Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng trong kỹ thuật lạnh

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng trong kỹ thuật lạnh

1. 24 1 ¾ CÁC ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ MỞ ĐẦU 1- Tổng hợp được các kết quả nghiên cứu về các loại ống có cánh 1. Lý do chọn đề tài khác nhau có trong thực tế, qui trình chế tạo ống có cánh, ống lồng ống Để nâng cao hiệu quả làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt đòi hỏi loại trơn và loại có cánh, các nghiên cứu về TĐN trong không gian hẹp. thiết bị cần phải có kích thước nhỏ gọn, tiêu tốn ít nguyên vật liệu 2- Nghiên cứu đánh giá, so sánh khả năng TĐN khi ngưng tụ của nhưng công suất truyền nhiệt lớn, do vậy các TBTĐN có cánh ngày các môi chất lạnh khác nhau, khẳng định sự cần thiết phải làm cánh về càng được sử dụng phổ biến, đặc biệt là trong các hệ thống lạnh. Cho phía môi chất lạnh có khả năng TĐN kém, xác định được tỉ lệ làm cánh nên lý do chính để tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ hợp lý khi sử dụng thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dùng các loại môi kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng trong kỹ thuật lạnh” này là: chất lạnh freon khác nhau với nước là môi trường giải nhiệt. - Thiết bị TĐN là một trong những thiết bị quan trọng, vì vậy 3- Đưa ra phương pháp mới để tính toán TĐN trên vách trụ có cánh nghiên cứu tăng cường hiệu quả làm việc của TBTĐN là rất cần thiết. bằng cách xác định bán kính tương đương, từ đó tính toán được các loại - Muốn tăng cường khả năng truyền nhiệt mà không thể tăng α và cánh có biên dạng phổ biến hay được sử dụng trong thực tế hiện nay. Δt=(tw - tf), thì biện pháp hiệu quả nhất là tăng diện tích TĐN bằng cách 4- Giải bài toán tính TĐN của các thiết bị ống lồng ống có cánh làm cánh về phía MC có α nhỏ như freon ở TBNT trong hệ thống lạnh. ngang thân, ống có cánh thẳng và cánh xoắn dọc thân sử dụng trong - TBNT kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn, không có TBTĐN kiểu ống lồng ống, đặc biệt đã xây dựng được công thức để cánh do đó hiệu quả TĐN ít nhiều còn bị hạn chế. tính toán mật độ dòng nhiệt q và hệ số truyền nhiệt K của các thiết bị - TBTĐN ống lồng ống có kết cấu nhỏ gọn, hiệu quả TĐN cao, dễ ống lồng ống có cánh mà chưa có tài liệu nào công bố. dàng thay đổi công suất nhiệt(Q) và năng suất(G) của sản phẩm, dễ thay 5- Xây dựng được mô hình thí nghiệm thực nghiệm để so sánh với thế, sửa chữa lắp đặt, dễ thay đổi chuyển động của các dòng MCL và tính toán lý thuyết. Chứng minh được tính ưu việt của TBNT kiểu ống MC giải nhiệt, nâng cao hiệu suất làm việc, giảm giá thành sản phẩm. lồng ống có cánh so với các loại TBNT khác. Trên cơ sở tính toán đó có 2. Mục tiêu nghiên cứu thể ứng dụng triển khai vào thực tế ( Hệ thống sấy dầu kiểu ống lồng Xác lập các cơ sở khoa học để tính TBNT, cần đạt được mục tiêu: ống dùng năng lượng mặt trời, dàn lạnh TĐN trong hệ thống ĐHKK ¾ Xác định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của các MCL để khẳng định sự dùng nước biển, hệ thống thanh trùng dùng cho các loại đồ uống ) cần thiết phải tăng cường TĐN bằng cách làm cánh về phía MCL và 6- Nghiên cứu áp dụng phần mềm DHEX để tính thiết bị TĐN ống xác định được tỉ lệ làm cánh hợp lý ứng với các MCL khác nhau. lồng ống trơn lẫn ống có cánh (Loại ống có cánh ngang) với các qui mô ¾ Xác lập được các công thức tính toán hệ số truyền nhiệt K của khác nhau về kích thước, chủng loại, thay đổi các loại môi chất khác TBTĐN ống lồng ống với các loại cánh khác nhau, từ đó tìm ra được nhau thường dùng trong thực tế, tiết kiệm được thời gian trong tính toán loại ống có cánh thích hợp nhất để sử dụng cho TBNT ống lồng ống. thiết kế với kết quả dùng để tham khảo tương đối chính xác. Tác giả đã ¾ Xác định giá trị của hệ số truyền nhiệt K của TBNT ống lồng ống để kết hợp được việc áp dụng phần mềm DHEX để tính toán, so sánh với khẳng định nó là TBTĐN có mật độ dòng nhiệt thuộc loại cao nhất. thiết bị thí nghiệm ống lồng ống thực tế tại TUCEB, Rumani. ¾ Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm, làm thực nghiệm để kiểm chứng việc làm cánh trong TBTĐN ÔLÔ là cần thiết.
