Nghiên Cứu Đặc Tính Truyền Nhiệt Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Dạng Vỏ Bọc Ống Xoắn

Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số, mang lại hiệu quả tối ưu trong thiết kế.

• Tác giả: Thái Ngọc Đô Tỷ
• 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 Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Tính Truyền Nhiệt Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Dạng Vỏ Bọc Ống Xoắn
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài và lý do thực hiện mô phỏng số CFD
• 1.2. So sánh ưu điểm và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
• 1.3.1. Mục tiêu
• 1.3.2. Nhiệm vụ
• 1.4. Đối tượng và giới hạn đề tài
• 1.4.1. Đối tượng
• 1.4.2. Giới hạn đề tài
• 1.5. Giới thiệu tổng quan về TBTĐN
• 1.5.1. Khái niệm về TBTĐN
• 1.5.2. Hiện trạng của TBTĐN
• 1.5.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt
• 1.5.4. Phân loại TBTĐN
• 1.5.5. Ứng dụng và vai trò của TBTĐN trong đời sống
• 1.5.6. Các loại TBTĐN dạng ống
• 1.5.7. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn
• 1.5.8. Hiện trạng các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn
• 1.5.8.1. Các nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.5.8.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.5.9. Giới thiệu về bài báo liên quan
• 1.5.10. Công thức tính toán thực tế TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn
• 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD
• 2.1. Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD
• 2.1.1. Giới thiệu chung
• 2.1.2. Ứng dụng của CFD
• 2.2. Các phương trình điều khiển và phương pháp rời rạc hóa miền tính toán
• 2.2.1. Phương trình điều khiển
• 2.2.2. Các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán
• 2.3. Giới thiệu về phần mềm ANSYS
• 2.4. Các bước mô phỏng
• 2.4.1. Phương pháp chia lưới
• 2.4.1.1. Mục đích chia lưới
• 2.4.1.2. Lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc
• 2.4.2. Phương pháp giải
• 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Thiết lập mô hình cần mô phỏng (Geometry)
• 3.2. Thiết lập các thông số vật lý
• 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Kết quả hội tụ của lưới
• 4.2. Kết quả mô phỏng và đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong mô hình 1
• 4.3. Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi lưu lượng thể tích đi bên trong ống xoắn
• 4.4. Khảo sát ảnh hưởng của bước xoắn đến hiệu suất trao đổi nhiệt
• 4.5. Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO đến hiệu suất trao đổi nhiệt
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Đặc Tính Truyền Nhiệt

Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt. Thiết bị này có khả năng tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí trong các ứng dụng công nghiệp. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị này là cần thiết để phát triển các giải pháp cải tiến hiệu quả.

1.1. Khái niệm về Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị dùng để truyền nhiệt giữa hai hoặc nhiều chất lỏng. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn có cấu trúc đặc biệt giúp tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt nhờ vào sự xoắn của ống, tạo ra dòng chảy phức tạp.

1.2. Tính Cấp Thiết của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt trong các ngành công nghiệp như điện, hóa dầu và thực phẩm. Việc tối ưu hóa thiết bị này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc nghiên cứu và phát triển TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư, độ chính xác trong mô phỏng và khả năng ứng dụng thực tiễn cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi Phí Đầu Tư Cao

Việc đầu tư vào thiết bị và phần mềm mô phỏng CFD có thể tốn kém. Điều này gây khó khăn cho nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp nhỏ trong việc áp dụng công nghệ mới.

2.2. Độ Chính Xác Trong Mô Phỏng

Độ chính xác của các mô phỏng số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng lưới và phương pháp giải. Việc đảm bảo độ chính xác cao trong mô phỏng là một thách thức lớn.

III. Phương Pháp Mô Phỏng CFD Để Nghiên Cứu

Phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các thông số như nhiệt độ, áp suất và vận tốc trong thiết bị.

3.1. Giới Thiệu Về Phương Pháp CFD

CFD là phương pháp mô phỏng sử dụng các phương trình điều khiển để mô phỏng hành vi của chất lỏng. Phương pháp này giúp nghiên cứu các hiện tượng phức tạp trong thiết bị trao đổi nhiệt.

3.2. Các Bước Mô Phỏng Cụ Thể

Quá trình mô phỏng bao gồm các bước như thiết lập mô hình, chia lưới, và giải phương trình. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả chính xác.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tăng lưu lượng thể tích và sử dụng chất lỏng nano CuO có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất trao đổi nhiệt. Những phát hiện này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

4.1. Ảnh Hưởng Của Lưu Lượng Thể Tích

Khi tăng lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng, hiệu suất trao đổi nhiệt tăng lên rõ rệt. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa lưu lượng trong thiết kế TBTĐN.

