(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng cae trong thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ

Nguyên lý hoạt động của hệ thống: khí thải từ lò quay có nhiệt độ từ 350 – 3800C được dẫn vào nồi hơi thực hiện trao đổi nhiệt tạo ra hơi quá nhiệt.. Ngoài hiệu quả chính là thu hồi lượ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ

HỆ THỐNG TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 4 8 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG

TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH BÌNH

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG

TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM SƠN MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Phạm Thanh Bình Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/10/1986 Nơi sinh: Biên Hòa-Đồng Nai

Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc:Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 41/3B , KP1, P.Thống Nhất , TP Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai

Điện thoại cơ quan: 0613822263 Điện thoại nhà riêng:0613916987 Fax: E-mail: ptbinh86@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2006 Nơi học (trường, thành phố): Trường CĐN Đồng Nai

Ngành học: Nguội sữa chửa

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học SPKT TP.Hồ Chí Minh

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ 06/2010

đến nay

Trường CĐN Đồng Nai Giảng dạy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến

TS Phạm Sơn Minh, người thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu quan trọng, định hướng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình tôi nghiên cứu để hoàn thành cuốn luận văn này

Tôi xin cảm ơn quý thầy trong Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố

Hồ Chí Minh đã tận tình dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Tôi cảm ơn những lời hỏi thăm, sự giúp đỡ và động viên nhiệt tình của các anh chị học viên trong lớp cao học khóa 2012-2014B ngành Kỹ Thuật Cơ Khí và nhất là gia đình đã tạo điều kiện cho tôi học tập tốt

Cuối cùng tôi xin cảm ơn Phòng Cao học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi học tập cũng như thực hiện xong luận văn này

Học viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

Đề xuất mô hình thực nghiệm, tiến hành thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải , tiến hành thực nghiệm và kiểm chứng các kết quả iii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH BẢNG viii

DANH SÁCH HÌNH ix

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 6

1.2.1 Trong nước 6

1.2.2 Ngoài nước 7

1.3 Mục đích của đề tài 8

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài .9

1.5 Phương pháp nghiên cứu 9

Chương 2 NGHIÊN CỨU TỔNG THỀ VỀ CÁC DẠNG ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG MÔI TRƯỜNG PHẦN MỀM 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 Một số điều kiện biên toán học .15

2.3 Các dạng 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 phương thức trao đổi nhiệt .22

2.4.2.1 Dẫn nhiệt .23

2.4.2.2 Tỏa nhiệt (hay trao đổi nhiệt đối lưu) .25

2.4.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ .25

Chương 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ ĐẦU RA CỦA KHÍ 28

3.1 Một số loại thiết bị tận dụng nhiệt thải hiện nay 28

3.1.1 Thiết bị thu hồi nhiệt [9] 28

3.1.2 Thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại [12] 28

3.1.3 Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu [10],[11] 29

3.1.4 Tuabin nhiệt [12] 30

3.1.5 Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống [13] 31

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chính của hệ thống đến nhiệt độ đầu ra của khí .32

3.2.1 Thiết kế mô hình: 32

3.2.2 Thông số mô phỏng : 33

3.2.2.1 Các thông số công tác chủ yếu của động cơ 33

3.2.2.2 Thông số về vật liệu 33

3.2.3 Thiết lập mô hình và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Ansys 14 .35

3.2.4 So sánh các kết quả mô phỏng: 36

Chương 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ SO SÁNH VỚI 43

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43

4.1 Tìm hiểu về động cơ và hình dạng kích thước của ống xả khí thải cho thực nghiệm 43

4.1.1 Động cơ máy phát điện CAT D333 43

4.1.2 Ống xả khí thải : 43

4.2 Mô phỏng quá trình gia nhiệt không khí của hệ thống .45

4.2.1 Thiết kế, mô phỏng kiểm tra nhiệt độ với trường hợp 1 46

4.2.1.1 Thiết kế mô hình ống bao ngoài 46

4.2.1.2 Mô phỏng , kiểm tra nhiệt độ đầu ra ( Trường hơp 1) 47

4.2.2 Thiết kế, mô phỏng kiểm tra nhiệt độ với trường hợp 2 52

4.2.2.1 Thiết kế mô hình ống bao ngoài 52

4.2.2.2 Mô phỏng , kiểm tra nhiệt độ đầu ra ( Trường hơp 2) 52

4.3 Đề xuất cho mô hình thực nghiệm 56

4.4 So sánh kết quả quá trình thực nghiệm với mô phỏng 58

4.4.1 Quá trình thực nghiệm : 58

4.4.2 Kết quả thực nghiệm 59

4.4.3 So sánh với kết quả mô phỏng 59

Chương 5 KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Nhiệt thải là nhiệt phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc phản ứng hoá học và được thải ra ngoài môi trường, chúng không được tái sử dụng một cách hữu ích cho các mục đích kinh tế Vấn đề chính mà chúng ta cần quan tâm là “giá trị” chứ không phải khối lượng nhiệt thải Cơ chế để tân dụng nhiệt thải này phụ thuộc vào nhiệt độ của khí thải

Hoạt động của các lò hơi, lò nung, lò luyện và động cơ thường phát sinh ra một lượng lớn khí thải rất nóng Nếu một phần nhiệt thải này được tận dụng thì chúng ta

có thể tiết kiệm được một lượng nhiên liệu đáng kể Chúng ta không thể thu hồi được toàn bộ nhưng có thể thu hồi được phần lớn năng lượng trong khí thải

Hiện nay nguồn năng lượng này được tận dụng để dùng vào nhiều mục đích khác nhau: Sản xuất hơi, điện năng, điều hoà không khí hay làm lạnh không khí cấp vào động cơ

Ví dụ về hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lò nung clinker phát điện ở Nhà máy

xi măng Hà Tiên 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống: khí thải từ lò quay có nhiệt

