Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí, việc đảm bảo tiện nghi nhiệt và phân phối vi khí hậu đồng đều trong các không gian làm việc kín đóng vai trò quan trọng đối với sức khỏe và hiệu suất lao động của con người. Đối với các không gian có diện tích nhỏ hẹp nhưng tập trung trang thiết bị hoặc bố trí phòng họp, việc chỉ sử dụng hệ thống máy điều hòa cục bộ dạng treo tường thông thường thường bộc lộ nhiều hạn chế. Điển hình là hiện tượng phân bố nhiệt độ và vận tốc dòng khí không đồng đều, tạo ra các vùng cục bộ quá lạnh ngay phía trước dàn lạnh, trong khi các vị trí xa hơn hoặc bị che khuất bởi nội thất lại không nhận đủ lưu lượng gió lạnh, kèm theo sự tích tụ khí và cảm giác ngột ngạt.
Đề tài "Đánh giá, mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến phân phối gió trong hệ thống điều hòa không khí vùng không gian nhỏ hẹp tại xưởng nhiệt" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả phân phối dòng không khí lạnh cho phòng họp tại Xưởng Nhiệt thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục đích trọng tâm của đồ án là nghiên cứu, thiết kế và tiến hành thực nghiệm hệ thống phân phối gió bổ trợ nhằm phân bổ đồng đều trường nhiệt độ và vận tốc không khí trong phòng.
Theo văn bản đồ án, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định và đánh số như sau:
- Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu, tính toán về điều hòa không khí cho vùng không gian nhỏ hẹp tại xưởng nhiệt.
- Nhiệm vụ 2: Thiết kế hệ thống trên phần mềm INVENTOR.
- Nhiệm vụ 3: Mô phỏng trên phần mềm ANSYS.
- Nhiệm vụ 4: Thi công mô hình thực tế.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là trường vận tốc và trường nhiệt độ của dòng không khí trong hệ thống phân phối gió điều hòa. Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn tại phòng họp (phòng Lab) đặt trong Xưởng Nhiệt thuộc Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với kích thước hình học gồm chiều dài 6,6 m, chiều rộng 3,2 m (kích thước đo đạc mặt bằng dựng hình là 3,4 m) và chiều cao 2,0 m, tương ứng thể tích không gian tính toán là 42 m³. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu diễn ra từ ngày 14/12/2020 đến ngày 01/02/2021.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu vận dụng các cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học, truyền nhiệt và thủy lực đường ống chuyên ngành công nghệ nhiệt - điện lạnh:
- Tiêu chuẩn tính toán: Tác giả áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687 về thông gió và điều hòa không khí, xác định bội số trao đổi không khí cho phòng học/phòng họp là $AC/h = 6$ lần/giờ.
- Phương pháp tính toán thủy lực đường ống gió: Sử dụng phương pháp ma sát đồng đều (Equal Friction Method). Nội dung phương pháp là xác định kích thước các đoạn ống sao cho tổn thất áp suất trên một mét chiều dài ống là không đổi trên toàn bộ tuyến ống, đảm bảo vận tốc dòng khí giảm dần theo chiều dài ống để chuyển một phần áp suất động thành áp suất tĩnh, giúp lưu lượng gió thoát ra tại các miệng thổi đạt trạng thái phân bố đều.
- Công thức tính tổn thất áp suất: Tổng tổn thất áp suất trên đường ống được xác định theo công thức $\Delta P = \Delta P_{ms} + \Delta P_{cb}$, trong đó tổn thất ma sát tính theo $\Delta P_{ms} = R_{ms} \cdot l$ (với $R_{ms}$ là trở kháng ma sát đơn vị, $l$ là chiều dài đoạn ống) và tổn thất cục bộ tính theo $\Delta P_{cb} = \sum \xi \cdot P_d$ (với $\xi$ là hệ số trở kháng cục bộ, $P_d$ là áp suất động).
- Cơ sở truyền nhiệt kết cấu bao che: Sử dụng phương trình truyền nhiệt qua vách nhiều lớp và công thức xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$:
$$\frac{1}{K} = \frac{1}{\alpha_1} + \sum \frac{\delta_i}{\lambda_i} + \frac{1}{\alpha_2}$$
Trong đó hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía trong nhà được lấy $\alpha_1 = 10\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, hệ số tỏa nhiệt phía ngoài nhà $\alpha_2 = 20\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, $\delta$ là chiều dày vật liệu và $\lambda$ là hệ số dẫn nhiệt.
