CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài. Thiết bị trao đổi nhiệt là thành phần thiết yếu của các hệ thống nhiệt – điện lạnh. Việc tính toán số liệu về hệ số trao đổi nhiệt trở thành một vấn đề vô cùng quan trọng và cấp thiết trong việc tính toán xác định và thiết kế bất kỳ một thiết bị trao đổi nhiệt nào. Để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thì phải thông qua sự hỗ trợ của các tiêu chuẩn đồng dạng: phương trình tiêu chuẩn, số Reynolds (Re), số Grashof (Gr) , số Prandtl (Pr), số Nusselt (Nu).
Mà phương trình tiêu chuẩn được tính toán xác định thông qua các thực nghiệm [6]. Trong quá trình thực nghiệm, cản trở lớn nhất cho việc nghiên cứu không thể tiếp cận bề mặt vật rắn như các thiết bị trao đổi nhiệt khác, cho nên việc xác định được diện tích và nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt là rất khó khăn và tốn nhiều chi phí. Để đơn giản hoá vấn đề trên E.Wilson [5] đã tính toán và phát triển phương pháp giản đồ Wilson vào năm 1915 để giải quyết và xử lí được những vấn đề trên. Đây là một phương pháp có ý nghĩa trong vận hành thực tế và mô phỏng số hoặc thí nghiệm ảnh hưởng đến các thiết bị trao đổi nhiệt cho sinh viên đại học [6].
Do đó nhóm chúng em chọn để tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Wilson để phát triển phương trình số Nusselt trong thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt phức tạp” để thực hiện đồ án tốt nghiệp.2 Mục tiêu đề tài. Thực hiện đồ án này nhóm em hướng tới hai mục tiêu chính và cơ bản như sau: - Trình bày cơ sở lý thuyết và mô hình phát triển của phương pháp Wilson. - Vận dụng phương pháp Wilson để phát triển phương trình số Nusselt trên cơ sở dữ liệu của kết quả mô phỏng CFD.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp giản đồ Wilson (PPGĐ Wilson) được E.E Wilson đề xuất để tính toán và xác định hệ số trao đổi nhiệt bên trong bình ngưng có ống vỏ nằm ngang với hơi môi chất ngưng tụ ở bên ngoài ống [6].
Trong đồ án này, chúng em khảo sát dữ liệu thực nghiệm của José Fernández-Seara và các cộng sự [21]. Trong quá trình thực nghiệm, nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng một đoạn ống đồng có độ dài là 380 mm, đường kính trong/ngoài lần lượt là 4.4 mm, nước làm mát chảy bên trong ống với số Reynolds trong khoảng từ 2300 đến 15600. Với mục tiêu ứng dụng phương pháp Wilson cho các trường hợp có bề mặt trao đổi 6 nhiệt khó tiếp cận và phức tạp, đối tượng thứ hai được khảo sát là một cấu hình là ống gia nhiệt bên ngoài đường ống được cung cấp dòng nhiệt không thay đổi là 10000 W/m 2, có độ dài là 500 mm, đường kính bên trong là 6 mm, bên ngoài là bề mặt phức tạp, nhiệt độ nước làm mát là 35℃. Thông qua mô phỏng số (CFD) để tính toán xác định các dữ liệu vận tốc, nhiệt độ, áp suất của đầu ra và đầu vào của nước làm mát.
Sau đó là vận dụng phương pháp Wilson để tính toán phát triển số Nusselt và đối chiếu.4 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt là những thiết bị thông dụng cho ngành nhiệt và các ngành kĩ thuật liên quan. Thiết bị hoạt động trên nguyên lí vận chuyển nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ lớn hơn sang nơi có nhiệt độ nhỏ hơn. Ngày nay, quá trình sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt vào cuộc sống là rất đa dạng và phổ biến, nó đóng vai trò vô cùng cấp thiết trong các quá trình công nghệp, đặc biệt là trong khối ngành kỹ thuật.
Trong đó, thiết bị này là một ứng dụng thực tế vô cùng phổ biến của quá trình truyền nhiệt. Chúng thực hiện công việc vận chuyển nhiệt lượng từ của môi chất có nhiệt độ lớn hơn sang môi chất có nhiệt độ bé hơn. Chúng là một loại thiết bị phổ biến được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật và đặc biệt là ngành nhiệt. Thời nay thiết bị trao đổi nhiệt đã được sản xuất rất nhiều và phổ biến tùy theo mục đích sử dụng và cấu tạo khác nhau như: thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, thiết bị trao đổi nhiệt có dạng tấm, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống,… Các loại thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng nhiều và phổ biến nhất là ở trong lò hơi được sử dụng để thu hồi nhiệt khói thải như bộ economizer còn hay gọi là bộ tiết kiệm năng lượng, được sử dụng trong hệ thống lạnh và được ứng dụng với vai trò là thiết bị ngưng tụ hoặc thiết bị bay hơi,… Nhiều ngành công nghiệp hiện đại khác nhau như: hóa dầu, sản xuất điện, và hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng bộ trao đổi nhiệt như một phương tiện truyền nhiệt hiệu quả và phù hợp để làm mát, sưởi ấm và thay đổi giai đoạn vật liệu, phụ thuộc vào tính chất của ngành.