4.2. Sử Dụng Chất Lỏng Nano

Việc sử dụng chất lỏng nano CuO đã chứng minh khả năng cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt đáng kể. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển TBTĐN.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác nhận rằng việc tối ưu hóa thiết kế TBTĐN có thể mang lại hiệu suất cao hơn. Những phát hiện này cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các loại chất lỏng mới và cải tiến thiết kế TBTĐN để đạt được hiệu suất tối ưu hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG VỎ BỌC ỐNG XOẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ GVHD: TS. TRẦN THANH TÌNH SVTH: THÁI NGỌC ĐÔ TỶ NGUYỄN MINH NHẬT SKL012 484 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG VỎ BỌC ỐNG XOẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ GVHD: TS.

TRẦN THANH TÌNH SVTH MSSV THÁI NGỌC ĐÔ TỶ 20147088 NGUYỄN MINH NHẬT 20147305 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024 LỜI CẢM ƠN Suốt 4 năm học vừa qua, kể từ những ngày đầu bước chân vào giảng đường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng em đã học hỏi và tiếp thu rất nhiều kiến thức, rèn luyện được nhiều kỹ năng, đặc biệt là các kiến thức chuyên ngành được truyền đạt từ các giảng viên của trường. Nhóm chúng em xin gửi đến Quý Thầy Cô trong Bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt - Điện Lạnh nói riêng và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung lời cảm ơn chân thành. Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS. Trần Thanh Tình - người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp này.

Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy chúng em rất tận tình cũng như bổ sung cho chúng em lượng kiến thức chuyên ngành mà chúng em còn yếu. Vì kiến thức của nhóm chúng em còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp sẽ không tránh khỏi những sai sót nhất định, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Quý Thầy Cô trong Bộ môn. Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn và xin kính chúc Quý Thầy Cô có nhiều sức khỏe và đạt được nhiều thành công hơn nữa. Kính chúc Bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt - Điện Lạnh của Khoa Cơ Khí Động Lực - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh sẽ luôn mãi là niềm tin, nền tảng vững chắc cho nhiều thế hệ sinh viên trên con đường chinh phục tri thức của ngành Công Nghệ Kỹ thuật Nhiệt.

Chúng em xin chân thành cảm ơn ! I TÓM TẮT Đề tài được thực hiện trong đồ án tốt nghiệp này là “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số”. Nội dung của đồ án bao gồm 6 chương: Tổng quan, Cơ sở lý thuyết, Phương pháp mô phỏng CFD, Xây dựng mô hình và mô phỏng, Kết quả mô phỏng, Kết luận và kiến nghị. Bài nghiên cứu này thực hiện khảo sát về khả năng trao đổi nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn với kích thước hình học và thông số đầu vào theo một bài báo khoa học nước ngoài; thiết bị sử dụng nước làm lưu chất đi trong cả hai phía vỏ và ống xoắn; dạng lưu động là lưu động phức tạp. Quá trình mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.

Dòng lưu chất lạnh đi bên trong vỏ có nhiệt độ đầu vào không đổi là 20℃ với vận tốc không đổi là 0,008 m/s; dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn có nhiệt độ đầu vào không đổi là 50℃ với lưu lượng thể tích ban đầu là 1 lít/phút. Ban đầu, nhóm chúng em sẽ khảo sát về khả năng trao đổi nhiệt của mô hình 1. Sau đó, nhóm tiến hành khảo sát ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn từ 1 lít/phút lên 2 lít/phút, 3 lít/phút, 4 lít/phút. Tiếp theo, nhóm sẽ tăng bước xoắn của thiết bị ứng với 4 trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng.

Cuối cùng, nhóm sẽ thay lưu chất nước đi bên trong ống xoắn bằng một hỗn hợp bao gồm nước và nano kim loại CuO cho mô hình 1; thành phần nano kim loại CuO chiếm tỷ lệ 2% thể tích của hỗn hợp này. Trong quá trình khảo sát về khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị, lưu chất đi bên trong vỏ vẫn được giữ cố định là nước trong tất cả các trường hợp. Các kết quả mô phỏng và tính toán trên cơ sở lý thuyết dùng để đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị thông qua hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn. Kết quả của việc mô phỏng số TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn cho thấy được độ tin cậy và chính xác khá cao.

Kết quả chỉ ra rằng, khi tăng lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn và tăng bước xoắn của thiết bị thì hiệu suất trao đổi nhiệt tăng lên. Đồng thời, việc sử dụng chất lỏng nano CuO đi bên trong ống xoắn thay vì nước đã làm hiệu suất trao đổi nhiệt tăng đáng kể đối với mô hình 1. Với những kết quả mô phỏng đạt được, từ đây chúng ta có thể lựa chọn được phương pháp thích hợp trong việc tối ưu hóa hiệu suất của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn. II MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

II DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU. V DANH MỤC HÌNH ẢNH. VII DANH MỤC BẢNG. Giới thiệu về đề tài.

