CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY PHUN
5.5 Kết quả mô phỏng
5.5.1 Mô Phỏng ở chế độ nhiệt độ cao
Hình 5.13: Phân bố nhiệt độ trong buồng sấy
Nhiệt độ được phân thành 2 vùng chính: vùng đầu mũi phun và vùng dưới buồng sấy.
Vùng đầu mũi phun là nơi có sự trao đổi nhiệt diễn ra mãnh liệt. Do đó, tại đây trường nhiệt độ biến thiên rõ rệt nhất trong không gian buồng sấy.
Vùng dưới buồng sấy và đầu ra nhiệt độ khá đồng đều, trường nhiệt độ ổn định, có giá trị trong giải từ 400K đến 418K.
Quan sát trên hình, ta còn thấy rằng dòng hỗn hợp được phun ra từ đầu mũi phun phân luồng không khí nóng (tác nhân sấy) thành 2 luồng riêng biệt và tương đối đối xứng. Điều này cho thấy phân bố nhiệt độ trên một mặt cắt ngang cả ở giai
67
đoạn đầu mũi phun và phía dưới là đối xứng nhau. Để kiểm tra, FLUENT cho phép xuất giá trị của từng điểm xác định theo tọa độ trên mô hình buồng sấy. Ở đây, ta sẽ xuất giá trị của 3 vị trí CH1-1, CH1-2 và CH1-3 dọc theo chiều cao buồng sấy (như hình 5.12), mỗi vị trí lấy giá trị tại 15 điểm như biểu diễn trên hình 5.14 và được biểu diễn trên các bảng 5.2, 5.3 và 5.4 dưới đây.
Hình 5.14: vị trí các điểm đo của 1 đầu đo
Bảng 5.2: Giá trị nhiệt độ xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;274) đến (47;274) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 (K)
Điểm 2 (K)
Điểm 3 (K)
Điểm 4 (K)
Điểm 5 (K)
CH 1-1 413.00 413.00 412.00 392.00 335.60
CH 1-1’ 413.00 412.90 411.50 400.30 353.30
CH 1-1’’ 413.00 412.90 410.00 390.10 348.30
Bảng 5.3: Giá trị nhiệt độ xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;214) đến (47;214) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 (K)
Điểm 2 (K)
Điểm 3 (K)
Điểm 4 (K)
Điểm 5 (K)
CH 1-2 412.7 410.7 402.9 390.7 382.7
CH 1-2’ 412.5 409.8 403.6 393.5 383.3
CH1-2’’ 412.50 409.30 403.40 393.40 384.90
68
Bảng5.4: Giá trị nhiệt độ xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;154) đến (47;154) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 (K)
Điểm 2 (K)
Điểm 3 (K)
Điểm 4 (K)
Điểm 5 (K)
CH 1-3 409.7 405.3 400.5 396.4 392.2
CH 1-3’ 409.2 401.7 397.2 393.1 391.4
CH1-3’’ 411.10 406.30 400.10 395.80 392.20
Nhận xét: Ta thấy được sự đối xứng về nhiệt độ tại 3 kênh (CH1, CH2 và CH3) vùng phía trên, gần mũi phun. Ta cũng nhận thấy chênh lệch % giá trị nhiệt độ là khá nhỏ. Điều này chứng tỏ nhiệt độ trong buồng sấy là đối xứng nhau.
Ta tiếp tục xuất các giá trị nhiệt độ tại từng kênh đo từ CH1-1 đến CH1-6 dọc theo chiều cao buồng sấy với từng điểm đo như các điểm đo trên mô hình thực nghiệm để so sánh và kiểm tra với thực nghiệm sự truyền nhiệt và truyền chất trong buồng sấy phun ở chế độ nhiệt độ cao. Giá trị tính theo Fluent được biểu diễn trên bảng 5.5 và giá trị thực nghiệm được biểu diễn trên bảng 5.6 [7].
