Tối Ưu Thu Hồi Nhiệt Thải Để Cung Cấp Nước Nóng Bằng Phần Mềm HYSYS

• Tác giả: Nguyễn Trần Kiên Giang
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thị Minh Thư
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Tối Ưu Thu Hồi Nhiệt Thải Để Cung Cấp Nước Nóng Bằng Phần Mềm HYSYS
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nhiệt thải trên thế giới
• 1.2. Tình hình nhiệt thải ở nước ta
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt là gì?
• 2.2. Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt
• 2.3. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
• 2.3.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn
• 2.3.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống
• 2.3.3. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh
• 2.3.4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm xoắn ốc
• 2.3.5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
• 2.3.6. Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt
• 2.3.7. Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp
• 2.4. Phương pháp tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống
• 2.4.1. Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình loga (LMTD method)
• 2.4.2. Phương pháp hiệu suất- số đơn vị chuyển nhiệt (the effectiveness –NTU method)
• 2.5. Lý thuyết hồi quy
• 2.5.1. Phương pháp hồi quy tuyến tính là gì?
• 2.5.2. Hồi quy tuyến tính đơn giản
• 2.5.3. Hồi quy tuyến tính đa biến
• 2.5.4. Hệ số R2 (R –Square) là gì?
• 2.5.5. Vai trò của hồi quy tuyến tính
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ BẰNG HYSYS
• 3.1. Tầm quan trọng của các phần mềm mô phỏng
• 3.2. Giới thiệu về phần mềm Hysys
• 3.3. Tiêu chuẩn TEMA trong thiết bị trao đổi nhiệt
• 3.3.1. Tiêu chuẩn TEMA là gì?
• 3.4. Mô hình hóa thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Các trường hợp mô phỏng
• 4.1.1. Kết quả lưu lượng khói 5000 kg/h
• 4.1.2. Kết quả lưu lượng khói 7000 kg/h
• 4.1.3. Kết quả lưu lượng khói 9000 kg/h
• 4.1.4. Kết quả lưu lượng khói 11000 kg/h
• 4.1.5. Kết quả lưu lượng khói 13000 kg/h
• 4.3. Thông số mô hình
• 4.4. Kết quả phương trình hồi quy
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục A: Hướng dẫn hồi quy trong Excel

I. Tổng Quan Về Tối Ưu Thu Hồi Nhiệt Thải Bằng HYSYS

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên cấp bách, thu hồi nhiệt thải nổi lên như một giải pháp quan trọng để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và năng lượng. Các nhà máy lớn thải ra một lượng lớn nhiệt sau các quy trình sản xuất, góp phần vào hiện tượng trái đất nóng lên. Ước tính 20% đến 50% năng lượng đầu vào công nghiệp thất thoát dưới dạng nhiệt thải, bao gồm khí thải nóng, nước làm mát và bề mặt thiết bị nóng. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp thu hồi nhiệt thải là rất cần thiết để giảm thiểu tác động của nhiệt thải đến môi trường, tăng cường hiệu suất sản xuất và giảm thiểu lãng phí năng lượng. Phần mềm HYSYS đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng và tối ưu hóa các hệ thống thu hồi nhiệt, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu tìm ra các giải pháp hiệu quả nhất.

1.1. Tầm quan trọng của thu hồi nhiệt thải trong công nghiệp

Việc thu hồi nhiệt thải mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp. Nó giúp giảm chi phí vận hành bằng cách tái sử dụng năng lượng, tăng hiệu quả sản xuất bằng cách giảm nhu cầu về nhiên liệu, và giảm tác động đến môi trường bằng cách giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Theo tài liệu, thu hồi nhiệt thải có thể giúp giảm chi phí vận hành, tăng hiệu quả sản xuất, giảm tác động đến môi trường và cải thiện chất lượng không khí. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt và các doanh nghiệp phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng để giảm lượng khí thải carbon. Hệ thống khí nén, hệ thống thông gió, máy nén hệ thống lạnh, khí thải, hệ thống hơi nước, khí thải, các trung tâm dữ liệu… đều có tiềm năng thu hồi nhiệt lớn.

1.2. Giới thiệu phần mềm HYSYS trong mô phỏng nhiệt động

Phần mềm HYSYS là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình nhiệt động. HYSYS cho phép các kỹ sư xây dựng mô hình các hệ thống thu hồi nhiệt, thử nghiệm các cấu hình khác nhau và dự đoán hiệu suất của chúng. Phần mềm này cung cấp một loạt các mô hình nhiệt động và các tính năng mô phỏng khác, cho phép người dùng mô phỏng các quá trình phức tạp như trao đổi nhiệt, phân tách pha và phản ứng hóa học. Việc sử dụng HYSYS giúp giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế và cho phép các kỹ sư nhanh chóng đánh giá các giải pháp thu hồi nhiệt khác nhau.

