Geothermal heat exchanger system simulat

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG BỘ MÔN Q TRÌNH THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO CÁO MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐỀ TÀI MƠ PHỎNG HỆ THỐNG LÀM NĨNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ĐỊA NHIỆT GVHD SV MSSV LỚP : : : : TS LÝ CẨM HÙNG NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH 0250020074 02 ĐHQTTB TP HỒ CHÍ MINH, 2016 Mơ hệ thống trao đổi địa nhiệt BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA MƠI TRƯỜNG BỘ MƠN Q TRÌNH THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO CÁO MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐỀ TÀI MƠ PHỎNG HỆ THỐNG LÀM NÓNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ĐỊA NHIỆT GVHD SV MSSV LỚP : : : : TS LÝ CẨM HÙNG NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH 0250020074 02 ĐHQTTB TP HỒ CHÍ MINH, 2016 Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB i Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iv CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước Xây dựng Definitions 1 Interpolation Biến (Variables) Bước Xây dựng khối Geometry 1 Các bước thực Bảng thông số nhập vào diễn giải Bước Tạo Mesh Bước Tạo vật liệu (Material) Bước 5: Tạo Non- Isothermal Pipe Flow ống làm mát Bước 6: Chạy kết CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Áp suất (Pressure) Vận tốc (Velocity) Nhiệt độ (Temperature) 10 CHƯƠNG KẾT LUẬN 11 Về mặt thiết kế 11 Về mặt thông số đầu vào 11 Về kỹ thuật thực 11 Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB ii Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt DANH MỤC BẢNG Bảng Nhập Interpolation Bảng Nhập Varia les Bảng Nhập th ng số ph n Geometry Bảng Nhập số liệu ph n Physics: Non- Isothermal Pipe Flow Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB iii Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt DANH MỤC HÌNH H nh Hệ thống ống trao H nh Tạo ống trao i nhiệt i nhiệt l ng t H nh Tạo hệ thống ống d n H nh Hoàn thành hệ thống trao i a nhiệt H nh K ch thước thành ph n Geometry H nh M h nh sau tạo mesh H nh Ch n vật liệu H nh Bi u iến thi n sai số chạy kết Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB iv Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt CHƯƠNG TỔNG QUAN Năng lượng a nhiệt loại lượng ền vững, có th sử dụng trực tiếp phạm vi hộ gia nh cho nhu c u ản sưởi m, làm nóng nước Bài áo cáo m hệ thống trao i a nhiệt làm nóng nước phạm v hộ gia nh Hệ thống ược lắp ặt ộ sâu 6m so với mặt hệ thống ống c p, thu h i nước t, g m ph n hệ thống ống trao i nhiệt  Hệ thống ống trao i nhiệt g m ống (xoắn theo ki u lò xo, ường kính xoắn d = 1m, ộ dài ống khoảng 12.56 m), chia thành nhóm, nhóm g m hàng ống, hàng g m ống h nh  T ng ộ dài toàn hệ thống ống khoảng 221.5 m  Đường kính hệ thống ống trao i nhiệt d = 100mm  Đường kính hệ thống ống c p nước thu h i nước nóng từ l ng t d= 150mm H nh Hệ thống ống trao đổi nhiệt  Bài mô giả sử ộ nhám bề mặt thành ống = 0mm (nhẵn)  Nhiệt ộ nước u vào 10oC  Lưu lượng dòng vào m3/s Sự biến thiên nhiệt ộ trao t ộ sâu thay i từ – 6m  Độ dày thành ống trao i nhiệt 2mm  Hệ số trao i nhiệt thành ống 0.46 W/m.K Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB t từ 30 – 