Các bộ trao đổi nhiệt này được chế tạo để tối ưu cho sự tải nhiệt tối ưu vậy nên các thông số về hình học cấu trúc như đường kính, độ dài, số lượng ống,., đây là những thông số có thể được sửa đổi để tăng hiệu quả truyền nhiệt và thay đổi cấu tạo tùy theo nhu cầu của khách hàng.1 Phân bố nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng.[2] Những yếu tố có tác động trực tiếp đến khả năng trao đổi nhiệt như: do chuyển động, số Reynolds, tính chất hóa học và vật lý của môi chất, kích thước và hình dạng của bề mặt trao đổi nhiệt. Chính vì thế mà cấu trúc của thiết bị này là rất phong phú và đa dạng về chủng loại thiết bị để phù hợp với từng đối tượng, trường hợp. Tuy nhiên dựa trên nguyên lý vận hành thì thiết bị trao đổi nhiệt được chia ra các dạng phổ biến như sau: - Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt. - Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt.
- Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn. - Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp. Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn là thiết bị mà quá trình trao đổi nhiệt xảy ra tại bề mặt vách kinh loại ngăn cách giữa môi chất nóng và môi chất lạnh bằng phương thức đối lưu có khi có cả bức xạ, nhiệt lượng sẽ truyền từ vách có nhiệt độ lớn sang vách có nhiệt độ bé hơn bằng cách dẫn nhiệt, sau khi nhận nhiệt vách tiếp tục truyền nhiệt lại cho môi chất có nhiệt độ thấp. Về cấu trúc loại thiết bị này rất phong phú, phổ biến và đa dạng nhưng bất cứ một thiết bị nào cũng có ưu – khuyết điểm, chính vì có ưu diểm là có độ tinh khiết của hai loại môi chất được đảm bảo và chịu được sự chênh lệch áp suất rất cao , do đó loại này thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp lên đến con số khoảng 98%.
[1] Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống như hình 1.2 bên dưới, đây là một loại thiết bị được ứng dụng nhiều nơi và rộng rãi nhất trong công nghiệp vì độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời, được chết tạo từ các vật liệu phổ biến. Loại thiết bị này được ghép lại từ các ống nhỏ ở bên trong và ống lớn bọc bên ngoài tùy theo nhu cầu của người sử dụng 8 những ống bên trong có thể thay đổi kết cấu ví dụ như lắp đặt thêm các cánh để trao đổi nhiệt tốt hơn, dòng chảy ở bên trong có thể là ngược chiều hoặc cùng chiều,… Hình 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc và ống.[4] a) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống b) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Thiết bị trao đổi nhiệt loại có cánh: là TBTĐN gồm các ống ở trên có lắp thêm các cánh tăng diện tích trao đổi nhiệt lượng và được ứng dụng khi cường độ trao đổi nhiệt giữa hai loại môi chất có chênh lệch rất lớn như trong Hình 1. Thông thường thiết kế cánh về phía môi chất có hệ số tỏa nhiệt nhỏ, phổ biến là quá trình trao đổi nhiệt lượng giữa chất khí với chất lỏng giọt (cánh được thiết kế về phía chất khí) 9 Hình 1.3 TBTĐN loại có cánh[4] Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm xoắn ốc: loại này hai tấm kim loại song song được bố trí thành xoắn ốc như Hình 1. Hai môi chất chuyển động giữa hai rãnh được hình thành bởi hai tấm kim loại nêu trên.
Môi chất nóng và môi chất lạnh truyền nhiệt cho nhau thông qua vách ngăn có thể lưu động cùng chiều hoặc ngược chiều. Chúng mang lại lợi ích là vì sự chuyển động xoắn ốc giúp làm gia tăng hệ số tỏa nhiệt nhờ sự hỗn loạn của dòng. So với loại vỏ bọc chùm ống thì tốc độ bám cấu bẩn là rất chậm chỉ bằng 1/10. Do cáu bắt đầu hình thành làm giảm tiết diện ngang của chất lỏng lưu động qua, làm cho tốc độ dòng chất lỏng tăng lên, khiến chúng phá vỡ liên kết của các lớp cáu bẩn nhờ đó mà chúng có chức năng tương tự như việc thông rửa.
Tuy nhiên việc vệ sinh hay sửa chữa thiết bị này không hề đơn giản và chỉ chịu được áp lực thấp nên chỉ được sử dụng cho áp suất dưới 10 bar. TBTĐN dạng tấm xoắn ốc[22] 10 Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm gợn sóng: là thiết bị có cấu tạo cũng như hình dạng có nhiều loại không giống nhau, bởi các tấm gợn sóng được tạo ra các cánh tản nhiệt bên cạnh đó nó cũng có chức năng gây ra sự hỗn loạn dòng làm tăng cường độ tỏa nhiệt.5 TBTĐN loại tấm gợn sóng[23] Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt về nguyên tắc hoạt động của loại này là ở bề mặt trao đổi nhiệt khi tiếp xúc với môi chất ở nơi có nhiệt độ cao thì nó nhận nhiệt của môi chất đó, sau một khoảng thời gian tích trữ nhiệt vừa đủ, bề mặt này được tiếp xúc với môi chất ở nơi có nhiệt độ bé hơn và nhả nhiệt cho chất có nhiệt độ thấp. Đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị loại này là có chu kì, do đó khả năng trao đổi nhiệt của chúng là không được ổn định. Chúng thường được sử dụng trong các tháp sấy gió của lò luyện kim, bộ sấy không khí trong lò hơi với công suất lớn là do có cấu trúc chặt chẽ, có thể đạt được năng suất lớn.6 là một ví dụ về loại thiết bị này.