Tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt và ứng dụng trong hệ thống lạnh

Tr-ờng Đại học Vinh khoa vật lý tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng hệ thống lạnh Khoá luận tốt nghiệp Chuyên ngành: s- phạm vật lý Giáo viên hớng dẫn : ThS L-u Văn Phúc Sinh viên thực : Trịnh Văn Cờng Lớp : 45A - Vật lý Vinh, tháng năm 2008 Mục lục Lời nói đầu Ch-ơng I Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) 1.1 Phân loại TBTĐN 1.2.TBTĐN loại vách ngăn cách 1.2.1 TBTĐN loại có vỏ bọc chùm ống 1.2.2 TBTĐN loại có c¸nh 1.2.3 TBTĐN loại 1.2.3.1 TBTĐN loại xoắn ốc 1.2.3.2 TBTĐN loại gỵn sãng 1.3 Các ph-ơng trình để tính toán nhiệt TBTĐN loại vách ngăn cách 1.3.1 Ph-ơng trình cân nhiệt 1.3.2 Ph-ơng trình truyền nhiÖt 1.4 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình t Ch-ơng II tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 2.1 Ph-ơng pháp độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit 11 2.2 Ph-ơng pháp hiệu suất – hƯ sè trun nhiƯt 16 2.3 Tính trở kháng thuỷ lực TBTĐN 21 2.3.1 Trë kh¸ng ma s¸t pm 21 2.3.2 Trë kh¸ng côc bé 22 2.3.3 Trë kh¸ng gia tèc Pg 23 2.3.4 Trë kh¸ng träng tr-êng P0 23 2.3.5 TÝnh công suất động lực quay bơm quạt 24 Ch-¬ng III øng dơng cđa TBTĐN hệ thống lạnh 3.1 Vai trò, vị trí đặc điểm TBTĐN hệ thống lạnh 25 3.1.1 Vai trò, vị trí TBTĐN hệ thống lạnh 25 3.1.2 Đặc điểm TBTĐN hệ thống l¹nh 25 3.2 Mét số loại máy lạnh thông dụng 26 3.3 Các TBTĐN hệ thèng l¹nh 27 3.3.1 ThiÕt bÞ ng-ng tơ 27 3.3.1.1 kh¸i niÖm 27 3.3.1.2 Quá trình trao đổi nhiệt ng-ng tô 27 3.3.1.2.1 Cơ cấu trình ng-ng tụ 27 3.3.1.2.2 Những nhân tố ảnh h-ởng đến trình toả nhiệt ng-ng 28 3.3.1.3 Phân loại TBNT 29 3.3.1.4 thiết ng-ng tụ đ-ợc làm mát n-ớc 29 3.3.1.4.1 B×nh ng-ng èng vá n»m ngang 29 3.3.1.4.2 Bình ng-ng ống vỏ thẳng đứng 30 3.3.1.4.3 TBNT kiểu phân tử kiểu ống lồng 31 3.3.1.5 ThiÕt bÞ ng-ng tơ làm mát n-ớc- không khí 33 3.3.1.5.1 ThiÕt bÞ ng-ng tơ kiĨu t-íi 33 3.3.1.5.2 Th¸p ng-ng tơ (TBNT kiĨu bay h¬i) 34 3.3.1.6 Tính toán thiết bị ng-ng tụ 35 3.3.2 ThiÕt bi bay h¬i (TBBH) 36 3.3.2.1 Kh¸i niƯm TBBH 36 3.3.2.2 Quá trình trao đổi nhiệt bay h¬i 36 3.3.2.2.1 cấu trình bay 36 3.3.2.2.2 Nh÷ng yÕu tố ảnh h-ớng đến trình trao đổi nhiệt bay 37 3.3.2.3 Phân loại thiết bị bay h¬i 38 3.3.2.4 TBBH làm lạnh chất lỏng 39 3.3.2.5 TBBH làm lạnh không khí 41 3.3.2.6 Tính toán thiết bị bay h¬i 44 Kết luận Tài liệu tham khảo Lời mở đầu Ng y vi s nghip công nghiệp ho¸ - đại ho¸ đất nước, c¸c thiết b nhit, đc bit thit b lnh ang ng y c ng i sâu vào tt c ngh nh kinh tế đãng vai trß quan trọng c¸c nghà nh y tế, chế biến bảo quản thực phẩm, bia rựu, điện tử Việc cải tiến n©ng cao hiệu suất thiết bị nhiệt, tiết kiệm lng, bo v môi trng, h giá th nh sn phẩm đặt cấp thiết với chóng ta C¸c thiết bị