Geothermal heat exchanger system simulat

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO CÁO MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐỀ T

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN

BÁO CÁO MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÀM NÓNG NƯỚC

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ĐỊA NHIỆT

GVHD : TS LÝ CẨM HÙNG

MSSV : 0250020074

TP HỒ CHÍ MINH, 2016

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN

BÁO CÁO MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÀM NÓNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ĐỊA NHIỆT

GVHD : TS LÝ CẨM HÙNG

MSSV : 0250020074

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 0

CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN 1

Bước 1 Xây dựng Definitions 1

1 Interpolation 1

2 Biến (Variables) 1

Bước 2 Xây dựng khối Geometry 1

1 Các bước thực hiện 1

2 Bảng thông số nhập vào và diễn giải 3

Bước 3 Tạo Mesh 5

Bước 4 Tạo vật liệu (Material) 5

Bước 5: Tạo Non- Isothermal Pipe Flow trong các ống làm mát 6

Bước 6: Chạy kết quả 7

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 8

1 Áp suất (Pressure) 8

2 Vận tốc (Velocity) 9

3 Nhiệt độ (Temperature) 10

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 11

1 Về mặt thiết kế 11

2 Về mặt thông số đầu vào 11

3 Về kỹ thuật thực hiện 11

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Nhập Interpolation 1

Bảng 2 Nhập Varia les 1

Bảng 3 Nhập th ng số ph n Geometry 3

Bảng 4 Nhập số liệu ph n Physics: Non- Isothermal Pipe Flow 6

DANH MỤC HÌNH

H nh 1 Hệ thống ống trao i nhiệt 0

H nh 2 Tạo ống trao i nhiệt dưới l ng t 1

H nh 3 Tạo hệ thống ống d n 2

H nh 4 Hoàn thành hệ thống trao i a nhiệt 2

H nh 5 K ch thước các thành ph n trong Geometry 4

H nh 6 M h nh sau khi tạo mesh 5

H nh Ch n vật liệu 5

H nh Bi u sự iến thi n sai số khi chạy kết quả 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Năng lượng a nhiệt là một trong những loại năng lượng ền vững, có th sử dụng trực tiếp trong phạm vi hộ gia nh cho các nhu c u cơ ản như sưởi m, làm nóng nước Bài áo cáo này sẽ m phỏng một hệ thống trao i a nhiệt làm nóng nước trong phạm v một hộ gia

nh

Hệ thống ược lắp ặt ở ộ sâu 6m so với mặt t, g m 2 ph n hệ thống ống trao i nhiệt và

hệ thống ống c p, thu h i nước

 Hệ thống ống trao i nhiệt g m 8 ống (xoắn theo ki u lò xo, ường kính xoắn d = 1m, ộ dài 1 ống khoảng 12.56 m), chia thành 2 nhóm, mỗi nhóm g m 2 hàng ống, mỗi hàng g m 2 ống như h nh 1

 T ng ộ dài toàn bộ hệ thống ống khoảng 221.5 m

 Đường kính hệ thống ống trao i nhiệt là d = 100mm

 Đường kính hệ thống ống c p nước và thu h i nước nóng từ l ng t là d= 150mm

 Bài mô phỏng giả sử ộ nhám bề mặt thành ống = 0mm (nhẵn)

 Nhiệt ộ nước u vào là 10oC

 Lưu lượng dòng vào là 5 m3/s Sự biến thiên nhiệt ộ trao t của t là từ 30 – 36oC khi ộ sâu thay i từ 0 – 6m

 Độ dày thành ống trao i nhiệt là 2mm

 Hệ số trao i nhiệt thành ống là 0.46 W/m.K

H nh 1 Hệ thống ống trao đổi nhiệt

CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước 1 Xây dựng Definitions

1 Interpolation

Năng lượng a nhiệt thay i theo chiều sâu lắp ặt hệ thống

Model 1 > Definitions > Nh p phải Interpolation 1, nhập vào theo ảng 1

B ng 1 Nhập Interpolation

t (m) f(t) (degC)

2 Biến (Variables)

Model 1 > Definitions > Nh p phải Varia les1, nhập vào theo ảng 2

B ng 2 Nhập Variables

k_wall 0.46[W/m/K] W/(m.K) Hệ số trao i nhiệt thành ống

Bước 2 Xây dựng khối Geometry

1 Các bước thực hiện

Geometry 1 > More Primitives > Parametric Curve 1 như hình 2

H nh 2 Tạo ống trao đổi nhiệt dưới lòng đất

Sau khi tạo ống trao i nhiệt (dạng xoắn ốc), ta tạo các ống d n

Geometry 1 > More Primitives > Polygon như hình 3

Xây dựng hệ thống ống d n ằng các lệnh Geometry 1 > Transforms > Mirror ; Geometry 1

> Transforms > Array và Geometry 1 > Transforms > Rotate cho ến khi ược hệ thống hoàn chỉnh như h nh 4

H nh 3 Tạo hệ thống ống dẫn

H nh 4 Hoàn thành hệ thống trao đổi địa nhiệt

2 Bảng thông số nhập vào và diễn giải

B ng 3 Nhập thông số phần Geometry

pol3, pol4, arr (1,1,1,1) (1,1,1,6), arr (2,1,1,1) (2,1,1,6)

Z 2.4 2.4

pc1, pol1, pol2

pc1, pol1, pol2, mir1(1), mir1(2), mir1(3)

