lượng nhẹ hơn Thông số vật lý của Plexiglass được trình bày trong Bảng 4.3

Bảng 4.3 Bảng thông số vật lý của Plexiglass (Mica)

STT Thông số Giá trị

1 Khối lượng riêng ρ (Density) 1180 kg/m 3

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp c p (Specific heat) 1460 J/(kg ℃)

3 Hệ số dẫn nhiệt λ (Thermal conductivity) 0,21 W/(m ℃)

Bảng 4.4 Bảng thông số vật lý của nước ở 25 ℃

Bảng 4.4 thể hiện thông số vật lý của nước ở 25 ℃ với các thông số nhiệt vật lý cơ bản bao gồm: khối lượng riêng, nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt động lực học Đây là thông số vật lý của nước được lưu mặc định trong ANSYS WORKBENCH Các thông số nhiệt vật lý này sẽ thay đổi theo nhiệt độ trong quá trình mô phỏng, ANSYS sẽ tự động hiểu và tính toán các thông số tại nhiệt độ mới dựa vào các thông số vật lý tại nhiệt độ 25 ℃

Vật liệu ống xoắn được làm bằng đồng, các thông số vật lý của đồng trong Bảng 4.5 được trích xuất từ dữ liệu trong Fluent Database của phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2

Bảng 4.5 Bảng thông số vật lý của đồng (Copper)

STT Thông số Giá trị

1 Khối lượng riêng ρ (Density) 8978 kg/m 3

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp c p (Specific heat) 381 J/(kg ℃)

3 Hệ số dẫn nhiệt λ (Thermal conductivity) 387,6 W/(m ℃)

STT Thông số Giá trị

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

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp c p (Specific heat) 4182 J/(kg ℃)

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

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

Trong Bảng 4.6 bên dưới tóm tắt các thông số đầu vào của từng loại lưu chất, nhiệt độ, vận tốc cũng như vật liệu của vỏ và ống cho các mô hình

Bảng 4.6 Các thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng

STT Biến số Loại lưu chất/vật liệu Giá trị

1 Lưu chất lạnh trong vỏ Nước -

2 Lưu chất nóng trong ống xoắn Nước -

3 Nhiệt độ đầu vào của lưu chất lạnh t 2 ′ - 20 ℃

4 Nhiệt độ đầu vào của lưu chất nóng t 1 ′ - 50 ℃

5 Vận tốc đầu vào của lưu chất lạnh ω 2 - 0,008 m/s

6 Vận tốc đầu vào của lưu chất nóng ω 1 - Phụ thuộc V

8 Vật liệu ống xoắn Đồng -

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả hội tụ của lưới

*Xét sự hội tụ của lưới bằng Residuals Ở chương 4, chúng ta đã tiến hành thực hiện chia nhiều lưới với số lượng phần tử khác nhau và áp dụng các chỉ số đánh giá chất lượng của lưới, kết quả cuối cùng số lưới được đánh giá cao có chất lượng tốt hơn so với những lưới khác lần lượt lưới có 2.506.434 phần tử là lưới M1; lưới có 2.702.712 phần tử tức lưới M2; lưới có 3.014.240 phần tử là lưới M3 Sau khi tiến hành chạy mô phỏng cả 3 lưới, chúng ta nhận được kết quả, ở đây chúng ta sẽ tiếp tục xét và lựa chọn ra lưới hội tụ tốt nhất để được kết quả mô phỏng chính xác nhất Chúng ta sẽ xem xét về hình dạng Profile nhiệt độ và vận tốc của lưu chất đi trong ống, chỉ số Residuals và các vấn đề liên quan

Hình 5.1 Vị trí xét Profile nhiệt độ tại 1 điểm trong mô hình

Khi tiến hành chạy mô phỏng chúng ta lựa chọn một điểm nơi lưu chất đi qua, ở đây chúng ta chọn điểm (x;y;z) = (0;0;0) như trong Hình 5.1 nằm trên đường đi của lưu chất để xem xét về nhiệt độ tại điểm đó cùng với chỉ số Residuals

Residuals có nghĩa tiếng Việt là “phần dư” là một trong những thước đo cơ bản nhất của hội tụ nghiệm giải lặp vì nó định lượng trực tiếp sai số trong nghiệm của hệ phương trình

