Ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

Nh ng d ng ph ng pháp phần tử hữu h n, các bài toán kỹ thuật về c , nhiệt th y khí, điện từ sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học cho phép gi i chúng với các điều kiện biên c

M C L C

L IăCAMăĐOAN i

L I C Mă N ii

Đ ăxu tămôăhìnhăth cănghi m,ăti năhƠnhăthi tăk ăvƠăch ăt oăh ăth ngăt năd ngă nhi tăth iă,ăti năhƠnhăth cănghi măvƠăki măch ngăcácăk tăqu iii

M C L C v

DANH SÁCH B NG viii

DANH SÁCH HÌNH ix

Ch ngă1ăT NG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kết qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n ớc đư công b .6

1.2.1 Trong n ớc 6

1.2.2 NgoƠi n ớc 7

1.3 M c đích c a đề tài 8

1.4 Nhiệm v c a đề tài và giới h n c a đề tài .9

1.5 Ph ng pháp nghiên c u 9

Ch ngă 2ă NGHIểNă C U T NG TH V CÁC D NGă ĐI U KI N BIÊN TRONGăMỌIăTR NG PH N M M ANSYS CFX 11

2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 11

2.1.1 Giới thiệu chung 11

2.1.2 Kiểu bài toán có thể phân tích với ANSYS 14 .13

2.2 Lý thuyết về điều kiện biên .15

2.2.1 Định nghĩa điều kiện biên 15

2.2.2 M t s điều kiện biên toán học .15

2.3 Các d ng điều kiện biên trong ANSYS CFX [7] 16

2.3.1 Kiểu biên INLET .17

2.3.2 Kiểu biên OUTLET .18

2.3.3 Kiểu biên OPENING .19

2.3.4 Kiểu biên WALL .19

2.4 Lý thuyết truyền nhiệt .22

2.4.1 Khái niệm về trao đổi nhiệt .22

2.4.2 Các ph ng th c trao đổi nhiệt .22

2.4.2.1 Dẫn nhiệt .23

2.4.2.2 T a nhiệt (hay trao đổi nhiệt đ i l u) .25

2.4.2.3 Trao đổi nhiệt b c x 25

Ch ngă3ăNGHIểNăC U NHăH NG T CÁC THÔNG S CHÍNH C A H TH NGăĐ N NHI TăĐ Đ U RA C A KHÍ 28

3.1 M t s lo i thiết bị tận d ng nhiệt th i hiện nay 28

3.1.1 Thiết bị thu hồi nhiệt [9] 28

3.1.2 Thiết bị thu hồi nhiệt b c x kim lo i [12] 28

3.1.3 Thiết bị thu hồi nhiệt đ i l u [10],[11] 29

3.1.4 Tuabin nhiệt [12] 30

3.1.5 B trao đổi nhiệt kiểu v bọc trùm ng [13] 31

3.2 Nghiên c u nh h ng c a các thông s chính c a hệ th ng đến nhiệt đ đầu ra c a khí .32

3.2.1 Thiết kế mô hình: 32

3.2.2 Thông s mô ph ng : 33

3.2.2.1 Các thông s công tác ch yếu c a đ ng c .33

3.2.2.2 Thông s về vật liệu 33

3.2.3 Thiết lập mô hình và mô ph ng hệ th ng bằng phần mềm Ansys 14 .35

3.2.4 So sánh các kết qu mô ph ng: 36

Ch ngă4ăăMỌăPH NG H TH NG VÀ SO SÁNH V I 43

K T QU TH C NGHI M 43

4.1 Tìm hiểu về đ ng c vƠ hình d ng kích th ớc c a ng x khí th i cho thực nghiệm 43

4.1.1 Đ ng c máy phát điện CAT D333 43

4.1.2 ng x khí th i : 43

4.2 Mô ph ng quá trình gia nhiệt không khí c a hệ th ng .45

4.2.1 Thiết kế, mô ph ng kiểm tra nhiệt đ với tr ng h p 1 46

4.2.1.1 Thiết kế mô hình ng bao ngoài 46

4.2.1.2 Mô ph ng , kiểm tra nhiệt đ đầu ra ( Tr ng h p 1) 47

4.2.2 Thiết kế, mô ph ng kiểm tra nhiệt đ với tr ng h p 2 52

4.2.2.1 Thiết kế mô hình ng bao ngoài 52

4.2.2.2 Mô ph ng , kiểm tra nhiệt đ đầu ra ( Tr ng h p 2) 52

4.3 Đề xuất cho mô hình thực nghiệm 56

4.4 So sánh kết qu quá trình thực nghiệm với mô ph ng 58

4.4.1 Quá trình thực nghiệm : 58

4.4.2 Kết qu thực nghiệm 59

4.4.3 So sánh với kết qu mô ph ng 59

Ch ngă5ăK T LU N 61

TÀI LI U THAM KH O 63

PH L C 64

DANH SÁCH B NG

B ng 1.1 Nguồn nhiệt th i và chất l ng 2

B ng 1.2: Nhiệt đ nhiệt th i trong vùng nhiệt đ cao từ các nguồn khác nhau 3

B ng 1.3 Nhiệt đ nhiệt th i điển hình trong vùng nhiệt đ trung bình từ các nguồn khác nhau 4

B ng 1.4: Nhiệt đ nhiệt th i điển hình trong vùng nhiệt đ thấp từ các nguồn khác nhau 4

B ng 1.5 Các ng d ng và thiết bị thu hồi nhiệt th i 5

B ng 3.1: Kết qu mô ph ng sau khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 1 36

B ng 3.2: Kết qu mô ph ng sau khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 2 37

B ng 3.3: Kết qu mô ph ng sau khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 3 38

B ng 3.4: Kết qu mô ph ng sau khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 4 39

B ng 3.5: Kết qu mô ph ng 4 mẫu 40

B ng 3.6: Kết qu mô ph ng khi t o gân trên ng x .41

B ng 3.7: Kết qu mô ph ng khi thay đổi th ng s l u l ng hút 41

B ng 4.1: Kết qu mô ph ng c a 3 mẫu (tr ng h p 1) 50

B ng 4.2: Kết qu mô ph ng nhiệt đ đầu ra (outlet) tr ng h p 1 51

B ng 4.3: Kết qu mô ph ng c a 3 mẫu (tr ng h p 2) 55

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 : Giao diện ANSYS 14 13

Hình 2.2: Trình tự để gi i m t bài toán ANSYS 14 14

Hình 2.3 :Điều kiện biên trong mô hình đa pha .16

Hình 2.4 : Các điều kiện biên c b n định nghĩa m t dòng ch y 17

Hình 2.5: Kiểu biên Symmetry 21

Hình 2.6 : Mô hình không thiết lập điều kiện biên đ i x ng 21

Hình 2.7: Ba ph ng th c trao đổi nhiệt (a): dẫn nhiệt; (b): đ i l u; (c): b c x .22

Hình 2.8: Cân bằng nhiệt cho dV trong V 24

Hình 2.9 : Tia nhiệt trong thang đo sóng điện từ .26

Hình 3.1 : Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004) 28

Hình 3.2: Thi ết bị thu hồi nhiệt b c x kim lo i (Hardtech Group) 29

Hình 3.4: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết h p 30

Hình 3.3: Thiết bị thu hồi nhiệt đ i l u (Reay, D.A., 1979) 30

Hình 3.5: Tuabin nhiệt (SADC, 1999) 31

Hình 3.6: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ng bọc 32

Hình 3.7a: Mô hình thực tế Hinh 3.7b: Mô hình thí nghiệm 33

Hình 3.8 : Kích th ớc s b c a ng x khí th i 34

Hình 3.9: Các mẫu thiết kế ng bao 35

Hình 3.10: Miêu t các th ng s đầu vào cho bài toán 35

Hình 3.11: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 1 36

Hình 3.12 :Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 2 37

Hình 3.13: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 3 38

Hình 3.14: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi kho ng cách X với mẫu 4 39