10.2

2.4m 2.6m

3m

3m

13.1m 10m

13.5m

8m 10m

45o

d=1m

Bước 3 Tạo Mesh

Trong ph n Mesh, ch n Sequence type: Physics-controlled mesh và Element size: Extremely Fine, ta ược 1296 ph n tử ã ược mesh như h nh 6

Bước 4 Tạo vật liệu (Material)

T m các loại vật liệu Water trong thẻ Material Browser r i Add Material to Model

Geometry enity level: Edge > Selection: All Edges theo hình 7

H nh 6 Mô h nh sau khi tạo mesh

H nh 7 Chọn vật liệu

Bước 5: Tạo Non- Isothermal Pipe Flow trong các ống làm mát

Model > Nh p phải Add Physics > Fluid Flow > Non- Isothermal Flow > Non- Isothermal Flow Pipe Flow > Next > Step 1: Stationary > Lá cờ Finish

Nhập số liệu theo ảng 4

B ng 4 Nhập số liệu phần Physics: Non- Isothermal Pipe Flow

Non-Isothermal

Pipe Flow

chỉnh sửa

Fluid Model Newtonian Initial Value

1

Không chỉnh sửa

chỉnh sửa

Pipe Properties 2

Ch n ường ống

Pipe Properties 1

Ch n các

Wall Heat

Transfer 1

Inlet

Internal Film Resistance

1

Không chỉnh sửa

Temperature

Wall layer

1

k_wall, d_wall Internal

Film

u_ext = 0.05

Bước 6: Chạy kết qu

Study > Nh p phải Compute, giải ài toán trong 41s, với sự iến thi n sai số như h nh 8

H nh 8 Biểu đồ sự biến thiên sai số khi chạy kết qu

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Áp suất (Pressure)

Đ u vào: 1.3 x 108

Pa

Đ u ra: 1.01 x 105

Pa

Áp su t nước ở u vào khá cao, sau ó áp su t giảm d m khi nước chảy ến hệ thống ống l xo trao

i nhiệt ở dưới t cho ến khi ạt ược áp su t ở cửa ra là khoảng 1atm

H nh 9 Kết qu Áp suất _ 1

H nh 10 Kết qu Áp suất _ 2

2 Vận tốc (Velocity)

Đ u vào: 285.75 m/s

Đ u ra: 285.75 m/s

Nước sau khi chảy qua hệ thống ống c p nước th d ng chảy rẽ thành 2 hướng i vào 2 hệ thống ống l xo trao i nhiệt

Hướng (1): d ng chảy i vào có vận tốc khoảng 150m/s, khi chảy trong ống l xo, do có sức cản ề mặt n trong ống n n vận tốc nước chảy trong ống l xo chỉ khoảng 100m/s và giảm d n xuống 50m/s khi nước chảy ngược từ áy ống l xo l n hệ thống thu h i nước nóng n tr n

Hướng (2): tương tự hướng (1) nhưng d ng chảy i vào có vận tốc khoảng 1 5m/s do ộ dài ống c p nước u vào ngắn hơn so với hướng (2) n n ường i của nước cũng ngắn hơn

H nh 13 Kết qu Vận tốc _ 3 H nh 14 Kết qu Vận tốc _ 4

(1) (2)

(2)

(2)

(2) (1)

(1)

3 Nhiệt độ (Temperature)

Đ u vào: 10o

C

Đ u ra: 41 5o

C Nước u vào là d ng nước lạnh, sau khi chảy vào hệ thống c p nước th nhiệt ộ tăng l n (21 o

C), khi vào ến hệ thống ống l xo trao i nhiệt với t th ạt 29 oC, sau ó d ng chảy hướng ra hệ thống thu h i nước nóng ( ạt 31 oC) và cuối cùng ra khỏi hệ thống trao i ở tr n mặt t với u ra

là 41.85 oC

H nh 15 Kết qu Nhiệt độ _ 1

H nh 16 Kết qu Nhiệt độ _ 2

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Ph n mềm COMSOL MULTIPHYSICS là ph m mềm có t nh ứng dụng cao, hiệu quả trong việc m phỏng các quá tr nh trong c ng nghệ m i trường, năng lượng nói ri ng và trong nhiều lĩnh vực khoa

h c ời sống nói chung

Nhờ thực hiện m phỏng quá tr nh trao i a nhiệt, ta có th ki m soát ược sự iến thi n của nhiều yếu tố vật lý tác ộng kết hiệu quả làm việc của hệ thống làm nóng nước ằng năng lượng a nhiệt như: áp su t, vận tốc và nhiệt ộ Từ ó có th ề xu t các giải pháp tối ưu hóa hiệu su t làm việc của hệ thống như:

1 Về mặt thiết kế

Tăng số v ng của ống l xo (v n giữ nguy n ộ cao của ống) tăng thời gian trao i nhiệt và tăng diện t ch ề mặt trao i nhiệt thu ược nước có nhiệt ộ cao hơn

Tăng số lượng ống l xo trong hệ thống

Giảm chiều dài của hệ thống c p nước và thu h i nước nóng

2 Về mặt thông số đầu vào

Đ m h nh m phỏng g n hơn với thực tế, ta có th thay i th ng số ộ nhám ề mặt thành ống (kh ng giả sử là mặt trơn, nhẵn nữa)

Giảm tốc ộ d ng vào

3 Về kỹ thuật thực hiện

Chia các mesh m n hơn ở các v tr như các i m vào ra giữa các oạn ống, khi d ng chảy thay i

ộ cao và hướng chảy