II. Bài Toán Thu Hồi Nhiệt Thải Thách Thức và Giải Pháp Chính

Bài toán thu hồi nhiệt thải đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Một trong những thách thức lớn nhất là tìm ra các công nghệ và quy trình thu hồi nhiệt hiệu quả về mặt chi phí. Chi phí đầu tư ban đầu cho các hệ thống thu hồi nhiệt có thể cao, và việc đảm bảo lợi tức đầu tư hợp lý là rất quan trọng. Ngoài ra, việc tích hợp các hệ thống thu hồi nhiệt vào các quy trình công nghiệp hiện có có thể phức tạp và đòi hỏi sự điều chỉnh quy trình và thiết bị. Tuy nhiên, với các giải pháp kỹ thuật và kinh tế phù hợp, thu hồi nhiệt thải có thể mang lại lợi ích đáng kể cho các doanh nghiệp và môi trường.

2.1. Các thách thức kỹ thuật và kinh tế trong thu hồi nhiệt

Việc lựa chọn công nghệ phù hợp để thu hồi nhiệt thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ và lưu lượng của dòng thải, yêu cầu năng lượng của quy trình đích và các hạn chế về không gian và chi phí. Các công nghệ phổ biến bao gồm bộ trao đổi nhiệt, bơm nhiệt và tua bin ORC (Organic Rankine Cycle). Mỗi công nghệ có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn công nghệ phù hợp đòi hỏi sự đánh giá cẩn thận về các yếu tố liên quan. Theo tài liệu gốc, việc thu hồi nhiệt thải vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, khó khăn trong việc tích hợp hệ thống vào các quy trình hiện có.

2.2. Các giải pháp chính để tối ưu thu hồi nhiệt thải

Các giải pháp chính để tối ưu thu hồi nhiệt thải bao gồm cải thiện hiệu suất của các thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng các vật liệu tiên tiến có khả năng truyền nhiệt cao hơn, và tối ưu hóa thiết kế hệ thống để giảm thiểu tổn thất nhiệt. Ngoài ra, việc sử dụng các kỹ thuật mô phỏng và tối ưu hóa, như phần mềm HYSYS, có thể giúp các kỹ sư tìm ra các cấu hình hệ thống tốt nhất và điều chỉnh các thông số vận hành để đạt được hiệu suất tối đa. Tối ưu hóa lưu lượng nước cũng là một yếu tố quan trọng trong việc thu hồi nhiệt hiệu quả.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Thu Hồi Nhiệt HYSYS Hướng Dẫn Chi Tiết

Mô phỏng thu hồi nhiệt thải bằng HYSYS là một quá trình từng bước bao gồm xây dựng mô hình quá trình, xác định các thông số đầu vào, chạy mô phỏng và phân tích kết quả. Bước đầu tiên là xây dựng mô hình quá trình trong HYSYS, bao gồm các thiết bị như bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và van. Sau đó, cần xác định các thông số đầu vào, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng của các dòng quá trình. Sau khi mô hình được thiết lập và các thông số đầu vào được xác định, có thể chạy mô phỏng và phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất của hệ thống thu hồi nhiệt.

3.1. Các bước cơ bản xây dựng mô hình thu hồi nhiệt trong HYSYS

Để xây dựng mô hình thu hồi nhiệt trong HYSYS, cần chọn các mô hình nhiệt động phù hợp để mô tả chính xác các tính chất của các dòng quá trình. Các mô hình nhiệt động phổ biến bao gồm Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong và NRTL. Việc lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp phụ thuộc vào các chất có trong dòng quá trình và điều kiện vận hành. Ngoài ra, cần xác định các thông số thiết kế của các thiết bị, chẳng hạn như diện tích trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt và hiệu suất của máy bơm.

3.2. Thiết lập thông số đầu vào và phân tích kết quả mô phỏng

Sau khi mô hình được thiết lập, cần thiết lập các thông số đầu vào, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng của các dòng quá trình. Các thông số này có thể được nhập trực tiếp vào HYSYS hoặc được đọc từ một tệp bên ngoài. Sau khi các thông số đầu vào được thiết lập, có thể chạy mô phỏng và phân tích kết quả. HYSYS cung cấp một loạt các công cụ để phân tích kết quả mô phỏng, bao gồm bảng tính, biểu đồ và báo cáo. Các công cụ này có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống thu hồi nhiệt, xác định các khu vực cải thiện và tối ưu hóa các thông số vận hành.