Hình 3.15: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra 4 mẫu .40

Hình 3.16: T o gân trên ng x .40

Hình 3.17: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra khi t o gân trên ng x mẫu 2 41

Hình 3.18: Biểu đồ nhiệt đ đầu ra khi thay đổi th ng s l u l ng hút 42

Hình 3.19 : Biểu đồ so sánh nhiệt đ mẫu 2T, 2S 42

Hình 4.1 : Đ ng c máy phát điện CAT D333 43

Hình 4.2 : ng x khí th i 44

Hình 4.3 : Kích th ớc s b c a ng x .44

Hình 4.4 : Quá trình gia nhiệt không khí c a hệ th ng 45

Hình 4.5 : Hai tr ng h p mô ph ng (1): dòng gia nhiệt bằng qu t thổi đặt đầu vào(inlet); (2): dòng gia nhiệt bằng qu t hút đặt đầu ra(outlet) 46

Hình 4.6 : ng bao ngoƠi vƠ kích th ớc 46

Hình 4.7 : Mô hình 3D ( tr ng h p 1) 47

Hình 4.8 : Mô hình hình học c a bài toán 47

Hình 4.9: Chia l ới 47

Hình 4.10: Miêu t các th ng s đầu vào cho bài toán 48

Hình 4.11: Điều kiện biên INLET 48

Hình 4.12: Điều kiện biên OUTLET 49

Hình 4.13: Điều kiện biên WALL 49

Hình 4.14: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra c a 3 mẫu (tr ng h p 1) 50

Hình 4.15: T o gân trên ng x .50

Hình 4.17: ng bao ngoƠi vƠ kích th ớc 52

Hình 4.18: Mô hình 3D ( tr ng h p 2) 52

Hình 4.19: Mô hình hình học c a bài toán 53

Hình 4.20: Chia l ới 53

Hinh 4.21: Miêu t các th ng s đầu vào cho bài toán 53

Hình 4.22: Điều kiện biên INLET 54

Hình 4.23: Điều kiện biên OUTLET 54

Hình 4.24: Điều kiện biên WALL 55

Hình 4.25: Biểu đồ so sánh nhiệt đ đầu ra c a 3 mẫu (tr ng h p 2) 56

Hình 4.26: Kích th ớc ng bao ngoài trong mô hình thực nghiệm 56

Hình 4.27: a) Qu t thổi 57

Hình 4.28: Lắp ng bao ngoài và cách nhiệt ng bằng Amiang 58

Hình 4.29: Nhiệt đ đo t i Turbo và cổ ng x .58

Hình 4.30: Nhiệt đ đo t i đo n gia nhiệt c a ng x .59

Hình 4.31: Nhiệt đ khí thu đ c sau khi đ ng c ch y có t i 59

Hình 4.33: Biểu đồ so sánh nhiệt đ .59

Ho t đ ng c a các lò h i, lò nung, lò luyện vƠ đ ng c th ng phát sinh ra m t

l ng lớn khí th i rất nóng Nếu m t phần nhiệt th i nƠy đ c tận d ng thì chúng ta

có thể tiết kiệm đ c m t l ng nhiên liệu đáng kể Chúng ta không thể thu hồi

đ c toàn b nh ng có thể thu hồi đ c phần lớn năng l ng trong khí th i

Hiện nay nguồn năng l ng nƠy đ c tận d ng để dùng vào nhiều m c đích khác nhau: S n xuất h i, điện năng, điều hoà không khí hay làm l nh không khí cấp vƠo đ ng c

Ví d về hệ th ng tận d ng nhiệt khí th i lò nung clinker phát điện Nhà máy

xi măng Hà Tiên 2 Nguyên lý ho t đ ng c a hệ th ng: khí th i từ lò quay có nhiệt

đ từ 350 – 3800C đ c dẫn vào nồi h i thực hiện trao đổi nhiệt t o ra h i quá nhiệt Dùng h i quá nhiệt quay turbine dẫn đ ng máy phát điện Phần khí sau khi đư qua trao đổi nhiệt còn kho ng 2300C đ c đ a về sấy liệu cho máy nghiền b t s ng Khi lò nung ho t đ ng bình th ng với công suất 3.000 tấn clinker/năm, nhƠ máy phát đ c 3 MW điện Ngoài hiệu qu chính là thu hồi l ng nhiệt th i từ lò nung

để phát điện làm gi m chi phí tiêu th điện năng, hệ th ng thu hồi nhiệt th i còn có những tác d ng ph tích cực nh :

Hệ th ng đư hấp th nhiệt và chuyển thƠnh điện năng, lƠm gi m nhiệt đ đầu vào c a các thiết bị thu c công đo n phía sau giúp các thiết bị ho t đ ng ổn định h n, gi m h h ng, tăng tuổi thọ máy nghiền b t s ng, qu t gió KK15-KM02, lọc b i tĩnh điện

Khi tận d ng nhiệt th i, cần xem xét tr ớc hết là chất l ng nhiệt th i

Dựa vào lo i quy trình, có thể tận d ng nhiệt th i t i bất kỳ nhiệt đ nào từ nhiệt đ thấp c a n ớc làm mát đến nhiệt đ cao c a khí th i trong lò luyện ,lò nung công nghiệp, đ ng c Thông th ng, nhiệt đ cao h n t ng ng với tận d ng nhiệt chất l ng cao h n vƠ l i nhuận so với chi phí cao h n Trong bất kỳ nghiên

c u về tận d ng nhiệt th i nƠo cũng vô cùng cần thiết ph i có ng d ng c a nhiệt

đ c tận d ng Những ví d điển hình về sử d ng nhiệt thu hồi bao gồm gia nhiệt

s b không khí đ t, s i hoặc gia nhiệt s b n ớc cấp nồi h i hay n ớc trong quy trình s n xuất

- Chất l ng và tiềm năng sử d ng :[8]

Khi xem xét tiềm năng tơn d ng nhiệt, nên ghi l i tất c các nguồn th i kh thi, chất l ng và tiềm năng sử d ng c a chúng (xem B ng 1.1)

B ng 1.1 Nguồn nhiệt th i và chất l ng

STT Ngu n nhi t th i Ch tăl ng nhi t th i và ti mănĕngăsử d ng

1 Nhiệt t i ng khói khí th i Nhiệt đ càng cao giá trị tiềm năng thu hồi nhiệt

càng lớn

2 Nhiệt trong dòng h i Cũng gi ng nh nhiệt t i khói lò nh ng khi

ng ng t l i cũng có thể thu hồi nhiệt ẩn

3 Nhiệt b c x & đ i l u thất thoát từ

bề mặt ngoài c a thiết bị

Nếu đ c tận d ng, có thể sử d ng để s i nhà hoặc gia nhiệt s b không khí

4 Thất thoát nhiệt trong n ớc làm

mát

Cấp thấp – sẽ hữu ích nếu trao đổi nhiệt với

n ớc tự nhiên đi vƠo

5 Thất thoát nhiệt trong quá trình

- Tiềm năng tận d ng nhiệt th i đ i với các quy trình công nghiệp khác nhau:

Có thể tân d ng nhiệt th i từ các quy trình công nghiệp khác nhau Có sự phân biệt

rõ giữa nhiệt đ thấp, nhiệt đ trung bình và nhiệt đ cao c a nhiệt th i

B ng 1.2 cho biết nhiệt đ c a khí th i từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong

vùng nhiệt đ cao Tất c các kết qu nƠy đều từ quy trình đ t nhiên liệu trực tiếp

B ng 1.2: Nhiệt đ nhiệt th i trong vùng nhiệt đ cao từ các nguồn khác nhau

B ng 1.3 cho biết nhiệt đ c a khí th i từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt đ trung bình Hầu hết nhiệt th i trong vùng nhiệt đ nƠy đều đến từ khí x

c a các b phận trong quy trình đ t trực tiếp

B ng 1.3 Nhiệt đ nhiệt th i điển hình trong vùng nhiệt đ trung bình từ các nguồn

khác nhau

B ng 1.4 liệt kê m t s nguồn nhiệt trong vùng nhiệt đ thấp Trong vùng nhiệt đ nƠy, th ng không thực tiễn khi tách công sinh ra từ nguồn mặc dù hoàn toàn có thể lo i trừ s n sinh h i nếu có nhu cầu về h i áp suất thấp Nhiệt th i nhiệt

đ thấp có thể có ích trong tr ng h p bổ sung cho m c đích gia nhiệt s b

B ng 1.4: Nhiệt đ nhiệt th i điển hình trong vùng nhiệt đ thấp từ các nguồn khác

B ng 1.5 Các ng d ng và thiết bị thu hồi nhiệt th i

Thi t b thu h i

nhi t

Device

Vùng Nhi tăđ

nhiệt đ i l u

M-H Lò hoặc đều, lò nung

ch y, m đ t sau, thiết bị thiêu khí, m đ t ng b c

x , lò gia nhiệt l i

Gia nhiệt s b không khí đ t cháy

Máy thu hồi nhiệt

c a lò luyện

H Lò nung ch y thép và

th y tinh

Gia nhiệt s b không khí đ t cháy Bánh xe nhiệt kim

lo i

L-M Lò sấy khô và sấy, khí x

lò h i

Gia nhiệt s b không khí đ t cháy,

S i Bánh xe nhiệt g m M-H Khí x lò thiêu hoặc nồi

h i lớn h n Gia nhiệt s b không khí đ t cháy Máy thu hồi nhiệt

kiểu ng có cánh

t n nhiệt

L-M Khí x lò h i Gia nhiệt s b n ớc

bổ sung cho nồi h i

Máy thu hồi nhiệt

kiểu ng bọc

L N ớc ng ng lƠm l nh, h i

th i, n ớc ng ng ch ng cất, chất làm l nh từ đ ng

c , thiết bị nén khí, giá đỡ

Dòng chất l ng cần gia nhiệt

Đ ng ng nhiệt L-M Lò sấy, n ớng và sấy khô,

H i th i, máy sấy không khí, lò nung và lò lửa quặt

Gia nhiệt s b không khí cháy, gia nhiệt s b n ớc bổ sung cho nồi h i,

s n sinh h i, n ớc nóng , s i

Nồi h i nhiệt th i M-H Khí th i từ tuabin khí,

đ ng c pittông, lò thiêu

và lò luyện

S n sinh h i hoặc

n ớc nóng

Trong những đề tài nghiên c u về tận d ng nhiệt th i, tận d ng nhiệt th i bằng

hệ th ng thu hồi nhiệt đang lƠ cách t t nhất để ph c hồi nhiệt th i và tiết kiệm nhiên liệu Sự ph c hồi và sử d ng nhiệt th i không chỉ b o tồn nhiên liệu , nhiên liệu hóa th ch th ng mà còn làm gi m l ng nhiệt th i và hiêu ng nhƠ kính đ i

với môi tr ng

Với Việt Nam là m t qu c gia có nền công nghiệp đang phát triển Cùng với

xu h ớng đó lƠ sự phát triển m nh mẽ c a m ng l ới giao thông vƠ ph ng tiện vận

t i Theo s liệu th ng kê tháng 09/2012 c a C c Đăng kiểm Việt Nam, s l ng

ph ng tiện giao thông vận t i đ ng b , đ ng th y và xe máy trong c n ớc nh sau: 1.504.432 ôtô đang l u hƠnh, 2.287.225 xe máy s n xuất lắp ráp mới năm

2012, 258.080 tàu sông các lo i, 1.612 tàu biển 100 % tàu th y đ c trang bị đ ng

c diesel, 100 % xe máy đ c trang bị đ ng c xăng, kho ng 65 % ôtô đ c trang

bị đ ng c diesel vƠ kho ng 35 % ô tô đ c trang bị đ ng c xăng Hai lo i đ ng c

đ t trong kể trên hoƠn toƠn đáp ng yêu cầu với ch c năng lƠ nguồn đ ng lực cho ôtô nói riêng và các lo i ph ng tiện c giới tự hành nói chung Ví d , hãy xem xét

đ ng c đ t trong với hiệu suất nhiệt c a chu trình là:3048% Nhiệt l ng

do khí x mang đi chiếm 2025% tổng nhiệt sinh ra trong buồng cháy đ ng c , ngoài ra nhiệt do n ớc làm mát th i ra chiếm kho ng 10% đến16% tổng nhiệt l ng sinh ra trong buồng đ t Do đó, khí th i sẽ có nhiệt đ cao.Với m t nguồn nhiệt th i lớn nh vậy nếu biệt tân d ng nó vào m c đích khác nhau thì sẽ mang l i hiệu qu kinh tế cao

1.2 Các k t qu nghiên c u trong và ngoài n căđưăcôngăb

Hệ th ng tận d ng nhiệt th i trên thế giới vƠ trong n ớc đư có nhiều đề tài nghiên c u cho nhiều m c đích khác nhau nh :

1.2.1.ăTrongăn c

- GS.TS.LêViết L ng, NCS.Nguyễn Ngọc H i, KS.Phan Văn Đ c – năm 2010, đư nghiên c u thiết kế nồi h i tận d ng nhiệt khí x đ ng c Diezel tƠu th y kiểu Moduyn ( THE MODULAR BOILER USING HEAT FROM EXPLLED AIR OF MAIN ENGINE)

- KS Nguyễn Hữu Huệ, Chu Mai Vinh, Nguyễn Lê Chơu ThƠnh đư thiết kế hệ

th ng tận d ng nhiệt từ khí x đ ng c để ch y máy l nh ng d ng trên tàu cá

1.2.2.ăNgoƠiăn c

- Alpesh V Mehta, “Waste Heat Recovery Using Stirling Engine,” International Journal of Advanced Engineering Technology, Vol.3, 2012,đư nghiên c u hệ th ng tận d ng nhiệt th i dùng trong đ ng c Stirling

- Heat Recovery Systems by D.A.Reay, E & F.N.Span, London, 1979, đư nghiên

c u, thiết kế hệ th ng thu hồi nhiệt kiểu đ i l u

- SADC Energy Sector Module 15 Heat Recovery Systems Developed as part of

the SADC Industrial Energy Management Project for the Canadian International Development Agency 1999, đư nghiên c u, thiết kế hệ th ng thu hồi nhiệt d ng Tuabin nhiệt

- M Talbi and B Agnew, Energy recovery from diesel engine exhaust gases for

performance enhancement and air conditioning, Applied Thermal Engineering, vol

22, 2002, đư nghiên c u đề tài ph c hồi năng l ng từ khí th i đ ng c diesel để nâng cao hiệu suất vƠ điều hòa không khí

