84 Bảng 4.2: Bảng Taguchi L9. STT P1 P2 P3 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2
Bảng 4.3: Bảng ấn định thông số của các yếu tố.
STT P1 P2 P3 1 20 1.5 20 2 20 2.25 25 3 20 3 30 4 24 1.5 25 5 24 2.25 30 6 24 3 20
85
7 28 1.5 30
8 28 2.25 20
9 28 3 25
4.4.2. Các bước tiến hành thực nghiệm
Bước 1. Mở công tắc cấp nguồn cho mô hình. Kiểm tra cảm biến còn hoạt động không. Đổ nước đầy vào 2 thùng nước nóng lạnh được cách nhiệt.
Bước 2. Tiến hành cấp điện gia nhiệt nước nóng, dùng nhiệt kế đo đến nhiệt độ theo thông số ấn định ở trên thì dùng lại. Dùng đá hoặc điện trở tương tự như nước nóng cho nước lạnh. Điều chỉnh nhiệt độ phòng theo thông số trên bảng.
Bước 3. Khi nhiệt độ nước nóng, lạnh và nhiệt độ phòng đã đúng theo thông số ấn định thì tiến hành bật bơm nước nóng và nước lạnh hoạt động và điều chỉnh lưu lương theo bằng chiết áp theo thông số đã ấn định.
Bước 4. Quan sát cảm biến nhiệt độ ở nước lạnh, nóng vào ra, đợi các số liệu ổn định và tiến hành ghi chép.
Bước 5. Sau khi ghi chép xong (khoảng 1 phút rưỡi) thì tắt dừng bơm và lặp lại từ đâu. Mỗi thí nghiệm sẽ tiến hành 3 lần.
4.5. Tính toán lý thuyết sơ bộ
4.5.1. Phương trình cân bằng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt được dùng để tính toán cho thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng nếu bỏ qua tổn thất nhiệt theo công thức (1-16) tài liệu [9]
Q = G1.Cp1.(t1’- t1”) = G2.Cp2.(t2”- t2’)
Trong đó:
86
Cp1, Cp2 là nhiệt dung riêng của nước nóng và lạnh, [J/kg.℃]; t1’, t1” là nhiệt độ nước nóng đi vào và ra, [℃];
t2’, t2” là nhiệt độ nước lạnh đi vào và ra, [℃].
4.5.2. Tính toán trường hợp thí nghiêm
Trường hợp 1 có các thông số sau, nhiệt độ nước nóng t1’ = 85 oC, lưu lượng 6,8l/p. Nước lạnh t2’= 25 oC, lưu lượng 6,8l/p. Nhiệt độ bề mặt 20 oC. Thiết bị trao đổi ngược chiều, làm bằng nhôm có hệ số dẫn nhiệt 𝜆 = 201 W/mK.
TBTĐN có 3 phần chỉnh gồm phần ống góp 1 nơi nước lạnh vào và nước nóng ra, phần chính của TBTĐ nhiệt, phần ống góp 2 nới nước nóng vào và nướng lạnh ra.
Bỏ qua tổn thất nhiệt ở bộ góp ta có Vận tốc nước nóng tại mỗi ống (12 ống)
ω = 𝑄
𝑆 = (6,8⁄1000.60.12)/(π.0,0022)= 0,75457 m/s
Trong đó:
ω là vận tốc trung bình nước trong ống, m/s; Q là lưu lượng thể tích, m3/s;
S là tiết diện bề mặt ống, m2;
Tiêu chuẩn Reynolds cho phần nước nóng:
Re = ω.dtd ν
Trong đó:
87
dtd là đường kính tính toán, m;
ν là độ nhớt động học, tại nhiệt độ t2’ = 85 ℃ tra bảng các thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta được ν = 0,3455.10-6 m2/s.