độ từ 350 – 3800C được dẫn vào nồi hơi thực hiện trao đổi nhiệt tạo ra hơi quá nhiệt Dùng hơi quá nhiệt quay turbine dẫn động máy phát điện Phần khí sau khi đã qua trao đổi nhiệt còn khoảng 2300C được đưa về sấy liệu cho máy nghiền bột sống Khi lò nung hoạt động bình thường với công suất 3.000 tấn clinker/năm, nhà máy phát được 3 MW điện Ngoài hiệu quả chính là thu hồi lượng nhiệt thải từ lò nung

để phát điện làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng, hệ thống thu hồi nhiệt thải còn có những tác dụng phụ tích cực như:

Hệ thống đã hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng, làm giảm nhiệt độ ở đầu vào của các thiết bị thuộc công đoạn phía sau giúp các thiết bị hoạt động ổn định hơn, giảm hư hỏng, tăng tuổi thọ máy nghiền bột sống, quạt gió KK15-KM02, lọc bụi tĩnh điện

Khi tận dụng nhiệt thải, cần xem xét trước hết là chất lượng nhiệt thải

Dựa vào loại quy trình, có thể tận dụng nhiệt thải tại bất kỳ nhiệt độ nào từ nhiệt độ thấp của nước làm mát đến nhiệt độ cao của khí thải trong lò luyện ,lò nung công nghiệp, động cơ Thông thường, nhiệt độ cao hơn tương ứng với tận dụng nhiệt chất lượng cao hơn và lợi nhuận so với chi phí cao hơn Trong bất kỳ nghiên cứu về tận dụng nhiệt thải nào cũng vô cùng cần thiết phải có ứng dụng của nhiệt được tận dụng Những ví dụ điển hình về sử dụng nhiệt thu hồi bao gồm gia nhiệt

sơ bộ không khí đốt, sưởi hoặc gia nhiệt sơ bộ nước cấp nồi hơi hay nước trong quy trình sản xuất

- Chất lượng và tiềm năng sử dụng :[8]

Khi xem xét tiềm năng tân dụng nhiệt, nên ghi lại tất cả các nguồn thải khả thi, chất lượng và tiềm năng sử dụng của chúng (xem Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Nguồn nhiệt thải và chất lượng STT Nguồn nhiệt thải Chất lượng nhiệt thải và tiềm năng sử dụng

1 Nhiệt tại ống khói khí thải Nhiệt độ càng cao giá trị tiềm năng thu hồi nhiệt

càng lớn

2 Nhiệt trong dòng hơi Cũng giống như nhiệt tại khói lò nhưng khi

ngưng tụ lại cũng có thể thu hồi nhiệt ẩn

3 Nhiệt bức xạ & đối lưu thất thoát từ

bề mặt ngoài của thiết bị

Nếu được tận dụng, có thể sử dụng để sưởi nhà hoặc gia nhiệt sơ bộ không khí

4 Thất thoát nhiệt trong nước làm

mát

Cấp thấp – sẽ hữu ích nếu trao đổi nhiệt với nước tự nhiên đi vào

5 Thất thoát nhiệt trong quá trình

cung cấp nước làm mát hoặc thải

nước làm mát

1 Cấp cao nếu có thể tận dụng để giảm nhu cầu làm lạnh

2 Cấp thấp nếu bộ phận làm lạnh được sử dụng như một bơm nhiệt

6 Nhiệt trong các sản phẩm ra khỏi

quy trình

Chất lượng phụ thuộc vào nhiệt độ

7 Nhiệt trong các chất thải dạng khí

và dạng lỏng ra khỏi quy trình

Kém, nếu bị ô nhiễm nặng và do vậy cần có thiết bị trao đổi nhiệt hợp kim

- Tiềm năng tận dụng nhiệt thải đối với các quy trình công nghiệp khác nhau:

Có thể tân dụng nhiệt thải từ các quy trình công nghiệp khác nhau Có sự phân biệt

rõ giữa nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao của nhiệt thải

Bảng 1.2 cho biết nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong

vùng nhiệt độ cao Tất cả các kết quả này đều từ quy trình đốt nhiên liệu trực tiếp

Bảng 1.2: Nhiệt độ nhiệt thải trong vùng nhiệt độ cao từ các nguồn khác nhau

Bảng 1.3 cho biết nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt độ trung bình Hầu hết nhiệt thải trong vùng nhiệt độ này đều đến từ khí xả của các bộ phận trong quy trình đốt trực tiếp

Lò tinh luyện niken 1370 – 1650

Lò tinh luyện nhôm 650 – 760

Lò tinh luyện kẽm 760 – 1100

Lò tinh luyện đồng 760 – 815

Lò nung thép 925 – 1050

Lò phản xạ đồng 900 – 1100

Lò đáy bằng ngoài trời 650 – 700

Lò nung xi măng (quy trình sấy) 620 – 730

Lò nung chảy thủy tinh 1000 – 1550

Nhà máy hydro 650 – 1000

Lò thiêu kết chất thải rắn 650 – 1000

Lò thiêu kết hút khói 650 – 1450

Bảng 1.3 Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ trung bình từ các nguồn

khác nhau

Bảng 1.4 liệt kê một số nguồn nhiệt trong vùng nhiệt độ thấp Trong vùng nhiệt độ này, thường không thực tiễn khi tách công sinh ra từ nguồn mặc dù hoàn toàn có thể loại trừ sản sinh hơi nếu có nhu cầu về hơi áp suất thấp Nhiệt thải nhiệt

độ thấp có thể có ích trong trường hợp bổ sung cho mục đích gia nhiệt sơ bộ

Bảng 1.4: Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ thấp từ các nguồn khác

