(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM SƠN MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Phạm Thanh Bình Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/10/1986 Nơi sinh: Biên Hịa-Đồng Nai Q qn: Thanh Hóa Dân tộc:Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 41/3B , KP1, P.Thống Nhất , TP Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai Điện thoại quan: 0613822263 Điện thoại nhà riêng:0613916987 Fax: E-mail: ptbinh86@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2006 Nơi học (trường, thành phố): Trường CĐN Đồng Nai Ngành học: Nguội sữa chửa Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học SPKT TP.Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí chế tạo máy III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường CĐN Đồng Nai Giảng dạy Từ 06/2010 đến LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Phạm Sơn Minh, người thầy tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu quan trọng, định hướng sửa chữa thiếu sót suốt q trình tơi nghiên cứu để hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn quý thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình dạy dỗ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập trường Tôi cảm ơn lời hỏi thăm, giúp đỡ động viên nhiệt tình anh chị học viên lớp cao học khóa 2012-2014B ngành Kỹ Thuật Cơ Khí gia đình tạo điều kiện cho học tập tốt Cuối tơi xin cảm ơn Phịng Cao học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện để học tập thực xong luận văn Học viên thực ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii Đề xuất mơ hình thực nghiệm, tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải , tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết iii MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG viii DANH SÁCH HÌNH ix Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài .9 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương NGHIÊN CỨU TỔNG THỀ VỀ CÁC DẠNG ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG MÔI TRƯỜNG PHẦN MỀM ANSYS CFX 11 2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 11 2.1.1 Giới thiệu chung 11 2.1.2 Kiểu tốn phân tích với ANSYS 14 13 2.2 Lý thuyết điều kiện biên 15 2.2.1 Định nghĩa điều kiện biên 15 2.2.2 Một số điều kiện biên toán học 15 2.3 Các dạng điều kiện biên 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 v 2.3.4 Kiểu biên WALL 19 2.4 Lý thuyết truyền nhiệt 22 2.4.1 Khái niệm trao đổi nhiệt 22 2.4.2 Các phương thức trao đổi nhiệt 22 2.4.2.1 Dẫn nhiệt .23 2.4.2.2 Tỏa nhiệt (hay trao đổi nhiệt đối lưu) 25 2.4.2.3 Trao đổi nhiệt xạ 25 Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC THƠNG SỐ CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ ĐẦU RA CỦA KHÍ .28 3.1 Một số loại thiết bị tận dụng nhiệt thải 28 3.1.1 Thiết bị thu hồi nhiệt [9] 28 3.1.2 Thiết bị thu hồi nhiệt xạ kim loại [12] 28 3.1.3 Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu [10],[11] 29 3.1.4 Tuabin nhiệt [12] 30 3.1.5 Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống [13] 31 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hệ thống đến nhiệt độ đầu khí 32 3.2.1 Thiết kế mơ hình: 32 3.2.2 Thông số mô : .33 3.2.2.1 Các thông số công tác chủ yếu động .33 3.2.2.2 Thông số vật liệu 33 3.2.3 Thiết lập mơ hình mơ hệ thống phần mềm Ansys 14 35 3.2.4 So sánh kết mô phỏng: .36 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ SO SÁNH VỚI 43 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 4.1 Tìm hiểu động hình dạng kích thước ống xả khí thải cho thực nghiệm .43 4.1.1 Động máy phát điện CAT D333 .43 4.1.2 Ống xả khí thải : 43 4.2 Mơ q trình gia nhiệt khơng khí hệ thống 45 vi 4.2.1 Thiết kế, mô kiểm tra nhiệt độ với trường hợp .46 4.2.1.1 Thiết kế mơ hình ống bao ngồi 46 4.2.1.2 Mô , kiểm tra nhiệt độ đầu ( Trường hơp 1) .47 4.2.2 Thiết kế, mô kiểm tra nhiệt độ với trường hợp .52 4.2.2.1 Thiết kế mơ hình ống bao ngồi 52 4.2.2.2 Mô , kiểm tra nhiệt độ đầu ( Trường hơp 2) .52 4.3 Đề xuất cho mơ hình thực nghiệm 56 4.4 So sánh kết trình thực nghiệm với mô .58 4.4.1 Quá trình thực nghiệm : 58 4.4.2 Kết thực nghiệm .59 4.4.3 So sánh với kết mô 59 Chương KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 vii Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Nhiệt thải nhiệt phát sinh trình đốt cháy nhiên liệu phản ứng hoá học thải ngồi mơi trường, chúng khơng tái sử dụng cách hữu ích cho mục đích kinh tế Vấn đề mà cần quan tâm “giá trị” khối lượng nhiệt thải Cơ chế để tân dụng nhiệt thải phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải Hoạt động lị hơi, lò nung, lò luyện động thường phát sinh lượng lớn khí thải nóng Nếu phần nhiệt thải tận dụng