Trong phân tích CFD, phần dư đo lường sự mất cân bằng cục bộ của một biến được bảo toàn trong mỗi khối lượng kiểm soát Do đó, mỗi ô trong mô hình sẽ có giá trị dư riêng của nó cho mỗi phương trình được giải Trong một giải pháp lặp lại, phần dư sẽ không bao giờ chính xác bằng không Tuy nhiên, giá trị còn lại càng thấp thì giải pháp càng chính xác về mặt số học Đối với CFD, một trong những tiêu chí để đánh giá kết quả hội tụ là chỉ số Residuals giảm đến một mức vừa đủ và không còn thay đổi với nhiều vòng lặp lại

Hình 5.2 Chỉ số Residuals của lưới M1

Chỉ số residuals của lưới M1 sau khi tiến hành chạy mô phỏng trên Hình 5.2 bắt đầu từ vòng lặp 400 trở đi các đường này đã có xu hướng nằm ngang và dao động quanh tại vị trí cố định, vị trí thấp nhất là 10 −5

Hình 5.3 Điểm xét nhiệt độ của lưới M1 Đường nhiệt độ tại vị trí chúng ta xét sau khi tiến hành chạy mô phỏng trong Hình 5.3 từ vòng lặp thứ 800, nhiệt độ tại điểm này đã ổn định và dao động xung quanh nhiệt độ khoảng 303,5 K tức 30,35 ℃

Hình 5.4 Chỉ số Residuals của lưới M2

Chỉ số Residuals của lưới sau khi tiến hành chạy mô phỏng bắt đầu từ vòng lặp 400 trở đi các đường này đã có xu hướng nằm ngang và dao động quanh tại vị trí cố định như Hình 5.4, vị trí thấp nhất là 10 −5

Hình 5.5 Điểm xét nhiệt độ của lưới M2 Đường nhiệt độ tại vị trí chúng ta xét sau khi tiến hành chạy mô phỏng từ vòng lặp thứ

800, nhiệt độ tại điểm này đã ổn định và dao động xung quanh nhiệt độ khoảng 302,2 K tức 29,05 ℃

Hình 5.6 Chỉ số Residuals của lưới M3

Chỉ số Residuals của lưới sau khi tiến hành chạy mô phỏng như Hình 5.6 bắt đầu từ vòng lặp 400 trở đi các đường này đã có xu hướng nằm ngang và dao động quanh tại vị trí cố định, vị trí thấp nhất là 10 −5

Hình 5.7 Điểm xét nhiệt độ của lưới M3 Đường nhiệt độ tại vị trí chúng ta xét sau khi tiến hành chạy mô phỏng từ vòng lặp thứ

800, nhiệt độ tại điểm này đã ổn định và dao động xung quanh nhiệt độ khoảng 302,1 K tức 28,95 ℃

Bảng 5.1 Nhiệt độ tại cùng một điểm khảo sát khi xét hội tụ lưới

Lưới Phần tử Nhiệt độ tại điểm khảo sát (℃)

Dựa vào Bảng 5.1 chúng ta nhận thấy chênh lệch nhiệt độ tại cùng một điểm của lưới M1 chênh lệch khá lớn so với hai lưới M2, M3 Điều này có thể chứng tỏ rằng, việc sử dụng kết quả của lưới M2 và M3 sẽ mang lại kết quả chính xác hơn Tuy nhiên để đảm bảo sự chắc chắn, tiếp theo chúng ta sẽ đánh giá kết quả hình dạng Profile vận tốc trên cùng một đường thẳng của ba lưới trên

*Lựa chọn lưới phù hợp dựa vào Profile vận tốc Ở đây chúng ta xem xét hình dạng Profile vận tốc tại cùng một đường thẳng có tọa độ từ (0;0;-0,35) đến tọa độ (0;0;0,35) (đơn vị m) trong cả 3 lưới Khi xuất đồ thị hình dạng vận tốc của từng lưới, chúng em nhận thấy các đồ thị đều có hình dạng gần giống nhau nên rất khó so sánh Vì vậy nhóm thực hiện gộp các hình dạng vận tốc thành một đồ thị như trong Hình 5.8 bên dưới Sau đó chúng ta tiến hành so sánh và lựa chọn lưới có hình dạng vận tốc gần nhau nhất như thế sẽ giúp cho kết quả sau khi chạy mô phỏng chuẩn xác hơn

