Ứng dụng phần mềm Autodesk Simulation CFD để thiết kế hệ thống sấy - kiểu buồng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (15.52 MB, 141 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
QUÁCH HUY HẢI
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM
AUTODESK SIMULATION CFD
ĐỂ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY - KIỂU BUỒNG
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số
: 605280
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...........................................................................
Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 20 tháng 06 năm 2014
Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: QUÁCH HUY HẢI ...................................... MSHV: 10060449
Ngày, tháng, năm sinh: 31/10/1982 ......................................... Nơi sinh: Tp.HCM
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT .................................... Mã số : 605280
I. TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AUTODESK SIMULATION CFD
ĐỂ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY - KIỂU BUỒNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Tìm hiểu lý thuyết tính tốn hệ thống sấy - kiểu buồng.
-
Phân tích & đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thiết kế hệ thống sấy
- kiểu buồng.
-
Thiết kế, xây dựng hệ thống sấy - kiểu buồng và ñánh giá kết quả chạy mơ
phỏng với kết quả đo đạc thực nghiệm :
+ Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống sấy trên cơ sở lý thuyết.
+ Ứng dụng phần mềm mô phỏng Autodesk Simulation CFD để tìm kết
quả lời giải về bài tốn tối ưu và kinh tế trong q trình thiết kế hệ thống
sấy - kiểu buồng
+ Đánh giá kết quả mơ phỏng thơng qua mơ hình thực nghiệm.
-
Rút ra các kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO
GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành ñược luận văn này, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành
sâu sắc:
Đến Thầy hướng dẫn – GS.TS Lê Chí Hiệp – đã dành nhiều thời gian q báu
để định hướng, hướng dẫn, sửa chữa và giúp học viên hoàn thành các nội dung
nghiên cứu trong luận văn
Đến Kỹ sư Bùi Hữu Tài – Giám đốc Cơng ty TNHH Ta Ha đã tận tình giúp đỡ,
hỗ trợ học viên trong quá trình chế tạo, xây dựng và đo đạc mơ hình thực
nghiệm.
Đến bạn Phan Kim Liên - giảng viên trường Đại học Cơng Nghiệp 4, đã góp ý
giúp hồn thiện hơn q trình tính tốn lý thuyết liên quan đến nội dung luận
văn.
Đến q Thầy Cơ đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm
trong suốt thời gian học viên học cao học.
Đến quý Thầy Cô trong Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh – Trường ĐH Bách
Khoa – ĐHQG TP.HCM giúp ñỡ, ñộng viên, chia sẻ công việc trong thời gian
học viên thực hiện luận văn.
Đến những thành viên trong gia đình và những người bạn thân ln đồng hành,
giúp đỡ, động viên học viên trong suốt thời gian qua.
Học viên
QUÁCH HUY HẢI
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 1
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
CFD (động lực học lưu chất vi tính hóa) là cơng cụ mơ phỏng dịng lưu chất trên máy
tính, từ đó ta có thể dự đốn các kết quả của q trình trao đổi nhiệt & trao đổi chất
của các thông số trạng thái biến thiên. Trong những năm gần ñây, chúng ñã ñược phát
triển và ứng dụng rộng rãi trong quá trình thiết kế các hệ thống sấy và các hệ thống
khác.
Trong luận văn, chúng ta sẽ tính tốn lý thuyết và chạy mô phỏng cho hệ thống sấy kiểu buồng (một trong những hệ thống sấy điển hình ñược sử dụng khá phổ biến ở
Việt Nam) bằng phần mềm Autodesk simulation CFD. Sau đó, chúng ta sẽ đánh giá
kết quả đo đạc trên mơ hình thực tế với kết quả chạy mơ phỏng để có thể đánh giá
được tính khả thi của phần mềm mơ phỏng CFD.
Qua đó, chúng ta sẽ thấy được tính hữu ích của cơng cụ CFD trong việc mơ phỏng các
đặc tính của dịng khơng khí như các trường nhiệt độ, tốc độ, áp suất… nhằm cải tiến
quá trình sấy sao cho hiệu quả, ngăn ngừa và giảm thiểu các rủi ro có thể xảy ra trong
việc triển khai thực tế. Từ đó tiết kiệm được chi phí vận hành cũng như chi phí ñầu tư
hệ thống sấy ban ñầu trong thực tế. Ngoài ra, việc kết hợp công nghệ mô phỏng CFD
này vào quá trình thiết kế hệ thống sấy sẽ mở ra ñịnh hướng phát triển mới cho ngành
công nghiệp sấy tại Việt Nam.
ABSTRACT
CFD (computational fluid dynamics) is simulation tool used to model fluid flow
simulations by computers which can be evaluated the result of the process of heat and
mass transfer in various processes. In recent years, it has been developed & applied
widely in drying system design and others system.
The thesis will show the theoretical calculation and run simulation for drying system –
chamber dryer (one of the most typical drying systems using common in Vietnam) by
Autodesk simulation CFD software. Accordingly, this shall be lead into the
comparison results between the actual model and simulation result to assess the
feasibility of CFD simulation software.