trao đổi nhiệt c¸c thiết bị nhiệt óng vai trò quan trng vic n y, nã chiếm tỷ lệ lớn khối lượng, thể tích, giá th nh so toàn thit b nhit m l b phn định hiu sut nhit ca c thit b tìm hiu c im, đ-a giải pháp tính toán thit b trao i nhiệt thiÕt bÞ nhiƯt , đặc biệt hệ thống lạnh Chóng t«i đ· thực đề tà i “ T×m hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng hÖ thèng lạnh “ Với mục đÝch trªn luận văn ngồ i mở đầu kết luận, nội dung triển khai chương : Chương I : Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt Trong chương nà y đ· tổng quan kiến thức chung nht v TBTN Trong ó i sâu tìm hiu TBTĐN loại v¸ch ngăn c¸ch loại sử dụng phổ biến Chương II : TÝnh to¸n thit b trao đổi nhit Chng n y giới thiệu số phương ph¸p dïng tÝnh to¸n thiết kế kiểm tra khả m việc TBTĐN Nhằm cung cấp kiến thức để cã thể đưa giải ph¸p hợp lý, tÝnh toán la chn úng thông s cn thit, to thiết bị nhiệt phï hợp yªu cầu Chương III : Ứng dụng hÖ thèng lạnh Trong chương nà y i sâu gii thiu kt cu, cu to, nguyên lý hot ng ca TBTN c bn thiết bị ngưng tụ thiết bị bay hệ thống lạnh Để hoàn thành Luận văn em chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý đà tạo điều kiện cho em đ-ợc làm quen với ph-ơng pháp nghiên cứu khoa học Cảm ơn thầy cô giáo đà bồi d-ỡng kiến thức cho em thêi gian em häc tËp t¹i Khoa VËt Lý Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy L-u Văn Phúc đà giúp đỡ em có ý t-ởng luận văn, đóng góp ý kiến bổ ích cho luận văn đ-ợc hoàn thành Tuy đà cố gắng nh-ng hạn chế thời gian, lần đầu làm đề tài chắn Luận văn không tránh khỏi sai sót, em mong đ-ợc góp ý thày cô giáo bạn đọc để đề tài hoàn thiện Vinh, tháng năm 2008 Sinh viên thực Trịnh văn C-ờng ch-ơng I Tổng quan thiết bị trao đổI nhiệt (TBTĐN) TBTĐN thiết bị dùng để thực trao đổi nhiệt chất mang nhiệt (chất mang nhiệt khí, lỏng, hơi) có nhiệt độ khác Trong kỹ thuật TBTĐN đ-ợc sử dụng rộng rÃi đóng vai trò quan trọng trình công nghệ, ví dụ nh- lò để sản sinh n-ớc, thiết bị ng-ng tụ bay thiết bị lạnh, thiết bị hồi nhiệt Trong hệ thống lạnh thông th-ờng TBTĐN chiếm tỷ lệ lớn 52% đến 68% khối l-ợng khoảng 45% ®Õn 62% vỊ thĨ tÝch toµn bé thĨ tÝch hƯ thống lạnh Hai TBTĐN quan trọng hệ thống lạnh thiết bị bay thiết bị ng-ng tụ 1.1 Phân loại TBTĐN Về cấu tạo TBTĐN đa dạng chủng loại phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, nhiên nguyên lý làm việc TBTĐN phân thành ba loại : - TBTĐN loại vách ngăn cách - TBTĐN loại hồi nhiệt - TBTĐN loại hỗn hợp Về mặt kỹ thuật, chủng loại có -u nh-ợc điểm khác nên tuỳ thuộc vào công nghệ sản xuất mà lựa chọn loại hay loại khác Trên thực tế TBTĐN loại vách ngăn cách đ-ợc sử dụng phổ biến ch-ơng chủ yếu tập trung phân tích đánh giá loại thiết bị 1.2.TBTĐN loại vách ngăn cách Trong thiết bị chất tải nhiệt chuyển động không