Đồ án hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có chi tiết chèn ĐH Công nghệ Kỹ thuật

Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng hiệu suất nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có sử dụng chi tiết chèn giúp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt.

• Tác giả: Nguyễn Văn Trường An
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thành Luân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Thực nghiệm, mô phỏng và phân tích hiệu suất nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có sử dụng chi tiết chèn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống là cấu trúc truyền nhiệt kinh điển trong kỹ thuật nhiệt. Hệ thống gồm hai ống đồng tâm có đường kính khác nhau. Lưu chất nóng chảy trong ống trong. Lưu chất lạnh chảy ở khoảng không gian hình vành khăn giữa hai ống. Hai dòng lưu chất không tiếp xúc trực tiếp. Năng lượng nhiệt truyền gián tiếp qua thành ống kim loại. Hiệu suất nhiệt phản ánh mức độ tận dụng năng lượng của hệ thống. Nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM tập trung phân tích các thông số nhiệt động lực học này. Các kỹ sư nhiệt đánh giá quá trình thông qua lượng nhiệt trao đổi thực tế. Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit đóng vai trò thước đo động lực truyền nhiệt. Dòng chảy ngược chiều luôn mang lại hiệu quả cao hơn dòng chảy cùng chiều. Mô hình ống lồng ống có cấu tạo đơn giản. Khả năng chịu áp suất của thiết bị rất cao. Việc vệ sinh và tháo lắp bề mặt diễn ra dễ dàng. Thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu khí và thực phẩm. Nắm vững nguyên lý giúp tối ưu hóa chu trình nhiệt công nghiệp.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý vận hành cơ bản

Thiết bị ống lồng ống gồm ống trong và ống ngoài lắp đồng trục. Vật liệu chế tạo thường là đồng hoặc thép không gỉ. Kim loại có hệ số dẫn nhiệt cao giúp giảm trở lực nhiệt vách. Dòng chất nóng và dòng chất lạnh vận hành theo cơ chế trao đổi nhiệt đối lưu. Bề mặt vách ngăn ngăn cách hai môi chất hoàn toàn. Nhiệt truyền từ tâm dòng nóng sang thành trong ống. Tiếp theo, nhiệt dẫn qua chiều dày vách ống. Cuối cùng, nhiệt tỏa đối lưu ra dòng lạnh ở vành khăn. Vận tốc dòng chảy quyết định chế độ chảy tầng hay chảy rối. Vận tốc lớn tạo dòng chảy rối, làm tăng cường độ truyền nhiệt đáng kể. Cấu hình dòng chảy ngược chiều tạo chênh lệch nhiệt độ đồng đều dọc chiều dài ống.

1.2. Các thông số nhiệt động lực học cốt lõi

Hiệu suất nhiệt phụ thuộc vào nhiều thông số thủy nhiệt cơ bản. Nhiệt lượng trao đổi Q được xác định bởi lưu lượng khối lượng và nhiệt dung riêng. Độ chênh nhiệt độ logarit LMTD biểu thị thế năng nhiệt truyền qua vách. Hệ số truyền nhiệt tổng U là thông số then chốt thể hiện khả năng tải nhiệt. Các chuẩn số đồng dạng đóng vai trò nền tảng trong tính toán. Số Reynolds đặc trưng cho trạng thái thủy lực của dòng chất. Số Nusselt xác định cường độ tỏa nhiệt đối lưu tại bề mặt ống. Số Prandtl phản ánh mối quan hệ giữa độ khuếch tán động học và khuếch tán nhiệt. Việc đo đạc chính xác nhiệt độ vào ra cho phép đánh giá hiệu quả thiết bị. Phương pháp số đơn vị truyền nhiệt NTU cung cấp công cụ phân tích không thứ nguyên.

II. Phân tích về hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Ống trơn truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về mặt truyền nhiệt. Lớp biên nhiệt hình thành dọc theo bề mặt ống làm cản trở dòng nhiệt. Độ dày lớp biên tăng dần khiến trở lực nhiệt tăng cao. Dòng chảy tầng bên trong ống trơn làm giảm đáng kể hệ số tỏa nhiệt đối lưu. Hiệu suất nhiệt của hệ thống vì thế khó đạt mức tối ưu. Vấn đề tổn thất áp suất cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Tăng vận tốc dòng chảy có thể phá vỡ lớp biên nhưng làm tăng ma sát thủy lực. Máy bơm phải tiêu tốn nhiều điện năng hơn để duy trì lưu lượng. Nghiên cứu thực nghiệm tại bộ môn Kỹ thuật Nhiệt cho thấy nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh là đáng kể nếu không có bảo ôn. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai dòng lưu chất suy giảm dọc theo chiều dài thiết bị. Trường nhiệt độ phân bố không đều dẫn đến suy giảm hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể. Việc phân tích định lượng các thông số này là cơ sở để tìm kiếm giải pháp cải tiến.

2.1. Hạn chế của bề mặt truyền nhiệt ống trơn

Ống trơn có bề mặt tiếp xúc nhiệt phẳng và trơn nhẵn. Cấu trúc này không tạo ra chuyển động xoáy trong lòng dòng chất lỏng. Dòng chảy tầng duy trì ổn định khiến sự xáo trộn phân tử rất thấp. Nhiệt chỉ truyền từ thành ống vào dòng chất qua cơ chế dẫn nhiệt chậm chạp của lớp biên. Do đó, hệ số tỏa nhiệt đối lưu của ống trơn luôn duy trì ở mức thấp. Diện tích trao đổi nhiệt bị giới hạn bởi kích thước hình học cố định của ống. Muốn nâng cao công suất nhiệt, kích thước thiết bị phải tăng lên rất nhiều. Kích thước cồng kềnh gây lãng phí vật liệu kim loại chế tạo. Chi phí đầu tư ban đầu và không gian lắp đặt vì thế cũng tăng cao.

2.2. Trở lực thủy lực và tiêu hao năng lượng

Tổn thất áp suất là rào cản lớn trong vận hành hệ thống trao đổi nhiệt. Khi lưu lượng chất lỏng tăng lên, lực ma sát thành ống tăng theo hàm bậc hai của vận tốc. Hiện tượng này dẫn đến sụt áp nghiêm trọng giữa đầu vào và đầu ra. Sụt áp lớn đòi hỏi công suất bơm lớn hơn để bù đắp áp lực. Tiêu hao năng lượng của máy bơm tăng mạnh làm giảm hiệu quả kinh tế tổng thể. Cần có sự cân bằng giữa hiệu quả nhiệt và trở lực thủy lực. Nếu chỉ chú trọng tăng nhiệt độ mà bỏ qua áp suất, thiết bị sẽ kém hiệu quả. Chỉ số hiệu suất nhiệt thủy lực đóng vai trò tiêu chuẩn cốt lõi để đánh giá tính khả thi thực tế.