In light of the above, it has been shown that CFD shall be useful tool for evaluating
charactertistics of air flow including temperature, velocity, pressure... to improve
efficiency of drying process, prevent and reduce risk from deploying practiced drying
system. As a result, it will not only save operating cost and initial cost for drying
system in practice but also open new direction up to develop drying industry in
Vietnam.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 2
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan về những nội dung trình bày trong quyển luận văn này là
do chính học viên tự tìm hiểu và nghiên cứu. Các nội dung trích dẫn từ các
nguồn tài liệu khác đều có ghi rõ nguồn gốc.
Học viên
QCH HUY HẢI
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 3
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
7
CHƯƠNG 1
8
MỞ ĐẦU
8
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1 Nhu cầu xử lý nông sản sau khi thu hoạch
1.1.2 Tầm quan trọng của hệ thống sấy
1.1.3 Phân loại hệ thống sấy
1.1.4 Một vài kết luận
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.4.1 Tìm hiểu lý thuyết tính tốn hệ thống sấy
1.4.2 Phân tích & ñánh giá các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình thiết kế hệ
thống sấy kiểu buồng
1.4.3 Thiết kế, xây dựng hệ thống sấy kiểu buồng và ñánh giá kết quả chạy
mơ phỏng với kết quả đo đạc thực nghiệm
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1 Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống trên cơ sở lý thuyết
1.5.2 Ứng dụng phần mềm mô phỏng Autodesk Simulation CFD
1.5.3 Đánh giá kết quả mô phỏng thơng qua mơ hình thực nghiệm
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2
8
8
8
9
13
15
17
18
18
18
18
19
19
19
19
20
21
TỔNG QUAN & CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ
HỆ THỐNG SẤY - KIỂU BUỒNG
2.1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG SẤY NẤM MÈO
2.1.1 Giới thiệu các phương pháp phơi sấy nấm mèo
2.1.2 Một số mơ hình sấy kiểu buồng thực tế
2.1.3 Một số kết luận
2.2
CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY - KIỂU BUỒNG
2.2.1 Một số ñịnh nghĩa và ghi chú
2.2.2 Xác ñịnh các thơng số cần thiết ban đầu
2.2.3 Thơng số u cầu
2.2.4 Tính tốn thiết kế hệ thống sấy kiểu buồng
21
21
23
27
28
28
30
35
35
CHƯƠNG 3
37
MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH CÁC BÀI TỐN
TRONG Q TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 4
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
3.1
GIỚI THIỆU VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM AUTODESK
SIMULATION CFD
37
3.1.1 Giao diện chính của phần mềm Autodesk Simulation CFD
37
3.1.2 Sơ ñồ khối thực hiện mô phỏng trên Autodesk Simulation CFD
39
3.2
TỔNG QUÁT
40
3.2.1 Các thông số đầu vào trong q trình mơ phỏng
40
3.2.2 Ước lượng sơ bộ kết cấu của hệ thống sấy kiểu buồng
40
3.2.3 Giới thiệu các bài tốn cần phân tích cho hệ thống sấy kiểu buồng
40
3.3
PHÂN TÍCH PHÂN BỐ XE KHAY TRONG BUỐNG SẤY
44
3.3.1 Phân tích phân bố xe khay trong buồng sấy
44
3.3.2 Kết quả mơ phỏng 2 mơ hình phân bố xe khay của buồng sấy
46
3.3.3 Kết luận về phương án phân bố xe khay trong buồng sấy
56
3.4
PHÂN TÍCH KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC KHAY SẤY
57
3.4.1 Phân tích khoảng cách giữa các khay sấy trong buồng sấy
57
3.4.2 Kết quả mô phỏng của 3 mơ hình điển hình cần phân tích khoảng cách
giữa các khay trong buồng sấy
61
3.4.3 Kết luận về phân tích khoảng cách giữa các khay sấy trong buồng sấy 66
3.5
PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁC KHAY SẤY
67
3.5.1 Phân tích kết cấu các khay sấy trong buồng sấy
67
3.5.2 Kết quả mô phỏng 3 mơ hình phân tích kết cấu các khay sấy trong
buồng sấy
68
3.5.3 Kết luận về phân tích kết cấu của các khay sấy trong buồng sấy
73
3.6
PHÂN TÍCH PHÂN BỐ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG
77
3.6.1 Phân tích phân bố các thiết bị trong hệ thống sấy kiểu buồng
77
3.6.2 Kết quả mô phỏng 2 mơ hình phân bố các thiết bị trong hệ thống sấy