Ngưng hơi từ quy trình 55-88

Nước làm mát từ: Cửa lò luyện 32-55

Bảng 1.5 Các ứng dụng và thiết bị thu hồi nhiệt thải Thiết bị thu hồi

nhiệt

Device

Vùng Nhiệt độ

nhiệt đối lưu

M-H Lò ủ hoặc ủ đều, lò nung

chảy, mỏ đốt sau, thiết bị thiêu khí, mỏ đốt ống bức

xạ, lò gia nhiệt lại

Gia nhiệt sơ bộ không khí đốt cháy

Máy thu hồi nhiệt

Bánh xe nhiệt gốm M-H Khí xả lò thiêu hoặc nồi

hơi lớn hơn

Gia nhiệt sơ bộ không khí đốt cháy Máy thu hồi nhiệt

kiểu ống có cánh

tản nhiệt

L-M Khí xả lò hơi Gia nhiệt sơ bộ nước

bổ sung cho nồi hơi

Máy thu hồi nhiệt

kiểu ống bọc

L Nước ngưng làm lạnh, hơi

thải, nước ngưng chưng cất, chất làm lạnh từ động

cơ, thiết bị nén khí, giá đỡ

Dòng chất lỏng cần gia nhiệt

Đường ống nhiệt L-M Lò sấy, nướng và sấy khô,

Hơi thải, máy sấy không khí, lò nung và lò lửa quặt

Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy, gia nhiệt sơ bộ nước bổ sung cho nồi hơi, sản sinh hơi, nước nóng , sưởi

Nồi hơi nhiệt thải M-H Khí thải từ tuabin khí,

động cơ pittông, lò thiêu

và lò luyện

Sản sinh hơi hoặc nước nóng

Trong những đề tài nghiên cứu về tận dụng nhiệt thải, tận dụng nhiệt thải bằng

hệ thống thu hồi nhiệt đang là cách tốt nhất để phục hồi nhiệt thải và tiết kiệm nhiên liệu Sự phục hồi và sử dụng nhiệt thải không chỉ bảo tồn nhiên liệu , nhiên liệu hóa thạch thường mà còn làm giảm lượng nhiệt thải và hiêu ứng nhà kính đối với môi trường

Với Việt Nam là một quốc gia có nền công nghiệp đang phát triển Cùng với

xu hướng đó là sự phát triển mạnh mẽ của mạng lưới giao thông và phương tiện vận tải Theo số liệu thống kê tháng 09/2012 của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông vận tải đường bộ, đường thủy và xe máy trong cả nước như sau: 1.504.432 ôtô đang lưu hành, 2.287.225 xe máy sản xuất lắp ráp mới năm

2012, 258.080 tàu sông các loại, 1.612 tàu biển 100 % tàu thủy được trang bị động

cơ diesel, 100 % xe máy được trang bị động cơ xăng, khoảng 65 % ôtô được trang

bị động cơ diesel và khoảng 35 % ô tô được trang bị động cơ xăng Hai loại động cơ đốt trong kể trên hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với chức năng là nguồn động lực cho ôtô nói riêng và các loại phương tiện cơ giới tự hành nói chung Ví dụ , hãy xem xét động cơ đốt trong với hiệu suất nhiệt của chu trình là:3048% Nhiệt lượng

do khí xả mang đi chiếm 2025% tổng nhiệt sinh ra trong buồng cháy động cơ, ngoài ra nhiệt do nước làm mát thải ra chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt lượng sinh ra trong buồng đốt Do đó, khí thải sẽ có nhiệt độ cao.Với một nguồn nhiệt thải lớn như vậy nếu biệt tân dụng nó vào mục đích khác nhau thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao

1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Hệ thống tận dụng nhiệt thải trên thế giới và trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu cho nhiều mục đích khác nhau như :

1.2.1 Trong nước

- GS.TS.LêViết Lượng, NCS.Nguyễn Ngọc Hải, KS.Phan Văn Đức – năm 2010, đã nghiên cứu thiết kế nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả động cơ Diezel tàu thủy kiểu Moduyn ( THE MODULAR BOILER USING HEAT FROM EXPLLED AIR OF MAIN ENGINE)

- KS Nguyễn Hữu Huệ, Chu Mai Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành đã thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt từ khí xả động cơ để chạy máy lạnh ứng dụng trên tàu cá

1.2.2 Ngoài nước

- Alpesh V Mehta, “Waste Heat Recovery Using Stirling Engine,” International Journal of Advanced Engineering Technology, Vol.3, 2012,đã nghiên cứu hệ thống tận dụng nhiệt thải dùng trong động cơ Stirling

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

cứu, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt kiểu đối lưu

- 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, đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt dạng 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, đã nghiên cứu đề tài phục hồi năng lượng từ khí thải động cơ diesel để nâng cao hiệu suất và 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 thải phục hồi hệ thống 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, đã nghiên cứ phân tích thu hồi nhiệt khí thải và xử lý ô nhiễm cho Động cơ Diesel Z12V190

Trong những nghiên cứu về công nghệ tiết kiệm năng lượng Thu hồi nhiệt khí thải từ động cơ được coi là một trong những công nghệ tiết kiệm năng lượng hiệu quả nhất Nhiều nhà nghiên cứu nhận ra rằng tận dụng nhiệt thải từ động cơ tuy không làm giảm nhiệt khí thải và ô nhiễm môi trường nhưng nó mang lại nhiều lợi ích về kinh tế

1.3 Mục đích của đề tài

Kỹ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống Trong quy trình công nghệ sản xuất của rất nhiều sản phẩm đều có công đoạn sấy khô để bảo quản dài ngày Công nghệ này ngày càng phát triển trong công nghiệp như công nghiệp chế biến hải sản, rau quả , công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và thực phẩm khác Các sản phẩm nông nghiệp dạng hạt như lúa, ngô, đậu, café… sau khi thu hoạch cần sấy khô kịp thời, nếu không sản

phẩm sẽ giảm phẩm chất thậm chí bị hỏng

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

Thu hoạch hải sản ở cảng cá Tam Quan Bắc (Hoài Nhơn-Bình Định.) KTNT - Ước tính, mỗi chuyến biển của ngư dân có khoảng 20 - 30% sản lượng khai thác (tàu lưới kéo bảo quản bằng ướp muối) bị tổn thất Như vậy, mỗi năm cả nước mất trên dưới 400.000 tấn hải sản, tương đương 8.000 tỷ đồng Ước tính, mỗi chuyến biển của ngư dân có khoảng 20 - 30% sản lượng khai thác (tàu lưới kéo bảo quản bằng ướp muối) bị tổn thất Như vậy, mỗi năm cả nước mất trên dưới 400.000 tấn hải sản, tương đương 8.000 tỷ đồng