- Phương pháp mô phỏng số (CFD): Ứng dụng mô hình dòng chảy rối hai phương trình chuẩn $k-\varepsilon$ (Standard $k-\varepsilon$ Turbulence Model) trên phần mềm ANSYS Fluent. Mô hình giải phương trình vận chuyển cho động năng rối $k$ và tỷ lệ tiêu tán năng lượng rối $\varepsilon$, liên kết với độ nhớt rối $\mu_t = \rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}$.
- Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng phương pháp thực nghiệm tại hiện trường kết hợp so sánh đối chứng giữa hai trạng thái (trước khi lắp đặt ống gió và sau khi lắp đặt đường ống phân phối gió phụ trợ), ghi nhận số liệu nhiệt độ và vận tốc gió tại các vị trí không gian xác định.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kích thước hình học đo đạc trực tiếp từ phòng Lab tại Xưởng Nhiệt; dữ liệu nhiệt độ môi trường xung quanh ($T_{mt} = 31,5\ ^\circ\text{C}$); các thông số kỹ thuật của quạt thông gió công nghiệp YL-100 và dàn lạnh điều hòa cục bộ hiện hữu.
Thiết kế kỹ thuật và triển khai thực nghiệm
Hệ thống phân phối gió được thiết kế dưới dạng hệ thống kênh dẫn gió phụ trợ kết nối quạt hút cưỡng bức để tái phân phối khí lạnh từ điều hòa cục bộ đến các vị trí làm việc trong phòng:
- Thiết kế mô hình 3D trên Autodesk Inventor Professional 2020:
Mô hình hình học phòng thí nghiệm được phân chia thành ba thành phần chính:
- Thành phần "Room": Mô phỏng nền phòng dày 100 mm, tường bao và các trang thiết bị nội thất thực tế với kích thước đo đạc chi tiết: 1 bàn làm việc chính ($1500 \times 800 \times 820$ mm), 1 bàn làm việc phụ ($1200 \times 800 \times 820$ mm), 1 bàn làm việc nhóm ($2000 \times 1000 \times 900$ mm), 1 kệ để đồ ($2200 \times 380 \times 1600$ mm), 1 tivi ($1100 \times 15 \times 600$ mm) và 1 dàn lạnh treo tường ($770 \times 260 \times 280$ mm).
- Thành phần "Roof": Mô phỏng kết cấu trần phẳng có độ dày 100 mm che kín không gian phòng.
- Thành phần "Room Air": Mô phỏng toàn bộ khối không khí chiếm chỗ bên trong phòng, được tạo rỗng tại các vị trí tương ứng với nội thất và vật thể.
- Tuyến đường ống phân phối gió: Được bố trí treo cách sàn 1500 mm, cách tường bao 500 mm, có tổng chiều dài 4890 mm và tích hợp 4 miệng thổi hướng xuống khu vực sinh hoạt.
-
Lựa chọn vật liệu đường ống:
Tác giả lựa chọn ống nhựa PVC (Poly Vinyl Clorua) làm vật liệu chế tạo đường ống dẫn gió thay cho ống tôn tráng kẽm. Các thông số nhiệt - vật lý của vật liệu gồm: độ dẫn nhiệt thấp $\lambda = 0,13\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$ giúp hạn chế đọng sương bề mặt và duy trì nhiệt độ dòng khí ổn định; điện trở suất lớn hơn $10^{13}\ \Omega\cdot\text{cm}$ đảm bảo tính cách điện an toàn; độ nhám bề mặt trong nhỏ làm giảm ma sát khí động; khả năng chống ẩm mốc, kháng hóa chất và khối lượng nhẹ thuận tiện cho việc thi công treo đỡ trong không gian hẹp.
