Phát triển phương trình số Nusselt bằng phương pháp giản đồ Wilson kết hợp mô phỏng CFD

Nội dung text: Phát triển phương trình số Nusselt bằng phương pháp giản đồ Wilson kết hợp mô phỏng CFD

1. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 18 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh PHÁT TRIỂN PHƯƠNG TRÌNH SỐ NUSSELT BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ WILSON KẾT HỢP MÔ PHỎNG CFD DEVELOPMENT OF NUSSELT NUMBER CORRELATION BY WILSON PLOT METHOD COMBINED CFD SIMULATION Nguyễn Thành Luân1, Nguyễn Minh Phú2, Nguyễn Minh Hạ3 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam 2Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Việt Nam 3Trường Đại học Giao thông Vận tải Phân hiệu tại TP.HCM, Việt Nam Ngày toà soạn nhận bài 7/7/2021, ngày phản biện đánh giá 5/8/2021, ngày chấp nhận đăng 21/8/2021. TÓM TẮT Phương pháp giản đồ Wilson là một phương pháp được sử dụng để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong một số quá trình truyền nhiệt. Đây là phương pháp được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt, đặc biệt đối với các thiết bị có bề mặt trao đổi nhiệt phức tạp, khó tiếp cận trong việc tính toán quá trình truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này trình bày ứng dụng phương pháp giản đồ Wilson để phát triển phương trình số Nusselt của dòng lưu chất từ kết quả mô phỏng CFD. Một mô hình đường ống gia nhiệt cho nước với mặt trong ống có cánh dạng tròn, bên ngoài ống được cấp một dòng nhiệt không đổi đã được xem xét. Các mô hình toán học liên quan đến phương trình năng lượng, hồi quy tuyến tính được phân tích bằng phần mềm EES (Engineering Equation Solver). Kết quả nghiên cứu cho thấy, từ dữ liệu mô phỏng CFD bằng phương pháp giản đồ Wilson đã phát triển được phương trình số Nusselt của dòng nước với tương quan R2=0,9992. Qua đó cho thấy, phương pháp giản đồ Wilson có thể sử dụng vào trong nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt không chỉ trong thực nghiệm mà còn có thể vận dụng vào trong nghiên cứu mô phỏng. Phương pháp này có thể vận dụng vào trong giảng dạy thí nghiệm hoặc mô phỏng số liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt cho sinh viên đại học. Từ khóa: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu; số Nusselt; mô phỏng CFD; phương pháp giản đồ Wilson; hồi quy tuyến tính. ABSTRACT The Wilson plot method is a method used to determine the convective heat transfer coefficient in some heat transfer processes. This is a method that has been widely applied in research on heat exchangers, especially for devices with complex and inaccessible heat exchanger surfaces in calculating heat transfer. In this study, the application of the Wilson plot method is presented to develop the Nusselt number correlation of the fluid flow from the CFD simulation results. A model for water heating pipe with the pipe surface with round fins, the outside pipe supplies a constant heat flow were reviewed. The analytical solution for the mathematical model involving energy, linear regression is obtained using an EES (Engineering Equation Solver) program. The research results show that from the CFD simulation data using the Wilson plot method, the Nusselt number correlation of the water flow has been developed with the correlation R2=0,9992. Thereby, it is shown that the Wilson plot method can be used to study heat exchangers in experiments and simulation studies. This method can be applied in teaching experiments or numerical simulations related to heat exchangers for university students. Keywords: convective heat exchange coefficient; Nusselt number; CFD simulation; the Wilson plot method; linear regression. Doi:
2. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 19 thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dạng xoắn 1. GIỚI THIỆU hình nón. Zhen Li và cộng sự [12] ứng dụng Trao đổi nhiệt đối lưu là một hình thức PPGĐ Wilson để phân tích quá trình truyền truyền nhiệt giữa dòng chất lỏng và bề mặt nhiệt khi bay hơi của môi chất R134a trong vật rắn khi có sự chênh lệch về nhiệt độ. Hệ thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống. Kumar số trao đổi nhiệt đối lưu được xác định thông và cộng sự [13] ứng dụng PPGĐ Wilson để qua các tiêu chuẩn đồng dạng: số Nusselt khảo sát khả năng truyền nhiệt giữa dòng (Nu), số Prandtl (Pr), số Reynolds (Re), số nước nóng và lạnh trong thiết bị trao đổi Grashof (Gr) và phương trình tiêu chuẩn. nhiệt ống vỏ với ống trao đổi nhiệt dạng Phương trình tiêu chuẩn được xác định thông vòng xoắn. Jo và cộng sự [14] ứng dụng qua thực nghiệm. Tuy nhiên, khó khăn chính PPGĐ Wilson để đánh giá và so sánh đặc của việc thực nghiệm là việc xác định nhiệt tính truyền nhiệt của môi chất R-1234ze (E) độ bề mặt vật rắn, đặc biệt rất phức tạp khi trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ và không tiếp cận được như trong thiết bị trao dạng tấm. đổi nhiệt. Trong những năm gần đây với sự phát Phương pháp giản đồ Wilson (PPGĐ triển của công nghệ máy tính, nhiều nghiên Wilson) do E.E.Wilson [1] đề xuất sử dụng cứu bằng mô phỏng số (CFD) đã được thực để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong hiện. Nghiên cứu bằng mô phỏng số giảm một số trường hợp khó tiếp cận bề mặt trao được chi phí, công sức và thời gian so với đổi nhiệt. PPGĐ Wilson được đánh giá là những nghiên cứu thực nghiệm truyền thống. phương pháp đơn giản được ứng dụng nhiều Việc kết hợp mô phỏng CFD và PPGĐ trong các nghiên cứu liên quan đến phân tích Wilson cũng đã được thực hiện trong các thiết bị trao đổi nhiệt [2], đơn cử như: Kuo và nghiên cứu như: Dirker và Meyer [15] thực Wang [3] ứng dụng PPGĐ Wilson để phân nghiệm khảo sát quá trình trao đổi nhiệt của tích quá trình bay hơi môi chất R22 trong nước trong ống hình vành khăn bằng PPGĐ ống trơn và trong ống có kênh micro-fin. Yoo Wilson và mô phỏng CFD để đối chiếu. Van và France [4] thực nghiệm khảo sát quá trình và cộng sự [16] sử dụng mô phỏng CFD để sôi của môi chất R113 trong thiết bị trao đổi phân tích quá trình trao đổi nhiệt của nước nhiệt ống lồng ống bằng PPGĐ Wilson. trong thiết bị ống lồng ống và thực nghiệm Zhnegguo và cộng sự [5] ứng dụng PPGĐ đối chiếu bằng PPGĐ Wilson. Wilson để điều tra quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và dầu trong thiết bị trao đổi nhiệt Qua các nghiên cứu trên cho thấy PPGĐ dạng ống vỏ. Kuo và cộng sự [6] ứng dụng Wilson sử dụng để xác định hệ số trao đổi PPGĐ Wilson để khảo sát quá trình sôi của nhiệt đối lưu đã được thực hiện bằng thực môi chất R410A trong thiết bị trao đổi nhiệt nghiệm hoặc thực nghiệm để kiểm chứng mô dạng tấm. Bukasa và cộng sự [7, 8] nghiên phỏng. cứu quá trình ngưng tụ của môi chất R22, Việc phát triển phương trình số Nusselt R134a và R407C bên trong ống có kênh trong mô phỏng CFD có thể thực hiện thông micro với cánh xoắn ốc. Cheng và cộng sự qua các phương trình cân bằng năng lượng và [9] nghiên cứu thực