2. 2 23 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5.2.5.4. Nhận xét và kết luận 1.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ - Kích thước dàn ngưng tụ ống lồng ống có cánh bé nhất, tiết kiệm được THỐNG LẠNH không gian lắp đặt, phù hợp với mọi mặt bằng kiến trúc gian máy lạnh. 1.1.1. Vai trò của thiết bị ngưng tụ - Áp suất trong TBNT ống lồng ống có cánh ở thí nghiệm trên là nhỏ TBNT có nhiệm vụ ngưng tụ hơi quá nhiệt thành MCL cao áp. Quá nhất, giúp hệ thống hoạt động an tòan hơn, giảm thiểu rò rỉ môi chất. trình làm việc kém của TBNT làm ảnh hưởng đến các yếu tố cụ thể sau: - Hệ số truyền nhiệt K của TBNT ống lồng ống có cánh gấp 1,2 lần so - Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu sẽ tăng lên. với loại ống lồng ống trơn và gấp gần 31 lần so với dàn ngưng KK. - Nhiệt độ cuối tầm nén tăng, làm cháy dầu bôi trơn. - Mật độ dòng nhiệt q của TBNT ống lồng có cánh gấp 1,12 lần so với - Công nén tăng, mô tơ có thể bị quá tải. loại ống lồng trơn và gấp hơn 20 lần so với dàn ngưng tụ không khí. - Áp suất cao làm cho độ an toàn giảm, van an toàn hoạt động làm ảnh - So với loại TBNT ống chùm nằm ngang thì TBNT ống lồng ống có hưởng đến môi trường xung quanh, gây độc hại đến cơ thể con người. cánh có q lớn hơn (1,24÷2,48)lần, còn K lớn hơn (2,0÷2,5)lần. 1.1.2. Phân loại thiết bị ngưng tụ 5.3. GIẢI PHÁP VỆ SINH ỐNG LỒNG ỐNG VÀ GIẢI THOÁT 1.1.2.1. Bình ngưng giải nhiệt bằng nước LỎNG NGƯNG GIẢI PHÓNG BỀ MẶT TRAO ĐỔI NHIỆT * Bình ngưng ống chùm nằm ngang: Dùng cho Amôniac và cho Frêon, 5.3.1. Giải pháp vệ sinh cho thiết bị ngưng tụ ống lồng ống q=(3000-6000)W/m2, k= (800-1000) W/m2.K. - Khi lắp đặt hệ thống không được có các cáu bẩn và xỉ hàn tồn đọng. * Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng: Để tiết kiệm diện tích lắp đặt, q= 4500 - Hút chân không thật kỹ và sâu, nạp MCL tinh khiết, không lẫn cáu bẩn. W/m2, chênh nhiệt độ: Δt=(4-5)oK, hệ số truyền nhiệt k=(800-1000) W/m2.K. - Bố trí phin lọc bẩn trước van hút MN, VTL và trước ống lồng ống. * Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống: là loại TBNT đang nghiên cứu, có hiệu - Vệ sinh bể nước, xả cáu cặn, vệ sinh tháp giải nhiệt, thay nước bể. quả TĐN khá lớn, cấu tạo gọn, chịu áp lực cao. 5.3.2. Giải pháp giải phóng lỏng ngưng tụ cho TBNT ống lồng ống * Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản: Có diện tích TĐN khá lớn, cấu tạo gọn gàng, - Sử dụng TBNT ÔLÔ có cánh xoắn dọc thân có khả năng TĐN rất tốt, có mật độ dòng nhiệt là cao nhất, q>7000W/m2 . ít trở lực mà lại giải phóng bề mặt TĐN nhanh. 1.1.2.2. Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí - Nối phần đuôi ÔLÔ bên ngoài ở trên xuống ống dưới hay BCCA. * Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi: q= (1900-2300) W/m2, hệ số truyền nhiệt - ÔLÔ khi chế tạo tạo dốc 5% để lỏng được giải thoát nhanh. k =(500-700)W/m2K, chênh nhiệt độ: Δt=(5-6)K. Dễ vận hành, sửa chữa. KẾT LUẬN VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ 1.1.2.3. Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí: 1- TBNT kiểu ống lồng ống có K, q rất cao, có hiệu quả trao đổi *Dàn ngưng đối lưu tự nhiên: Loại này có khả năng TĐN rất thấp, K nhiệt lớn, chỉ đứng sau thiết bị TĐN loại tấm bản. khoảng 30W/m2.K, q= (240-300) W/m2. Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh. 2- Hầu hết các TBNT sử dụng MCL freon đều có α khi ngưng rất *Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức: không khí chuyển động cưỡng bức nhờ nhỏ, vì vậy cần phải làm cánh về phía MCL với tỉ lệ làm cánh hợp lý. quạt. q=(280-340)W/m2; K=(30-65)W/m2.K; Δt=(7-8)oC. Chi phí cho vận 3- Đã xác định được trong một trường hợp cụ thể, TBTĐN ống lồng ống có cánh có q = 7.430W/m2, K= 2.010W/m2K. hành giảm, tiết kiệm hơn. kf 4- Mô hình toán để tính TĐN cho ống lồng ống có cánh là phù hợp.