-
Thiết lập mô phỏng trên ANSYS Fluent:
- Quy trình tiền xử lý lưới (Meshing): Dữ liệu hình học từ Autodesk Inventor được chuyển sang module ANSYS Workbench. Khối lưu chất khí được chia lưới thể tích và kiểm soát chất lượng qua hai tiêu chí chính: hệ số lệch Skewness và tỷ lệ cạnh Aspect Ratio để đảm bảo độ hội tụ của thuật toán.
- Thiết lập điều kiện biên nhiệt và dòng chảy: Nhiệt độ môi trường ngoài được đo ở mốc $31,5\ ^\circ\text{C}$. Nhiệt độ bề mặt vách truyền nhiệt qua các kết cấu bao che được tính toán từ lý thuyết và gán vào các mặt biên Wall: bề mặt tường gạch gán $31,3\ ^\circ\text{C}$; bề mặt vách kính gán $28,25\ ^\circ\text{C}$; bề mặt trần laphon gán $31,27\ ^\circ\text{C}$; bề mặt kết cấu tôn - thép gán $31,49\ ^\circ\text{C}$.
- Điều kiện nguồn lạnh: Cửa thổi của dàn lạnh cục bộ được thiết lập với nhiệt độ không khí cấp $18\ ^\circ\text{C}$ và vận tốc gió $4,3\text{ m/s}$ (tương ứng chế độ đo thực tế lúc 11 giờ trưa). Miền cửa hút và các miệng thổi của đường ống gió được gán điều kiện biên vận tốc và lưu lượng theo kết quả tính toán thủy lực.
- Thi công và lắp đặt mô hình thực nghiệm:
- Khảo sát thực địa và định vị các điểm treo ty ren trên kết cấu trần bê tông.
- Lắp đặt hệ thống tắc kê sắt, bắt ty ren treo đỡ quạt và đường ống.
- Gia công cắt các đoạn ống nhựa PVC $\varnothing 140$ mm và $\varnothing 90$ mm theo thiết kế, khoét lỗ liên kết 4 miệng thổi $\varnothing 114$ mm.
- Lắp đặt quạt hút hướng trục model YL-100 (lưu lượng $290\text{ m}^3/\text{h}$, áp suất tạo ra $125\text{ Pa}$, công suất điện $40\text{ W}$, dòng điện $0,17\text{ A}$, đường kính hút/thổi $100\text{ mm}$).
- Kết nối kín khít các mối ghép bằng co, tê chuyển bậc PVC và cố định toàn bộ tuyến ống lên hệ khung ty treo trần.
- Bố trí các đầu đo cảm biến vận tốc và nhiệt độ tại các miệng thổi và các mặt cắt không gian trong phòng để tiến hành thực nghiệm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của kỹ thuật điều hòa không khí và thông gió trong việc duy trì vi khí hậu tiện nghi cho con người và tản nhiệt cho các thiết bị kỹ thuật. Tác giả phân tích các tác động sinh lý của nhiệt độ (nhiệt độ tiện nghi thích hợp từ $24\ ^\circ\text{C}$ đến $28\ ^\circ\text{C}$), độ ẩm tương đối (mức tối ưu từ 60% đến 65%), vận tốc chuyển động của không khí và nồng độ các chất ô nhiễm, nồng độ khí $\text{CO}_2$ sinh ra do hô hấp của con người.
Chương này cũng tổng hợp, so sánh ưu điểm và nhược điểm của ba hệ thống điều hòa không khí phổ biến hiện nay:
- Hệ thống điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt bằng nước (Water Chiller): Phù hợp công trình quy mô lớn, linh hoạt công suất nhưng chi phí đầu tư cao và hệ thống cồng kềnh.
- Hệ thống điều hòa biến lưu lượng môi chất (VRV): Hiệu suất năng lượng cao nhờ máy nén biến tần, tiết kiệm không gian lắp đặt nhưng chi phí thiết bị đắt đỏ và bị giới hạn ở dải công suất cực lớn.