Hình 5.8 Dạng vận tốc của các lưới được chọn

Dựa vào hình dạng vận tốc của các lưới được chọn sau khi gộp lại thành một, chúng ta nhận thấy hình dạng vận tốc của lưới M1 nằm cách xa với lưới M2, lưới M3 và hai lưới còn lại có hình dạng vận tốc sát nhau Hơn nữa, khi xét đến số lượng phần tử của lưới M3 khá lớn nên lượng tài nguyên khi tiến hành chạy mô phỏng trên máy sẽ nặng hơn và lâu hơn so với lưới M2 nên chúng em lựa chọn lưới M2 để mô phỏng và xuất ra kết quả cuối cùng cũng như một số bước tiếp theo Trong các trường hợp thay đổi về bước xoắn của thiết bị, tất cả các mô hình đều được chúng em chia lưới với tổng số lượng phần tử xấp xỉ 2,7 triệu để đảm bảo nhận kết quả chính xác.

Kết quả mô phỏng và đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong mô hình 1

Trong phần này, chúng em sẽ xuất kết quả mô phỏng và tính toán các thông số liên quan đến đặc tính truyền nhiệt của mô hình 1 với lưu lượng dòng lưu chất nóng đi trong ống xoắn Q = 1 lít/phút

Bảng 5.2 Các thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng cho mô hình 1 Q = 1 lít/phút

STT Biến số Loại lưu chất/vật liệu Giá trị

1 Lưu chất lạnh trong vỏ Nước -

2 Lưu chất nóng trong ống xoắn Nước -

3 Nhiệt độ đầu vào của lưu chất lạnh t 2 ′ - 20 ℃

4 Nhiệt độ đầu vào của lưu chất nóng t 1 ′ - 50 ℃

5 Vận tốc đầu vào của lưu chất lạnh ω 2 - 0,008 m/s

6 Vận tốc đầu vào của lưu chất nóng ω 1 - 0,083 m/s

7 Đường kính trong của ống xoắn d 1 - 0,016 m

Bảng 5.3 Kết quả mô phỏng cho mô hình 1

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn V (lít/ phút)

Nhiệt độ đầu ra của nước lạnh phía vỏ t 2 ′′ (℃)

Nhiệt độ đầu ra của nước nóng phía ống xoắn t 1 ′′ (℃)

Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn ∆p (Pa)

Sau khi đã hoàn thành chạy mô phỏng và thu được kết quả, chúng ta sẽ vẽ Contour sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất đi trong thiết bị để nhìn thấy được phân bố nhiệt độ trong quá trình trao đổi nhiệt như trong Hình 5.9 bên dưới

Hình 5.9 Sự thay đổi của nhiệt độ trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Hình 5.10 Mặt cắt nhiệt độ ở giữa TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn

Vị trí mặt cắt có tọa độ (x;y;z) = (0;0;0,025) đơn vị là mét (m) Hình 5.10 bên trên biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất bên trong và bên ngoài thiết bị

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

Vị trí mặt cắt có tọa độ (x;y;z) = (0;0;0,3213) đơn vị là mét (m) Hình 5.11 bên trên biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của lưu chất bên trong và bên ngoài, vị trí này nằm gần đầu ra của lưu chất lạnh và gần đầu vào của lưu chất nóng

Hình 5.12 Đường đi của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn

Ngoài ra, chúng ta cũng vẽ đường dòng biểu thị đường đi của dòng lưu chất đi trong ống xoắn dưới dạng vận tốc từ đầu vào lưu chất nóng đi đến đầu ra Ở phần đầu vào và đầu ra, vận tốc của dòng chất lưu thấp hơn so với các vị trí khác Từ hình vẽ, chúng ta nhận thấy các dòng chảy ổn định và xếp tầng lên nhau, điều này rất phù hợp với chế độ chảy tầng mà bài báo đã cung cấp, để hình dung rõ hơn Hình 5.12 bên trên thể hiện điều đó Tương tự đối với dòng chảy ở phía vỏ, các dòng chảy có vận tốc tương đối thấp và có xu hướng chảy xếp tầng lên nhau Đường dòng vận tốc của vỏ được thể hiện như Hình 5.13 bên dưới