gian tách biệt vách ngăn cách bề mặt truyền nhiệt, ví dụ chất lỏng chuyển động èng vµ mét chÊt láng ngoµi èng trun nhiƯt cho qua bề mặt vách ống, trao đổi nhiệt chúng đ-ợc thực qua bề mặt vách Về mặt kết cấu loại thiết bị đa dạng phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ sản xuất, sau xem xét đặc tính kỹ thuật số loại thiết bị 1.2.1 TBTĐN loại có vỏ bọc chùm ống Loại thiết bị sử dụng rộng rÃi, công suất nhỏ sử dụng dạng ống lồng ống, công suất lớn sử dụng dạng vỏ bọc chùm ống Trong thiết bị chất lỏng chuyển động ống chất lỏng chuyển động ống ống (1) ống vào vỏ (2) Tấm chắn Nắp Hình a Vỏ bọc Chùm èng èng vá (2) èng vµo (1) ChÊt láng lạnh Chất lỏng nóng vào Hình b Chất lỏng lạnh vào Hình 1.1 TBTĐN dạng vỏ bọc ống a) TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống b) TBTĐN dạng ống lồng ống Căn vào bố trí dòng chất lỏng nóng chất lỏng lạnh phân loại thiết bi thành : L-u động thuận chiều, l-u động ng-ợc chiều, l-u động cắt l-u động phức tạp a) b) c) d) Hình 1.2 Các dạng bố trí chuyển động chất lỏng TBTĐN a) L-u động thuận chiều b) L-u động ng-ợc chiều c) L-u động cắt d) L-u động phức tạp 1.2.2 TBTĐN loại có cánh Loại TBTĐN th-ờng đ-ợc sư dơng hƯ sè to¶ nhiƯt () cđa mét loại chất lỏng lớn còn chất lỏng bé, để tăng c-ờng khả trao đổi nhiệt thiết bị ng-ời ta làm cánh phía chất lỏng có bé Đối với trình trao đổi nhiệt chất lỏng với chất khí Hình 1.3 TBTĐN loại có cánh cánh h-ớng phía chất khí 1.2.3 TBTĐN loại 1.2.3.1 TBTĐN loại xoắn ốc Trong loại TBTĐN hai dòng chất nóng lạnh l-u động ng-ợc chiều Loại thiết bị có lợi chuyển động xoắn ốc làm tăng hệ số toả nhiệt rối loạn dòng, độ bám cáu thấp nhiều so với loại vỏ bọc chùm ống, cáu bẩn bắt đầu hình thành làm giảm tiết diện ngang chất lỏng l-u động qua ống, làm tốc độ dòng tăng lên làm phá vỡ lớp cáu bẩn có tác dụng Hình 1.4 TBTĐN loại xoắn ốc t-ơng tự việc thông rửa Ngoài thiết bị có kết cấu chặt chẽ nên có suất truyền nhiệt dung tích 1/3 loại thiết bị vỏ bọc chùm ống Tuy nhiên loại thiết bị lại khó làm vệ sinh, sữa chữa, cần có áp suất đẩy chất lỏng lớn 1.2.3.2 TBTĐN loại gợn sóng Loại thiết bị hình thức cấu tạo có nhiều dạng khác nhau, gợn sóng tạo thành cánh tản nhiệt đồng thời có tác dụng giây nhiễu loạn dòng làm tăng c-ờng độ toả nhiệt Hình 1.5 TBTĐN loại gợn sóng Loại TBTĐN th-ờng đ-ợc áp dụng cho việc trao đổi nhiệt chất khí với chất khí hệ số truyền nhiệt đ-ợc tăng lên rõ rệt.Trong thực nghiệm ng-ời ta đà xác định đ-ợc dạng chùm ống c-ờng độ toả nhiệt khoảng 30W/m2.K TBTĐN dạng gợn sang đạt đến 300W/m2.K Về kết cấu TBTĐN loại chặt chẽ gọn Khuyết điểm chủ yếu thiết bị dễ bi tắc, làm vệ sinh sữa chữa khó nên th-ờng đ-ợc sử dụng điều kiện chất lỏng t-ơng đối sạch, ăn mòn 1.3 Các ph-ơng trình để tính toán nhiệt TBTĐN loại vách ngăn cách tính toán