Đề tài Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị điều hòa không khí

.................................................................................................... 3 Chương 1: Tổng quan. 1.1 Chọn phương pháp làm lạnh .............................................................. 4 1.2 Các số liệu không khí bên ngoài ........................................................ 5 1.3 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống lạnh...................... 6 Chương 2: Cơ sở lí thuyết tính toán. 2.1 Chọn môi chất lạnh ............................................................................ 7 2.2 Chọn và tính toán chu trình lạnh ........................................................ 9 Chương 3: Tính toán nhiệt và chọn thiết bị bay hơi 3.1 Vai trò của thiết bị bay hơi............................................................... 15 3.2 Phân loại thiết bị bay hơi.................................................................. 15 3.3 Các thông số làm việc của dàn lạnh ................................................. 16 3.4 Tính chọn kết cấu dàn bay hơi ......................................................... 21 Chương 4: Tính toán nhiệt và chọn thiết bị ngưng tụ. 4.1 Phân loại thiết bị ngưng tụ ............................................................... 27 4.2 Đặc điểm chung................................................................................ 29 4.3 Cấu tạo.............................................................................................. 30 4.4 Tính chọn kết cấu bình ngưng tụ...................................................... 31 4.5 Tổn thất thủy lực bình ngưng........................................................... 38 4.6 Những hư hỏng thường gặp và cách khắc phục của bình ngưng..... 40 Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 41 Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 3 Mở đầu. Nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhằm đưa Việt Nam trở thành nước công nghiệp văn minh hiện đại. Trong những năm qua cùng với sự phát triển kinh tế của cả nước, ngành kĩ thuật lạnh đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ và vượt bật, phạm vi ngày càng được mở rộng trong đời sống và kĩ thuật. Ngày nay, kĩ thuật làm lạnh trở nên không thể thiếu trong các tòa nhà, khách sạn, văn phòng, nhà hàng, các dịch vụ du lịch văn hóa, y tế, thể thao, mà còn cả trong các căn hộ, nhà ở, các phương tiện đi lại như: ôtô, tàu thủy, tàu hỏa….trong phạm vi dân dụng các máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh một cụm, hai cụm, nguyên cụm đa dạng về công suất và mẫu mã; các tủ lạnh có dung tích từ nhỏ, trung bình , lớn đến rất lớn, các máy nước nóng lạnh đã dần quen thuộc và phục vụ đắc lực cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của người dân. Kĩ thuật lạnh trong những năm qua đã hỗ trợ rất đắc lực cho nhiều ngành kinh tế, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo qui trình công nghệ như trong các ngành: sợi dệt, chế biến thuốc lá, chè, in ấn, điện tử, vi điện tử , bưu điện, viễn thông, máy tính, cơ khí chính xác, hóa học….Đặc biệt trong công nghiệp đông lạnh thủy hải sản, thực phẩm, rau củ quả… Trong phạm vi bài tiểu luận này sẽ trình bày việc tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi cho hệ thống cấp đông có năng suất lạnh 100 kW với nhiệt độ bay hơi to = - 400C. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng tiểu luận chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận được nhiều ý kiến của thầy cô và các bạn. Nhóm thực hiện Nhóm 2 Lớp DHNL 4 LT Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 4 Đối lưu không khí tự nhiên (dàn tĩnh): + Dàn ống trơn gắn tường và gắn trần. + Dàn ống cánh gắn tường và gắn trần. + Dàn tấm gắn tường và gắn trần. Đối lưu không khí cưỡng bức (dàn quạt): Dàn quạt và các loại tổ dàn quạt hướng trục và li tâm. Trực tiếp ( nhờ môi chất lạnh) Gián tiếp ( nhờ chất tải lạnh) Làm lạnh buồng CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN a & b 1.1 CHỌN PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH. a. Làm lạnh buồng trực tiếp là làm lạnh buồng bằng dàn bay hơi đặt trong buồng lạnh. Môi chất lỏng sôi và thu nhiệt của buồng lạnh. Dàn bay hơi có thể là dàn đối lưu không khí cưỡng bức bằng quạt gió hoặc đối lưu không khí tự nhiên. b. làm lạnh buồng gián tiếp là làm lạnh buồng bằng các dàn nước muối lạnh. Thiết bị bay hơi đặt ngoài buồng lạnh, môi chất lỏng sôi để thu nhiệt của nước muối, nước muối lạnh được bơm tuần hoàn bơm đến các dàn lạnh. Sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong buồng lạnh, nước muối nóng lên sẽ được đưa trở lại thiết bị bay hơi để làm lạnh xuống đến trạng thái ban đầu. Các dàn nước muối bố trí trong buồng cũng có loại đối lưu không khí tự nhiện và đối lưu không khí cưỡng bức. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 5 Bảng : Phân loại phương pháp làm lạnh. Ở đây, ta chọn phương pháp làm lạnh trực tiếp nhờ môi chất lạnh trao đổi nhiệt đối lưu không khí cưỡng bức bằng các dàn quạt. 1.2 CÁC SỐ LIỆU KHÔNG KHÍ BÊN NGOÀI. Những thông số về khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí, bức xạ mặt trời, gió và hướng gió, lượng mưa là những thông số quan trọng để tính toán, thiết kế xây dựng kho lạnh và hệ thống lạnh. Chúng là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất nhiệt của kho lạnh qua kết bao che. Dòng nhiệt tổn thất này là giá trị cơ bản để tính toán thiết kế năng suất lạnh của hệ thống lạnh. + Độ ẩm không khí là thông số để tính toán chiều dày lớp cách ẩm cho vách cách nhiệt, tránh cho vách cách nhiệt bị đọng sương khuếch tán từ không khí bên ngoài vào. Ngoài ra, còn dùng để tính đọng sương vách ngoài. + Gió và tốc độ gió có ảnh hưởng đến dòng nhiệt tổn thất do sự tăng cường trao đổi nhiệt đối lưu bên ngoài giữa không khí và vách. + Gió và mưa là cơ sở để thiết kế bao che tránh cho cơ cấu cách nhiệt bị thấm ẩm, ngập nước làm mất khả năng cách nhiệt của vách. Bức xạ mặt trời kết hợp với hướng gió chủ yếu để chọn hướng xây dựng kho lạnh cho phù hợp, giảm tổn thất nhiệt qua cơ cấu bao che. + Để tính toán thiết kế kho lạnh sử dụng nhiệt độ cao nhất đã quan sát được ở địa phương xây dựng kho lạnh như vậy độ an toàn là tuyệt đối nhưng công suất máy lớn, vốn đầu tư ban đầu cao. + Độ ẩm trung bình tháng nóng nhất mùa hè dùng để tính toán bề dày cách ẩm, tính kiểm tra đọng sương. Đặc biệt dùng để xác định nhiệt độ nhiệt kế ướt qua đó để xác định nhiệt độ nước làm mát ra khỏi tháp giải nhiệt trong các hệ thống lạnh dùng nước tuần hoàn trong tháp ngưng tụ. