Đồ án mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống bằng ANSYS CFD, khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ đến hiệu suất truyền nhiệt.

• Tác giả: Đoàn Minh Trí
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
• Đề tài: Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là cấu trúc nhiệt cơ bản trong kỹ thuật nhiệt. Thiết bị gồm hai ống có đường kính khác nhau lồng đồng tâm vào nhau. Một lưu chất chảy trong lòng ống nhỏ bên trong. Lưu chất thứ hai chuyển động trong không gian vành khuyên giữa hai ống. Cấu tạo này cho phép truyền nhiệt qua bề mặt thành ống ngăn cách. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung khai thác mô hình này. Thiết bị sở hữu kết cấu đơn giản và độ bền cơ học cao. Quy trình chế tạo, lắp ráp và bảo dưỡng thiết bị diễn ra dễ dàng. Hệ thống đáp ứng tốt các điều kiện làm việc áp suất cao và nhiệt độ lớn. Các ngành công nghiệp hóa chất, dầu khí và thực phẩm ứng dụng thiết bị rất phổ biến. Kỹ thuật nhiệt điện lạnh cũng sử dụng mô hình này để thu hồi nhiệt hiệu quả. Nghiên cứu thực nghiệm kết hợp tính toán số giúp làm sáng tỏ cơ chế truyền nhiệt phức tạp. Nền tảng này tạo tiền đề vững chắc cho việc cải tiến cấu trúc nhiệt hiện đại.

1.1. Cấu tạo cơ bản của thiết bị ống lồng ống

Thiết bị ống lồng ống có cấu tạo hình học từ hai ống kim loại đặt đồng trục. Ống trong dẫn lưu chất nóng hoặc lạnh có diện tích tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Ống ngoài bao bọc tạo thành khe hở vành khuyên dẫn lưu chất thứ hai. Hai dòng chất lỏng ngăn cách hoàn toàn bởi bề mặt kim loại dẫn nhiệt tốt. Vật liệu chế tạo thường là đồng hoặc thép không gỉ nhằm đảm bảo độ bền. Kích thước chiều dài và đường kính ống quyết định diện tích trao đổi nhiệt tổng thể. Thiết bị dễ chế tạo, dễ mở rộng quy mô và dễ dàng vệ sinh định kỳ. Cấu trúc đơn giản giúp giảm thiểu chi phí chế tạo trong công nghiệp thực tế.

1.2. Phân loại và cơ chế lưu động chất lưu

Các dòng lưu chất trong thiết bị thường vận hành theo hai chế độ chính. Chế độ chảy cùng chiều đưa hai dòng lưu chất vào từ cùng một đầu thiết bị. Chế độ chảy ngược chiều đưa hai dòng vào từ hai đầu đối diện nhau. Dạng lưu động ngược chiều luôn mang lại hiệu suất nhiệt cao vượt trội. Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit ở dòng ngược chiều đạt giá trị lớn nhất. Do đó, thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều tối ưu hóa lượng nhiệt truyền qua vách. Sự phân bố nhiệt độ dọc theo ống diễn ra đồng đều và ổn định hơn. Thiết kế này giúp tiết kiệm diện tích bề mặt truyền nhiệt đáng kể trong thực tế.

II. Thách thức nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

Quá trình nghiên cứu và tối ưu hóa nhiệt động học đối mặt với nhiều khó khăn. Phương pháp thực nghiệm truyền thống đòi hỏi chi phí đầu tư gia công cơ khí rất cao. Việc đo đạc thông số nhiệt độ và áp suất bên trong lòng ống gặp nhiều hạn chế. Cảm biến vật lý dễ làm biến dạng trường dòng chảy tự nhiên của lưu chất. Ngoài ra, việc thay đổi liên tục các thông số hình học gây tốn kém thời gian chế tạo. Tính toán lý thuyết thuần túy theo công thức giải tích cổ điển bộc lộ nhiều sai số. Các hệ số kinh nghiệm thường chỉ áp dụng giới hạn trong điều kiện dòng chảy lý tưởng. Hiện tượng xoáy cục bộ và chuyển pha nhiệt độ rất khó dự đoán chính xác trên giấy. Khảo sát lưu lượng nước lạnh tăng từ 100% đến 300% đòi hỏi hệ thống kiểm soát phức tạp. Tương tự, dải biến thiên nhiệt độ nước nóng từ 55°C đến 95°C yêu cầu nguồn cấp ổn định. Do đó, các nhà nghiên cứu cần phương pháp hiện đại để tiếp cận chính xác bản chất truyền nhiệt.

2.1. Hạn chế của phương pháp thực nghiệm nhiệt

Phương pháp thực nghiệm truyền thống đòi hỏi chi phí đầu tư trang thiết bị rất lớn. Mô hình đo cần hệ thống cảm biến nhiệt, bơm tuần hoàn và đồng hồ lưu lượng chuẩn. Mỗi lần thay đổi kích thước ống yêu cầu gia công cơ khí hoàn toàn mới. Quá trình lắp đặt cảm biến vào lòng ống dễ gây nhiễu loạn dòng chảy thực tế. Điều này dẫn đến sự sai lệch dữ liệu về phân bố nhiệt và áp suất. Việc kiểm soát thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh cũng rất phức tạp. Thực nghiệm gặp nhiều rào cản khi mở rộng dải thông số nhiệt độ cao. Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần không thể đáp ứng chu kỳ thiết kế nhanh chóng.

