Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

v MC LC LIăCAMăĐOAN i LI CMăN ii Đăxutămôăhìnhăthcănghim,ătinăhƠnhăthităkăvƠăchătoăhăthngătnădngă nhităthiă,ătinăhƠnhăthcănghimăvƠăkimăchngăcácăktăqu. iii MC LC v DANH SÁCH BNG viii DANH SÁCH HÌNH ix Chngă1ăTNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Các kết qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nớc đư công b 6 1.2.1. Trong nớc 6 1.2.2. NgoƠi nớc 7 1.3. Mc đích ca đề tài 8 1.4. Nhiệm v ca đề tài và giới hn ca đề tài. 9 1.5. Phng pháp nghiên cu 9 Chngă 2ă NGHIểNă CU TNG TH V CÁC DNGă ĐIU KIN BIÊN TRONGăMỌIăTRNG PHN MM ANSYS CFX 11 2.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS 11 2.1.1. Giới thiệu chung 11 2.1.2. Kiểu bài toán có thể phân tích với ANSYS 14. 13 2.2. Lý thuyết về điều kiện biên. 15 2.2.1. Định nghĩa điều kiện biên 15 2.2.2. Mt s điều kiện biên toán học. 15 2.3. Các dng điều kiện biên trong ANSYS CFX. [7] 16 2.3.1. Kiểu biên INLET. 17 2.3.2. Kiểu biên OUTLET. 18 2.3.3. Kiểu biên OPENING. 19 vi 2.3.4 . Kiểu biên WALL. 19 2.4. Lý thuyết truyền nhiệt. 22 2.4.1. Khái niệm về trao đổi nhiệt. 22 2.4.2. Các phng thc trao đổi nhiệt. 22 2.4.2.1. Dẫn nhiệt. 23 2.4.2.2. Ta nhiệt (hay trao đổi nhiệt đi lu). 25 2.4.2.3. Trao đổi nhiệt bc x. 25 Chngă3ăNGHIểNăCU NHăHNG T CÁC THÔNG S CHÍNH CA H THNGăĐN NHITăĐ ĐU RA CA KHÍ 28 3.1. Mt s loi thiết bị tận dng nhiệt thi hiện nay 28 3.1.1. Thiết bị thu hồi nhiệt [9] 28 3.1.2. Thiết bị thu hồi nhiệt bc x kim loi [12] 28 3.1.3. Thiết bị thu hồi nhiệt đi lu. [10],[11] 29 3.1.4. Tuabin nhiệt. [12] 30 3.1.5. B trao đổi nhiệt kiểu v bọc trùm ng [13] 31 3.2. Nghiên cu nh hng ca các thông s chính ca hệ thng đến nhiệt đ đầu ra ca khí. 32 3.2.1. Thiết kế mô hình: 32 3.2.2. Thông s mô phng : 33 3.2.2.1. Các thông s công tác ch yếu ca đng c 33 3.2.2.2. Thông s về vật liệu 33 3.2.3. Thiết lập mô hình và mô phng hệ thng bằng phần mềm Ansys 14. 35 3.2.4. So sánh các kết qu mô phng: 36 Chngă4ăăMỌăPHNG H THNG VÀ SO SÁNH VI 43 KT QU THC NGHIM 43 4.1. Tìm hiểu về đng c vƠ hình dng kích thớc ca ng x khí thi cho thực nghiệm 43 4.1.1. Đng c máy phát điện CAT D333 43 4.1.2. ng x khí thi : 43 4.2. Mô phng quá trình gia nhiệt không khí ca hệ thng. 45 vii 4.2.1. Thiết kế, mô phng kiểm tra nhiệt đ với trng hp 1 46 4.2.1.1. Thiết kế mô hình ng bao ngoài 46 4.2.1.2. Mô phng , kiểm tra nhiệt đ đầu ra ( Trng hp 1) 47 4.2.2. Thiết kế, mô phng kiểm tra nhiệt đ với trng hp 2 52 4.2.2.1. Thiết kế mô hình ng bao ngoài 52 4.2.2.2. Mô phng , kiểm tra nhiệt đ đầu ra ( Trng hp 2) 52 4.3. Đề xuất cho mô hình thực nghiệm 56 4.4. So sánh kết qu quá trình thực nghiệm với mô phng 58 4.4.1. Quá trình thực nghiệm : 58 4.4.2. Kết qu thực nghiệm 59 4.4.3. So