CHƯƠNG I. Lý do chọn đề tài Bộ trao đổi nhiệt là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điều hòa không khí nói riêng và các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung. Tối ưu hóa khả năng trao đổi nhiệt có thể giúp tăng cường hiệu quả hoạt động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Bằng cách nghiên cứu, mô phỏng CFD và tối ưu hóa các tham số, chúng ta có thể tìm ra cách tối ưu hóa thông số hoạt động cũng như cấu hình của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh, từ đó phát triển và mang lại những kết quả kỹ thuật tốt nhất.
Nghiên cứu về bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh dựa trên các số liệu, điều kiện tại môi trường biển có thể cung cấp giải pháp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trong những ứng dụng này. Do đó đề tài "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và cấu hình đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh bằng phương pháp mô phỏng số" tập trung vào việc nghiên cứu các tham số CFD để tìm ra cách tối ưu các thông số hoạt động cũng như cấu hình cho bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh, áp dụng trong điều kiện môi trường biển. Mặt khác, nhận thấy đề tài nghiên cứu này vẫn chưa được phát triển nghiên cứu rộng rãi, trong khi đó thiết bị trao đổi nhiệt trên tàu trong môi trường biển có tầm quan trọng đến nền kinh tế thế giới nói chung và một nước có đường bờ biển dài như Việt Nam chúng ta nói riêng, ngoài ra đề tài có một số điểm nổi bật so với các đề tài nghiên cứu có liên quan đến bộ trao đổi nhiệt khác, cụ thể là: Thứ nhất, điểm đặc biệt của đề tài này là môi trường biển. Môi trường biển có những yếu tố đặc thù như độ mặn, áp suất, nhiệt độ và chất lượng nước khác biệt so với môi trường đất liền.
Việc nghiên cứu thông số hoạt động tối ưu cũng như cấu hình phù hợp của thiết bị trong môi trường biển đòi hỏi hiểu rõ các yếu tố này và tìm hiểu cách tối ưu hóa hiệu quả trao đổi nhiệt trong môi trường đó. Thứ hai, ứng dụng trong ngành công nghiệp biển. Môi trường biển đặc biệt và yêu cầu đặc thù khi xây dựng các hệ thống làm mát và làm nóng trên tàu thủy, giàn khoan, hệ thống làm mát nước biển. Thứ ba, tiềm năng ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc cải thiện thiết kế và hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh trong môi trường biển. Kết quả nghiên cứu có thể hướng dẫn cho việc lựa chọn và thiết 1 kế bộ trao đổi nhiệt hiệu quả trong các ngành công nghiệp biển và mang lại lợi ích thực tế cho các doanh nghiệp và tổ chức liên quan. Đề tài tập trung vào bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh. Cấu trúc này có mục đích tối ưu hóa miền không khí giải nhiệt giữa hai tấm cánh nhằm tăng khả năng trao đổi nhiệt.
Sự thay đổi này trong môi trường biển có thể đòi hỏi các phương pháp và tham số CFD đặc biệt để đạt được kết quả tối ưu. Cuối cùng, đánh giá hiệu suất và tính toán phương pháp tối ưu. Từ kết quả phân tích CFD, có thể đánh giá khả năng trao đổi nhiệt và đưa ra những phương pháp tối ưu từ thông số hoạt động đến hướng cải tiến hiệu quả trong bộ trao đổi nhiệt. Việc này giúp đưa ra cách nhìn khoa học và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống từ đó phát triển thành một mô hình hệ thống hoàn chỉnh đạt hiệu quả tốt nhất.
Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 2 Hình 1. Một số loại thiết bị trao đổi nhiệt [20],[26],[27] Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa một hay nhiều chất tải nhiệt. Những chất tải nhiệt có thể được ngăn bởi các tấm để ngăn sự pha trộn hoặc tiếp xúc trực tiếp giữa các chất tải nhiệt. Những thiết bị này thường được sử dụng trong thiết bị sưởi ấm, tủ lạnh, điều hòa, nhà máy năng lượng, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu, nhà máy lọc dầu, khu chế tạo khí thiên nhiên và xử lý chất thải.
Một ví dụ điển hình của thiết bị trao đổi nhiệt có thể thấy trong động cơ đốt trong có một chu kỳ chất lỏng được biết như hệ thống làm mát chảy dọc ống tản nhiệt và không khí sẽ được thổi vào làm mát nước. Ngày nay, thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và giữ một một vai trò quan trọng. Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ chuyển đổi nhiệt độ và năng lượng giữa các chất lỏng hoặc khí: hệ thống thu hồi nhiệt thải áp suất – nhiệt độ, hệ thống ngưng tụ ethanol. Trong lĩnh vực HVAC, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để cải thiện hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng không khí trong không gian sống và làm việc.