3. 22 3 Bảng 5.7. Các thông số đặc trưng của mô hình thí nghiệm thực nghiệm 1.2. TỔNG QUAN VỀ ỐNG CÓ CÁNH VÀ THIẾT BỊ TRAO TT Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị ĐỔI NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG CÓ CÁNH 1 Công suất Máy nén R12 và R134a Pw W 745 TBTĐN ÔLÔ cấu tạo gọn gàng, hiệu quả TĐN cao, có ưu điểm: 2 Lưu lượng nước giải nhiệt G kg/h 1.263 n - Thường được sử dụng để TĐN giữa các chất lỏng với nhau hoặc 3 Đường ống hút hệ thống dh mm 12,7 chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng. 4 Áp suất hút của môi chất R12 Ph1 Bar 2,99 5 Áp suất hút của môi chất R134a Ph2 Bar 2,83 - Cả hai môi chất đều chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ rất 6 Vận tốc nước chạy trong ống ω m/s 3 lớn, thích hợp cho cả hai lưu chất làm việc ở áp suất cao. 2 7 Diện tích TĐN dàn ngưng KK Sm m 0,29004 2 - Hai môi chất có thể chảy cùng chiều, ngược chiều, nối tiếp, song song. 8 Diện tích TĐN dàn ống lồng trơn Sm m 0,1604 2 - Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo. 9 Diện tích TĐN dàn ống lồng cánh Sm m 0,112 5.2.5. Xác định hệ số truyền nhiệt - Bảo đảm kín tuyệt đối, không rò rỉ. 5.2.5.3. Kết quả tính toán - Dễ dàng thay đổi công suất TĐN Q và năng suất G của sản phẩm. Bảng 5.11. Kết quả xác định k đối với hệ thống lạnh sử dụng môi 1.2.1. Chủng loại ống có cánh và chế tạo ống có cánh chất lạnh freon R12, R134a ở các thời điểm khác nhau trong ngày. Thời điểm Hệ số tuyền nhiệt K, W/m2.K 1.2.1.1. Ống có cánh ngang Dàn ngưng Dàn ngưng tụ Dàn ngưng tụ Ta có các loại hình dạng cánh ngang sau: Môi chất R12 không khí ống lồng trơn ống lồng có cánh 9h00 65 1.680 2.010 12h00 59 1.512 1.809 15h00 62 1.596 1.910 Môi chất R134a Hệ số tuyền nhiệt K, W/m2.K 9h00 80 2.066 2.472 12h00 72 1.859 2.225 Hình 1.9. Ống có cánh thẳng ngang 15h00 76 1.963 2.348 1.2.1.2. Ống có cánh nan hoa: có hiệu quả TĐN rất tốt Hình 1.11. Các sản phẩm ống có cánh nan hoa 1.2.1.3. Ống có cánh dọc thân bên trong và bên ngòai ống Bên cạnh ống có cánh ngang bên ngoài ống người ta còn chế tạo Hình 5.13. Đồ thị so sánh k của Hình 5.15. Đồ thị so sánh k của ống có cánh gắn dọc thân gắn ở bên trong hoặc bên ngoài ống. Cánh các dàn ngưng tụ ở các thời điểm các dàn ngưng tụ ở các thời điểm dọc thân có biên dạng rất phong phú và đa dạng. trong ngày khi sử dụng R12 trong ngày khi sử dụng R134a
4. 4 21 3,500 K, W/m2.K 3,000 2,500 2,000 Kết quả thực nghiệm 1,500 Tính toán lý thuyết Hình 1.14. Các chủng loại ống có cánh khác nhau 1,000 1.2.1.4. Ống có cánh đặc biệt 500 Nhiệt độ nước nóng, oC 0 50 60 70 80 90 Hình 5.6. Kết quả so sánh hệ số truyền nhiệt K (W/m2K) giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm 5.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG Hình 1.15. Các sản phẩm có cánh đặc biệt khác nhau TĐN CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG LỒNG ỐNG. 1.2.1.5. Công nghệ chế tạo ống có cánh 5.2.1. Mục đích thí nghiệm Việc gia công, chế tạo ống có cánh là phức tạp và tốn kém, nó - Thay đổi nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ. Xác định các thông số đầu ra. đòi hỏi công nghệ chế tạo với kỹ thuật cao. - Xác định K, α ứng với hai loại gas môi chất lạnh (R12 và R134a). - Đánh giá khả năng TĐN khi ngưng lúc sử dụng các loại TBNT. 5.2.2. Thiết bị thí nghiệm 5.2.2.1. Mô tả chung hệ thống thiết bị thí nghiệm Hình 1.17. Các quá trình gia công chế tạo ống có cánh 1.2.2. Tổng quan về thiết bị TĐN ống lồng ống 1.2.2.1. Các chủng loại ống lồng ống: chia ra làm 2 loại ÔLÔ 1.2.2.1.1. Các loại ống lồng ống thẳng ÔLÔ thẳng là loại TBTĐN sử dụng tương đối phổ biến bởi vì nó có cấu tạo tương đối đơn giản, gồm có ÔLÔ thẳng bên ngoài bao bọc Hình 5.7. Sơ đồ nguyên lý hệ Hình 5.11. Hình ảnh hệ thống ống lồng thẳng bên trong, ống trong nối với nhau bởi các cút cong. Ống thống lạnh thí nghiệm lạnh thí nghiệm thực nghiệm ngoài sẽ được nối với nhau bởi các đầu chuyển hướng và các chắn ba. 5.2.4. Kết quả đo đạc