36oC Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt CHƯƠNG CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước Xây dựng Definitions Interpolation Năng lượng a nhiệt thay i theo chiều sâu lắp ặt hệ thống Model > Definitions > Nh p phải Interpolation 1, nhập vào theo ảng B ng Nhập Interpolation t (m) f(t) (degC) 30 32 34 36 Biến (Variables) Model > Definitions > Nh p phải Varia les1, nhập vào theo ảng B ng Nhập Variables Tên Diễn giải Đơn v Giải th ch T_soil int1(z) K Nhiệt ộ nước d_wall 2[mm] mm Độ dày thành ống k_wall 0.46[W/m/K] W/(m.K) Hệ số trao i nhiệt thành ống Bước Xây dựng khối Geometry Các bước thực Geometry > More Primitives > Parametric Curve hình H nh Tạo ống trao đổi nhiệt lòng đất Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Sau tạo ống trao i nhiệt (dạng xoắn ốc), ta tạo ống d n Geometry > More Primitives > Polygon hình H nh Tạo hệ thống ống dẫn Xây dựng hệ thống ống d n ằng lệnh Geometry > Transforms > Mirror ; Geometry > Transforms > Array Geometry > Transforms > Rotate cho ến ược hệ thống hoàn chỉnh h nh H nh Hoàn thành hệ thống trao đổi địa nhiệt Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Bảng thông số nhập vào diễn giải X Y Z Axis type z-axis Type Open Curve Data Source Vectors X 1.1 1.1 1.1 Y 0 1.5 Z 0 2.6 2.6 Data Source Vectors X 11 Y 1.5 Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Object Type 0.3*s Coordinates Z Object Type sin(pi*s) Coordinates Y Vectors X -15 Y 1.5 1.5 Z 2.4 2.4 Type Open Curve Data Source Vectors X 1.1 -15 Y 1.5 1.5 Z 2.6 2.6 pol3, pol4, arr (1,1,1,1) (1,1,1,6), arr (2,1,1,1) (2,1,1,6) Input cos(pi*s) Data Source Size X Open Curve XYZ 121 Displace ment Type XYZ 10 Object Type Maximum Type Open Curve Data Source Vectors X -15 -15 -28 -35 -45 Y 1.5 11.5 11.5 11.5 Z 2.4 2.4 10 10 Coordinates Polygon Minimum Polygon s Array Name Polygon Expression Coordinates Polygon Objec Coordin t ates Type Polygon Object Type Axis Position Parametric Curve Parameter B ng Nhập thông số phần Geometry Type Open Curve Data Source Vectors X 15 -28 -35 -45 Y 1.5 11.5 11.5 11.5 pc1, pol1, pol2, mir1(1), mir1(2), mir1(3) Z 2.6 2.6 6.2 10.2 10.2 211 Rotation Angle 45 XYZ -15 11.5 010 Size XYZ XYZ Coordinates Vector XYZ Pogygon 1.5 Rotate Point XYZ Displace ment Array1 2.4 2.4 pc1, pol1, pol2 Input Mirror Input Z Object Type Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt 3m 3m 13.5m 2.6m 45o 10m d=1m 8m 10m 2.4m 13.1m H nh Kích thước thành phần Geometry Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Bước Tạo Mesh Trong ph n Mesh, ch n Sequence type: Physics-controlled mesh Element size: Extremely Fine, ta ược 1296 ph n tử ã ược mesh h nh H nh Mô h nh sau tạo mesh Bước Tạo vật liệu (Material) T m loại vật liệu Water thẻ Material Browser r i Add Material to Model Geometry enity level: Edge > Selection: All Edges theo hình H nh Chọn vật liệu Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Bước 5: Tạo Non- Isothermal Pipe Flow ống làm mát Model > Nh p phải Add Physics > Fluid Flow > Non- Isothermal Flow > Non- Isothermal Flow Pipe Flow > Next > Step 1: Stationary > Lá cờ Finish Nhập số liệu theo ảng B ng Nhập số liệu phần Physics: Non- Isothermal Pipe Flow NonIsothermal Pipe Flow All Edge Pressure Không chỉnh sửa Fluid Model Newtonian Initial Value Không chỉnh sửa