Nông dân ở Đồng Bằng Sông Cửu Long thường sản xuất 2-3 vụ lúa/năm, sản lượng trung bình 17 triệu tấn/năm, hao phí sau thu hoạch rất lớn, từ 10-25%, trong

đó khâu phơi đôi khi chiếm đến 10% Trong mùa mưa ẩm độ hạt lúa ngoài đồng lúc thu hoạch khoảng 28-30%, nếu không phơi sấy kịp thời (để trong bao hoặc đổ đống) thì sau 24 giờ hạt sẽ nảy mầm Với điều kiện thời tiết bất thường ở vụ Hè Thu và Thu Đông, khi phơi lúa sẽ gặp nhiều khó khăn như: không phơi được trong những ngày mưa dầm, phụ thuộc nhiều vào sân bãi, chi phí lao động cao, khó tìm nhân công, hạt dễ bị lẫn tạp chất, hạt khô không đều nếu phơi quá dày và ít cào đảo, chất lượng hạt bị giảm do không đủ nắng, phơi không đúng kỹ thuật sẽ cho tỉ lệ gạo xay xát thấp.Vì vậy trong mùa mưa cần làm khô hạt kịp thời bằng biện pháp sấy

Do vậy, nghiện cứu thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ vào việc sấy khô các loại nông sản, hải sản hoặc dược liệu đang là một vấn đề cần thiết và cấp thiết hiện nay

Hệ thống sấy tận dụng nhiệt thải từ động cơ là hệ thống cung cấp khí nóng vào hầm sấy để sấy với chất lượng sản phẩm ra cao , tiết kiệm được nguồn năng lương đáng kể hàng năm

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài

Nhiệm vụ của đề tài :

- Thiết lập qui trình ứng dụng công cụ mô phỏng (CAE) cho quá trình thiết kế

hệ thống tận dụng nhiệt thải

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chính của hệ thống đến nhiệt độ đầu

ra của khí

- Thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải

Việc tận dụng nhiệt thải từ động cơ được sử dụng nhiều mục đích khác nhau, nhưng trong đề tài nghiên cứu này tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu, thiết kết và

mô phỏng hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ vào lĩnh vực sấy Do vậy giới hạn của đề tài :

- Hệ thống tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong

- Nhiệt độ khí sau khi hệ thống thu hồi được: 50o

C

- Luận văn chỉ tập trung vào hệ thống tận dụng nhiệt thải, ko nghiên cứu sâu

về hệ thống sấy

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt thải bằng cách tận dụng nhiệt thải

từ động cơ theo phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm

- Tham khảo các công trình nghiên cứu về hệ thống tận dụng nhiệt thải

- Tham khảo tài liệu chất lượng và tiềm năng sử dụng nhiệt thải

- Đề xuất dạng mô hình rồi tính toán lý thuyết của hệ thống bằng phần mềm

mô phỏng Ansys 14, dựa trên lý thuyết tìm các thông số tối ưu của hệ thống đề hoàn chỉnh mô hình

- Chế tạo mô hình hệ thống thí nghiệm chế tạo thiết bị thực tế, sử dụng thiết

bị trong điều kiện thực tế và hiệu chỉnh lần cuối trước khi triển khai ứng dụng

Chương 2 NGHIÊN CỨU TỔNG THỀ VỀ CÁC DẠNG ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG MÔI TRƯỜNG PHẦN MỀM

ANSYS CFX

2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS

2.1.1 Giới thiệu chung

ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr John Swanson,

hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System) tại mỹ, là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phận tích bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau

Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt thủy khí, điện từ sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn

Để giải một bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đưa vào các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực ( lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) được đưa vào tại từng nút, tứng phần tử trong mô hình hình học

Sau khi xác lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, ANSYS cho phép chọn các dạng bài toán Cac kết quả tính toán được ghi lưu vào các File dữ liệu Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, ANSYS có hệ hậu xử lý mạnh, cho phép xuất dữ liệu đưới dạng đồ thị, ảnh, để có thể quan sát trường ứng suất, biến dạng hoặc nhiệt độ, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số

ANSYS là một phần mềm mạnh và để giải các bài toán với số phần tử lớn thì

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

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

- Giải được nhiều loại bài toán như : Tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện tử, điện từ, nhiệt, lưu chất …

- Thư viện phần tử lớn, có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình tính toán

- Đa dạng về tải trọng : tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc …

- Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đổ thị, tính toán tối ưu …

- Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như : trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ

- Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm

- Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn

- Hệ thống Menu có tính trục giác giúp người sử dụng có thể định hướng xuyên suốt chương trình ANSYS

Giao diện của ANSYS Workbench có ba phần chính :

- Phía trên là các thanh công cụ hỗ trợ

- Phía bên tay trái là hộp thoại Toolbox nơi chứa những mô đun mà có thể sử dụng khi thao tác với phần mềm

