TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 245
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÒNG KHÍ
TRONG VAN CAO ÁP CROSBY H-SERIES DÙNG 3D PLANT
RESEARCH, CALCULATE, DESIGN AND SIMULATE GAS FLOW
IN CROSBY H-SERIES HIGH PRESSURE VALVE USING 3D PLANT
Nguyễn Minh Nghĩa1,*, Nguyễn Trung Kiên1, Nguyễn Khắc Hòa2,
Nguyễn Hải Long2, Nguyễn Văn Tài3
1Lớp Cơ khí 05 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Cơ khí 06 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: minhnghia11a@gmail.com
TÓM TẮT
AutoCAD Plant 3D là một phần mềm được phát triển trên nền tảng AutoCAD của hãng AutoDesk Software, chuyên
về thiết kế và mô hình hóa trong ngành công nghiệp dầu, khí gas, khí hóa lỏng và các lĩnh lực liên quan đến gia công và
lắp đặt các hệ thống ống.
Từ khóa: AutoCAD Plant 3D.
ABSTRACT
AutoCAD Plant 3D is a software developed on the AutoCAD platform of AutoDesk Software, specializing in design
and modeling in the oil, gas, liquefied petroleum gas industry and fields related to machining and installation. Install pipe
systems.
Keywords: AutoCAD Plant 3D.
1. GIỚI THIỆU
Van cao áp CROSBY H-SERIES đã được nghiên cứu
và ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp nặng
trên toàn thế giới. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc
điều chỉnh và duy trì áp suất hơi trong các hệ thống công
nghiệp, đặc biệt là trong các lĩnh vực như dầu khí, hóa chất,
và nhà máy điện.
Van cao áp CROSBY H-SERIES được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống yêu cầu quản lý áp suất chặt chẽ và đáng
tin cậy. Việc cài đặt và sử dụng chúng giúp đảm bảo rằng
áp suất được duy trì trong phạm vi an toàn, tránh việc quá
áp gây nguy hiểm cho thiết bị và con người.
Nghiên cứu mô phỏng dòng khí trong van CROSBY H-
SERIES giúp cải thiện hiệu quả và độ an toàn của hệ thống.
Việc này bao gồm các phân tích sau:
Điều áp: Mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình điều áp
trong van, đảm bảo rằng áp suất được duy trì ổn định trong
các điều kiện vận hành khác nhau.
Tránh thất thoát: Nghiên cứu giúp phát hiện và ngăn
chặn các điểm có thể gây thất thoát khí, từ đó giảm thiểu
nguy cơ mất áp suất và tăng hiệu suất vận hành.
An toàn: Việc kiểm tra và mô phỏng dòng khí trong van
giúp phát hiện các điểm yếu tiềm ẩn, từ đó cải thiện thiết kế
và tăng cường an toàn cho hệ thống.
Các nghiên cứu và ứng dụng van cao áp CROSBY H-
SERIES đã chứng minh rằng chúng là một thành phần quan
trọng trong các hệ thống công nghiệp hiện đại. Với khả năng
điều chỉnh và duy trì áp suất hiệu quả, cùng với các nghiên
cứu mô phỏng dòng khí giúp tối ưu hóa hoạt động, van
CROSBY H-SERIES góp phần quan trọng vào sự an toàn
và hiệu suất của các nhà máy công nghiệp trên toàn thế giới.
Nghiên cứu tính toán, thiết kế mô phỏng dòng khí trong
van cao áp CROSBY H-SERIES dùng 3D Plant quá trình
bảo trì, bảo dưỡng hệ thống được tốt hơn, trảnh rủi ro mất
áp, mất an toàn.
Nghiên cứu và phân tích hoạt động của van cao áp
CROSBY H-SERIES.
Hiểu rõ nguyên lý làm việc và cơ chế điều chỉnh áp suất
của van CROSBY H-SERIES.
Đo lường và đánh giá các chỉ số hiệu suất của van trong
điều kiện vận hành thực tế, bao gồm khả năng duy trì áp
suất ổn định và độ bền.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 246Mô phỏng dòng khí qua van cao áp CROSBY H-
SERIES.
Mô phỏng CFD: Sử dụng các phương pháp mô phỏng
động lực học chất lỏng (CFD) để phân tích dòng khí qua
van, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn.