Fluid Không chỉnh sửa Ch n ường ống Ch n ống l xo Pipe Properties Pipe Properties Shape Round Diameter 150[mm] Shape Round Diameter 100[mm] Model Churchill Model Churchill Roughness Smooth Roughness Smooth Mannual Manual 7-56 Mannual q 5[m^3/s] T in 10[degC] Heat Outflow Inlet T_ext Wall Heat Transfer T_soil Internal Film Không Temperature Resistance chỉnh sửa 1 Wall layer k_wall, d_wall Internal Film Resistance u_ext = 0.05 [m/s] Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Bước 6: Chạy kết qu Study > Nh p phải Compute, giải ài toán 41s, với iến thi n sai số h nh H nh Biểu đồ biến thiên sai số chạy kết qu Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Áp suất (Pressure) H nh Kết qu Áp suất _ H nh 10 Kết qu Áp suất _ Đ u vào: 1.3 x 108 Pa Đ u ra: 1.01 x 105 Pa Áp su t nước u vào cao, sau ó áp su t giảm d m nước chảy ến hệ thống ống l xo trao i nhiệt t cho ến ạt ược áp su t cửa khoảng 1atm Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Vận tốc (Velocity) (2) (1) (2) H nh 11 Kết qu Vận tốc_1 H nh 12 Kết qu Vận tốc_2 (2) (2) (1) (1) H nh 13 Kết qu Vận tốc _ H nh 14 Kết qu Vận tốc _ Đ u vào: 285.75 m/s Đ u ra: 285.75 m/s Nước sau chảy qua hệ thống ống c p nước th d ng chảy thống ống l xo trao i nhiệt rẽ thành hướng i vào hệ Hướng (1): d ng chảy i vào có vận tốc khoảng 150m/s, chảy ống l xo, có sức cản ề mặt n ống n n vận tốc nước chảy ống l xo khoảng 100m/s giảm d n xuống 50m/s nước chảy ngược từ áy ống l xo l n hệ thống thu h i nước nóng n tr n Hướng (2): tương tự hướng (1) d ng chảy i vào có vận tốc khoảng 5m/s ộ dài ống c p nước u vào ngắn so với hướng (2) n n ường i nước ngắn Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt Nhiệt độ (Temperature) H nh 15 Kết qu Nhiệt độ _ H nh 16 Kết qu Nhiệt độ _ Đ u vào: 10oC Đ u ra: 41 5oC Nước u vào d ng nước lạnh, sau chảy vào hệ thống c p nước th nhiệt ộ tăng l n (21 oC), vào ến hệ thống ống l xo trao i nhiệt với t th ạt 29 oC, sau ó d ng chảy hướng hệ thống thu h i nước nóng ( ạt 31 oC) cuối khỏi hệ thống trao i tr n mặt t với u 41.85 oC Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB 10 Mô hệ thống trao đổi địa nhiệt CHƯƠNG KẾT LUẬN Ph n mềm COMSOL MULTIPHYSICS ph m mềm có t nh ứng dụng cao, hiệu việc m tr nh c ng nghệ m i trường, lượng nói ri ng nhiều lĩnh vực khoa h c ời sống nói chung Nhờ thực m tr nh trao i a nhiệt, ta có th ki m soát ược iến thi n nhiều yếu tố vật lý tác ộng kết hiệu làm việc hệ thống làm nóng nước ằng lượng a nhiệt như: áp su t, vận tốc nhiệt ộ Từ ó có th ề xu t giải pháp tối ưu hóa hiệu su t làm việc hệ thống như: Về mặt thiết kế Tăng số v ng ống l xo (v n giữ nguy n ộ cao ống) tăng thời gian trao diện t ch ề mặt trao i nhiệt thu ược nước có nhiệt ộ cao i nhiệt tăng Tăng số lượng ống l xo hệ thống Giảm chiều dài hệ thống c p nước thu h i nước nóng Về mặt thơng số đầu vào Đ m h nh m g n với thực tế, ta có th thay (kh ng giả sử mặt trơn, nhẵn nữa) i th ng số ộ nhám ề mặt thành ống Giảm tốc ộ d ng vào Về kỹ thuật thực Chia mesh m n v tr i m vào oạn ống, d ng chảy thay ộ cao hướng chảy Nguyễn Ngọc Như Quỳnh – 02ĐHQTTB 11 i ... Roughness Smooth Roughness Smooth Mannual Manual 7-56 Mannual q 5[m^3/s] T in 10[degC] Heat Outflow Inlet T_ext Wall Heat Transfer T_soil Internal Film Không Temperature Resistance chỉnh sửa 1 Wall