<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT </b>

<b> NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT</b>

<small>S K L 0 1 2 4 8 4 </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

<b>THÁI NGỌC ĐÔ TỶ 20147088 </b>

<b>NGUYỄN MINH NHẬT 20147305 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

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 q 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 cịn yếu.

Vì kiến thức của nhóm chúng em cịn hạn chế nên trong q trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp sẽ khơng tránh khỏi những sai sót nhất định, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Q Thầy Cơ trong Bộ mơn.

Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn và xin kính chúc Q Thầy Cơ có nhiều sức khỏe và đạt được nhiều thành công hơn nữa. Kính chúc Bộ mơn Cơng 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 ln 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 !

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>TÓM TẮT</b>

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 mơ hình và mơ phỏng, Kết quả mơ 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 thơng 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. Q trình mơ phỏng được thực hiện bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2. Dòng lưu chất lạnh đi bên trong vỏ có nhiệt độ đầu vào khơng đổi là 20℃ với vận tốc khơng đổi là 0,008 m/s; dịng 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 mơ hình 1. Sau đó, nhóm tiến hành khảo sát ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng thể tích của dịng 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 dịng 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 mơ 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 tốn trên cơ sở lý thuyết dùng để đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị thơng 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 dịng 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 mơ 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>MỤC LỤC </b>

<b>LỜI CẢM ƠN ... I TÓM TẮT ... II DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ... V DANH MỤC HÌNH ẢNH ... VII DANH MỤC BẢNG ... X </b>

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ... 1 </b>

1.1. Giới thiệu về đề tài ... 1

1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài và lý do thực hiện mô phỏng số CFD ... 1

1.1.2. So sánh ưu điểm và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm ... 2

<b>1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài ... 3 </b>

1.4.5. Ứng dụng và vai trò của TBTĐN trong đời sống ... 11

<b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 13 </b>

2.1. Các loại TBTĐN dạng ống ... 13

2.2. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 16

2.3. Hiện trạng các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 18

2.3.1. Các nghiên cứu ở Việt Nam ... 18

2.3.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài ... 19

2.4. Giới thiệu về bài báo liên quan ... 20

<b>2.5. Cơng thức tính tốn thực tế TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 20 </b>

<b>CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD ... 24 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

3.1. Giới thiệu về phương pháp mô phỏng CFD ... 24

3.1.1. Giới thiệu chung ... 24

3.1.2. Ứng dụng của CFD ... 24

3.2. Các phương trình điều khiển và phương pháp rời rạc hóa miền tính tốn ... 26

3.2.1. Phương trình điều khiển ... 26

3.2.2. Các phương pháp rời rạc hóa miền tính tốn ... 27

3.3. Giới thiệu về phần mềm ANSYS ... 29

<b>CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG ... 39 </b>

4.1. Thiết lập mơ hình cần mơ phỏng (Geometry) ... 39

4.2. Chia lưới (Meshing) ... 41

4.3. Thiết lập các thông số vật lý ... 47

<b>CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ... 50 </b>

5.1. Kết quả hội tụ của lưới ... 50

5.2. Kết quả mơ phỏng và đặc tính truyền nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong <b>mơ hình 1 ... 55 </b>

5.3. Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị khi thay đổi lưu lượng thể tích đi bên trong ống xoắn ... 60

5.4. Khảo sát ảnh hưởng của bước xoắn đến hiệu suất trao đổi nhiệt ... 64

5.5. Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO đến hiệu suất trao đổi nhiệt ... 70

<b>CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 76 </b>

6.1. Kết luận ... 76

6.2. Kiến nghị ... 76

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 78 </b>

<b>PHỤ LỤC ... 80 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU </b>

CFD (Computational Fluid Dynamics): Mơ 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

c_p1: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất nóng, J/(kg. ℃) c_p2: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất lạnh, J/(kg. ℃) d₁: Đường kính trong của ống xoắn, m

d₂: Đường kính ngồi của ống xoắn, m D_sh: 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. ℃)

L_sh: Chiều dài của vỏ, m l: Chiều dài của ống xoắn, m P_c: Bước xoắn, m

∆p: Tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt, 𝑁/𝑚<small>2</small> Q: Nhiệt lượng trao đổi ở thiết bị, W

r_td: Bán kính tương đương, m

t₁^′: Nhiệt độ đầu vào của lưu chất nóng, ℃ t₁<small>′′</small>: Nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng, ℃ t₂^′: Nhiệt độ đầu vào của lưu chất lạnh, ℃ t₂^′′: Nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh, ℃ t₁: Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng, ℃ t₂: 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, ℃

∆t̅ : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh, ℃

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

V: Lưu lượng thể tích của dịng lưu chất nóng, lít/phút

ω₁: Vận tốc của dịng 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/m³ρ₂: Khối lượng riêng của lưu chất lạnh, kg/m³

α₁: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dòng lưu chất nóng, W/(m<small>2</small>. ℃) λ₁: Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất nóng, W/(m. ℃)

μ: Độ nhớt động lực học của lưu chất, (N. s)/m²ν: Độ nhớt động học của lưu chất, m<small>2</small>/s

ε_L: Hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng ε_R: Hệ số hiệu chỉnh độ cong ξ: Hệ số ma sát

Nu: Tiêu chuẩn Nusselt Pr: Tiêu chuẩn Prandtl Re: Tiêu chuẩn Reynolds

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt ... 4

Hình 1.2. TBTĐN kiểu hồi nhiệt ... 6

Hình 2.6. Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động ngược chiều ... 16

Hình 2.7. Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động thuận chiều ... 16

Hình 2.8. Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc mà nhóm tác giả Hồ Tấn Thành, Nguyễn Hồng Thuận mơ phỏng tính tốn thiết kế ... 18

Hình 2.9. Sơ đồ lưu động ngược chiều của thiết bị TĐN dạng ống lồng ống ... 21

Hình 3.1. Tổng quan về CFD ... 24

Hình 3.2. Mơ phỏng biên dạng cánh máy bay ... 25

Hình 3.3. Mơ phỏng trường nhiệt độ với CFD ... 25

Hình 3.4. Các ứng dụng thực tiễn của mơ phỏng CFD ... 26

Hình 3.5. Phương pháp rời rạc hóa miền khơng gian ... 28

Hình 3.6. Một số ứng dụng của FEM trong vật liệu tổng hợp ngành hàng khơng ... 29