Trong ngành công nghiệp giấy, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để xử lý nhiệt thải từ quá trình sản xuất giấy bằng cách tách các chất ô nhiễm và tái sử dụng lại nhiệt độ để giảm chi phí điện năng. Trong ngành công nghiệp điện, thiết bị trao đổi nhiệt giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng làm mát dầu tuốc bin sử dụng nước hồ, nước suối. Đặc biệt trong công nghiệp tàu thủy, thiết bị trao đổi nhiệt có vai trò quan trọng trong việc điều hòa và kiểm soát áp suất trong các hệ thống máy móc. Cụ thể, bộ trao đổi nhiệt làm nóng nước sử dụng hơi, hơi ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm nước biển, làm mát dầu từ đó làm tăng hiệu suất và 3 độ tin cậy của hệ thống máy móc, giảm thiểu sự cố và giúp tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí vận hành.
Về cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng phụ thuộc vào công nghệ trong sản xuất. Tuy nhiên về nguyên lý làm việc các thiết bị trao đổi nhiệt có thể chia thành ba kiểu chính: thiết bị trao đổi nhiệt dạng kiểu hồi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp và thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn cách. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt có nguyên lý làm việc là trên cùng một bề mặt vật, bề mặt rắn nhận và tích trữ nhiệt lúc chất lỏng nóng chuyển động qua bề mặt rắn và khi tiếp xúc với chất lỏng lạnh vật sẽ nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh. Loại thiết bị trao đổi nhiệt nay thường được sử dụng trong ngành luyện kim (tháp sấy gió), trong bộ sấy không khí trong nhà máy nhiệt điện (nhà máy đốt dầu hoặc dùng khí đốt).[11] Ưu điểm Về ưu điểm, loại thiết bị này ít tốn kém vật tư, có kết cấu không quá phức tạp, giá thành lại thấp hơn loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt có cùng công suất.
Nhược điểm Nhược điểm của thiết bị này là mức độ vệ sinh của chất lỏng bẩn và chất lỏng sạch trong quá trình vận hành tiếp xúc với cùng bề mặt vật rắn không cao. Hơn nữa yêu cầu khi làm việc của loại thiết bị này là áp suất của chất lỏng nóng và lạnh phải gần tương đương nhau, không được có chênh lệch quá lớn dẫn đến khó thực hiện phản ứng ở điều kiện áp suất cao. Và sự hấp thụ, nhả nhiệt của bề mặt vật rắn có tính chu kì, do đó quá trình trao đổi nhiệt xảy ra là không ổn định, hoạt động theo chu kỳ. Chính vì vậy mức độ ứng dụng của thiết bị này cũng bị hạn chế.
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt HRV dùng trong hệ thống HVAC [21] 1. Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp Loại thiết bị thứ hai đó là thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp. Về nguyên lý làm việc của loại thiết bị này là hai loại chất lỏng nóng và lạnh thông qua quá trình tiếp xúc trực tiếp và hòa trộn với nhau để thực hiện quá trình truyền nhiệt.[11] Ưu điểm Về mặt ưu điểm, loại thiết bị này có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất rất cao, có quán tính nhiệt nhỏ vì quá trình truyền nhiệt xảy ra gần như tức thời. Nhược điểm Nhược điểm của thiết bị này là có những hạn chế nhất định, khi làm việc hai chất lỏng phải hòa trộn lẫn nhau, quá trình truyền nhiệt trong thiết bị luôn xảy ra đồng thời với quá trình truyền chất, do đó dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng.
Ứng dụng Về mặt ứng dụng, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp được ứng dụng nhiều trong thực tế: làm bộ phận phun ẩm, bộ phận hòa trộn các dòng khí, tháp giải nhiệt.; trong hệ thống điều hòa không khí; trong lò hơi có công suất lớn ở nhà máy nhiệt điện dùng để kịp thời hạ nhiệt của hơi quá nhiệt; trong thiết bị sấy lúa có buồng hòa trộn giữa các sản phẩm cháy và gió bên ngoài để tạo dòng tác nhân sấy thích hợp. Quá trình trao đổi nhiệt trong tháp nước giải nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp [22] 1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn cách Loại thiết bị thứ ba đó là thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn cách. Trong thiết bị trao đổi nhiệt này, nguyên lý làm việc là sự truyền nhiệt giữa môi chất thông qua bề mặt vách kim loại ngăn cách.
Quá trình truyền nhiệt được diễn ra trong thiết bị như sau: chất lỏng nóng truyền nhiệt cho bề mặt vách nóng qua phương thức trao đổi nhiệt đối lưu (có lúc có cả bức xạ) sau đó nhiệt được truyền bằng dẫn nhiệt từ vách nóng đến vách lạnh, bề mặt vách lạnh sẽ truyền nhiệt lại cho chất lỏng lạnh với phương thức trao đổi nhiệt đối lưu, có cả bức xạ.[11] Ưu điểm Ưu điểm lớn của loại thiết bị này là đảm bảo được độ tinh khiết của từng loại chất lỏng bởi vì hai loại chất lỏng và lạnh không bị hòa trộn trong quá trình làm việc. Ưu điểm tiếp theo đó là cho phép sự chênh lệch áp suất giữa hai loại chất lỏng. Nhược điểm Mặc dù ưu điểm là vậy nhưng loại thiết bị này cũng không tránh khỏi những hạn chế nhất định: tốn kém nhiều vật tư, cũng như phương pháp gia công chế tạo phức tạp hơn vì có cấu tạo không đơn giản như hai loại thiết bị trao đổi nhiệt kể trên, quán tính nhiệt lớn.