sánh với kết qu mô phng 59 Chngă5ăKT LUN 61 TÀI LIU THAM KHO 63 PH LC 64 viii DANH SÁCH BNG Bng 1.1. Nguồn nhiệt thi và chất lng 2 Bng 1.2: Nhiệt đ nhiệt thi trong vùng nhiệt đ cao từ các nguồn khác nhau 3 Bng 1.3. Nhiệt đ nhiệt thi điển hình trong vùng nhiệt đ trung bình từ các nguồn khác nhau 4 Bng 1.4: Nhiệt đ nhiệt thi điển hình trong vùng nhiệt đ thấp từ các nguồn khác nhau 4 Bng 1.5. Các ng dng và thiết bị thu hồi nhiệt thi 5 Bng 3.1: Kết qu mô phng sau khi thay đổi khong cách X với mẫu 1 36 Bng 3.2: Kết qu mô phng sau khi thay đổi khong cách X với mẫu 2 37 Bng 3.3: Kết qu mô phng sau khi thay đổi khong cách X với mẫu 3 38 Bng 3.4: Kết qu mô phng sau khi thay đổi khong cách X với mẫu 4 39 Bng 3.5: Kết qu mô phng  4 mẫu 40 Bng 3.6: Kết qu mô phng khi to gân trên ng x 41 Bng 3.7: Kết qu mô phng khi thay đổi thng s lu lng hút 41 Bng 4.1: Kết qu mô phng ca 3 mẫu (trng hp 1) 50 Bng 4.2: Kết qu mô phng nhiệt đ đầu ra (outlet)  trng hp 1 51 Bng 4.3: Kết qu mô phng ca 3 mẫu (trng hp 2) 55 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 : Giao diện ANSYS 14 13 Hình 2.2: Trình tự để gii mt bài toán ANSYS 14 14 Hình 2.3 :Điều kiện biên trong mô hình đa pha. 16 Hình 2.4 : Các điều kiện biên c bn định nghĩa mt dòng chy 17 Hình 2.5: Kiểu biên Symmetry 21 Hình 2.6 : Mô hình không thiết lập điều kiện biên đi xng 21 Hình 2.7: Ba phng thc trao đổi nhiệt (a): dẫn nhiệt; (b): đi lu; (c): bc x 22 Hình 2.8: Cân bằng nhiệt cho dV trong V 24 Hình 2.9 : Tia nhiệt trong thang đo sóng điện từ. 26 Hình 3.1 : Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004) 28 Hình 3.2: Thiết bị thu hồi nhiệt bc x kim loi (Hardtech Group) 29 Hình 3.4: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hp 30 Hình 3.3: Thiết bị thu hồi nhiệt đi lu (Reay, D.A., 1979) 30 Hình 3.5: Tuabin nhiệt (SADC, 1999) 31 Hình 3.6: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ng bọc 32 Hình 3.7a: Mô hình thực tế Hinh 3.7b: Mô hình thí nghiệm 33 Hình 3.8 : Kích thớc s b ca ng x khí thi 34 Hình 3.9: Các mẫu thiết kế ng bao 35 Hình 3.10: Miêu t các thng s đầu vào cho bài toán 35 Hình 3.11: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi khong cách X với mẫu 1 36 Hình 3.12 :Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi khong cách X với mẫu 2 37 Hình 3.13: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi khong cách X với mẫu 3 38 Hình 3.14: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi khong cách X với mẫu 4 39 Hình 3.15: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra  4 mẫu. 40 Hình 3.16: To gân trên ng x 40 Hình 3.17: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra khi to gân trên ng x  mẫu 2 41 Hình 3.18: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi thng s lu lng hút 42 x Hình 3.19 : Biểu đồ so sánh nhiệt đ  mẫu 2T, 2S 42 Hình 4.1 : Đng c máy phát điện CAT D333 43 Hình 4.2 : ng x khí thi 44 Hình 4.3 : Kích thớc s b ca ng x 44 Hình 4.4 : Quá trình gia nhiệt không khí ca hệ thng 45 Hình 4.5 : Hai trng hp mô phng (1): dòng gia nhiệt bằng qut thổi đặt  đầu vào(inlet); (2): dòng gia nhiệt bằng qut hút đặt  đầu ra(outlet) 46 Hình 4.6 : ng bao ngoƠi vƠ kích thớc 46 Hình 4.7 : Mô hình 3D ( trng hp 1) 47 Hình 4.8 : Mô hình hình học ca bài toán 47 Hình 4.9: Chia lới 47 Hình 4.10: Miêu t các thng s đầu vào cho bài toán 48 Hình 4.11: Điều kiện biên INLET 48 Hình 4.12: Điều kiện biên OUTLET 49 Hình 4.13: Điều kiện biên WALL 49 Hình 4.14: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra ca 3 mẫu (trng hp 1) 50 Hình 4.15: To gân trên ng x 50 Hình 4.17: ng bao ngoƠi vƠ kích thớc 52 Hình 4.18: Mô hình 3D ( trng hp 2) 52 Hình 4.19: Mô hình hình học ca bài toán 53 Hình 4.20: Chia lới 53 Hinh 4.21: Miêu t các thng s đầu vào cho bài toán 53 Hình 4.22: Điều kiện biên INLET 54 Hình 4.23: Điều kiện biên OUTLET 54 Hình 4.24: Điều kiện biên WALL 55 Hình 4.25: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra ca 3 mẫu (trng hp 2) 56 Hình 4.26: Kích thớc ng bao ngoài trong mô hình thực nghiệm 56 Hình 4.27: a) Qut thổi 57 Hình 4.28: Lắp ng bao ngoài và cách nhiệt ng bằng Amiang 58 Hình 4.29: Nhiệt đ đo ti Turbo và cổ ng x 58 xi Hình 4.30: Nhiệt đ đo ti đon gia nhiệt ca ng x 59 Hình 4.31: Nhiệt đ khí thu đc sau khi đng c chy có ti 59 Hình 4.33: Biểu đồ so sánh nhiệt đ 59 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1. Đặt vnăđ Nhiệt thi là nhiệt phát sinh trong quá trình đt cháy nhiên liệu hoặc phn ng hoá học vƠ đc thi ra ngoƠi môi trng, chúng không đc tái sử dng mt cách hữu ích cho các mc đích kinh tế. Vấn đề chính mà chúng ta cần quan tơm lƠ “giá trị” ch không phi khi lng nhiệt thi. C chế để tân dng nhiệt thi này ph thuc vào nhiệt đ ca khí thi Hot đng ca các lò hi, lò nung, lò luyện vƠ đng c thng phát sinh ra mt lng lớn khí thi rất nóng. Nếu mt phần nhiệt thi nƠy đc tận dng thì chúng ta có thể tiết kiệm đc mt lng nhiên liệu đáng kể. Chúng ta không thể thu hồi đc toàn b nhng có thể thu hồi đc phần lớn năng lng trong khí thi. Hiện nay nguồn năng lng nƠy đc tận dng để dùng vào nhiều mc đích khác nhau: Sn xuất hi, điện năng, điều hoà không khí hay làm lnh không khí cấp vƠo đng c. Ví d về hệ thng tận dng nhiệt khí thi lò nung clinker phát điện  Nhà máy xi măng Hà Tiên 2. Nguyên lý hot đng ca hệ thng: khí thi từ lò quay có nhiệt đ từ 350 – 380 0 C đc dẫn vào nồi hi thực hiện trao đổi nhiệt to ra hi quá nhiệt. Dùng hi quá nhiệt quay turbine dẫn đng máy phát điện. Phần khí