Tính cấp thiết của đề tài và lý do thực hiện mô phỏng số CFD. So sánh ưu điểm và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài. Đối tượng và giới hạn đề tài.

Giới hạn đề tài. Giới thiệu tổng quan về TBTĐN. Khái niệm về TBTĐN. Hiện trạng của TBTĐN.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt. Phân loại TBTĐN. Ứng dụng và vai trò của TBTĐN trong đời sống. Các loại TBTĐN dạng ống.

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn. Hiện trạng các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn. Các nghiên cứu ở Việt Nam. Các nghiên cứu ở nước ngoài.

Giới thiệu về bài báo liên quan. Công thức tính toán thực tế TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD. Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD.

Giới thiệu chung. Ứng dụng của CFD. Các phương trình điều khiển và phương pháp rời rạc hóa miền tính toán. Phương trình điều khiển.

Các phương pháp rời rạc hóa miền tính toán. Giới thiệu về phần mềm ANSYS. Các bước mô phỏng. Phương pháp chia lưới.

Mục đích chia lưới. Lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc. Phương pháp giải. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG.

Thiết lập mô hình cần mô phỏng (Geometry). Thiết lập các thông số vật lý. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Kết quả hội tụ của lưới.

Kết quả mô phỏng và đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong mô hình 1. Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi lưu lượng thể tích đi bên trong ống xoắn. Khảo sát ảnh hưởng của bước xoắn đến hiệu suất trao đổi nhiệt. Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO đến hiệu suất trao đổi nhiệt.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 80 IV DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU CFD (Computational Fluid Dynamics): Mô phỏng động lực học chất lưu FDM (Finite Difference Method): Phương pháp sai phân hữu hạn FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn FVM (Finite Volume Method): Phương pháp thể tích hữu hạn TBTĐN: Thiết bị trao đổi nhiệt cp1 : Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất nóng, J/(kg. ℃) cp2 : Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất lạnh, J/(kg.

℃) d1 : Đường kính trong của ống xoắn, m d2 : Đường kính ngoài của ống xoắn, m Dsh : Đường kính trong của vỏ, m F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 G1 : Lưu lượng khối lượng của lưu chất nóng, kg/s G2 : Lưu lượng khối lượng của lưu chất lạnh, kg/s k: Hệ số truyền nhiệt, W/(m2. ℃) Lsh : Chiều dài của vỏ, m l: Chiều dài của ống xoắn, m Pc : Bước xoắn, m ∆p: Tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt, 𝑁/𝑚2 Q: Nhiệt lượng trao đổi ở thiết bị, W rtd : Bán kính tương đương, m t1′ : Nhiệt độ đầu vào của lưu chất nóng, ℃ t1′′ : Nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng, ℃ t ′2 : Nhiệt độ đầu vào của lưu chất lạnh, ℃ t ′′2 : Nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh, ℃ t1 : Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng, ℃ t 2 : Nhiệt độ trung bình của lưu chất lạnh, ℃ t w1 : Nhiệt độ vách phía trong ống xoắn, ℃ t w2 : Nhiệt độ vách phía ngoài ống xoắn, ℃ ̅ : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh, ℃ ∆t V V: Lưu lượng thể tích của dòng lưu chất nóng, lít/phút ω1 : Vận tốc của dòng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn, m/s ω2 : Vận tốc của dòng lưu chất lạnh đi bên ngoài, m/s ρ1 : Khối lượng riêng của lưu chất nóng, kg/m3 ρ2 : Khối lượng riêng của lưu chất lạnh, kg/m3 α1 : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dòng lưu chất nóng, W/(m2. ℃) λ1 : Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất nóng, W/(m. ℃) μ: Độ nhớt động lực học của lưu chất, (N.

s)/m2 ν: Độ nhớt động học của lưu chất, m2 /s εL : Hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng εR : Hệ số hiệu chỉnh độ cong ξ: Hệ số ma sát Nu: Tiêu chuẩn Nusselt Pr: Tiêu chuẩn Prandtl Re: Tiêu chuẩn Reynolds VI DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Thiết bị trao đổi nhiệt. TBTĐN kiểu hồi nhiệt. TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống.

TBTĐN dạng xoắn ốc. TBTĐN dạng lưu động ngược chiều. TBTĐN có dạng lưu động phức tạp. Các module ống lồng ống thẳng đơn.

TBTĐN dạng ống lồng ống xoắn tròn. TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse xoắn. TBTĐN dạng ống lồng ống hình vuông, hình chữ nhật xoắn. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn.

Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động ngược chiều. Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động thuận chiều. Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc mà nhóm tác giả Hồ Tấn Thành, Nguyễn Hoàng Thuận mô phỏng tính toán thiết kế .