- Phần giữa là màn hình chính Project Schematic

Hình 2.1 : Giao diện ANSYS 14

Trong hộp thoại Toolbos\Analysis system gồm 17 mô đun tương ứng với 17

17 kiểu bài toán có thể phân tích với ANSYS 14

2.1.2 Kiểu bài toán có thể phân tích với ANSYS 14

1 Electric – Điện

2 Explicit Dynamic – Động lực học

3 Fluid Flow (CFX) – Dòng chất lỏng (CFX)

4 Fluid Flow ( FLUENT) – Dòng chất lỏng (FLUENT)

5 Harmonic Response – Tính toán đáp ứng điều hòa

6 Linear Buckling – Tính toán ổn định

7 Magnetostatic – Phân tích từ tĩnh

8 Modal – Phân tích dao động riêng

9 Random Vibration – Dao động ngẫu nhiên

10 Response Spectural – Phân tích phổ

11 Shape Optimization – Tối ưu hóa hình dạng

12 Static Structure – Phân tích tĩnh

13 Steady – State Thermal – Phân tích nhiệt ở trạng thái ổn định

14 Thermal Electric – Nhiệt điện

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

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

17 Transient Thermal – Quá nhiệt độ

Đối với một bài toán cụ thể, phải xác định được dạng của bài toán và từ đó lựa chọn mô đun phù hợp để giải quyết vần đề bài toán đặt ra Đối với mỗi dạng bài ứng với từng mô đun sẽ có phương pháp giải những bài toán đó trong phần mềm ANSYS 14 Vì vậy, trong giới hạn của đề tài này, chỉ tập trung phần tích bài toán Fluid Flow (CFX) – Dòng chất lỏng (CFX)

Trình tự để giải một bài toán ANSYS 14 như hình 2.2

Hình 2.2: Trình tự để giải một bài toán ANSYS 14

2.2 Lý thuyết về điều kiện biên

2.2.1 Định nghĩa điều kiện biên

Trong mô phỏng số, thực tế là rất khó khăn để mô phỏng toàn bộ không gian bài toán khảo sát Thông thường chúng ta chỉ chọn một vùng quan tâm để mô

phỏng Vùng mô phỏng đó có một biên bao quanh miền môi trường Mô phỏng số cũng phải quan tâm tới quá trình vật lý trong vùng biên Trong hầu hết các trường hợp, điều kiện biên là rất quan trọng cho mô phỏng quá trình vật lý của bài toán Lựa chọn điều kiện biên khác nhau có thể dẫn đến các kết quả mô phỏng rất khác nhau Đặt điều kiện biên không hợp lý có thể làm thay đổi hoặc không thể hiện được ảnh hưởng vật lý của hệ thống mô phỏng, việc đặt hợp lý điều kiện biên có thể tránh được những ảnh hưởng này

Từ sự quan trọng và cần thiết của điều kiện biên trong bài toán mô phỏng số,

người ta đưa ra một định nghĩa chung về điều kiện biên: Điều kiện biên là một thiết

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

2.2.2 Một số điều kiện biên toán học

Theo bản chất toán học của từng trường hợp, người ta phân loại ra các kiểu điều kiện biên khác nhau:

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

môi trường không thay đổi theo thời gian và quá trình vật lý bên trong miền tính toán

- Điều kiện biên tuyến tính (Linear boundary condition): Nếu như ảnh hưởng

của quá trình vật lý trong miền mô phỏng là đủ lớn tới biên, khi đó ta phải quan tâm tới sự tương tác của ảnh hưởng đó với môi trường bên ngoài Lúc đó biên sẽ thay đổi tuyến tính phù hợp với mối tương tác đó

- Điều kiện biên đối xứng (Symmetric boundary condition): Trong một số mô

phỏng, chúng ta có thể giả định một điều kiện đối xứng trên biên Việc thiết lập điều kiện đó trên biên tương ứng với một giả định vật lý là: trên hai mặt của biên, xảy ra cùng một quá trình vật lý giống nhau

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

Một số trường hợp mô phỏng như mô phỏng dự báo thời tiết, trong đó có các dữ liệu quan sát và sử dụng chúng như là điều kiện biên Sau đó, điều kiện biên sẽ thay đổi theo thời gian Mặc dù phức tạp, nhưng một điều kiện biên biến đổi theo thời gian lại là cách rất thực tế để mô phỏng các không gian số

- Điều kiện biên đặc biệt (Special boundary condition): Trong một số trường

hợp, chúng ta phải giải quyết với những điều kiện biên đặc biệt, mà ở đó quá trình vật lý ở biên tuân theo những ràng buộc đặc biệt Trong trường hợp này, chúng ta cần có một hiểu biết tốt về bản chất vật lý của ràng buộc đó và thiết lập điều kiện biên sao cho phù hợp

2.3 Các dạng điều kiện biên trong ANSYS CFX [7]

Trong CFX, khái niệm điều kiện biên dùng để đặt các tính chất hoặc điều kiện cho các mặt của miền tính toán, để định nghĩa đầy đủ mô hình Lựa chọn kiểu điều kiện biên nào cho biên phụ thuộc vào đặc tính của mặt biên đó

Biên chất lỏng (fluid boundary)

Biên chất rắn (solid boundary)

Biên chất lỏng (Fluid boundary) là mặt ngoài của miền tính toán chất lỏng và được

cung cấp những kiểu điều kiện biên sau:

Inlet - chất lỏng đi vào miền tính toán

Outlet – chất lỏng đi ra miền tính toán

Opening – chất lỏng đồng thời cả vào hoặc ra miền tính toán Điều kiện này

không được dùng với miền tính toán đa pha

Wall – biên giới hạn dòng chảy

Symmetry – biên định nghĩa mặt đối xứng của mô hình hình học và và mô hình

vật lý của dòng

Hình 2.4 : Các điều kiện biên cơ bản định nghĩa một dòng chảy

2.3.1 Kiểu biên INLET

Biên Inlet được dùng khi dòng chảy đi vào miền tính toán chiếm ưu thế Tuy nhiên biên inlet cũng cho phép dòng chảy đi ra trong trường hợp ta lựa chọn thiết lập thành phần vận tốc cho dòng vào Đây là một điểm rất quan trọng của quá trình thiết lập điều kiện biên với bản chất vật lý của dòng chảy Cái tên của kiểu biên INLET không có nghĩa là dòng ở biên đó chỉ đi vào miền tính toán

Velocity specified condition

Với việc thiết lập đầu vào INLET các thành phần vận tốc của dòng chảy đi vào miền tính toán Quá trình tính toán của phần mềm cho phép tại đó dòng có thể đi ra ngoài miền tính toán