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 6 1.3 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ THỐNG LẠNH. Thiết bị trao đổi nhiệt của máy lạnh theo chức năng có thể chia làm hai nhóm: thiết bị chính và thiết bị phụ. Nhiệm vụ chủ yếu của thiết bị trao đổi nhiệt là truyền nhiệt từ một chất này cho một chất khác thông qua bề mặt ngăn cách hoặc bằng cách tiếp xúc trực tiếp. Các thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi là những thiết bị trao đổi nhiệt bắt buộc phải có trong máy lạnh nên chúng là những thiết bị chính. Còn những thiết bị còn lại mặc dù có làm tăng thêm độ tin cậy và hiệu quả kinh tế trong vận hành song không phải là bắt buộc cho nên chúng là các thiết bị phụ. Các thiết bị trao đổi nhiệt giữ vai trò quyết định đối với các chỉ tiêu về tiêu hao năng lượng cũng như về kim loại của máy lạnh. Ví dụ như chỉ riêng nhóm bình ngưng tụ và bình bay hơi cũng đã chiếm từ 50 ÷ 70% trọng lượng của thiết bị lạnh. Sự làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt cũng ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề tiêu hao năng lượng. Nếu chúng làm việc không tốt thì có thể làm tăng nhiệt độ ngưng tụ và giảm nhiệt độ sôi của tác nhân lạnh, dẫn đến tình trạng tăng công suất tiêu hao cho máy nén. Ngoài ra các quá trình khí động của thủy động trong chu trình có ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề tiêu hao năng lượng của máy nén, máy bơm, quạt gió và máy khuấy trong quá trình vận hành. Cho nên trong quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cần đảm bảo các yêu cầu như: truyền nhiệt tốt, trở lực thủy lực nhỏ, cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền, nhỏ gọn và chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa, tin cậy, an toàn, hiện đại và thẫm mĩ. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN a & b 2.1 CHỌN MÔI CHẤT LẠNH. Môi chất lạnh (còn gọi là tác nhân lạnh hay gas lạnh) là chất sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn. Một môi chất đáp ứng được tất cả các yêu cầu của môi chất lạnh được coi là môi chất lạnh lí tưởng. Nhưng thực tế không có môi chất lạnh lí tưởng mà chỉ có môi chất đáp ứng được ít hay nhiều các yêu cầu của môi chất lạnh. Khi chọn môi chất cho một ứng dụng cụ thể, cần phát huy tối đa các ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó. Có nhiều môi chất lạnh thường dùng : amoniac (R717), các Freon (CFC, HFC, HCFC ): R12, R13, R22, R502, R134a...Trong đó, thực tế kho lạnh cấp đông thường sử dụng NH3 với những ưu điểm sau: * Amoniac có công thức hóa học là NH3, kí hiệu R717, là một chất khí không màu, có mùi hắc. NH3 sôi ở áp suất khí quyển ở -33.350C, có tính chất nhiệt động tốt phù hợp với chu trình máy lạnh nén hơi dùng máy nén Piston. * Năng suất lạnh riêng khối lượng (q0, kJ/kg) lớn nên lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhỏ, rất phù hợp cho các máy lạnh có năng suất lớn và rất lớn. * Năng suất lạnh riêng thể tích (qv, kJ/m3) lớn nên máy nén gọn nhẹ. * Các tính chất trao đổi nhiệt tốt, hệ số tỏa nhiệt khi sôi và khi ngưng tương đương với nước nên không cần tạo cánh trong các thiết bị trao đổi nhiệt với nước. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 8 * Tính lưu động cao, tổn thất áp suất trên đường ống, các cửa van nhỏ nên các thiết bị khá gọn nhẹ. * Amoniac không hòa tan dầu nên nhiệt độ bay hơi không bị tăng và nó hòa tan nước không hạn chế nên thiết bị tiết lưu không bị tắc ẩm. * Tính kinh tế: Amoniac là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển bảo quản tương đối dễ dàng. * Amoniac bền vững ở nhiệt độ và áp suất làm việc. * Amoniac không ăn mòn các kim loại đen và phi kim loại chế tạo máy nhưng ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng nên Amoniac chủ yếu sử dụng với máy nén hở. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 9 2.2 CHỌN và TÍNH TOÁN CHU TRÌNH LẠNH. 2.2.1 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh hay nhiệt độ bay hơi t0= -400C Tra bảng hơi bão hòa NH3 ở t0 = – 400C ta được P0 = 0.71934bar. Theo [6] Ta có công thức: t0 = t – Dt (2 – 1) Trong đó: t0: nhiệt độ sôi của môi chất lạnh ( 0C). t: nhiệt độ buồng lạnh. Dt: hiệu nhiệt độ yêu cầu, Dt = 5 ¸60C. chọn Dt = 50C. Vậy nhiệt độ của kho cấp đông là t = t0 + Dt = -40 + 5 = - 350C. 2.2.2. Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ. Từ công thức tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarit: 2 1 1 2 W W 0 k W k W ( ) t ln t m t t C t t q - = - - (2 – 2) ta có được nhiệt độ ngưng tụ như sau: w2 w1 m w2 w1 m t - t 0w2 w1 t - t .e - t ( ) e 1 k t t C q q = - (2 – 3) Trong đó: tk: nhiệt độ ngưng tụ (0C). tw1: nhiệt độ nước vào bình ngưng (0C). tw2: nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng (0C). qm: độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (0C). Thông số khí tượng tại Tp.HCM vào tháng nóng nhất (tháng 4) là: ttbmax = 34.60C, jtbmax = 72%. Do đó chọn thông số ngoài trời để thiết kế là tn = 350C và jn = Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 10 70%. Tra đồ thị I – d từ giá trị tn và jn xác định được nhiệt độ nhiệt kế ướt tương ứng tư = 30 0C. Tháp giải nhiệt thường được thiết kế với điều kiện nhiệt độ ra khỏi tháp giải nhiệt để vào bình ngưng cao hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt tư từ 3 ¸50C, ở đây ta chọn 40C, hay: tw1 = tư + 4 0C = 30 + 4 = 340C Nhiệt độ nước đầu vào và ra bình ngưng chênh nhau tối ưu 2 ¸60C và phụ thuộc vào kiểu bình ngưng. Đối với bình ngưng ống vỏ nằm ngang chọn độ chênh tối ưu là 40C, nghĩa là: tw2 = tw1 + 4 0C = 34 + 4 = 380C Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit qm được chọn sơ bộ theo bảng 6.11/156 [1]. Đối với ống trơn qm = 4¸60C. Tăng hay giảm chênh lệch nhiệt độ qm đều có tác dụng hai mặt của nó. Nếu tăng qm một mặt sẽ làm giảm diện tích truyền nhiệt, giảm trọng lượng và giá thành của bình ngưng, mặt khác sẽ làm tăng các tổn thất không thuận nghịch trong chu trình máy lạnh. Khi nhiệt độ nước đã được xác định, nếu tăng qm sẽ làm tăng nhiệt độ ngưng tụ, tăng các tổn thất thể tích và tiêu hao năng lượng cho máy nén, làm giảm hệ số làm lạnh của chu trình. Cho nên qm được chọn là 50C. Vậy nhiệt độ ngưng tụ là: w2 w1 m w2 w1 m t - t 38 - 34 5 0w2 w1 t - t 38 - 34 5 .e - t 38.e - 34 41 e 1e 1 k t t C q q = = » -- tương ứng với áp suất ngưng tụ pk = 15.995 bar. 2.2.3 Tỉ số nén: chọn máy nén 1 cấp hay nhiều cấp phụ thuộc vào tỉ số nén P. Đối với hệ thống lạnh sử dụng NH3: P ³ 9. Ta có: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 11 P = 0 kp p = 15.995 0.71934 = 22.2 (2 – 4) Áp suất trung gian 0. 15.995 0.71934 3.39 artg kp p p x b= = = P1 = 0 tgp p = 4.713 hạ áp (2 – 5) P2 = k tg p p = 4.718 cao áp (2 – 6) Vậy chọn chu trình hai cấp nén, môi chất Amoniac R717 2.2.4 Chọn chu trình lạnh: Đối với máy nén Piston tỉ số nén càng cao thì hệ số cấp càng nhỏ, nhiệt độ cuối tầm nén càng cao nhất là đối với Amoniac. Như vậy, tỉ số nén dẫn đến các điều kiện làm việc không thuận lợi cho máy nén. Cho nên đối với Amoniac, khi tỉ số nén lớn hơn 9 thì chọn chu trình hai hay nhiều cấp nén. Ở đây ta chọn chu trình hai cấp nén làm mát trung gian qua bình trung gian có ống xoắn. Hơi ở trạng thái 1 trên đường bão hòa (t0, p0, x =1)được máy nén hạ áp nén lên trạng thái 2. Trong thiết bị làm mát trung gian MTG hơi quá nhiệt được làm mát đến nhiệt độ tk = t6 = t3 ở trạng thái 3. Trên các máy nén hiện đại hai cấp trên một máy người ta không dùng bình MTG mà bố trí tự động phun môi chất lỏng vào để làm mát. Hơi môi chất ở trạng thái 3 sau khi hòa trộn với dòng hơi từ bình trung gian BTG sẽ đạt trạng thái bão hòa khô 4 được máy nén cao áp nén lên trạng thái 5. Sau khi được làm mát và ngưng tụ xuống trạng thái bão hòa lỏng 6 dòng môi chất lỏng từ thiết bị ngưng tụ chia làm hai nhánh. Một nhánh nhỏ qua tiết lưu 1 TL1 vào bình trung gian BTG để làm mát lượng hơi về máy nén cao áp xuống trạng thái bão hòa Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 12 khô. Còn nhánh chính được dẫn qua ống xoắn của bình trung gian, được làm quá lạnh sau đó qua van tiết lưu TL2 xuống áp suất p0 để cấp cho dàn bay hơi. Như vậy, năng suất lạnh của phần lỏng đi qua van tiết lưu 1 chỉ để hạ nhiệt độ của hơi từ máy nén hạ áp tới nhiệt độ bão hòa và dùng để quá lạnh phần lỏng trước khi đưa vào van tiết lưu 2. Lỏng tiết lưu từ pk xuống p0 chỉ qua van tiết lưu 2. Nếu thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn là lí tưởng thì nhiệt độ lỏng ra khỏi ống xoắn t10 bằng nhiệt độ trung gian ttg và sau khi tiết lưu đẳng entanpy xuống áp suất p0 môi chất sẽ có trạng thái 11’. Nhưng thực tế có tổn thất trao đổi nhiệt không thuận nghịch nên nhiệt độ lỏng t10 bao giờ cũng lớn ttg từ 3 đến 5K. Năng suất lạnh riêng thực tế nhỏ hơn năng suất lạnh lí thuyết một khoảng Dq0 = i11 – i11’. Nhưng chu trình với bình trung gian có ống xoắn có ưu thế vận hành là dầu bôi trơn từ máy nén hạ áp không đi vào tuyến lỏng để vào thiết bị bay hơi, do đó không dầu không bám lên thiết bị bay hơi tạo lớp cản trở trao đổi nhiệt. Chu trình này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế cho môi chất NH3 tuy phải chấp nhận tổn thất nhỏ về năng suất lạnh. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 13 2.2.5 Tính toán nhiệt chu trình. Dtql = 5K hay t10 = ttg + 5 Các điểm trên chu trình nhiệt động Điểm P(bar) t(0C) v(m3/kg) i(kJ/kg) s(kJ/kg.đ ộ) x 1 0.71934 -40 1.5491 1706.7 6.2382 1 2 3.39 60 0.49397 1920 6.2382 x 3 3.39 41 0.44950 1870 6.107 x 4 3.39 -6 0.35893 1753.8 5.6948 1 5 15.995 110 0.11288 1980 5.6948 x 6 15.995 41 0.00173 692.4 1.6495 0 7 3.39 -6 0.05899 692.4 1.666 0.16 8 3.39 -6 0.35893 1753.8 5.6948 1 9 3.39 -6 0.00681 495 0.968 0.015 10 15.995 -1 x 495 0.982 x 11 0.71934 -40 0.00145 495 0.2803 0.127 2.2.5.1. Năng suất lạnh riêng q0: q0 = i1 – i11 (kJ/kg) (2 – 7) Trong đó: q0: năng suất lạnh riêng của 1 kg môi chất lạnh lỏng ở áp suất cao, nhiệt độ cao tạo ra sau khi qua van tiết lưu và bay hơi hết trong thiết bị bay hơi thành hơi bão hòa khô ở áp suất và nhiệt độ bay hơi. Năng suất lạnh riêng của môi chất bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt ẩn hóa hơi của nó ở cùng nhiệt độ sôi. i1: entanpy của hơi bão hòa khi ra khỏi thiết bị bay hơi (kJ/kg). i11: entanpy của môi chất khi qua thiết bị tiết lưu (kJ/kg). Vậy: q0 = 1706.7 - 495 = 1211.7 (kJ/kg). 2.2.5.2 Lưu lượng môi chất lạnh G: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 14 a) Lưu lượng môi chất lạnh qua máy nén hạ áp G1: Từ công thức năng suất lạnh của máy nén: Q0 = G1.q0 (kW) (2 – 8) Ta suy ra lưu lượng môi chất lạnh: G1 = 0 0 q Q = 0 1 11 Q i i- = 100 1706.7 495- = 0.08253 (kg/s). Trong đó: G1: năng suất khối lượng của máy nén hạ áp hay lưu lượng môi chất mà máy nén nén được trong một đơn vị thời gian (kg/s). b) Lưu lượng môi chất lạnh qua máy nén cao áp G4: Ta có: phương trình cân bằng năng lượng ở bình trung gian: G1i6 + G1i3 +(G4 – G1)i7 = G4i4 + G1i10 (2 – 9) hay: 6 3 7 104 1 4 7 i i i iG G i i + - - = - Vậy: 1 6 3 7 10 1 3 10 4 4 7 4 7 ( ) ( ) 100(1870 495) 0.1069 / 1211.7(1753.8 692.4) G i i i i G i i G kg s i i i i + - - - - = = = = - - - 2.2.5.3 Phụ tải nhiệt ngưng tụ Qk: Qk = G4.qk = G4.