- Hệ thống điều hòa cục bộ (máy 1 khối, 2 khối tách rời, hệ thống Multi): Phổ biến cho các văn phòng và phòng chức năng nhỏ do chi phí rẻ, lắp đặt độc lập nhanh chóng. Tuy nhiên, hệ thống này bộc lộ nhược điểm làm lạnh không đồng đều, khả năng cấp khí tươi hạn chế và hiệu suất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ ngoài trời. Đây chính là lý do tác giả đề xuất giải pháp cải tạo phân phối gió cho phòng nghiên cứu cụ thể tại Xưởng Nhiệt.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 tập trung vào việc tính toán thiết kế chi tiết đường ống phân phối gió và xây dựng mô hình không gian. Dựa trên thể tích phòng $V = 42\text{ m}^3$ và bội số trao đổi không khí $AC/h = 6$ lần/giờ, lưu lượng gió trao đổi ban đầu được tính là $Q = 252\text{ m}^3/\text{h}$. Tác giả lựa chọn quạt hút thương mại YL-100 có thông số định mức $Q = 290\text{ m}^3/\text{h}$, áp suất $125\text{ Pa}$, đường kính miệng hút/thổi $100\text{ mm}$.
Từ lưu lượng thực tế $290\text{ m}^3/\text{h}$, tuyến ống được chia thành hai đoạn chính và tính toán lại theo phương pháp ma sát đồng đều với vận tốc thiết kế trong ống chính là $6\text{ m/s}$, tốc độ gió ra khỏi 4 miệng thổi định hướng ở mức $1,5\text{ m/s}$ (lưu lượng mỗi miệng là $72,5\text{ m}^3/\text{h}$):
| Đoạn ống |
Lưu lượng ($m^3/h$) |
Đường kính tiêu chuẩn ($mm$) |
Chiều dài ($m$) |
Vận tốc ($m/s$) |
Tiết diện ($m^2$) |
Trở kháng ma sát $R_{ms}$ ($mmH_2O/m$) |
Tổn thất ma sát $\Delta P_{ms}$ ($mmH_2O$) |
Tổng hệ số trở kháng cục bộ $\sum \xi$ |
Áp suất động ($mmH_2O$) |
Tổn thất cục bộ $\Delta P_{cb}$ ($mmH_2O$) |
Tổng tổn thất $\Delta P$ ($mmH_2O$) |
| Ống chính 1 |
290 |
140 |
2,9 |
6 |
0,0134 |
0,34 |
0,986 |
2,96 |
0,2204 |
0,652 |
1,638 |
| Ống chính 2 |
145 |
90 |
2,0 |
6 |
0,00672 |
0,58 |
1,160 |
1,15 |
0,2204 |
0,253 |
1,413 |
Tổng tổn thất áp suất trên toàn tuyến ống được xác định:
- Tổng trở kháng ma sát: $\Delta P_{ms} = 0,986 + 1,160 = 2,146\text{ mmH}_2\text{O}$.
- Tổng trở kháng cục bộ: $\Delta P_{cb} = 0,652 + 0,253 = 0,905\text{ mmH}_2\text{O}$.
- Tổng tổn thất áp suất toàn hệ thống: $\Delta P = 2,146 + 0,905 = 3,051\text{ mmH}_2\text{O} \approx 29,92\text{ Pa}$.
Áp suất này nằm hoàn toàn trong phạm vi cột áp định mức của quạt YL-100 ($125\text{ Pa}$). Chương này cũng trình bày việc dựng hoàn chỉnh mô hình 3D hình học không gian phòng và hệ thống ống trên Autodesk Inventor Professional 2020.
Chương 3: Mô phỏng và thực nghiệm
Nội dung chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết lập mô phỏng số trên ANSYS Workbench 14.0 và quá trình thi công thực tế tại Xưởng Nhiệt:
- Mô hình CFD: Thiết lập mô hình dòng chảy rối $k-\varepsilon$ tiêu chuẩn. Xác định các điều kiện biên đầu vào từ tính toán cân bằng nhiệt qua kết cấu bao che khi nhiệt độ ngoài trời đạt $31,5\ ^\circ\text{C}$:
| Kết cấu bao che |
Chiều dày $\delta$ ($m$) |
Hệ số dẫn nhiệt $\lambda$ ($W/m\cdot^\circ C$) |
Hệ số truyền nhiệt $K$ ($W/m^2\cdot K$) |
Mật độ dòng nhiệt $q$ ($W/m^2$) |
Nhiệt độ bề mặt vách $T_w$ ($^\circ C$) |
| Tường gạch |
0,100 |
0,698 |
3,400 |
- |
31,30 |
| Cửa kính |
0,005 |
0,756 |
4,740 |
482,25 |
28,25 |
| Trần laphon |
0,010 |
0,170 |
4,788 |
890,58 |
31,27 |
| Vách tôn - thép |
0,002 |
58,000 |
6,002 |
592,49 |
31,49 |
- Khởi tạo và chia lưới (Mesh): Mô hình lưu chất được gán các mặt ranh giới Named Selections (Wall, Glass, Inletcoolair, v.v.). Lưới được đánh giá chất lượng qua phân bố chỉ số Skewness và Aspect Ratio nhằm đảm bảo tính toán ổn định. Quá trình tính toán sử dụng phương pháp khởi tạo Hybrid Initialization trong module Fluent.
