NGHIÊN cứu các yếu tố ẢNH HƯỞNG đến QUÁ TRÌNH NGƯNG tụ của môi CHẤT a STUDY ON THE FACTORS AFFECTING VAPOROUS CONDENSATION PROCESS

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN Q TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA MƠI CHẤT A STUDY ON THE FACTORS AFFECTING VAPOROUS CONDENSATION PROCESS Hồ Trần Anh Ngọc Võ Chí Chính Trường Cao đẳng Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo đề cập đến việc tìm hiểu q trình ngưng tụ mơi chất xảy thiết bị trao đổi nhiệt thông qua việc nghiên cứu chuyển động dòng mơi chất hai pha xảy trình trao đổi nhiệt Nghiên cứu trình toả nhiệt ngưng màng lúc dòng chảy chuyển động ống đặt nằm ngang, ống thẳng đứng chùm ống nằm ngang, đưa phương pháp để tính tốn trao đổi nhiệt q trình ngưng tụ Ngồi ra, báo nghiên cứu yếu tổ ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt ngưng để từ đưa lựa chọn, biện pháp cần thiết việc tính tốn, thiết kế áp dụng cho thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ ABSTRACT This article refers to an investigation into the process of vaporous condensation occurring in heat-exchange apparatuses through a study on the movement of the two- phase vapor-liquid stream during the heat-exchange process The study on the process of heat dissipation in film condensation when the stream moving in horizontal, vertical pipes and horizontal beam tubes can provide methods for calculating heat transfer in the condensation process In addition, the paper also deals with the factors affecting the heat transfer process in condensation so that choices and necessary measures for the calculation and design applied to heat-exchange apparatuses in condensation will also be made Đặt vấn đề môi chất Quá trình ngưng tụ trình phức tạp, đặc biệt trình trao đổi nhiệt ngưng, có biến đổi pha từ pha sang pha lỏng gọi tỏa nhiệt ngưng Q trình ngưng xảy trạng thái giới hạn làm lạnh nén Nếu trình ngưng thực nhiệt độ áp suất điểm ba thể vật chất cho ngưng thành trạng thái lỏng Vùng xảy trình ngưng thể tích khối nhiệt độ nhỏ nhiệt độ bão hòa áp suất tương ứng xảy bề mặt vật làm lạnh Thực tế thường gặp trình ngưng thành trạng thái lỏng bề mặt rắn, ví dụ trình ngưng bình ngưng tuabin nhà máy nhiệt điện, ngưng môi chất thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh, tượng đọng sương máy lạnh hay điều hồ khơng khí dân dụng, cơng nghiệp, tượng ngưng số hóa chất thiết bị nhà máy hóa chất Cho nên, việc nghiên 50 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình ngưng tụ cần thiết để nâng cao khả ngưng tụ thiết bị hệ thống nóng, lạnh khác nhau, góp phần vào việc làm giảm giá thành sản phẩm Nghiên cứu dòng mơi chất pha liên quan đến trình ngưng tụ Nghiên cứu dòng mơi chất pha q trình nghiên cứu vô phức tạp Hệ số truyền nhiệt áp suất giảm liên quan chặt chẽ với dòng mơi chất hai pha cục cấu hình thành dòng chảy chất lỏng, coi khía cạnh quan trọng mơ hình dòng chảy lúc ngưng tụ Trong thực tế, mơ hình truyền nhiệt để dự đốn mơ hình dòng chảy cục ngưng tụ, chuyển