Hình 3.7. Giao diện của phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2 ... 30

Hình 3.8. Giao diện của module Fluid Flow (Fluent) ... 30

Hình 3.9. Giao diện của Geometry Design Modeler ... 31

Hình 3.10. Giao diện của phần tạo lưới Meshing ... 31

Hình 3.11. Lưới được chia trên Meshing ... 32

Hình 3.12. Giao diện của Fluent Launcher khi mở Setup ... 32

Hình 3.13. Giao diện chính khi thực hiện Setup ... 33

Hình 3.14. Giao diện của mục Solution ... 33

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 3.15. Giao diện chính của Results ... 34

Hình 3.16. Lưới mịn và lưới khơng có độ mịn ... 35

Hình 3.17. Các dạng lưới có độ xiên khác nhau ... 35

Hình 3.18. Chia lưới cấu trúc theo các trục ... 36

Hình 3.19. Lưới có cấu trúc và khơng có cấu trúc ... 36

Hình 3.20. Lưới khơng cấu trúc ... 37

Hình 3.21. Bộ giải Pressure-Based được thiết lập cho mơ hình ... 38

Hình 4.1. Kích thước TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 39

Hình 4.2. Mơ hình mơ phỏng TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 40

Hình 4.3. Phần lưu chất phía vỏ và phía ống xoắn được chia theo loại lưới tứ diện ... 42

Hình 4.4. Phần thành ống xoắn được chia theo loại lưới lục diện có cấu trúc ... 42

Hình 4.5. Mặt cắt lớp lưới bên trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 43

Hình 4.6. Phổ giá trị của chỉ số Orthogonal Quality và Skewness ... 43

Hình 4.7. Chất lượng của lưới M1 ... 45

Hình 4.8. Chất lượng của lưới M2 ... 46

Hình 4.9. Chất lượng của lưới M3 ... 47

Hình 5.1. Vị trí xét Profile nhiệt độ tại 1 điểm trong mơ hình ... 50

Hình 5.2. Chỉ số Residuals của lưới M1 ... 51

Hình 5.3. Điểm xét nhiệt độ của lưới M1 ... 52

Hình 5.4. Chỉ số Residuals của lưới M2 ... 52

Hình 5.5. Điểm xét nhiệt độ của lưới M2 ... 53

Hình 5.6. Chỉ số Residuals của lưới M3 ... 53

Hình 5.7. Điểm xét nhiệt độ của lưới M3 ... 54

Hình 5.8. Dạng vận tốc của các lưới được chọn ... 55

Hình 5.9. Sự thay đổi của nhiệt độ trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 56

Hình 5.10. Mặt cắt nhiệt độ ở giữa TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn ... 57

Hình 5.11. Mặt cắt nhiệt độ tại gần đầu vào của lưu chất nóng ... 57

Hình 5.12. Đường đi của dịng lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn ... 58

Hình 5.13. Đường đi của dịng lưu chất lạnh đi bên trong vỏ ... 58

Hình 5.14. Nhiệt độ đầu ra của dịng lưu chất nóng và dịng lưu chất lạnh khi lưu lượng thể tích của ống xoắn thay đổi ... 60

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 5.15. So sánh phân bố nhiệt độ cùng 1 mặt cắt ngang cho 4 trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích ... 61 Hình 5.16. So sánh phân bố nhiệt độ cùng 1 mặt cắt dọc cho 4 trường hợp thay đổi lưu lượng thể tích ... 61 Hình 5.17. Tổn thất áp suất trong ống xoắn khi lưu lượng thể tích của ống xoắn thay đổi ... 62 Hình 5.18. Ảnh hưởng của hệ số Reynolds đến hệ số Nusselt ... 63 Hình 5.19. Ảnh hưởng của hệ số Reynolds đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng ... 63 Hình 5.20. Hệ số Nusselt ứng với các trường hợp bước xoắn khác nhau ... 65 Hình 5.21. Phân bố nhiệt độ của mơ hình 1 (bên trái) và mơ hình 4 (bên phải) tại cùng 𝐐 = 𝟒 𝐥í𝐭/𝐩𝐡ú𝐭, 𝐇 = 𝟎, 𝟑𝟔 𝐦, 𝐝_𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟔 𝐦 ... 66 Hình 5.22. Phân bố nhiệt độ đầu ra của dịng lưu chất nóng từ mơ hình 1 đến mơ hình 4 khi thay đổi bước xoắn ... 68 Hình 5.23. Phân bố nhiệt độ đầu ra của dịng lưu chất lạnh từ mơ hình 1 đến mơ hình 4 khi thay đổi bước xoắn ... 69 Hình 5.24. Tổn thất áp suất của dịng lưu chất nóng chảy trong ống xoắn khi thay đổi bước xoắn ... 69 Hình 5.25. Sự thay đổi của hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng theo bước xoắn ... 70 Hình 5.26. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dịng nanofluid CuO 2% đến tổn thất áp suất bên trong ống xoắn ... 72 Hình 5.27. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dịng nanofluid CuO 2% đến hệ số Nusselt ... 72 Hình 5.28. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng thể tích dịng nanofluid CuO 2% đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía ống xoắn ... 73 Hình 5.29. Đồ thị so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa việc sử dụng nước và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn ... 74 Hình 5.30. Đồ thị so sánh sự khác biệt của hệ số Nusselt giữa việc sử dụng nước và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn ... 74 Hình 5.31. Đồ thị so sánh sự khác biệt của hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa việc sử dụng nước

<b>và nanofluid CuO 2% đi trong ống xoắn ... 75 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>DANH MỤC BẢNG</b>

Bảng 1.1. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm ... 3

Bảng 2.1. Trị số 𝛆_𝐋 khi chảy tầng ... 22

Bảng 4.2. Bảng chỉ tiêu đánh giá lưới đã tạo ... 44

Bảng 4.3. Bảng thông số vật lý của Plexiglass (Mica) ... 48

Bảng 4.4. Bảng thông số vật lý của nước ở 25 ℃ ... 48

Bảng 4.5. Bảng thông số vật lý của đồng (Copper) ... 48

Bảng 4.6. Các thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng ... 49

Bảng 5.1. Nhiệt độ tại cùng một điểm khảo sát khi xét hội tụ lưới ... 54

Bảng 5.2. Các thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng cho mơ hình 1 𝐐 = 𝟏 𝐥í𝐭/𝐩𝐡ú𝐭 ... 55