- Lắp đặt thực nghiệm: Khảo sát thực tế phòng Lab, khoan bắt ty sắt, gắn tắc kê liên kết trần bê tông, treo quạt hút YL-100 và lắp đặt tuyến ống nhựa PVC gồm 4 miệng thổi dọc chiều dài phòng, tiến hành đấu nối điện và đo đạc kiểm tra độ kín gió.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Chương 4 công bố và phân tích các trường dữ liệu thu được từ phần mềm ANSYS Fluent và thực nghiệm đo đạc thực tế:
- Kết quả mô phỏng khi chưa lắp ống gió: Luồng khí lạnh từ dàn lạnh treo tường với nhiệt độ $18\ ^\circ\text{C}$ và vận tốc $4,3\text{ m/s}$ chỉ tập trung thổi mạnh về phía đối diện, sau đó chìm xuống sàn nhà. Khu vực gầm bàn và các góc phòng ở xa dàn lạnh hình thành các vùng quẩn khí có vận tốc dòng chảy rất thấp, nhiệt độ không khí tại các vị trí này duy trì ở mức cao và phân bố không đều.
- Kết quả mô phỏng khi lắp đặt đường ống phân phối gió: Dòng không khí lạnh được quạt hút hút vào đường ống và phân chia đều qua 4 miệng thổi xuống vùng làm việc. Các biểu đồ mặt cắt trục $YZ$, $XZ$ và $YX$ cho thấy trường vận tốc được cải thiện rõ rệt, vận tốc gió tại các vị trí ngồi làm việc đạt mức phân bố đồng đều quanh giá trị thiết kế $1,5\text{ m/s}$, hiện tượng phân tầng nhiệt độ giảm đáng kể.
- Kết quả đối chứng thực nghiệm: Tác giả ghi nhận bảng số liệu nhiệt độ thực tế tại các điểm đo cảm biến trước và sau khi lắp đặt đường ống gió, so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng CFD để đánh giá độ tin cậy của mô hình số.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Chương cuối tổng kết toàn bộ kết quả thực hiện đề tài. Nhóm tác giả khẳng định việc ứng dụng kết hợp giữa tính toán thủy lực truyền thống, thiết kế mô hình 3D trên Inventor, mô phỏng số CFD trên ANSYS Fluent và thi công thực nghiệm đã giải quyết thành công bài toán phân phối vi khí hậu cho phòng họp nhỏ hẹp tại Xưởng Nhiệt. Đồ án đưa ra các kiến nghị kỹ thuật về việc mở rộng khảo sát các góc đặt miệng thổi khác nhau nhằm tối ưu hóa tiện nghi dòng khí.
Kết quả và đóng góp
Văn bản đồ án đã công bố các kết quả định lượng cụ thể:
- Xác lập bộ thông số thiết kế thủy lực hoàn chỉnh cho hệ thống đường ống phân phối gió phụ trợ: lưu lượng tổng $290\text{ m}^3/\text{h}$, kích thước ống chính đoạn 1 là $\varnothing 140$ mm dài 2,9 m, đoạn 2 là $\varnothing 90$ mm dài 2,0 m; kích thước 4 miệng thổi $\varnothing 114$ mm; tổng tổn thất áp suất tính toán toàn tuyến đạt $3,051\text{ mmH}_2\text{O}$ (tương đương $29,92\text{ Pa}$), phù hợp với khả năng vận hành của quạt YL-100 ($125\text{ Pa}$).