(i5 – i6) (kW) (2 – 10) Trong đó: qk: năng suất nhiệt riêng là lượng nhiệt mà 1 kg môi chất thải nhiệt cho nước làm mát để làm mát và quá lạnh trong thiết bị ngưng tụ (kJ/kg). i5: entanpy của hơi khi vào bình ngưng (kJ/kg). i6: entanpy của lỏng ra khỏi bình ngưng (kJ/kg). Vậy: Qk = G4.qk = G4.(i5 – i6) = 0.1069(1980 – 692.4) = 137.64(kW). Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 15 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NHIỆT & CHỌN THIẾT BỊ BAY HƠI. a & b 3.1 VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ BAY HƠI. Thiết bị bay hơi có nhiệm vụ hóa hơi gas bão hòa ẩm sau tiết lưu đồng thời làm lạnh môi trường cần làm lạnh. Như vậy, cùng với thiết bị ngưng tụ, máy nén và thiết bị tiết lưu, thiết bị bay hơi là thiết bị quan trọng không thể thiếu được trong các hệ thống lạnh. Vì vậy, dù toàn bộ hệ thống trang thiết bị hệ tốt đến đâu nhưng thiết bị bay hơi làm việc kém hiệu quả thì tất cả trở nên vô ích. Khi quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị bay hơi kém thì thời gian làm lạnh tăng, nhiệt độ phòng không đảm bảo yêu cầu. Trong một số trường hợp, do không bay hơi hết lỏng trong dàn lạnh dẫn đến có thể máy nén sẽ hút phải ẩm gây ngập lỏng gây va đập thủy lực. Ngược lại, khi thiết bị bay hơi có diện tích quá lớn so với yêu cầu thì chi phí đầu tư cao và đồng thời còn làm cho độ quá nhiệt hơi ra lớn, nhiệt độ cuối tầm nén cao và tăng công suất nén. Lựa chọn thiết bị bay hơi dựa trên nhiều yếu tố như hiệu quả làm việc, đặc điểm và tính chất của sản phẩm cần làm lạnh. 3.2 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ BAY HƠI. * Theo môi trường cần làm lạnh: + Bình bay hơi sử dụng để làm lạnh chất lỏng như nước, nước muối, glycol… + Dàn lạnh không khí sử dụng để làm lạnh không khí. + Dàn lạnh kiểu tấm có thể làm lạnh không khí, chất lỏng hoặc sản phẩm dạng đặc( ví dụ: các tấm lắc trong tủ đông tiếp xúc, trống làm đá trong máy đá vảy….) Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 16 + Dàn lạnh làm lạnh chất lỏng: dàn lạnh xương cá, panel trong hệ thống máy đá cây. * Theo mức độ chứa dịch trong dàn lạnh: + Dàn lạnh kiểu ngập lỏng hay không ngập lỏng. Ngoài ra, người ta còn phân loại dàn lạnh theo tính chất kín của môi trường cần làm lạnh. Chọn dàn lạnh kiểu khô, có quạt đối lưu không khí cưỡng bức Với năng suất lạnh 100kW ta chia thành hai dàn lạnh mỗi dàn 50kW Hay: Q0 = 100 kW Q01 = 50 kW Q02 = 50 kW 3.3 CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA DÀN LẠNH KHÔNG KHÍ CƯỠNG BỨC BẰNG QUẠT. Dàn lạnh không khí đối lưu cưỡng bức được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống lạnh để làm lạnh không khí như trong các kho lạnh, thiết bị cấp đông, điều hòa không khí. Dàn lạnh loại này có hai loại: loại ống đồng và loại ống sắt. Thường các dàn lạnh được làm cánh nhôm hoặc cánh sắt để tăng diện tích truyền nhiệt. Dàn lạnh có vỏ bao bọc, lồng quạt, ống khuếch tán gió, khay hứng nước ngưng. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 17 Dàn lạnh sử dụng trong kho lạnh có cấu tạo với chiều rộng khá lớn, trải dài theo chiều rộng của kho lạnh. Mỗi dàn có từ 1 đến 6 quạt, các dàn lạnh đặt phía trước mỗi dàn, hút không khí chuyển động qua các dàn vuông góc với các ống trao đổi nhiệt. Dàn lạnh có bước cánh từ 3 đến 8 mm, tùy thuộc mức độ thoát ẩm của các sản phẩm trong kho. Vỏ bao che của dàn lạnh là tôn mạ kẽm, phía dưới có máng hứng nước ngưng. Máng hứng nước ngưng nghiêng về phía sau để nước ngưng chảy kiệt, tránh đọng nước trong máng, nước đọng có thể đóng băng làm tắc đường thoát nước. Dàn gồm nhiều cụm ống độc lập song song dọc theo chiều cao của dàn, vì vậy thường có búp phân phối gas để phân bố dịch lỏng đều cho các cụm. Dàn lạnh loại này có nhiều ưu điểm, thích hợp sử dụng trong kho cấp đông: * Ít tốn diện tích. * Nhiệt độ phân phối đồng đều. * Hệ số trao đổi nhiệt lớn( k = 35¸43 W/m2K: đối với dàn lạnh NH3; k = 12 W/m2.K: đối với dàn Freon). * Ít tốn nguyên vật liệu chế tạo. * Có thể bố trí trong hoặc ngoài kho lạnh. Tại bề mặt dàn lạnh là không khí ẩm bão hòa và sau khi ra khỏi dàn lạnh là hỗn hợp của không khí và không khí bão hòa ở nhiệt độ bề mặt. Điểm 1 (j1,t1,i1,d1): trạng thái không khí khi vào dàn lạnh. Điểm 2 (j2,t2,i2,d2): trạng thái không khí khi ra khỏi dàn lạnh. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 18 Điểm w (jw,tw,iw,dw): trạng thái không khí ở bề mặt dàn lạnh. Ba điểm này nằm trên đường đặc trưng cho quá trình làm lạnh không khí ở dàn lạnh. Độ nghiêng của đường thẳng nối 3 điểm này chính là tỉ số nhiệt ẩm e. Ta có tỉ số nhiệt ẩm: 21 21 dd ii - - =e (3 – 1) chọn hiệu nhiệt độ t1 – t2 = 2¸40C chọn t1 – t2 = 40C Để duy trì nhiệt độ kho cấp đông - 350C chọn: t1 = -33 0C; j1 = 90% t2 = t1 – 4 = -37 0C; j2 = 95% xác định entanpy và độ chứa hơi bằng bảng và công thức: i = ik + d.i ’’ (3 – 2) Trong đó: ik; i ’’: entanpy của không khí khô và hơi bão hòa( kJ/kg) Tra phụ lục 5/538 [1], Không khí ẩm ở t1 = -330C được: Phân áp suất : ''h1p = 0.00039 bar Áp suất khí quyển: P = 1 bar ik1 = -33.4316(kJ/kg) ''h1i = 0.59871 (kj/kg) vậy độ chứa hơi: d1 = 0.622 ''h1 ''h1 pp p - = 0.622 0.00039 0.00024 1 0.00039 = - (kg/kg) (3 – 3) Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 19 khi đó: i1 = ik1 + d. ''h1i = -33.4316 + 0.00024x0.59871= -33.4315 (kJ/kg) Tương tự: Không khí ẩm có t2 = -370C ta được: ''h2p = 0.0003 bar p = 1bar ik2 = -37.49 (kJ/kg) ''2i = 0.3768 (kJ/kg) vậy độ chứa hơi: d2 = 0.622 ''h2 ''h2 pp p - = 0.622 0.003 0.0002 1 0.0003 = - (kg/kg) khi đó: i2 = ik2 + d.i ''h2 = -37.49 + 0.0002x0.3768 = -37.49 (kJ/kg). Như vậy: 21 21 dd ii - - =e = 33.4315 37.49 48939 0.00024 0.0002 - + = - Tính tương tự ta được bảng sau: t -32 -33 -34 -35 -36 -37 -38 -39 -40 0C ph" 0.00043 0.00039 0.00035 0.00031 0.00028 0.0003 0.0002 0.00021 0.00019 bar p 1 1 1 1 1 1 1 1 1 bar ik -32.406 -33.4316 -34.46 -35.462 -36.467 -37.49 -38.52 -39.5234 -40.528 kJ/kg ih" 0.65733 0.59871 0.54 0.4752 0.41449 0.3768 0.3391 0.3161 0.29308 kJ/kg d 0.00027 