III. Tối ưu hóa hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Sử dụng chi tiết chèn dạng lò xo xoắn là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để khắc phục hạn chế của ống trơn. Chi tiết chèn đặt trong lòng ống tạo ra dòng chảy xoáy nhân tạo. Chuyển động xoáy phá vỡ lớp biên thủy lực và lớp biên nhiệt bám sát vách ống. Dòng lưu chất được xáo trộn mãnh liệt từ tâm ra ngoài thành ống. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu và tiêu chuẩn Nusselt tăng vọt nhờ cơ chế xáo trộn này. Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô phỏng số CFD trên phần mềm Ansys Workbench 2024 và thực nghiệm thực tế. Mô phỏng số giúp trực quan hóa trường nhiệt độ, trường áp suất và quỹ đạo dòng chảy. Kết quả nghiên cứu xác nhận hệ số truyền nhiệt tổng U và chỉ số NTU của ống gắn lò xo tăng vượt trội so với ống trơn. Việc tối ưu hóa bước xoắn và đường kính lò xo giúp kiểm soát tổn thất áp suất ở mức chấp nhận được. Đây là phương pháp tăng cường truyền nhiệt bị động có chi phí chế tạo thấp và độ bền cao.

3.1. Ứng dụng chi tiết chèn lò xo tăng cường truyền nhiệt

Chi tiết chèn lò xo là giải pháp tăng cường truyền nhiệt bị động phổ biến. Khi lắp lò xo vào ống, dòng lưu chất chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc liên tục. Lực ly tâm ép dòng chất lỏng nóng tiếp xúc mật thiết với thành ống lạnh. Hiện tượng này làm mỏng lớp biên nhiệt tại bề mặt truyền nhiệt. Vận tốc tiếp tuyến tăng lên kích thích sự hình thành các xoáy thứ cấp. Nhờ đó, số Nusselt tăng lên gấp nhiều lần so với ống trơn tiêu chuẩn. Nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh tăng rõ rệt ở cùng dải lưu lượng. Chi tiết chèn dễ gia công, dễ lắp đặt và thuận tiện bảo dưỡng định kỳ.

3.2. Mô phỏng số CFD kết hợp kiểm chứng thực nghiệm

Mô phỏng số CFD đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu nhiệt hiện đại. Phần mềm Ansys Workbench 2024 hỗ trợ thiết lập mô hình dòng chảy ba chiều chính xác. Phương pháp phần tử hữu hạn giúp phân tích chi tiết trường vận tốc và trường nhiệt độ. Kết quả mô phỏng số được đối chiếu chặt chẽ với số liệu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Sự sai lệch giữa lý thuyết mô phỏng và thực tế nằm trong giới hạn sai số kỹ thuật cho phép. Mô hình thực nghiệm ống lồng ống cung cấp các thông số đo kiểm thực tế về lưu lượng, áp suất và nhiệt độ vào ra. Sự kết hợp giữa CFD và thực nghiệm giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và tối ưu hóa thiết kế kết cấu.

IV. Kết luận về hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống khẳng định tiềm năng to lớn của kỹ thuật chèn lò xo. Việc ứng dụng chi tiết chèn giúp nâng cao đáng kể hệ số truyền nhiệt tổng U và chỉ số NTU. Khả năng thu hồi năng lượng nhiệt được cải thiện rõ rệt so với kết cấu ống trơn nguyên bản. Đề tài tại Khoa Giao thông và Năng lượng chứng minh tính chính xác của công cụ mô phỏng CFD trong thiết kế nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có cấu tạo nhỏ gọn và vận hành bền bỉ. Giải pháp này phù hợp với nhiều lĩnh vực công nghiệp chế biến, sấy nông sản và hệ thống lạnh. Nâng cao hiệu suất nhiệt trực tiếp cắt giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và giảm phát thải khí nhà kính. Ngành y tế và dược phẩm cũng ứng dụng thiết bị để tiệt trùng và gia nhiệt dung dịch an toàn. Việc làm chủ công nghệ tính toán và chế tạo mở ra nhiều cơ hội ứng dụng thực tiễn trong tiết kiệm năng lượng công nghiệp.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế trong công nghiệp hiện đại

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có chi tiết chèn sở hữu phạm vi ứng dụng rất phong phú. Trong ngành công nghiệp năng lượng, thiết bị hỗ trợ thu hồi nhiệt thải từ khói lò hiệu quả. Các nhà máy hóa chất và lọc dầu sử dụng hệ thống để gia nhiệt và làm mát dòng dung môi áp suất cao. Ngành chế biến thực phẩm tận dụng kết cấu này để thanh trùng sữa và đồ uống đóng hộp mà không làm biến tính sản phẩm. Ngoài ra, ngành y tế ứng dụng thiết bị trong các hệ thống hấp tiệt trùng và chưng cất dung dịch tiêm truyền y tế. Hiệu suất nhiệt cao giúp giảm thiểu diện tích lắp đặt trong các nhà xưởng có không gian hạn chế.

4.2. Định hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt mở ra nhiều định hướng phát triển đầy hứa hẹn. Hướng đi tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm các biên dạng chi tiết chèn phức hợp như lò xo đôi hoặc cánh xoắn có khía rãnh. Công nghệ phủ nano lên bề mặt kim loại cũng đang được quan tâm nhằm giảm tối đa trở lực nhiệt tiếp xúc. Việc ứng dụng lưu chất nano thay thế nước bão hòa truyền thống hứa hẹn tăng cường mạnh mẽ hệ số dẫn nhiệt của môi chất. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cần hoàn thiện thuật toán tối ưu đa mục tiêu để cân bằng giữa hiệu suất nhiệt và trở lực thủy lực. Những bước tiến công nghệ này sẽ thúc đẩy chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt thế hệ mới tiết kiệm năng lượng vượt bậc.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thiết bị trao đổi nhiệt giữ vai trò trọng yếu trong nhiều ngành công nghiệp như năng lượng, hóa chất, y tế, chế biến thực phẩm, đặc biệt là trong các hệ thống điều hòa không khí và kỹ thuật làm lạnh. Trong số các dạng thiết bị trao đổi nhiệt, cấu hình ống lồng ống (ống đồng tâm) được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, thuận tiện trong vận hành và bảo dưỡng. Mặc dù vậy, thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thông thường tồn tại nhược điểm là hệ số truyền nhiệt đối lưu còn thấp, dẫn đến hiệu suất nhiệt chung của toàn hệ thống chưa cao và đòi hỏi diện tích truyền nhiệt lớn. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp cải tiến cấu trúc bề mặt truyền nhiệt nhằm gia tăng độ rối của dòng chảy, phá vỡ lớp biên nhiệt để tăng cường hiệu quả truyền nhiệt là một yêu cầu thực tiễn trong ngành Công nghệ kỹ thuật Nhiệt.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện việc kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số (CFD) trên mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có sử dụng chi tiết chèn lò xo quấn quanh ống trong nhằm nâng cao cường độ trao đổi nhiệt và đánh giá tổn thất áp suất đi kèm.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 3 nhiệm vụ chính:

1. Chế tạo mô hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có khả năng tháo lắp và thay thế chi tiết chèn.
2. Thực nghiệm đo đạc và thu thập chuỗi số liệu vận hành (nhiệt độ, lưu lượng, áp suất) để tính toán, đánh giá hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị ở các chế độ làm việc khác nhau.
3. Phân tích, bàn luận và đối chiếu kết quả giữa mô hình thực nghiệm với mô phỏng số trên thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:

• Đối tượng khảo sát: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống hoạt động theo sơ đồ lưu động ngược chiều giữa dòng nóng và dòng lạnh. Ống trong và ống ngoài đều làm bằng vật liệu đồng. Ống trong có đường kính ngoài 6,35 mm (đường kính trong 6 mm, chiều dày vách 0,7 mm); ống ngoài có đường kính danh nghĩa 15 mm / 16 mm (chiều dày vách 0,7 mm).
• Chi tiết chèn: Chi tiết chèn dạng băng xoắn lò xo làm bằng dây kim loại đường kính sợi 1 mm, quấn quanh mặt ngoài của ống bên trong trên chiều dài truyền nhiệt 50 cm.
• Môi chất công tác: Dòng lưu chất nóng và dòng lưu chất lạnh đều là nước sạch.
• Điều kiện nhiệt độ đầu vào: Nhiệt độ nước nóng đầu vào duy trì ổn định ở mức 65°C; nhiệt độ nước lạnh đầu vào duy trì ở mức 28,5°C (hoặc dao động thực tế quanh 28,23°C – 28,5°C).
• Phạm vi lưu lượng khảo sát: Dải lưu lượng của các bơm thay đổi từ 0,4 l/phút đến 1,0 l/phút (tương ứng với các mức vận hành thực nghiệm 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 l/phút).
• Phạm vi không gian và phương pháp: Vỏ ngoài của thiết bị được bọc vật liệu cách nhiệt để triệt tiêu thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh; nghiên cứu kết hợp đo đạc trên mô hình thực nghiệm vật lý và mô phỏng số trường thủy nhiệt 3D bằng phần mềm ANSYS Fluent.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu áp dụng hệ thống lý thuyết truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức trong ống và truyền nhiệt qua vách ngăn kim loại với các công thức và chuẩn số đồng dạng:

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng: $$Q_h = G_h C_{p,h} (t_{h,in} - t_{h,out})$$ $$Q_c = G_c C_{p,c} (t_{c,out} - t_{c,in})$$ Trong đó $G_h, G_c$ là lưu lượng khối lượng (kg/s); $C_{p,h}, C_{p,c}$ là nhiệt dung riêng đẳng áp (kJ/kg.K); $t_{in}, t_{out}$ là nhiệt độ vào và ra của môi chất nóng và lạnh.
• Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit (LMTD) đối với dòng chảy ngược chiều: $$\Delta t_{LMTD} = \frac{\Delta t_1 - \Delta t_2}{\ln(\Delta t_1 / \Delta t_2)} = \frac{(t_{h,in} - t_{c,out}) - (t_{h,out} - t_{c,in})}{\ln\left(\frac{t_{h,in} - t_{c,out}}{t_{h,out} - t_{c,in}}\right)}$$
• Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($k$ hoặc $U$): $$\frac{1}{k} = \frac{1}{\alpha_c} + \frac{\delta}{\lambda} + \frac{1}{\alpha_h}$$ với $\alpha_c, \alpha_h$ là hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất lạnh và nóng; $\delta$ là bề dày vách ống; $\lambda$ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đồng.
• Các chuẩn số thủy nhiệt:
  • Chuẩn số Reynolds: $Re = \frac{\omega l}{\nu}$ xác định chế độ chảy.
  • Chuẩn số Prandtl: $Pr = \frac{C_p \mu}{\lambda}$ biểu thị đặc tính vật lý của lưu chất.
  • Chuẩn số Grashof: $Gr = \frac{g \beta \Delta t l^3}{\nu^2}$ đánh giá ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên.
  • Chuẩn số Nusselt: $Nu = \frac{\alpha l}{\lambda}$ xác định cường độ trao đổi nhiệt đối lưu. Dòng trong ống trơn được đối chiếu qua tương quan Dittus-Boelter: $Nu = 0,023 Re^{0,8} Pr^n$.
• Phương pháp hiệu suất nhiệt ($\varepsilon$ – NTU): $$NTU = \frac{U A}{C_{min}}; \quad C^* = \frac{C_{min}}{C_{max}}; \quad \varepsilon = \frac{1 - \exp[-NTU(1 - C^)]}{1 - C^ \exp[-NTU(1 - C^*)]}$$

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài tích hợp ba nhóm phương pháp khoa học kỹ thuật:

1. Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về các dạng chi tiết chèn (băng xoắn, cuộn dây, cánh gân) trong ống trao đổi nhiệt; thiết lập thuật toán tính toán nhiệt học và thủy lực học.
2. Phương pháp thực nghiệm vật lý: Chế tạo bàn thử nghiệm hoàn chỉnh với các đồng hồ đo lưu lượng, đầu dò nhiệt độ RTD/thermocouple, cảm biến đo áp suất; tiến hành kiểm tra trên hai kết cấu: ống trơn và ống có gắn chi tiết chèn lò xo ở 4 chế độ lưu lượng khác nhau.
3. Phương pháp mô phỏng số (CFD): Sử dụng phần mềm thương mại ANSYS Fluent (ANSYS Workbench 2024). Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) được dùng để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng bao gồm phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng), phương trình Navier-Stokes (bảo toàn động lượng) và phương trình bảo toàn năng lượng.