kiểu buồng
80
3.6.3 Đánh giá kết quả phân tích bố trí các thiết bị trong hệ thống sấy
92
3.7
MỘT VÀI KẾT LUẬN
102
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG SẤY NẤM MÈO KIỂU BUỒNG
4.1
XÂY DỰNG MƠ HÌNH
4.1.1 Cấu tạo buồng sấy
4.1.2 Bố trí các thiết bị chính trong hệ thống sấy
4.2
PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC
4.3
ĐO ĐẠC CÁC KẾT QUẢ THỰC TẾ THU ĐƯỢC
4.3.1 Các bước tiến hành chuẩn bị ño ñạc hệ thống sấy nấm
4.3.2 Tiến hành ño ñạc và ghi số liệu
4.4
XỬ LÝ SỐ LIỆU & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM
4.4.1 Đánh giá kết quả ño tốc độ giữa đo đạc thực tế và tính tốn mơ phỏng
4.4.2 Đánh giá tốc độ thốt ẩm và thời gian sấy của hệ thống
HVTH: Quách Huy Hải
103
103
103
104
106
109
109
110
112
112
118
Trang 5
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN
120
5.1
5.2
120
121
KẾT LUẬN
HƯỚNG PHÁT TRIỄN CFD TRONG TƯƠNG LAI
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
HVTH: Quách Huy Hải
122
1224
Trang 6
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, cụm từ "cơng nghệ tri thức" đã được nói đến rất
nhiều trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, khoa học máy tính, phần mềm ứng
dụng... nó là sự kết tinh của cuộc cách mạng thông tin, cách mạng tri thức và sự
bùng nổ công nghệ cao. Chúng ta ñã ñạt ñược nhiều thành tựu to lớn, tạo nền
tảng xây dựng một hệ thống công nghệ mới của thế kỷ 21.
Riêng đối với ngành cơng nghệ nhiệt lạnh, chỉ vài năm gần ñây khi mạng
internet bắt ñầu phát triển mạnh ở nước ta thì các nguồn tư liệu, sách báo, tiêu
chuẩn... chuyên ngành ngày càng nhiều, phổ biến cả chất lẫn về lượng và nó
mang lại giá trị rất đáng ghi nhận và tạo luồng sinh khí mới cho việc nghiên cứu,
thiết kế, ứng dụng ngày càng tốt và hiệu quả hơn.
Với sự phát triển của khoa học máy tính, các phần mềm chun ngành dần
dần được phát hành và ñưa vào thương mại ngày càng nhiều hơn, phát triển cả
chiều rộng lẫn chiều sâu với mục đích làm sao để giảm thiểu được thời gian và
cơng sức cho các nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng; trong đó chúng ta khơng thể
khơng nói đến phần mềm mơ phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics - Tính
tốn động lực học chất lưu).
Ngày nay, các phần mềm mô phỏng CFD ngày càng ñược sử dụng rộng rãi
hơn, ñi sâu vào mọi lĩnh vực trong ñời sống và giảm thiểu nhiều rủi ro, công sức
và thời gian trong việc nghiên cứu, thiết kế. Thơng qua phần mềm, các q trình
và hệ thống thực nghiệm được mơ phỏng trên máy tính với thời gian nhanh
chóng, mà vẫn đảm bạo độ chính xác và tin cậy cao. Ngồi ra, chúng ta có thể
tuỳ biến hiệu chỉnh, thay đổi các thơng số giá trị đầu vào, phương pháp bố trí các
đối tượng... qua đó, chúng ta sẽ có cái nhìn được sâu và rộng hơn cho cơng trình
nghiên cứu hay 1 thiết kế trước khi đưa vào ứng dụng, sản xuất.
Chính vì vậy, việc ứng dụng CFD vào việc giải quyết các bài toán ẩn, vùng
mờ là cần thiết và phải ñược quan tâm đúng mực (trong lĩnh vực cơng nghệ nhiệt
lạnh, thì các bài toán dạng này rất nhiều). Nên việc hiểu và ứng dụng phần mềm
mơ phỏng CFD nói chung và phần mềm Autodesk Simulation CFD nói riêng vào
chuyên ngành nhiệt lạnh cũng như các ngành khoa học ứng dụng khác là ñiều mà
luận văn mong muốn thực hiện.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 7
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1 .1 Đ Ặ T V Ấ N Đ Ề
1.1.1 Nhu cầu xử lý nông sản sau khi thu hoạch
Hiện nay, Việt Nam vẫn là một nước nơng nghiệp, có 60% lao động làm việc
trong lĩnh vực nông, lâm nghiệp, và thuỷ sản và nơng nghiệp. Trong đó, nơng nghiệp
vẫn là ngành kinh tế quan trọng của ñất nước. Năm 2009, giá trị sản lượng của nơng
nghiệp đạt 71,473 nghìn tỷ đồng (giá so sánh với năm 1994), tăng 1,32% so với năm
2008 và chiếm 13,85% tổng sản phẩm trong nước. Tỷ trọng của nông nghiệp trong nền
kinh tế bị sụt giảm trong những năm gần ñây, trong khi các các lĩnh vực kinh tế khác
gia tăng. Nguyên chính là do chúng ta vẫn chưa quan tâm đúng mức khâu cơng nghệ
sau thu hoạch.