0.00024 0.00022 0.00019 0.00017 0.0002 0.0001 0.00013 0.00012 kg/kg i -32.406 -33.4315 -34.46 -35.462 -36.467 -37.49 -38.52 -39.5234 -40.528 kJ/kg e 41196.2 41305.3 44487.6 45721.6 48939 51085 54379.1 57015 Đồ thị chọn nhiệt độ bề mặt dàn lạnh tw theo e, được tw = -37.20C Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 20 Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 21 3.4 TÍNH CHỌN KẾT CẤU DÀN BAY HƠI. Bề mặt truyền nhiệt của dàn bay hơi có cấu tạo là các ống thép bố trí song song và có cánh phẳng bằng nhôm lồng vào ống thép. Chọn: Đường kính ngoài: dng = 38 mm = 0.038 m Đường kính trong: dtr = 31 mm = 0.031m Đường kính cánh: dc = 0.078m Bước cánh: sc = 0.008 m Bề dày cánh: dC = 0.001 m Bước ống ngang: s1= 0.08 m Bước ống dọc: s2 =0.08 m 3.4.1 Diện tích cánh của 1 m ống: Fc = ( ) ( )2 2 2 20.078 0.038 0.91 2 2 0.008 c ng c d d S x p p- - = = m2/m (3 – 4) 3.4.2 Diện tích khoảng cách giữa các cánh của 1 m ống: 0 0.001 1 0.038 1 0.1044 0.008 c ng c F d x s dp p é ù é ù= - = - =ê ú ê úë ûë û m2/m (3 – 5) 3.4.3 Tổng diện tích mặt ngoài có cánh của 1 m ống: 0 0.91 0.1044 1.0144cF F F= + = + = m 2/m (3 – 6) 3.4.4 Diện tích bề mặt trong 1 m ống: 0.031 0.0973tr trF d xp p= = = m 2/m (3 – 7) 3.4.5 Hệ số làm cánh: 1.0144 10.4 0.0973tr F F b = = = (3 – 8) 3.4.6 Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 22 . k q Nu l la = (3 - 9) Với: Hệ số Nusselt: . . .Re .n mz s ngNu C C C j -= (3 – 10) Đối với chùm ống bố trí so le, ta có: C = 0.18 và m = 0.7 Chọn số hàng ống theo chiều không khí z > 4, ta có Cz = 1 Còn hệ số Cs được xác định như sau: 0.1 0.1 1 2 0.08 0.038 1 0.08 0.038 ng s ng S d C S d æ ö- -æ ö= = =ç ÷ ç ÷ç ÷- -è øè ø (3 – 11) jng = . 1.0144 8.5 0.038 F dngng F F xp p = = = (3 – 12) 0.07 0.070.6 0.6 8.5 0.697ngn xj= = = (3 – 13) * Chiều dài qui ước: 0 2 20.785( )ng cq c ng F d F l d d F F = + + (3 – 14) 2 20.1044 0.038 0.91 0.785(0.078 0.038 ) 1.0144 1.0144 x = + + =0.058m *Chọn vận tốc không khí qua dàn lạnh là w = 5m/s *Độ nhớt động học u = 10.2528x10-6 m2/s tại tw = -37.20C bảng 15/573 [3] Do đó: * Hệ số Renold: 6 . 5 0.058 Re 28285 10.2528 10 ql x x w u - = = = (3 – 15) Vậy hệ số Nusselt là: . . .Re .n mz s ngNu C C C j -= = 0.697 0.70.18 1 1 28285 8.5x x x x - = 51 * Hệ số dẫn nhiệt l (W/mk) tra bảng tính chất vật lí của không khí khô được Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 23 l = 2.1424x10-2 (W/mK) ở t = -37.20C bảng 15/573 [3] Vậy hệ số tỏa nhiệt về phía không khí: . k q Nu l la = = -251 2.1424x10 18.8 0.058 x = (W/m2K) 3.4.7 Hệ số tỏa nhiệt qui ước về phía không khí: 1 1q t c ng R R a a = + + (W/m2K) (3 - 16) Trong đó: xa=a .kng (3 – 17) Hệ số tách ẩm trong trường hợp tw < 0 là 1 2 1 2 0.00024 0.0002 1 2880 1 2880 1.0504 33 37 d d t t x - -= + = + = - - + (3 – 18) Vậy hệ số tỏa nhiệt từ bên ngoài kể đến sự tách ẩm ang . 18.8 1.0504 20.29ng k xa a x= = = (W/m 2K) * tt t R d l = (3 – 19) Với: dt : bề dày lớp tuyết bám ở dàn bay hơi. chọn dt = 0.005m lt: hệ số dẫn nhiệt của lớp tuyết. chọn lt = 0.2 (W/m2K) Vậy 0.005 0.025 0.2 t t t R d l = = = * Rc: trở nhiệt của sự tiếp xúc giữa ống và cánh đối với dạng cánh lồng ống: với b = 10.04 ta có Rc = 0.005(W/m2K) Vậy: 1 1 12.47 1 1 0.005 0.005 20.29 0.2 q t c ng R R a a = = = + + + + (W/m2K) Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 24 3.4.8 Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí qui chuẩn dồn theo bề mặt trong của ống: ú û ù ê ë é +ya=a tr 0 tr c qqtr F F E F F (3 – 20) Trong đó: y: hệ số không đều của sự truyền nhiệt theo chiều cao ống y = 0.85 E: hệ số hiệu dụng của cánh: ' ' ( )th mh E mh = (tài liệu [1]/232) (3 – 21) với: th: tang hyperpol lC: hệ số dẫn nhiệt của thép lC = 45.4 (W/mK) m: thông số 2 2 24.4 1 1 0.005 ( ). . ( ) 45.4 0.001 20.29 0.2t c cng m R x xl d a = = = + + (3 – 22) h = 0.078 0.038 0.02 2 2 c ngd d- -= = (3 – 23) h’: chiều cao qui ước của cánh: h’ = 0.078 1 0.35ln 0.02 1 0.35ln 0.025 0.038 c ng d h d æ ö æ ö+ = + =ç ÷ ç ÷ç ÷ è øè ø (m) (3 – 24) khi đó: m.h’ = 24.4x0.025=0.61 hay: ' ' ( ) 0.61 0.892 0.61 th mh th E mh = = = vậy: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 25 20 0.91 0.104412.47 0.892 0.85 101.8(W/m K) 0.0973 0.0973 c qtr q tr tr F F E x x F F a a y é ù é ù= + = + =ê ú ê úë ûë û 3.4.9 Mật độ dòng nhiệt về phía không khí qui đổi theo bề mặt trong của ống: ( ) 101.8( 35 37.2) 223.96tr qtr kho wq t ta= - = - + = (W/m 2) (3 - 25) 3.4.10 Diện tích bề mặt truyền nhiệt (diện tích bề mặt trong ống): 3 250 10 223.3 223.96 BH tr tr Q x F m q = = = (3 – 26) (QBH = Q01 = Q02= 50 kW) 3.4.11 Lưu lượng không khí qua dàn lạnh: 1 2 50 12.3( / ) 33.4315 37.4927 BH kh Q G kg s i i = = = - - + (3 – 27) 3.4.12 Thể tích không khí qua dàn lạnh: kh kh kh G V r = (m3/s) (3 – 28) với rkh: khối lượng riêng của không khí ở -37.20C. rkh = 1.49764 (kg/m3) bảng 15/573 [3] vậy: 12.3 8.21 1.49764 kh kh kh G V r = = = (m3/s) 3.4.13 Diện tích tiết diện cho không khí đi qua: w = khkh V f chọn vận tốc không khí w = 5 (m/s). (3 – 29) vậy: 28.21 1.642 5 kh kh V f m w = = = Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 26 3.4.14 Diện tích bề mặt truyền nhiệt của 1 ống ( khi bố trí các cụm ống dọc theo chiều chuyển động của không khí): ' 1 2 2 0.031 1.642 4.32 2 0.001 0.02 0.08 (0.038 ) 0.008 tr tr kh c ng c d F f h s d s x m x x p d p = = é ù - +ê ú ê úë û = - + (3 – 30) 3.4.15 Số cụm ống làm việc song song: ' 223.3 51.7 4.32 tr tr F z F = = = cụm chọn z = 56 cụm (3 – 31) 3.4.16 Tổng chiều dài 1 cụm: 1 1 2. . ( ) 1.642 44.38 2 0.001 0.02 0.08 (0.038 ) 0.008 kh c ng c f L h s d s m x x d = - + = = - + (3 – 32) 3.4.17 Số hàng ống trong 1 cụm ống: 1 1. L m s k = với h w k = (3 – 33) với: w: chiều rộng cụm ống h: chiều cao cụm ống chọn k = 2.8 Þ 1 1 44.38 14.08 . 