Phát hiện và khắc phục thất thoát khí: Phân tích các điểm
có thể gây thất thoát khí và đề xuất các biện pháp cải thiện
thiết kế để giảm thiểu mất áp suất.
Ứng dụng thực tiễn và đánh giá hiệu quả trong các nhà
máy công nghiệp tại Việt Nam
Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của van CROSBY H-
SERIES trong các nhà máy công nghiệp tại Việt Nam,
chẳng hạn như nhà máy lọc dầu, nhiệt điện, và hóa chất.
Đánh giá tác động kinh tế và kỹ thuật của việc áp dụng
van CROSBY H-SERIES, bao gồm chi phí đầu tư, hiệu quả
vận hành, và lợi ích về an toàn.
Mục tiêu của nghiê cứu này là tạo ra một nền tảng kiến
thức vững chắc và thực tiễn về van cao áp CROSBY H-
SERIES, giúp cải thiện hiệu suất và an toàn của các hệ
thống công nghiệp tại Việt Nam. Qua đó, đề tài cũng nhằm
nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cao
trong ngành công nghiệp trong nước.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
- Tài liệu kỹ thuật và hướng dẫn của nhà sản xuất: Tìm
hiểu về các tài liệu kỹ thuật, hướng dẫn sử dụng và tài liệu
tham khảo từ nhà sản xuất của van cao áp Crosby H-Series
để hiểu rõ về thiết kế và tính toán của van.
- Nghiên cứu trước đây: Tìm hiểu các nghiên cứu trước
đây liên quan đến tính toán và mô phỏng dòng khí trong các
van cao áp, cũng như các phương pháp sử dụng các công cụ
phần mềm như 3D Plant để thực hiện mô phỏng.
- Cơ sở lý thuyết về dòng chảy khí: Hiểu rõ về các
nguyên lý về dòng chảy khí, bao gồm phương trình Navier-
Stokes, lý thuyết Bernoulli, và các nguyên tắc về dòng chảy
không nhớt.
- Mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm 3D Plant hoặc
các công cụ mô phỏng khác để tạo ra mô hình 3D của van
cao áp Crosby H-Series và dòng khí chảy qua van.
- Tính toán và mô phỏng dòng khí: Sử dụng phương
pháp tính toán và mô phỏng để đánh giá dòng khí trong van
dưới các điều kiện khác nhau, bao gồm áp suất, nhiệt độ và
dòng chảy.
- Phân tích kết quả: Đánh giá kết quả từ mô phỏng để
hiểu rõ hơn về cách dòng khí hoạt động trong van, phát hiện
các vấn đề tiềm ẩn và đề xuất các phương pháp cải thiện.
- Thực nghiệm và kiểm tra đối chiếu: Nếu có thể, thực
hiện thí nghiệm để kiểm tra và đối chiếu kết quả tính toán
và mô phỏng với dữ liệu thực tế.
- Phân tích định lượng và định tính: Phân tích kết quả
định lượng và định tính để đưa ra kết luận và đề xuất các
giải pháp cụ thể cho thiết kế và tính toán của van.
Bằng cách kết hợp các cơ sở nghiên cứu và phương pháp
nghiên cứu này, bạn có thể tiến hành nghiên cứu một cách
toàn diện và đưa ra các kết luận có ý nghĩa về tính toán,
thiết kế và mô phỏng dòng khí trong van cao áp Crosby H-
Series.
2.2. Mô hình nghiên cứu, mô hình thí nghiệm
Một mô hình nghiên cứu có thể được thiết lập để nghiên
cứu tính toán, thiết kế và mô phỏng dòng khí trong van cao
áp Crosby H-Series. Đồng thời, một mô hình thí nghiệm có
thể được sử dụng để kiểm tra và đối chiếu kết quả từ mô
hình nghiên cứu với dữ liệu thực tế. Hình 1 là mô hình
nghiên cứu và mô hình thí nghiệm.
Mô hình nghiên cứu:
Hình 1. Thiết kế trên 3D Plant
- Tạo mô hình 3D của van Crosby H-Series: Sử dụng
phần mềm 3D Plant hoặc các công cụ tương tự để tạo ra một
mô hình 3D chính xác của van cao áp Crosby H-Series.
- Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng: Xác định các
điều kiện biên như áp suất đầu vào, áp suất đầu ra, nhiệt độ
và các thông số khí khác để thiết lập mô phỏng.