Thông số mô phỏng và thực nghiệm	Giá trị thiết lập
Phần mềm thiết kế hình học	Autodesk Inventor
Phần mềm mô phỏng dòng chảy & nhiệt	ANSYS Workbench 2024 (Fluent with Meshing)
Số lượng phần tử lưới (Mesh elements)	1.571.469 phần tử
Chỉ số chất lượng lưới (Orthogonal Quality / Skewness)	0,22 (mức đánh giá Rất tốt)
Điều kiện biên nhiệt độ đầu vào	Nước nóng: 65°C; Nước lạnh: 28,5°C
Điều kiện biên vách ống ngoài	Cách nhiệt lý tưởng (Heat flux = 0)

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Mô hình thực nghiệm được nhóm tác giả tự thiết kế, gia công và lắp ráp hoàn chỉnh thành một bàn thử nghiệm độc lập, bao gồm 6 cụm bộ phận chính:

1. Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống: Cụm ống đồng lồng trục có bọc cách nhiệt bảo ôn bên ngoài. Ống trong dẫn nước nóng, khe hở hình xuyến giữa ống trong và ống ngoài dẫn nước lạnh theo chiều ngược lại. Chi tiết chèn lò xo sợi đồng đường kính 1 mm được quấn ôm sát mặt ngoài ống ruột trên đoạn dài 50 cm.
2. Cụm gia nhiệt nước nóng: Bồn chứa nước nóng tích hợp điện trở đun công suất 2000 W (nguồn điện 220 V ~ 50 Hz).
3. Hệ thống bơm và điều khiển lưu lượng: Bơm nước nóng sử dụng nguồn 12 VDC, công suất 4–7 W, dải lưu lượng 0,5–2 l/phút; bơm nước lạnh sử dụng nguồn 12 VDC, công suất 10 W, dải lưu lượng thể tích định mức 0,2 l/phút (điều chỉnh qua dimmer biến trở).
4. Hệ thống cảm biến đo đạc: Cảm biến nhiệt độ dải đo -50°C đến 99°C (sai số cho phép ±1°C); cảm biến lưu lượng dải đo 0,2–1 l/phút; cảm biến áp suất đặt tại đầu vào và đầu ra của dòng lưu chất.
5. Mạch điều khiển và xử lý tín hiệu: Vi điều khiển Arduino xung nhịp 16 MHz, điện áp hoạt động 5 VDC, kết nối và truyền dữ liệu hiển thị trực tiếp lên màn hình LED.
6. Bồn chứa môi chất: Gồm 2 bồn chứa riêng biệt cho nguồn nước nóng và nguồn nước lạnh.

Quy trình vận hành thử nghiệm gồm 5 bước tiêu chuẩn:

• Bước 1: Kiểm tra độ kín khít các mối hàn ống đồng, đầu nối thủy lực, kết nối nguồn điện và cấp nước đầy đủ vào hai bể chứa.
• Bước 2: Cài đặt bộ khống chế nhiệt độ nước nóng đạt ngưỡng 65°C thông qua rơ-le nhiệt và điện trở 2000 W.
• Bước 3: Khi nhiệt độ đạt mức ổn định 65°C, khởi động hệ thống bơm và dùng dimmer xoay điều chỉnh lưu lượng nước nóng và nước lạnh theo đúng các mốc thiết lập (0,4; 0,6; 0,8; 1,0 l/phút), quan sát giá trị qua màn hình hiển thị LED.
• Bước 4: Ghi nhận chuỗi thông số nhiệt độ đầu vào, đầu ra và áp suất của hai dòng sau khi hệ thống đạt trạng thái xác lập nhiệt; đồng thời liên tục bổ sung nước vào bể chứa lạnh để chống hiện tượng chạy cạn gây hỏng bơm.
• Bước 5: Giảm dimmer về 0 để ngắt bơm, tắt bộ gia nhiệt điện trở và kết thúc ca đo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu, đồng thời khảo cứu có hệ thống 13 công trình nghiên cứu điển hình về các phương pháp tăng cường trao đổi nhiệt bằng chi tiết chèn:

Tác giả nghiên cứu	Dạng chi tiết chèn / Môi chất	Kết quả và kết luận chính
S. Padmanabhan và cs [1]	Chèn xoắn ốc (bước xoắn 5 mm)	Hệ số truyền nhiệt tăng 63,91% so với mô hình gốc.
Dr. Ajay Sing và cs [2]	Băng xoắn bên trong ống	Hệ số truyền nhiệt và số Nusselt tăng rõ rệt, tổn thất áp suất tăng theo.
P. Durga Prasad và cs [3]	Băng xoắn cắt hình thang / Nanofluid $Al_2O_3$-nước	Số Nu trung bình tăng khi Re và nồng độ hạt nano tăng.
Nemat Mashoofi và cs [4]	Dây xoắn tạo xoáy (cánh xoáy)	Đặt ở ống nóng làm tăng Nu ống lạnh 8–32%; đặt ở ống lạnh làm tăng Nu ống nóng 52–81%.
P. Murugesan và cs [5]	Băng xoắn cắt hình chữ U	Số Nu và hệ số ma sát cao hơn đáng kể so với ống trơn và băng xoắn thường.
Abdalla Gomaa và cs [6]	Ống ba lớp lồng nhau có gân chèn	Số Nu và hiệu quả thiết bị tăng lần lượt 21,48% và 16,74%.
Mrunal P. Kshirsagar và cs [7]	Cuộn xoắn có dây quấn	Hiệu suất cao hơn 15–20% so với bộ trao đổi nhiệt thông thường (đạt 93,33%).
Rajesh Kumar & Prakash Chandra [8]	Dây xoắn trong ống xoắn ruột gà	Cường độ truyền nhiệt cao hơn khoảng 13% so với loại không chèn dây.
Tianfu Ji và cs [9]	Dây xoắn bước 5 mm; 7,77 mm; 11 mm / Môi chất R22, R134a, R407C	Cải thiện hệ số truyền nhiệt trung bình lên 1,62 đến 2,65 lần so với ống trơn.
Fabio Toshio Kanizawa và cs [10]	Dòng hai pha R134a trong ống có băng xoắn	Hệ số truyền nhiệt tăng tới 45% ở cùng mức công suất bơm.
M. Patel và cs [11]	Băng xoắn kết hợp bọt kim loại dạng sợi	Cải thiện truyền nhiệt vượt trội nhờ diện tích bề mặt tiếp xúc lớn.
Dnyaneshwar G Kumbhar và cs [12]	Tấm xoắn cổ điển và tấm xoắn có khoan lỗ	Tăng cường đáng kể hiệu suất nhiệt thủy lực của thiết bị.
Anant Sidhappa Kurhade và cs [13]	Tấm xoắn lượn sóng bằng đồng	Tất cả các cấu hình tấm lượn sóng đều cho hiệu suất cao hơn ống trơn.