tiết kiệm lượng nhiên liệu đáng kể Chúng ta khơng thể thu hồi tồn thu hồi phần lớn lượng khí thải Hiện nguồn lượng tận dụng để dùng vào nhiều mục đích khác nhau: Sản xuất hơi, điện năng, điều hồ khơng khí hay làm lạnh khơng khí cấp vào động Ví dụ hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lị nung clinker phát điện Nhà máy xi măng Hà Tiên Nguyên lý hoạt động hệ thống: khí thải từ lị quay có nhiệt độ từ 350 – 3800C dẫn vào nồi thực trao đổi nhiệt tạo nhiệt Dùng nhiệt quay turbine dẫn động máy phát điện Phần khí sau qua trao đổi nhiệt khoảng 2300C đưa sấy liệu cho máy nghiền bột sống Khi lò nung hoạt động bình thường với cơng suất 3.000 clinker/năm, nhà máy phát MW điện Ngoài hiệu thu hồi lượng nhiệt thải từ lị nung để phát điện làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng, hệ thống thu hồi nhiệt thải cịn có tác dụng phụ tích cực như: Hệ thống hấp thụ nhiệt chuyển thành điện năng, làm giảm nhiệt độ đầu vào thiết bị thuộc cơng đoạn phía sau giúp thiết bị hoạt động ổn định hơn, giảm hư hỏng, tăng tuổi thọ máy nghiền bột sống, quạt gió KK15-KM02, lọc bụi tĩnh điện Qua kết phân tích nhiệt độ đầu khí trường hợp đề xuất trường hợp (mẫu X=190mm) để thiết kế cho mơ hình thực nghiệm Trong mơ hình thí nghiệm dịng khí gia nhiệt (khí lạnh) ngược chiều với dịng khí thải ống xả (khí nóng) ,khác với mơ hình thực nghiệm dịng khí nóng lạnh song song, truyền nhiệt hiệu so với dịng khí ngược chiều Kết thí nghiệm kết mơ giúp chủ động việc tăng giảm nhiệt độ đầu khí cần thiết cách thay đổi thông số hệ thống như: thiết kế, lưu lượng hút, linh hoạt việc ràng buộc điều kiện biên, tiết kiệm chi phí chế thạo mơ hình nhiều lần 5.2 Tính khả thi đề tài: Việc mơ thành công kết nhiệt độ đầu hệ thống tận dụng nhiệt thải môi trường Ansys Workbench 14 So sánh với kết thực nghiệm hồn tồn có khả áp dụng vào thực tiễn Trong thực tế ống xả khí thải có nhiều hình dáng, kích thước khác nhau, việc áp dụng phần mềm Ansys 14 vào mô hệ thống tiết kiệm chi phí chế tạo thử nghiệm đảm bảo kết xác 5.3 Những vấn đề tồn đề tài hướng phát triển: - Những vấn đề tồn đề tài : giới hạn đề tài khơng có điều kiện để thử tải động mà dùng 1/3 tải - Hướng phát triển đề tài : + Cải thiện hệ thống thu nhiệt cách linh hoạt ống xả không đạt nhiệt độ mong muốn ( nhiệt độ ống xả cao hoăc thấp) + Thiết kế thêm bô phận giữ nhiệt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT PGS.TS Bùi Hải , PGS.TS Bùi Thế Sơn, Giáo trình Kỹ thuật nhiệt , NXB Khoa học kỹ thuật PGS.TS Lê Viết Lượng , Lý thuyết động Diesel ,NXB Giáo dục, 2000 PGS.TS.Đỗ Thành Trung , Giáo trình Ansys – Phân tích ứng suất biến dạng PGS.TS.Nguyễn Hoài Sơn , TS.Phan Đức Huynh, Giáo trình ứng dụng Ansys vào tốn kỹ thuật Nồi tận dụng nhiệt khí xả động Diezel tàu thủy kiểu Moduyn, GS.TS.Lê Viết Lượng, NCS.Nguyễn Ngọc Hải, KS.Phan Văn Đức Nghiên cứu tận dụng nhiệt từ khí xả động để chạy máy lạnh, Nguyễn Hữu Huệ, Chu Mai Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành Nghiên cứu tính tốn mơ nhiệt - kết cấu cho buồng đốt động hàng không môi trường phần mềm Ansys Workbench Ansys CFX TIẾNG NƯỚC NGOÀI Fuel Economy in furnaces and Waste heat recovery-PCRA Sustainable Energy Authority of Victoria (SEAV), Australia Best Practice Design, Technology and Management, Module 2004 10.Heat Recovery Systems by D.A.Reay, E & F.N.Span, London, 1979 11.Reay, D.A Low Temperature Waste Heat Recovery in the Process Industry Good Practice Guide No 141 1996 12.SADC Energy Sector Module 15 Heat Recovery Systems Developed as part of the SADC Industrial Energy Management Project for the Canadian International Development Agency www.siemp.co.zw/manuals/htm 1999 13.King Fahad University of Petroleum & Minerals 2003 14.Hardtech Group www.hardtech.es/hgg_tt_hrt.0.html 63 PHỤ LỤC 64 65 66 67 68 69 70 71 72 Mô cho thực nghiệm Trường hợp ( X = 210 mm) Trường hợp ( X = 190 mm) Trường hợp ( X = 170 mm) 73 Trường hợp ( X = 210mm) Trường hợp ( X = 190mm) Trường hợp ( X = 170mm) 74 Tạo gân ống xả trường hợp Mẫu ( X = 210mm) 75 S K L 0 ... vậy, nghiện cứu thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động vào việc sấy khô loại nông sản, hải sản dược liệu vấn đề cần thiết cấp thiết Hệ thống sấy tận dụng nhiệt thải từ động hệ thống cung cấp... - Thiết lập qui trình ứng dụng cơng cụ mơ (CAE) cho trình thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hệ thống đến nhiệt độ đầu khí - Thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng. .. hạn đề tài : - Hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động đốt - Nhiệt độ khí sau hệ thống thu hồi được: 50o C - Luận văn tập trung vào hệ thống tận dụng nhiệt thải, ko nghiên cứu sâu hệ thống sấy 1.5