từ dòng mơi chất hai pha sang dòng chảy khác 2.1 Mơ hình lưu lượng dòng chảy ống dọc Đối với tượng lưu lượng dòng chảy lỏng ống thẳng đứng, chất lỏng trình phân phối vào ống dọc Đây gọi mơ hình lưu lượng dòng chảy ống dọc chúng mơ tả sau: - Dòng chảy bong bóng: bảo hồ ẩm phân tán dạng bong bóng rời rạc giai đoạn lỏng liên tục Các Hình Mơ hình dòng mơi chất bong bóng khác kích thước, pha ống thẳng đứng hình dạng chúng thường gần hình cầu có đường kính nhỏ nhiều so với đường kính ống - Dòng chảy chậm: bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau, va chạm với hình thành bong bóng lớn hơn, chiếm phần đường kính ống, gọi bong bóng Taylor có hình dạng tương tự viên đạn với đoạn đầu hình bán cầu đoạn cùn, làm cho dòng chảy chậm Bong bóng Taylor bao quanh màng chất lỏng mỏng chúng vách ống, chảy xuống trọng lực - Dòng chảy khuấy tung: Vận tốc dòng chảy tăng, cấu trúc dòng chảy trở nên không ổn định với chất lỏng lên xuống, tạo dao động với dòng chảy hướng lên Đây chế độ trung gian chế độ dòng chảy chậm với chế độ chảy hình vành khun - Dòng chảy hình khun: vận tốc dòng chảy tăng, màng chất lỏng trở nên chiếm ưu trọng lực, chất lỏng bị bật từ tâm ống chảy màng mỏng vách thành hình vành khun Chất lỏng tâm có chế độ dòng chảy ổn định 2.2 Mơ hình lưu lượng dòng chảy ống nằm ngang Mơ hình dòng môi chất hai pha ống nằm ngang tương tự 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 dòng chảy thẳng đứng, phân bố chất lỏng chịu ảnh hưởng lực hấp dẫn, có loại sau: - Dòng chảy bong bóng: bong bóng phân tán lẫn chất lỏng với nồng độ cao chủ yếu nửa phía ống sức - Dòng chảy phân tầng: chất lỏng vị trí thấp dòng hồn thành tách thành Hình Mơ hình dòng mơi chất pha hai giai đoạn: vào phía chất ống nằm ngang lỏng đáy ống cách bề mặt nằm ngang Do chất lỏng phân tầng đầy đủ chế độ - Dòng chảy phân tầng lượn sóng: Tăng tốc độ dòng chảy phân tầng, sóng hình thành bề mặt theo hướng dòng chảy Biên độ sóng phụ thuộc vào vận tốc tương đối, gợn nhấp nhơ khơng đạt đến đỉnh ống - Dòng chảy chặn: Đường kính bong bóng kéo dài nhỏ ống, lỏng chạy liên tục dọc theo phía ống Dòng chảy chặn đơi gọi bong bóng chảy kéo dài - Dòng chảy chậm: vận tốc cao hơn, đường kính bong bóng kéo dài có kích thước gần đường kính ống, dòng chảy có biên độ sóng lớn - Dòng chảy hình khun: Ở q trình dòng chảy lớn hơn, chất lỏng tạo thành màng hình khuyên liên tục quanh chu vi ống, tương tự dòng chảy thẳng đứng, màng chất lỏng phía dày phía Qua thực nghiệm nghiên cứu, khảo sát thiết bị ngưng tụ ống thuỷ tinh hệ thống lạnh ta thống kê hình ảnh mơ q trình chảy dòng mơi chất ngưng tụ ống đặt nằm ngang sau: Hình Các chế độ dòng chảy A- Dòng chảy phân tầng; 52 B- Dòng chảy liên tục; C- Dòng chảy hình khun TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 Đặc điểm trình ngưng tụ Quá trình ngưng tụ môi chất gắn liền với việc biến đổi pha Để trình ngưng bề mặt vật rắn cần phải có điều kiện: + Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ nhiệt độ bão hòa tiếp xúc với bề