nghiệm khảo sát trao đổi hồi quy tuyến tính. Qua các nghiên cứu, chưa nhiệt giữa không khí và nước, không khí và thấy có đề cập nào về việc vận dụng PPGĐ hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt polymer Wilson để phát triển phương trình số Nusselt compact. Mohebbi và Veysi [10] ứng dụng từ dữ liệu mô phỏng số. Do đó, trong nghiên PPGĐ Wilson để khảo sát quá trình trao đổi cứu hiện tại, với mục đích vận dụng PPGĐ nhiệt giữa dòng nước nóng và lạnh trong Wilson để phát triển phương trình số Nusselt thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có vách chéo thay cho phương pháp truyền thống. Nghiên chữ V. Sheeba và cộng sự [11] ứng dụng cứu đã thực hiện khảo sát số Nusselt của PPGĐ Wilson để xem xét quá trình trao đổi dòng nước trong ống trao đổi nhiệt có cánh nhiệt giữa dòng nước nóng và lạnh trong dạng tròn dọc theo trục ống, bên ngoài ống
3. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 20 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh cấp một dòng nhiệt 10000W/m2. Dựa theo 1 R - Nhiệt trở do đối lưu bên trong kết quả của mô phỏng CFD tiến hành phát i F triển phương trình số Nusselt theo PPGĐ ii Wilson. Qua đó để đánh giá khả năng vận ống; K/W dụng sự kết hợp này trong việc phát triển i, - Hệ số toả nhiệt đối lưu bên trong và phương trình số Nusselt. Cũng như có đề bên ngoài ống; W/m2.K xuất cho việc ứng dụng vào giảng dạy trong phòng thí nghiệm cho sinh viên đại học. hfi, hf - Hệ số bám bẩn bên trong và bên ngoài ống; W/m2.K 2. PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ WILSON Fi, F - Diện tích bên trong và bên ngoài ống; Phương pháp giản đồ Wilson được E.E m2 Wilson đề xuất để xác định hệ số trao đổi nhiệt trong bình ngưng ống vỏ nằm ngang v - Hệ số dẫn nhiệt của vách ống; W/mK với hơi môi chất ngưng tụ bên ngoài ống. L - Chiều dài ống; m Hình 1 mô tả nhiệt trở của quá trình trao đổi nhiệt giữa chất lỏng làm mát bên trong ống Với một quá trình ngưng tụ cụ thể nếu và hơi môi chất ngưng tụ bên ngoài ống ứng dòng lưu chất làm mát được thay đổi thì sự với trường hợp được Wilson đề xuất để xác thay đổi của tổng nhiệt trở chủ yếu là do sự định hệ số trao đổi nhiệt. thay đổi hệ số trao đổi nhiệt ở trong ống, trong khi các nhiệt trở còn lại gần như không thay đổi [2]. Do đó, nhiệt trở do quá trình đối lưu bên ngoài ống, nhiệt trở do màng bẩn bên ngoài ống và bên trong ống, nhiệt trở vách ống có thể được xem là không đổi. Do đó ta có được: CRRRRconst 1 ofovfi 2 Hình 1. Sơ đồ nhiệt trở quá trình truyền Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cho dòng nhiệt qua ống chảy rối bên trong ống được xác định theo Tổng nhiệt trở quá trình truyền nhiệt phương trình Dittus–Boelter [17]: được xác định [2]: m 0.4 l i C.RePr. 3 RRRRRRovofovfii 1 di Trong đó: Trong đó: 1 Re -Số Reynolds R - Nhiệt trở đối lưu bên ngoài o Pr - Số Prandtl ooF ống; K/W l- Hệ số dẫn nhiệt chất lỏng làm mát; 1 W/mK R - Nhiệt trở do màng bẩn bên fo C, m - Các hệ số của phương trình hFfo o ngoài ống; K/W Nếu bỏ qua ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số vật lý của chất lỏng làm mát thì ln(ddoi / ) m Rv - Nhiệt trở vách; K/W nhiệt trở trong của ống tỉ lệ với Re . Do đó, 2 v L nhiệt trở trong có thể biểu diễn như phương trình: 1 Rfi - Nhiệt trở do màng bẩn bên trong 1 hF RC 4 fi i i 2 Rem ống; K/W
4. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 21 Từ phương trình (1), (2) và (4) có được: 1 o 10 1 FCRRR[()] RCC 5 ofovfi1 ov 12Rem Rem Mặt khác, tổng nhiệt trở của quá trình 11 i CF. trao đổi nhiệt có thể xác định bằng thực 2 i nghiệm và tính toán theo các phương trình 1 truyền nhiệt cơ bản (6-9) [18]. C (12) 0.4 l CF2 Pr i Ttb di Rov 6 q Nhược điểm của PPGĐ Wilson là phải ()()TTTT giả thiết về số mũ m của số Reynolds. Do đó, T vivo 7 một cải tiến của phương pháp được áp dụng tb ln[()TTTT / ()] vivo để khắc phục điều này gọi là PPGĐ Wilson cải tiến. Phương pháp này được thực hiện q m c T T. .( ) 8 poi tương tự như PPGĐ Wilson tuy nhiên khi hồi vd quy tuyến tính bằng đồ thị thì sử dụng Re i 9 phương trình (13) bằng cách lấy logarit 2 vế  phương trình (5) [2]: Trong đó: 11 lnlnln(Re) m (13) q- Nhiệt lượng trao đổi, kW RCCov - 12 Ttb- Hiệu nhiệt độ trung bình logarit; K Các bước để xác định hệ số mũ (m) của Tv- Nhiệt độ vách ống; K phương trình (13) theo PPGĐ Wilson cải tiến được thực hiện theo sơ đồ Hình 2. Ti- Nhiệt độ chất lỏng làm mát vào; K To- Nhiệt độ chất lỏng làm mát ra; K m- Lưu lượng khối lượng chất lỏng làm mát; kg/s cp- Nhiệt dung riêng chất lỏng làm mát; kJ/kg.K - Khối lượng riêng chất lỏng làm mát; kg/m3 - Độ nhớt chất lỏng làm mát kg/m.s v- Vận tốc chất lỏng làm mát đi trong ống; m/s Nếu giả sử giá trị của số mũ m trong phương trình (5), kết hợp với các giá trị thực nghiệm để xác định tổng nhiệt trở Rov ta có thể hồi quy tuyến tính để xác định hệ số C1 Hình 2. Giản đồ xác định hệ số m theo PPGD và C2 trong phương trình (5). Sau đó có thể Wilson cải tiến xác định được hệ số đối lưu bên ngoài ống, bên trong ống và hệ số C trong phương trình Phương trình số Nusselt trong ống được (10-12). Phương pháp này được gọi là xác định: phương pháp giản đồ Wilson. Nu C.Remn Pr 14
5. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 22 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN quả thể hiện ở Bảng 1, khi số nút lưới khoảng Trong nghiên cứu này, mô hình vật lý 2897000 thì sai lệch kết quả số Nusselt của với cánh trao đổi nhiệt bên trong ống về phía dòng nước làm mát so với trường hợp số nút dòng nước được đề xuất. Mô hình vật lý lưới 2460000 khoảng 1,89%. Để đảm bảo độ được xem xét dưới góc độ bề mặt trao đổi chính xác mô phỏng và thời gian tính toán nhiệt phức tạp và khó tiếp cận. Hình 3 mô tả thích hợp, chấp nhận sai số này và chọn kích một miền tính toán với các điều kiện mô thước các phần tử lưới 0,3 mm tương ứng với phỏng. Miền tính toán là một ống nhôm có số nút lưới 2897000. đường kính do/di = 6,4 mm / 4,88 mm, chiều Bảng 1. Kiểm tra độc lập lưới dài ống L = 400 mm. Bên trong ống có cánh STT Số phần tử lưới Số Nusselt dạng tròn với chiều cao cánh h = 1 mm, bề dày cánh  = 1 mm, bước cánh p= 50 mm. 1 1314000 46,78 Dòng nước lạnh đi trong ống với nhiệt độ 2 1964000 47,72 đầu vào T =35 C. Số Reynolds của dòng i 3 2460000 49,21 nước lạnh được khảo sát trong phạm vi Re = 3400 ÷ 10000. Áp suất đầu ra của dòng nước 4 2897000 50,16 lạnh được thiết lập bằng áp suất khí quyển. Bên ngoài ống được cấp với một dòng nhiệt Trong nghiên cứu này, mô hình chảy rối với mật độ không đổi q=10000W/m2. k-, RND kết hợp xử lý tăng cường vách (enhanced wall treatment) được sử dụng trong mô phỏng và theo đánh giá [19] thì mô hình chảy rối này phù hợp với đường ống có nhám bên trong. Sai số cho phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình năng lượng trong mô phỏng là 10-6. Các thông số vật lý của nước và ống nhôm được thể hiện như Bảng 2 và Bảng 3, các kết quả được trích xuất từ dữ liệu của phần mềm Ansys 2019 [20] và phần mềm EES [21]. Bảng 2. Thông số vật lý của nhôm Hình 3. Miền tính toán, điều kiện ban đầu và STT Đại lượng Giá trị điều kiện biên 1 Khối lượng riêng (kg/m3) 2719 2 Nhiệt dung riêng (J/kg.K) 871 3 Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) 202,4 Bảng 3. Thông số vật lý của nước theo nhiệt độ tuyệt đối (K) STT Đại lượng Giá trị =819,551+ Khối lượng 1 3 1,49044T - riêng (kg/m ) -4 2 Hình 4. Chia lưới miền tính toán 29,992710 T c =5449,53 - Hình 4 trình bày chia lưới miền tính toán. Nhiệt dung p Để kiểm tra độc lập lưới, số nút lưới từ 2 7,92369T + riêng (J/kg.K) 1314000 đến 2897000 đã được thực hiện ở 0,012372T2 trường hợp vận tốc nước v=0,5 m/s. Như kết
6. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 23 STT Đại lượng Giá trị lượng dòng nước tăng đáng kể trong khi lượng nhiệt cấp vào không có sự thay đổi = -0.7725 nhiều dẫn đến nhiệt độ dòng nước có xu Hệ số dẫn 3 + 75,210610-4T hướng giảm khi tăng tốc độ dòng nước. nhiệt(W/m.K) - 9,8404310-6T2 Bảng 4. Kết quả từ mô phỏng CFD Trường v, Ti, =0,0140,497 o To, C Tv, C Độ nhớt hợp m/s C 4 - 73,851610-6T (kg/m.s) TH1 0,5 35 37,08000 37,85000 + 9,9283710-8T2 TH2 0,8 35 36,30772 36,90587 Trong nghiên cứu này, để đơn giản hóa việc tính toán, diện tích trao đổi nhiệt bên TH3 1,0 35 36,04455 36,60316 trong ống được xác định bằng phần mềm TH4 1,2 35 35,86977 36,39326 Inventor 2019 [22] khi dựng mô hình. Để xác TH5 1,5 35 35,69614 36,16785 nhận độ tin cậy của kết quả mô phỏng, một mô phỏng số đã được thực hiện với trường Thực hiện tính toán xác định tổng nhiệt hợp ống trơn và kiểm chứng với phương trở Rov theo các phương trình (6-9), kết quả trình Dittus–Boelter. Kết quả cho thấy, số tính toán thể hiện như ở Bảng 5. Từ bảng 5 Nusselt của kết quả mô phỏng hiện tại với cho thấy khi tăng tốc độ dòng nước thì nhiệt phương trình số Nusselt của Dittus–Boelter trở tổng Rov có xu hướng giảm. Khi tăng tốc có tính phù hợp cao (Hình 5). Do đó, việc sử độ dòng nước dẫn đến làm tăng khả năng dụng kết quả mô phỏng số có thể tin cậy để trao đổi nhiệt bên trong ống hay nói cách có các bàn luận tiếp theo. khác hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên trong ống tăng lên. Do đó, nhiệt trở do đối lưu bên trong ống giảm xuống trong khi đó, các thành phần nhiệt trở khác gần như không thay đổi. Vì vậy tổng nhiệt trở quá trình trao đổi nhiệt giảm khi tăng tốc độ dòng nước. Bảng 5. Kết quả tính toán tổng nhiệt Rov từ kết quả mô phỏng Trường Ttb, Re Pr Rov, K/W hợp C TH1 1,589 3439 4,816 0,01966 TH2 1,128 5462 4,858 0,01387 TH3 0,9908 6810 4,872 0,0122 Hình 5. Xác nhận kết quả mô phỏng so với dữ TH4 0,8885 8158 4,882 0,01095 liệu đã công bố TH5 0,7679 10617 3,612 0,009458 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ các kết quả của dữ liệu mô phỏng ở Sử dụng PPGĐ Wilson để xác định số Bảng 4 nhận thấy, khi tăng tốc độ dòng nước Nusselt theo dạng phương trình của Dittus– từ 0,5  1,5 m/s thì nhiệt độ dòng nước đầu Boelter. Số Prandtl và Reynolds được lấy tương ứng là 0,4 và 0,8. Tương quan giữa Rov ra tăng từ 0,7  2,08 C, tốc độ dòng nước 0,8 càng lớn thì nhiệt độ dòng nước đầu ra càng và 1/Re thể hiện như Hình 6. Kết quả xác định được phương trình (15) với tương quan giảm. Điều này có thể giải thích rằng khi 2 tăng tốc độ dòng nước thì lưu lượng khối R =0,9999:
7. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 24 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh phương trình (17) với tương quan R2=0,9985: 1 ln() 1,633880,6871 lnR e (17) R -C ov 1 Hình 6. Tương quan theo PPGĐ Wilson 0.8 Rov 0,00208259 11,7849 / Re (15) Sau khi xác định được hệ số C1=0,00208259; C2=11,7849 trong phương trình (5). Hệ số C được xác định thông qua Hình 8. Tương quan theo PPGĐ Wilson tương quan ở phương trình (12) và xác định được C = 0,04464. Do đó phương trình số cải tiến Nusselt của dòng nước lạnh trong ống được Từ hệ số mũ m=0,6871 của số Reynolds xác định: trong phương trình (17) sử dụng PPGĐ 0,8 0,4 Wilson cải tiến hồi quy xác định được hàm Nu = 0,04464Re Pr 16 m tương quan giữa Rov với Re như Hình 9. Phương trình (16) được lập với hệ số Kết quả xác định được phương trình (18) với tương quan R2=0,9984 (Hình 7). Sai lệch lớn tương quan R2=1: nhất hàm của số Nusselt lập được so với kết 1 quả mô phỏng 21,37%. R 0.000160021 5,20214 (18) ov Re0,6871 Hình 7. Phát triển hàm của số Nusselt theo Hình 9. Tương quan theo PPGĐ Wilson cải PPGĐ Wilson từ dữ liệu CFD tiến Sử dụng PPGĐ Wilson cải tiến xác định Sau khi xác định được hệ số 1 hàm số tương quan giữa ln với C1=0,000160021; C2=5,20214 trong phương RCov - 1 trình (5). Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước ln(Re) như Hình 8. Kết quả xác định được bên trong ống được xác định theo phương
8. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 25 0,6871 trình (11) và có được i=5,20214.Re số Nusselt của dòng nước lạnh ở phạm vi W/m2.K. Hệ số C được xác định thông qua khảo sát trong nghiên cứu này. tương quan ở phương trình (12) và xác định 5. KẾT LUẬN được C = 0,1012. Do đó phương trình số Nusselt của dòng nước lạnh trong ống được Nghiên cứu này trình bày phương pháp xác định: xác định phương trình số Nusselt bằng giản đồ Wilson kết hợp mô phỏng số CFD. Một 0,6871 0,4 Nu = 0,1012Re Pr 19 mô hình đường ống gia nhiệt cho nước với mặt trong ống có cánh dạng tròn, bên ngoài ống được cấp một dòng nhiệt không đổi đã được xem xét. Qua nghiên cứu có một số kết luận như sau: - Phương trình (19) thể hiện phương trình số Nusselt của dòng nước lạnh trong phạm vi khảo sát. Phương trình có độ tin cậy cao với tương quan R2=0,9992. Sai lệch lớn nhất giữa hàm của số Nusselt lập được với kết quả từ mô phỏng là 4%. Qua đó cho thấy, việc vận dụng PPGĐ Wilson để phát triển phương trình số Nusselt từ dữ liệu mô phỏng Hình 10. Phát triển hàm của số Nusselt theo là chấp nhận được, có thể vận dụng vào trong PPGĐ Wilson cải tiến từ dữ liệu CFD nghiên cứu. Phương trình (19) được lập với hệ số - PPGĐ Wilson có thể áp dụng cho tương quan R2=0,9992 (Hình 10). Sai lệch nghiên cứu thực nghiệm hoặc mô phỏng số lớn nhất hàm của số Nusselt lập được so với liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt kết quả mô phỏng 4%. Qua đó cho thấy, trao đổi nhiệt phức tạp, khó tiếp cận. phương trình (19) phát triển theo PPGĐ Wilson cải tiến có độ chính xác cao hơn so - Có thể vận dụng sự kết hợp giữa mô với phương trình (16) phát triển theo PPGĐ phỏng số và PPGĐ Wilson vào giảng dạy Wilson. Do đó, phương trình (19) với sai lệch trong phòng thí nghiệm cho sinh viên đại học. chấp nhận được, có thể sử dụng để dự đoán TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wilson, E.E., A basis for rational design of heat transfer apparatus, The J. Am. Soc. Mech. Engrs, 37, p. 546-551, 1915. [2] Fernández-Seara, J., et al., Experimental apparatus for measuring heat transfer coefficients by the Wilson plot method, European Journal of Physics, 26(3), 2005. [3] Kuo, C. and C.