Bảng 5.3. Kết quả mơ phỏng cho mơ hình 1 ... 56

Bảng 5.4. Kết quả mô phỏng trong trường hợp nước đi trong ống xoắn của mơ hình 1 ... 60

Bảng 5.5. Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo, mơ phỏng và tính tốn lý thuyết cho mơ hình 1 ... 62

Bảng 5.6. Thơng số hình học cho các mơ hình cần khảo sát ... 64

Bảng 5.7. Kết quả mô phỏng đối với các trường hợp thay đổi bước xoắn ... 66

Bảng 5.8. Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo, mơ phỏng và tính tốn lý thuyết ... 67

Bảng 5.9. Thông số vật lý của chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO ... 71

Bảng 5.10. Kết quả thu được từ mô phỏng khi sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO ... 71

Bảng 5.11. Bảng so sánh tổn thất áp suất bên trong ống xoắn giữa kết quả từ bài báo và mô phỏng khi sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO ... 71

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về đề tài </b>

<b>1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài và lý do thực hiện mô phỏng số CFD </b>

Hiện tại, kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh đang là một ngành “hot” và có xu hướng phát triển lớn mạnh không ngừng cùng với những thiết bị liên quan, các chuyên gia liên tục không ngừng nghiên cứu và đưa ra những sản phẩm công nghệ mới. Bên cạnh đó, để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, các phần mềm nghiên cứu liên quan cũng đã phát triển và được nhiều người biết đến đặc biệt trong số đó là phần mềm ANSYS WORKBENCH. Đây là một phần mềm mô phỏng về động lực học chất lưu với nhiều ưu điểm thích hợp cho sự nghiên cứu tự do, thoải mái mà khơng bị gị bó về mặt không gian và thời gian. Nếu như các bài nghiên cứu chỉ dựa trên phân tích lý thuyết và thực nghiệm thì kết quả thu được chỉ đơn giản là các thông số vĩ mô, chúng ta không thể biết chính xác thơng tin chi tiết như: phân bố nhiệt độ, vận tốc, áp suất,… hoặc cách thức để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt. Hơn nữa, việc tiến hành thực nghiệm cũng có một số khó khăn liên quan đến chi phí hoặc nguy hiểm nhất định, đe dọa trực tiếp đến tính mạng của con người. Chính vì thế, việc tiến hành thực hiện mô phỏng CFD là một phương án cấp thiết, giúp cho chúng ta làm việc trong một môi trường an tồn hơn mà khơng cần phải lo sợ đến việc tiếp xúc với các công việc thực nghiệm, đo đạc có thể gây nguy hại cho bản thân.

Hiện nay, việc gia nhiệt và làm mát các hệ thống bằng những TBTĐN đóng vai trị quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau như: nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, công nghiệp nấu chảy thủy tinh, kim loại, công nghiệp dược phẩm, thực phẩm, công nghiệp giấy, hóa dầu, kho lạnh, ngưng tụ khí và cơng nghiệp điện tử,... Chính vì thế, việc cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt trong các thiết bị này có ý nghĩa rất quan trọng. Nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt sẽ giúp giảm kích thước của thiết bị, tiết kiệm chi phí vốn đầu tư ban đầu, cũng như chi phí và thời gian vận hành. Một trong những cách để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt đó là việc sử dụng TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn thay vì dạng ống lồng ống thẳng như chúng ta đã biết. Đây là một phương pháp thụ động để cải thiện hiệu suất của TBTĐN được nhiều người quan tâm đến. Ngoài ra, để nâng cao tối đa hiệu suất trao đổi nhiệt trong thiết bị dạng xoắn này, chúng ta có thể thêm các hạt nano kim loại vào chất lỏng cơ bản ban đầu, các kết quả này đã được chứng minh bởi các nhà nghiên cứu từ nhiều nước trên thế giới bằng phương pháp mơ phỏng số. Chính vì những ưu điểm trên và với

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

mong muốn kiểm nghiệm các kết quả đã được nghiên cứu trước đó, nhóm chúng em quyết

<i>định chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc </i>

<i>ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số” làm nội dung đề tài thực hiện khóa luận tốt </i>

nghiệp.

<b>1.1.2. So sánh ưu điểm và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm </b>

CFD là phương pháp mới có nhiều ưu điểm hơn so với thực nghiệm. Mơ 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. Không cần phải lo về những ràng buộc về kinh phí hay nguy hiểm có thể xảy ra khi tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị thí nghiệm.

<i>*Đối với phương pháp mô phỏng CFD </i>

<small>⚫ </small> Ưu điểm:

- Tốc độ tính tốn nhanh và đang được cải thiện đáng kể.

- Rút ngắn thời gian 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 cơng việc nghiên cứu và thiết kế.

- Cải thiện và tăng tính an tồn.

<small>⚫ </small> Nhược điểm:

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

- Đòi hỏi sự chuẩn bị công phu cả về lý luận và công cụ thực hiện. - Chi phí đắt, đầu tư ban đầu tốn kém.

- Tốc độ chậm và có nhiều khả năng không thực hiện được.

- Nhiều rủi ro và khơng đảm bảo sự an tồn trong q trình thực hiện.

<b>Bảng 1.1. So sánh giữa mơ phỏng và thực nghiệm</b>

<b>Tiêu chí Mơ phỏng CFD Thực nghiệm Chi phí </b> Tương đối rẻ Đắt

<b>Thời gian </b> Ngắn Dài

<b>Thông tin </b> Đầy đủ Thiếu

<b>Độ an tồn </b> Cao Có nhiều nguy hiểm

<b>1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 1.2.1. Mục tiêu </b>

Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng trao đổi nhiệt của 1 mơ hình cụ thể; khảo sát ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng thể tích của dịng lưu chất nóng đi bên trong ống xắn; khảo sát ảnh hưởng của việc tăng bước xoắn của thiết bị, việc sử dụng chất lỏng nano gốc nước chứa 2% thể tích CuO đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị. Các mơ hình được thực hiện mô phỏng trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 19.2. Kết quả cho thấy việc tăng lưu lượng thể tích, bước xoắn và sử dụng chất lỏng nano CuO có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía lưu chất nóng đi bên trong ống xoắn của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn.

<b>1.2.2. Nhiệm vụ </b>

Qua đề tài thì những mục tiêu sinh viên cần đạt được là: - Tính tốn cơ sở lý thuyết.

- Thực hiện mô phỏng dựa trên các thông số ban đầu.

- So sánh và đánh giá kết quả thu được từ mô phỏng với kết quả tính tốn lý thuyết và kết quả có trong bài báo liên quan.

- Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố như lưu lượng thể tích, bước xoắn, lưu chất sử dụng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số.

- Đưa ra các đánh giá và kết luận.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>1.3. Đối tượng và giới hạn đề tài 1.3.1. Đối tượng </b>

Trong đồ án này đối tượng mà chúng em quan tâm đến là TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn, phương pháp mô phỏng số CFD và phần mềm mô phỏng ANSYS WORKBENCH 19.2.

<b>1.3.2. Giới hạn đề tài </b>

Đề tài giới hạn trong việc tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn và tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng CFD. Tính tốn lý thuyết và mơ phỏng số TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn dựa theo bài báo khoa học.

<b>1.4. Giới thiệu tổng quan về TBTĐN 1.4.1. Khái niệm về TBTĐN </b>

TBTĐN 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 khơng bị pha trộn. TBTĐN đóng vai trò quan trọng và hiện đang ứng dụng rất rộng rãi ở nhiều ngành như: công nghiệp điện, thực phẩm, điều hịa khơng khí,… Thúc đẩy mạnh cho sản xuất cơng nghiệp và đời sống con người.

<b>Hình 1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt [1]1.4.2. Hiện trạng của TBTĐN </b>

Quá trình truyền nhiệt giữa các lưu chất với nhau thông qua các thiết bị đã được con người sử dụng từ rất lâu để ứng dụng vào các quá trình sản xuất. Thơng thường, nhiệt có

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

trạng thái phù hợp với mục đích sử dụng. Từ đây, các TBTĐN ra đời với nhiều chủng loại khác nhau, phù hợp với từng quá trình sản xuất.

Hiện nay, TBTĐN được sản xuất rất nhiều và phổ biến với các dạng tùy theo cấu tạo và mục đích sử dụng khác nhau như: TBTĐN dạng tấm, TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống, TBTĐN dạng ống lồng ống,… Các loại TBTĐN được ứng dụng phổ biến nhất là trong lĩnh vực lò hơi, được sử dụng để thu hồi nhiệt khói thải như: bộ Economizer, Air Dryer còn hay gọi là bộ tiết kiệm năng lượng. TBTĐN cũng được ứng dụng trong hệ thống lạnh và được sử dụng với vai trò là thiết bị ngưng tụ hoặc thiết bị bay hơi,…

Các ngành công nghiệp, hóa dầu và hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng bộ trao đổi nhiệt như một phương tiện truyền nhiệt hiệu quả và phù hợp để làm mát, sưởi ấm , thay đổi giai đoạn vật liệu tùy thuộc vào bản chất của ngành. Các bộ trao đổi nhiệt này được thiết kế để đạt được tải nhiệt tối ưu. Các thơng số hình học như: đường kính, chiều dài, số lượng ống,… là những thơng số có thể được sửa đổi để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt và thay đổi cấu tạo tùy theo yêu cầu của khách hàng.

<b>1.4.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt </b>

Hiệu suất của TBTĐN có thể được xác định theo nhiều cách. Và một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị như:

<i>Tốc độ dòng chảy và lưu lượng chất lỏng: Khi có tốc độ dịng chảy nhanh hoặc lưu </i>

lượng quá chênh lệch giữa hai dòng lưu chất sẽ không đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt được tối ưu.

<i>Tính chất của vật liệu: Tính chất của vật liệu thiết kế lên bề mặt trao đổi nhiệt sẽ ảnh </i>

hưởng đến bề mặt trao đổi nhiệt cũng như độ bền và sự hao mòn của bề mặt đó.

<i> Sự chênh lệch nhiệt độ: Độ chênh lệch nhiệt độ của lưu chất có nhiệt độ thấp đối với </i>

lưu chất có nhiệt độ cao là rất quan trọng khi chúng ta thiết kế thiết bị thực tế. Vì nhiệt độ của chất làm mát càng thấp thì sẽ giúp giảm nhiệt độ của lưu chất nóng tốt hơn.

<i> Cáu cặn: Xuất hiện bẩn đóng cặn trong TBTĐN là điều không tránh khỏi. Chúng làm </i>

cho bề mặt trao đổi nhiệt bị hẹp đi, 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 được xử lý.

<i> Diện tích trao đổi nhiệt: Lượng nhiệt trao đổi chủ yếu thơng qua bề mặt tiếp xúc. Do </i>

đó, diện tích tiếp xúc tăng thì hiệu suất truyền nhiệt tăng nhưng sẽ khó khăn nếu diện tích truyền nhiệt lớn sẽ khó cho việc lắp đặt và sản xuất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>1.4.4. Phân loại TBTĐN </b>

<i>*TBTĐN kiểu hồi nhiệt: Nguyên lý làm việc của TBTĐN loại hồi nhiệt là trên cùng </i>

một bề mặt vật, lúc chất lỏng nóng chuyển động qua, bề mặt vật rắn nhận và tích trữ nhiệt, khi tiếp xúc với chất lỏng lạnh thì vật nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh. Hình 1.2 là một ví dụ về TBTĐN kiểu hồi nhiệt. Thiết bị này thường dùng trong ngành luyện kim, bộ sấy không khí của nhà máy nhiệt điện.