5. 20 5 3,500 k, W/m2.K Ống trơn, Gn=500 kg/h 3,000 Ống trơn, Gn=750 kg/h 2,500 Ống trơn, Gn=1000 kg/h 2,000 Ống có cánh, Gn=500 kg/h 1,500 Ống có cánh, Gn=750 kg/h 1,000 Ống có cánh, Gn=1000 kg/h Hình 1.19. Ghép nối các module ống lồng ống thẳng 500 1.2.2.1.2. Các loại ống lồng ống cong, xoắn 0 50 60 70 80 90 Nhiệt độ nước nóng, oC Hình 5.4. Hệ số truyền nhiệt K (W/m2.K) của thiết bị TĐN ống lồng ống không có cánh và có cánh. Bảng 5.5. Dòng nhiệt trao đổi của thiết bị TĐN ồng ống Q, W. o Loại Gn, Nhiệt độ nước nóng ban đầu, C Hình 1.20. Ống lồng ống hình tròn,vuông, chữ nhật xoắn TBTĐN kg/h 50 60 70 80 90 1.2.2.2. Cấu tạo và phân loại các thiết bị ống lồng ống Ống lồng 500 1.163 2326 3.488 5233 6.977 1.2.2.2.1. TBNT ống lồng ống dạng thẳng loại ống trơn [98]. ống 750 1.744 3.488 5.233 7.413 9.593 Hơi môi chất vào không cánh 1.000 2.326 4.651 6.977 9.302 11.628 Nước giải nhiệt ra Ống 500 3.198 5.116 7.558 9.884 12.209 lồng 750 3.924 6.541 9.157 12.209 14.825 Nước giải ống có nhiệt vào 1.000 4.651 7.558 10.465 13.372 15.979 Lỏng môi chất ngưng tụ ra cánh Hình 1.24. Môi chất chuyển động trong ống lồng ống thẳng 5.1.5. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết hệ số truyền nhiệt của thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh 1.2.2.2.2. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng thẳng có cánh 5.1.5.1. Cơ sở lý thuyết a- Loại ống có cánh ngang: ống bên trong được chế tạo với ống có cánh 5.1.5.2. Kết quả tính toán và so sánh ngang thân để tăng cường diện tích bề mặt TĐN. A A-A Bảng 5.6. Kết quả so sánh hệ số K giữa lý thuyết và thực nghiệm o Nhiệt độ nước nóng, C Trường hợp 50 60 70 80 90 Thực nghiệm 2.329 2.723 2.944 3.141 3.240 A Tính lý thuyết 2.166 2.546 2.759 2.949 3.062 Hình 1.26. Ống lồng ống dạng thẳng có cánh ngang
6. 6 19 b- Loại ống có cánh dọc thẳng và cánh xoắn 5.1.3.2. Kết quả đo đạc B B-B Bảng 5.2. Kết quả đo ở thiết bị TĐN ống lồng ống trơn với lưu lượng nước lạnh không đổi GL = 500 kg/h Gn (kg/h) 500 750 1000 ’ 0 0 Dòng t 1, C 28 C B ’’ 0 lạnh t 1, C 30 32 34 37 39,5 30 32 34 36,5 39 30 32 34 36 38 Hình 1.27. Ống lồng ống dạng thẳng có cánh dọc thân ’ 0 Dòng t 2, C 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 ’’ 0 Cánh dọc thân nên dòng MC di chuyển một chiều, khi ngưng khó nóng t 2, C 45 53 61,569,5 77,5 45,5 54,5 62,5 70,5 78,5 46 55,563,571,5 79 chảy xuống ống dưới nên khắc phục bằng cách dùng ống có cánh xoắn. Bảng 5.3. Kết quả đo ở thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh với lưu Loại này vừa có khả năng tạo rối lại ít bị cản trở dòng chuyển động hơn. lượng nước lạnh không đổi GL= 500 kg/h Gn (kg/h) 500 750 1000 ’ 0 0 Dòng t 1, C 28 C ’’ 0 lạnh t 1, C 33,536,8 41 45 49 32,5 35,5 38,5 42 45 32 34,5 37 39,5 42 Dòng t’ ,0C 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 Hình 1.30. Ống lồng ống bên trong có cánh xoắn dọc thân 2 ’’ 0 nóng t 2, C 43,5 51 57,5646743505562684247525661 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI 5.1.4. Xác định hệ số truyền nhiệt NHIỆT KHI NGƯNG CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH 5.1.4.1. Cơ sở lý thuyết 2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 5.1.4.2. Kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt ống lồng ống Tìm hiểu tính chất đặc trưng của MCL, xác định α khi ngưng, so Bảng 5.4. Hệ số truyền nhiệt K (W/m2.K) của thiết bị trao đổi nhiệt sánh α của nước khi chuyển động trong ống để khẳng định sự cần thiết ống lồng