2.2. Khó khăn khi tính toán giải tích cổ điển

Tính toán nhiệt truyền thống dựa vào phương pháp LMTD và phương pháp hiệu suất NTU. Các công thức này sử dụng giả thiết đơn giản hóa về tính chất vật lý của lưu chất. Độ nhớt, khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt bị coi như hằng số không đổi. Thực tế nhiệt độ thay đổi dọc chiều dài ống làm thay đổi mạnh các thông số trên. Phương pháp cổ điển bỏ qua sự phân bố vận tốc phi tuyến và lớp biên nhiệt thủy lực. Hệ số truyền nhiệt tổng quát tính theo kinh nghiệm thường tạo ra độ lệch đáng kể. Khả năng dự đoán trường nhiệt độ chi tiết tại mọi điểm hoàn toàn bất khả thi. Hạn chế này thúc đẩy nhu cầu ứng dụng công cụ mô phỏng CFD hiện đại.

III. Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống bằng ANSYS

Ứng dụng mô phỏng số CFD giải quyết hiệu quả các rào cản tính toán nhiệt động. Nghiên cứu sử dụng phần mềm ANSYS 19 để mô phỏng thiết bị ống lồng ống trơn. Lưu chất khảo sát là nước chảy ngược chiều với các điều kiện biên xác định. Quá trình mô phỏng bắt đầu từ việc tạo hình học 3D của thiết bị trao đổi nhiệt. Tiếp theo, hệ thống lưới tính toán được phân chia chi tiết nhằm đảm bảo độ chính xác. Các phương trình Navier-Stokes và phương trình truyền năng lượng được giải số học tuần tự. Mô hình mô phỏng thực hiện khảo sát hai nhóm yếu tố chính ảnh hưởng đến truyền nhiệt. Nhóm nghiên cứu thay đổi lưu lượng nước lạnh vành khuyên lên 100%, 200% và 300%. Đồng thời, nhiệt độ nước nóng trong ống dao động từ 55°C đến 95°C. Kết quả hiển thị chi tiết trường vận tốc, áp suất và phân bố nhiệt độ cục bộ. Công nghệ mô phỏng giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và kinh phí nghiên cứu phát triển.

3.1. Thiết lập hình học và điều kiện biên ANSYS

Mô hình hình học 3D được thiết lập chính xác theo thông số cấu tạo thiết bị. Mô hình gồm ống trong và khoảng không gian hình vành khuyên bên ngoài. Lưới tính toán được tạo bằng phần mềm chia lưới chuyên dụng của ANSYS. Các vùng gần thành ống được làm mịn lưới để bắt trọn lớp biên thủy lực và nhiệt. Điều kiện biên ngõ vào lưu chất bao gồm vận tốc dòng và nhiệt độ ban đầu. Điều kiện biên ngõ ra được cài đặt theo áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Vách ngăn kim loại giữa hai dòng chất lỏng thiết lập điều kiện truyền nhiệt liên tục. Việc thiết lập đúng chuẩn đảm bảo quá trình hội tụ diễn ra ổn định và chính xác.

3.2. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ

Nghiên cứu tập trung đánh giá sự thay đổi hiệu năng nhiệt qua hai yếu tố. Đầu tiên, lưu lượng nước lạnh vành khuyên tăng lần lượt 100%, 200% và 300%. Vận tốc dòng tăng làm xáo trộn mạnh lớp biên và cải thiện hệ số truyền nhiệt đối lưu. Nhiệt độ đầu ra của nước nóng giảm nhanh khi lưu lượng nước lạnh tăng cao. Thứ hai, nhiệt độ nước nóng đầu vào được khảo sát trong dải 55°C đến 95°C. Chênh lệch nhiệt độ lớn gia tăng mật độ dòng nhiệt truyền qua vách ngăn kim loại. Dữ liệu mô phỏng cung cấp đường đặc tính nhiệt trực quan cho thiết bị. Các kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức.

IV. Ứng dụng mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

Kết quả mô phỏng CFD khẳng định tính khả thi vượt trội trong tối ưu hóa thiết bị nhiệt. Đồ án tại ĐH SPKT TP.HCM mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc. Dữ liệu mô phỏng chứng minh lưu động ngược chiều đạt hiệu quả trao đổi nhiệt cao nhất. Việc gia tăng lưu lượng nước lạnh giúp tăng cường truyền nhiệt nhưng gây tổn thất áp suất. Kỹ sư có thể dựa vào biểu đồ CFD để cân bằng giữa trao đổi nhiệt và công suất bơm. Phương pháp mô phỏng số cho phép thử nghiệm nhiều phương án cải tiến kết cấu ống. Cấu trúc ống lượn sóng hoặc ống có gân xoắn được đánh giá nhanh chóng mà không cần gia công mẫu. Các hệ thống điều hòa không khí, tháp giải nhiệt và lò hơi công nghiệp ứng dụng trực tiếp kết quả này. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho quá trình tiết kiệm năng lượng công nghiệp.

4.1. Giá trị học thuật và đào tạo kỹ thuật nhiệt

Đề tài tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM đóng góp nguồn tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành nhiệt lạnh. Nghiên cứu giúp người học nắm vững quy trình mô phỏng từ tạo hình học đến phân tích kết quả CFD. Sinh viên hiểu sâu mối liên hệ giữa lý thuyết truyền nhiệt và tính toán số thực tế. Kỹ năng làm chủ công cụ ANSYS nâng cao năng lực giải quyết vấn đề kỹ thuật phức tạp. Đồ án tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về tối ưu hóa năng lượng sau này. Việc ứng dụng công nghệ số trong đào tạo kỹ thuật đáp ứng xu thế phát triển công nghiệp 4.0.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp nhiệt