<b>Hình 1.2. TBTĐN kiểu hồi nhiệt [2] </b>

<i>*TBTĐN hỗn hợp: Trong TBTĐN hỗn hợp thì hai chất lỏng nóng và lạnh thơng qua </i>

q trình tiếp xúc trực tiếp, hịa trộn với nhau để thực hiện q trình truyền nhiệt. Thiết bị này có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao, tuy nhiên hai chất lỏng phải hòa trộn lẫn nhau nên có nhiều hạn chế trong ứng dụng.

Ứng dụng của TBTĐN hỗn hợp trong hệ thống điều hịa khơng khí gồm: tháp giải nhiệt, bộ phận phun ẩm, bộ hịa trộn các dịng khí,… Hình 1.3 là tháp giải nhiệt sử dụng nước kết hợp khơng khí và thuộc loại TBTĐN hỗn hợp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>Hình 1.3. Tháp giải nhiệt trong hệ thống điều hịa khơng khí [3]</b>

<i>*TBTĐN loại vách ngăn: </i>

- Xét về kết cấu có thể phân thành các loại sau: loại vỏ bọc chùm ống, loại có cánh, loại tấm, loại tấm xoắn ốc.

+ TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống: TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống như Hình 1.4 bên dưới, đây là loại thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất trong cơng nghiệp vì độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời, vật liệu chế tạo phổ biến. Loại TBTĐN này được ghép lại từ các ống nhỏ ở bên trong và ống lớn bọc bên ngoài. Tùy theo yêu cầu của khách hàng mà các ống bên trong có thể thay đổi kết cấu như: lắp đặt thêm các cánh trao đổi nhiệt tốt hơn, dòng chảy ở bên trong có thể là cùng chiều hoặc ngược chiều,…

<b>Hình 1.4. TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống [4] </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

+ TBTĐN loại ống có cánh: TBTĐN loại ống có cánh gồm các ống, ở trên có lắp thêm các cánh tăng diện tích trao đổi nhiệt và thường được sử dụng khi cường độ trao đổi nhiệt giữa hai loại chất lỏng có chênh lệch rất lớn. Thông thường, cánh sẽ được lắp ở phía lưu chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhỏ (thường là khơng khí) như Hình 1.5 bên dưới.

<b>Hình 1.5. TBTĐN loại ống có cánh [5] </b>

+ TBTĐN dạng tấm: TBTĐN dạng tấm bao gồm các tấm được lắp ráp với nhau, tạo không gian riêng giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh làm mát đi vào để thực hiện trao đổi nhiệt qua mặt ngăn cách là các tấm. Hình 1.6 là hình ảnh thực tế của TBTĐN dạng tấm. Khi thiết kế bề mặt các tấm này phải khớp với nhau tránh việc hai dòng lưu chất tiếp xúc trực tiếp, ở việc ghép nối giữa các tấm có thể lựa chọn loại được ghép với nhau bằng gioăng cao su hoặc được hàn kín nơi mối ghép giữa các tấm.

<b>Hình 1.6. TBTĐN dạng tấm [6] </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

+ TBTĐN dạng xoắn ốc: Gồm hai tấm kim loại song song được cuộn thành xoắn ốc tạo thành như Hình 1.7. Phương thức chuyển động có thể là cùng chiều hoặc ngược chiều, loại này rẻ hơn so với TBTĐN dạng tấm và dạng vỏ bọc chùm ống. Tuy nhiên, nó lại khó vệ sinh và sửa chữa, áp suất làm việc thấp dưới 10 (bar).

<b>Hình 1.7. TBTĐN dạng xoắn ốc [7] </b>

- Xét về phương thức lưu động giữa chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh:

+ TBTĐN dạng lưu động thuận chiều: Trong loại thiết bị lưu động thuận chiều, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh cùng đi vào từ một phía của TBTĐN. Đi ra ở phía cịn lại như Hình 1.8 bên dưới, khả năng trao đổi nhiệt của TBTĐN thuận chiều thường kém hơn so với TBTĐN ngược chiều.

<b>Hình 1.8. TBTĐN dạng lưu động thuận chiều [8]</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

+ TBTĐN dạng lưu động ngược chiều: Với TBTĐN lưu động ngược chiều, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh sẽ đi vào và đi ra từ hai phía khác nhau như Hình 1.9 bên dưới. Hiệu quả trao đổi nhiệt tuy có tốt hơn TBTĐN thuận chiều nhưng độ bền sẽ kém hơn. Do nhiệt độ cao nhất của chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh đều tập trung ở một đầu của TBTĐN.

<b>Hình 1.9. TBTĐN dạng lưu động ngược chiều [8] </b>

+ TBTĐN dạng lưu động phức tạp: Ngoài hai dạng lưu động thuận chiều và ngược chiều thì cịn có một số dạng lưu động phức tạp gồm nhiều cách lưu động như chất lỏng lưu động bị xáo trộn hoặc khơng bị xáo trộn ví dụ Hình 1.10.

Chất lỏng lưu động trong một pass vỏ hai pass ống hoặc chất lỏng lưu động trong hai pass vỏ bốn pass ống.

<b>Hình 1.10. TBTĐN có dạng lưu động phức tạp </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<b>1.4.5. Ứng dụng và vai trò của TBTĐN trong đời sống </b>

Các TBTĐN hiện nay khơng chỉ ứng dụng trong các q trình sản xuất cơng nghiệp, mà cịn ứng dụng trong đời sống hàng ngày. TBTĐN là một thiết bị quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Sau đây là các ứng dụng phổ biến của TBTĐN:

- Cơng nghệ tàu thủy: Làm nóng nước nhờ sử dụng hơi, ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm bằng nước biển, làm mát dầu.

+ Các quá trình thanh trùng, tiệt trùng sữa hay các sản phẩm từ sữa như: Kem, sữa chua, bơ, váng sữa, phô mai,…

+ Các q trình cần làm lạnh hoặc làm nóng các thức uống như: Bia, nước ngọt, nước ép trái cây, rượu vang, trái cây xay nhuyễn,…

+ Các quá trình cần thanh trùng, làm nóng các loại thực phẩm như: Tương ớt, tương cà, dầu thực vật, bơ thực vật, socola, sốt,…

+ Các quá trình cô đặc đường, nước ép trái cây, nước cốt dừa, sữa dừa, nước dừa tươi,…

+ Các quá trình cần làm lạnh, cấp đông nhanh các sản phẩm thịt, cá, thủy hải sản,… - Công nghệ dệt: Thu hồi nhiệt ở quá trình giặt, tẩy rửa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

- Khí đốt và than đá: Làm lạnh amoniac, benzen, gia nhiệt hoặc thu hồi nhiệt quá trình bay hơi CO₂.