- P Sathiamurthi, “Design and Development of Waste Heat Recovery System for air Conditioning,” Unit European Journal of Scientific Research, Vol.54 No.1 (2011) Thiết kế và phát triển nhiệt th i ph c hồi hệ th ng cho điều hòa không khí

- Hou Xuejun and Gao Deli, “Analysis of Exhaust Gas Waste Heat Recovery and Pollution Processing for Z12V190 Diesel Engine,” Maxwell Scientific Organization, Res J Appl Sci Eng Technol.,vol.4, 2012, đư nghiên c phân tích thu hồi nhiệt khí th i và xử lý ô nhiễm cho Đ ng c Diesel Z12V190

Trong những nghiên c u về công nghệ tiết kiệm năng l ng Thu hồi nhiệt khí

th i từ đ ng c đ c coi là m t trong những công nghệ tiết kiệm năng l ng hiệu

qu nhất Nhiều nhà nghiên c u nhận ra rằng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c tuy không làm gi m nhiệt khí th i và ô nhiễm môi tr ng nh ng nó mang l i nhiều l i ích về kinh tế

1.3 M căđíchăc aăđ tài

Kỹ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp vƠ đ i s ng Trong quy trình công nghệ s n xuất c a rất nhiều s n phẩm đều có công đo n sấy khô để b o qu n dƠi ngƠy Công nghệ nƠy ngƠy cƠng phát triển trong công nghiệp

nh công nghiệp chế biến h i s n, rau qu , công nghiệp chế biến g , công nghiệp

s n xuất vật liệu xơy dựng vƠ thực phẩm khác Các s n phẩm nông nghiệp d ng h t

nh lúa, ngô, đậu, café… sau khi thu ho ch cần sấy khô kịp th i, nếu không s n

phẩm sẽ gi m phẩm chất thậm chí bị h ng

Bảo quản sau thu hoạch hải sản kém: Mất 8.000 tỷ đồng/năm

Thu ho ch h i s n c ng cá Tam Quan Bắc (HoƠi Nh n-Bình Định.) KTNT -

ớc tính, m i chuyến biển c a ng dơn có kho ng 20 - 30% s n l ng khai thác (tƠu l ới kéo b o qu n bằng ớp mu i) bị tổn thất Nh vậy, m i năm c n ớc mất trên d ới 400.000 tấn h i s n, t ng đ ng 8.000 tỷ đồng ớc tính, m i chuyến biển c a ng dơn có kho ng 20 - 30% s n l ng khai thác (tƠu l ới kéo b o qu n bằng ớp mu i) bị tổn thất Nh vậy, m i năm c n ớc mất trên d ới 400.000 tấn

h i s n, t ng đ ng 8.000 tỷ đồng

Nông dơn Đồng Bằng Sông Cửu Long th ng s n xuất 2-3 v lúa/năm, s n

l ng trung bình 17 triệu tấn/năm, hao phí sau thu ho ch rất lớn, từ 10-25%, trong

đó khơu ph i đôi khi chiếm đến 10% Trong mùa m a ẩm đ h t lúa ngoƠi đồng lúc thu ho ch kho ng 28-30%, nếu không ph i sấy kịp th i (để trong bao hoặc đổ đ ng) thì sau 24 gi h t sẽ n y mầm Với điều kiện th i tiết bất th ng v Hè Thu vƠ Thu Đông, khi ph i lúa sẽ gặp nhiều khó khăn nh : không ph i đ c trong những ngƠy m a dầm, ph thu c nhiều vƠo sơn bưi, chi phí lao đ ng cao, khó tìm nhân công, h t dễ bị lẫn t p chất, h t khô không đều nếu ph i quá dƠy vƠ ít cƠo đ o, chất

l ng h t bị gi m do không đ nắng, ph i không đúng kỹ thuật sẽ cho tỉ lệ g o xay xát thấp.Vì vậy trong mùa m a cần lƠm khô h t kịp th i bằng biện pháp sấy

Do vậy, nghiện c u thiết kế hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c vƠo việc sấy khô các lo i nông s n, h i s n hoặc d c liệu đang lƠ m t vấn đề cần thiết và cấp thiết hiện nay

Hệ th ng sấy tận d ng nhiệt th i từ đ ng c lƠ hệ th ng cung cấp khí nóng vào hầm sấy để sấy với chất l ng s n phẩm ra cao , tiết kiệm đ c nguồn năng l ng đáng kể hƠng năm

1.4 Nhi m v c aăđ tài và gi i h n c aăđ tài

Nhi măv ăc aăđ ătƠiă:

- Thiết lập qui trình ng d ng công c mô ph ng (CAE) cho quá trình thiết kế

hệ th ng tận d ng nhiệt th i

- Nghiên c u nh h ng c a các thông s chính c a hệ th ng đến nhiệt đ đầu

ra c a khí

- Thiết kế vƠ chế t o hệ th ng tận d ng nhiệt th i

Việc tận d ng nhiệt th i từ đ ng c đ c sử d ng nhiều m c đích khác nhau,

nh ng trong đề tƠi nghiên c u nƠy tác gi chỉ tập trung vƠo nghiên c u, thiết kết vƠ

mô ph ng hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c vƠo lĩnh vực sấy Do vậy giới h n

Nghiên c u chế t o hệ th ng tận d ng nhiệt th i bằng cách tận d ng nhiệt th i

từ đ ng c theo ph ng pháp mô ph ng kết h p với thực nghiệm

- Tham kh o các công trình nghiên c u về hệ th ng tận d ng nhiệt th i

- Tham kh o tƠi liệu chất l ng vƠ tiềm năng sử d ng nhiệt th i

- Đề xuất d ng mô hình rồi tính toán lý thuyết c a hệ th ng bằng phần mềm

mô ph ng Ansys 14, dựa trên lý thuyết tìm các thông s t i u c a hệ th ng đề hoƠn chỉnh mô hình

- Chế t o mô hình hệ th ng thí nghiệm chế t o thiết bị thực tế, sử d ng thiết

bị trong điều kiện thực tế vƠ hiệu chỉnh lần cu i tr ớc khi triển khai ng d ng

ANSYS đ c lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên c u c a Dr John Swanson,

hệ th ng tính toán Swanson (Swanson Analysis System) t i mỹ, là m t gói phần

mềm dựa trên ph ng pháp phần tử hữu h n để phận tích bài toán vật lý c học, chuyển các ph ng trình vi phơn ph ng trình đ o hàm riêng từ d ng gi i tích về

d ng s với việc sử d ng ph ng pháp r i r c hóa và gần đúng để gi i và mô ph ng

ng xử c a m t hệ vật lý khi chịu tác đ ng c a các lo i t i trọng khác nhau

Nh ng d ng ph ng pháp phần tử hữu h n, các bài toán kỹ thuật về c , nhiệt th y khí, điện từ sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học cho phép

gi i chúng với các điều kiện biên c thể với s bậc tự do lớn

Để gi i m t bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đ a vƠo các điều kiện ban đầu vƠ điều kiện biên cho mô hình hình học Các ràng bu c và các ngo i lực hoặc

n i lực ( lực, chuyển vị, nhiệt đ , mật đ ) đ c đ a vƠo t i từng nút, t ng phần tử trong mô hình hình học