- Thực hiện mô phỏng dòng khí: Sử dụng phương pháp
tính toán và mô phỏng để mô phỏng dòng khí chảy qua van
Crosby H-Series dưới các điều kiện khác nhau.
- Phân tích kết quả: Đánh giá kết quả từ mô phỏng để
hiểu rõ hơn về cách dòng khí hoạt động trong van và đánh
giá hiệu suất của van dưới các điều kiện khác nhau.
- Tối ưu hóa thiết kế và hoạt động của van: Dựa trên kết
quả từ mô phỏng, đề xuất các cải tiến thiết kế và phương
pháp vận hành để tối ưu hóa hiệu suất và tính toàn vẹn của
van.
Mô hình thí nghiệm:
- Chuẩn bị và thiết lập môi trường thí nghiệm: Thiết lập
các điều kiện thí nghiệm tương tự như trong mô hình nghiên
cứu, bao gồm áp suất, nhiệt độ và dòng khí.
- Sử dụng thiết bị đo lường và ghi nhận dữ liệu: Sử dụng
các thiết bị đo lường như cảm biến áp suất, cảm biến dòng
chảy để ghi nhận dữ liệu về hiệu suất và hoạt động của van.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 247- Thực hiện thí nghiệm và thu thập dữ liệu: Thực hiện
thí nghiệm với van Crosby H-Series trong môi trường thí
nghiệm và ghi nhận dữ liệu về dòng khí và áp suất.
- Phân tích kết quả thí nghiệm: Phân tích dữ liệu thu
thập được từ thí nghiệm và so sánh với kết quả từ mô hình
nghiên cứu để đối chiếu và xác nhận tính chính xác của mô
hình.
Hình 2. Hệ thống van bơm trên 3D Plant
2.3. Dự kiến kết quả đạt được
Kết quả đạt được từ nghiên cứu về tính toán, thiết kế và
mô phỏng dòng khí trong van cao áp Crosby H-Series sẽ
mang lại nhiều ảnh hưởng tích cực và giá trị cho cả ngành
công nghiệp và cộng đồng khoa học kỹ thuật. Dưới đây là
một số kết quả chính mà bạn có thể đạt được từ nghiên cứu
này:
- Hiểu rõ hơn về hoạt động của van Crosby H-Series:
Nghiên cứu sẽ cung cấp một cái nhìn sâu hơn về cách dòng
khí chảy qua van Crosby H-Series và tương tác với các
thành phần bên trong, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động
của van.
- Cải thiện hiệu suất của van: Bằng cách phân tích và tối
ưu hóa thiết kế và hoạt động của van, bạn có thể đề xuất các
cải tiến để tăng cường hiệu suất của van, giảm thiểu tổn thất
năng lượng và cải thiện tính toàn vẹn của hệ thống.
- Dự đoán và ngăn chặn các vấn đề tiềm ẩn: Nghiên cứu
có thể giúp phát hiện và dự đoán các vấn đề tiềm ẩn trong
thiết kế và hoạt động của van, từ đó ngăn chặn các sự cố
không mong muốn và tăng cường an toàn cho hệ thống.
- Đề xuất giải pháp cải tiến: Dựa trên kết quả từ nghiên
cứu, bạn có thể đề xuất các giải pháp cải tiến thiết kế và
hoạt động của van, đồng thời đưa ra các hướng đi mới cho
việc phát triển sản phẩm.
- Chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm: Kết quả từ nghiên
cứu có thể được chia sẻ thông qua bài báo khoa học, hội
nghị, hoặc các phương tiện truyền thông khác, giúp cộng
đồng khoa học kỹ thuật hiểu rõ hơn về vấn đề này và tiếp
tục phát triển.
- Ứng dụng thực tiễn: Các kết quả và giải pháp từ nghiên
cứu có thể được triển khai trong thực tế để cải thiện hoạt
động của các hệ thống van cao áp Crosby H-Series trong
các ứng dụng công nghiệp và hạ tầng.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Các công thức sau đây được sử dụng để tính mức ồn của
các loại khí, hơi và hơi nước do xả van giảm áp đến bầu
không khí
 =+[100log(0.29354
)] (1)
Trong đó:
L100 = Mức âm thanh ở 100 feet tính từ điểm phóng
điện tính bằng decibel
L = Mức âm thanh trong hình 5, 6 tính bằng decibel
P1 = Áp suất tại đầu vào van trong quá trình chảy, psia.