0.08 2.8 L m s k x = = = Chọn m = 14 hàng ống 3.4.18 Chiều dài 1 ống trong 1 cụm ống: 1 44.38 3.17 14 L l m m = = = chọn l = 3.2 m (3 – 34) Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 27 3.4.19 Chiều dài 56 cụm ống: L = 56 x l = 56 x 3.2 = 179.92 (m) (3 – 35) CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NHIỆT & CHỌN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ. a & b Trong các hệ thống lạnh thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi là các thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu chúng chiếm 50¸70% về khối lượng và 40¸60% về thể tích toàn hệ thống. Thiết bị ngưng tụ trong các hệ thống lạnh thường là các thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, trong đó hơi môi chất lạnh có áp suất và nhiệt độ sau khi nén được làm mát bằng không khí, nước hay chất lỏng nhiệt độ thấp khác để ngưng tụ thành thể lỏng. Để tăng cường trao đổi nhiệt khi ngưng phải tìm cách tạo dòng chảy rối, phá vỡ và tách màng chất ngưng ra khỏi bề mặt trao đổi nhiệt. 4.1 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ. * Theo môi trường làm mát thì có: v làm mát bằng nước; v làm mát bằng không khí; v làm mát bằng nước và không khí; v làm mát bằng môi chất khác khi sôi hay bằng các sản phẩm công nghệ. * Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất: v Thiết bị ngưng tụ có môi chất ở bề mặt ngoài của bề mặt trao đổi nhiệt: kiểu ống vỏ nằm ngang, ống vỏ đứng, ống lồng ống… v Thiết bị ngưng tụ có môi chất ở bề mặt trong của bề mặt trao đổi nhiệt: kiểu Panel, kiểu tưới, kiểu bay hơi, các dàn ngưng trong tủ lạnh gia đình, trong công nghiệp và thương nghiệp... Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 28 * Theo đặc điểm của quá trình lưu động của môi trường làm mát qua bề mặt trao đổi nhiệt: v Môi trường làm mát tuần hoàn tự nhiên. v Môi trường làm mát tuần hoàn cưỡng bức. v Xối tưới trên bề mặt ngoài của dàn ngưng tụ. Chọn Bình ngưng ống vỏ nằm ngang với những ưu nhược điểm sau: * Đây là loại thiết bị ngưng tụ gọn và chắc chắn nhất, có thể bố trí trong nhà mà vẫn chiếm diện tích ít. * Bình ngưng có tiêu hao kim loại nhỏ nhất khoảng 40¸45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (của các ống). Ống nước có đường kính 20 ¸50 mm, tốc độ nước khoảng 1.2 ¸2.5 m/s ( giá trị lớn cho nước bẩn). * Nhiệt độ nước làm mát qua bình ngưng có thể tăng từ 4¸10K, tức 1kg nước nhận 6¸33 kJ nhiệt từ môi chất. * Phần dưới của bình ngưng có thể thay luôn chức năng bình chứa, nhưng chiều cao chất lỏng không quá 100mm. * Hệ số truyền nhiệt k tương đối lớn k = 800¸1000 W/m2.K; Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hơi ngưng và nước làm mát Dttb = 5 ¸6 K với mật độ dòng nhiệt q = 3000 ¸6000 W/m2. * Bình ngưng cũng dễ chế tạo và lắp đặt, có thể sửa chữa và làm sạch ống bằng cơ học hoặc hóa chất. Tuy nhiên, bình ngưng loại này cũng có một số nhược điểm: * Diện tích mặt bằng bản thân bình ngưng chiếm không lớn nhưng phải có diện tích dự phòng phía đầu bình hoặc có phương án thích hợp để có thể rút ống ra khi sửa chữa hay thay thế. * Yêu cầu khối lượng nước làm mát lớn và nhanh tạo cáu bẩn (nhất là chất lượng nước xấu) giảm nhanh khả năng truyền nhiệt. * Để tiết kiệm nước phải có tháp giải nhiệt tức phải đầu tư thêm kinh phí, chiếm thêm diện tích và thường gây ồn, ẩm môi trường lân cận. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 29 Với những ưu nhược điểm trên, bình ngưng loại này được dùng khá phổ biến cho cả các máy lạnh cỡ công suất loại trung bình và lớn, dùng thích hợp cho những nơi có nguồn nước sạch và sẵn nước, giá thành nước không cao. Khi có thêm tháp giải nhiệt thì nhiệt độ ngưng tụ và do đó cả công suất lạnh rất ổn định, ít phụ thuộc nhiệt độ môi trường và mùa khí hậu trong năm. 4.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG: Bình ngưng dùng để truyền nhiệt lượng của tác nhân lạnh cho nước hoặc không khí giải nhiệt. Hơi đi vào bình ngưng thường là hơi quá nhiệt, cho nên trước tiên nó phải được làm lạnh đến nhiệt độ bão hòa rồi đến quá trình ngưng tụ và sau cùng là bị quá lạnh vài độ trước khi ra khỏi bình ngưng. Giải nhiệt bằng nước tất nhiên tốt hơn bằng không khí do hệ số truyền nhiệt của nước lớn hơn, cho nên các máy lạnh lớn và trung bình hầu hết đều giải nhiệt bằng nước. Sự làm việc của bình ngưng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của máy lạnh. Ví dụ: Nếu giảm nhiệt độ ngưng tụ 10C thì có thể giảm năng lượng tiêu hao cho máy nén piston vào khoảng 1.5% và cũng đạt được như vậy nếu giảm nhiệt độ của chất lượng lỏng tác nhân lạnh xuống 10C thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ. Từ đó, ta thấy tăng cường khả năng truyền nhiệt cho bình ngưng là hết sức quan trọng. Vì vậy, cấu tạo bình ngưng phải đảm bảo có thể: * Nhanh chóng tách tác nhân lạnh đã ngưng tụ ra khỏi bề mặt truyền nhiệt. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 30 * Tách không khí và các loại khí không ngưng. * Tách dầu ra khỏi bình ngưng NH3. * Làm sạch các loại cáu bẩn về phía nước giải nhiệt và không khí giải nhiệt như: bùn đất, canxi, sét gỉ… 4.3 CẤU TẠO: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 31 Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 32 Hình : Cấu tạo và hình dạng bên ngoài bình ngưng ống vỏ nằm ngang. Ống trong bình ngưng NH3 là ống thép dạng thẳng hoặc dạng chữ U (khi đó bình ngưng chỉ có một nắp) và được núc vào đầu mặt sàng đầu bình ngưng. 4.4 TÍNH CHỌN KẾT CẤU TRUYỀN NHIỆT BÌNH NGƯNG: Nhiệm vụ tính toán thiết kế là xác định bề mặt truyền nhiệt và các kích thước hình học chủ yếu của bình ngưng. Các số liệu ban đầu đã có là tải nhiệt bình ngưng Qk, nhiệt độ ngưng tụ tk, nhiệt độ của nước giải nhiệt. 4.4.1 Các thông số ban đầu: + Nhiệt độ nước vào bình ngưng: tw1 = 340C. + Nhiệt độ nước ra bình ngưng :tw2 = 380C. + Nhiệt độ cuối tầm nén cao áp: t5 = 1100 C. + Nhiệt độ ngưng tụ: tk = 410C. + Nhiệt độ trung bình của nước: ttb = 0w1 w2+ t 34 38 36 2 2 t C + = = (4 – 1) + Nhiệt độ trung bình Logarit: qm = Dttb = min max minmax ln t t tt D D D-D (4 – 2) Trong đó: Dtmax: hiệu nhiệt độ lớn nhất ở phía nước vào (0C). Dtmin: hiệu nhiệt độ bé nhất ở phía nước ra (0C). Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 33 Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t5 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi quá lạnh. Thông thường khi thiết kế, người ta lấy phụ tải nhiệt bình ngưng bằng tổng nhiệt của ba vùng: vùng khử độ quá nhiệt của hơi, vùng ngưng tụ và vùng quá lạnh lỏng môi chất. Nhưng khi tính toán, coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk, tính truyền nhiệt theo điều kiện của vùng ngưng tụ. Điều đó trong thực tế sẽ làm cho nhiệt độ bề mặt trong vùng quá nhiệt luôn luôn thấp hơn nhiệt độ bão hòa và do đó trong vùng đó có hiện tượng ngưng tụ hơi môi chất lạnh, mặc dù cách bề mặt đó không xa vẫn là hơi quá nhiệt. Cho nên: Dtmax = tk – tw1 = 41 – 34 = 70C. (4 – 3) Dtmin = tk – tw2 = 41 – 38 = 30C. (4 – 4) Vậy: qm = min max minmax ln t t tt D D D-D = 7 3 7 ln 3 - = 4.720C. + Lưu lượng nước cần thiết để giải nhiệt bình ngưng: Gw = w k tC Q D..r (m 3/s) (4 – 5) Trong đó: Qk: tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ; Qk = 137.64 kW. rw: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ttb = 360C. rw = 993.6 (kg/m3). Bảng 18/575 [3] C: nhiệt dung riêng của nước; C = 4.174 kJ/kg.K Dtw: độ tăng nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ (K) Dtw = (38+ 273) – (34 + 273) = 4 K Vậy: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 34 Gw = w k tC Q D..r = 137.64 4.174 993.6 4´ ´ = 0.008 (m3/s). Chọn bề mặt truyền nhiệt là chùm ống bố trí theo hình tam giác đều và theo các cạnh của hình lục giác đều trên mặt ống. Ta chọn các kích thước cơ bản: * Đường kính trong dtr = 25mm = 0.025 m * Đường kính ngoài dng = 30mm 0.03 m * Vận tốc nước giải nhiệt: ww = 1.7 m/s * Bước ống: ( )1.24 1.45 ngS d= ¸ (4 – 6) Chọn 1.3 1.3 0.03 0.039ngS d x m= = = 4.4.2 Số ống trong một đường ống: n1 = wrp .d.. G.4 2 trw w = 3 2 4 0.008 10 993.6 0.025 1.7 x p ´ ´ ´ ´ = 9.65(ống) (4 – 7) chọn: n1 = 10 (ống). Tính lại vận tốc nước với n1= 10 Þ w = 1.64 m/s 4.4.3 Hệ số tỏa nhiệt về phía nước giải nhiệt: aw = trd .Nu l (W/m2.k) (4 – 8) Trong đó: * l: Hệ số dẫn nhiệt của nước ở nhiệt độ trung bình ttb = 360C bảng 18/575 [3] l = 62.82x10-2 = 0.6282 (W/m.K) Để tính hệ số tỏa nhiệt về phía nước cần xác định hệ số Renold và hệ số Nusselt: * Hệ số Renold (Re): Re = u w trd. (4 – 9) Với: u: độ nhớt động học của nước ở ttb = 360C là u = 0.7174x10-6 m2/s bảng 18/575 [3] Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 35 khi đó: Re = 6 1.64 0.025 0.7174 10x - ´ = 57151 > 10000 Þđây là chế độ chảy rối nên có: * Hệ số Nusselt: Nu = 0.021.Re0.8.Pr0.43.el công thức 6.16/145[1] (4 – 10) Trong đó: + el: hệ số điều chỉnh tính đến hệ số tỏa nhiệt tăng theo chiều dài ống. Chọn sơ bộ chiều dài ống là 4m. vì 4 160 50 0.025tr l d = = > nên chọn el = 1 + Pr: hệ số Prandlt tra bảng các thông số vật lí của nước ở ttb = 360C được Pr = 4.754 bảng 18/575 [3] Vậy: Nu = 0.021Re0.8Pr0.43el = 0.021x571510.8x4.7540.43x1= 262.41 cho nên, hệ số tỏa nhiệt được tính như sau: aw = trd .Nu l = 262.41 0.6282 0.025 ´ = 6593.74 W/m2k. 4.4.4 Mật độ tỏa nhiệt về phía nước: Hình: trường nhiệt độ trên ống ngưng tụ nằm ngang, nước làm mát đi trong ống. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 36 qw = A.(qm – q) = å l d + a q-q i i w m 1 (4 – 11) Trong đó: + qm : nhiệt độ trung bình logarit qm = 4.720C + å l d i i : tổng trở nhiệt các lớp bẩn trên vách ống thép chọn å l d i i = 7.5x10-4 (m2K/W) bảng trang 155/[1] vậy: qw = A.(qm – q) = å l d + a q-q i i w m 1 = 4 4.72 1 7.5 10 6593.74 x q - - + = 1109.07(4.72 – q) (1) 4.4.5 Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng tụ NH3: 3 0.254 . . . 0.72. . .a h ng i g d r la q u -D= Y (4 – 12) Trong đó: + Di: hiệu entanpy của tác nhân lạnh khi vào ra bình ngưng. Di = qk = 1287600 J/kg + r: khối lượng riêng của chất lỏng trong bình ngưng (kg/m3) + n: độ nhớt của môi chất lỏng trong bình ngưng (m2/s) + q: độ chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và vách ống (0C) + g: gia tốc trọng trường (m/s2) + dng : đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt (m) + yh: hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi tốc độ dòng hơi và màng nước từ trên xuống 0.167 2 z h ny - æ ö= ç ÷ è ø (4 – 13) với: 2 zn số hàng ống theo chiều thẳng đứng khi bố trí chùm ống so le Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 37 1 2 . 1.0393 2z n S n S p = (4 – 14) Trong đó: S1 = S2 = 0.039 m bước ống ngang và bước ống dọc n = 91: chọn sơ bộ số ống trong bình vậy: 1 2 . .91 0.039 1.0393 1.0393 8.8 2 2 0.039z n S x n S x p p = = = Ở tk = 410C các thông số của lỏng NH3 tra bảng 21/579 [3], được: r = 577.83 kg/m3 n = 0.2146x10-6 m2/s l = 0.4528 W/m.K b = 29.76x10-4 K 1 vậy: hệ số tỏa nhiệt là: 3 0.254 3 0.167 0.25 0.254 -6 -4 . . . 0.72. . . 1287600x577.83x0.4528 9.81 0.72 4.4 . 21722. 0.2146x10 x29.76x10 a h ng i g d x x r la q u q q - - - - D = Y = = 4.4.6 Mật độ dòng nhiệt về phía NH3: qa = aa.q = 21722xq0.75 (2) (4 – 15) xác định qtr theo hệ phương trình: 0.75 (1) ( 1109.07(4.72 ) 21 2)722. w a q q q q = -ìï í =ïî Giải hệ phương trình bằng phương pháp dùng đồ thị như sau: ta cho trước một số giá trị của qw rồi từ phương trình (1) ta xác định q. Sau đó theo phương trình thứ hai xác định qa với từng giá trị q đã tìm được. và kết quả là bảng sau: Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 38 qw 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 q 4.58 4.07 3.56 3.05 2.53 2.02 1.51 1 0.49 qa 73446.5 67222.4 60800.8 54143.6 47061 39749.4 31956 23459.8 13738.7 qw 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 q -0.03 -0.54 -0.97 -1.56 -2.07 -2.59 -3.1 -3.61 -4.1 qa -8000.6 -13907.2 -22982.4 -30951 -38280 -45179 -51729 -58726 -59342 Ta xây dựng đường qw = f(q) và qa = j(q), giao điểm của hai đường này sẽ tìm được qtr = 5300W/m2 4.4.7 Số ống nước tương ứng m = nz = 8.8 chọn m = nz = 9 n = 0.75(m2 – 1) + 1 = 0.75 x (92 - 1) + 1 = 61 (ống). (4 – 16) 4.4.8 Số đường nước: 61 ống được bố trí như sau: z = 1 61 6.1 10 n n = = (đường) chọn z = 6 (4 – 17) lúc này: n = n1x z = 10 x 6= 60 (ống) nên phải chọn lại m tức m phải tăng lên m = 11 vậy: n = 0.75 x (112 – 1) + 1 = 91 (ống) 4.4.9 Đường kính mặt sàng: D = m.S = 11 x 0.039 = 0.429 (m) (4 – 18) 4.4.10 Diện tích truyền nhiệt bề mặt trong của bình ngưng: 3137.64 10 25.97 5300 k tr tr Q x F q = = = (m2). (4 – 19) 4.4.11 Diện tích truyền nhiệt bề mặt Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 39 ngoài của bình ngưng: 25.97 0.03 31.16 0.025 tr ng ng tr F d x F d = = = (m2) (4 – 20) 4.4.12 Chiều dài của 1 ống: 25.97 3.6 . . 