sau khi đư qua trao đổi nhiệt còn khong 230 0 C đc đa về sấy liệu cho máy nghiền bt sng. Khi lò nung hot đng bình thng với công suất 3.000 tấn clinker/năm, nhƠ máy phát đc 3 MW điện. Ngoài hiệu qu chính là thu hồi lng nhiệt thi từ lò nung để phát điện làm gim chi phí tiêu th điện năng, hệ thng thu hồi nhiệt thi còn có những tác dng ph tích cực nh: Hệ thng đư hấp th nhiệt và chuyển thƠnh điện năng, lƠm gim nhiệt đ  đầu vào ca các thiết bị thuc công đon phía sau giúp các thiết bị hot đng ổn định hn, gim h hng, tăng tuổi thọ máy nghiền bt sng, qut gió KK15-KM02, lọc bi tĩnh điện. 2 Khi tận dng nhiệt thi, cần xem xét trớc hết là chất lng nhiệt thi. Dựa vào loi quy trình, có thể tận dng nhiệt thi ti bất kỳ nhiệt đ nào từ nhiệt đ thấp ca nớc làm mát đến nhiệt đ cao ca khí thi trong lò luyện ,lò nung công nghiệp, đng c. Thông thng, nhiệt đ cao hn tng ng với tận dng nhiệt chất lng cao hn vƠ li nhuận so với chi phí cao hn. Trong bất kỳ nghiên cu về tận dng nhiệt thi nƠo cũng vô cùng cần thiết phi có ng dng ca nhiệt đc tận dng. Những ví d điển hình về sử dng nhiệt thu hồi bao gồm gia nhiệt s b không khí đt, si hoặc gia nhiệt s b nớc cấp nồi hi hay nớc trong quy trình sn xuất. - Chất lng và tiềm năng sử dng :[8] Khi xem xét tiềm năng tơn dng nhiệt, nên ghi li tất c các nguồn thi kh thi, chất lng và tiềm năng sử dng ca chúng (xem Bng 1.1) Bng 1.1. Nguồn nhiệt thi và chất lng STT Ngun nhit thi Chtălng nhit thi và timănĕngăsử dng 1 Nhiệt ti ng khói khí thi Nhiệt đ càng cao giá trị tiềm năng thu hồi nhiệt càng lớn 2 Nhiệt trong dòng hi Cũng ging nh nhiệt ti khói lò nhng khi ngng t li cũng có thể thu hồi nhiệt ẩn 3 Nhiệt bc x & đi lu thất thoát từ bề mặt ngoài ca thiết bị Nếu đc tận dng, có thể sử dng để si nhà hoặc gia nhiệt s b không khí 4 Thất thoát nhiệt trong nớc làm mát Cấp thấp – sẽ hữu ích nếu trao đổi nhiệt với nớc tự nhiên đi vƠo 5 Thất thoát nhiệt trong quá trình cung cấp nớc làm mát hoặc thi nớc làm mát 1. Cấp cao nếu có thể tận dng để gim nhu cầu làm lnh 2. Cấp thấp nếu b phận làm lnh đc sử dng nh mt bm nhiệt 6 Nhiệt trong các sn phẩm ra khi quy trình Chất lng ph thuc vào nhiệt đ 7 Nhiệt trong các chất thi dng khí và dng lng ra khi quy trình Kém, nếu bị ô nhiễm nặng và do vậy cần có thiết bị trao đổi nhiệt hp kim 3 - Tiềm năng tận dng nhiệt thi đi với các quy trình công nghiệp khác nhau: Có thể tân dng nhiệt thi từ các quy trình công nghiệp khác nhau. Có sự phân biệt rõ giữa nhiệt đ thấp, nhiệt đ trung bình và nhiệt đ cao ca nhiệt thi. Bng 1.2 cho biết nhiệt đ ca khí thi từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt đ cao. Tất c các kết qu nƠy đều từ quy trình đt nhiên liệu trực tiếp. Bng 1.2: Nhiệt đ nhiệt thi trong vùng nhiệt đ cao từ các nguồn khác nhau Bng 1.3 cho biết nhiệt đ ca khí thi từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt đ trung bình. Hầu hết nhiệt thi trong vùng nhiệt đ nƠy đều đến từ khí x ca các b phận trong quy trình đt trực tiếp. Loi thit b Nhităđ ( 0 C) Lò tinh luyện niken 1370 – 1650 Lò tinh luyện nhôm 650 – 760 Lò tinh luyện kẽm 760 – 1100 Lò tinh luyện đồng 760 – 815 Lò nung thép 925 – 1050 Lò phn x đồng 900 – 1100 Lò đáy bằng ngoài tri 650 – 700 Lò nung xi măng (quy trình sấy) 620 – 730 Lò nung chy thy tinh 1000 – 1550 Nhà máy hydro 650 – 1000 Lò thiêu kết chất thi rắn 650 – 1000 Lò thiêu kết hút khói 650 – 1450 [...]... mô ph ng hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c vƠo lĩnh vực sấy Do vậy giới h n c a đề tƠi : - Hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c đ t trong - Nhiệt đ khí sau khi hệ th ng thu hồi đ - Luận văn chỉ tập trung vƠo hệ th ng tận d ng nhiệt th i, ko nghiên c u sâu c: 50o C về hệ th ng sấy 1.5.ăPh ngăphápănghiênăc u Nghiên c u chế t o hệ th ng tận d ng nhiệt th i bằng cách tận d ng nhiệt th i từ đ ng c... ătƠiă: - Thiết lập qui trình ng d ng công c mô ph ng (CAE) cho quá trình thiết kế hệ th ng tận d ng nhiệt th i - Nghiên c u nh h ng c a các thông s chính c a hệ th ng đến nhiệt đ đầu ra c a khí - Thiết kế vƠ chế t o hệ th ng tận d ng nhiệt th i Việc tận d ng nhiệt th i từ đ ng c đ c sử d ng nhiều m c đích khác nhau, nh ng trong đề tƠi nghiên c u nƠy tác gi chỉ tập trung vƠo nghiên c u, thiết kết vƠ mô... vƠ ít cƠo đ o, chất l ng h t bị gi m do không đ nắng, ph i không đúng kỹ thuật sẽ cho tỉ lệ g o xay xát thấp.Vì vậy trong mùa m a cần lƠm khô h t kịp th i bằng biện pháp sấy Do vậy, nghiện c u thiết kế hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c vƠo việc sấy khô các lo i nông s n, h i s n hoặc d cấp thiết hiện nay 8 c liệu đang lƠ m t vấn đề cần thiết và Hệ th ng sấy tận d ng nhiệt th i từ đ ng c lƠ hệ th... ẩm và nhiệt đ , đ c xác định bằng thực nghiệm với từng vật liệu và cho sẵn theo quan hệ với nhiệt đ t i b ng các thông s vật lý c a vật liệu Ph ng trình vi phơn dẫn nhiệt lƠ ph ng trình cơn bằng nhiệt cho m t phân t bất kỳ nằm hoàn toàn bên trong vật dẫn nhiệt Để thiết lập ph 23 ng trình đó ta xét cân bằng nhiệt cho phân t dV bên trong vật dẫn, có kh i l riêng ng riêng , nhiệt dung , hệ s dẫn nhiệt. .. đ thấp Trong vùng nhiệt đ nƠy, th ng không thực tiễn khi tách công sinh ra từ nguồn mặc dù hoàn toàn có thể lo i trừ s n sinh h i nếu có nhu cầu về h i áp suất thấp Nhiệt th i nhiệt đ thấp có thể có ích trong tr ng h p bổ sung cho m c đích gia nhiệt s b B ng 1.4: Nhiệt đ nhiệt th i điển hình trong vùng nhiệt đ thấp từ các nguồn khác nhau 0 Ngu n Ng ng h i từ quy trình