Sau khi xác lập các điều kiện bƠi toán, để gi i chúng, ANSYS cho phép chọn các d ng bài toán Cac kết qu tính toán đ c ghi l u vƠo các File dữ liệu Việc xuất các dữ liệu đ c tính toán vƠ l u trữ, ANSYS có hệ hậu xử lý m nh, cho phép

xuất dữ liệu đ ới d ng đồ thị, nh, để có thể quan sát tr ng ng suất, biến d ng hoặc nhiệt đ , đồng th i cũng cho phép xuất kết qu d ới d ng b ng s

ANSYS là m t phần mềm m nh vƠ để gi i các bài toán với s phần tử lớn thì

đòi h i cấu hình máy cao ANSYS có những tính năng nổi bật như sau :

- Kh năng đồ họa m nh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác, cũng nh truyền dẫn những mô hình CAD [3]

- Gi i đ c nhiều lo i bƠi toán nh : Tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện tử, điện từ, nhiệt, l u chất …

- Th viện phần tử lớn, có thể thêm phần tử, lo i b hoặc thay đổi đ c ng phần tử trong mô hình tính toán

- Đa d ng về t i trọng : t i tập trung, phân b , nhiệt, vận t c góc …

- Phần xử lý kết qu cao cấp cho phép vẽ các đổ thị, tính toán t i u …

- Có kh năng nghiên c u những đáp ng vật lý nh : tr ng ng suất, tr ng nhiệt đ , nh h ng c a tr ng điện từ

- Gi m chi phí s n xuất vì có thể tính toán thử nghiệm

- T o những mẫu kiểm tra cho môi tr ng có điều kiện làm việc khó khăn

- Hệ th ng Menu có tính tr c giác giúp ng i sử d ng có thể định h ớng xuyên su t ch ng trình ANSYS

Giao diện c a ANSYS Workbench có ba phần chính :

- Phía trên là các thanh công c h tr

- Phía bên tay trái là h p tho i Toolbox n i ch a những mô đun mƠ có thể sử

d ng khi thao tác với phần mềm

- Phần giữa là màn hình chính Project Schematic

Hình 2.1 : Giao diện ANSYS 14 Trong h p tho i Toolbos\Analysis system gồm 17 mô đun t ng ng với 17

17 kiểu bài toán có thể phân tích với ANSYS 14

2.1.2 Ki u bài toán có th phân tích v i ANSYS 14

1 Electric – Điện

2 Explicit Dynamic – Đ ng lực học

3 Fluid Flow (CFX) – Dòng chất l ng (CFX)

4 Fluid Flow ( FLUENT) – Dòng chất l ng (FLUENT)

5 Harmonic Response – Tính toán đáp ng điều hòa

6 Linear Buckling – Tính toán ổn định

7 Magnetostatic – Phân tích từ tĩnh

8 Modal – Phơn tích dao đ ng riêng

9 Random Vibration – Dao đ ng ngẫu nhiên

10 Response Spectural – Phân tích phổ

11 Shape Optimization – T i u hóa hình d ng

12 Static Structure – Phơn tích tĩnh

13 Steady – State Thermal – Phân tích nhiệt tr ng thái ổn định

14 Thermal Electric – Nhiệt điện

15 Transient Structural (ANSYS) – Kết cấu quá đ (ANSYS)

16 Transient Structural (MBD) – Kết cấu quá đ (MBD)

17 Transient Thermal – Quá nhiệt đ

Đ i với m t bài toán c thể, ph i xác định đ c d ng c a bài toán và từ đó lựa chọn mô đun phù h p để gi i quyết vần đề bƠi toán đặt ra Đ i với m i d ng bài

ng với từng mô đun sẽ có ph ng pháp gi i những bƠi toán đó trong phần mềm ANSYS 14 Vì vậy, trong giới h n c a đề tài này, chỉ tập trung phần tích bài toán Fluid Flow (CFX) – Dòng chất l ng (CFX)

Trình tự để gi i m t bƠi toán ANSYS 14 nh hình 2.2

Hình 2.2: Trình t ự để gi i m t bài toán ANSYS 14

2.2 Lý thuy t v đi u ki n biên

2.2.1.ăĐ nhănghƿaăđi u ki n biên

Trong mô ph ng s , thực tế là rất khó khăn để mô ph ng toàn b không gian bài toán kh o sát Thông th ng chúng ta chỉ chọn m t vùng quan tơm để mô

ph ng Vùng mô ph ng đó có m t biên bao quanh miền môi tr ng Mô ph ng s cũng ph i quan tâm tới quá trình vật lý trong vùng biên Trong hầu hết các tr ng

h p, điều kiện biên là rất quan trọng cho mô ph ng quá trình vật lý c a bài toán

Lựa chọn điều kiện biên khác nhau có thể dẫn đến các kết qu mô ph ng rất khác nhau Đặt điều kiện biên không h p lý có thể lƠm thay đổi hoặc không thể hiện

đ c nh h ng vật lý c a hệ th ng mô ph ng, việc đặt h p lý điều kiện biên có thể tránh đ c những nh h ng này

Từ sự quan trọng và cần thiết c a điều kiện biên trong bài toán mô ph ng s ,

ng i ta đ a ra m t định nghĩa chung về điều kiện biên: Điều kiện biên là một thiết

l ập các giá trị, thuộc tính hoặc điều kiện trên các bề mặt của miền tính toán Nó cần thi ết để định nghĩa đầy đủ dòng chất cần mô phỏng

2.2.2 M t s đi u ki n biên toán h c

Theo b n chất toán học c a từng tr ng h p, ng i ta phân lo i ra các kiểu điều kiện biên khác nhau:

- Điều kiện biên cố định (Fixed boundary condition): thể hiện những giá trị

môi tr ng không thay đổi theo th i gian và quá trình vật lý bên trong miền tính toán

- Điều kiện biên tuyến tính (Linear boundary condition): Nếu nh nh h ng

c a quá trình vật lý trong miền mô ph ng lƠ đ lớn tới biên, khi đó ta ph i quan tâm tới sự t ng tác c a nh h ng đó với môi tr ng bên ngoƠi Lúc đó biên sẽ thay đổi tuyến tính phù h p với m i t ng tác đó

- Điều kiện biên đối xứng (Symmetric boundary condition): Trong m t s mô

ph ng, chúng ta có thể gi định m t điều kiện đ i x ng trên biên Việc thiết lập điều kiện đó trên biên t ng ng với m t gi định vật lý là: trên hai mặt c a biên, x y ra cùng m t quá trình vật lý gi ng nhau

- Điều kiện biên biến đổi theo thời gian (Time varying boundary condition):

M t s tr ng h p mô ph ng nh mô ph ng dự báo th i tiết, trong đó có các dữ liệu quan sát và sử d ng chúng nh lƠ điều kiện biên Sau đó, điều kiện biên sẽ thay đổi theo th i gian Mặc dù ph c t p, nh ng m t điều kiện biên biến đổi theo th i gian l i là cách rất thực tế để mô ph ng các không gian s

- Điều kiện biên đặc biệt (Special boundary condition): Trong m t s tr ng

h p, chúng ta ph i gi i quyết với những điều kiện biên đặc biệt, mà đó quá trình

vật lý biên tuân theo những ràng bu c đặc biệt Trong tr ng h p này, chúng ta cần có m t hiểu biết t t về b n chất vật lý c a ràng bu c đó vƠ thiết lập điều kiện biên sao cho phù h p

2.3 Các d ngăđi u ki n biên trong ANSYS CFX [7]

Trong CFX, khái niệm điều kiện biên dùng để đặt các tính chất hoặc điều kiện cho các mặt c a miền tính toán, để định nghĩa đầy đ mô hình Lựa chọn kiểu điều kiện biên nào cho biên ph thu c vƠo đặc tính c a mặt biên đó