Mô hình trao đổi nhiệt ống lồng ống mô phỏng số mang lại tiềm năng ứng dụng thực tế rất rộng rãi. Các nhà máy lọc dầu và chế biến hóa chất sử dụng thiết bị để gia nhiệt hoặc làm mát dòng sản phẩm. Ngành công nghiệp sữa và đồ uống ứng dụng công nghệ vào dây chuyền thanh trùng tiệt trùng liên tục. Trong hệ thống điều hòa không khí và bơm nhiệt, thiết bị đóng vai trò thiết bị bay hơi hoặc bình ngưng nhỏ gọn. Kết quả mô phỏng hỗ trợ kỹ sư lựa chọn lưu lượng tối ưu nhằm cắt giảm điện năng vận hành bơm. Giải pháp này gia tăng tuổi thọ thiết bị và tối đa hóa hiệu quả kinh tế lâu dài.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt và cơ học dòng chảy chất lưu giữ vai trò trọng tâm trong các hệ thống nhiệt - lạnh công nghiệp, hệ thống sấy, lò hơi và điều hòa không khí. Trong phương pháp nghiên cứu truyền thống, các kỹ sư và nhà khoa học chủ yếu dựa trên các mô hình thí nghiệm hoặc tiến hành đo đạc trực tiếp trên thiết bị vận hành tại hiện trường. Tuy nhiên, hoạt động thực nghiệm gặp nhiều rào cản thực tế như: chi phí chế tạo mô hình và trang bị cảm biến đo lường đắt đỏ, thời gian chuẩn bị và đo đạc kéo dài, cùng các nguy cơ mất an toàn khi làm việc với môi chất có áp suất và nhiệt độ cao.

Sự phát triển của công nghệ tính toán số đã đưa phương pháp mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD - Computational Fluid Dynamics) trở thành một hướng tiếp cận hiệu quả. CFD giải quyết bài toán dòng chảy và truyền nhiệt thông qua việc giải lặp các phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến trên máy tính, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu, tiết kiệm ngân sách thử nghiệm và đảm bảo tính an toàn. Trước bối cảnh đó, đồ án "Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống" được thực hiện bởi sinh viên Đoàn Minh Trí và Lê Văn Cường, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thanh Tình tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 07/2022), nhằm đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của phương pháp mô phỏng số CFD khi đối chiếu với tính toán lý thuyết và số liệu thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống (double-pipe heat exchanger). Đây là kết cấu trao đổi nhiệt cơ bản, có cấu tạo gồm hai ống đồng trục lồng vào nhau, vận hành bền bỉ và chịu áp suất cao, song có nhược điểm cố hữu là diện tích truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích còn hạn chế. Để khảo sát toàn diện khả năng nâng cao hiệu suất, đề tài mở rộng phạm vi từ ống thẳng trơn sang các cấu hình hình học nâng cao như ống lồng ống dạng xoắn và ống lồng ống có cánh.

Theo văn bản đồ án, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Tính toán cơ sở lý thuyết truyền nhiệt và thủy lực học của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.
2. Thiết lập mô hình hình học, chia lưới và chạy mô phỏng số bằng phần mềm CFD dựa trên các thông số ban đầu đã chọn.
3. So sánh, đánh giá kết quả nhiệt độ và hệ số truyền nhiệt thu được từ mô phỏng CFD với kết quả tính toán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm đã công bố trong bài báo khoa học tham chiếu.
4. Khảo sát bằng mô phỏng số CFD sự ảnh hưởng của các yếu tố vận hành và cấu trúc đến khả năng truyền nhiệt của thiết bị, bao gồm: nhiệt độ đầu vào của lưu chất nóng, lưu lượng dòng chảy của lưu chất lạnh và thay đổi hình dạng hình học của ống (ống xoắn, ống có cánh).

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở chế độ dòng chảy cưỡng bức, lưu động ngược chiều giữa hai dòng chất lỏng; môi chất sử dụng ở cả hai kênh dẫn là nước; dải khảo sát lưu lượng nước lạnh tăng lần lượt 100%, 200%, 300% so với mức ban đầu; dải khảo sát nhiệt độ nước nóng đầu vào dao động từ 55°C đến 95°C; công cụ mô phỏng số sử dụng là bộ phần mềm ANSYS (phiên bản 19 / 19.2).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các quy luật bảo toàn nhiệt động lực học và thủy lực học chất lưu. Bản chất của mô phỏng CFD là giải hệ ba phương trình điều khiển vi phân cơ bản:

• Phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng).
• Phương trình Navier-Stokes (bảo toàn động lượng).
• Phương trình năng lượng (bảo toàn năng lượng).

Các phương trình này được chuyển đổi từ dạng vi phân từng phần phi tuyến sang hệ phương trình đại số tuyến tính nhờ các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán. Trong đó, phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM) được phần mềm ANSYS sử dụng để tích phân các phương trình trên từng ô lưới kiểm soát.

Về mặt nhiệt - thủy lực, tác giả áp dụng hệ thống công thức giải tích kinh điển:

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng: $$Q = G_1 \cdot C_{p1} \cdot (t_1' - t_1'') = G_2 \cdot C_{p2} \cdot (t_2'' - t_2')$$ Trong đó $G_1, G_2$ là lưu lượng khối lượng (kg/s); $C_{p1}, C_{p2}$ là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp (J/kg.K); $t_1', t_1''$ là nhiệt độ vào và ra của lưu chất nóng (°C); $t_2', t_2''$ là nhiệt độ vào và ra của lưu chất lạnh (°C).
• Vận tốc dòng chảy trong ống nhỏ $\omega_1$ và trong không gian vành khuyên $\omega_2$ được xác định qua đường kính trong $d_1$, đường kính ngoài $d_2$ của ống trong và đường kính trong $D$ của ống ngoài. Đường kính tương đương phần hình vành khuyên tính bằng $d_{td} = D - d_2$.
• Số Reynolds xác định chế độ dòng chảy: $$Re_1 = \frac{\omega_1 \cdot d_1}{\nu_1}; \quad Re_2 = \frac{\omega_2 \cdot d_{td}}{\nu_2}$$ Khi $Re > 10^4$, dòng chảy chuyển sang chế độ chảy rối hoàn toàn.
• Hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha_1, \alpha_2$ được tính qua số Nusselt ($Nu$) theo phương trình tiêu chuẩn cho dòng chảy rối: $$Nu = 0{,}021 \cdot Re^{0{,}8} \cdot Pr^{0{,}43} \cdot \left(\frac{Pr}{Pr_w}\right)^{0{,}25} \cdot \varepsilon_L$$ với $\varepsilon_L$ là hệ số hiệu chỉnh chiều dài dòng chảy.
• Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD): $$Q = k \cdot F \cdot \Delta \bar{t}$$ Trong đó $k$ là hệ số truyền nhiệt tổng quát ($W/m^2.K$), $F$ là diện tích bề mặt truyền nhiệt ($m^2$), $\Delta \bar{t}$ là độ chênh nhiệt độ logarit giữa hai dòng lưu chất bố trí ngược chiều.
• Phương pháp hiệu suất truyền nhiệt (NTU Method): Xác định đương lượng nhiệt $C_1, C_2$, tìm $C_{\min}, C_{\max}$, tính số đơn vị chuyển nhiệt $NTU = \frac{k \cdot F}{C_{\min}}$ và xác định hiệu suất trao đổi nhiệt $\varepsilon = \frac{Q}{Q_{\max}}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai theo quy trình mô phỏng số khép kín:

1. Thiết lập hình học (Geometry) trên mô đun ANSYS Design Modeler.
2. Rời rạc hóa miền không gian tính toán trên ANSYS Mesh, tạo lưới có cấu trúc và không cấu trúc, kiểm tra độ độc lập của lưới qua 3 bộ lưới phân giải tăng dần (M1, M2, M3) dựa trên các chỉ số Skewness (độ xiên) và Orthogonal Quality (độ trực giao).
3. Thiết lập điều kiện biên và giải lặp trên ANSYS Solution (Fluent/Solver), giám sát mức độ hội tụ của các phần dư (Residuals).
4. Phân tích kết quả trên CFD-Post qua các trường nhiệt độ, đường dòng (Streamline) và biểu đồ phân bố vận tốc, áp suất.
5. Đối chiếu, kiểm chứng kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm đã công bố.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm:

• Giáo trình "Truyền nhiệt" của tác giả Hoàng Đình Tín (NXB Khoa học và Kỹ thuật).
• Số liệu hình học, điều kiện biên và dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ bài báo khoa học "Ứng Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Để Xây Dựng Phương Trình Tiêu Chuẩn Tỏa Nhiệt Đối Với Lưu Chất Chảy Rối Trong Ống" của tác giả Thái Ngọc Sơn và cộng sự (Đại học Bách khoa Đà Nẵng).
• Thông số tiêu chuẩn kỹ thuật thương mại của thiết bị ống lồng ống từ KLM Technology Group và Công ty Fin Tube Products, Inc.
• Đặc tính vật liệu thép không gỉ Inox 304 và thông số vật lý của nước tại nhiệt độ tham chiếu 20°C.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chung, tính cấp thiết của đề tài và sự cần thiết của việc ứng dụng công cụ mô phỏng CFD trong nghiên cứu kỹ thuật nhiệt. Tác giả tiến hành so sánh toàn diện giữa phương pháp mô phỏng số và phương pháp thử nghiệm thực nghiệm qua bảng tổng hợp tiêu chí:

Tiêu chí	Mô phỏng (CFD)	Thực nghiệm
Chi phí đầu tư	Tương đối rẻ, tiết kiệm chi phí chế tạo mẫu	Đắt đỏ, đầu tư ban đầu tốn kém
Thời gian thực hiện	Ngắn, tốc độ xử lý nhanh	Kéo dài do chuẩn bị công phu
Thông tin thu nhận	Đầy đủ trường dữ liệu 3D (nhiệt, áp suất, vận tốc)	Hạn chế, chỉ đo được tại các điểm cắm cảm biến
Mức độ an toàn	An toàn tuyệt đối trên máy tính tính toán	Tiềm ẩn nhiều nguy hiểm về áp suất, nhiệt độ

Tiếp đó, chương này phân loại các thiết bị trao đổi nhiệt theo nguyên lý hoạt động: thiết bị kiểu hồi nhiệt (dùng trong luyện kim, bộ sấy không khí nhà máy nhiệt điện), thiết bị hỗn hợp (tháp giải nhiệt, bộ phun ẩm) và thiết bị vách ngăn (vỏ bọc chùm ống, ống có cánh, dạng tấm, dạng tấm xoắn ốc). Tác giả phân tích các nhân tố cốt lõi chi phối quá trình trao đổi nhiệt đối lưu gồm: nguyên nhân gây chuyển động (tự nhiên và cưỡng bức), chế độ dòng chảy (chảy tầng khi $Re < 2200$, chuyển tiếp khi $2200 \le Re \le 10^4$, chảy rối khi $Re > 10^4$), tính chất vật lý của môi chất ($\lambda, C_p, \rho, \mu$) cùng kích thước hình học bề mặt truyền nhiệt. Chương 1 khép lại bằng việc điểm danh các đơn vị sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt tại Việt Nam (DTP, PHE, Tiến Lộc, Hoa Sen) và ứng dụng thực tiễn trong ngành hóa chất, hệ thống lạnh, HVAC, công nghệ giấy và thực phẩm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết bị TĐN ống lồng ống

Chương 2 đi sâu vào cấu tạo, cơ chế vận hành và tính toán nhiệt động lực học của thiết bị ống lồng ống. Cấu tạo cơ bản gồm hai ống đồng trục: chất lưu nóng chảy bên trong ống nhỏ, chất lưu lạnh chảy trong khe vành khuyên giữa ống lớn và ống nhỏ. Khi so sánh sơ đồ lưu động ngược chiều và thuận chiều, tác giả chỉ ra rằng dòng chảy ngược chiều có độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta \bar{t}$ lớn hơn, phụ tải nhiệt phân bố đồng đều hơn và nhiệt độ đầu ra của dòng lạnh $t_2''$ có thể vượt quá nhiệt độ ra của dòng nóng $t_1''$; tuy nhiên, nhược điểm là nhiệt độ lớn nhất của hai dòng đều hội tụ tại một đầu thiết bị, gây ra ứng suất nhiệt cục bộ cao.