ống loại trơn và loại có cánh làm cánh về phía MCL, tỉ lệ làm cánh như thế nào cho phù hợp. Loại Nhiệt độ nước nóng ban đầu, oC Gn, 2.2. MÔI CHẤT LẠNH VÀ MÔI CHẤT LẠNH MỚI thiết bị kg/h 2.2.1. Các môi chất lạnh truyền thống TĐN 50 60 70 80 90 Các MCL truyền thống phổ biến gồm: NH3, MCL frêôn như các Ống 500 501 694 800 987 1.118 chất CFC (C F Cl ), gây ra hiệu ứng nhà kính lớn, các chất HCFC. lồng ống s m n k 750 743 1.021 1.184 1.373 1.506 2.2.2. Môi chất lạnh mới thay thế không cánh 1.000 975 1.337 1.556 1.695 1.791 a- HFC-134a: không chứa Clo, thay thế cho R12. Không được trộn lẫn 500 1.591 1.763 2.061 2.217 2.430 HFC-134a với bất kỳ loại chất khí hay lỏng nào, dễ gây cháy nổ. Ống b- R404A(Suva HP62): thay thế cho R502 nhưng có nhiệt độ cuối tầm lồng ống 750 1.929 2.245 2.497 2.700 2.777 có cánh nén thấp hơn đến 90C, có khả năng truyền nhiệt tốt hơn R502. 1.000 2.329 2.723 2.944 3.141 3.240
7. 18 7 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH c- R407C (SUVA AC9000): là hỗn hợp gần đồng sôi của các môi chất THIẾT BỊ ỐNG LỒNG ỐNG HFC-32, HFC-125, thay thế cho môi chất lạnh HCFC-22. 5.1. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRAO 2.3. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CỦA NƯỚC KHI ĐỔI NHIỆT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG VÀ NGOÀI ĐƯỜNG ỐNG 5.1.1. Mục đích thí nghiệm 2.3.1. Cơ sở lý thuyết 5.1.2. Thiết bị thí nghiệm 2.3.1.1. Tỏa nhiệt đối lưu của MC khi chuyển động trong ống TI Næåïc noïng vaìo V5 - Ở chế độ chảy tầng Re 10 : TI V3 G Næåïc noïng vaìo V6 Næåïc ra 0,8 0,43 Pr f 0,25 TI TI Nu = 0,021 . Re . Pr .( ) .ε l .ε R Pr V2 V8 w ÄÚNG COÏ CAÏNH 2.3.1.2. Tỏa nhiệt đối lưu của MC khi chuyển động ngoài ống TI P P AÙp keá P V9 3 0 ,5 0 ,38 Pr f 0 , 25 V4 - Khi Re = 5 - 10 : V12 Löu löôïng keá Nu = 0,5. Re . Pr .( ) .ε ψ Næåïc noïng ra G Pr w V10 V11 G TI Nhieät keá 3 5 - Khi Re = 10 - 2.10 : 0,6 0,38 Prf 0,25 Van chaën Nu = 0,25.Re .Pr .( ) .ε ψ V13 Pr Bôm nöôùc Bình nöôùc noùng w Hình 5.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm 2.3.2. Kết quả xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu 2.3.2.1. Khi nước chuyển động bên trong đường ống Hình 5.2. Ảnh thiết bị thí nghiệm ống lồng ống 5.1.3. Các bước thí nghiệm và kết quả đo đạc 5.1.1.1. Các bước thí nghiệm * Yêu cầu: Xác định nhiệt độ, tính lượng nhiệt trao đổi. * Quy trình thực hiện: Thay đổi nhiệt độ, lưu lượng, chiều, chủng loại * Nhận xét và kết luận: hệ số tỏa nhiệt của nước trong các TBNT khá ống. Ghi tất cả các dữ liệu vào bảng thống kê và tính toán. lớn, tùy theo tốc độ và nhiệt độ, nhưng trung bình đạt trên 6.000W/m2K.
8. 8 17 2.4. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU KHI NGƯNG 4.3.3.3. Phương trình truyền nhiệt CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH ttff12− 2.4.1. Mục đích: xác định α khi ngưng của các MCL, từ đó xác định tỉ ql = = k.Δt = k(t f1 − t f 2 ) 11rc 1 lệ làm cánh thích hợp đối với các loại MCL khác nhau. ++ln 22παrrF11 πλ 1 α 22l 2.4.2. Các cơ sở lý thuyết: Ta xét trong các trường hợp ngưng tụ như: 1 k = ngưng tụ bên ngoài chùm ống trơn nằm ngang, chùm ống có cánh nằm 2 1 1 r2 + nl(δ1 + δ2 ) / 2π 1 + ln + ngang, bên trong ống đứng và rãnh đứng, ống nằm ngang. 