Đường kính tính toán bằng dtd = d = 0,004 m Vậy Ref = 0,75457.0,004
0,3455.10−6 = 8735,977
Vì 2200 < Ref <104, nên nước chảy trong ống quá độ. Vậy phương trình Nu [18]
Nuf = Ko.Prf0,43.( Prf / Prw)0,25.ԑl
Prf – tiêu chuẩn Pr của chất lỏng theo nhiệt độ tf, ta có Prf =2,08
PrW – tiêu chuẩn Pr của chất lỏng theo nhiệt độ tw = 20oC, ta có PrW = 7,02
ԑl – hệ số hiệu chỉnh , do l/dtd = 0,04/0,004=10, tra bảng trị số ԑl = 1,28
Ko – hệ số thực nghiệm, tra theo bảng ứng với Ref = 8735,977 ta được Ko= 29,21 Vậy Nuf = 29,21.2,080,43(2,08/7,02)0,25.1,28 =37,8
Vậy hệ số tỏa nhiệt đối lưu cho mỗi ống nước nóng α = Nu 𝜆
𝑑𝑡𝑑 = 37,8.67,7.10
-2/0,004 = 6397,65 W/m2.độ
Vận tốc nước lạnh tại mỗi ống (6 ống): ω = 𝑄
𝑆 = (6,8⁄1000.60.6)/(82,8463.10
-6)= 0,228 m/s
Trong đó:
ω là vận tốc trung bình nước trong ống, m/s; Q là lưu lượng thể tích, m3/s;
88
S là tiết diện bề mặt ống, m2;
Do ống nước lạnh không phải là ống tròn nên ta quy về ống tròn cho dễ tính toán Với đường kính tính toán bằng dtd = 0,011 m
Tiêu chuẩn Reynolds:
Re = ω.dtd ν
Trong đó:
ω là vận tốc, m/s;
dtd là đường kính tính toán, m;
ν là độ nhớt động học, tại nhiệt độ t2’ = 25 ℃ tra bảng các thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta được ν = 0,9055.10-6 m2/s.
Vậy Ref = 0,228.0,011
0,9055.10−6 = 2769,74
Vì 2200 < Ref <104, nên nước chảy trong ống quá độ Vậy phương trình Nu [18]
Nuf = Ko.Prf0,43.( Prf / Prw)0,25.ԑl
Prf – tiêu chuẩn Pr của chất lỏng theo nhiệt độ tf, ta có Prf =6,22
PrW – tiêu chuẩn Pr của chất lỏng theo nhiệt độ tw= 20oC, ta có PrW = 7,02
ԑl – hệ số hiệu chỉnh , do l/dtd =0,04/0,011 nên tra trị số ԑl = 1,558
Ko – hệ số thực nghiệm, tra theo bảng ứng với Ref = 2769,74 ta được Ko= 5,51 Vậy Nuf = 5,51.6,220,43(6,22/7,02)0,25.1,558 =18,2773
89
α = Nu𝜆/𝑑𝑡𝑑 = 18,2773.60,85.10-2/0,011 = 1011,067 W/m2.độ
Hệ số truyền nhiệt:
Vách trụ có chiều dày lớn hệ số truyền nhiệt áp dụng theo công thức (2-7) tài liệu [9]
k = 1 𝑑𝑡𝑏( 1 α1.d1+1 2 𝜆.𝑙𝑛𝑑2 𝑑1+ 1 α2d2) vì α1> α2 nên dtb = d2 vậy k = 1 0,011( 1 6397,65.0,004+ 1 2.201.𝑙𝑛0,011 0,004+ 1 1011,067.0,011) = 691,2856 W/m 2.oK Ta có W1 = G1.Cp1' . W2 = G2.Cp2’ G1 = 6,8 1000.60.968,55 = 0,10977 kg/s Cp1’ = 4201,5 J/kgđộ ở 85 oC G1 = 6,8 1000.60.996,95 = 0,113 kg/s Cp2’ = 4178,5 J/kgđộ ở 25 oC Vậy W1 = 0,10977.4201,5 = 461,2 J/s.độ W2 = 0,113.4178,5 = 472,1705 J/s.độ
Theo tài liệu [9] với thiết bị ngược chiều ta có
t1” = t1’ – ( t1’ – t2’).Z (2-42) t2” = t2’ + ( t1’ – t2’).W1.Z/W2 (2-43) Q = W1 – ( t1’ – t1”) = W2 – ( t2” – t2’) (2-44) Z = 1− 𝑒 − 𝑊1𝑘𝐹(1+ 𝑊1𝑊2) 1−𝑊1 𝑊2𝑒− 𝑘𝐹 𝑊1(1+ 𝑊1 𝑊2) (2-45)
Ta có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt phần ống nước nóng F = 3,02.10-3 m2 (dựa vào phần mềm inventor)
90
Vậy ta tìm được Z = 0,278 Suy ra nhiệt độ nước nóng t1”
91
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 5.1. Kết luận 5.1. Kết luận
Nhóm chúng em tiếp tục nghiên cứu tối ưu nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo kích thước và biên dạng của than cây bông súng bằng mô phỏng và thực nghiệm. Do dịch bệnh kéo dài ảnh hưởng đến quá trình lên lab làm thực nghiệm nên phần thực nghiệm không thể tiến hành. Các kết quả mô phỏng tuy chưa khách quan và chính xác đối với thực tế nhưng có thể chấp nhận được
Sau quá trình nghiên cứu, mô phỏng số và phân tích dữ diệu thu được từ mô phỏng, nhóm chúng em đưa ra nhưng kết luận sau đây:
- Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị là yếu tố P2
vận tốc nước đầu vào.
- Độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất là: Δtmax = 85 – 76.97 = 8.03(oC) của mô phỏng số
1 với các giá trị yếu tố:
o P1: Nhiệt độ môi trường: 20 oC;
o P2: Vận tốc cold_water_in: 1.5 m/s;
o P3: Nhiệt độ cold_water_in: 20 oC.
- Tính toán lý thuyết tính ra được t1” = 68.32(oC) so với kết quả mô phỏng t1” =
81.39 (oC) chênh lệch khoảng 16% bởi vì TBTĐN có thiết kế với biên dạng phức
tạp, chưa có phương pháp giải, các công thức tính toán chinh xác nên nhóm dựa vào phương pháp giải gần đúng và đặt giả thuyết đề bài.
5.2. Kiến nghị
Dựa vào thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng, nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án “Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo kích thước và biên dạng của than cây bông súng”. Để hoàn thiện hơn đề tài nhóm xin kiến nghị một số vấn đề sau:
- Cần thực hiện các thí nghiệm về thực nghiệm
92
- Thêm vào đó nên nghiên cứu về độ chênh vân tốc dòng lưu chất để tối ưu thiết bị
trao đổi nhiệt.
- Hy vọng kỳ tới nhóm em sẽ được thực nghiệm với giá trị vận tốc được chia nhỏ
hơn.
- Xây dựng được công thức tính toán lý thuyết tối ưu.
Vì đây là phương pháp nghiên cứu mới và thời gian tiếp xúc còn hạn chế, các kiến thức chuyên sâu về mảng mô phỏng không nhiều nên còn xảy xa nhiều thiếu xót. Do đó, nhóm rất mong sự đánh giá và góp ý của giảng viên để chất lượng đề tải nghiên cứu được hoàn thiện nhất và có thêm nhưng kiến thức cho tương lai.
93
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Piyush Sabharwall, James E. O’Brien, Michael G. Mckellar, Gregory K. Housley, Shannon M. Bragg-Sitton, And Richard D. Boardman: Scaling Analysistechniques To Establish Experimental Infrastructure For Component, Subsystem, And Integrated System Testing [1] https://m.weldcom.vn/nv334/gia-cong-cnc-la-gi-nhung-kien-thuc-co-ban-cua-cnc.html [2] https://m.weldcom.vn/nv432/phay-cnc-kim-loai-phuong-phap-gia-cong-co-khi-danh- cho-moi-doanh-nghiep.html [3] https://ximakimloai.com.vn/tien-phay-cnc [4] https://cokhialphatech.vn/gia-cong-cnc-la-gi/ [5] https://sidoki.com/cong-nghe-gia-cong-cnc-la-gi-uu-nhuoc-diem-cua-cnc/ [6] https://www.weldtec.com.vn/tin-cong-nghe/ung-dung-cong-nghe-cnc.html [7]http://designs.vn/tin-tuc/thiet-ke-phong-sinh-hoc-biomimetic-design-la-gi- _15598.html#.XNoaOI4zZPZ [8]https://cayvietnam.com/san-pham/cay-hoa- sung#:~:text=L%C3%A1%20c%C3%A2y%20Hoa%20S%C3%BAng%20l%C3%A0,c% C3%B3%20m%C3%A0u%20%C4%91%E1%BB%8F%20ho%E1%BA%B7c%20xanh. [9] Giáo trình Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt, PGS. TS. Bùi Hải – TS. Dương Đức Hồng – TS. Hà Mạnh Thư.
[10] Biomimetic Groundwork for Thermal Exchange Structures Inspired by Plant Leaf Design
[11] https://khoahoc.tv/toa-nha-tu-lam-mat-dau-tien-tren-the-gioi-92586 [12] Design of experiment Taguchi method
[13] https://advancecad.edu.vn/cac-ung-dung-cua-phan-mem-inventor/#1 [14] https://advancecad.edu.vn/phan-mem-ansys/
[15] https://edu.cfd-engineer.com/course/mo-phong-cfd-voi-ansys-fluent [16] https://www.iworld.com.vn/minitab-phan-mem-thong-ke-toan-dien/
94
[18] Giải giảng Tỏa Nhiệt Đối Lưu, Giảng viên Ths Phan Thành Nhân, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[19] Đồ Án “Nghiên Cứu Sự Ảnh Hưởng Của Kích Thước Và Biên Dạng Thân Cây Bông Súng Đến Ứng Dụng Của Ống Đa Diện”