Đây là bộ áp suất (psig) + quá áp (psig) + áp suất khí quyển
(psia) - tổn thất đường ống áp suất đầu vào (psig)
P2 = Áp suất tại đầu ra của van trong quá trình chảy,
psia [bara]. Đây là tổng số áp suất ngược (psig) + áp suất
khí quyển (psia)
k = Tỷ số nhiệt dung riêng.
M = Trọng lượng phân tử của khí hoặc hơi.
T = Nhiệt độ tuyệt đối của chất lỏng tại cửa vào van, độ
Xếp hạng (°F + 460)
W = Công suất xả tối đa, lb/giờ
Mức ồn phải được tính bằng cách sử dụng lưu lượng tối
đa hoặc tổng qua van giảm áp ở mức quá áp quy định. Cái
này giá trị có thể được tính bằng cách sử dụng công thức
định cỡ ở trang 5.4 cho dòng trọng lượng và giải quyết cho
“W”. Sử dụng khu vực “thực tế” và “thực tế” hệ số xả của
van.
Hệ số thực tế là “hệ số định mức” chia cho 0,90.
Khi yêu cầu mức độ tiếng ồn ở khoảng cách khác hơn
100 feet, phải sử dụng phương trình sau:
=−20log(
) (2)
Trong dó:
p = Mức âm thanh ở khoảng cách r, tính từ điểm phóng
điện trong decibel
r = Khoảng cách từ điểm xả, feet
Hình 3. Liệt kê một số mức cường độ tiếng ồn tương đối
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 248Sự phóng điện từ van giảm áp sẽ tạo ra một phản lực lên
van, bình chứa và/hoặc đường ống do chất lỏng chảy. Sự
quyết tâm lực phản ứng đầu ra và thiết kế một hệ thống hỗ
trợ thích hợp là trách nhiệm của người thiết kế thùng chứa
và/hoặc đường ống. Các sau đây được xuất bản dưới dạng
tư vấn hoặc hỗ trợ kỹ thuật. Lực phản ứng khi phóng điện
lộ thiên – Gas Service.
Các công thức sau đây được sử dụng để tính phản lực
cho một van giảm áp xả khí hoặc hơi trực tiếp vào khí
quyển .Người ta giả định rằng dòng tới hạn của khí hoặc hơi
thu được ở ổ xả. Trong điều kiện dòng chảy cận tới hạn, lực
phản ứng sẽ nhỏ hơn mức tính toán. Các phương trình này
được tìm thấy trong API
=
366
(+1)+[−]
Trong đó:
F = Phản lực tại điểm phóng điện vào khí quyển, lbf.
Ao = Diện tích xả, inch vuông
k = Tỷ số nhiệt dung riêng ở điều kiện đầu ra
M = Trọng lượng phân tử của khí hoặc hơi thu được theo
tiêu chuẩn những cái bàn.
P2 = Áp suất tĩnh khi xả, psia tính theo công thức sau:
=0,001924

PA = Áp suất xung quanh, psia
Ti = Nhiệt độ tuyệt đối của chất lỏng tại cửa vào van, độ
Xếp hạng (°F + 460)
To = Nhiệt độ tuyệt đối của chất lỏng khi xả, độ Xếp
hạng (°F + 460)
W = Công suất xả thực tế, lb/giờ. Giá trị này có thể được
tính bằngsử dụng công thức định cỡ ở trang 5.4 để tính lưu
lượng trọng lượng. Sử dụng Diện tích thực tế của ASME và
hệ số định mức chia cho 0,9 để có được công suất thực tế
của van.
Mô phỏng dòng khí trong van cao áp CROSBY H-
SERIES.
Trên cơ sở khảo sát đo đạc các thiết bị của nhà máy,
nhóm nghiên cứu đã đưa ra được bản vẽ sản phẩm của van
khảo sát.
Dưới đây là 1 số bản vẽ mà nhóm đã xây dựng từ mô
hình thực.
Hình 4. Bản vẽ thân van
Hình 5. Bản vẽ đầu van
Trên cơ sở các bản vẽ đã thu thập được nhóm đã mô hình
hóa được mô hình van trên phần mềm 3D Plant.