Tác giả giới thiệu ứng dụng thực tế của thiết bị trong hệ thống thanh trùng UHT (Ultra High Temperature) xử lý nước nho đỏ ở nhiệt độ 135°C trong thời gian 5 giây, cũng như trong các cụm ngưng tụ máy lạnh chiller. Về phân loại kết cấu, chương trình bày chi tiết các dạng: ống trơn thẳng, ống có cánh gia công CNC (cánh nằm ngang, cánh nan hoa, cánh dọc thân) và ống uốn xoắn (xoắn tròn, elip xoắn, vuông xoắn). Dữ liệu thương mại từ KLM Technology Group cho biết thiết bị ống lồng ống chịu được áp suất danh định tới 165 bar ở ống ngoài và 1033 bar ở ống trong; kích thước ống ngoài dao động 50,8 - 101,6 mm, ống trong từ 19 - 63,5 mm với 16 - 48 vây cánh dọc có chiều cao 12,7 - 25,4 mm.

Phần tổng quan y văn điểm qua các công trình quốc tế (Vinous nghiên cứu ống có cánh tam giác; Rakesh mô phỏng ống xoắn kép; Kurma khảo sát dải xoắn có lỗ vát chữ V; Reza thử nghiệm chất lỏng nano hạt oxit sắt) và các công trình trong nước (Thái Ngọc Sơn khảo sát phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt; Lê Ngọc Trung tối ưu hóa ống có cánh; Nguyễn Xuân Viên mô phỏng thu hồi nhiệt thải chiller). Phần cuối chương tập trung thiết lập các hệ thức toán học giải tích: phương trình cân bằng nhiệt, công thức LMTD, số Reynolds, số Nusselt, số đơn vị truyền nhiệt NTU và công thức tính chiều dài một vòng xoắn $L_x = \pi \cdot D_x$.

Chương 3: Phương pháp mô phỏng CFD

Chương 3 trình bày cơ sở toán học và thuật toán số của phương pháp CFD. Tác giả mô tả chi tiết hệ phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng Navier-Stokes và bảo toàn năng lượng, đồng thời so sánh ba phương pháp rời rạc hóa phổ biến: Sai phân hữu hạn (FDM), Thể tích hữu hạn (FVM) và Phần tử hữu hạn (FEM). Trong đó, FVM được lựa chọn làm phương pháp nền tảng cho việc giải các phương trình truyền tải nhiệt và động lượng.

Quy trình mô phỏng trên nền tảng ANSYS Workbench được trình bày qua bốn bước liên kết:

1. ANSYS Design Modeler: Dựng mô hình không gian 3D của ống trong, ống ngoài và miền lưu chất.
2. ANSYS Mesh: Thực hiện chia lưới không gian tính toán, phân loại lưới có cấu trúc (structured) và không cấu trúc (unstructured).
3. ANSYS Solution: Thiết lập mô hình vật lý, các thuộc tính vật liệu, thông số điều kiện biên ở đầu vào/đầu ra và giải thuật lặp.
4. CFD-Post: Trích xuất và biểu diễn trường nhiệt độ, trường áp suất và vận tốc dưới dạng các đồ thị mặt cắt (contour) và đường dòng (streamline).

Chương 3 nhấn mạnh các tiêu chí kỹ thuật kiểm soát chất lượng lưới: độ xiên (Skewness) phải nằm trong giới hạn cho phép (chất lượng lưới tốt khi Skewness ở mức thấp) và độ trực giao (Orthogonal Quality) phải tiến gần về giá trị 1 để tránh lỗi phân kỳ khi giải số.

Chương 4: Xây dựng mô hình và mô phỏng

Chương 4 thiết lập bài toán mô phỏng cụ thể cho mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thẳng trơn, ống xoắn và ống có cánh dựa trên các thông số đối chứng từ mô hình thực nghiệm của Thái Ngọc Sơn và cộng sự. Mô hình hình học được định vị chính xác trong hệ tọa độ Descarte $(x, y, z)$.

Các thông số vật lý và điều kiện ban đầu được thiết lập bao gồm:

• Vật liệu làm ống: Thép không gỉ Inox 304, có hệ số dẫn nhiệt và độ bền cơ học cao.
• Lưu chất làm việc: Nước sạch ở cả kênh ống nhỏ (nước nóng) và khe vành khuyên (nước lạnh). Thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ chuẩn 20°C.
• Điều kiện biên thủy lực: Đầu vào đặt điều kiện lưu lượng khối lượng (Mass Flow Inlet) hoặc vận tốc (Velocity Inlet); đầu ra đặt điều kiện áp suất khí quyển (Pressure Outlet).
• Điều kiện biên nhiệt: Khai báo nhiệt độ đầu vào xác định cho dòng nước nóng $t_1'$ và dòng nước lạnh $t_2'$; mặt ngoài của ống lớn được thiết lập điều kiện cách nhiệt lý tưởng (Heat Flux = 0).
• Mô hình dòng chảy: Áp dụng mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong các kênh dẫn lưu chất.