3.3. Tiêu Chuẩn TEMA trong Thiết Kế Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

Tiêu chuẩn TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm. Tiêu chuẩn này cung cấp các hướng dẫn chi tiết về các khía cạnh khác nhau của thiết kế, bao gồm lựa chọn vật liệu, kích thước ống, bố trí ống, và các yêu cầu về cấu trúc. Việc tuân thủ tiêu chuẩn TEMA đảm bảo rằng thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế và chế tạo an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy. Trong bối cảnh thu hồi nhiệt thải, việc áp dụng tiêu chuẩn TEMA giúp đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng trong các hệ thống này. Tham khảo hình 1.1 để hình dung rõ hơn về các tiêu chuẩn này.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Tối Ưu Lưu Lượng Nước Nóng Bằng HYSYS

Ứng dụng thực tế của mô phỏng HYSYS trong thu hồi nhiệt thải là tối ưu hóa lưu lượng nước nóng được sản xuất từ nguồn nhiệt thải. Bằng cách mô phỏng hệ thống thu hồi nhiệt với các lưu lượng nước khác nhau, có thể xác định lưu lượng tối ưu mang lại hiệu suất thu hồi nhiệt cao nhất và đáp ứng nhu cầu sử dụng nước nóng. Quá trình này bao gồm việc đánh giá các thông số như nhiệt độ nước nóng, lưu lượng nước nóng và hiệu suất trao đổi nhiệt ở các lưu lượng khác nhau.

4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng đến hiệu suất thu hồi nhiệt

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng nước đến hiệu suất thu hồi nhiệt là rất quan trọng để tìm ra lưu lượng tối ưu. Lưu lượng quá thấp có thể dẫn đến nhiệt độ nước nóng không đạt yêu cầu, trong khi lưu lượng quá cao có thể làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng chi phí vận hành. Bằng cách mô phỏng hệ thống với các lưu lượng khác nhau và phân tích kết quả, có thể xác định lưu lượng mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa nhiệt độ, lưu lượng và hiệu suất.

4.2. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng bằng phần mềm HYSYS

HYSYS cung cấp một loạt các công cụ để phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. Các công cụ này có thể được sử dụng để vẽ biểu đồ về sự phụ thuộc của nhiệt độ nước nóng, lưu lượng nước nóng và hiệu suất trao đổi nhiệt vào lưu lượng nước. Ngoài ra, HYSYS có thể được sử dụng để tính toán các chỉ số hiệu suất quan trọng, chẳng hạn như hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống thu hồi nhiệt và lượng năng lượng tiết kiệm được so với việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống. Việc phân tích hồi quy cũng được sử dụng để tìm ra mối tương quan giữa các thông số đầu vào và đầu ra.

4.3. Hướng Dẫn Sử Dụng Excel Để Thực Hiện Hồi Quy

Sau khi có được kết quả mô phỏng từ HYSYS, việc sử dụng Excel để thực hiện phân tích hồi quy là một bước quan trọng để xác định mối quan hệ giữa các biến đầu vào và đầu ra. Excel cung cấp các công cụ thống kê mạnh mẽ để thực hiện hồi quy tuyến tính đơn giản hoặc đa biến, giúp tìm ra phương trình hồi quy mô tả mối liên hệ giữa lưu lượng nước và hiệu suất thu hồi nhiệt. Kết quả hồi quy có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất của hệ thống ở các điều kiện vận hành khác nhau và tìm ra lưu lượng nước tối ưu. Tham khảo phần phụ lục A để có hướng dẫn chi tiết về quy trình thực hiện hồi quy trong Excel.

V. Kết Luận và Triển Vọng Phát Triển Thu Hồi Nhiệt Bằng HYSYS

Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm HYSYS để tối ưu hóa thu hồi nhiệt thải là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng và tối ưu hóa, các kỹ sư có thể thiết kế và vận hành các hệ thống thu hồi nhiệt hiệu quả hơn, giảm thiểu tác động đến môi trường và tiết kiệm năng lượng. Trong tương lai, có thể kỳ vọng rằng các công nghệ và quy trình thu hồi nhiệt thải sẽ tiếp tục được cải thiện, và vai trò của phần mềm HYSYS sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

5.1. Tổng kết kết quả đạt được trong nghiên cứu

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp sử dụng phần mềm HYSYS để mô phỏng và tối ưu hóa một hệ thống thu hồi nhiệt thải để cung cấp nước nóng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng có thể đạt được hiệu suất thu hồi nhiệt cao bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước và các thông số vận hành khác. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng phần mềm HYSYS là một công cụ hữu ích để đánh giá các giải pháp thu hồi nhiệt khác nhau và tìm ra các cấu hình hệ thống tốt nhất.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, có thể nghiên cứu thêm về việc sử dụng các công nghệ tiên tiến khác để thu hồi nhiệt thải, chẳng hạn như bơm nhiệt và tua bin ORC. Ngoài ra, có thể nghiên cứu về việc tích hợp các hệ thống thu hồi nhiệt vào các quy trình công nghiệp hiện có để giảm thiểu lãng phí năng lượng và cải thiện hiệu quả. Theo lời cảm ơn trong tài liệu, việc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực Công nghệ Kỹ Thuật Nhiệt có tiềm năng phát triển lớn và có thể giúp giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường quan trọng.