Chương này cũng tổng hợp tiềm năng ứng dụng thực tế trong công nghiệp thực phẩm, hệ thống điều hòa không khí, thu hồi nhiệt thải và thiết bị y tế.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học tính toán truyền nhiệt và thủy lực:

• Định nghĩa các cơ chế truyền nhiệt: dẫn nhiệt qua vách kim loại, đối lưu cưỡng bức trong ống và bức xạ nhiệt.
• Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng để tính nhiệt lượng trao đổi $Q$, diện tích truyền nhiệt cần thiết $F$, hệ số truyền nhiệt tổng quát $k$.
• Trình bày công thức chi tiết của các chuẩn số đồng dạng: $Re, Gr, Pr, Nu$.
• Thiết lập công thức hiệu nhiệt độ logarit $\Delta t_{LMTD}$ cho sơ đồ chuyển động ngược chiều của hai dòng môi chất.
• Xây dựng phương trình tính hệ số truyền nhiệt cục bộ phía dòng lạnh $h_o$ và dòng nóng $h_i$ qua tương quan thực nghiệm Dittus-Boelter.
• Trình bày phương pháp hiệu suất nhiệt ($\varepsilon$ – NTU), phân tích ý nghĩa tham số NTU trong thiết kế: nếu $NTU < 0,5$ môi chất ra khỏi thiết bị khi chưa kịp trao đổi nhiệt đầy đủ; nếu $NTU > 3$ thiết bị cồng kềnh, tốn kém vật liệu mà hiệu quả không tăng tương xứng.

Chương 3: Mô phỏng

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình tính toán động lực học dòng chảy bằng CFD:

• Giới thiệu tổng quan về CFD, phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và nền tảng ANSYS Workbench 2024 kết hợp mô-đun ANSYS Fluent.
• Chuẩn hóa quy trình thực hiện gồm 8 bước: Nêu bài toán $\rightarrow$ Xây dựng hình học trên Inventor $\rightarrow$ Chia lưới (meshing) $\rightarrow$ Thiết lập điều kiện biên $\rightarrow$ Chọn mô hình phương trình $\rightarrow$ Chạy lặp mô phỏng $\rightarrow$ Kiểm tra độ hội tụ $\rightarrow$ Xử lý số liệu và xuất báo cáo.
• Xây dựng mô hình 3D ống trơn và ống chèn lò xo trên Autodesk Inventor.
• Phân tích chất lượng chia lưới trên mô-đun Fluent Meshing: đạt 1.571.469 phần tử, hệ số bất đối xứng (Skewness) và chất lượng trực giao (Orthogonal Quality) đạt 0,22.
• Hệ thống phương trình chi phối: phương trình liên tục bảo toàn khối lượng, phương trình Navier-Stokes bảo toàn động lượng và phương trình năng lượng tổng quát.
• Xuất các đồ thị biến thiên nhiệt độ đầu ra của nước nóng và nước lạnh theo lưu lượng (0,4; 0,6; 0,8; 1,0 l/phút).

Chương 4: Mô hình thực tế và công thức thực nghiệm

Chương 4 thuyết minh cấu tạo bàn thử nghiệm, thông số khí cụ, quy trình vận hành và cung cấp toàn bộ dữ liệu đo đạc thực nghiệm. Chương trình tính toán chi tiết được thực hiện cho Trường hợp 1 (chế độ lưu lượng dòng nóng 0,6 l/phút):

Đại lượng tính toán (Chế độ lưu lượng 0,6 l/phút)	Ống trơn (không chèn)	Ống có chi tiết chèn lò xo
Nhiệt độ vào/ra dòng lạnh: $t_{c,in} \rightarrow t_{c,out}$	$28,23^\circ\text{C} \rightarrow 30,73^\circ\text{C}$	$28,50^\circ\text{C} \rightarrow 32,00^\circ\text{C}$
Nhiệt độ vào/ra dòng nóng: $t_{h,in} \rightarrow t_{h,out}$	$65,00^\circ\text{C} \rightarrow 52,70^\circ\text{C}$	$65,00^\circ\text{C} \rightarrow 48,60^\circ\text{C}$
Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra ($Q_h$)	339,17 W	452,11 W (hoặc số liệu thực nghiệm mở rộng)
Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào ($Q_c$)	312,73 W	Khoảng 400 W
Sai lệch cân bằng nhiệt $(|Q_h - Q_c| / Q_h)$	Dưới 10% (đạt độ tin cậy thực nghiệm)	Dưới 10%
Nhiệt lượng trao đổi trung bình ($Q_{tb}$)	325,45 W	541,39 W
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{LMTD}$)	28,15°C	Dao động theo trường nhiệt độ đo đạc
Số đơn vị truyền nhiệt ($NTU$)	0,57	Tăng rõ rệt so với ống trơn

Kết quả tính toán khẳng định việc chèn lò xo làm giảm nhiệt độ đầu ra của dòng nước nóng từ 52,7°C xuống 48,6°C và làm tăng nhiệt độ dòng nước lạnh từ 30,73°C lên 32°C, qua đó làm tăng lượng nhiệt truyền thêm được giữa hai môi chất.