Pressure and mass flow condition

Khi thiết lập đầu vào INLET với các giá trị của áp suất và lưu lượng dòng chảy thì trong quá trình tính toán của phần mềm không cho phép tại biên đó dòng đi ra ngoài miền tính toán bằng cách dựng lên một tường ảo Trong thiết lập biên INLET ta có 3 tùy chọn:

Inlet (Subsonic): dùng cho dòng chất chuyển động với vận tốc có M<1 Ở đây

các đại lượng có hướng và vô hướng của dòng chảy được 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 tốc độ siêu âm M>1 Chỉ có thể dùng

nếu mô hình năng lượng tổng được dùng và chất lỏng là khí lý tưởng, chất lỏng thực hoặc general fluid có trọng lượng riêng là hàm của áp suất Ở Inlet supersonic phải xác định tất cả các đại lượng gồm áp suất, nhiệt độ, vận tốc

Inlet (Mixed Subsonic-Supersonic): cho phép cả dòng siêu âm và dòng dưới âm

trong cùng một điều kiện đầu vào Sự pha trộn giữa 2 chế độ dòng này dựa vào thành phần vận tốc, áp suất tổng và nhiệt độ tĩnh hoặc áp suất tĩnh và nhiệt độ tĩnh

do người dùng xác định Trong cả 2 trường hợp solver sẽ đánh giá số Mach cục bộ

từ giá trị người dùng Đầu vào hỗn hợp chỉ có thể dùng nếu dùng mô hình Năng lượng tổng và chất lỏng là nén được

2.3.2 Kiểu biên OUTLET

Biên Outlet được dùng khi dòng chảy đi ra miền tính toán chiếm ưu thế Tuy nhiên cũng giống như biên inlet, biên outlet cũng cho phép dòng chảy đi vào trong trường hợp ta lựa chọn thiết lập thành phần vận tốc cho dòng ra

Velocity specified condition

Với việc thiết lập đầu ra Outlet các thành phần vận tốc của dòng chảy đi

ra miền tính toán Quá trình tính toán của phần mềm cho phép tại đó dòng

có thể đi vào miền tính toán

Pressure and mass flow condition

Khi thiết lập đầu ra Outlet với các giá trị của áp suất và lưu lượng dòng chảy thì trong quá trình tính toán của phần mềm không cho phép tại biên đó dòng

đi vào ngoài miền tính toán bằng cách dựng lên một tường ảo

Thông thường áp suất tĩnh tương đối được xác định trên toàn bộ biên outlet Việc xác định áp suất tĩnh của đàu ra dòng chảy là dễ dàng và hợp lý hơn cả

2.3.3 Kiểu biên OPENING

Được dùng khi mà thông tin về dòng chảy vào hay chảy ra miền tính toán là không có Với điều kiện biên này sẽ cho phép chất lỏng đi qua biên theo cả 2

hướng Tức là toàn bộ chất lỏng sẽ đi vào miền tính toán qua biên opening, hoặc tất

cả sẽ chảy ra qua opening, hoặc hỗn hợp 2 khả năng cùng xảy ra

Chỉ dùng điều kiện biên này cho dòng dưới âm Quá trình thiết lập các giá trị của các đại lượng dòng chảy của biên opening hoàn toàn giống với thiết lập biên Inlet hoặc Outlet Với thiết lập giá trị thành phần vận tốc có thể thiết lập với các thành phần vận tốc theo tọa độ Descartes hoặc tọa độ trụ:

Với thiết lập áp suất:

Với hệ số tổn thất: ;

Với dòng chảy ngoài:

Với dòng chảy trong:

2.3.4 Kiểu biên WALL

- Tường là biên rắn (không thấm nước) đối với dòng chảy

- Chỉ cho phép nhiệt truyền qua

- Điều kiện biên tường thường là mặc định trong ANSYS CFX Pre

- Ứng xử của tường đối với dòng chảy tầng và dòng chảy rối là như nhau, ngoại trừ điều kiện No-slip

Phân loại tường:

- Exterior Wall: là loại điều kiện biên mặc định cho tất cả các bề mặt khi mà

chúng không được ấn định điều kiện biên gì

- Thin Surface: thường dùng mô hình hóa điều kiện biên tường 2D trong miền

chất lỏng Thin Surface được tạo bởi phân miền 3D xác định và dùng mặt ngoài của chúng để định vị trí cho Thin Surface Thin Surface có ích đối với mô hình mà độ dày được bỏ qua, ví dụ như van dẫn hướng trong ống Sự truyền dẫn qua Thin Surface là không được chấp nhận trong CFX

Ảnh hưởng của tường lên dòng chảy:

- No Slip: Đây là lựa chọn chung nhất của điều kiện biên tường Chất lỏng ở

gần tường được thừa nhận là có vận tốc của tường (thường mặc định là không) Khi tường cố định vận tốc chất lỏng ở biên tường sẽ bằng không Khi đó điều kiện biên cho vận tốc là: Khi mà tường chuyển động thì vận tốc chất lỏng gần tường có vận tốc như tường và chọn theo một trong 3 lựa chọn:

Free Slip: Ứng suất trượt ở tường bằng không, vận tốc chất lỏng gần tường

theo phương song song thì không bị cản trở bởi ma sát với tường, còn thành phần vận tốc thẳng đứng, ứng suất trượt bằng không ; Trong trường hợp nhiều pha nếu một chất lỏng chọn điều kiện Free Slip thì các chất lỏng còn lại chọn bất cứ điều kiện ảnh hưởng nào của tường

2.3.5 Kiểu biên SYMMETRY

Với mục đích giảm thiểu khối lượng tính toán và độ lớn của mô hình, dạng điều kiện biên đối xứng Symmetry cho phép người sử dụng có thể mô phỏng một phần của mô hình thực nếu như mô hình đó có những bề mặt đối xứng về cả hình học và vật lý