nhiệt TBTĐN th-ờng có hai yêu cầu : - Thiết kế TBTĐN - Tính toán kiểm tra khả làm việc thiết bị đà có sẵn TBTĐN Việc tính toán nhiệt TBTĐN dựa hai ph-ơng trình là: Ph-ơng trình cân nhiệt ph-ơng trình truyền nhiệt Các ph-ơng trình TBTĐN chúng có chất, khác chi tiết tuỳ thuộc thiết bị khảo sát loại vách ngăn cách, hồi nhiệt hay hỗn hợp Thông th-ờng TBTĐN đ-ợc thiết kế cho điều kiện thiết bị làm việc ổn định chế độ định mức 1.3.1 Ph-ơng trình cân nhiệt Là dạng định luật bảo toàn l-ợng, bỏ qua tổn thất nhiệt môi tr-ờng xung quanh nhiệt l-ợng chất lỏng nóng nhả nhiệt l-ợng chất lỏng lạnh nhận đ-ợc Q G1c p1 t1'  t1''  G2 c p t 2''  t 2'  (w) (1.1) Trong : Q : Nhiệt l-ợng truyền TBTĐN (W) G1, G2 : L-u l-ỵng khèi l-ỵng cđa chÊt láng nóng lạnh (Kg/s) cp1, cp2 : Nhiệt dung riêng khối l-ợng đẳng áp chất lỏng nóng lạnh (KJ/Kg.K) t1, t2 : Nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh đầu vào (0C) t1, t2 : Nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh đầu (0C) Trong tính toán ng-ời ta th-ờng đ-a đại l-ợng C = G.cp gọi nhiệt dung l-u l-ợng khối l-ợng gọi đ-ơng l-ợng không khí chất lỏng Do ph-ơng trình (1.1) viết lại d-íi d¹ng : C1 t 2''  t 2' t   C t1'  t1'' t1 (1.2) Ph-ơng trình (1.2) chứng tỏ TBTĐN chất lỏng có C lớn nhiệt độ biến đổi chất lỏng có C nhỏ nhiệt độ biến đổi nhiều Tr-ờng hợp chất lỏng TBTĐN thực trình trao đổi nhiệt ®ång thêi cã sù biÕn ®ỉi pha ( vÝ dơ chất lỏng sôi ng-ng tụ ) nhiệt độ chất lỏng thay đổi đ-ơng l-ợng không khí đ-ợc xem C = Nếu xét ph-ơng trình ứng với phân bố bề mặt TBTĐN dF ph-ơng trình (1.2 ) có dạng : C1 dt  (1.3) C dt1 Trong ®ã : dt1: độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng dt2 : độ tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh 1.3.2 Ph-ơng trình truyền nhiệt Nhiệt l-ợng mà chất lỏng nóng truyền cho chất lỏng lạnh phải thông qua bề mặt truyền nhiệt thiết bị Do nhiệt l-ợng trao đổi chất lỏng nóng chất lỏng lạnh qua phân tố bề mặt truyền nhiệt dF : dQ  k t1  t dF  ktdF (1.4) 10 Hình 3.5 Thiết bị ng-ng tụ kiểu ống lồng 1,6 ống ống lỏng ra; 2,5 – èng n-íc vµ èng n-íc vµo; – Môi chất lạnh; N-ớc 3.3.1.5 Thiết bị ng-ng tụ làm mát n-ớc- không khí 3.3.1.5.1 Thiết bị ng-ng tụ kiểu t-ới Trong thiết bị n-ớc làm mát đ-ợc xối t-ới bề mặt ống dẫn môi chất chảy thành màng bên ống để nhận nhiệt truyền từ ống N-ớc nhận nhiệt bay phần vào không khí N-ớc rơi vào máng hứng đ-ợc tháo bớt bổ sung n-ớc tr-ớc đ-ợc bơm trở lại tiếp tục t-ới Hình 3.7 sơ đồ TBNT kiĨu t-íi cã trÝch láng trung gian Nhê c¸c ống trích lỏng trung Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị ng-ng tụ kiểu t-ới gian (10) mà chất lỏng ng-ng tụ ống d-ợc dẫn kịp thời giải phóng bề mặt truyền nhiệt tăng c-ờng trình ng-ng tụ Thiết bị đơn giản, chắn, dễ chế tạo có khẳ sử dụng n-ớc bẩn Nên