Trích trong tạp chí "Thành tựu khoa học và cơng nghệ", số 30, bài "Vai trị của
cơng nghệ sau thu hoạch", cho ta thấy "tổn thất sau thu hoạch ñối với nơng sản ở Việt
Nam khoảng hơn 25% đối với các loại quả và hơn 30% ñối với các loại rau, 15-20%
ñối với các loại lương thực khác... Như vậy, với tỷ lệ tổn thất này, mỗi năm chúng ta bị
mất khoảng 3.000 tỷ ñồng - một khoản tiền lớn hơn so với tổng thu ngân sách của
nhiều tỉnh". Đây là tín hiệu khơng mấy khả quan của ngành nơng nghiệp nước ta, đó là
do việc nhận thức, cơng nghệ sau thu hoạch cịn lạc hậu... Chính vì vậy chất lượng
nông sản của nước ta chưa thể nào so sánh với các nước trên thế giới. Vì vậy, chúng ta
phải có hoạch định và chiến lược rõ ràng cụ thể, nhằm áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ
thuật, giảm thiểu nguy cơ thất thốt, ứng dụng cơng nghệ bảo quản nông sản... nhằm
nâng cao chất lượng hàng nông sản của nước ta lên ngang hàng với các nước trong khu
vực và thế giới
1.1.2 Tầm quan trọng của hệ thống sấy
Nước ta là nước nhiệt đới, có điều kiện khí hậu nóng ẩm, nên các sản phẩm nơng
nghiệp sau khi thu hoạch rất dễ bị ẩm mốc và hư hỏng, vì vậy cơng nghệ sấy nơng sản
đóng vai trị và ảnh hưởng lớn đến chất lượng nơng sản sau khi thu hoạch nước ta.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 8
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
Công nghệ sấy là một trong những cơng nghệ sau thu hoạch đang được nhà nước
ngày càng quan tâm, ñầu tư và phát triển trong những năm trở lại ñây. Tuỳ theo từng
loại ñối tượng sấy và không gian sấy mà ta sẽ chọn mô hình & cơng nghệ sấy phù hợp.
1.1.3 Phân loại hệ thống sấy
Theo [TL1], dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực q
trình dịch chuyển ẩm của chúng mà ta có 2 phương pháp sấy chính, ñó là
phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh
Phương pháp sấy nóng: trong phương pháp này tác nhân sấy (TNS) và
vật liệu sấy (VLS) được đốt nóng nên độ ẩm tương ñối giảm, dẫn ñến
phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy giảm. Tuỳ vào phương pháp
cấp nhiệt mà hệ thống sấy nóng được phân ra các loại sau:
Hệ thống sấy ñối lưu: trong hệ thống này, vật liệu sấy nhận nhiệt
bằng ñối lưu từ tác nhân sấy có thể là khơng khí nóng hoặc khói
lị. Đây là hệ thống sấy phổ biến nhất hiện nay. Trong hệ thống
sấy (HTS) ñối lưu, người ta chia thành nhiều loại như: HTS
buồng, HTS hầm, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS khí động,
HTS tầng sơi, HTS phun.
(1.1a)
(1.1b)
Hình 1.1: Hệ thống sấy buồng
(1.1a) Kiểu tủ
HVTH: Quách Huy Hải
(1.1b) Kiểu xe gòong
Trang 9
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
(1.2a)
(1.2b)
(1.2c)
Hình 1.2: Hệ thống sấy hầm
(1.2a) Kiểu xích
(1.2b) Kiểu xe gịong
(1.3a)
(1.2c) Kiểu băng tải
(1.3b)
Hình 1.3: Hệ thống sấy khí động
(1.3a) Kiểu ống
HVTH: Qch Huy Hải
(1.3b) Kiểu Xyclon
Trang 10
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
(1.4a)
(1.4b)
Hình 1.4: Hệ thống sấy tầng sơi
(1.4a) Kiểu một buồng
(1.5a)
(1.4b) Kiểu nhiều buồng
(1.5b)
(1.5b)
Hình 1.5: Hệ thống sấy tháp
(1.5a) Kiểu kênh dẫn & thải
(1.5b) Kiểu cửa chớp
(1.5c) Kiểu cửa chớp quay được
(1.6a)
(1.6b)
(1.6b)
Hình 1.6: Hệ thống thùng quay
(1.6a) Kiểu cánh trộn
HVTH: Quách Huy Hải
(1.6b) Kiểu Rotor
(1.6c) Kiểu có ống dẫn gió
Trang 11
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
(1.7a)
(1.7b)
Hình 1.7: Hệ thống sấy phun
(1.7a) Kiểu vịi phun
(1.7b) Kiểu đĩa quay
Hệ thống sấy tiếp xúc: giống như cái tên gọi của nó, trong HTS
tiếp xúc, VLS nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Trong HTS tiếp
xúc người ta tạo ñộ chênh phân áp suất, nhờ tăng phân áp suất
trên bề mặt của VLS. Một số HTS tiếp xúc thường gặp là HTS lô,
HTS tang.