Biên chất l ng (fluid boundary)

Biên chất rắn (solid boundary)

Biên chất l ng (Fluid boundary) là mặt ngoài c a miền tính toán chất lỏng vƠ đ c

cung c ấp những kiểu điều kiện biên sau:

Inlet - chất l ng đi vƠo miền tính toán

Outlet – chất l ng đi ra miền tính toán

Opening – chất l ng đồng th i c vào hoặc ra miền tính toán Điều kiện này

không đ c dùng với miền tính toán đa pha

Wall – biên giới h n dòng ch y

Symmetry – biên định nghĩa mặt đ i x ng c a mô hình hình học và và mô hình vật lý c a dòng

Hình 2.4 : Các điều kiện biên c b n định nghĩa m t dòng ch y

Velocity specified condition

Với việc thiết lập đầu vào INLET các thành phần vận t c c a dòng ch y đi vƠo miền tính toán Quá trình tính toán c a phần mềm cho phép t i đó dòng có thể đi ra ngoƠi miền tính toán

Pressure and mass flow condition

Khi thiết lập đầu vào INLET với các giá trị

c a áp suất vƠ l u l ng dòng ch y thì trong quá trình tính toán c a phần mềm không cho phép t i biên đó dòng đi ra ngoƠi miền tính toán bằng cách dựng lên m t t ng o Trong thiết lập biên INLET ta có 3 tùy chọn:

Inlet (Subsonic): dùng cho dòng chất chuyển đ ng với vận t c có M<1 đơy các đ i l ng có h ớng vƠ vô h ớng c a dòng ch y đ c thiết lập hoặc tính toán thông qua các liên hệ toán học xác định cho điều kiện biên này

Inlet (supersonic): dùng cho dòng chất có t c đ siêu âm M>1 Chỉ có thể dùng nếu mô hình năng l ng tổng đ c dùng và chất l ng lƠ khí lý t ng, chất l ng

thực hoặc general fluid có trọng l ng riêng là hàm c a áp suất Inlet supersonic

ph i xác định tất c các đ i l ng gồm áp suất, nhiệt đ , vận t c

Inlet (Mixed Subsonic-Supersonic): cho phép c dòng siêu ơm vƠ dòng d ới âm trong cùng m t điều kiện đầu vào Sự pha tr n giữa 2 chế đ dòng này dựa vào thành phần vận t c, áp suất tổng và nhiệt đ tĩnh hoặc áp suất tĩnh vƠ nhiệt đ tĩnh

do ng i dùng xác định Trong c 2 tr ng h p solver sẽ đánh giá s Mach c c b

từ giá trị ng i dùng Đầu vào h n h p chỉ có thể dùng nếu dùng mô hình Năng

l ng tổng và chất l ng lƠ nén đ c

2.3.2 Ki u biên OUTLET

Biên Outlet đ c dùng khi dòng ch y đi ra miền tính toán chiếm u thế Tuy nhiên cũng gi ng nh biên inlet, biên outlet cũng cho phép dòng ch y đi vƠo trong

tr ng h p ta lựa chọn thiết lập thành phần vận t c cho dòng ra

Velocity specified condition

Với việc thiết lập đầu ra Outlet các thành phần vận t c c a dòng ch y đi

ra miền tính toán Quá trình tính toán

c a phần mềm cho phép t i đó dòng

có thể đi vƠo miền tính toán

Pressure and mass flow condition

Khi thiết lập đầu ra Outlet với các giá trị c a áp suất vƠ l u l ng dòng ch y thì trong quá trình tính toán c a phần

mềm không cho phép t i biên đó dòng

đi vƠo ngoƠi miền tính toán bằng cách dựng lên m t t ng o

Thông th ng áp suất tĩnh t ng đ i đ c xác định trên toàn b biên outlet Việc xác định áp suất tĩnh c a đƠu ra dòng ch y là dễ dàng và h p lý h n c

2.3.3 Ki u biên OPENING

Đ c dùng khi mà thông tin về dòng ch y vào hay ch y ra miền tính toán là không có Với điều kiện biên này sẽ cho phép chất l ng đi qua biên theo c 2

h ớng T c là toàn b chất l ng sẽ đi vƠo miền tính toán qua biên opening, hoặc tất

c sẽ ch y ra qua opening, hoặc h n h p 2 kh năng cùng x y ra

Chỉ dùng điều kiện biên nƠy cho dòng d ới âm Quá trình thiết lập các giá trị

c a các đ i l ng dòng ch y c a biên opening hoàn toàn gi ng với thiết lập biên Inlet hoặc Outlet Với thiết lập giá trị thành phần vận t c có thể thiết lập với các thành phần vận t c theo tọa đ Descartes hoặc tọa đ tr :

Với thiết lập áp suất:

Với dòng ch y ngoài:

Với dòng ch y trong:

2.3.4 Ki u biên WALL

- T ng là biên rắn (không thấm n ớc) đ i với dòng ch y

- Chỉ cho phép nhiệt truyền qua

- Điều kiện biên t ng th ng là mặc định trong ANSYS CFX Pre

- ng xử c a t ng đ i với dòng ch y tầng và dòng ch y r i lƠ nh nhau, ngo i trừ điều kiện No-slip

Phân lo i t ng:

- Exterior Wall: là lo i điều kiện biên mặc định cho tất c các bề mặt khi mà

chúng không đ c ấn định điều kiện biên gì

- Thin Surface: th ng dùng mô hình hóa điều kiện biên t ng 2D trong miền

chất l ng Thin Surface đ c t o b i phân miền 3D xác định và dùng mặt ngoài c a chúng để định vị trí cho Thin Surface Thin Surface có ích đ i với mô hình mƠ đ dƠy đ c b qua, ví d nh van dẫn h ớng trong ng Sự truyền dẫn qua Thin Surface lƠ không đ c chấp nhận trong CFX

tr ng h p nhiều pha nếu m t chất l ng chọn điều kiện Free Slip thì các chất l ng còn l i chọn bất c điều kiện nh h ng nào c a t ng

2.3.5.ăKi uăbiênăSYMMETRY

Với m c đích gi m thiểu kh i l ng tính toán vƠ đ lớn c a mô hình, d ng điều kiện biên đ i x ng Symmetry cho phép ng i sử d ng có thể mô ph ng m t phần c a mô hình thực nếu nh mô hình đó có những bề mặt đ i x ng về c hình

học và vật lý

Kiểu biên đ i x ng chỉ sử d ng cho những mô hình vừa đ i x ng về hình học vừa đ i x ng về tr ng dòng t c là mô hình vật lý c a bài toán

Việc xác định đúng tính đ i x ng c a tr ng dòng và mô hình vật lý là rất

ph c t p vƠ đòi h i hiểu kỹ b n chất vật lý c a mô hình bài toán

Hình 2.6 là ví d về mô hình không sử d ng đ c điều kiện biên Symmetry do không đ i x ng về tr ng dòng bên trong miền tính toán

Hình 2.5: Kiểu biên Symmetry

2.4 Lý thuy t truy n nhi t

Để nghiên c u bƠi toán trao đổi nhiệt c a dòng khí bao quanh thành ng x khí th i, ta cần nắm đ c khái niệm trao đổi nhiệt lƠ gì, các cách trao đổi nhiệt giữa các môi chất từ đó đi đến đánh giá quá trình trao đổi nhiệt c thể trong tr ng h p nghiên c u