thích hợp nơi có chất l-ợng nguồn n-ớc kém, điều kiện chế tạo khí hạn chế N-ớc nóng rơi xuống đà đ-ợc không khí xung quanh làm mát nên nhiệt độ n-ớc không cao nh- bình ng-ng ống vỏ l-ợng n-ớc cần thay 38 Hình 3.7 Thiết bị ng-ng tụ kiểu t-ới 1- Máng cấp n-ớc; ống xả tràn; - Đầu lấy dầu; - Đ-ờng n-ớc tuần hoàn; Xả dầu; - Đ-ờng lỏng ra; Van xả khí; Hộp phân phối n-ớc; N-íc míi bỉ sung; 10 - §-êng trÝch láng trung gian 3.3.1.5.2 Tháp ng-ng tụ (TBNT kiểu bay hơi) Tháp ng-ng tơ lµ kiĨu TB dïng n-íc t-íi, nh-ng ë không khí chuyển động c-ỡng nhờ bố trí quạt hút quạt đẩy toàn nhiệt môi chất toả đ-ợc truyền cho không khí làm n-ớc bay hơi, nhiệt độ n-ớc đầu đầu vào thực tế không thay đổi Cấu tạo đ-ợc miêu tả cụ thể hình (3 8) Hình 3.8 Tháp ng-ng tơ – MiƯng phun n-íc; – TÊm chắn n-ớc; Quạt gió; ống vµo; – Dµn èng ng-ng tơ; – èng trÝch láng trung gian; – èng gãp láng; – Cưa giã vµo; – N-íc bỉ sung; 10 Xả tràn; 11 Xả đáy; 12 Bơm 39 Khác TBNT kiểu t-ới, tất thiết bị (trừ bơm, ống dẫn n-ớc) đ-ợc đặt vỏ kín để cửa đ-a gió vào(8) miệng thổi quạt (3) thông môi tr-ờng Hơi môi chất ống xoắn trao đổi nhiệt (5) truyền nhiệt cho n-ớc chảy thành màng ống TB phân phối n-ớc (1) đặt phía phun xuống N-ớc nóng lên bay phần, n-ớc gặp gió hút từ cửa d-ới lên qua quạt cửa gió (8), nhờ quạt hút (3) đặt phía đ-ợc gió làm mát rơi xuống đáy đ-ợc bơm lên tiếp tục phun L-ợng n-ớc vào bổ sung qua ống (9) bổ sung l-ợng n-ớc bay bị gió Ưu điểm TB tiết kiệm n-ớc bổ sung, t-ơng đối đơn giản, dễ chế tạo, có hiệu truyền nhiệt cao 3.3.1.6 Tính toán thiết bị ng-ng tụ Tính toán thiết kế thiết bị ng-ng tụ chủ yếu xác định diện tích truyền nhiệt F (m2) theo kiện đà cho.Việc tính toán thiết kế phức tạp đ-ợc giới thiệu tài liệu chuyên nghành sau giới thiệu ph-ơng pháp kiểm tra nhiệt l-ợng truyền Q nhiệt độ đầu thiết bị ng-ng tụ NH3 loại vỏ bọc chùm ống đặt nằm ngang, có 370 ống thép đen loại 25 2,5mm , tổng diện tích trun nhiƯt F = 114 m2, n-íc gi¶i nhiƯt cã l-u l-ợng G2 = 24kg/s, số pass ống 8, nhiệt độ n-ớc vào t,2 = 28 0C, nhiệt độ h¬i NH3 ng-ng tơ t1 = 38 0C, biÕt hƯ sè trun nhiƯt cđa thiÕt bÞ k = 900W/m2 0C Giải : Từ thông số đà biết tính ®-ỵc : NTU  kF / C  900  114  1,02 24  4,18  10 ng-ng tụ nên Cmin/ Cmax = Tra cøu b¶ng quan hƯ   f  NTU ,C ta có ph-ơng trình tính cã d¹ng :    e  NTU   e 1,02  0,639 NhiƯt ®é n-ớc giải nhiệt đ-ợc tính : 40 t 2,,   t1,  t 2,  t 2,  0,6338  28  28  34,4 C Năng suất giải nhiệt bình ng-ng tụ :   Q  Gc p t 2,,  t 2,  24  4,18.103  34,4  28  6,45.105 W 3.3.2 ThiÕt bi bay h¬i (TBBH) 3.3.2.1 Khái niệm TBBH Đây thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng hấp thụ nhiệt môi tr-ờng lạnh, sôi hoá xảy trình chuyển môi chất từ thể lỏng thành thể Trong trình sôi áp suất, nhiệt độ không đổi 3.3.2.2 Quá trình trao đổi nhiệt bay 