- Tính toán chính xác các giá trị hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ bề mặt của các kết cấu bao che phòng Lab làm điều kiện biên cho bài toán nhiệt: $K_{tường} = 3,4\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, $K_{kính} = 4,74\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, $K_{laphon} = 4,788\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, $K_{tôn} = 6,002\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$.
- Giải pháp kỹ thuật được đề xuất: Ứng dụng tuyến ống gió phân phối chế tạo từ vật liệu ống nhựa PVC dân dụng kết hợp quạt hút hỗ trợ để thu gom và tái phân phối dòng không khí lạnh từ máy điều hòa cục bộ, giải quyết triệt để hiện tượng đọng lạnh cục bộ và thiếu gió tại vùng làm việc của không gian nhỏ hẹp.
- Đóng góp khoa học và thực tiễn: Đề tài hoàn thiện chu trình khép kín từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D (Autodesk Inventor), phân tích mô phỏng động lực học chất lưu số CFD (ANSYS Fluent) đến gia công, lắp đặt và kiểm chứng bằng số liệu thực nghiệm đo đạc thực tế tại hiện trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Các hạn chế được văn bản đề cập trực tiếp hoặc rút ra từ phạm vi nghiên cứu:
- Hạn chế của mô hình lý thuyết: Mô hình dòng chảy rối $k-\varepsilon$ tiêu chuẩn dựa trên giả định hệ số Reynolds cao và lớp biên cân bằng; tác giả chỉ rõ mô hình này bị giới hạn về độ chính xác khi dự đoán các vùng tuần hoàn không gian mở rộng và thường cho kết quả ít trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm đối với các dòng chảy xoáy phức tạp.
- Hạn chế của vật liệu: Ống nhựa PVC có nhược điểm bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc bị oxy hóa, lão hóa dưới tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời, do đó chỉ phù hợp lắp đặt trong nhà hoặc không gian có che chắn.
- Giới hạn điều kiện thực nghiệm: Số liệu đo đạc thực nghiệm và điều kiện biên mô phỏng mới chỉ khảo sát tại một thời điểm cố định (11 giờ trưa với nhiệt độ môi trường ngoài $31,5\ ^\circ\text{C}$ và dàn lạnh đặt ở mức $18\ ^\circ\text{C}$, tốc độ gió dàn lạnh $4,3\text{ m/s}$).
Hướng nghiên cứu tiếp theo được gợi ý từ nội dung đồ án:
- Thử nghiệm và đánh giá thêm các mô hình dòng chảy rối khác trên ANSYS (như mô hình $k-\omega$ SST hoặc RNG $k-\varepsilon$) để so sánh mức độ phù hợp với dòng khí trong phòng nhỏ hẹp.
- Nghiên cứu thay đổi các góc nghiêng của miệng thổi gió và khảo sát sự phân bố nhiệt độ ở các dải nhiệt độ môi trường bên ngoài khác nhau.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ điện công trình (MEP) và kỹ sư thiết kế hệ thống HVAC:
- Phần tính toán thủy lực đường ống gió (Chương 2): Cung cấp các bước thực hành tính toán cụ thể theo phương pháp ma sát đồng đều, cách tra cứu đồ thị trở kháng và tính toán tổn thất cục bộ trên các đoạn ống phân nhánh.
- Phần mô phỏng nhiệt - khí động học (Chương 3): Là tài liệu hướng dẫn từng bước quy trình chuyển đổi mô hình từ phần mềm thiết kế cơ khí Autodesk Inventor sang ANSYS Workbench Fluent, cách thiết lập điều kiện biên truyền nhiệt qua kết cấu bao che (tường, kính, laphon, kim loại) và kỹ thuật kiểm soát chất lượng lưới (Skewness, Aspect Ratio).
- Phần thi công thực tế: Đưa ra phương án kỹ thuật khả thi, chi phí thấp trong việc cải tạo hệ thống phân phối gió cho các phòng làm việc, phòng học có diện tích nhỏ hẹp đang sử dụng điều hòa cục bộ.
Câu hỏi thường gặp
1. Đề tài áp dụng phương pháp nào để tính toán kích thước đường ống gió và ưu điểm của phương pháp đó là gì?