Chương 5: Kết quả và bàn luận

Chương 5 phân tích và so sánh chéo kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng số ANSYS Fluent:

• Đối chiếu đường cong biến thiên nhiệt độ đầu ra của dòng nóng và dòng lạnh ở 4 mức lưu lượng (0,4; 0,6; 0,8 và 1,0 l/phút). Đường cong mô phỏng bám sát xu thế đo đạc thực nghiệm, sai số nằm trong giới hạn kiểm soát kỹ thuật.
• Phân tích đường phân bố trường nhiệt độ và các mặt cắt ngang tại đầu ra của dòng nước nóng và dòng nước lạnh. Kết quả mô phỏng cho thấy chi tiết chèn lò xo tạo ra các dòng xoáy thứ cấp, cuốn dòng chảy sát vách vào tâm và ngược lại, xóa bỏ hiện tượng phân tầng nhiệt.
• Phân tích trường áp suất và tổn thất áp suất ($\Delta p$): chi tiết chèn lò xo làm tăng tổn thất áp suất dòng chảy do ma sát và lực cản xoáy tăng lên so với ống trơn.
• Phân tích chỉ số hiệu suất nhiệt thủy lực ($\eta$): đánh giá mức độ tương quan giữa khả năng tăng cường nhiệt lượng và sự gia tăng tổn thất áp suất để khẳng định tính tối ưu của kết cấu chèn.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được từ đồ án về mô hình thực nghiệm và mô phỏng Fluent, đồng thời đưa ra các đề xuất về việc tối ưu hóa bước xoắn của lò xo và mở rộng khảo sát ở các dải nhiệt độ, lưu chất khác nhau.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu trong văn bản

• Gia tăng công suất trao đổi nhiệt: Ở cùng chế độ lưu lượng khảo sát (tiêu biểu 0,6 l/phút), việc sử dụng chi tiết chèn lò xo giúp dòng nước nóng hạ nhiệt độ xuống sâu hơn (đạt 48,6°C so với 52,7°C của ống trơn) và dòng lạnh nhận nhiệt tốt hơn (đạt 32,0°C so với 30,73°C của ống trơn). Nhiệt lượng truyền trung bình $Q_{tb}$ tăng từ 325,45 W ở ống trơn lên mức 541,39 W ở ống có chi tiết chèn.
• Tác động đến thông số truyền nhiệt và số NTU: Số đơn vị truyền nhiệt ở ống trơn đạt $NTU = 0,57$ (nằm sát cận dưới của dải hiệu quả $0,5 < NTU < 3$). Khi có chi tiết chèn lò xo, hệ số truyền nhiệt tổng quát $U$ và số $NTU$ tăng đáng kể, cải thiện hệ số tỏa nhiệt đối lưu cục bộ và số Nusselt ($Nu$).
• Độ tin cậy của mô hình đo đạc: Chênh lệch nhiệt lượng giữa dòng nóng tỏa ra và dòng lạnh thu vào $(|Q_h - Q_c| / Q_h)$ trên mô hình thực nghiệm đều được khống chế ở mức dưới 10%, đáp ứng tiêu chuẩn cân bằng nhiệt trong kỹ thuật đo lường nhiệt động.
• Tính chuẩn xác của mô phỏng số: Lưới mô phỏng đạt 1.571.469 phần tử với chất lượng lưới 0,22, cho kết quả trường nhiệt độ và áp suất có độ tương đồng cao với số liệu đo thực nghiệm ở các mốc lưu lượng 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 l/phút.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng chi tiết chèn dạng lò xo quấn quanh ống trong cho các thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống công nghiệp nhằm tăng cường độ rối mà không cần tăng kích thước hoặc chiều dài thiết bị.
• Cần tối ưu hóa đường kính dây lò xo và bước xoắn lò xo để cân bằng giữa hiệu quả trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất bơm.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

• Tự thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thực nghiệm ống lồng ống khép kín, tích hợp đo lường tự động qua Arduino và màn hình LED hiển thị trực quan.
• Kết hợp đồng thời giữa phương pháp giải tích lý thuyết, khảo sát thực nghiệm vật lý và mô phỏng số 3D bằng phiên bản ANSYS Workbench 2024 để trực quan hóa trường xoáy và cơ chế phá vỡ lớp biên nhiệt của dòng chảy mà phép đo thực nghiệm truyền thống không quan sát được.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các điều kiện thực tế được ghi nhận trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số giới hạn:

• Giới hạn kết cấu hình học: Khóa luận chỉ khảo sát duy nhất một quy cách chi tiết chèn là dây lò xo đường kính 1 mm quấn trên đoạn ống dài 50 cm; chưa khảo sát thực nghiệm so sánh với các bước xoắn khác nhau hoặc các dạng hình học chèn khác (như băng xoắn có cánh, tấm đục lỗ).
• Giới hạn dải thông số vận hành: Nhiệt độ đầu vào khảo sát cố định ở mức 65°C đối với dòng nóng và xấp xỉ 28,5°C đối với dòng lạnh; dải lưu lượng chỉ khảo sát trong giới hạn bơm nhỏ từ 0,4 đến 1,0 l/phút.
• Giả thiết truyền nhiệt: Mô hình giả định thành ống ngoài bọc cách nhiệt hoàn toàn lý tưởng và bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường trong các phương trình tính toán lý thuyết.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm với các thông số bước xoắn khác nhau của lò xo, khảo sát trên các loại môi chất tải nhiệt khác (dầu, dung dịch nano, môi chất lạnh hai pha) và tối ưu hóa hình học chi tiết chèn bằng các thuật toán kết hợp CFD.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị học thuật và kỹ thuật ứng dụng rõ nét cho các đối tượng:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng, Cơ điện tử và HVAC: Có thể tham khảo phương pháp tính toán nhiệt học theo chuẩn số đồng dạng ($Nu, Re, Pr, Gr$), phương pháp cân bằng nhiệt LMTD và $\varepsilon$ – NTU.
• Kỹ sư mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD): Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về quy trình 8 bước mô phỏng truyền nhiệt trong ống lồng ống trên ANSYS Fluent with Meshing (từ bước xuất CAD Inventor, chia lưới với hơn 1,5 triệu phần tử, kiểm tra Skewness/Orthogonal Quality đến thiết lập điều kiện biên).
• Cán bộ nghiên cứu chế tạo thiết bị nhiệt: Cung cấp bản vẽ nguyên lý, danh mục thiết bị cụ thể (bơm DC, cảm biến, mạch Arduino, điện trở 2000 W) và quy trình vận hành 5 bước an toàn để thiết lập các hệ thống bàn thử nghiệm tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết chèn được sử dụng trong nghiên cứu này có quy cách kỹ thuật như thế nào?

Chi tiết chèn là dạng băng xoắn lò xo được chế tạo từ dây đồng đường kính 1 mm, quấn quanh mặt ngoài của ống truyền nhiệt bên trong (ống có đường kính ngoài 6,35 mm) trên chiều dài trao đổi nhiệt 50 cm.

2. Các thông số nhiệt độ đầu vào của dòng nóng và dòng lạnh được cố định ở mức bao nhiêu?

Nhiệt độ nước nóng đầu vào được gia nhiệt và duy trì ổn định ở mức 65°C nhờ bộ điều khiển nhiệt và thanh điện trở 2000 W; nhiệt độ nước lạnh đầu vào duy trì ở mức nhiệt độ môi trường là 28,5°C (dao động thực nghiệm quanh 28,23°C – 28,5°C).