N ớc làm mát từ: Cửa lò luyện... t [9] Trong thiết bị thu hồi nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa khí th i và không khí qua các tấm kim lo i Không khí cho quá trình cháy đi trong ng sẽ đ c gia nhiệt khi tiếp xúc với khí th i nóng đi bên ngoƠi ng Thiết bị thu hồi nhiệt từ khí th i đ c mô t trên ( hình 3.1) Hình 3.1 : Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004) 3.1.2 Thi t b thu h i nhi t b c x kim lo i [12] Thiết bị thu hồi nhiệt. .. tử thu c hai vật có nhiệt đ khác nhau, t c có đ ng năng trung bình phơn tử khác nhau Hiện t ng trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra giữa hai điểm có nhiệt đ khác nhau, t c có đ chênh nhiệt đ ∆t khác không> Giữa hai vật cân bằng nhiệt, có ∆t = 0, nhiệt l ng trao đổi luôn bằng không Trong tự nhiên, nhiệt l ng chỉ truyền theo h ớng từ điểm có nhiệt đ cao đến điểm có nhiệt đ thấp Do đó, trao đổi nhiệt là m t quá trình... u hệ th ng tận d ng nhiệt th i dùng trong đ ng c Stirling - Heat Recovery Systems by D.A.Reay, E & F.N.Span, London, 1979, đư nghiên c u, thiết kế hệ th ng thu hồi nhiệt kiểu đ i l u - SADC Energy Sector Module 15 Heat Recovery Systems Developed as part of the SADC Industrial Energy Management Project for the Canadian International Development Agency 1999, đư nghiên c u, thiết kế hệ th ng thu hồi nhiệt. .. lò lửa quặt nhiệt s b n ớc bổ sung cho nồi h i, s n sinh h i, n ớc nóng , s i Nồi h i nhiệt th i M-H Khí th i từ tuabin khí, đ ng c pittông, lò thiêu và lò luyện Đ 5 S n sinh h i hoặc n ớc nóng Trong những đề tài nghiên c u về tận d ng nhiệt th i, tận d ng nhiệt th i bằng hệ th ng thu hồi nhiệt đang lƠ cách t t nhất để ph c hồi nhiệt th i và tiết kiệm nhiên liệu Sự ph c hồi và sử d ng nhiệt th i không... không chỉ vì do gi m nhiệt đ khí th i mà còn do gi m th i l ng khí th i Tên gọi thiết bị thu hồi nhiệt b c x có đ c xuất phát từ thực tế rằng m t phần truyền nhiệt đáng kể từ khí nóng tới bề mặt c a ng kim lo i bên trong là truyền nhiệt b c x Tuy nhiên, vì khí l nh trong ng gần nh là trong su t đ i với b c x hồng ngo i nên chỉ x y ra truyền nhiệt đ i l u đ i với khí đi vƠo Nh minh ho t trong hình vẽ hai . cu, thiết kết vƠ mô phng hệ thng tận dng nhiệt thi từ đng c vƠo lĩnh vực sấy. Do vậy giới hn ca đề tƠi : - Hệ thng tận dng nhiệt thi từ đng c đt trong. - Nhiệt đ khí sau khi hệ. Nguồn nhiệt thi và chất lng 2 Bng 1.2: Nhiệt đ nhiệt thi trong vùng nhiệt đ cao từ các nguồn khác nhau 3 Bng 1.3. Nhiệt đ nhiệt thi điển hình trong vùng nhiệt đ trung bình từ các. 1.3 cho biết nhiệt đ ca khí thi từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt đ trung bình. Hầu hết nhiệt thi trong vùng nhiệt đ nƠy đều đến từ khí x ca các b phận trong quy trình