Hình 5.13 Đường đi của dòng lưu chất lạnh đi bên trong vỏ

*Tính hệ số Reynolds, hệ số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn cho mô hình 1

- Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng và lưu chất lạnh đi bên trong ống xoắn và vỏ t 1 ,t 2 : t 1 =t 1 ′ + t 1 ′′

- Đối với dòng lưu chất nóng đi trong ống xoắn:

Từ t 1 = 47,11 ℃ tra bảng thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta có: ρ 1 = 989,29 kg/𝑚 3 λ 1 = 64,42 10 −2 W/(m 2 ℃) ν 1 = 0,59 10 −6 𝑚 2 /𝑠

Pr 1 = 3,76 Vận tốc dòng lưu chất nóng đi trong ống xoắn: ω 1 4 10 −3

Hệ số Reynolds của dòng lưu chất nóng:

Vậy lưu chất trong ống xoắn chảy tầng

Từ t w1 = 34,87 ℃) tra bảng thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta có:

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất nóng: α 1 = Nu 1 λ 1 d 1 =3,16.64,42 10 −2

0,016 = 127,23 W/(m 2 ℃) Chiều dài của ống xoắn: l = H

0,04 √(3,148.0,17) 2 + 0,04 2 = 4,830 𝑚 Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn: Δp 2 μ l d 1 2 ω 1 2 ν 1 ρ 1 l d 1 2 ω 1 = 175, 19 N/m 2

Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi lưu lượng thể tích đi bên

Bảng 5.4 Kết quả mô phỏng trong trường hợp nước đi trong ống xoắn của mô hình 1

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn V (lít/ phút)

Nhiệt độ đầu ra của nước lạnh phía vỏ t 2 ′′ (℃)

Nhiệt độ đầu ra của nước nóng phía ống xoắn t 1 ′′ (℃)

Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn ∆p (Pa)

Hình 5.14 Nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất nóng và dòng lưu chất lạnh khi lưu lượng thể tích của ống xoắn thay đổi

Lưu lượng thể tích V của ống xoắn (lít/phút)

Nhiệt độ đầu ra của vỏ Nhiệt độ đầu ra của ống xoắn

Trong Hình 5.14 ta có thể thấy khi thay đổi lưu lượng thể tích của ống xoắn từ

1 lít/phút đến 4 lít/phút thì nhiệt độ đầu ra của vỏ và của ống xoắn đều có sự thay đổi Nhiệt độ của cả hai đều tăng nhưng nhiệt độ đầu ra của ống xoắn có xu hướng tăng nhiều hơn so với nhiệt độ đầu ra của vỏ

Hình 5.15 So sánh phân bố nhiệt độ cùng 1 mặt cắt ngang cho 4 trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích

Hình 5.16 So sánh phân bố nhiệt độ cùng 1 mặt cắt dọc cho 4 trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích

Bảng 5.5 Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo, mô phỏng và tính toán lý thuyết cho mô hình 1

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn

Tổn thất áp suất từ mô phỏng

Tổn thất áp suất từ bài báo

Sai số giữa mô phỏng và bài báo

Tổn thất áp suất từ lý thuyết

Sai số giữa mô phỏng và lý thuyết

Hình 5.17 Tổn thất áp suất trong ống xoắn khi lưu lượng thể tích của ống xoắn thay đổi

Hình 5.17 ta thấy, khi thay đổi lưu lượng thể tích của ống xoắn tăng từ 1 lít/phút đến

4 lít/phút thì tổn thất áp suất bên trong ống xoắn tăng rõ rệt từ 135,81 Pa lên 1077,35 Pa

Tổn thất áp suất trong ống xoắn (Pa)

Lưu lượng thể tích V của ống xoắn (lít/phút)

Hình 5.18 Ảnh hưởng của hệ số Reynolds đến hệ số Nusselt

Trong Hình 5.18 cho chúng ta thấy, khi hệ số Reynolds tăng thì hệ số Nusselt cũng tăng theo đáng kể từ 3,17 lên 4,96.

Hình 5.19 Ảnh hưởng của hệ số Reynolds đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng

Trong Hình 5.19 cho chúng ta thấy, khi hệ số Reynolds tăng thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước nóng bên trong ống xoắn cũng tăng theo từ 127,72 W/(m 2 ℃) lên 200,51 W/(m 2 ℃).