Kiểu biên đối xứng chỉ sử dụng cho những mô hình vừa đối xứng về hình học vừa đối xứng về trường dòng tức là mô hình vật lý của bài toán

Việc xác định đúng tính đối xứng của trường dòng và mô hình vật lý là rất phức tạp và đòi hỏi hiểu kỹ bản chất vật lý của mô hình bài toán

Hình 2.6 là ví dụ về mô hình không sử dụng được điều kiện biên Symmetry do không đối xứng về trường dòng bên trong miền tính toán

Hình 2.5: Kiểu biên Symmetry

2.4 Lý thuyết truyền nhiệt

Để nghiên cứu bài toán trao đổi nhiệt của dòng khí bao quanh thành ống xả khí thải, ta cần nắm được khái niệm trao đổi nhiệt là gì, các cách trao đổi nhiệt giữa các môi chất từ đó đi đến đánh giá quá trình trao đổi nhiệt cụ thể trong trường hợp nghiên cứu

2.4.1 Khái niệm về trao đổi nhiệt

Nhiệt lượng là lượng năng lượng trao đổi giữa các phần tử thuộc hai vật có nhiệt độ khác nhau, tức có động năng trung bình phân tử khác nhau Hiện tượng trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra giữa hai điểm có nhiệt độ khác nhau, tức có độ chênh nhiệt

độ ∆t khác không> Giữa hai vật cân bằng nhiệt, có ∆t = 0, nhiệt lượng trao đổi luôn bằng không

Trong tự nhiên, nhiệt lượng chỉ truyền theo hướng từ điểm có nhiệt độ cao đến điểm có nhiệt độ thấp Do đó, trao đổi nhiệt là một quá trình không thuận nghịch

2.4.2 Các phương thức trao đổi nhiệt

Quá trình trao đổi nhiệt có thể được thực hiện bằng ba phương thức cơ bản sau đây, được phân biệt theo phương thức truyền động năng giữa các phân tử thuộc hai vật

- Dẫn nhiệt (a)

- Toả nhiệt hay trao đổi nhiệt đối lưu (b)

- Trao đổi nhiệt bức xạ (c)

Hình 2.7: Ba phương thức trao đổi nhiệt (a): dẫn nhiệt; (b): đối lưu; (c): bức xạ

2.4.2.1 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là hiện tượng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền một phần động năng Dẫn nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của một 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 động học phân tử, Fourier đã chứng minh định luật cơ bản của dẫn nhiệt: Véctơ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vector gradient nhiệt độ Biểu thức của định luật có dạng vector là:

Dạng vô hướng là:

Theo định luật này, nhiệt lượng Q được dẫn qua điện tích F của mặt đẳng nhiệt trong 1 giây được tính theo công thức:

Khi grad không đổi trên bề mặt F, công thức có dạng:

Định luật Fourier là định luật cơ bản để tính lượng nhiệt trao đổi bằng phương thức dẫn nhiệt

Hệ số của định luật Fourier , W/mK được gọi là hệ số dẫn nhiệt

Hệ số này đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật Giá trị của phụ thuộc vào bản chất và kết cấu của vật liệu, vào độ ẩm và nhiệt độ, được xác định bằng thực

nghiệm với từng vật liệu và cho sẵn theo quan hệ với nhiệt độ tại bảng các thông số vật lý của vật liệu

Phương trình vi phân dẫn nhiệt là phương trình cân bằng nhiệt cho một phân tố bất kỳ nằm hoàn toàn bên trong vật dẫn nhiệt Để thiết lập phương trình đó ta xét

cân bằng nhiệt cho phân tố dV bên trong vật dẫn, có khối lượng riêng , nhiệt dung

riêng , hệ số dẫn nhiệt , dòng nhiệt phân tố là , công suất phát nhiệt

Hình 2.8: Cân bằng nhiệt cho dV trong V

Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

Phương trình vi phân dẫn nhiệt là phương trình kết hợp hai định luật nói trên, có dạng:

Với được gọi là hệ số khuyếch tán nhiệt, đặc trưng cho mức độ tiêu tán nhiệt trong vật

2.4.2.2 Tỏa nhiệt (hay trao đổi nhiệt đối lưu)

Tỏa nhiệt là hiện tượng các phân tử trên bề mặt vật rắn và chạm vào các phần

tử chuyển động có hướng của một chất lỏng tiếp xúc với nó để trao đổi động năng Tỏa nhiệt xảy ra tại vùng chất lỏng hoặc khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc Chuyển động có hướng (đối lưu) của chất lỏng có thể được sinh ra một cách tự nhiên, khi nó chịu tác động của trọng lực và độ chênh nhiệt độ, hoặc do các lực cưỡng bức khác, khi ta dùng bơm, quạt

Tùy theo nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt được phân ra 2 loại:

- Theo nhiệt tự nhiên là hiện tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động tự nhiên, luôn xảy ra trong trường trọng lực khi nhiệt độ chất lỏng khác nhiệt độ bề mặt

Tỏa nhiệt cưỡng bức là hiện tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động cưỡng bức do tác dụng của bơm, quạt hoặc máy nén

2.4.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tượng trao đổi nhiệt giữa vật phát bức xạ và vật hấp thụ bức xạ thông qua môi trường truyền sóng điện từ

Mọi vật ở mọi nhiệt độ luôn phát ra các lượng tử năng lượng và truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ, có bước sóng từ 0 đến vô cùng Theo độ dài của từng bước sóng từ nhỏ đến lớn, sóng điện từ được chia ra các khoảng ứmg với các tia vũ trụ, tia gama, tia Rơnghen hay tia X, tia tử ngoại, tia ánh sáng, tia hồng ngoại và các tia sóng vô tuyến

Hình 2.9 : Tia nhiệt trong thang đo sóng điện từ

Thực nghiệm cho thấy, chỉ các tia ánh sáng và hồng ngoại mới mang năng lượng đủ lớn để vật có thể hấp thụ và biến thành nội năng một cách đáng kể, được gọi là tia nhiệt, có bước sóng