3. Lưới mô phỏng CFD trong phần mềm ANSYS Fluent có số lượng và chất lượng phần tử ra sao?

Mô hình tính toán được chia lưới bằng ANSYS Fluent Meshing với tổng số 1.571.469 phần tử. Chỉ số chất lượng lưới (Orthogonal Quality / Skewness) đạt giá trị 0,22, được đánh giá ở cấp độ chất lượng "Rất tốt", đảm bảo khả năng hội tụ của hệ phương trình bảo toàn.

4. Tại chế độ lưu lượng 0,6 l/phút, hiệu quả truyền nhiệt của ống chèn lò xo khác biệt thế nào so với ống trơn?

Khi sử dụng ống chèn lò xo, nhiệt độ dòng nước nóng ra giảm sâu hơn từ 52,7°C xuống 48,6°C và nhiệt độ nước lạnh ra tăng từ 30,73°C lên 32,0°C. Nhiệt lượng trao đổi trung bình $Q_{tb}$ tăng từ 325,45 W (ống trơn) lên mức 541,39 W (ống có chèn), đồng thời số đơn vị truyền nhiệt $NTU$ cũng tăng cao hơn mốc 0,57 của ống trơn.

5. Hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu thực nghiệm sử dụng những linh kiện chính nào?

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ thang đo -50°C đến 99°C (sai số ±1°C), cảm biến lưu lượng 0,2–1 l/phút, bộ điều khiển nhiệt 5 VDC, mạch vi điều khiển Arduino tần số 16 MHz và màn hình hiển thị LED để theo dõi lưu lượng và nhiệt độ tức thời.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của hai sinh viên Nguyễn Văn Trường An và Mai Chế Hưng dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thành Luân đã nghiên cứu thành công giải pháp tăng cường truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống bằng chi tiết chèn lò xo sợi 1 mm. Bằng việc kết hợp song song giữa bàn thử nghiệm vật lý tự chế tạo và mô hình mô phỏng số 3D trên ANSYS Fluent 2024 với hơn 1,5 triệu phần tử lưới, công trình đã chứng minh việc lắp chi tiết chèn giúp nâng nhiệt lượng trao đổi trung bình từ 325,45 W lên 541,39 W ở cùng lưu lượng 0,6 l/phút và cải thiện rõ rệt số đơn vị truyền nhiệt NTU. Dù tổn thất áp suất có xu hướng tăng do lực cản ma sát, hiệu quả nhiệt thủy lực tổng thể vẫn được nâng cao rõ rệt, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và phương pháp luận đáng tin cậy cho công tác thiết kế, tối ưu hóa các thiết bị trao đổi nhiệt trong kỹ thuật nhiệt lạnh và năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Lí do chọn đề tài Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực như năng lượng, hóa chất, y tế, thực phẩm,… đặc biệt là hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh. Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống được sử dụng phổ biến nhờ có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và vận hành. Tuy nhiên, hạn chế của thiết bị này chính là hệ số truyền nhiệt còn thấp, dẫn đến hiệu suất làm việc chưa cao. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến cấu trúc để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.

Một trong những hướng cải tiến hiệu quả là sử dụng các chi tiết chèn bên trong ống để tăng cường độ rối của dòng chảy, qua đó nâng cao hệ số truyền nhiệt. Kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng giúp đánh giá toàn diện đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị. Mục tiêu là phân tích hiệu suất nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống sử dụng chi tiết chèn, nhằm củng cố kiến thức chuyên ngành và ứng dụng vào thực tế. Bài nghiên cứu không chỉ góp phần củng cố và vận dụng kiến thức chuyên ngành mà còn mở ra hướng cải tiến thiết bị trao đổi nhiệt trong thực tế.

Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở cho việc thiết kế và tối ưu các hệ thống trao đổi nhiệt trong công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường. Mục tiêu nghiên cứu đề tài: - Chế tạo mô hình thực nghiệm: thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống. - Thực nghiệm lấy số liệu đánh giá hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị. - Bàn luận và đánh giá mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, trong đó dòng chất tải nhiệt chảy bên trong ống trong và ống ngoài. Sử dụng ống có đường kính ngoài 6.35mm và ống 15. - Chi tiết chèn: băng xoắn lò xo vì nó có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt. Nó tạo dòng chảy xoáy, tăng cường sự rối, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt rõ rệt.

So với lưới thì băng xoắn lò xo gây cản trở dòng ít hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt cao. Lò xo quấn quanh ống có đường kính 1mm quấn quanh ống bên trong có chiều dài 50cm. - Lưu chất: nước nóng và nước lạnh - Vật liệu: ống đồng - Nhiệt độ đầu vào của nước : 28.5℃ và 65℃ - Kích thước của đối tượng khảo sát: ống trong có đường kính ngoài 6.35mm và ống ngoài có đường kính ngoài 15. - Thực nghiệm đo đạc các thông số vận hành cơ bản như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất và tính toán hiệu suất truyền nhiệt.

- Mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng Ansys Fluent để phân tích chi tiết phân bố nhiệt độ, vận tốc và cơ chế dòng chảy trong ống có chèn. Tổng quan về trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống S. Padmanabhan và các cộng sự [1] nghiên cứu truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống kép với chèn các xoắn ốc. Kết quả chỉ ra rằng khi chèn xoắn có bước xoắn 5mm, hệ số truyền nhiệt tăng 63,91% so với mô hình gốc.1: Mô hình bộ trao đổi nhiệt với bộ chèn xoắn ( bước xoắn = 5mm ) [1] Dr.

Ajay Sing và các cộng sự [2] nghiên cứu sự truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống có chèn băng xoắn. Kết quả chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt và số Nusselt được cải thiện rõ rệt khi sử dụng băng xoắn bên cạnh đó tổn thất áp suất cũng có xu hướng tăng.2 :Mô hình ống lồng ống tròn có chèn băng xoắn bên trong [2] P. Durga Prasad và các cộng sự [3] nghiên cứu thực nghiệm về hệ số truyền nhiệt và hệ số ma sát sử dụng nanofluid Al₂O₃/nước đã được tiến hành trong ống có đoạn uốn cong và có chèn băng xoắn có vết cắt hình thang. Kết quả cho thấy giá trị trung bình của số Nusselt tăng lên khi số Reynolds và nồng độ hạt nano tăng.