2π.r α 2πλ r 2 2 1 1 1 α2[2π.r2 − n(δ1 − δ2 ) + n 4l + (δ1 − δ2 ) ] 2.4.3. Kết quả xác định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng 2.4.3.1. Xác định các thông số nhiệt vật lý của các môi chất 4.3.4. Tính toán TBTĐN kiểu ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân 2.4.3.2 Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng bên ngoài ống đơn 4.3.4.1. Mô hình tổng quát của ÔLÔ có cánh xoắn dọc thân 1,600 1,400 1,200 R12 R22 ng, W/m2.K 1,000 ư R502 800 NH3 t khi ng t khi R134a ̣ 600 R404a a nhiê R407C ̉ to ́ 400 sô ̣ Hình 4.16. Thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân Hê 200 Đườ ng kính ngoà i, mm 4.3.4.2. Phương trình tính toán 0 1 1 2 15 20 25 30 35 40 45 50 2 2 2 2 2 2 2 F2l = 2πr2 − (2πr2) +Px . δ1 + { (2πr2) +Px + []2π(r2 +h) +Px }(δ2 + 4h +(δ1 −δ2 ) ) Px 2Px Hình 2.14. So sánh α khi ngưng của các môi chất lạnh, W/m2.K 4.3.4.3. Phương trình truyền nhiệt 2.4.4. Xác định tỉ lệ diện tích TĐN làm cánh hợp lý khi sử dụng tt− q = ff12 nước làm MC giải nhiệt đi trong ống, MCL đi ngoài ống đơn l 11r 1 ++ln c Dựa vào kết quả tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước đi trong 22παrrF11 πλ 1 α 2 2l ống và MCL đi bên ngoài ống đơn trong trường hợp ngưng tụ ở chế độ −1 ⎛ 1 (δ +δ ).h ⎞ ⎜ 2 2 2 2 2 1 2 ⎟ o r2 + { (2πr2) + Px + []2π(r2 + h) + Px } ⎜ 1 1 2P 2π ⎟ nhiệt độ tương ứng tk=35 C, ta xác định được tỉ lệ làm cánh hợp lý cho + ln x + ⎜ 2π.rα 2πλ r ⎟ mỗi loại MCL như sau dựa vào phương trình cân bằng (ở đây lựa chọn k = ⎜ 1 1 1 ⎟ ⎜ 1 ⎟ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ FC αt ⎜ 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 ⎟ α2⎜(2πr2 − (2πr2 ) + Px . δ1 + (2πr2 ) + Px + []2π(r2 + h) + Px δ2 + 4h + (δ1 −δ2 ) )⎟ đường kính φ21/27 ): αt .Ft ≈ αn . Fc . Từ đây ta suy ra: ≈ ⎜ ⎜ P 2P {}( ⎟⎟ F α ⎝ ⎝ x x ⎠⎠ t n
9. 16 9 Bảng 2.16. Tỉ lệ F làm cánh so với F bên trong ống có đường kính φ21/27 ứng với các loại MCL khác nhau ở nhiệt độ nước 35oC. Tốc độ nước Môi chất lạnh MỤC trong ống, m/s R12 R22 R502 NH3 R134a R404A R407C Tỉ lệ 1.0 23.2 18.8 25.2 4.2 19.0 24.4 17.6 làm 1.5 29.6 24.0 32.1 5.3 24.2 31.2 22.5 cánh 2.0 35.1 28.5 38.2 6.3 28.8 37.0 26.7 hợp 2.5 40.2 32.6 43.6 7.2 32.9 42.4 30.5 Hình 4.12. Thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh ngang hình thang lý 3.0 44.8 36.4 48.7 8.0 36.7 47.2 34.1 4.3.2.3. Phương trình truyền nhiệt 2.4.5. Kết luận (4.74) t f1 − t f 2 q = = k .(t − t ) = k Δt. 1. NH3 là có hệ số tỏa nhiệt lớn, tuy nhiên vẫn còn thấp hơn nước. l 1 l 1 f1 f1 f 2 f1 + + 2. Tất cả MCL freon đều có α khi ngưng nhỏ hơn so với NH3 và nước. 2πr1α1 ⎡ ⎤ α 2F21 ⎢l − nδ n(δ + δ )⎥ 3. TBNT sử dụng freon có nước là môi trường giải nhiệt thì cần làm 2πλ⎢ 1 + 1 2 ⎥ r r cánh phía MCL với tỉ lệ làm cánh hợp lý như trong bảng tổng kết 2.16. ⎢ ln 2 2 ln c ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ r1 r1 ⎦ 1 k = CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN 1 1 1 1 + . + QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA MÔI CHẤT 2π.rα 2πλ ⎡ ⎤ 2 2 1 1 α2[2π r2(l-nδ1) + 2π rcnδ2 + πn(rc +r2) 4()rc −r2 +(δ1 −δ2) ] ⎢1−nδ n(δ +δ )⎥ 3.1. QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA HƠI MÔI CHẤT ⎢ 1 + 1 2 ⎥ r r ⎢ ln 2 2ln c ⎥ Nghiên cứu dòng môi chất hai pha trong quá trình ngưng tụ là ⎢ r r ⎥ ⎣ 1 1 ⎦ một quá trình nghiên cứu vô cùng phức tạp. 4.3.3. Tính toán cho TBT ĐN ki ểu ÔLÔ có cánh thẳng dọc thân 3.1.1. Mô hình lưu lượng dòng chảy hai pha trong ống dọc 4.3.3.1. Mô hình tổng quát ÔLÔ cánh thẳng hình thang dọc thân Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc được mô tả như sau: - Dòng chảy bong bóng: hơi bảo hoà ẩm được phân tán ở dạng bong bóng rời rạc trong giai đoạn lỏng liên tục. - Dòng chảy chậm: các bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau, va chạm với nhau, hình thành các bong bóng Taylor, hình dạng một viên đạn. - Dòng chảy khuấy tung: Vận tốc dòng chảy tăng, cấu trúc của dòng chảy trở nên không ổn định với chất lỏng đi lên và xuống. - Dòng chảy hình khuyên: chất lỏng bị bật ra từ tâm của ống và Hình 4.14. Thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh thẳng dọc thân chảy như một màng mỏng trên vách thành hình vành khuyên.