Hệ thống sấy bức xạ: trong HTS bức xạ, VLS nhận nhiệt từ 1
nguồn bức xạ ñể dịch chuyển ẩm từ trong lòng VLS ra bề mặt và
từ bề mặt khuếch tán vào mơi trường. Đây là phương pháp tạo độ
chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và môi trường chỉ bằng
cách đốt nóng vật.
Ngồi ra cịn các hệ thống sấy khác bằng dịng điện cao tần hoặc
năng lượng điện từ ñể cấp nhiệt.
Phương pháp sấy lạnh: trong phương pháp sấy lạnh người ta tạo ra ñộ
chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, bằng cách
giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm.
Khi đó, ẩm sẽ trong vật liệu sẽ dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt ra mơi
trường có thể trên dưới nhiệt độ mơi trường (t > 0ºC) và cũng có thể nhỏ
hơn 0ºC. Phương pháp sấy lạnh này chia thành 3 loại
Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt ñộ t > 0ºC: là hệ thống sấy có nhiệt độ
HVTH: Qch Huy Hải
Trang 12
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
VLS cũng như nhiệt ñộ TNS xấp xỉ bằng nhiệt độ mơi trường,
TNS thường là khơng khí được khử ẩm (bằng phương pháp làm
lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp thụ) và sau đó được đốt nóng
hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà cơng nghệ u cầu, rồi sau đó cho
đi qua VLS.
Hệ thống sấy thăng hoa: là hệ thống mà trong đó ẩm trong VLS ở
dạng rắn trực tiếp biến thành hơi ñi vào TNS. Người ta tạo ra mơi
trường, trong đó nước trong VLS ở dưới ñiểm 3 thể (nhiệt ñộ vật
liệu T < 273K và áp suất TNS bao quanh vật p < 610Pa), do đó
HTS thăng hoa phải được làm lạnh vật xuống dưới 0ºC và tạo môi
trường chân không xung quanh VLS
Hệ thống sấy chân khơng: nếu nhiệt độ VLS vẫn nhỏ hơn 273K
nhưng áp suất TNS bao xung quanh vật p > 610Pa thì VLS khi
nhận được nhiệt lượng, các phần tử ở thể rắn không chuyển trực
tiếp thành hơi, mà sẽ biến thành lỏng trước khi biến thành hơi, sau
đó mới đi vào TNS.
1.1.4 Một vài kết luận
Qua phần giới thiệu trên, chúng ta ñã nhận thấy tầm quan trọng của hệ
thống sấy ñối với nhu cầu xử lý nơng sản sau khi thu hoạch. Vì vậy, việc nắm bắt
& ứng dụng công nghệ sấy vào thực tế là 1 nhu cầu thật sự & cần ñược quan tâm,
nghiên cứu ñúng mực trong thời gian hiện nay.
Hiện nay, có khá nhiều hệ thống sấy khác nhau được áp dụng. Trong đó, hệ
thống sấy đối lưu kiểu buồng là 1 trong những hệ thống sấy ñược ứng dụng khá
rộng rãi trong các hộ gia đình & nhà máy chế biến sấy nông sản qui mô vừa &
nhỏ. Hệ thống sấy thường ñược thiết kế nhỏ gọn, cơ ñộng và sấy đa năng nhiều
loại nơng sản khác nhau như rau củ quả, hạt...
Do tính đặc thù của bài tốn thiết kế hệ thống sấy nói chung & hệ thống sấy
kiểu buồng nói riêng, được giải quyết dựa trên các công thức thực nghiệm và mỗi
hệ thống, mỗi vật liệu sấy đều có giá trị đầu vào khác nhau..., nên để ứng dụng
các cơng thức lý thuyết vào tính tốn thiết kế hệ thống này thơng thường có sai số
rất lớn và cần phải dựa vào thực nghiệm ñể kiểm chứng kết quả tính tốn.
HVTH: Qch Huy Hải
Trang 13
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
Để giảm bớt 1 phần nào quá trình thiết kế hệ thống sấy dựa vào thực
nghiệm và kinh nghiệm thiết kế, & bằng sự phát triển vượt bậc của khoa học
cơng nghệ máy tính, chúng ta đã có thể xây dựng những mơ hình mơ phỏng q
trình sấy như thực nghiệm nhằm đánh giá & hạn chế những sai sót có thể xảy ra
mà trong q trình thiết kế hệ thống. Đó chính là việc áp dụng Computational
Fluid Dynamics (Tính tốn động lực học chất lưu) hay viết tắt là CFD, trong quá
trình thiết kế hệ thống sấy nói riêng và các bài tốn động lực học lưu chất trong
mọi lĩnh vực nói chung.
Theo kinh nghiệm của riêng tơi thì phần mềm Autodesk Simulation CFD
được xem là phần mềm có thể áp dụng tốt và phù hợp với chun ngành nhiệt
của mình nói chung và hỗ trợ cho việc thiết kế hệ thống sấy kiểu buồng nói riêng.