mặt rắn + Trên bề mặt vật rắn phải có tâm ngưng tụ Các tâm ngưng bọt khí, hạt bụi Tùy theo trạng thái bề mặt tính dính ướt chất lỏng, trình ngưng bề mặt vật rắn gồm: ngưng màng ngưng giọt - Ngưng màng giọt chất lỏng ngưng liên kết với thành màng bề mặt vật rắn, ngưng màng xảy chất lỏng dính ướt hồn tồn bề mặt vật rắn, góc dính ướt nhỏ π /2 Hình Ngưng màng ngưng giọt - Ngưng giọt giọt chất lỏng ngưng tồn riêng rẽ bề mặt vật rắn Xảy chất lỏng khơng dính ướt bề mặt vật rắn, bề mặt nhẵn bóng có lớp dầu mỡ dính bề mặt 3.1 Quá trình tỏa nhiệt ngưng màng Bề mặt phẳng đặt đứng có nhiệt độ tw, bão hòa có nhiệt độ ts tiếp xúc với bề mặt (ts> tw) Nếu chất lỏng ngưng dính ướt hồn tồn với bề mặt vách giọt nước ngưng liên kết với tạo thành màng ngưng Giả thiết chế độ chuyển động màng nước ngưng chế độ chảy tầng Phương trình trao đổi nhiệt bề mặt x viết: q = α x(ts –tw) = λ (ts-tw) δx Trong : - α x hệ số tỏa nhiệt cục vị trí x; - λ hệ số dẫn nhiệt nước ngưng Vì màng nước ngưng chuyển động theo phương x nên phương trình chuyển 2 ⎛ ⎞ động thể sau: ρ Dω x = ρg x − ∂p + µ ⎜⎜ ∂ ω2 x + ∂ ω2x + ∂ ω2 x ⎟⎟ ∂x dτ ∂y ∂z ⎠ ⎝ ∂x Phương trình chuyển động màng nước ngưng theo hướng x là: ⎛ ∂ 2ω ⎞ ρg x + µ ⎜⎜ x ⎟⎟ = ⎝ ∂y ⎠ Hay : Giải phương trình ta được: ω x = − ⎛ ∂ 2ω x ⎞ ⎟ = − ρg ⎟ ⎝ ∂y ⎠ µ ⎜⎜ ρg ρg y + δx y µ 2µ Giá trị tốc độ trung bình mặt cắt x xác định sau : 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 ϖx = δx δx ∫ ω x dy = δx ⎛ ρg ρg ⎞ ⎜⎜ − y + δ x y ⎟⎟dy ⇒ϖ µ ⎠ ∫ ⎝ 2µ δx x = ρg δ x 3µ Giải hệ phương ta tìm hệ số tỏa nhiệt trung bình dọc theo chiều cao h bề mặt vách đứng bằng: α = 0.9434 ρ gλ3 r W / m2 K µ (t s − t w )h 3.2 Tỏa nhiệt ngưng màng chuyển động qua chùm ống Khi chuyển động qua chùm ống nằm ngang từ xuống dưới, tốc độ dòng giảm theo chiều chuyển động phần ngưng chiều dày màng ngưng ống phía tăng nước ngưng từ ống phía rơi xuống Hệ số tỏa nhiệt trung bình dãy ống thứ nhất: ⎛ρ ω h⎞ α ⎟ = 3,32⎜ h ⎜ ρ f gd ⎟ α ⎝ ⎠ , 08 ⎡ gρ f (ρ f − ρ h )r.d ⎤ ⎢ ⎥ ⎣⎢ λ f µ f (Ts − Tw ) ⎦⎥ −0 ,125 Trong đó: ϖ h tốc độ trung bình dòng tiết diện hẹp dãy ống nằm ngang; α -Hệ số tỏa nhiệt ngưng chuyển động Hệ số tỏa nhiệt trung bình chùm ống nằm ngang : α ch = α = Trong đó:ψ = 0,84ψ [1 − (1 −ψ ) , 84 n 0, 07 ] Gh1 − Gh mức độ ngưng hơi; Gh1 , Gh2: lưu lượng vào G h1 khỏi chùm ống; n: số dãy ống theo chiều cao chùm ống đặt song song chùm ống bố trí so le 3.3 Tỏa nhiệt ngưng màng chuyển động qua ống đặt đứng Trong ống đặt đứng chuyển động dòng màng ngưng chiều, động lực dòng lực trọng trường chiều nên tốc độ màng ngưng tăng, chiều dày màng ngưng giảm xuống, hệ số tỏa nhiệt tăng Khi chuyển động từ lên, màng ngưng chuyển động chậm lại lực ma sát, dẫn đến chiều dày màng ngưng tăng hệ số toả nhiệt giảm Khi chuyển động với tốc độ lớn, màng ngưng bị tách khỏi bề mặt tạo nên hỗn hợp hơi- lỏng dòng, hệ số tỏa nhiệt tăng Hệ số tỏa nhiệt chuyển động ống đứng xác định theo công thức sau: 10 ≤ ρ h ω2 h ≤ 300 300 ≤ ρ h ω2 h ≤ 5000 ; 54 ; , 04 αω , 05 = ph (ρhω h ) ; α