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương 5 là chương thực nghiệm tính toán chính, tập trung trình bày và phân tích các dữ liệu số thu được từ phần mềm ANSYS 19.2:

• Kiểm tra tính độc lập của lưới: Tác giả tạo và so sánh 3 bộ lưới phân giải khác nhau (ký hiệu M1, M2, M3). Theo dõi đồ thị phần dư (Residuals) và phân bố vận tốc, nhiệt độ tại các điểm kiểm tra cho thấy lưới đạt trạng thái hội tụ ổn định, sai số giữa các mức lưới mịn được khống chế, bảo đảm kết quả tính toán độc lập với kích thước lưới.
• Đối chiếu kiểm chứng ống trơn: Kết quả trường nhiệt độ đầu ra của nước nóng và nước lạnh từ CFD được đối chiếu trực tiếp với kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết từ bài báo của Thái Ngọc Sơn. Độ chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm ở mức nhỏ, xác nhận độ tin cậy của mô hình số.
• Khảo sát biến thiên lưu lượng nước lạnh: Tiến hành giữ nguyên các thông số dòng nóng, thay đổi lưu lượng nước lạnh $G_2$ qua các giá trị $0{,}236\text{ kg/s}$; $0{,}472\text{ kg/s}$ (tăng 100%); $0{,}708\text{ kg/s}$ (tăng 200%) và $0{,}944\text{ kg/s}$ (tăng 300%). Kết quả cho thấy khi lưu lượng nước lạnh tăng, tốc độ dòng chảy tăng làm tăng số Reynolds, dẫn đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu và tổng nhiệt lượng trao đổi $Q$ tăng theo, đồng thời hiệu suất trao đổi nhiệt $\varepsilon$ của thiết bị được cải thiện rõ rệt.
• Khảo sát biến thiên nhiệt độ nước nóng đầu vào: Cố định lưu lượng, thay đổi nhiệt độ đầu vào $t_1'$ ở 5 mức: 55°C, 65°C, 75°C, 85°C và 95°C. Sự gia tăng nhiệt độ $t_1'$ làm tăng độ chênh nhiệt độ trung bình $\Delta \bar{t}$, thúc đẩy nhiệt lượng trao đổi $Q$ và số Reynolds tăng mạnh, kéo theo sự biến đổi của hệ số truyền nhiệt $k$ và tổn thất áp suất $\Delta p$ trong ống ngoài.
• Khảo sát ống xoắn và ống có cánh: So sánh kết quả mô phỏng giữa ống trơn với ống lồng ống dạng xoắn và ống có cánh. Dạng ống xoắn tạo ra lực ly tâm thúc đẩy xoáy rối thứ cấp, còn ống có cánh gia tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt, giúp cả hai dạng này đều đạt hiệu suất truyền nhiệt cao hơn đáng kể so với ống trơn. Khi giảm bán kính vòng xoắn, độ xoáy của chất lưu tăng làm hệ số truyền nhiệt tăng nhưng đi kèm tổn thất áp suất tăng.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả của đồ án. Nhóm tác giả khẳng định việc ứng dụng mô phỏng số CFD trên phần mềm ANSYS 19.2 mang lại kết quả có độ chính xác và tin cậy cao, có thể bổ trợ hoặc thay thế hiệu quả cho các thử nghiệm thực nghiệm tốn kém. Tác giả kiến nghị tiếp tục mở rộng mô phỏng trên các dạng lưu chất phức tạp khác, nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc cánh tối ưu và phát triển các giải pháp hạn chế sự sụt áp khi nâng cao hiệu suất truyền nhiệt.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thu được các kết quả định lượng cụ thể thông qua việc giải lặp số và đối chiếu thực nghiệm:

• Xác lập tính chính xác của mô hình CFD: Sai lệch nhiệt độ giữa tính toán mô phỏng CFD và dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ bài báo khoa học của Thái Ngọc Sơn và cộng sự nằm trong phạm vi sai số cho phép, xác nhận ANSYS 19.2 mô phỏng đáng tin cậy động lực học dòng chảy và truyền nhiệt trong thiết bị ống lồng ống ngược chiều.
• Dữ liệu khảo sát biến thiên lưu lượng: Việc tăng lưu lượng dòng nước lạnh $G_2$ từ mức cơ sở $0{,}236\text{ kg/s}$ lên $0{,}472\text{ kg/s}$ (+100%), $0{,}708\text{ kg/s}$ (+200%) và $0{,}944\text{ kg/s}$ (+300%) làm tăng tương ứng vận tốc dòng chảy, thúc đẩy số Reynolds và nâng cao hệ số tỏa nhiệt đối lưu, giúp hiệu suất truyền nhiệt $\varepsilon$ tăng dần theo từng cấp lưu lượng.
• Dữ liệu khảo sát biến thiên nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ nước nóng đầu vào $t_1'$ qua các mốc 55°C, 65°C, 75°C, 85°C và 95°C, thông lượng nhiệt truyền qua vách ngăn tăng tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt độ $\Delta \bar{t}$; đồng thời do tính chất vật lý của nước thay đổi theo nhiệt độ, số Reynolds và hệ số truyền nhiệt $k$ đều ghi nhận sự tăng trưởng, kéo theo sự biến thiên của tổn thất áp suất $\Delta p$.
• Đánh giá định lượng kết cấu cải tiến:
  • Thiết bị ống lồng ống dạng xoắn tạo ra các dòng xoáy ly tâm liên tục, giúp phá vỡ lớp biên nhiệt và tăng cường hòa trộn dòng chảy, mang lại hiệu suất trao đổi nhiệt vượt trội so với ống thẳng trơn cùng chiều dài. Khi giảm bán kính uốn của vòng xoắn, cường độ truyền nhiệt tiếp tục gia tăng.
  • Thiết bị ống lồng ống có cánh (cánh dọc, cánh nan hoa) mở rộng đáng kể diện tích trao đổi nhiệt hữu hiệu, làm xáo trộn mạnh mẽ dòng lưu chất lạnh ở khoang vành khuyên và nâng cao rõ rệt hệ số truyền nhiệt tổng quát.