Môi trường thuận lợi cho trao đổi nhiệt đối lưu giữa 2 vật là chân không hoặc khí loãng, ít hấp thụ bức xạ Khác với dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ có các đặc điểm riêng là:

- Luôn có sự chuyển hóa năng lượng: từ nội năng thành năng lượng điện từ khi bức xạ và ngược lại khi hấp thụ Không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua môi trường chất trung gian, chỉ cần môi trường truyền sóng điện từ, tốt nhất là chân không

- Có thể thực hiện trên khoảng cách lớn, cỡ khoảng cách giữa các thiên thể trong khoảng không vũ trụ

- Cường độ trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ tuyệt đối của vật phát bức xạ.Các định luật cơ bản của bức xạ:

Định luật Planck: Cường độ bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào bước sóng và nhiệt độ theo quan hệ:

Định luật Stefan – Boltzmann: Cường độ bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối mũ 4:

Định luật Kirrchoff: Tại cùng bước sóng nhiệt độ T, tỉ số giữa cường độ bức

xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của mọi vật bằng cường độ bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối Tại cùng một nhiệt độ T, tỉ số giữa cường

độ bức xạ toàn phần E và hệ số hấp thụ toàn phần A của mọi vật bằng cường độ bức

xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối

Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phương thức nói trên, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức toả nhiệt và trao đổi nhiệt bức

xạ

Chương 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC THÔNG SỐ

CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ

ĐẦU RA CỦA KHÍ

3.1 Một số loại thiết bị tận dụng nhiệt thải hiện nay

3.1.1 Thiết bị thu hồi nhiệt [9]

Trong thiết bị thu hồi nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa khí thải và không khí qua các tấm kim loại Không khí cho quá trình cháy đi trong ống sẽ được gia nhiệt khi tiếp xúc với khí thải nóng đi bên ngoài ống Thiết bị thu hồi nhiệt từ khí thải được mô tả trên ( hình 3.1)

được nhiên liệu sử dụng cho lò nung Nhiên liệu giảm sẽ giúp giảm không khí đốt cháy và như vậy, thất thoát khói lò giảm không chỉ vì do giảm nhiệt độ khí thải mà còn do giảm thải lượng khí thải Tên gọi thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ có được xuất phát từ thực tế rằng một phần truyền nhiệt đáng kể từ khí nóng tới bề mặt của ống kim loại bên trong là truyền nhiệt bức xạ Tuy nhiên, vì khí lạnh trong ống gần như

là trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại nên chỉ xảy ra truyền nhiệt đối lưu đối với khí đi vào Như minh hoạt trong hình vẽ hai dòng khí thường song song mặc dù cấu hình của máy sẽ đơn giản hơn và truyền nhiệt sẽ hiệu quả hơn nếu hai dòng khí ngược chiều nhau (đối lưu) Sử dụng dòng song song vì thiết bị thu hồi nhiệt thường phải đáp ứng một chức năng nữa là làm mát đường ống dẫn khí thải và nhờ vậy có thể làm tăng tuổi thọ thiết bị

Hình 3.2: Thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại (Hardtech Group)

3.1.3 Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu [10],[11]

Một dạng cấu hình quen thuộc thứ hai của thiết bị thu hồi nhiệt là thiết bị thu

hồi kiểu ống hay còn gọi là thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu Như có thể thấy trong hình

vẽ dưới đây, khí nóng được đưa qua một số các ống song song đường kính nhỏ, trong khi đó khí sẽ được gia nhiệt đi vào một vỏ bao quanh các ống và đi qua các

ống nóng một hoặc vài lần theo hướng vuông góc với trục

Để hiệu suất truyền nhiệt đạt mức tối đa, người ta sử dụng thiết bị thu hồi nhiệt kết hợp Thiết bị này là sự kết hợp giữa thiết bị bức xạ và đối lưu, theo đó khu vực

Hình 3.4: Thiết bị thu hồi nhiệt

kiểu kết hợp

(Reay, D.A., 1996)

Hình 3.3: Thiết bị thu hồi nhiệt đối

lưu (Reay, D.A., 1979)

bức xạ nhiệt cao được thiết kế trước và tiếp theo sau là khu vực đối lưu (Hình 3.4) Thiết bị này đắt tiền hơn loại thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại đơn giản nhưng nhỏ gọn hơn

có thể được chế tạo với đường kính lên tới 21 mét và năng suất khí lên tới 1130

m3/phút

Một kiểu tuabin nhiệt khác là máy thu hồi nhiệt quay trong đó khung chính nằm trong một ống hình trụ quay qua các dòng không khí và khí thải Tuabin thu

Hình 3.5: Tuabin nhiệt (SADC, 1999)

hồi năng lượng hay nhiệt là một máy thu hồi nhiệt khí quay có thể truyền nhiệt từ khí xả tới khí đi vào

Máy này được sử dụng chủ yếu ở những nơi nhiệt được trao đổi giữa các khối khí lớn có chênh lệch nhiệt nhỏ Những ứng dụng phổ biến là các hệ thống sưởi và thông gió và tận thu nhiệt từ khí xả máy sấy

3.1.5 Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống [13]

Khi vật chứa nhiệt thải là chất lỏng hay hơi dùng để đốt nóng chất lỏng khác thì cần sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống vì cả hai đường dẫn đều phải đóng kín để giữ áp suất của chất lỏng tương ứng Vỏ bọc có chứa bó ống và thường

là các van bướm bên trong để dẫn hướng dòng chất lỏng trong vỏ bọc trên các ống theo nhiều đường Vỏ bọc vốn đã yếu hơn ống nên chất lỏng áp suất cao được lưu thông trong ống còn chất lỏng áp suất thấp hơn lưu thông trong vỏ Khi hơi chứa nhiệt thải, hơi thường ngưng tụ chuyển nhiệt ẩn tới chất lỏng được gia nhiệt Trong