Bảng 5.5: Giá trị tính theo Fluent tại từng điểm đo của từng kênh Vị trí
Đầu đo
Điểm 1 (K)
Điểm 2 (K)
Điểm 3 (K)
Điểm 4 (K)
Điểm 5 (K)
CH 1-1 413.00 413.00 412.00 392.00 335.60
CH 1-2 412.70 410.70 402.90 390.70 382.70
CH 1-3 409.70 405.30 400.50 396.40 392.20
CH 1-4 412.90 412.30 411.60 409.80 407.70
CH 1-5 413.00 413.00 413.00 413.00 413.00
CH 1-6 412.90 412.90 412.90 412.90 412.90
69
Bảng 5.6:Giá trị trung bình thực nghiệm tại các điểm đo chế độ nhiệt độ cao Vị trí
Đầu đo
Điểm 1 (K)
Điểm 2 (K)
Điểm 3 (K)
Điểm 4 (K)
Điểm 5 (K)
CH 1-1 396.35 386.01 373.83 374.32 380.46
CH 1-2 398.41 399.04 396.22 396.18 395.42
CH 1-3 399.46 400.54 398.29 398.66 399.64
CH 1-4 398.2 399.65 397.54 397.66 399
CH 1-5 399.14 399.72 396.69 392.38 397.36
CH 1-6 398.55 399.83 398.14 398.12 399.79
Bảng 5.7: Giá trị sai lệch nhiệt độ (%) tại các điểm đo giữa mô phỏng bằng Fluent và thực nghiệm
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3 Điểm 4 Điểm 5 Sai lệch trung bình (%) CH 1-1 4.20 6.99 10.21 4.72 -11.79 2.87 CH 1-2 3.59 2.92 1.69 -1.38 -3.22 0.72 CH 1-3 2.56 1.19 0.55 -0.57 -1.86 0.38 CH 1-4 3.69 3.17 3.54 3.05 2.18 3.13 CH 1-5 3.47 3.32 4.11 5.26 3.94 4.02 CH 1-6 3.60 3.27 3.71 3.71 3.28 3.51
Sai lệch trung bình (%) 2.44
Giá trị của các điểm tại mỗi kênh đo của mô phỏng và thực nghiệm được tổng hợp lại và biểu diễn trên đồ thị hình 5.15 dưới đây.
Quan sát trên các bảng 5.5, 5.6 và đồ thị hình 5.15 ta thấy: xu hướng chung của nhiệt độ ứng với 2 kết quả là nhiệt độ tại điểm gần vách buồng sấy (điểm 1) cao hơn nhiệt độ gần tâm (điểm 5), điều này phù hợp với lý thuyết bởi vì phía gần tâm buồng sấy có sự hòa trộn, khuếch tán giữa dòng nước phun và dòng tác nhân sấy, còn ở phía gần vách sự khuếch tán và truyền nhiệt diễn ra ít hơn do không có sự xáo
70
trộn mạnh của dòng. Hơn nửa dưới trường nhiệt độ của buồng sấy là ổn định, sát với thực tế. Sai lệch trung bình về giá trị nhiệt độ giữa 2 kết quả lớn nhất là 4.02%
và tổng sai lệch trung bình là 2.44%, tương đối bé. Điều này chứng tỏ số liệu mô phỏng có thể chấp nhận được và có thể sử dụng để tiếp tục nghiên cứu.
Giá trị nhiệt độ của kết quả mô phỏng cao hơn kết quả thực nghiệm có thể do trong quá trình đo đạc, các đầu đo của thiết bị dưới nhiệt độ cao đã bức xạ nhiệt ra xung quanh, dẫn đến nguyên nhân giá trị đo được thấp hơn thực tế. Mặt khác, trên thực tế tổn thất nhiệt ra bên ngoài là không thể tránh khỏi, trong khi buồng sấy mô phỏng trên phần mềm Fluent được giả thiết là đoạn nhiệt.
Hình 5.15: Nhiệt độ trong buồng sấy – kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ nhiệt độ cao
71 b/ Phân bố tốc độ
Phân bố tốc độ trong buồng sấy phun được biểu diễn trên các hình 5.16, 5.17, 5.18 và 5.19.