Khảo sát ảnh hưởng của bước xoắn đến hiệu suất trao đổi nhiệt

Tất cả các mô hình được khảo sát trong đồ án, diện tích truyền nhiệt của thiết bị được giữ cố định Để giữ diện tích truyền nhiệt không đổi, đường kính xoắn được chọn làm thông số tự do cho các mô hình Giá trị của các thông số hình học cho tất cả các mô hình nghiên cứu được liệt kê trong Bảng 5.6 từ mô hình 1 đến mô hình 4 Thông số hình học được thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi trong ống xoắn là bước xoắn của cuộn dây Quá trình mô phỏng TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn được thực hiện trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2

Bảng 5.6 Thông số hình học cho các mô hình cần khảo sát

L (m) Đường kính trong ống xoắn d 1 (m)

Diện tích trao đổi nhiệt

Trong phần này, ảnh hưởng của bước xoắn đến sự trao đổi nhiệt được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số Bốn bước xoắn khác nhau bao gồm: 0,04 m; 0,06 m; 0,09 m và 0,12 m được khảo sát

Theo Bảng 5.6, từ mô hình 1 đến mô hình 4, khi bước xoắn tăng lên, để giữ cho diện tích truyền nhiệt không thay đổi thì đường kính xoắn cũng tăng theo Diện tích trao đổi nhiệt F được giữ không đổi là 9 10 −4 m 2 Đồng thời chiều cao xoắn H và đường kính trong của ống xoắn d 1 được giữ không đổi lần lượt là 0,36 m và 0,016 m Hệ số Nusselt ứng với các trường hợp bước xoắn khác nhau khi thay đổi lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng chảy trong ống xoắn được thể hiện trong Hình 5.20

Hình 5.20 Hệ số Nusselt ứng với các trường hợp bước xoắn khác nhau Điều này cho thấy trước hết, trong cả 4 mô hình từ 1 đến 4, khi lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn tăng lên, thì hệ số Nusselt trung bình của thiết bị tăng lên Ngoài ra, có thể thấy rằng khi bước xoắn tăng từ mô hình 1 đến mô hình 4, hệ số Nusselt trung bình sẽ tăng

Hệ số Nusselt trung bình tối đa thuộc về mô hình 4 P c = 0,12 m tại Q = 4 lít/phút và tối thiểu thuộc về mô hình 1 P c = 0,04 m tại Q = 1 lít/phút

Trong Hình 5.20, phân bố nhiệt độ được hiển thị cho hai mô hình có bước xoắn khác nhau là mô hình 1 và mô hình 4 Như được thể hiện trong hình, bằng cách giảm bước xoắn, độ cong của cuộn ống xoắn tăng và dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn cải thiện hệ số truyền nhiệt của thiết bị Bằng cách tăng bước xoắn, dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn và dòng lưu chất lạnh đi bên ngoài vỏ được tiếp xúc với nhau nhiều hơn, dẫn đến tăng hiệu quả trao đổi nhiệt giữa hai dòng lưu chất Vì vậy, sự phân bố nhiệt độ ở phía vỏ của mô hình 4 đồng đều hơn mô hình 1

Q = 1 (lít/phút) Q = 2 (lít/phút) Q = 3 (lít/phút) Q = 4 (lít/phút)

Hình 5.21 Phân bố nhiệt độ của mô hình 1 (bên trái) và mô hình 4 (bên phải) tại cùng

Bảng 5.7 Kết quả mô phỏng đối với các trường hợp thay đổi bước xoắn

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn V (lít/ phút)

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh phía vỏ t 2 ′′ (℃)

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng phía ống xoắn t 1 ′′ (℃)

Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn (Pa)

Bảng 5.8 Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo, mô phỏng và tính toán lý thuyết

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn

Tổn thất áp suất từ mô phỏng

Tổn thất áp suất từ bài báo [26]

Sai số giữa mô phỏng và bài báo

Tổn thất áp suất từ lý thuyết

Sai số giữa mô phỏng và lý thuyết

Sự thay đổi nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất nóng trong các trường hợp bước xoắn khác nhau được thể hiện trong Hình 5.21