- Công nghiệp điện: TBTĐN sử dụng làm mát dầu tuabin nước hồ, nước suối. - Bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống năng lượng mặt trời.

Bộ trao đổi nhiệt có khá nhiều cơng dụng và chức năng khác nhau. Vì vậy, khả năng ứng dụng của thiết bị này là vô tận.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

<b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Các loại TBTĐN dạng ống </b>

Tùy theo nhu cầu thực tế cũng như cơng nghệ, có thể chia TBTĐN dạng ống thành 3 loại:

<i>*TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng </i>

TBTĐN ống lồng ống thẳng được sử dụng tương đối phổ biến trong công nghiệp. Do nó có cấu tạo đơn giản, gồm có ống thẳng bên ngoài bao bọc ống thẳng bên trong. Các ống trong nối với nhau bởi các cút cong, còn các ống bên ngoài được nối với nhau bởi các đầu chuyển hướng. Chúng có thể lắp ghép bằng rắc co nối hoặc các bích nối tùy thuộc vào cơng suất của tải như Hình 2.1 bên dưới.

<b>Hình 2.1. Các module ống lồng ống thẳng đơn [9] </b>

<i>*TBTĐN dạng ống lồng ống cong, xoắn </i>

Tùy thuộc vào hình dạng bên ngoài của TBTĐN dạng ống lồng ống cong, xoắn ta chia làm các loại sau:

<i>TBTĐN dạng ống lồng ống xoắn trịn: Thiết bị này gồm các ống có kích thước lớn và </i>

nhỏ lồng vào nhau như Hình 2.2. Trong quá trình chế tạo, chúng được định vị sao cho đồng trục với nhau rồi sau đó được uốn cong. Lưu ý, trong quá trình uốn cong phải tránh bị gãy khúc làm tắc dòng chuyển động ở trong ống. Tuy công việc chế tạo phức tạp nhưng hiệu

<i>quả trao đổi nhiệt là khá cao và tiết kiệm được diện tích mặt bằng lắp đặt. </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<b>Hình 2.2. TBTĐN dạng ống lồng ống xoắn trịn [9] </b>

Ở dạng này, hai loại lưu chất đều chuyển động cưỡng bức trong không gian rỗng giữa các ống với bán kính cong 𝑅. Lưu chất chuyển động bên trong do tác động của lực ly tâm nên hình thành một dịng tuần hồn phụ, chuyển động mạnh hơn, làm tăng tính rối, kết quả là cường độ trao đổi nhiệt tăng lên nhiều hơn.

<i>TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse, hình vng, hình chữ nhật xoắn: </i>

+ TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse xoắn: Thiết bị này có cấu tạo tương tự như ống lồng ống xoắn tròn, tuy nhiên khi lồng vào nhau chúng được uốn theo khn dạng có hình elipse như Hình 2.3. Nhờ có biên dạng elipse cho nên dịng lưu chất dễ dàng chuyển động ở các vị trí ngoặc dịng chuyển hướng mà khơng bị cản trở. Thiết bị có thể được bố trí trong khơng gian hẹp, ít chiếm diện tích mặt bằng.

<b>Hình 2.3. TBTĐN dạng ống lồng ống hình elipse xoắn [9] </b>

+ TBTĐN dạng ống lồng ống hình vng, hình chữ nhật xoắn: Trong một số trường hợp để các thiết bị được lắp đặt gọn gàng, phù hợp với không gian mặt bằng ở bên ngồi. Lúc đó TBTĐN dạng ống lồng ống được chế tạo có biên dạng hình vng hoặc hình chữ

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<b>Hình 2.4. TBTĐN dạng ống lồng ống hình vng, hình chữ nhật xoắn [9] </b>

Đối với các loại thiết bị này, việc tạo rối của dòng lưu chất trong quá trình chuyển động sẽ lớn hơn, quá trình tỏa nhiệt đối lưu được tăng cường. Lưu chất chuyển động bên trong ngoặc dòng đột ngột nhiều lần do các kích thước có định dạng khác nhau ngoặc tại các góc, kéo dài thời gian tiếp xúc của hai dịng lưu chất và hình thành một dịng tuần hồn phụ. Vì vậy, khả năng tạo rối và hiệu quả trao đổi nhiệt về phía hai mơi chất được nâng lên.

<i>*TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn </i>

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn là một loại TBTĐN dạng ống lồng ống. Những thiết bị này bao gồm cuộn dây xoắn ốc được đặt trong một vỏ, sử dụng trong các hệ thống lạnh dưới dạng bình ngưng hoặc bình bay hơi đồng tâm như Hình 2.5. Hiệu suất trao đổi nhiệt của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn cao hơn TBTĐN ống lồng ống thẳng.

<b>Hình 2.5. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn [10] </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>2.2. TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn </b>

<i>*Sơ đồ lưu động và cơ chế làm việc </i>

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn có sơ đồ lưu động và cơ chế làm việc giống với TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng.

<b>Hình 2.6. Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động ngược chiều [9] </b>

Dạng lưu động ngược chiều: Dịng nóng hơn đi ngang qua ống bên trong, cịn vỏ bên ngồi chứa dịng lạnh như Hình 2.6. Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống hoạt động thông qua q trình dẫn nhiệt, trong đó nhiệt lượng được truyền qua thành ống bên trong, vật liệu làm ống thường làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt như: Thép, nhôm, đồng,…

TBTĐN dạng ống lồng ống thường được sử dụng cho dịng chảy ngược chiều, trong đó các chất lỏng di chuyển theo các hướng ngược nhau.

<b>Hình 2.7. Sơ đồ TBTĐN dạng ống lồng ống lưu động thuận chiều [9] </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Dạng lưu động thuận chiều: TBTĐN dạng ống lồng ống cũng có thể được sử dụng cho dịng chảy thuận chiều như Hình 2.7. Trong đó, cả hai chất lỏng chuyển động theo cùng một hướng nhưng dịng chảy ngược chiều có chế độ trao đổi nhiệt hiệu quả nhất.