Đóng góp của đồ án so với các nghiên cứu trước đây mà nhóm tác giả tự xác định:

• Đã xây dựng được quy trình mô phỏng số hoàn chỉnh và chuẩn hóa trên phần mềm ANSYS 19.2 cho thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống chảy rối ngược chiều.
• Thực hiện so sánh đa chiều giữa ba cấu hình hình học (ống trơn, ống xoắn, ống có cánh) trên cùng một cơ sở tham chiếu, cung cấp các hình ảnh trực quan 3D (contour nhiệt độ, phân bố áp suất, đường dòng streamline) giúp phân tích chi tiết cơ chế thủy nhiệt bên trong ống mà phương pháp đo thực nghiệm truyền thống không thể quan sát được.
• Đề xuất giải pháp sử dụng mô phỏng CFD làm công cụ tối ưu hóa thiết kế sơ bộ trước khi gia công cơ khí, giúp giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày trong đồ án, các hạn chế kỹ thuật bao gồm:

• Môi chất khảo sát mới chỉ giới hạn ở một loại chất lưu duy nhất là nước ở cả hai kênh nóng và lạnh; chưa tiến hành mô phỏng với các lưu chất tải nhiệt chuyên dụng khác như dầu công nghiệp, glycol, môi chất lạnh có biến đổi pha (bay hơi, ngưng tụ) hoặc chất lỏng nano (nanofluids).
• Thiết lập mô hình bài toán xoắn và có cánh mới khảo sát ở một số thông số kích thước cụ thể; chưa xây dựng bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để cân bằng tối ưu giữa việc tăng hệ số truyền nhiệt và việc hạn chế gia tăng độ sụt áp (tổn thất áp suất $\Delta p$).
• Chưa xét đến yếu tố bám cặn bề mặt (fouling factor) và độ nhám thực tế của thành ống sau thời gian dài vận hành công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất trong văn bản:

• Mở rộng nghiên cứu mô phỏng số CFD trên các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng lưu chất có pha trộn hạt nano (nanofluids) nhằm tăng cường độ dẫn nhiệt.
• Nghiên cứu mô phỏng các quá trình truyền nhiệt có chuyển pha (ngưng tụ và sôi bay hơi) ứng dụng trong các chu trình máy lạnh và bơm nhiệt.
• Khảo sát tối ưu hóa biên dạng hình học của cánh (chiều cao cánh, bước cánh, độ dày cánh) và góc xoắn đường ống bằng các thuật toán tối ưu hóa tự động kết hợp CFD.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng và mục đích chuyên môn sau:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Năng lượng và Kỹ thuật Hóa học: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác về tính toán thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn (Chương 2), đồng thời minh họa phương pháp luận giải tích kết hợp mô phỏng số.
• Người làm đề tài nghiên cứu về mô phỏng CFD và phần mềm ANSYS Workbench / Fluent: Các nội dung tại Chương 3, Chương 4, Phụ lục 1 ("Các bước thực hiện và lưu ý khi mô phỏng CFD") và Phụ lục 2 ("Hướng dẫn các bước thiết lập mô phỏng") là tài liệu tham khảo từng bước để thực hiện việc dựng hình, kiểm soát chất lượng lưới (Skewness, Orthogonal Quality), thiết lập điều kiện biên và xử lý hội tụ phần dư.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành thiết bị nhiệt: Các bảng số liệu so sánh giữa ống trơn, ống xoắn và ống có cánh tại Chương 5 cung cấp dữ liệu định lượng về mức độ gia tăng truyền nhiệt và sự biến thiên áp suất, hỗ trợ việc lựa chọn kết cấu thiết bị phù hợp cho các hệ thống thu hồi nhiệt thải, thiết bị thanh trùng thực phẩm hoặc bình ngưng/bay hơi máy lạnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống để nghiên cứu mô phỏng số CFD?
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có cấu tạo hình học cơ bản, độ bền cơ học cao, chịu được áp suất làm việc rất lớn (lên tới 165 bar ở ống ngoài và 1033 bar ở ống trong theo tiêu chuẩn thương mại) và có nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã công bố. Kết cấu này tạo điều kiện thuận lợi để xây dựng mô hình tính toán số, kiểm chứng mức độ chính xác của công cụ CFD so với công thức giải tích và dữ liệu thực nghiệm trước khi mở rộng sang các dạng hình học phức tạp hơn.

2. Tiêu chuẩn đánh giá và kiểm tra tính độc lập của lưới trong mô phỏng CFD được thực hiện như thế nào?
Nhóm tác giả đã thiết lập 3 bộ lưới phân giải khác nhau (ký hiệu M1, M2, M3) trên mô đun ANSYS Mesh và đánh giá chất lượng thông qua hai chỉ số hình học: độ xiên (Skewness) và độ trực giao (Orthogonal Quality). Sau đó, quá trình giải lặp được giám sát qua đồ thị hội tụ của các phần dư (Residuals), đồng thời so sánh giá trị nhiệt độ và biên dạng vận tốc tại các vị trí kiểm tra cố định giữa 3 bộ lưới nhằm bảo đảm kết quả đầu ra không phụ thuộc vào kích thước phân chia phần tử lưới.

3. Dải thông số vận hành nào đã được khảo sát đối với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng trơn?
Tác giả thực hiện khảo sát trên hai nhóm biến số vận hành:

• Lưu lượng nước lạnh ở khoang vành khuyên $G_2$ được khảo sát ở 4 mức: $0{,}236\text{ kg/s}$ (mức ban đầu), $0{,}472\text{ kg/s}$ (tăng 100%), $0{,}708\text{ kg/s}$ (tăng 200%) và $0{,}944\text{ kg/s}$ (tăng 300%).
• Nhiệt độ dòng nước nóng đầu vào $t_1'$ trong ống nhỏ được khảo sát trong dải từ 55°C đến 95°C với các bước nhiệt độ 55°C, 65°C, 75°C, 85°C và 95°C.