Hình 5.22 Phân bố nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất nóng từ mô hình 1 đến mô hình 4 khi thay đổi bước xoắn Theo Hình 5.22, khi lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng đi trong ống xoắn tăng dẫn đến nhiệt độ đầu ra của nó cũng tăng theo Nguyên nhân là do khi tăng lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng tức là làm vận tốc của nó tăng lên, dẫn đến thời giảm tiếp xúc để trao đổi nhiệt giữa dòng lưu chất nóng và dòng lưu chất lạnh ít lại Khi bước xoắn tăng lên, nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất nóng giảm do dòng lưu chất nóng và lạnh có sự tiếp xúc nhiều hơn, điều này làm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt giữa 2 dòng lưu chất

Sự thay đổi nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất lạnh trong các trường hợp bước xoắn khác nhau được thể hiện trong Hình 5.23

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng ( o C)

Q = 1 (lít/phút) Q = 2 (lít/phút) Q = 3 (lít/phút) Q = 4 (lít/phút)

Hình 5.23 Phân bố nhiệt độ đầu ra của dòng lưu chất lạnh từ mô hình 1 đến mô hình 4 khi thay đổi bước xoắn

Có thể thấy trong Hình 5.23, khi lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng tăng lên thì hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt trong mỗi mô hình cũng tăng theo bởi quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào độ chênh nhiệt độ và lưu lượng của dòng chảy Tuy nhiên lưu lượng của dòng lưu chất lạnh phía vỏ được giữ cố định với vận tốc không đổi là 0,008 m/s, nên chênh lệch nhiệt độ là nguyên nhân cơ bản cho quá trình trao đổi nhiệt này

Tổn thất áp suất của dòng lưu chất nóng chảy trong ống xoắn trong các trường hợp bước xoắn khác nhau được thể hiện trong Hình 5.24

Hình 5.24 Tổn thất áp suất của dòng lưu chất nóng chảy trong ống xoắn khi thay đổi bước xoắn

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh ( o C)

Q = 1 (lít/phút) Q = 2 (lít/phút) Q = 3 (lít/phút) Q = 4 (lít/phút)

Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn (Pa)

Q = 1 (lít/phút) Q = 2 (lít/phút) Q = 3 (lít/phút) Q = 4 (lít/phút)

Trong Hình 5.24, tổn thất áp suất giảm khi bước xoắn tăng lên bởi vì số lượng vòng chảy xoắn được tạo ra ít hơn so với trường hợp bước xoắn nhỏ hơn Khi bước xoắn tăng, dòng lưu chất nóng di chuyển được ít khoảng cách hơn nên tổn thất áp suất giảm xuống Tuy nhiên, tổn thất áp suất ở phía vỏ trong tất cả các mô hình đều nhỏ hơn 1%

Hình 5.25 thể hiện ảnh hưởng của việc tăng bước xoắn đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất nóng phía ống xoắn Khi tăng bước xoắn của thiết bị trao đổi nhiệt vỏ bọc ống xoắn thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu tăng lên.

Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích

Trong phần này, chúng em sẽ khảo sát ảnh hưởng của chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO sử dụng cho TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn có các thông số hình học như mô hình 1 Tuy mô hình 1 không phải là mô hình có hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi trong ống xoắn cao trong 3 mô hình còn lại, nhưng do bài báo thực hiện nghiên cứu cho mô hình 1 Chính vì thế, nhóm chúng em lựa chọn mô hình 1 theo bài báo để có kết quả so sánh Với kích thước thiết bị như mô hình 1, chúng ta chỉ thay đổi lưu chất nước di chuyển trong ống xoắn bằng chất lỏng nano CuO, lưu chất nước di chuyển bên ngoài vỏ được giữ cố định

Các thông số nhiệt độ và vận tốc đầu vào của chất lỏng nano CuO và nước được giữ không đổi như lúc ban đầu Lưu lượng thể tích chất lỏng nano CuO đi trong ống xoắn được

Q = 1 (lít/phút) Q = 2 (lít/phút) Q = 3 (lít/phút) Q = 4 (lít/phút) thay đổi từ 1 lít/phút; 2 lít/phút; 3 lít/phút; 4 lít/phút Các đặc tính nhiệt vật lý của chất lỏng nano CuO 2% được cho trong Bảng 5.9 bên dưới

