CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BUỒNG LẠNH DẠNG HÌNH TRỤ
2.3.3 Mô hình 4 ống làm lạnh
Mô hình 4 ống làm lạnh với kích thước tiêu chuẩn như thiết kế:
- Buồng lạnh: Kích thước đường kính 25cm, chiều cao 20cm, bề dày thành là 2mm.
- Ống làm lạnh: Kích thước 12,7mm, chiều dài 50cm, bề dày thành ống là 0,61mm.
Tiến hành chia lưới với những kinh nghiệm thu được từ mô hình 1 ống. Kiểm tra chất lượng lưới. Số phần tử của lưới toàn bộ mô hình là hơn 4 triệu.
Hình 2.21 Lưới mô hình 4 ống và chất lượng
Hình 2.22 Chất lượng lưới toàn thể mô hình 4 ống
Theo tiêu chuẩn Orthogonal, chất lượng lưới bắt đầu từ 0,68 và tập trung chủ yếu vào 0,75 tới 1. Như vậy, lưới đạt chất lượng tốt, tiếp tục tiến hành bước mô phỏng.
36 Các thông số thiết lập tương tự như với bài toán 1 ống. Tuy nhiên trong quá trình tiến hành thực nghiệm, nhiệt độ phòng là 30,8oC do đó cần điều chỉnh chạy lại bài mô phỏng cho sát với điều kiện đó để phần so sánh kết quả là trực quan nhất.
Thời gian chạy bài toán kéo dài gần 3 ngày, khoảng 57 tiếng.
Kết quả đáng chú ý là chỉ sau 70s, nhiệt độ tại tâm bình đã đạt tới -200C.
Hình 2.23 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 4 ống làm lạnh (mặt cắt ngang)
Hình 2.24 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 4 ống làm lạnh (mặt cắt dọc)
Hình 2.25 Đồ thị giảm nhiệt độ tại trung tâm buồng trường hợp van mở 1/1
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 20 40 60 80 100 120
Nhiệt độ (oC)
Thời gian (s)
37 Nhìn vào đồ thị có thể thấy ngay rằng nếu với độ mở hết cỡ của van, lượng nito tràn đầy 4 ống thì nhiệt độ giảm quá nhanh. Theo dõi kết quả mô phỏng, chỉ sau 70 giây là nhiệt độ tại tâm bình đã đạt xuống -20oC, sau 100s là -50oC, và càng giảm sâu dần xuống gần với nhiệt độ ban đầu của nito lỏng là -196oC.
Do đó, tiến hành điều chỉnh lưu lượng bằng van với độ mở nhỏ nhất để giảm lượng nito vào ống là phương án được lựa chọn. Để mô phỏng bài toán nito đi vào chỉ một phần nhỏ của ống đồng, cần tiến hành chia lại lưới và thiết lập lại điều kiện biên cho khối không gian trong lòng ống. Như vậy ở đây sẽ hình thành lớp không khí trong ống và nito dẫn vào. Cần sử dụng phương pháp VOF (Volume of Fluid) cho toàn bộ bài để xử lí mặt giao giữa dòng nito và không khí này.
Với kết quả đã đạt được, lựa chọn độ mở van 1/8 tương đương với lượng nito chảy vào giảm đi 8 lần để kéo dài thời gian xuống nhiệt độ. Tiết diện tương ứng sau khi tính toán sơ bộ là vòng tròn đường kính 4mm, thay vì toàn diện tích đường tròn đường kính 11,48mm trong trường hợp van mở hết cỡ.
Hình 2.26 Giảm tiết diện đường nito chảy vào
Với trường hợp này, cần lưu ý thiết lập kích cỡ bước thời gian và số lượng cẩn thận do tính toán theo VOF thường sử dụng cho bài toán xử lí bề mặt thoáng chất lỏng và với những quá trình ngắn khoảng vài chục giây. Quá trình giảm nhiệt được dự định theo dõi trong 10 phút tức là 600 giây và sau nhiều lần thử nghiệm, lựa chọn được:
- Kích cỡ bước thời gian: 0,001 - Số bước thời gian: 600000
Số nhân chạy là 12, thời gian chạy bài toán kéo dài 5 ngày, khoảng 120 tiếng.
Kết quả: Sau 590s, nhiệt độ tại tâm buồng đạt -20oC.
Gộp thông số hai trường hợp lại, ta có đồ thị sau:
38 Hình 2.27 Kết quả mô phỏng mô hình 4 ống với các mức lưu lượng
Như vậy có thể xác định trường hợp van mở 1/8 cho kết quả thời gian phù hợp để giảm tới nhiệt độ yêu cầu hơn. Với thiết kế 4 đường ống chất làm lạnh, cả không gian buồng được giảm nhiệt độ một cách đều tương đối hơn so với dạng thiết kế hình khối chữ nhật. Cũng do một số giới hạn của thiết bị đo nên để kết quả có tính chính xác và ổn định cao nhất, cả phần mô phỏng và thực nghiệm sẽ ghi nhận các thông số tới giới hạn -20oC, góp phần tăng tính trực quan cho so sánh. Nhiệt độ này cũng đã phù hợp với độ cao bay khoảng 2000m-8000m tùy vào khu vực địa lí và điều kiện thời tiết tại mỗi thời điểm cụ thể. Trong hướng phát triển sau này, khi đã xây dựng bổ sung hệ thống cảm biến chính xác và có khả năng vận hành trong điều kiện âm sâu tốt hơn thì buồng sẽ có những thực nghiệm với giới hạn sâu và hiệu suất tốt hơn.
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Nhiệt độ (C)
Thời gian (s)
Van mở 1/1 Van mở 1/8