CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài Trong những thập kỷ qua, bộ trao đổi nhiệt là hệ thống kỹ thuật tất yếu đối với nhiều ngành công nghiệp [1] cùng với sự xuất hiện khủng hoảng năng lượng trên toàn cầu đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu nổ lực không ngừng nhằm phát triển những công nghệ và kỹ thuật mới để cải thiện quá trình truyền nhiệt. Với nhu cầu tiết kiệm năng lượng và vật liệu cũng như thách thức về môi trường trong ngành đã kích thích phát triển bộ trao đổi nhiệt hiệu suất cao. Do đó, những thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đã được đưa vào nghiên cứu để đưa ra những giải pháp phù hợp với doanh nghiệp. Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là thiết bị được lựa chọn nhiều nhất trong nghiên cứu.
Vì nó có nhiều ưu điểm phù hợp: hiệu suất trao đổi nhiệt cao, chịu được áp suất cao, dễ dàng thay đổi thiết kế cho phù hợp, v. Qua tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống trong nhiều nghiên cứu từ thực nghiệm cũng như mô phỏng [2] nhóm em nhận thấy thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống với cấu trúc lá xoắn liên tục tạo ra diện tích tiếp xúc lớn giữa ống dẫn và ống được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt. Điều này cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn qua các ống với thiết kế nhỏ gọn, đồng thời tối ưu hóa năng lượng trong quá trình trao đổi nhiệt. Vì vậy, nhóm em quyết định khảo sát về thiết bị bằng cách thực hiện “Mô phỏng số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục”.2 Mục đích và nhiệm vụ 1.1 Mục đích Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục với nhiều thông số làm việc khác nhau, sau đó so sánh và đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể, tổn thất áp suất để chọn mô hình và thông số tối ưu.
Tiếp tục đưa mô hình mới có hai lá xoắn chạy cùng điều kiện tối ưu để tiếp tục khảo sát. Cuối cùng đưa ra kết luận và kiến nghị cho đề tài.2 Nhiệm vụ * Nhiệm vụ của đề tài bao gồm: - Thiết lập mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có thành trơn, dạng ống lồng ống có một lá xoắn liên tục, dạng ống lồng ống có hai lá xoắn liên tục và tính toán cơ sở lý 1 thuyết của chúng. - Thực hiện mô phỏng và đọc hiểu kết quả sau khi mô phỏng. - Đánh giá, so sánh kết quả và đưa ra kết luận.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục.
Lưu chất là nước có nhiệt độ cao trong khoảng 36℃ ≤ tn ≤ 40℃ đi trong ống và lưu chất nước có nhiệt độ thấp trong khoảng 8℃ ≤ tl ≤ 17℃ đi ngoài ống trong phần vành khuyên giữa hai ống.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đánh giá tài liệu: Dựa vào các bài báo khoa học, các nghiên cứu từ trước để phản biện và cung cấp cơ sở lý luận cho bài nghiên cứu của nhóm. Phương pháp tính toán: Tính toán lý thuyết dựa vào các thông số, dữ liệu đã có. Phương pháp thực nghiệm: Dựa vào số liệu thu được thông qua các lần mô phỏng mô hình sau đó phân tích và đánh giá. Phương pháp phân tích dữ liệu: Phân tích, tính toán hiệu quả trao đổi nhiệt tổng thể, hệ số truyền nhiệt đối lưu, tổn thất áp suất của hệ thống.5 Giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được chế tạo để thực hiện trao đổi nhiệt giữa chất cần gia nhiệt với chất mang nhiệt được ngăn cách bởi vách hoặc ống để không bị pha trộn.
Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng và hiện đang ứng dụng rất rộng rãi ở nhiều ngành: công nghiệp điện, thực phẩm, điều hòa không khí,… Thúc đẩy mạnh cho sản xuất công nghiệp và đời sống con người. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt thông dụng [1] dựa trên cấu trúc ta chia làm dạng như sau: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, thiết bị trao đổi dạng tấm, thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp.1 Thiết bị trao đổi dạng ống * Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đáp ứng được ở nhiều áp suất, nhiệt độ và lưu chất khác nhau. Trong thiết bị này, lưu chất chạy trong ống chùm trao đổi nhiệt gián tiếp cùng chiều hoặc ngược chiều với môi chất ở ngoài ống.1 Thiếu bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm * Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Thiết bị này với cấu tạo là một ống nhỏ đặt đồng tâm với ống lớn. Với thiết kế ống đôi này đã giúp cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hai dòng chất lỏng được tối ưu nhưng chỉ thường dùng với lưu lượng thấp.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống * Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh Loại này bao gồm các ống trao đổi nhiệt và các cánh tản nhiệt được gắn lên ống nhờ gá, hàn.