Bảng 5.9 Thông số vật lý của chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO

STT Thông số Giá trị

1 Khối lượng riêng ρ (Density) 1108,236 kg/m 3

2 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp c p (Specific heat) 3753,95 J/(kg ℃)

3 Hệ số dẫn nhiệt λ (Thermal conductivity) 17,65 W/(m ℃)

4 Độ nhớt động lực học μ (Viscosity) 0,00105315 kg/(m s)

Bảng 5.10 Kết quả thu được từ mô phỏng khi sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn V (lít/ phút)

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh phía vỏ t 2 ′′ (℃)

Nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng phía ống xoắn t 1 ′′ (℃)

Tổn thất áp suất bên trong ống xoắn ∆p (Pa)

Bảng 5.11 Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo và mô phỏng khi sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO

Lưu lượng thể tích trong ống xoắn V (lít/ phút)

Tổn thất áp suất từ mô phỏng ∆p (Pa)

Tổn thất áp suất từ bài báo [26] ∆p (Pa)

Từ các kết quả mô phỏng về tổn thất áp suất bên trong ống xoắn, chúng ta tiến hành vẽ đồ thị tổn thất áp suất phụ thuộc vào vận tốc của dòng chảy Sau khi khớp hàm, ta nhận được một đường thẳng gần dạng tuyến tính bậc 1 Điều này khẳng định rằng các kết quả mô phỏng tương đồng với chế độ chảy tầng mà bài báo đã đề cập

Hình 5.26 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% đến tổn thất áp suất bên trong ống xoắn Ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% đến hệ số Nusselt phía trong ống xoắn được thể hiện như Hình 5.27 bên dưới Theo như kết quả, chúng ta nhận thấy khi tăng lưu lượng thể tích của dòng chất lỏng nano thì hệ số Nusselt phía ống xoắn tăng lên

Hình 5.27 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% đến hệ số Nusselt y = 338.45x - 223.44

Tổn thấp áp suất bên trong ống xoắn ∆p (Pa)

Lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% V

Lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% V

Nanofluid CuO 2% Ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía trong ống xoắn được thể hiện như Hình 5.28 bên dưới Theo như kết quả, chúng ta nhận thấy khi tăng lưu lượng thể tích của dòng chất lỏng nano thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía ống xoắn tăng lên Lý do cho điều này là vận tốc của dòng lưu chất càng cao thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa dòng lưu chất và bề mặt của ống xoắn sẽ càng thấp Điều này là do sự hiện diện của chất phụ gia – các hạt nanofluid, được coi là phương pháp thụ động để tăng cường truyền nhiệt

Hình 5.28 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía ống xoắn Hình 5.29 bên dưới thể hiện sự so sánh giữa tổn thất áp suất bên trong ống xoắn khi sử dụng nước và chất lỏng nanofluid CuO 2% Từ đồ thị chúng ta dễ dàng nhận thấy, ứng với từng trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích, việc sử dụng chất lỏng nanofluid có làm tăng tổn thất áp suất so với việc sử dụng lưu chất nước đi bên trong ống xoắn

Lưu lượng thể tích dòng nanofluid CuO 2% V (lít/phút)

Hình 5.29 Đồ thị so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa việc sử dụng nước và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn

Từ các kết quả mô phỏng từ phần mềm ANSYS FLUENT, sau khi tiến hành vẽ đồ thị so sánh hệ số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía ống xoắn, kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng chất lỏng nanofluid CuO 2% thay vì nước đã làm tăng đáng kể hệ số Nusselt và hệ số tỏa nhiệt đối lưu của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn Hình 5.29 và Hình 5.30 bên dưới thể hiện sự khác biệt ấy

Hình 5.30 Đồ thị so sánh sự khác biệt của hệ số Nusselt giữa việc sử dụng nước và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn

Lưu lượng thể tích dòng đi trong ống xoắn V (lít/phút)

Tổn thấp áp suất bên trong ống xoắn ∆p (Pa)

Lưu lượng thể tích bên trong ống xoắn V

Hình 5.31 Đồ thị so sánh sự khác biệt của hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa việc sử dụng nước và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn

Lưu lượng thể tích dòng đi trong ống xoắn V (lít/phút)