<i>*Nhận xét về chế độ chuyển động thuận chiều và ngược chiều </i>

- Cùng điều kiện nhiệt độ vào và nhiệt độ ra thì độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡̅̅̅ của lưu động ngược chiều lớn hơn thuận chiều. Khi lưu động ngược chiều, độ chênh nhiệt độ hai phía của bề mặt truyền nhiệt tương đối đồng đều, còn lưu động thuận chiều thì phụ tải nhiệt trên bề mặt rất khơng đồng đều.

- Khi bố trí lưu động thuận chiều, nhiệt độ đầu ra của chất lỏng t₂^′′ luôn luôn nhỏ hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng t₁<small>′′</small>. Cịn khi bố trí lưu động ngược chiều thì nhiệt độ ra của chất lỏng t₂^′′ có thể thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng t₁^′′. Nó tùy thuộc vào đương lượng nhiệt G. c_p của hai chất lỏng, ví dụ G₁. c_p1 > G₂. c_p2 thì nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh có thể cao hơn nhiệt độ chất lỏng nóng.

- Bố trí lưu động ngược chiều cũng tồn tại nhiều khuyết điểm. Vì nhiệt độ cao nhất của chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh (t₁<small>′</small> và t₂<small>′′</small>) đều tập trung ở một đầu TBTĐN làm cho nhiệt độ vách kim loại ở đầu ấy rất cao dẫn đến giảm độ bền thiết bị và phát sinh sự cố.

<i>*Ưu và nhược điểm của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn </i>

<small>⚫ </small> Ưu điểm

- Có cấu tạo gọn, diện tích nhỏ.

- Có hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn thiết bị ống lồng ống dạng thẳng, khả năng chịu lực và độ bền cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

xử lý hóa chất, máy nước nóng năng lượng mặt trời, các thiết bị làm lạnh (bình ngưng, bình bay hơi và điều hịa khơng khí).

- Sử dụng cho hệ thống thu hồi nhiệt thải trong chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC).

<b>2.3. Hiện trạng các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn 2.3.1. Các nghiên cứu ở Việt Nam </b>

<i>“Mơ phỏng tính tốn thiết kế thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc bằng phần </i>

<i>mềm Matlab” của nhóm tác giả Hồ Tấn Thành, Nguyễn Hoàng Thuận - Trường Đại học </i>

Công nghiệp Thực phẩm TP. HCM [11]. Bài báo tập trung đưa ra quy trình tính tốn thiết kế thiết bị truyền nhiệt phổ biến (dạng ống xoắn và vỏ bọc) và mơ phỏng q trình tính tốn thiết kế trên phần mềm MATLAB. Nhiệt độ dịng nóng (chất tải nhiệt nóng), nhiệt độ dịng lạnh (chất tải nhiệt lạnh), loại chất tải nhiệt, lưu lượng dòng và loại thiết bị truyền nhiệt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính tốn. Mơ phỏng tính tốn thiết kế thiết bị truyền nhiệt giúp tính tốn hàng trăm phép tính khi có sự thay đổi của một thơng số bất kỳ.

<b>Hình 2.8. Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn và vỏ bọc mà nhóm tác giả Hồ Tấn Thành, </b>

<b>Nguyễn Hồng Thuận mơ phỏng tính tốn thiết kế </b>

<i>“Nghiên cứu tính tốn q trình trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống dạng xoắn” </i>

của tác giả Hồ Trần Anh Ngọc - Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng. Bài báo này đưa ra phương pháp tính tốn TBTĐN ống lồng ống dạng xoắn để có thể áp dụng tính

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Hiện tại, các nghiên cứu về TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn trong nước vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các nghiên cứu từ nước ngoài.

<b>2.3.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài </b>

Kumar và cộng sự đã nghiên cứu các bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống xoắn bằng phương pháp số và thực nghiệm [12]. Theo cách tiếp cận phương pháp số, phần mềm Ansys Fluent đã được sử dụng, trong đó phương pháp k − ε tiêu chuẩn được áp dụng để lập mơ hình dịng chảy rối và cuối cùng các đặc tính về vận tốc và nhiệt độ đã được chứng minh.

Salimpour đã nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn [13]. Vì sự thay đổi nhiệt độ của bộ trao đổi nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất của chất lỏng nên nó cũng sẽ ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt. Salimpour đã đánh giá độ nhớt, độ dẫn nhiệt, công suất và mật độ cụ thể bằng cách xem chất lỏng hoạt động trong ống (dầu) là hàm số của nhiệt độ. Ở nhiệt độ chất lỏng đầu vào là 70 ℃, hệ số Prandtl được đặt ở trong mối tương quan Dravid và cộng sự và kết quả của nghiên cứu này (thông số thay đổi) được so sánh với kết quả của Dravid và cộng sự (thông số cố định).

Jayakumar và cộng sự đã kiểm tra sự truyền nhiệt trong cuộn xoắn ốc với điều kiện biên là nhiệt độ khơng đổi và dịng nhiệt khơng đổi trong tường [14]. Kết quả chỉ ra rằng bước xoắn chỉ có hiệu quả ở khu vực đang phát triển và hệ số Nusselt cục bộ phụ thuộc vào bước xoắn khi xảy ra hiện tượng xoắn trong dòng chảy. Điều đáng nói là hệ số Nusselt trung bình khơng phụ thuộc vào bước xoắn. Trong một nghiên cứu khác, Jayakumar đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn và trình bày mối tương quan để tính hệ số truyền nhiệt trong ống.

Hashemi và Behabadi đã nghiên cứu dòng chất lỏng nano bên trong cuộn xoắn ốc trong điều kiện biên nhiệt độ không đổi [15]. Năm 1995, Choi lần đầu tiên giới thiệu nanofuid như một môi trường mới để truyền nhiệt tại Phịng thí nghiệm quốc gia Argonne. Chất lỏng nano thu được bằng cách khuấy các hạt nano trong chất lỏng truyền nhiệt thông thường và được sử dụng phổ biến, được gọi là chất lỏng cơ bản,…

Ngồi ra, cịn rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc ống xoắn bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm, các kết quả được đăng trên các trang tạp chí khoa học uy tín.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

<b>2.4. Giới thiệu về bài báo liên quan </b>

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều bài báo nói về nghiên cứu mơ phỏng q trình trao đổi nhiệt trong các TBTĐN và chủ yếu là các bài báo từ nước ngồi. Chúng ta có thể dễ dàng tra cứu trên trang với các từ khóa liên quan đến “Shell and coil heat exchanger” sẽ cho ra rất nhiều kết quả về các bài nghiên cứu mô phỏng của TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn.