10. 10 15 3.1.2. Mô hình lưu lượng dòng chảy 2 pha trong ống nằm ngang 4.3. XÂY DỰNG BÀI TOÁN TÍNH ỐNG LỒNG ỐNG - Dòng chảy bong bóng: hơi bong bóng phân tán chủ yếu nửa trên. 4.3.1. Tính toán cho thiết bị TĐN kiểu ống lồng ống trơn - Dòng chảy phân tầng: hơi đi vào phía trên và chất lỏng ở đáy của 4.3.1.1. Mô hình tổng quát của ống lồng ống trơn ống cách nhau bằng một bề mặt nằm ngang. - Dòng chảy phân tầng lượn sóng: sóng được hình thành trên bề mặt. - Dòng chảy chặn: lỏng chạy liên tục dọc theo phía dưới của ống. - Dòng chảy chậm: dòng chảy có biên độ sóng lớn. - Dòng chảy hình khuyên: chất lỏng tạo thành một màng hình khuyên Hình 4.10. Ống lồng ống trơn 4.3.1.2. Phương trình tính toán 1 π 2 2 0.18 4 ()D −d 4 4f 2 0.8 0.4⎛ D ⎞ ⎛ Prf ⎞ d = = 4 = D−d N = 0,017.Re Pr ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ td ()2 uf f f ⎜ d ⎟ ⎜ Pr ⎟ u π () D + d 2 ; ⎝ 2 ⎠ ⎝ w ⎠ 4.3.1.3. Phương trình truyền nhiệt Mật độ dòng nhiệt tính cho bề mặt bên trong F1 3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ Q Q t −t q = = = f1 f 2 = k .(t − t ) = k .Δt 3.2.1. Quá trình tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi [33], [91] f1 F πd .L 1 d d d 1 f1 f1 f 2 f1 ,W/m2 1 1 + 1 ln 2 + 1 . Ta tìm được hệ số tỏa nhiệt trung bình dọc theo chiều cao h của α 1 2 λ d 1 d 2 α 2 bề mặt vách đứng bằng: 2 3 ρ gλ r 2 4.3.2. Tính toán cho TBTĐN kiểu ống lồng ống có cánh ngang α = 0.943 4 W / m K μ ()t s − t w h 4.3.2.1. Mô hình tổng quát của ống lồng ống có cánh ngang 3.2.2. Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua chùm Mô hình bài toán được miêu tả như hình 4.11: ống: Hệ số tỏa nhiệt trung bình của chùm ống nằm ngang : 0,84ψ α = α = ch 1 0 ,84 0 ,07 []1 − ()1 − ψ n 3.2.3. Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua ống đặt đứng 2 αω 0,05 2 0,04 - Khi: 10 ≤ ρhω h ≤ 300 thì: = ph (ρhω h ) α α ω 0,05 2 0.25 2 = ph ()ρ h .ω h Hình 4.11. Ống lồng ống có cánh ngang - Khi: 300 ≤ ρ hω h ≤ 5000 thì: α
11. 14 11 4.2.2. Tính truyền nhiệt của các ống vách trụ có cánh ngang thân 3.2.4. Tỏa nhiệt khi ngưng của hơi chuyển động trong ống nằm 4.2.2.1. Vách trụ có cánh ngang thân ngang Hệ số tỏa nhiệt α dọc theo chiều dài ống phụ thuộc vào nhiều y 1 r = r(y ) Sử dụng phương pháp tính yếu tố, được xác định : 3 −0.2 α ⎛ν f a f ⎞ ⎛ 1 ⎞ L mới ta tính được : ⎜ ⎟ = 0,031Re0,5 ⎜ ⎟ λ ⎜ ⎟ λ f ⎝ g ⎠ ⎝ d ⎠ tf1 tf2 α α1 2 3.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI NGƯNG r 3.3.1. Ảnh hưởng của hơi quá nhiệt 0 r1 Khi ngưng hơi quá nhiệt, nhiệt ẩn hoá hơi: r’= r+qqn ; qqn= i - i’’, Hình 4.5.1. Truyền nhiệt qua vách V2 rc = trụ có cánh ngang. πL còn độ chênh lệch nhiệt độ Δt khi đó lấy bằng giá trị: Δt= (ts – tw) 4.2.3. Tính truyền nhiệt của các ống vách trụ có cánh dọc thân 3.3.2. Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt 4.2.3.1. Vách trụ có cánh dọc thân - Nếu bề mặt xù xì, nhám: hệ số tỏa nhiệt sẽ giảm. r1 rc - Nếu bề mặt có bám dầu mỡ, lúc đó hệ số tỏa nhiệt tăng. Từ thực nghiệm cho thấy: khi ngưng hơi trên ống đặt nằm ngang V(r ) c t-f1 t f2 ql = thì hiệu quả ngưng tụ sẽ cao hơn hẳn so với khi đặt đứng. V (r(ϕ)) 11rc 1 ++.ln 3.3.3. Ảnh hưởng của khí không ngưng lẫn trong hơi L α11.u 2πλ r 1α 2.u 2 Khi trong hơi có lẫn không khí hoặc khí không ngưng khác thì quá trình tỏa nhiệt khi ngưng sẽ giảm mạnh. Cường độ tỏa nhiệt có thể f 2 giảm đi gần 60% khi trong hơi có lẫn 1% khí không ngưng [33]. Hình 4.6. Vách trụ có cánh dọc với mặt rc = cắt vuông góc với trục cánh dọc π 3.3.4. Ảnh hưởng của tốc độ và