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

v
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
vi

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

vii
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

viii
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

ix
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: Thiết 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
x
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
xi
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



1
Chng 1
TNG QUAN

1.1. Đặt vnăđ
Nhiệt thi là nhiệt phát sinh trong quá trình đt cháy nhiên liệu hoặc phn ng
hoá học vƠ đc thi ra ngoƠi môi trng, chúng không đc tái sử dng mt cách
hữu ích cho các mc đích kinh tế. Vấn đề chính mà chúng ta cần quan tơm lƠ “giá
trị” ch không phi khi lng nhiệt thi. C chế để tân dng nhiệt thi này ph
thuc vào nhiệt đ ca khí thi
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 – 380
0
C 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 230
0
C 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.
2
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
cung cấp nớc làm mát hoặc thi
nớc làm mát
1. Cấp cao nếu có thể tận dng để gim nhu cầu

làm lnh
2. Cấp thấp nếu b phận làm lnh đc sử dng
nh mt bm nhiệt
6
Nhiệt trong các sn phẩm ra khi
quy trình
Chất lng ph thuc vào nhiệt đ
7
Nhiệt trong các chất thi dng khí
và dng lng ra khi quy trình
Kém, nếu bị ô nhiễm nặng và do vậy cần có
thiết bị trao đổi nhiệt hp kim
3
- 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.
Loi thit b
Nhităđ (
0
C)
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 phn x đồng
900 – 1100
Lò đáy bằng ngoài tri
650 – 700
Lò nung xi măng (quy trình sấy)
620 – 730
Lò nung chy thy tinh
1000 – 1550
Nhà máy hydro
650 – 1000
Lò thiêu kết chất thi rắn
650 – 1000
Lò thiêu kết hút khói
650 – 1450
4
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
nhau
Loi thit b
Nhităđ (
0
C)
X nồi hi
230 – 480
X tuabin khí
370 – 540
X đng c pittông
315 – 600
X đng c pittông (tuabin chịu ti)
230 – 370
Lò xử lý nhiệt
425 – 650
Lò nớng và sấy
230 – 600
Máy cán nghiền xúc tác
425 – 650
Hệ thng làm mát lò 
425 - 650
Ngun
Nhităđ
0
C
Ngng hi từ quy trình
55-88
Nớc làm mát từ: Cửa lò luyện
32-55

Giá đỡ
32-88
Máy hàn
32-88
Máy đúc áp lực
32-88
Lò 
66-230
Khuôn định hình
27-88
Máy nén khí
27-50
Bm
27-88
Thiết bị ngng t làm lnh vƠ điều hòa không khí
32-43
Thiết bị ngng t lắng chất lng
32-88
Lò sấy khô, sấy vƠ nớng
93-320
Chất lng Xử lý nóng
32-232
Chất rắn xử lý nóng
93-232
5
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
Ngun ph bin
Nhng ng dng
ph bin
Thiết bị thu hồi
nhiệt bc x
H
Khí x lò hi hoặc lò
thiêu
Gia nhiệt s b
không khí đt cháy
Thiết bị thu hồi
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

6
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:
%4830 
. 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)
7
- 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.
8
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.
9
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
ca đề tƠi :
- Hệ thng tận dng nhiệt thi từ đng c đt trong.
- Nhiệt đ khí sau khi hệ thng thu hồi đc: 50
o
C.
- Luận văn chỉ tập trung vƠo hệ thng tận dng nhiệt thi, ko nghiên cu sâu
về hệ thng sấy
1.5.ăPhngăphápănghiênăcu
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.
10
- 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.

11
Chng 2
NGHIÊN CU TNG TH V CÁC DNGăĐIU
KINăBIểNăTRONGăMỌIăTRNG PHN MM
ANSYS CFX

2.1. Gii thiu phn mm ANSYS
2.1.1. Gii thiu chung
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 :
12
- 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.
13

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
14
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 tự để gii mt bài toán ANSYS 14
Chọn hệ thng phân tích thiết lập các
thuc tính vật liệu
Thiết lập mô hình phần tử hữu hn(phần
tử lới)
Thiết lập các điều kiện biên ca bài toán
(Ràng buc, ti, …)
Gii (Phân tích)
Xử lý và xem kết qu
Xây dựng mô hình hình học
15
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
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. 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.
16
- 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).
Fluid-fluid interface.
Fluid-solid interface.
Solid-solid interface.


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

17
Biên chất lng (Fluid boundary) là mặt ngoài ca miền tính toán chất lỏng vƠ đc
cung cấp 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
2.3.1. Kiu biên INLET.
Biên Inlet đc dùng khi dòng chy đi vƠo miền tính toán chiếm u thế. Tuy
nhiên biên inlet cũng cho phép dòng chy đi ra trong trng hp ta lựa chọn thiết

lập thành phần vận tc cho dòng vƠo. Đơy lƠ mt điểm rất quan trọng ca quá trình
thiết lập điều kiện biên với bn chất vật lý ca dòng chy. Cái tên ca kiểu biên
INLET không có nghĩa lƠ dòng  biên đó chỉ đi vƠo miền tính toán.

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.
18

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.