0.025 91 tr tr F l kD d n x xp p = = = = (m) (4 – 21) Tổng chiều dài các ống: L = n.l = 91 x 3.6 = 327.6 (m) (4 – 22) 4.4.13 Bố trí kết cấu ống trên mặt sàng: Với 91 ống ta bố trí với đường chéo chính có 11 ống và theo hình lục giác đều mỗi cạnh 6 ống. 4.5 TỔN THẤT THỦY LỰC BÌNH NGƯNG: Tổn thất thủy lực bình ngưng bao gồm: DP = DPd + DPcb (4 – 23) DPd: tổn thất do ma sát đường dài. DPcb: tổn thất cục bộ. Lưu lượng thể tích: VW = 3 30.008 10 8.05 10 993.6 w w G x x r -= = (m3/s) (4 – 24) với: Gw: lưu lượng khối lượng Gw = 0.008 x 103 (kg/s) rw: khối lượng riêng của nước ở ttb = 360C. rw = 993.6 (kg/m3). Chiều dài ống: l = 3.6 (m) Vận tốc nước trong ống: wW = 1.64 (m/s) 4.5.1 Tổn thất thủy lực do ma sát đường dài: DPd = z.l. . 2 w tr l d g w (mH2O) (4 – 25) Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 40 với: z = 6 số đường nước. l: hệ số sức cản ma sát đường dài; với chế dộ chảy rối: 2 2 1 1 0.02 (1.82lg Re 1.64) (1.82 lg57151 1.64) l = = = - ´ - 23.6 1.64 6 0.02 2.37 0.025 2 9.81d P x x x x Þ D = = (mH2O) (4 – 26) 4.5.2 Tổn thất thủy lực cục bộ: * Tổn thất tại chỗ vào của ống (mở rộng): DPcb1 = x1. g2 V21 (mH2O) (4 – 27) x1 = 1.5 hệ số sức cản cục bộ tại ngõ vào V1 = 2 (m/s): vận tốc nước đi trong ống đẩy. 2 1 2 1.5 0.3 2 9.81cb P x Þ D = = (mH2O) * Tổn thất tại chỗ ra của ống (co hẹp): DPcb2 = x2. g2 V22 (mH2O) (4 – 28) x2 = 1.5 hệ số sức cản cục bộ tại co hẹp. V2 = 2 (m/s): vận tốc nước đi trong ống hút. 2 2 2 1.5 0.3 2 9.81cb P x x Þ D = = (mH2O) * Tổn thất tại ngõ vào và ra ống chùm: DPcb3 = m.x3. g2 V23 (mH2O) (4 – 29) x3 = 1 hệ số sức cản cục bộ tại ngõ vào và ra khỏi ống chùm. V3 = 1.64 (m/s): vận tốc nước đi vào và ra ống chùm. m = 12 : số lần nước vào và ra ống chùm. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 41 2 3 1.64 12 1 1.6 2 9.81cb P x x x Þ D = = (mH2O). * Tổn thất tại chỗ ngoặt 1800: DPcb4= n.x4 g2 V24 (mH2O) (4 – 30) n = 5 số chỗ ngoặt 1800. x4= 2.5 hệ số sức cản cục bộ tại chỗ ngoặt 1800. V4 = 1.64 (m/s): vận tốc nước tại chỗ ngoặt 1800. 2 4 1.64 5 2.5 1.71 2 9.81cb P x x x Þ D = = (mH2O). 0.3 0.3 1.6 1.71 3.91cbPÞ D = + + + = (mH2O). Vậy: tổng tổn thất thủy lực là: DP = DPd + DPcb = 2.37 + 3.91 = 6.28 (mH2O). 4.6 NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CỦA BÌNH NGƯNG. Nếu chất lượng nước làm mát xấu và chế độ bảo dưỡng không đảm bảo thì bình ngưng rất dễ bị bám cáu bẩn làm tắc nghẽn đường nước, giảm khả năng truyền nhiệt nên nhiệt độ ngưng tụ tăng cao, công suất lạnh không đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Trong trường hợp này nếu không thay bình ngưng mới được thì phải tẩy rửa cặn bằng cơ học (dùng bàn chải lông sắt) hoặc kết hợp với hóa chất (thường dùng Na2CO3 5% để tẩy rửa) sau đó thổi sạch bằng khí nén. Khi áp suất ngưng tụ tăng cao, kim áp kế rung mạnh, không ổn định thì phải xả khí không ngưng qua bình tách khí đặt phía trên bình cao áp hay bình ngưng. Nếu để mất nước làm mát bình ngưng do bơm nước hỏng hay do đường nước bị rò sẽ gây ra sự cố nguy hiểm cho cả hệ thống. Vì thế phải đảm bảo hệ thống điều chỉnh tự động và bảo vệ tự động hoạt động tốt để cấp đủ nước cho bình ngưng hoặc Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 42 ngừng máy nén khi lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát không đảm bảo. Định kì xả dầu để không có dầu bám ở bề mặt ống trao đổi nhiệt làm xấu điều kiện truyền nhiệt. Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO a & b [1] Trần Thanh Kỳ Máy lạnh Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM – 2004 [2] Hoàng Đình Tín Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật – 2007 [3] Hoàng Đình Tín, Đỗ Hữu Hoàng, Hoàng Thị Nam Hương Bài tập Nhiệt Động Học Kĩ Thuật và Truyền Nhiệt Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM – 2008 [4] Đinh văn Thuận, Võ Chí Chính Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật – 2006 [5] Lê Chí Hiệp Kĩ thuật điều hòa không khí Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật – 2001 [6] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy Kĩ thuật lạnh cơ sở Nhà xuất bản Giáo Dục – 2005 [7] Nguyễn Đức Lợi Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật – 2005 [8] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh văn Thuận Kĩ thuật lạnh ứng dụng Nhà xuất bản Giáo dục - 2003. [9] Trần Chấn Chính; Nguyễn Thị Minh Nghĩa Cơ học chất lỏng kĩ thuật Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia TPHCM – 2004 [10] Nguyễn Đức Lợi Hướng dẫn thiết kế Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Tiểu luận Nhóm 2 Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt –Upload by 44 Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật – 2005. Filename: Tieu Luan Truyen Nhiet Directory: D:\TAI LIEU KHAC\Tat ca cac tieu luan Template: C:\Documents and Settings\Administrator\Application Data\Microsoft\Templates\Normal.dot Title: Danh sách nhóm 1: Subject: Author: IT TECHNICAL SUPPORT Keywords: Comments: Creation Date: 3/4/2009 9:07:00 AM Change Number: 356 Last Saved On: 5/4/2009 6:57:00 AM Last Saved By: IT TECHNICAL SUPPORT Total Editing Time: 1,214 Minutes Last Printed On: 8/30/2011 1:39:00 PM As of Last Complete Printing Number of Pages: 44 Number of Words: 6,259 (approx.) Number of Characters: 35,682 (approx.)