hướng chuyển động của dòng hơi 4.2.4. Tính truyền nhiệt của các loại ống vách trụ có cánh xoắn - Tốc độ của dòng hơi làm quá trình chuyển động chuyển từ chế độ 4.2.4.1. Vách trụ có cánh xoắn dọc thân chảy tầng sang chế độ sóng hoặc chảy rối. y - Nếu dòng hơi chuyển động cùng chiều với màng ngưng lúc đó h L δ2 t- t Q= f1 f2 , W chiều dày màng ngưng giảm, hệ số tỏa nhiệt tăng và ngược lại. δ 1 11rc 1 tf1 tf2 ++.ln - Khi ngưng hơi ở áp suất lớn thì tốc độ sẽ ảnh hưởng đến α. px λ p α11.F 2πλLr 1α 2.F 2 x 3.3.5. Ảnh hưởng của cách bố trí bề mặt ngưng α 1 α 2 Tỏa nhiệt khi ngưng ở trên bề mặt ống đặt nằm ngang lớn hơn so F=222xmin1πrL-L .δ r 2 với bề mặt đặt đứng (trường hợp ống đơn hay với dãy ống đầu tiên) r r ⎡ 2 ⎤ ,m 0 1 2 2 (δ -δ ) +L .⎢δ +2 h + 12 ⎥ Hình 4.9. x2 Để tăng cường khả năng tỏa nhiệt, đối với chùm ống đặt nằm ⎣⎢ 4 ⎦⎥ Vách trụ cánh xoắn hình thang ngang, người ta bố trí so le, lúc đó nó sẽ có khả năng tạo rối lớn hơn.
12. 12 13 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT - Tính Δt theo sơ đồ đã chọn: 1 Δ t = (Δ t − Δ t )ε KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG Δ t 0 f Δ t ln 0 4.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Δ t f 4.1.1. Các yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị trao đổi nhiệt - Tính α1, α2 chất lỏng 1,2 theo thực nghiệm - Qui định về các dòng trao đổi nhiệt - Tính hệ số truyền nhiệt k = k( α1, α2, δi, λi ). ’ ’’ Q Cl t Cl1 t1 - Tính diện tích trong quá trình trao đổi nhiệt: F = 1 1 kΔt 4.2. TÍNH TOÁN NHIỆT CHO CÁC LOẠI ỐNG CÓ CÁNH Cl t ’’ Cl t ’ 2 2 2 2 4.2.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán truyền nhiệt qua vách trụ Hình 4.1. Qui định dòng trao đổi nhiệt 4.2.1.1. Vách trụ không có cánh Ta chọn TBNT kiểu ống lồng ống là lọai TBTĐN kiểu liên tục. Nhiệt lượng truyền qua 1m dài vách trụ: - Đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật chung cho TBTĐN. t- t q = f1 f2 , W/m - Đảm bảo các nguyên tắc lựa chọn môi chất. l 11r 1 ++.ln 2 - Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy trong ống. α11.u 2πλ r 1α 2.u 2 - Chọn tốc độ dòng môi chất. 4.2.1.2. Vách trụ có cánh 4.1.2. Phương trình cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) Công thức tính truyền nhiệt qua vách là: 4.1.2.1. Phương trình cân bằng nhiệt (CBN): Tổng quát có dạng t- t q = f1 f2 , W/m l 11r 1 ΣQ = ( ΔI1 + ΔI2 + Qm). τ + ΔU = 0. ++.ln 2 α .u 2πλ r α .F 4.1.2.2. Phương trình truyền nhiệt 11 1 22l - Dạng vi phân: δQ = k(t1 – t2)dFx = k. Δtx . dFx , W 4.2.1.3. Tính vách trụ bằng phương pháp tính mới - Dạng tích phân: F Ta thấy khi gắn thêm cánh vào Q = kΔt ()F dF = k Δt ()F dF = kF Δt ∫ x x x ∫ x x x vách trụ, nhiệt trở dẫn nhiệt R của nó sẽ 0 λ rmax 4.1.3. Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt r2 tăng lên. Khi đó nhiệt lượng dẫn qua 1m 4.1.3.1. Các bước tính thiết kế thiết bị TĐN r1 dài vách ống là: rc Khi tính toán thiết kế TBTĐN cũng cần phải tuân thủ theo các t- t t- t q = w1 w2= w1 w2 , W/m bước sau: tính công nghệ, tính chọn sơ bộ, tính nhiệt thiết kế, tính kết λ 1 r R λ c cấu, tính sức bền, tính thuỷ lực, điều khiển, tính kinh tế. .ln Hình 4.4.Mặt cắt vuông 2πλ r1 4.1.3.2. Tính thiết kế nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt : Bao gồm phần tính góc trục vách trụ có cánh t-f1 t f2 nhiệt độ ra của hai chất lỏng theo phương trình: Công thức tính truyền nhiệt ql = , W/m 11rc 1 ' " ' " " Q " Q qua vách được đề xuất : +.ln+ Q =Wva()(t1 −t1 =W2 t2 −t2 )→t1 = t1 − va t2 = t2 + α11.u 2πλ r 1α 22l.F W1 W2