-C. Wang, In-tube evaporation of HCFC-22 in a 9.52 mm micro-fin/smooth tube, International Journal of Heat and Mass Transfer, 39(12), p. 2559-2569,1996. [4] Yoo, S.-J. and D. France, Post-CHF heat transfer with water and refrigerants, Nuclear engineering and design, 163(1-2), p. 163-175, 1996. [5] Zhnegguo, Z., X. Tao, and F. Xiaoming, Experimental study on heat transfer enhancement of a helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional finned tubes, Applied Thermal Engineering, 24(14-15), p. 2293-2300, 2004. [6] Kuo, W., et al., Condensation heat transfer and pressure drop of refrigerant R-410A flow in a vertical plate heat exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(25-26), p. 5205-5220, 2005.
9. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 26 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh [7] Bukasa, J.-P.M., L. Liebenberg, and J.P. Meyer, Heat transfer performance during condensation inside spiralled micro-fin tubes, J. Heat Transfer, 126(3), p. 321-328, 2004. [8] Bukasa, J.-P., L. Liebenberg, and J.P. Meyer, Influence of spiral angle on heat transfer during condensation inside spiralled micro-fin tubes, Heat transfer engineering, 26(7), p. 11-21, 2005. [9] Cheng, L., C.W. Van Der Geld, and A.S. Lexmond, Study and visualization of droplet entrainment from a polymer plate heat exchanger, International Journal of Heat Exchangers, 5(2), p. 359-378, 2004. [10] Mohebbi, S. and F. Veysi, An experimental investigation on the heat transfer and friction coefficients of a small plate heat exchanger with chevron angle, Heat and Mass Transfer, 56(3), p. 849-858, 2020. [11] Sheeba, A., R. Akhil, and M.J. Prakash, Heat transfer and flow characteristics of a conical coil heat exchanger, International Journal of Refrigeration, 2020. 110: p. 268-276. [12] Li, Z., et al., Evaporation heat transfer of R134a on outside of smooth and enhanced tubes, Heat Transfer Engineering, 42(9), p. 749-763, 2021. [13] Kumar, R. and P. Chandra, Innovative method for heat transfer enhancement through shell and coil side fluid flow in shell and helical coil heat exchanger, Archives of Thermodynamics, 41(2), 2020. [14] Jo, C., et al., Comparative evaluation of the evaporation heat transfer characteristics of a low-GWP refrigerant R-1234ze (E) between shell-and-plate and plate heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 153, p. 119598, 2020. [15] Dirker, J. and J. Meyer, Convection heat transfer in concentric annuli, Experimental heat transfer, 17(1), p. 19-29, 2004. [16] Van der Vyver, H., J. Dirker, and J.P. Meyer. Validation of a CFD model of a three-dimensional tube-in-tube heat exchanger, in Proc. 3rd International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries. 2003. [17] Ko, K.-H. and N. Anand, Use of porous baffles to enhance heat transfer in a rectangular channel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46(22), p. 4191-4199, 2003. [18] Cengel, Y. Heat transfer, McGraw-Hill, 2003. [19] Sharifi, K., et al., Computational fluid dynamics (CFD) technique to study the effects of helical wire inserts on heat transfer and pressure drop in a double pipe heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 128, p. 898-910, 2018. [20] Ansys Fluent Software 2019. [21] Klein, S.A., Engineering Equation Solver, 2013. [22] Autodesk Inventor Software 2019. Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: Nguyễn Thành Luân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: luannt@hcmute.edu.vn