4. Việc thay đổi kết cấu từ ống trơn sang ống dạng xoắn và ống có cánh đem lại ưu nhược điểm gì?
Ưu điểm chính là làm tăng cường độ truyền nhiệt và hiệu suất trao đổi nhiệt $\varepsilon$: dạng ống xoắn tạo ra lực ly tâm làm tăng tính rối và xoáy cuộn của chất lưu, trong khi dạng ống có cánh mở rộng diện tích bề mặt truyền nhiệt và làm xáo trộn dòng chảy. Tuy nhiên, nhược điểm đi kèm là quy trình chế tạo cơ khí phức tạp hơn (đòi hỏi gia công trên máy công nghệ cao CNC), chi phí vật liệu tăng và gia tăng tổn thất áp suất $\Delta p$ của lưu chất dọc theo chiều dài đường ống.

5. Nghiên cứu thực nghiệm nào đã được sử dụng làm cơ sở đối chiếu và kiểm chứng kết quả mô phỏng CFD của đồ án?
Tác giả đã sử dụng bài báo khoa học "Ứng Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Để Xây Dựng Phương Trình Tiêu Chuẩn Tỏa Nhiệt Đối Với Lưu Chất Chảy Rối Trong Ống" của tác giả Thái Ngọc Sơn và cộng sự (Đại học Bách khoa Đà Nẵng). Dữ liệu kích thước mô hình thực nghiệm, thông số đầu vào và kết quả đo nhiệt độ từ nghiên cứu này được dùng làm hệ quy chiếu để so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng trên ANSYS 19.2.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống" của sinh viên Đoàn Minh Trí và Lê Văn Cường đã nghiên cứu toàn diện các đặc tính nhiệt động lực học và thủy lực của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống bằng phần mềm ANSYS 19.2. Kết quả tính toán số đã chứng minh sự phù hợp với các số liệu thực nghiệm đã công bố, đồng thời làm rõ tác động tích cực của việc tăng lưu lượng dòng lạnh, tăng gradient nhiệt độ và áp dụng các kết cấu ống xoắn, ống có cánh đối với hiệu suất truyền nhiệt tổng thể. Công trình cung cấp quy trình mô phỏng số chi tiết cùng nguồn dữ liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và tối ưu hóa thiết bị trao đổi nhiệt trong kỹ thuật nhiệt - lạnh công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về đề tài 1.1 Tính cấp thiết của đề tài và lí do thực hiện mô phỏng số CFD Hiện nay vấn đề nghiên cứu tìm hiểu về các thiết bị trao đổi nhiệt hoặc nghiên cứu về động lực học chất lỏng rất nhiều, thông thường công việc nghiên cứu thường là sử dụng các mô hình thí nghiệm hoặc trực tiếp đo đạc thực nghiệm tại môi trường làm việc, việc thực nghiệm cũng có một số khó khăn liên quan như chi phí hoặc nguy hiểm nhất định ảnh hưởng đến con người. Ngược lại sử dụng mô phỏng CFD còn gọi là phương pháp mô phỏng số, trong đó phần mềm sẽ sử dụng phương pháp số để thực hiện mô phỏng, giúp cho con người làm việc dễ dàng hơn mà không cần phải lo sợ việc tiếp xúc với các công việc thực nghiệm đo đạc có thể gây nguy hiểm cho bản thân. CFD là viết tắt của Computational Fluid Dynamics đem đến cho chúng ta phương hướng mới trong việc nghiên cứu khoa học bằng cách sử dụng mô phỏng trên máy tính. Nhằm giúp hiểu chi tiết các đặc tính của thiết bị và độ chính xác của phương pháp mô phỏng số được sử dụng, chính vì vậy mà chúng tôi thực hiện đề tài này để kiểm tra tính chính xác của mô phỏng CFD, liệu rằng CFD có thể thay thế cho việc sử dụng phương pháp thực nghiệm hay không.

Phương pháp số chính là cách giải các phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng), phương trình động lượng hay còn gọi là phương trình Navier Stokes (bảo toàn động lượng), và phương trình năng lượng (bảo toàn năng lượng). Đây là những phương trình vi phân từng phần rất phức tạp, không thể giải trực tiếp, mà phải bằng phương pháp số. Phương pháp số chia miền tính toán thành nhiều miền nhỏ hơn để kiểm soát, rồi rời rạc hóa các phương trình trên. Hệ phương trình vi phân từng phần phi tuyến được chuyển thành hệ phương trình vi phân toàn phần tuyến tính và giải lặp để ra kết quả.

Ngoài ra việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt nào để thực hiện kiểm tra mô phỏng cũng là một vấn đề cần chú ý tới, xét thấy sự phổ biến của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống với cấu tạo đơn giản, hiệu quả trao đổi nhiệt cũng khá tốt được nhiều nơi trên thế giới sử dụng và cũng có nhiều nghiên cứu liên quan tới thiết bị này nên chúng em đã tiến hành thực hiện mô phỏng số trên thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.2 So sánh ưu nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm CFD là phương pháp mới có nhiều ưu điểm hơn so với thực nghiệm. Mô phỏng đưa ra kết quả nhanh, có độ chính xác tương đối và có thể thực hiện lại một cách dễ dàng thỏa sức sáng tạo của người dùng mà không cần phải lo về bị ràng buộc bởi vấn đề kinh phí hay nguy hiểm có thể xảy ra khi tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị thí nghiệm. * Đối với phương pháp mô phỏng CFD: Ưu diểm: - Tốc độ tính toán nhanh và đang được cải thiện đáng kể. - Rút ngắn thời gian khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xác định nguyên nhân vấn đề.

- Tiết kiệm chi phí do sử dụng ít thí nghiệm, thiết bị phân tích, đo lường cho công việc nghiên cứu và thiết kế. - Cải thiện và tăng tính an toàn. Nhược điểm: - Phương pháp mô phỏng đòi hỏi công cụ mô phỏng phải có giá trị cao, đắt tiền. Ví dụ như máy tính hay bản quyền của các phần mềm chuyên dụng.