báo cáo nghiên cứu khoa học ' nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng trong hệ thống lạnh'

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 16 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH RESEARCHING A TYPE OF DOUBLE TUBE CONDENSER EQUIPMENT UTILISED IN REFRIGERATION SYSTEM Hồ Trần Anh Ngọc Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng Võ Chí Chính Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Tìm hiểu tổng quan về các loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống đang sử dụng phổ biến hiện nay để thấy được phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế, từ đó ta đi nghiên cứu và xây dựng các cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống dạng trơn và ống lồng ống có cánh dọc thân để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt, nâng cao được hiệu quả ngưng tụ dẫn đến làm tăng được năng suất lạnh cho hệ thống lạnh. Trong bài báo cũng đồng thời đi xây dựng mô hình thí nghiệm thực nghiệm trên hệ thống lạnh thực tế với ba loại thiết bị ngưng tụ khác nhau được tính tóan với cùng một công suất lạnh như nhau để kiểm chứng. Qua nghiên cứu ta sẽ đánh giá được hiệu quả kinh tế- kỹ thuật của thiết bị nghiên cứu so với các thiết bị truyền thống. ABSTRACT This paper presents an overview research of the heat exchange device of double tube type commonly used now to see the scope of its application in practice, then investigates and establishes theoretical bases to calculate, design single double tube condenser with no fin and longitudinal fin double tube condenser to enhance the ability to exchange heat and improve the condensing effects to increase the capacity of refrigeration system. The article also builds an experimental model of the real refrigeration system with three different types of condenser with the same refrigeration capacity for verifying. Through the research, the economic-technical effects of this device compared with the traditional ones can be evaluated. 1. Đặt vấn đề Như ta biết, trong hệ thống lạnh thì thiết bị ngưng tụ là một trong bốn thiết bị chính, nó đóng vai trò hết sức quan trọng. Nhiệm vụ của thiết bị ngưng tụ là ngưng tụ hơi gas quá nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh ở trạng thá i lỏng để từ đó cấp lỏng môi chất sôi cho van tiết lưu. Quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ mà kém hiệu quả, sẽ làm ảnh hưởng đến các yếu tố cụ thể sau: - Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu sẽ tăng lên. - Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng, có thể ảnh hưởng đến dầu bôi trơn. - Công nén tăng, mô tơ có thể bị quá tải. - Khi áp suất cao làm cho độ an toàn giảm đồng thời áp suất cao cũng làm tác động ngừng máy nén, van an toàn có thể hoạt động và như thế sẽ làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, thậm chí gây độc hại đến cơ thể con người. Có nhiều lọai thiết bị ngưng tụ khác nhau, tuy nhiên trong khuôn khổ bài báo này, tôi chỉ đề cập đến thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng trong hệ thống lạnh. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 17 2. Giới thiệu tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Thực tế cho thấy rằng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao, chúng có các ưu điểm nổi trội sau: - Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng với khả năng trao đổi nhiệt lớn. - Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt được yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống. - Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo. Tuy nhiên, các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn có hiệu quả thấp, ít nhiều còn bị hạn chế, đặc biệt trong trường hợp ngưng tụ môi chất, ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. Mặc khác, khi màng ngưng hình thành nó sẽ hạn chế quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và bề mặt vật rắn. Trong các hệ thống Freon, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng khá thấp, vì vậy cũng rất cần thiết phải có các biện pháp để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, đặc biệt là người ta sẽ làm cánh bên ngòai của ống trong để tăng cường khả năng tỏa nhiệt về phía môi chất. Trong thực tế, ta có các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có các dạng như sau: 3. Tính tóan thiết bị ngưng tụ ống lồng ống 3.1. Thiết bị ngưng tụ ống lồng dạng thẳng loại không có cánh Chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nối tiếp, ống trong dẫn nước có đường kính tỉ lệ là d 2 /d 1 được làm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt λ(W/m 0 K), ống ngoài đường kính D, chiều dài của ống là l. Tính tổng diện tích truyền nhiệt F, hệ số môdun N về hiệu suất của thiết bị. Hình 1. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống trơn Hình 2. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng hình vuông Hình 4. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng ống xoắn tròn Hình 3. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng hình Elip Næåïc vaìo Næåïc ra Mäi cháút vaìo Mäi cháút ra d1 d2 α 2 1 α Hình 5. Ống lồng ống dạng trơn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 18 1- Tính Q, t”: theo phương trình cân bằng nhiệt: Q = G 1 . C p1 (t 1 ’ – t 1 ’’ ) = G 2 Cp 2 ( t 2 ” – t 2 ’ ) . [1.1] 1 p1 ' 1 " 1 CG Q tt −= [1.2] 2- Tính ΔT trung bình theo sơ đồ ngược chiều: ( ) ( ) ( ) ( ) ' 2 " 1 " 2 ' 1 ' 2 " 1 " 2 ' 1 ln tt tt tttt t − − −−− =∆ [1.3] 3- Tính α 1 , α 2 a. Xác định t theo công thức thực nghiệm. f1 , ω 1 và t f2 , ω 2 ( ) " 1 ' 11 2 1 ttt f += : [1.4] Tốc độ hơi môi chất đi : 2 11 1 1 4 d G πρ ω = [1.5] Tốc độ nước lạnh đi: ( ) ρπρ ω 2 2 2 2 22 2 2 4 dD G f G − == [1.6] b. Tính α1: 1 11 γ ω d R ef = [1.7] Ở chế độ chảy rối: 1 4 0.8 0.43 Pr 0,21.Re Pr Pr f ff l w Nu ε  =   [1.8] Từ đó suy ra : 1 1 1 1 f Nu d λ α = [1.8.1] c. Tính α 2 : Vì ống mỏng, λ lớn, coi t W1 = t W2 → Pr W2 Đường kính tương đương của hình xuyến D/d = 3,5. 2 là: ( ) ( ) ( ) dD dD dD u f d td −= + − == π π 2 2 2 4 4 4 [1.9] 2 2 2 γ ω td e d R = Từ đây ta suy ra chế độ chảy của môi chất Công thức thực nghiệm tính α khi chảy rối trong ống lồng D/d 2 là d tđ : TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 19 ( ) ( ) ( ) dD dD dD u f d td −= + − == π π 2 2 2 4 4 4 Suy ra được: 2 td2 2 d Re ν ω = Công thức tính α khi chảy rối trong ống lồng D/d 2 4 1 18.0 2 4.08.0 Pr Pr PrRe.017,0                 = w f ffuf d D N có dạng: [1.10] Từ đó α 2 2f 2 2 2 Nu d λ =α được suy ra như sau: [1.11] 3.2. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng thẳng loại có cánh dọc thân Hơi môi chất cao áp ở trạng thái hơi quá nhiệt từ đầu đẩy của máy nén được đưa vào ống ngòai, thông qua các bề mặt cánh sẽ nhả nhiệt, ngưng tụ thành lỏng, sau đó trở nên quá lạnh. Do có cánh trên bề mặt nên nó s ẽ tạo rối dòng chảy, xuất hiện các tâm ngưng nên khả năng ngưng tụ sẽ diễn ra tốt hơn. Do có cánh dọc thân nên bề mặt trao đổi nhiệt lớn, khả năng trao đổi nhiệt lớn , có khả năng tạo rối nhưng không cản dòng chuyển động của môi chất. Tính toán: - Xác định hệ số truyền nhiệt K của thiết bị ngưng tụ: K.m/W, t.F q.G t.F tC.G t.F Q k 2 knnnk ∆ = ∆ ∆ = ∆ = [2.1] - Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit: " 2 ' 2 '' 1 ' 1 " 2 ' 2 '' 1 ' 1 2 1 21 21 ln )()( ln tt tt tttt t t tt ttt ff − − −−− = ∆ ∆ ∆−∆ =−=∆ [2.2] - Xác định lượng nhiệt trao đổi của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh: B B B-B Hơi môi chất vào Nước vào Nước ra Cánh dọc thân Hơi môi chất vào Nước vào Lỏng môi chất ra Hình 6. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh dọc thân TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 20 [ ] m/W, F 1 r r ln 2 1 r2 1 tt q l221 c 11 2f1f l α + πλ + απ − = [2.3] - r c : là bán kính ngòai tương đương của ống trụ có cánh ngòai, nó có giá trị bằng: πδδ 2/).(. 21 2 2 ++= lnrr c - δ 1 , δ 2 - F : Là chiều dày gốc cánh và đỉnh cánh. 2l 2 21 2 2122 )(4)(.2 δδδδπ −++−−= lnnrF l : diện tích 1m mặt ống có cánh: * Áp dụng tính tóan cho máy lạnh một cấp Ta áp dụng tính tóan cho một hệ thống lạnh có công suất lạnh tương ứng là 9000BTU/h ( 2725 w), trong cùng hệ thống lạnh này, máy nén và các thiết bị phụ khá c ta vẫn giữ nguyên không đổi, còn ta đi tính tóan, thiết kế và chế tạo để áp dụng ba loại thiết bị ngưng tụ khác nhau lần lượt được sử dụng trong hệ thống là: thiết bị ngưng tụ kiểu dàn không khí đối lưu cưỡng bức nhờ quạt, thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống kiểu trơn và thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống kiểu ống có cánh dọc thân. Ta xây dựng mô hình thí nghiệm như sau: Sau khi tính tóan thiết kế, chế tạo hệ thống lạnh và đưa vào họat động, đồng thời thí nghiệm và đo đạc thực tế ta có bảng thống kê các đại lượng thu được như sau: Hình 7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh thí nghiệm Bình tách dầu Máy nén TBNT ống lồng có cánh TBNT ống lồng không có cánh Bình chứa cao áp Van tiết lưu Thiết b ị bay hơi Bình tách lỏng Dàn ngưng tụ không khí TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 21 BẢNG TỔNG KẾT THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TT Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Sl Giá trị Ghi chú 1 Công suất lạnh P Btu/h 1 9000 2 Công suất điện máy nén P w w 1 735,6 3 Lưu lượng gió thổi qua Indoor G m i 3 - /ph 6 4 Lưu lượng gió thổi qua Outdoor G m 0 3 - /ph 20 5 Dòng điện I Ampe - 4.1 6 Đối với dàn ngưng không khí: - Chiều dài ống. - Số cánh trao đổi nhiệt - Kích thước cánh - Đường kính uốn cong - Đường kính ống - Chiều dày ống - Số pass đi - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt L N R/C/D r d c δ n p - S m m Cánh mm m m mm Đường m - 2 - 7,04 298 35/330/0,3 25 9,5 0,7 16 0,29004 7 Đối với dàn ống lồng ống trơn: - Đường kính ống ngòai - Đường kính ống trong - Chiều dày ống trong - Chiều dày ống ngòai - Hệ số dẫn nhiệt - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu - Chiều dài ống trong - Chiều dài ống ngòai - Bán kính cong của cút nối - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt D D 1 δ 2 δ t λ n α L L t r n S c m mm mm mm mm w/m 0 w/m K 2 m K m m m 2 22,7 12,7 0,6 1,1 21,2 4300 2,70 3,12 0,058 0,1604 8 Đối với dàn ống lồng ống có cánh: - Đường kính ống ngòai - Đường kính ống trong - Đường kính Trung bình ống có cánh - Chiều cao cánh - Bước cánh - Chiều dày cánh - Chiều dày ống trong - Chiều dày ống ngòai - Hệ số dẫn nhiệt - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu - Chiều dài ống trong - Chiều dài ống ngòai - Bán kính cong của cút nối - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt D D 1 D 2 L c S δ δ δ t λ n α L L t r n S c m mm mm mm mm mm mm mm mm w/m 0 w/m K 2 m K m m m 2 28,8 19,9 21,2 3,2 1,81 0,6 1,02 1,12 21,2 6432 2,12 1,92 0,066 0,12 9 Nhiệt độ nước lạnh vào t’ f2 0 C 26 10 Nhiệt độ nước lạnh ra t” f2 0 C 29 11 Áp suất hút P Atm h 3,2 12 Áp suất đẩy đối với dàn ngưng không khí P Atm đkk 13,4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 22 13 Áp suất đẩy với dàn ngưng ống lồng trơn P Atm đt 13,09 14 Áp suất đẩy với dàn ngưng ống lồng có cánh P Atm đc 12,5 15 Nhiệt độ môi chất khi vào dàn ngưng không khí và các dàn ống lồng ống t’ t’ f11 f12 0 C 52 16 Nhiệt độ gas khi ra khỏi dàn ngưng không khí t” f11 0 C 50 17 Nhiệt độ gas môi chất khi ra khỏi dàn ngưng ống lồng ống trơn t” f12 0 C 49 18 Nhiệt độ gas môi chất khi ra khỏi dàn ngưng ống lồng ống có cánh t” f13 0 C 47 19 Tốc độ nước bơm trong ống ω m/s 18 4. Kết luận - Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống, đặc biệt là ống lồng ống có cánh có kết cấu hết sức nhỏ gọn mà hiệu quả trao đổi nhiệt lại rất cao. - Với cùng một công suất lạnh như nhau, thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh có diện tích trao đổi nhiệt là nhỏ nhất và hệ số tỏa nhiệt đối lưu α là lớn nhất so với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trơn và thiết bị ngưng tụ không khí đối lưu cưỡng bức. - So với loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trơn thì loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh có khả năng tạo rối rất mạnh và tạo ra những tâm ngưng trong quá trình chuyển pha ngưng tụ đẳng nhiệt đẳng áp, cho nên nó có khả năng trao đổi nhiệt rất tốt, tăng cường khả năng ngưng tụ của môi chất lạnh trong không gian hình xuyến của ống lồng ống, góp phần nâng cao năng suất lạnh của hệ thống lạnh, tăng hiệu suất làm việc, điều đó cũng có nghĩa là góp phần vào việc giảm giá thành sản phẩm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Đinh Văn Thuận , PGS.TS. Võ Chí Chính (2005), HỆ THỐNG MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] PGS.TS. Bùi Hải, KS.Dương Đức Hồng , Th.S.Hà Mạnh Thư (1999), THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thụât, Hà Nội. [3] PGS.TS. Nguyễn Bốn (2005), TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT , Nhà xuất bản Đà Nẵng. [4] TS. Lê Quý Kỳ , PGS.TS. Hoàng Đình Tín (1990), CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN NHIỆT, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. [5] GS.TS.Đặng Quốc Phú, PGS.TS. Trần Thế Sơn, PGS.TS. Trần Văn Phú (1999), TRUYỀN NHIỆT, Nhà xuất bản Giáo dục. . lọai thiết bị ngưng tụ khác nhau, tuy nhiên trong khuôn khổ bài báo này, tôi chỉ đề cập đến thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng trong hệ thống lạnh. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 16 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH RESEARCHING A TYPE OF. loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trơn thì loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh có khả năng tạo rối rất mạnh và tạo ra những tâm ngưng trong quá trình chuyển pha ngưng tụ đẳng