2.4.1 Khái ni m v traoăđ i nhi t

Nhiệt l ng lƠ l ng năng l ng trao đổi giữa các phần tử thu c hai vật có nhiệt đ khác nhau, t c có đ ng năng trung bình phơn tử khác nhau Hiện t ng trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra giữa hai điểm có nhiệt đ khác nhau, t c có đ chênh nhiệt

đ ∆t khác không> Giữa hai vật cân bằng nhiệt, có ∆t = 0, nhiệt l ng trao đổi luôn bằng không

Trong tự nhiên, nhiệt l ng chỉ truyền theo h ớng từ điểm có nhiệt đ cao đến điểm có nhiệt đ thấp Do đó, trao đổi nhiệt là m t quá trình không thuận nghịch

2.4.2 Cácăph ngăth cătraoăđ i nhi t

Quá trình trao đổi nhiệt có thể đ c thực hiện bằng ba ph ng th c c b n sau đơy, đ c phân biệt theo ph ng th c truyền đ ng năng giữa các phân tử thu c hai vật

- Dẫn nhiệt (a)

- To nhiệt hay trao đổi nhiệt đ i l u (b)

- Trao đổi nhiệt b c x (c)

Hình 2.7: Ba ph ng th c trao đổi nhiệt (a): dẫn nhiệt; (b): đ i l u; (c): b c x

2.4.2.1 D n nhi t

Dẫn nhiệt là hiện t ng các phân tử vật 1 va ch m (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền m t phần đ ng năng Dẫn nhiệt

x y ra khi có sự chênh lệch nhiệt đ giữa các phần c a m t vật hoặc giữa hai vật

tiếp xúc nhau Dẫn nhiệt thuần túy xẩy ra trong hệ gồm các vật rắn có sự tiếp xúc trực tiếp

Dựa vào thuyết đ ng học phân tử, Fourier đư ch ng minh định luật c b n c a

dẫn nhiệt: Véct dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vector gradient nhiệt đ Biểu th c c a định luật có d ng vector là:

D ng vô h ớng là:

Theo định luật này, nhiệt l ng Q đ c dẫn qua điện tích F c a mặt đẳng nhiệt trong 1 giơy đ c tính theo công th c:

Khi grad không đổi trên bề mặt F, công th c có d ng:

Định luật Fourier lƠ định luật c b n để tính l ng nhiệt trao đổi bằng ph ng

th c dẫn nhiệt

Hệ s c a định luật Fourier , W/mK đ c gọi là hệ s dẫn nhiệt

Hệ s nƠy đặc tr ng cho kh năng dẫn nhiệt c a vật Giá trị c a ph thu c vào b n chất và kết cấu c a vật liệu, vƠo đ ẩm và nhiệt đ , đ c xác định bằng thực

nghiệm với từng vật liệu và cho sẵn theo quan hệ với nhiệt đ t i b ng các thông s vật lý c a vật liệu

Ph ng trình vi phơn dẫn nhiệt lƠ ph ng trình cơn bằng nhiệt cho m t phân t bất kỳ nằm hoàn toàn bên trong vật dẫn nhiệt Để thiết lập ph ng trình đó ta xét

cân bằng nhiệt cho phân t dV bên trong vật dẫn, có kh i l ng riêng , nhiệt dung

riêng , hệ s dẫn nhiệt , dòng nhiệt phân t là , công suất phát nhiệt

Hình 2.8: Cân bằng nhiệt cho dV trong V Theo định luật b o toƠn năng l ng, ta có:

Ph ng trình vi phơn dẫn nhiệt lƠ ph ng trình kết h p hai định luật nói trên, có

d ng:

Với đ c gọi là hệ s khuyếch tán nhiệt, đặc tr ng cho m c đ tiêu tán nhiệt trong vật

2.4.2.2 T a nhi tă(hayătraoăđ i nhi tăđ iăl u)

T a nhiệt là hiện t ng các phân tử trên bề mặt vật rắn và ch m vào các phần

tử chuyển đ ng có h ớng c a m t chất l ng tiếp xúc với nó để trao đổi đ ng năng

T a nhiệt x y ra t i vùng chất l ng hoặc khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết h p giữa dẫn nhiệt vƠ đ i l u trong lớp chất l ng gần bề mặt tiếp xúc Chuyển đ ng có

h ớng (đ i l u) c a chất l ng có thể đ c sinh ra m t cách tự nhiên, khi nó chịu tác

đ ng c a trọng lực vƠ đ chênh nhiệt đ , hoặc do các lực c ỡng b c khác, khi ta dùng b m, qu t

Tùy theo nguyên nhân gây chuyển đ ng chất l ng, t a nhiệt đ c phân ra 2

Hình 2.9 : Tia nhiệt trong thang đo sóng điện từ

Thực nghiệm cho thấy, chỉ các tia ánh sáng và hồng ngo i mới mang năng

l ng đ lớn để vật có thể hấp th và biến thành n i năng m t cách đáng kể,

đ c gọi là tia nhiệt, có b ớc sóng

Môi tr ng thuận l i cho trao đổi nhiệt đ i l u giữa 2 vật là chân không hoặc khí loãng, ít hấp th b c x Khác với dẫn nhiệt vƠ trao đổi nhiệt đ i l u, trao đổi nhiệt b c x có các đặc điểm riêng là:

- Luôn có sự chuyển hóa năng l ng: từ n i năng thƠnh năng l ng điện từ khi

b c x vƠ ng c l i khi hấp th Không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua môi tr ng chất trung gian, chỉ cần môi tr ng truyền sóng điện từ, t t nhất là chân không

- Có thể thực hiện trên kho ng cách lớn, cỡ kho ng cách giữa các thiên thể trong kho ng không vũ tr

- C ng đ trao đổi nhiệt b c x ph thu c rất m nh vào nhiệt đ tuyệt đ i

c a vật phát b c x Các định luật c b n c a b c x :

Định luật Planck: C ng đ b c x đ n sắc c a vật đen tuyệt đ i ph thu c vƠo b ớc sóng và nhiệt đ theo quan hệ:

Định luật Stefan – Boltzmann: C ng đ b c x toàn phần c a vật đen tuyệt

đ i tỷ lệ với nhiệt đ tuyệt đ i mũ 4:

Định luật Kirrchoff: T i cùng b ớc sóng nhiệt đ T, tỉ s giữa c ng đ b c

x đ n sắc và hệ s hấp th đ n sắc c a mọi vật bằng c ng đ b c x đ n sắc c a vật đen tuyệt đ i T i cùng m t nhiệt đ T, tỉ s giữa c ng

đ b c x toàn phần E và hệ s hấp th toàn phần A c a mọi vật bằng c ng đ b c

x toàn phần c a vật đen tuyệt đ i

Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc c 3 ph ng th c nói trên, đ c gọi là quá trình trao đổi nhiệt ph c h p Ví d , bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo ph ng th c to nhiệt vƠ trao đổi nhiệt b c

x

Ch ngă3

Đ U RA C A KHÍ

3.1 M t s lo i thi t b t n d ng nhi t th i hi n nay

3.1.1 Thi t b thu h i nhi t [9]

Trong thiết bị thu hồi nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa khí th i và không khí qua các tấm kim lo i Không khí cho quá trình cháy đi trong ng sẽ đ c gia nhiệt khi tiếp xúc với khí th i nóng đi bên ngoƠi ng Thiết bị thu hồi nhiệt từ khí th i đ c mô t trên ( hình 3.1)

Hình 3.1 : Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004)

