NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH

NGHIÊN C ỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG RESEARCHING A TYPE OF DOUBLE TUBE CONDENSER EQUIPMENT UTILISED IN REFRIGERATION SYSTEM H ồ Trần Anh Ngọc Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại h

NGHIÊN C ỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG

RESEARCHING A TYPE OF DOUBLE TUBE CONDENSER EQUIPMENT

UTILISED IN REFRIGERATION SYSTEM

H ồ 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

ph ổ biến hiện nay để thấy được phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế, từ đó ta đi nghiên cứu

và xây d ựng 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

hi ệu quả ngưng tụ dẫn đến làm tăng được năng suất lạnh cho hệ thống lạnh Trong bài báo

c ũng đồng thời đi xây dựng mô hình thí nghiệm thực nghiệm trên hệ thống lạnh thực tế với ba

lo ại thiết bị ngưng tụ khác nhau được tính tóan với cùng một công suất lạnh như nhau để kiểm

ch ứng Qua nghiên cứu ta sẽ đánh giá được hiệu quả kinh tế- kỹ thuật của thiết bị nghiên cứu

so v ới 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

2 Gi ới 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 găng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao, chúng có câc ưu điểm nổi trội sau:

- Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa câc 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 nín thời gian đạt được yíu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống

- Kết cấu gọn găng, an toăn vă dễ chế tạo

Tuy nhiín, câc thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ lă câc 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 khâc, khi măng ngưng hình thănh nó sẽ hạn chế quâ trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi vă bề mặt vật rắn Trong câc hệ thống Freon, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng khâ thấp, vì vậy cũng rất cần thiết phải có câc biện phâp để nđng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, đặc biệt lă người ta sẽ lăm cânh bín ngòai của ống trong để tăng cường khả năng tỏa nhiệt về phía môi chất Trong thực tế,

ta có câc loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có câc dạng như sau:

3 Tính tóan thi ết bị ngưng tụ ống lồng ống

3.1 Thi ết bị ngưng tụ ống lồng dạng thẳng loại không có cânh

Chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nối tiếp, ống trong dẫn nước có đường kính tỉ lệ lă d2/d1 được lăm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt λ(W/m0

K), ống ngoăi đường kính D, chiều dăi của ống lă l Tính tổng diện tích truyền nhiệt F, hệ số môdun N về

Hình 1 Thi ết bị ngưng tụ ống lồng ống trơn Hình 2 Thi ết bị ngưng tụ ống lồng ống

d ạng hình vuông

Hình 4 Thi ết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng

ống xoắn tròn

Hình 3 Thi ết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng

hình Elip

Môi chất vào

Môi chất ra

d1 d2

α2

1

α

Hình 5 Ống lồng ống dạng trơn

1- Tính Q, t”: theo phương trình cân bằng nhiệt:

Q = G1 Cp1 (t1’ – t1’’ ) = G2Cp2 ( t2” – t2’

1 p 1

' 1

"

1

C G

Q t

2- Tính ΔT trung bình theo sơ đồ ngược chiều:

( ' )

2

"

1

"

2 ' 1

' 2

"

1

"

2 ' 1

ln

t t

t t

t t t

t t

−

−

−

=

3- Tính α1, α2

a Xác định t

theo công thức thực nghiệm

f1, ω1 và tf2, ω2 ( )"

1 ' 1 1

2

1

t t

Tốc độ hơi môi chất đi : 2

1 1

1 1

4

d

G

πρ

Tốc độ nước lạnh đi: ω ρ π ( 2) ρ

2 2 2 2

2

2 2

4

d D

G f

G

−

=

b Tính α1:

1

1 1 γ

ωd

R ef = [1.7]

Ở chế độ chảy rối:

1 4 0.8 0.43 Pr

0, 21.Re Pr

Pr

f

w

  [1.8]

Từ đó suy ra : 1

1

1

d

λ

α = [1.8.1]

c Tính α2: Vì ống mỏng, λ lớn, coi tW1 = tW2 → PrW2

Đường kính tương đương của hình xuyến D/d

= 3,5

2 là:

d D

d D u

f

+

−

=

=

π

2 2

4 4

4 [1.9]

2

2

e

d

R = T ừ đây ta suy ra chế độ chảy của môi chất

Công thức thực nghiệm tính α khi chảy rối trong ống lồng D/d2 là dtđ :

( )

( ) (D d)

d D

d D u

f

+

−

=

=

π

2 2

4

4

2

td 2 2

d Re

ν

ω

= Công thức tính α khi chảy rối trong ống lồng D/d2

4 1 18 0

2

4 0 8 0

Pr

Pr Pr

Re

.

017

,

0

















=

w

f f

f uf

d

D N

có dạng:

2

2

d

λ

= α

được suy ra như sau: [1.11]

3.2 Thi ết 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

t C G t

F

Q

∆

=

∆∆

=

∆

- Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit:

"

2 ' 2

'' 1 ' 1

"

2 ' 2 '' 1 ' 1

2 1 2 1 2 1

ln

) ( ) ( ln

t t t t

t t t t t t t t t t

−

−

−

−

−

=

∆

∆∆

−

∆

=

−

=

- Xác định lượng nhiệt trao đổi của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh:

B

B

Hơi môi chất vào

Nước vào

Nước ra

Cánh d ọc thân

Hơi môi chất vào

Nước vào

L ỏng môi chất ra Hình 6 Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh dọc thân

[W / m]

, F

1 r

r ln 2

1 r

2 1

t t q

l 2 2 1 c 1

1

2 f 1 f l

α

+ πλ

+ α π

−

- rc: là bán kính ngòai tương đương của ống trụ có cánh ngòai, nó có giá trị bằng:

π δ

.(

2

= r n l

- δ1, δ2

- F

: Là chiều dày gốc cánh và đỉnh cánh

2 2

1 2

2 =2π.r −n(δ −δ )+n 4l +(δ −δ )

F l

: diện tích 1m mặt ống có cánh:

* Áp d ụng 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 bị bay hơi

Bình tách lỏng Dàn ngưng tụ không khí

B ẢNG TỔNG KẾT THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC

3 Lưu lượng gió thổi qua Indoor Gi m3/ph - 6

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

np

- Sm

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

δ2

δt

λ n

α L L t

r n

S

c m

mm

mm

mm

mm w/m0 w/m

K

2

m

K

m

m

m2

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

δt

λ n

α L L t

r n

S

c m

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm w/m0 w/m

K 2

m

K

m

m

m2

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

13 Áp suất đẩy với dàn ngưng ống lồng trơn Pđt Atm 13,09

15 Nhiệt độ môi chất khi vào dàn ngưng không

khí và các dàn ống lồng ống t’t’

f11 f12

0

17 Nhiệt độ gas môi chất khi ra khỏi dàn ngưng

18 Nhiệt độ gas môi chất khi ra khỏi dàn ngưng

4 K ết 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

[1] PGS.TS Đinh Văn Thuận , PGS.TS Võ Chí Chính (2005), HỆ THỐNG MÁY VÀ THI ẾT 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 NHI ỆT, 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),

TRUY ỀN NHIỆT, Nhà xuất bản Giáo dục