Nên tơi sẽ xem xét, đánh giá và phân tích phần mềm này trong luận văn của
mình.
HVTH: Qch Huy Hải
Trang 14
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
1 . 2 G I Ớ I H Ạ N Đ Ề TÀ I
Ta ñã thấy rằng CFD đã mở ra 1 cái nhìn mới về tính khả thi và khả năng ứng
dụng trong việc thiết kế cũng như nghiên cứu các bài tốn động lực học lưu chất hiện
nay.
Trong thực tế các ngành khoa học ứng dụng ở nước ta nói chung và chuyên
ngành nhiệt nói riêng thì việc ứng dụng CFD trong phân tích đánh giá thiết kế cũng
như nghiên cứu hệ thống chưa ñược phổ biến do nhiều yếu tố khách quan cũng như
chủ quan. Vì vậy, việc tìm hiểu các tính năng và ứng dụng các tính năng hữu ích của
phần mềm mô phỏng CFD vào các nhu cầu thực tiễn sẽ mang lại 1 giá trị hết sức to
lớn, tiết kiệm tiền bạc và công sức cho người thiết kế và nghiên cứu.
Đối với chun ngành nhiệt mà tơi đang theo học, tiềm năng ứng dụng CFD là
rất lớn do ñặc thù của ngành nhiệt ña phần các bài toán là bài tốn ẩn, vùng mờ, điển
hình như đề tài " Tính tốn tối ưu đối lưu khơng khí trong thùng lạnh của xe tải đơng
lạnh dùng phương pháp tính toán số lưu chất (CFD)"- người hướng dẫn TS. Nguyễn
Anh Thi, [TL17], là 1 điển hình. Trong chun ngành nhiệt, bài tốn động học lưu
chất truyền nhiệt thường hay đặt ra khá nhiều câu hỏi cần phải giải quyết như:
Tính tốn chế độ sấy như nào là thích hợp ứng với từng vật liệu sấy?
Khả năng cân bằng ẩm hay tốc độ thốt ẩm của mỗi vật liệu sấy ra sao?
Thời gian sấy ñối với từng vật liệu sấy như thế nào là tối ưu?
Tính tốn nhiệt độ của tác nhân sấy như thế nào?
Tính tốn tốc độ của tác nhân sấy đi qua vật liệu sấy ra sao?
Tính tốn kết cấu của khay sấy vật liệu như thế nào?
Lựa chọn phân bố các thiết bị trong hệ thống sấy như thế nào để tối ưu...
Đây là bài tốn tưởng chừng như đơn giản, nhưng thực tế thì giải được nó thì
cực kỳ khó, mà nó càng khó hơn khi tính tốn q trình tiếp xúc giữa tác nhân sấy và
vật liệu sấy trong thiết kế hệ thống sấy.
Xét về mặt lý thuyết kỹ thuật sấy thì cơ sở lý thuyết của hệ thống sấy ñược xây
dựng ña phần là trên các cơng thức thực nghiệm, do đó việc áp dụng các công thức
thực nghiệm này cho các hệ thống sấy sẽ gặp rất nhiều khó khăn và khơng có cách
tính tốn đối với 1 số sản phẩm sấy khơng phổ biến như sấy nấm, sấy rau củ quả... mà
là cần phải làm thực nghiệm hay xây dựng các mô hình đồng dạng thì mới có lời giải
chính xác được.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 15
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
Chính vì vậy, tơi chọn hướng nghiên cứu ứng dụng phần mềm CFD để tính toán
thiết kế hệ thống sấy kiểu buồng với một số giới hạn sau:
Phần mềm CFD được sử dụng để mơ phỏng q trình tính tốn hệ
thống sấy là phần mềm Autodesk simulation CFD của hãng phần
mềm Autodesk, phiên bản 64bit năm 2013.
Hệ thống sấy là hệ thống sấy ñối lưu, kiểu buồng và phương pháp
sấy từng mẻ.
Đối tượng sấy là nấm mèo, một đối tượng khá khó khăn trong tính
tốn thiết kế hệ thống sấy.
Tác nhân sấy là khơng khí nóng được cung cấp nhiệt từ điện trở.
HVTH: Qch Huy Hải
Trang 16
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
1 . 3 M Ụ C TI ÊU N G H I ÊN C Ứ U
Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài này là giới thiệu các tính năng, ứng dụng và sự
hữu ích của phần mềm Autodesk simulation CFD trong việc thiết kế hệ thống sấy,
thông qua việc chạy mô phỏng các phương án phân bố các ñối tượng trong hệ thống
sấy, ñánh giá và lựa chọn phương án tối ưu cho hệ thống sấy. Ngồi ra, việc xây dựng
và đo đạc thực nghiệm nhằm xét lại tính chính xác của phần mềm Autodesk
simulation CFD trong trường hợp mô phỏng hệ thống sấy này.