αω 0.25 0, 05 = ph (ρ h ω h ) α TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 α , α ω :Hệ số tỏa nhiệt ngưng ống không chuyển động chuyển động 3.4 Tỏa nhiệt ngưng chuyển động ống nằm ngang Đây trình trao đổi nhiệt phức tạp, màng ngưng chia thành ba phần: phần đầu, phần phần chảy nhỏ Ở phần đầu màng ngưng chảy dọc trục ống tác dụng lực ma sát bề mặt ống Ở phần trên, màng ngưng chảy theo hướng cân lực ma sát lực trọng trường Hình Tỏa nhiệt ngưng chuyển động ống nằm ngang Hệ số tỏa nhiệt α dọc theo chiều dài ống phụ thuộc vào nhiều yếu tố, α λf xác định sau: ⎛ν f a f ⎜⎜ ⎝ g ⎞3 ⎟⎟ = 0,031 Re 0,5 ⎛⎜ ⎞⎟ d ⎝ ⎠ ⎠ − 0.2 Trường hợp chuyển động với tốc độ lớn, màng ngưng chảy rối phần lớn chiều dài ống: Nu f = C Re 0,8 Pr 0, 43 ⎛⎜ Pr f ⎞⎟ ⎟ ⎜ , 25 ⎝ Prw ⎠ Trong : Re = 4Ghh ωd ; = πdµ f ν f ⎡ ⎞⎤ ⎞ ⎛ρ ⎛ρ ⎢ + x1 ⎜⎜ f − 1⎟⎟ + + x ⎜⎜ f − 1⎟⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎠ ⎥⎦ ⎠ ⎝ ρh ⎝ ρh ⎛G ⎞ x1 = ⎜⎜ h1 ⎟⎟ ⎝ G hh ⎠ vao x = ⎛⎜ Gh ⎞⎟ ⎜G ⎟ ⎝ hh ⎠ Ghh lưu lượng khối lượng; C=0,016 ống đồng C=0,012 ống thép; tf=ts Các yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt ngưng 4.1 Ảnh hưởng nhiệt Quá nhiệt ngưng xảy q nhiệt điều khơng có nghĩa nhiệt trở thành bão hòa tồn thể tích khối Khi ngưng nhiệt, nhiệt ẩn hoá xác định: r’= r +qqn , qqn=i- i’’, độ chênh lệch nhiệt độ ∆t lấy giá trị ∆t = (t s − t w ) Vì r’> r nên ngưng nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn ngưng bão hòa 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 4.2 Ảnh hưởng trạng thái bề mặt - Nếu bề mặt xù xì, nhám hay phủ lớp oxit → trở lực tăng → Chiều dày màng nước ngưng tăng → hệ số tỏa nhiệt giảm - Nếu bề mặt có bám dầu mỡ → ngưng giọt xảy → hệ số tỏa nhiệt tăng Qua nghiên cứu thấy hệ số tỏa nhiệt không chịu ảnh hưởng loại vật liệu chịu ảnh hưởng lớn trạng thái bề mặt vách Trên bề mặt nhám có phủ lớp oxit, hệ số tỏa nhiệt giảm khoảng 20% đến 30% Từ thực nghiệm cho thấy ngưng ống đặt nằm ngang hiệu hẳn so với đặt đứng Do cần phải quan tâm mức việc bố trí bề mặt truyền nhiệt thiết kế 4.3 Ảnh hưởng khí khơng ngưng lẫn Khi có lẫn khơng khí khí khơng ngưng khác tỏa nhiệt ngưng giảm mạnh vì: Khơng khí khí khơng ngưng tụ tập gần bề mặt vách, mặt lớp khí cản trở việc tiếp xúc với bề mặt vách Ngoài ra, lớp nhiệt trở lớp khí lớn → cường độ trao đổi nhiệt bề mặt vách giảm Khảo sát cho thấy cường độ tỏa nhiệt giảm gần 60% có lẫn 1% khí khơng ngưng, thiết bị ngưng người ta bố trí thêm thiết bị rút khí tạo chân khơng để làm cho bình ngưng hoạt động tốt 4.4 Ảnh hưởng tốc độ hướng chuyển động dòng - Khi dòng chuyển động với tốc độ định, lực ma sát bề mặt phân pha màng ngưng làm thay đổi tốc độ trung bình chiều dày màng ngưng - Tốc độ dòng nguyên nhân xáo trộn, làm chế độ dòng chảy màng ngưng ổn định, làm trình chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ sóng chảy rối - Nếu dòng chuyển động chiều với màng ngưng → làm chuyển động màng ngưng nhanh lên → chiều dày màng ngưng giảm → hệ số tỏa nhiệt tăng - Nếu dòng chuyển động ngược