Tác giả áp dụng phương pháp ma sát đồng đều (Equal Friction Method). Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ thiết kế nhanh, tổn thất áp suất trên 1 mét chiều dài ống là đồng đều trên toàn tuyến, vận tốc gió giảm dần theo chiều dài giúp chuyển đổi một phần áp suất động thành áp suất tĩnh, đảm bảo lưu lượng gió phân phối đều ra các miệng thổi và cho phép người thiết kế tính toán độc lập từng đoạn ống mà không bắt buộc phải tính tuần tự từ đầu đến cuối tuyến ống.
2. Tại sao nhóm nghiên cứu lại chọn vật liệu ống nhựa PVC thay vì ống tôn mạ kẽm truyền thống?
Ống nhựa PVC được lựa chọn vì bề mặt trong có độ nhẵn bóng cao, hệ số ma sát bề mặt rất nhỏ, độ dẫn nhiệt thấp ($\lambda = 0,13\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$) giúp hạn chế truyền nhiệt và đọng sương, điện trở suất lớn ($> 10^{13}\ \Omega\cdot\text{cm}$) cách điện an toàn, có khả năng chống nấm mốc, kháng hóa chất, không cần xử lý chống ăn mòn và kích thước phù hợp, dễ gia công, lắp đặt trong không gian nhỏ hẹp.
3. Kích thước không gian phòng thực nghiệm và thông số của quạt thông gió được chọn là bao nhiêu?
Không gian phòng Lab có kích thước chiều dài 6,6 m, chiều rộng 3,2 m (kích thước mặt bằng 3,4 m), chiều cao 2,0 m, thể tích tính toán là 42 m³. Quạt hút được chọn là quạt model YL-100 với các thông số: lưu lượng gió $290\text{ m}^3/\text{h}$, áp suất tạo ra $125\text{ Pa}$, công suất điện $40\text{ W}$, dòng điện $0,17\text{ A}$ và đường kính miệng hút/thổi là $100\text{ mm}$.
4. Mô hình dòng chảy rối nào được sử dụng trong mô phỏng ANSYS và mô hình này có những hạn chế lý thuyết nào?
Tác giả sử dụng mô hình dòng chảy rối hai phương trình tiêu chuẩn $k-\varepsilon$ (Standard $k-\varepsilon$ model). Hạn chế lý thuyết của mô hình này là được xây dựng dựa trên giả định hệ số Reynolds đủ cao và dòng chảy rối ở trạng thái cân bằng trên lớp biên; do đó mô hình không dự đoán chính xác các phần mở rộng không gian của vùng tuần hoàn và thường cho kết quả kém ăn khớp với dữ liệu thực nghiệm trong các trường hợp dòng chảy xoáy mạnh.
5. Điều kiện biên nhiệt độ của các kết cấu bao che được thiết lập với giá trị bao nhiêu khi mô phỏng?
Tại nhiệt độ môi trường ngoài khảo sát là $31,5\ ^\circ\text{C}$, các giá trị nhiệt độ bề mặt vách được tính toán và gán vào mô hình ANSYS Fluent gồm: bề mặt tường gạch là $31,3\ ^\circ\text{C}$ (hệ số truyền nhiệt $K = 3,4\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$); bề mặt cửa kính là $28,25\ ^\circ\text{C}$ ($K = 4,74\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$); bề mặt trần laphon là $31,27\ ^\circ\text{C}$ ($K = 4,788\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$); bề mặt vách tôn - thép là $31,49\ ^\circ\text{C}$ ($K = 6,002\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Võ Trường Vũ, Nguyễn Phúc Lộc, Phạm Hữu Thắng và Trần Nhật Huy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán phân phối không khí trong không gian nhỏ hẹp sử dụng điều hòa cục bộ tại Xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu đã kết hợp chặt chẽ giữa tính toán thủy lực theo phương pháp ma sát đồng đều, mô phỏng số khí động học bằng phần mềm ANSYS Fluent trên nền mô hình $k-\varepsilon$ và thi công mô hình thực tế bằng hệ thống ống nhựa PVC. Kết quả thu được cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật thiết thực nhằm nâng cao chất lượng môi trường vi khí hậu trong các không gian làm việc hạn chế về diện tích.