Trong nội dung đồ án này, chúng em có tham khảo một bài báo của Iran. Cụ thể là bài báo của nhóm tác giả: Mohammad Zaboli, Seyed Soheil Mousavi Ajarostaghi, Mehdi

<i>Noorbakhsh và Mojtaba Aghajani Delavar với tiêu đề là: “Effects of geometrical </i>

<i>and operational parameters on heat transfer and fluid flow of three various water based nanofluids in a shell and coil tube heat exchanger”, hiểu nôm na theo nghĩa tiếng Việt là: “Ảnh hưởng của các thông số hình học và vận hành đến sự truyền nhiệt và dòng chảy của ba chất lỏng nano gốc nước khác nhau trong TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn”. </i>

<b>2.5. Công thức tính tốn thực tế TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn </b>

Nhóm chúng em sẽ sử dụng cơ sở lý thuyết mà bài báo đưa ra kết hợp cơ sở lý thuyết từ sách “Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt” của tác giả Hồng Đình Tín, NXB Đại học Quốc Gia TP. HCM, 2013.

Các cơng thức tính tốn cho TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn về cơ bản giống với cơng thức tính tốn cho TBTĐN dạng ống lồng ống thẳng. Tuy nhiên, đối với TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn, khi lưu chất chuyển động trong ống cong, do tác dụng của lực ly tâm sẽ gây nên chảy vòng phụ trên mặt cắt. Bán kính cong r_td càng lớn, tác dụng của lực ly tâm càng nhỏ; khi r_td = ∞ cũng chính là ống thẳng, lực ly tâm bằng 0. Do sự xuất hiện của hiện tượng chảy vòng phụ khiến cho lưu chất bị nhiễu loạn kịch liệt, kết quả làm tăng hệ số tỏa nhiệt α. Để xét đến ảnh hưởng này, chúng ta vẫn có thể dùng cơng thức của ống thẳng, nhưng kết quả nhận được cần phải nhân thêm với hệ số hiệu chỉnh độ cong ε_R đối với trường hợp lưu chất chuyển động trong ống cong ở chế độ chảy rối. Còn khi lưu chất chuyển động trong ống cong ở chế độ chảy tầng, chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của lực ly tâm này.

TBTĐN dạng vỏ bọc ống xoắn mà nhóm chúng em khảo sát thuộc trường hợp lưu động ngược chiều và ở chế độ chảy tầng. Khi tính tốn cho các trường hợp đang khảo sát

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

trong đồ án này, chúng ta chỉ quan tâm đến cơng thức tính tốn cho lưu chất đi bên trong ống xoắn ở chế độ chảy tầng.

<i>*Tính nhiệt lượng 𝑄 theo phương trình cân bằng nhiệt </i>

Q = G₁. c_p1. (t₁<small>′</small> − t₁<small>′′</small>) = G₂. c_p2. (t₂<small>′′</small>− t₂<small>′</small>) , W [2.1] t₁^′′ = t₁^′ − ^Q

<small>G</small>₁<small>.c</small>_p1 , ℃

Với: Q (W) là nhiệt lượng trao đổi của thiết bị; c_p1, c_p2 (J/(kg. ℃)) là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của lưu chất nóng và lưu chất lạnh; t₁^′, t₁^′′ (℃) lần lượt là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng; t₂<small>′</small>, t₂^′′ (℃) lần lượt là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của lưu chất lạnh.

<i>*Tính </i>∆𝑡<i>̅̅̅ trung bình theo sơ đồ lưu động ngược chiều </i>

∆t̅ =

^(t<small>1</small>^′<small> − t</small>₂^′′<small>) − (t</small>₁^′′<small> − t</small>₂^′<small>)ln(t1′ − t</small>₂<small>′′</small>

<small>2</small>. (t₂<small>′</small> + t₂<small>′′</small>) , ℃ Vận tốc của lưu chất nóng đi trong ống xoắn:

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

<i>*Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu </i>𝛼₁Xác định hệ số Reynolds:

Re

₁

=

^ω¹^.d¹

<small>ν</small>₁

[2.4] Ở chế độ chảy tầng của chất lỏng (Re < 2300), hệ số Nusselt được tính bởi công thức:

Nu₁ = 0,15. Re₁^0,33. Pr₁^0,43. ( ^Pr<small>1</small>

<small>Prw1</small>)<small>0,26</small>. ε_L<i> [2.5] </i>

Với: ε_L là hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng.

Nếu tỷ số chiều dài của ống xoắn trên đường kính trong của ống xoắn l/d₁ > 50 thì có thể bỏ qua không cần xét đến ảnh hưởng này. Nếu l/d₁ < 50 thì α₁ được tính theo cơng thức [2.7] cần phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh lúc chảy tầng ε_L như trong Bảng 2.1 bên dưới.

α₁ = ^λ<small>1</small>

<small>d1</small>. Nu₁ , W/(m<small>2</small><i>. ℃) [2.7] </i>

Với: Re₁là hệ số Reynolds của lưu chất trong ống xoắn; ν₁(m²/s) là độ nhớt động học của lưu chất đi trong ống xoắn; Nu₁là hệ số Nusselt của lưu chất đi trong ống xoắn; Pr₁là hệ số Prandtl của lưu chất đi trong ống xoắn; Pr_w1là hệ số Prandtl của vách trong ống xoắn; t_w1(℃) là nhiệt độ vách bên trong của ống xoắn; α₁(W/(m². ℃)) là hệ số tỏa nhiệt đối lưu của lưu chất đi trong ống xoắn; λ₁ (W/(m. ℃)) là hệ số dẫn nhiệt của lưu chất đi trong ống xoắn.

</div>