Quan sát trên hình 5.16 và 5.17, ta thấy rằng: tại phần đầu của luồng phun với áp suất cao ở 2 phía bên của dòng phun có sự xoáy của dòng, tại phần phía dưới của buồng sấy và phần ống ra có sự hội tụ của dòng tại đầu ra và sự xoáy ở phần đáy của buồng sấy. Tại đầu ra do dòng có độ chênh áp suất nên làm cho tốc độ tại vị trí này của dòng tăng cao (tại đây trường tốc độ có màu xanh nhạt hơn). Ngoài ra, ta cũng thấy dòng phun thẳng từ trên xuống chia buồng sấy làm 2 phần đều nhau, điều này một lần nữa nhận định trong buồng sấy có sự đối xứng về giá trị tại các điểm đo. Tương tự như nhiệt độ, ta cũng tiến hành xuất các giá trị tốc độ tại 3 kênh đô phần phía trên của buồng sấy để kiểm tra sự đối xứng bằng cách xác định giá trị tại từng điểm như biểu diễn trên các bảng 5.8, 5.9 và 5.10 dưới đây.
Hình 5.16: Trường vận tốc trong buồng sấy
72
Hình 5.17: Trường vận tốc gần mũi phun
Bảng5.8: Giá trị vận tốc xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;274) đến (47;274) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 [m/s]
Điểm 2 [m/s]
Điểm 3 [m/s]
Điểm 4 [m/s]
Điểm 5 [m/s]
CH 1-1 0.07 0.26 0.20 3.33 14.03
CH 1-1’ 0.19 0.37 0.24 2.07 10.96
CH 1-1’’ 0.08 0.26 0.31 3.94 11.70
Bảng5.9: Giá trị vận tốc xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;214) đến (47;214) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 [m/s]
Điểm 2 [m/s]
Điểm 3 [m/s]
Điểm 4 [m/s]
Điểm 5 [m/s]
CH 1-2 0.44 0.05 1.47 3.80 5.37
CH 1-2’ 0.54 0.17 1.54 3.47 5.38
CH1-2’’ 0.37 0.32 1.50 3.38 5.02
73
Bảng5.10: Giá trị vận tốc xác định trên mô hình bằng FLUENT tại các đầu đo có tọa độ từ điểm (-47;154) đến (47;154) (mỗi điểm cách nhau 10 mm)
Vị trí Đầu đo
Điểm 1 [m/s]
Điểm 2 [m/s]
Điểm 3 [m/s]
Điểm 4 [m/s]
Điểm 5 [m/s]
CH 1-3 0.45 0.34 1.60 2.73 3.46
CH 1-3’ 0.50 0.70 2.19 3.20 3.59
CH1-3’’ 0.44 0.34 1.49 2.63 3.42
Nhận xét: Các giá trị của vận tốc ở trên cho thấy rằng tốc độ tăng dần khi càng gần tâm buồng sấy. Tốc độ thay đổi nhiều nhất tại vị trí gần miệng phun do động năng của hạt còn lớn khi thoát ra khỏi vòi phun. Tốc độ tăng từ ngoài thành vào tâm buồng sấy và giảm dần từ trên xuống dưới, dọc theo chiều cao buồng sấy. Tốc độ lớn nhất là ở ngay tại đầu mũi phun, có giá trị bằng 52 m/s (hình 5.16) và 14.03 m/s tại điểm 5 của đầu đo CH1-1. Tại vị trí CH1-6 tốc độ chỉ còn khoảng từ 0.5 m/s đến 3.59 m/s. Tốc độ giảm rất nhanh là do có sự nở rộng và khuếch tán của dòng và do ma sát với dòng không khí có trong buồng sấy. Ở đây, ta vẫn thấy được sự tương đồng về tốc độ của các điểm đối xứng.
Trường dòng và trường véc tơ vận tốc được thể hiện trên hình 5.18 và 5.19.
Hình 5.18: Trường dòng vận tốc
74
Hình 5.19: Trường véc tơ vận tốc c/ Phân bố áp suất
Phân bố áp suất trong buồng sấy được biểu diễn trên hình 5.20.
Hình 5.20: Trường áp suất
75
Hình 5.20 cho ta phân bố áp suất thực trong buồng sấy. Áp suất cao nhất là trong đường ống mũi phun với không khí nén (áp suất cao P = 3 bar) và phía đầu mũi phun với sự hòa trộn với dịch phun. Phần còn lại hầu như không có sự thay đổi về giá trị áp suất, nằm trong khoảng từ 93149.125 Pa đến 150000 Pa.