Hình 6. Mô hình van trên trên phần mềm 3D Plant
Thiết lập thông số đầu vào:
Nhiệt độ: 570 độ C
Áp suất: 200 Bar
Lưu lượng khí: 60L/phút
Van ở vị trí bắt đầu đóng
Hình 7. Một phần khí sẽ lọt ra ngoài khi đóng van.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 2494. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Nhóm nghiên cứ đã khảo sát và xây dựng mô hình hóa
van cao áp cao áp CROSBY H-SERIES trên phần mềm 3D
Plant làm cơ sở tính toán thiết kế van, bơm, đường ống công
nghiệp. Mô phỏng được dòng khí trong van và biến dạng
của van khi áp suất đạt max. Từ đó mở ra hướng nghiên cứu
tính toán, biến dạng, chọn biên dạng tối ưu cho van cũng
như đưa ra được các chế độ làm việc an toàn cho hệ thống.
Hướng phát triển của đề tài là tiếp tục nghiên cứu, mô
phỏng dòng khí trong các loại van cao áp khác nhau bằng
phần mềm 3D Plant;Nghiên cứu tính toán tối ưu cho các hệ
thống van hơi cao áp, Xây dựng được các dự án nghiên cứu
về tính toán, thiết kế mô phỏng dòng khí trong van cao áp
CROSBY H-SERIES có thể là một cơ hội thú vị và hữu ích.
Nhóm nghiên cứu có một số yếu tố và kiến nghị như sau:
-Tìm hiểu về Van Cao áp Crosby H-Series: Bạn cần hiểu
rõ về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các tính năng của
van này. Điều này có thể bao gồm việc tham khảo tài liệu
kỹ thuật từ nhà sản xuất, tài liệu hướng dẫn và bất kỳ nghiên
cứu nào đã được công bố về sản phẩm này.
- Mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm 3D Plant như
SolidWorks hoặc AutoCAD để tạo mô hình 3D của van
Crosby H-Series. Đảm bảo rằng mô hình này phản ánh
chính xác các chi tiết của van và tương thích với quy trình
mô phỏng.
- Phân tích dòng chảy: Sử dụng phần mềm mô phỏng
dòng chảy như ANSYS Fluent hoặc COMSOL để thiết lập
và thực hiện phân tích dòng chảy trong van. Điều này sẽ
giúp bạn hiểu cách dòng khí di chuyển qua van, áp suất và
tốc độ của nó.
- Tối ưu hóa hoạt động của van: Dựa trên kết quả của
mô phỏng, bạn có thể thực hiện các thử nghiệm ảo để tối ưu
hóa hiệu suất hoạt động của van. Điều này có thể bao gồm
thay đổi thiết kế của van hoặc các thông số vận hành để cải
thiện hiệu suất.
- Đánh giá an toàn và độ tin cậy: Trong quá trình tối ưu
hóa, đảm bảo rằng các biện pháp an toàn và yếu tố độ tin
cậy đã được tính đến. Mục tiêu là tối ưu hóa không chỉ về
hiệu suất mà còn về độ an toàn và độ tin cậy của van.
- Báo cáo và phân tích kết quả: Cuối cùng, viết báo cáo
tổng hợp các kết quả của nghiên cứu và phân tích những
phát hiện quan trọng. Bạn có thể trình bày các đề xuất cải
tiến hoặc ứng dụng của nghiên cứu trong các lĩnh vực như
công nghiệp dầu khí, hóa chất hoặc sản xuất.
Quá trình nghiên cứu này sẽ đòi hỏi kỹ năng chuyên môn
về cơ học dòng chảy, sử dụng phần mềm mô phỏng, và kiến
thức về van cao áp. Đồng thời, nó cũng có thể mang lại
nhiều giá trị trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của
van trong các ứng dụng thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Hoàng Xuân Khoa, Giáo trình Nguyên lý máy, NXB Giáo dục Việt Nam, 2019.
[2]. Đinh Gia Tường. Nguyên lý máy. Tập 1, NXB Giáo dục, 2000.
[3]. Đinh Gia Tường. Nguyên lý máy. Tập 2, NXB Giáo dục, 2001.
[4]. Nguyễn Văn Yến. 2010. Kỹ thuật thủy lực và khí nén, NXB Giáo dục.
[5]. Peter Chapple. 2003. Principles of Hydraulic System Design, Conmoor Publishing Company.
[6]. https://plm.autocad3d plant.com/