Từ đó cho chúng ta cái nhìn mới về tính khả thi và ý nghĩa thực tiễn của phần
mềm Autodesk simulation CFD nói riêng và phần mềm CFD nói chung.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 17
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
1 . 4 N Ộ I D U N G N G H I ÊN C Ứ U
1.4.1 Tìm hiểu lý thuyết tính tốn hệ thống sấy
Tính tốn thiết kế hệ thống sấy nấm mèo theo các yêu cầu ñặt ra, dựa vào
cơ sở lý thuyết và các đo đạc thí nghiệm nhằm xác định các thơng số đầu vào của
vật liệu sấy. Xây dựng tính tốn các thơng số của các thiết bị chính yếu trong hệ
thống sấy kiểu buồng, bao gồm quạt, ñiện trở, số lượng khay sấy.
1.4.2 Phân tích & đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thiết kế hệ
thống sấy kiểu buồng
Dựa vào q trình tính tốn lý thuyết ở trên, chúng ta sẽ ñưa ra các vấn đề
khó khăn trong q trình thiết kế hệ thống sấy kiểu buồng, những câu hỏi đặt ra
để tìm lời giải tối ưu trong quá trình thiết kế, phù thuộc nhiều vào quá trình thực
nghiệm mà việc ứng dụng phần mềm CFD có thể giải quyết được.
1.4.3 Thiết kế, xây dựng hệ thống sấy kiểu buồng và ñánh giá kết quả chạy mơ
phỏng với kết quả đo đạc thực nghiệm
Lập một số chỉ tiêu đánh giá, đưa ra các bài tốn và lựa chọn phương án khi
chạy mô phỏng hệ thống sấy trên phần mềm Autodesk simulation CFD.
So sánh kết quả ño ñạc thực tế với kết quả thu ñược qua việc chạy mơ
phỏng Autodesk simulation CFD, từ đó ta sẽ rút ra kết luận về kết quả thu ñược
từ việc chạy mô phỏng và nêu lên ý nghĩa thực tiễn của chương trình.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 18
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
1 . 5 P H Ư Ơ N G P H Á P N G H I ÊN C Ứ U
1.5.1 Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống trên cơ sở lý thuyết
Tính tốn thiết kế hệ thống sấy nấm mèo bằng các phương trình tính tốn
trên cở sở lý thuyết, bằng các cơng thức và phương pháp đo đạc thí nghiệm vật
liệu sấy ñể xác ñịnh nhiệt ñộ sấy và tốc ñộ thoát ẩm của vật liệu sấy ñể xây dựng
biểu ñồ thời gian sấy.
Tính tốn các thiết bị cần thiết cho hệ thống sấy như quạt, ñiện trở, số lượng
khay và bố trí các khay vật liệu sấy...
1.5.2 Ứng dụng phần mềm mơ phỏng Autodesk Simulation CFD
Xây dựng mơ hình 3D hệ thống sấy nấm mèo trên phần mềm AutoCad,
dùng làm cơ sở dữ liệu ban đầu đưa vào phần mềm mơ phỏng Autodesk
simulation CFD. Trong phần mềm này, chúng ta sẽ cài ñặt các giá trị ñầu vào,
ñiều kiện biên, chia ơ lưới tính tốn và chọn mơ hình tính tốn mơ phịng cho hệ
thống sấy.
Sẽ xây dựng và đưa ra các mơ hình bài tốn thiết kế làm tối ưu hệ thống,
bằng cách sẽ thay đổi các giá trị thơng số đầu vào của hệ thống, bao gồm: cách bố
trí xe khay, khoảng cách giữa các khay chứa vật liệu sấy, kết cấu của khay & bố
trí các thiết bị trong hệ thống ... Sau đó, ta sẽ phân tích các kết quả và ñưa ra lựa
chọn cuối cùng ñược ñánh giá là phương án tối ưu và kinh tế nhất.
1.5.3 Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua mô hình thực nghiệm
Xây dựng mơ hình thực nghiệm giống với mơ hình chạy mơ phỏng đã được
đánh giá là tối ưu và kinh tế nhất. Mơ hình thực nghiệm này sẽ được xây dựng và
đo đạc thực tế, sau đó sẽ xem xét và ñánh giá giữa giá trị ño đạc so với kết quả
chạy mơ phỏng. Từ đó, ta sẽ rút ra kết luận về tính ứng dụng và khả thi của phần
mềm mô phỏng Autodesk simulation CFD trong việc hỗ trợ thiết kế hệ thống sấy.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 19
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
1 . 6 Ý N G H Ĩ A K H O A H Ọ C V À Ý N G H Ĩ A T H Ự C TI ỄN C Ủ A Đ Ề TÀ I
Nắm bắt được cơ sở lý thuyết và tính tốn thiết kế được hệ thống sấy
nấm mèo nói riêng và các hệ thống sấy khác nói chung. Xác định nhiệt
ñộ, tốc ñộ và phân bố các thiết bị trong hệ thống sấy 1 cách tối ưu.