chiều với màng ngưng màng ngưng bị hãm lại → chiều dày màng ngưng tăng → hệ số tỏa nhiệt giảm - Khi ngưng áp suất bé → tốc độ dòng khơng ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt α ngưng áp suất lớn → tốc độ ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt α 4.5 Ảnh hưởng cách bố trí bề mặt ngưng Tỏa nhiệt ngưng bề mặt ống nằm ngang lớn bề mặt đặt đứng vì: chiều dày màng nước ngưng bề mặt ống nằm ngang nhỏ bề mặt đặt đứng Tuy nhiên điều ống đơn hay dãy ống chùm ống Các ống phía chùm ống có hệ số tỏa nhiệt α nhỏ dãy ống nước ngưng phía dãy ống phía rơi xuống làm chiều dày màng nước ngưng dãy ống phía tăng lên 56 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 Để tăng cường tỏa nhiệt, chùm ống người ta đặt ống dãy ống phía lệch so với ống phía Hình Ngưng bề mặt ống chùm nằm ngang: a) Chùm ống bố trí song song b) Chùm ống bố trí sole Hình Sự giảm cường độ α dãy ống: (1) Bố trí song song, (2) Bố trí so le Kết luận Qua nghiên cứu trình ngưng tụ mơi chất, ta nhận thấy q trình ngưng tụ môi chất diễn thực tế phức tạp Trong q trình ngưng tụ có chuyển động dòng hai pha q trình chuyển đổi pha từ pha sang pha lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, việc nghiên cứu q trình ngưng tụ có ý nghĩa thực tế, giúp xác định điều kiện xảy trình ngưng tụ, yếu tố ảnh hưởng, từ có tính tốn, thiết kế, bố trí bề mặt trao đổi nhiệt cho hợp lý, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư, từ dẫn đến giảm giá thành sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bốn (2005), Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Đà Nẵng [2] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999), Thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học kỹ thụât, Hà Nội [3] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (1991), Truyền nhiệt, Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Dr.K.J.Bell and Dr.A.C Mueller (2001), Wolverine Tube heat transfer Data Book II, Electronic distribution by Wolverine Tube, Inc.Research and Development Team [5] Professor John R Thome- Director, Laboratory of Heat and Mass Transfer, Faculty of Engineering Science and Technology Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (2002), Wolverine Engineering Data Book III, Wolverine Tube, Inc [6] Kenneth J.Bell, Ph.D, P.E., Thermal Design of Heat exchangers, Condenser, Reboilers, The McGraw- Hill companies, Inc, copyright@1999 57 ... luận Qua nghiên cứu q trình ngưng tụ mơi chất, ta nhận thấy q trình ngưng tụ mơi chất diễn thực tế phức tạp Trong trình ngưng tụ có chuyển động dòng hai pha trình chuyển đổi pha từ pha sang pha lỏng... Nghiên cứu dòng mơi chất pha liên quan đến q trình ngưng tụ Nghiên cứu dòng mơi chất pha q trình nghiên cứu vơ phức tạp Hệ số truyền nhiệt áp suất giảm liên quan chặt chẽ với dòng mơi chất hai... - Khi ngưng áp suất bé → tốc độ dòng khơng ảnh hưởng đến hệ số t a nhiệt α ngưng áp suất lớn → tốc độ ảnh hưởng đến hệ số t a nhiệt α 4.5 Ảnh hưởng cách bố trí bề mặt ngưng T a nhiệt ngưng bề