Đặc biệt, sự tăng cường truyền nhiệt ở đoạn ống ra lớn hơn ở đoạn ống vào.3: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm cho nghiên cứu về trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt ống kép dạng chữ U sử dụng nanofluid Al₂O₃/nước [3] Nemat Mashoofi và các cộng sự [4] nghiên cứu truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống có chèn cánh xoáy (dây xoắn tạo xoáy). Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng cánh xoáy ở ống nước nóng làm tăng số Nusselt ở ống nước lạnh khoảng 8–32% và khi sử dụng cánh xoáy chỉ ở ống nước lạnh làm tăng số Nusselt khoảng 52–81% ở ống nước nóng.4: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm bộ trao đổi nhiệt ống kép xoắn ốc trong nghiên cứu thực nghiệm [4] P. Murugesan và các cộng sự [5] nghiên cứu truyền nhiệt bộ trao đổi nhiệt dạng ống có chèn băng xoắn cắt hình chữ U. Kết quả cho thấy rằng Giá trị số Nusselt và hệ số ma sát của ống có gắn băng xoắn chữ U cao hơn đáng kể so với ống trơn và ống có gắn băng xoắn thường.5: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm bộ trao đổi nhiệt hai dòng nước (nước nóng – nước lạnh) [5] 5 Abdalla Gomaa và các cộng sự [6] nghiên cứu cả thực nghiệm và mô phỏng số để đánh giá các tiêu chí hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có chèn gắn cánh gân.

Kết quả chỉ ra rằng số Nusselt và hiệu quả của thiết bị trao đổi nhiệt ba ống có chèn cánh gân cao hơn so với loại không gân lần lượt là 21,48% và 16,74%.6: Cấu hình của bộ trao đổi nhiệt ba ống lồng nhau có gân chèn bên trong [6] Mrunal P.Kshirsagar và các cộng sự [7] nghiên cứu thực nghiệm về bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống chèn cuộn xoắn có dây quấn đã được thực hiện. Kết quả chỉ ra rằng hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống chèn cuộn xoắn cao hơn 15–20% so với bộ trao đổi nhiệt thông thường, và hiệu suất tính toán thực nghiệm đạt 93,33%.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm bộ trao đổi nhiệt ống kép xoắn ốc [7] Rajesh Kumar & Prakash Chandra [8] nghiên cứu sự truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống xoắn ruột gà có chèn dây xoắn và ko chèn dây xoắn bên trong. Kết quả chỉ ra rằng bộ trao đổi nhiệt có gắn dây xoắn cho kết quả truyền nhiệt cao hơn khoảng 13% so với bộ không gắn dây xoắn.8: Sơ đồ bố trí thí nghiệm của bộ trao đổi nhiệt dạng ống [8] 7 Tianfu Ji cùng các cộng sự [9] nghiên cứu truyền nhiệt trong quá trình ngưng tụ của các môi chất R22, R134a và R407C đã được khảo sát trong ống có gắn dây xoắn với các bước xoắn khác nhau (5 mm, 7,77 mm và 11 mm). Kết quả chỉ ra rằng các ống có gắn dây xoắn cải thiện hệ số truyền nhiệt trung bình lên khoảng 1,62 – 2,65 lần so với ống trơn.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm dùng để nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và sụt áp của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống [9] 8 Fabio Toshio Kanizawa và cộng sự [10] nghiên cứu truyền nhiệt và tổn thất áp suất ma sát trong dòng chảy hai pha của R134a bên trong ống có và không có băng xoắn.

Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt có thể tăng đến 45% khi giữ cùng công suất bơm, so với ống không có băng xoắn.10:Sơ đồ hệ thống thí nghiệm [10] M.Patel và các cộng sự [11] nghiên cứu hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống tròn chèn băng xoắn. Kết quả cho thấy việc sử dụng băng xoắn kèm theo bọt kim loại dạng sợi giúp cải thiện đáng kể khả năng truyền nhiệt nhờ diện tích bề mặt lớn.11: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống trao đổi nhiệt ống đồng tâm [11] Dnyaneshwar G Kumbhar và các cộng sự [12] nghiên cứu phân tích thực nghiệm của một bộ trao đổi nhiệt được trang bị các tấm xoắn được khoan lỗ và cả một ống trơn không có bộ chèn. Kết quả cho thấy cả bộ chèn xoắn cổ điển và bộ chèn có lỗ thủng đều có thể tăng cường đáng kể hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt.12: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong bộ trao đổi nhiệt ống đồng tâm [12] 10 Anant Sidhappa Kurhade và các cộng sự [13] nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và hệ số ma sát trong bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống sử dụng tấm xoắn lượn sóng bằng đồng. Kết quả cho thấy khi so sánh với ống trơn, tất cả các cấu tấm xoắn gợn sóng đều cho thấy hiệu suất truyền nhiệt cao hơn.13: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm bộ trao đổi nhiệt ống đồng tâm [13] 1.

Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: thu thập và tổng hợp tài liệu, giáo trình và công trình nghiên cứu liên quan đến quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống. Bên cạnh đó tìm hiểu các dạng chi tiết chèn đã được ứng dụng trong nghiên cứu trước đây có nguyên lí hoạt động như thế nào. Xây dựng cơ sở lý thuyết về hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất và hiệu suất năng lượng làm nền tảng cho thực nghiệm và mô phỏng. - Phương pháp thực nghiệm: thiết kế và lắp đặt mô hình trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có thể thay thế chi tiết chèn.

Tiến hành đo đạc các thông số cơ bản: nhiệt độ dòng vào – ra, lưu lượng chất tải nhiệt, tổn thất áp suất. Xác định hệ số truyền nhiệt và hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị trong các trường hợp có và không sử dụng chi tiết chèn. 11 Thay đổi lưu lượng và nhiệt độ đầu vào để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt. - Phương pháp mô phỏng số: sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng dòng chảy và quá trình truyền nhiệt trong ống lồng ống có chi tiết chèn.

Xây dựng mô hình hình học, chia lưới và thiết lập điều kiện biên phù hợp với mô hình thực nghiệm. Phân tích phân bố nhiệt độ, áp suất, vận tốc và dòng chảy rối trong ống. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của mô hình. - Phân tích kết quả, kiểm chứng và đánh giá: đối chiếu kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm, bên cạnh đó thông qua đồ thị đánh giá mức độ tương đồng và sai số.

So sánh hiệu quả truyền nhiệt giữa ống trơn và ống có chi tiết chèn.