Đề tài nói lên tính cần thiết của phần mềm CFD trong việc hỗ trợ thiết kế
hệ thống sấy, cũng như các hệ thống liên quan đến q trình truyền nhiệt
và động học lưu chất trong lĩnh vực nhiệt lạnh, như hệ thống thông gió
và điều hồ khơng khí, cơng nghệ năng lượng mới (năng lượng gió, năng
lượng mặt trời...), q trình cháy trong buồng ñốt,...
Sử dụng ñược phần mềm Autodesk simulation CFD, biết ñược tính năng
và khả năng ứng dụng tiềm tàng của phần mềm Autodesk simulation
CFD nói riêng và CFD nói chung. Từ đó, có định hướng và áp dụng
phần mềm CFD 1 cách có mục đích và mang lại hiệu quả cho cơng việc
thiết kế cũng như q trình nghiên cứu của mình.
Đề tài khẳng định tính khả thi ứng dụng cao của phần mềm CFD, nó
giúp ta giảm thiểu thời gian, cơng sức và tiền bạc mà vẫn tìm ra các lời
giải tối ưu và kinh tế cho các bài tốn ẩn, vùng mờ trong q trình thiết
kế và nghiên cứu trong lĩnh vực truyền nhiệt và ñộng lực học lưu chất.
Thực sự CFD ñã mở ra 1 kỷ nguyên tính tốn mới, kỷ ngun số hố và
đem lại lời ích cho mọi người.
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 20
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN & CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ
HỆ THỐNG SẤY - KIỂU BUỒNG
2 . 1 TỔ N G Q U A N H Ệ T H Ố N G S Ấ Y N Ấ M M ÈO
2.1.1 Giới thiệu các phương pháp phơi sấy nấm mèo
Ở ñây ñối tượng sấy của chúng ta ñang nghiên cứu là nấm mèo dạng cắt sợi, nên
trong thực tế sẽ có 1 số phương pháp phơi / sấy nấm mèo hiện nay như sau:
a.
Phương pháp phơi thủ cơng
Sử dụng nguồn nhiệt từ ánh nắng mặt trời để phơi nấm tươi. Phương
pháp này phụ thuộc vào vị trí ñịa lý và khí hậu thời tiết của từng vùng. Nấm
sẽ ñược phơi trên các tấm bạc hoặc nền nhà... nơi có ánh nắng mặt trời chiếu
vào. Đây là phương pháp mà 1 số công ty xuất khẩu nấm mèo khơ đang sử
dụng như cơng ty TNHH NƠNG HẢI SẢN ĐƠNG NAM là 1 điển hình.
Nấm mèo tươi được cắt thành sợi và đem phơi nắng từ 4-5 ngày thì sản
phẩm khơ được đóng gói xuất khẩu.
Hình 2.1: Phương pháp phơi nấm mèo sử dụng ánh nắng mặt trời
Phương pháp này có ưu điểm là chi phí nhân cơng rẻ, dễ thực hiện.
Nhưng lại có khuyết điểm là phụ thuộc q nhiều vào thời tiết (khơng chủ
động đươc năng suất và thời gian), cần diện tích sân phơi lớn và sản phẩm
sau khi sấy khơng được sạch sẽ và thuỷ phần (độ khơ) trong sản phẩm
khơng được đồng đều
HVTH: Qch Huy Hải
Trang 21
Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Simulation CFD Để Thiết Kế Hệ Thống Sấy - Kiểu Buồng
b.
Phương pháp sấy buồng
Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay sử dụng ñể sấy nấm cũng
như các hàng nông sản khác như rau củ quả, thịt lát... Đặc ñiểm của HTS
buồng là do tính chất cấu tạo của nó nên HTS hoạt động theo chu kỳ từng
mẻ, nên công suất sấy không lớn lắm, nhưng phương pháp này có ưu điểm có
thể sấy nhiều dạng VLS khác nhau từ dạng cục, hạt cho ñến dạng thanh, tấm.
(2.2a)
(2.2b)
(2.2c)
Hình 2.2: Các dạng hệ thống sấy buồng áp dụng cho nấm mèo
(2.2a) Máy sấy dạng tủ sấy gia đình
(2.2b) Máy sấy buồng cơng nghiệp
(2.2c)Máy sấy buồng sử dụng xe goòng
c.
Phương pháp sấy hầm
Hệ thống sấy hầm có 1 hầm sấy dài, VLS vào đầu này và ra ñầu kia
của hầm. thiết bị chuyển tải trong hệ thống thường là xe goong hoặc băng
tải, Đặc ñiểm là có thể hoạt động liên tục hoặc bán liên tục, cũng dùng để
sấy nhiều dạng VLS và có cơng suất lớn hơn cơng suất HTS buồng.
Hình 2.3: Mơ hình hệ thống sấy hầm kiểu băng tải
HVTH: Quách Huy Hải
Trang 22