3.1.2 Thi t b thu h i nhi t b c x kim lo i [12]

Thiết bị thu hồi nhiệt đ n gi n nhất là thiết bị thu hồi nhiệt b c x bao gồm hai

ng kim lo i đồng tơm nh trên ( hình 3.2)

ng kim lo i bên trong ch a khí th i nóng còn không khí cháy (có nhiệt đ thấp) cung cấp cho m đ t c a lò nung đ c đi bên ngoài ng L ng không khí này sẽ lấy bớt nhiệt c a khí th i làm nhiệt đ c a khí th i gi m xu ng vƠ đồng th i nhiệt đ c a không khí cháy tăng lên tr ớc khi đi vƠo buồng đ t Đơy chính lƠ năng

l ng thu đ c mà không cần ph i đ t cháy nhiên liệu Do đó, chúng ta sẽ tiết kiệm

đ c nhiên liệu sử d ng cho lò nung Nhiên liệu gi m sẽ giúp gi m không khí đ t cháy vƠ nh vậy, thất thoát khói lò gi m không chỉ vì do gi m nhiệt đ khí th i mà còn do gi m th i l ng khí th i Tên gọi thiết bị thu hồi nhiệt b c x có đ c xuất phát từ thực tế rằng m t phần truyền nhiệt đáng kể từ khí nóng tới bề mặt c a ng kim lo i bên trong là truyền nhiệt b c x Tuy nhiên, vì khí l nh trong ng gần nh

là trong su t đ i với b c x hồng ngo i nên chỉ x y ra truyền nhiệt đ i l u đ i với khí đi vƠo Nh minh ho t trong hình vẽ hai dòng khí th ng song song mặc dù cấu hình c a máy sẽ đ n gi n h n vƠ truyền nhiệt sẽ hiệu qu h n nếu hai dòng khí

ng c chiều nhau (đ i l u) Sử d ng dòng song song vì thiết bị thu hồi nhiệt th ng

ph i đáp ng m t ch c năng nữa lƠ lƠm mát đ ng ng dẫn khí th i và nh vậy có thể lƠm tăng tuổi thọ thiết bị

Hình 3.2: Thiết bị thu hồi nhiệt b c x kim lo i (Hardtech Group)

3.1.3 Thi t b thu h i nhi tăđ iăl u.ă[10],[11]

M t d ng cấu hình quen thu c th hai c a thiết bị thu hồi nhiệt là thiết bị thu hồi kiểu ng hay còn gọi là thiết bị thu hồi nhiệt đ i l u Nh có thể thấy trong hình

vẽ d ới đơy, khí nóng đ c đ a qua m t s các ng song song đ ng kính nh , trong khi đó khí sẽ đ c gia nhiệt đi vƠo m t v bao quanh các ng vƠ đi qua các

ng nóng m t hoặc vài lần theo h ớng vuông góc với tr c

Để hiệu suất truyền nhiệt đ t m c t i đa, ng i ta sử d ng thiết bị thu hồi nhiệt

kết h p Thiết bị này là sự kết h p giữa thiết bị b c x vƠ đ i l u, theo đó khu vực

Hình 3.4: Thiết bị thu hồi nhiệt

kiểu kết h p (Reay, D.A., 1996)

Hình 3.3: Thiết bị thu hồi nhiệt đ i

c a đĩa đ c đặt sát nhau và nằm trên phần giữa hai ng Khi đĩa quay chậm, nhiệt

c m biến (h i ẩm có ch a nhiệt ẩn) đ c truyền tới đĩa bằng khí nóng vƠ khi đĩa quay nhiệt c m biến truyền từ đĩa tới khí l nh Hiệu suất truyền nhiệt tổng thể c a nhiệt c m biến đ i với lo i máy thu phát nhiệt này có thể lên tới 85 % Tuabin nhiệt

có thể đ c chế t o với đ ng kính lên tới 21 mét vƠ năng suất khí lên tới 1130

m3/phút

M t kiểu tuabin nhiệt khác là máy thu hồi nhiệt quay trong đó khung chính

nằm trong m t ng hình tr quay qua các dòng không khí và khí th i Tuabin thu

Hình 3.5: Tuabin nhiệt (SADC, 1999)

hồi năng l ng hay nhiệt là m t máy thu hồi nhiệt khí quay có thể truyền nhiệt từ khí x tới khí đi vƠo

Máy nƠy đ c sử d ng ch yếu những n i nhiệt đ c trao đổi giữa các kh i khí lớn có chênh lệch nhiệt nh Những ng d ng phổ biến là các hệ th ng s i và thông gió và tận thu nhiệt từ khí x máy sấy

3.1.5 B traoăđ i nhi t ki u v b c trùm ng [13]

Khi vật ch a nhiệt th i là chất l ng hay h i dùng để đ t nóng chất l ng khác thì cần sử d ng b trao đổi nhiệt kiểu v bọc trùm ng vì c hai đ ng dẫn đều ph i đóng kín để giữ áp suất c a chất l ng t ng ng V bọc có ch a bó ng vƠ th ng

lƠ các van b ớm bên trong để dẫn h ớng dòng chất l ng trong v bọc trên các ng theo nhiều đ ng V bọc v n đư yếu h n ng nên chất l ng áp suất cao đ c l u thông trong ng còn chất l ng áp suất thấp h n l u thông trong v Khi h i ch a nhiệt th i, h i th ng ng ng t chuyển nhiệt ẩn tới chất l ng đ c gia nhiệt Trong

ng d ng nƠy, h i hầu nh luôn luôn đ c ch a trong v bọc Nếu thực hiện quy trình đ o ng c, ng ng t h i trong các ng song song đ ng kính nh sẽ gây nên hiện t ng bất ổn định dòng B trao đổi nhiệt kiểu v bọc trùm ng hiện có nhiều kích cỡ chuẩn khác nhau với các kết h p chất liệu cho ng và v bọc khác nhau Hình 3.6 sau đơy minh họa m t b trao đổi nhiệt kiểu v bọc trùm ng

Hình 3.6: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ng bọc

(Tr ng đ i học dầu khí & khoáng chất King Fahad, 2003)

3.2 Nghiên c u nhăh ng c a các thông s chính c a h th ngăđ n nhi tăđ

đ u ra c a khí

Trên c s các thiết kế về hệ th ng tận d ng nhiệt th i , chất l ng và tiềm năng sử d ng c a nhiệt th i, từ đó đ a thiết kế s b mô hình hệ th ng để ph c v cho m c đích c a đề tài

3.2.1 Thi t k mô hình:

Nh đư đề cập trên, hệ th ng tận d ng nhiệt th i từ đ ng c (Đ ng c đ t trong ) bao gồm ng cách nhiệt bao ph ng x khí th i c a đ ng c vƠ qu t hút Khi đ ng c ho t đ ng nhiệt đ khí th i th i qua ng x tăng cao, tận d ng nguồn nhiệt đó dùng qu t hút, hút không khí bên ngoƠi đi qua kho ng h giữa ng cách nhiệt ( ng bao ngoài) và ng x sẽ đ c gia nhiệt khi tiếp xúc với khí th i nóng đi bên ngoài ng Hệ th ng tận d ng nhiệt từ khí th i đ c mô t trong hình 3.7a

- Nguồn nhiệt khí th i từ đ ng c sử d ng trong nghiện c u nh h ng c a các thông s chính c a hệ th ng đến nhiệt đ đầu ra c a khí Tkx = 300 oC

- Nhiệt đ không khí Tkk =25 oC

- L u l ng hút c a qu t 0,001kg/s

ng x khí th i

ng bao

Qu t

hút