Thiết bị có ứng dụng rất trong: HVAC, kho lạnh, v.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm * Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm thép giăng Loại này gồm một dãy tấm trao đổi nhiệt ghép kín bằng giăng cao su hỗn hợp tạo thành nhiều khe rãnh cho hai lưu chất nóng lạnh chạy xen kẽ trong đó và trao đổi nhiệt với nhau.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm * Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín Các tấm trao đổi nhiệt được xếp thành chồng và ở giữa hai tấm kim loại đã được hàn kín. Việc tạo ra không gian kín đã giảm thiểu tổn thất nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín * Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc Loại này bao gồm hai tấm trao đổi nhiệt được uốn định hình dạng xoắn ốc. Dạng xoắn ốc tạo ra hai lối ra vào đơn nên hạn chế việc bám cặn tăng hiệu quả truyền nhiệt.6 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc 1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp Thiết bị này thường dùng để giải nhiệt cho các quá trình sản xuất. Nước sau khi giải nhiệt ở thiết bị được tuần hoàn trong các hệ thống nhiệt để trao đổi nhiệt.
Các thiết bị này thường có kết cấu đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả cao, nhiều mức độ điều chỉnh nên được dùng phổ biến như tháp giải nhiệt, bộ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt,… 5 Hình 1.7 Tháp giải nhiệt 1.6 Giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lá xoắn liên tục Thiết bị này gồm hai cặp ống đồng tâm và một lá xoắn liên tục được gắn ở khu vực vành khuyên giữa hai ống. Với việc gắn thêm lá xoắn giúp cho chiều dài trao đổi nhiệt tăng, tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt giữa hai môi chất.8 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có lá xoắn liên tục Có nhiều ưu điểm nổi bật: Hiệu suất truyền nhiệt tốt: cấu trúc ống kép xoắn tạo ra một diện tích tiếp xúc lớn giữ hai dòng chất lỏng. Điều này cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn, đồng thời tăng cường hiệu suất truyền nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt. Thiết kế gọn: thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có lá xoắn liên tục có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian so với các thiết bị trao đổi nhiệt khác.
Điều này làm cho chúng trở nên phù hợp với các ứng dụng có không gian hạn chế hoặc yêu cầu mức độ truyền nhiệt cao trong một diện tích nhỏ. Giảm bám bẩn: các vách ngăn xoắn ốc làm gián đoạn dòng chảy và tạo ra sự nhiễu loạn, giúp giảm bám bẩn trên các bề mặt truyền nhiệt. Điều này đặc biệt có lợi trong các 6 ứng dụng liên quan đến chất lỏng có xu hướng bám bẩn cao, vì nó giảm thiểu nhu cầu vệ sinh cũng như bảo trì thường xuyên. Tính linh hoạt cao: thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có thể xử lý nhiều loại chất lỏng, bao gồm cả chất lỏng ăn mòn, nhớt và nhiệt độ cao.
Chúng có thể tùy chỉnh và thiết kế để đáp ứng các yêu cầu quy trình cụ thể, làm sao cho chúng phù hợp với các ứng dụng công nghiệp khác nhau.7 Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình truyền nhiệt * Một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất truyền nhiệt: - Tốc độ dòng chảy và lưu lượng chất lỏng: khi có tốc độ dòng chảy nhanh hoặc lưu lượng quá chênh lệch giữa hai dòng lưu chất sẽ không đảm bảo được hiệu suất trao đổi nhiệt được tối ưu. - Tính chất của vật liệu: tính chất của vật liệu thiết kế lên bề mặt trao đổi nhiệt sẽ ảnh hưởng đến bề mặt trao đổi nhiệt cũng như độ bền và sự hao mòn của bề mặt đó. - Sự chênh lệch nhiệt độ: độ chênh lệch nhiệt độ của lưu chất có nhiệt độ thấp đối với lưu chất có nhiệt độ cao là rất quan trọng khi ta thiết kế thiết bị thực tế. Vì với nhiệt độ của chất làm mát càng thấp thì sẽ giúp giảm nhiệt độ của lưu chất nóng tốt hơn.
- Cáu cặn: việc xuất hiện bẩn đóng cặn trong thiết bị trao đổi nhiệt là điều không tránh khỏi. Chúng làm cho bề mặt trao đổi nhiệt bị hẹp đi đồng thời cản trở dòng lưu chất đi trong thiết bị nên rất ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt và kết cấu của thiết bị nếu không được xử lí. - Diện tích trao đổi nhiệt: lượng nhiệt trao đổi chủ yếu thông qua bề mặt tiếp xúc, do đó diện tích tiếp xúc tăng thì hiệu suất truyền nhiệt tăng nhưng sẽ khó khăn nếu diện tích truyền nhiệt lớn làm khó việc lắp đặt và sản xuất. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là thiết bị trao đổi nhiệt được tạo thành từ hai ống đồng tâm.
Thiết bị truyền hoặc trao đổi nhiệt giữa hai chất lỏng mà không trộn lẫn vào nhau và bao gồm nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào thiết kế, ứng dụng, không gian yêu cầu và dòng chất lỏng trong hệ thống. Tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt đều có một vách ngăn cách chất lỏng và cho phép truyền nhiệt đồng thời. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là một trong những loại thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản với cấu hình rất linh hoạt.