3.3.2.2.1 cấu trình bay Bay trình biến đổi pha lỏng sang pha xẩy toàn khối chất lỏng Muốn xẩy trình bay phải có điều kiện sau : - Chất lỏng phải đ-ợc nhiệt đến nhiệt độ lớn nhiệt độ bảo hòa áp suất sôi - Phải có tâm sinh Các tâm sinh bọt khí, hạt bụi chổ lồi lỏm bề mặt vật rắn Khi lớp chất lỏng sát bề mặt vật rắn đ-ợc nhiệt phần tử có kích th-ớc : R0 2Ts r h t (m) đ-ợc làm tâm Trong : Ro - bán kính tới hạn d-ới phần tử nhám bề mặt vật rắn trở thành tâm sinh điều kiện nhiệt độ áp suất đà cho - Sức căng bề mặt, N/m Ts Nhiệt độ sôi ứng với áp suất đà cho R - Nhiệthóa h Khối l-ợng riêng t = tw ts độ chênh lệch nhiệt độ lớp chất lỏng sát bề mặt vật rắn với nhiệt độ bề mặt vách 41 Trên bề mặt đốt nóng tâm sôi bắt đầu xuất bọt có kích th-ớc nhỏ Các bọt sinh nhận nhiệt từ bề mặt đốt nóng thông qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng tiếp tục bay vào bọt làm tăng dần kÝch th-íc cđa bät h¬i Khi kÝch th-íc cđa bät đủ lớn, lực nâng tác dụng lên bọt trở nên đáng kể, làm tách bọt khỏi bề mặt đốt nóng, tiếp sau l-ợng chất lỏng khác lại choáng chổ mà bọt tr-ớc tách Sau tách khỏi bề mặt đốt nóng bọt dịch chuyển lên d-ới tác dụng lực nâng, trình dịch chuyển bọt phải khắc phục sức cản ma sát chất lỏng Nếu toàn khối chất lỏng bề mặt đốt nóng đ-ợc nhiệt trình dịch chuyển bọt tiếp tục lớn lên chúng dịch chuyển nhanh đến bề mặt thoáng bay vào môi tr-ờng Tr-ờng hợp chất lỏng lớp biên có nhiệt độ bé nhiệt độ bÃo hòa khí bọt dịch chuyển qua lớp chất lỏng bị ng-ng tụ lại tr-ớc kịp đến bề mặt thoáng 3.3.2.2.2 Những yếu tố ảnh h-ớng đến trình trao đổi nhiệt bay - ảnh h-ớng độ chênh lệch nhiệt độ Từ công thức tính bán kính tới hạn áp suất đà cho tăng dộ chênh lệch nhiệt độ t trị số Ro giảm đi, số phần tử nhám bề mặt đốt nóng bọt khí đ-ợc chọn làm tâm tăng lên, số bọt sinh nhiều tăng c-ờng độ khoấy động lớp chất lỏng bề mặt đốt nóng làm cho c-ờng độ tỏa nhiệt tăng - ¶nh h-íng cđa gãc dÝnh -ít  Gãc dÝnh -ớt góc hợp tiếp tuyến bọt với bề mặt vật rắn điểm tiếp xúc Hình 3.9 42 Khi > /2 chất lỏng không dính -ớt bề mặt, bọt có chân rộng, đ-ờng kính tách li bọt lớn, bọt khó tách khỏi bề mặt, dễ dàng liên kết với thành màng hơi, ta có chế độ sôi màng, hệ số tỏa nhiệt bé Ng-ợc lại ta có chế độ sôi bọt, hệ số tỏa nhiệt lớn - ảnh h-ớng áp suất Với trị số t cho tr-ớc việc thay đổi áp suất dẫn đến thay đổi đại l-ợng h, , , làm thay ®ỉi R0 lµm thay ®ỉi hƯ sè táa nhiƯt Nãi chung tăng áp suất làm giảm R0, số tâm sinh tăng, số bọt sinh nhiều hệ số tỏa nhiệt tăng - ảnh h-ớng sức căng bề mặt độ nhớt chất lỏng Trị số bán kính tới hạn R0 tỉ lệ thuận với sức căng bề mặt , tăng dẫn đến làm cho R0 tăng số tâm sôi giảm làm cho hệ số tỏa nhiệt giảm Đối với độ nhớt động lực học có tác dụng t-ơng tự, nghĩa tăng hệ số tỏa nhiệt giảm - ảnh h-ớng trạng thái bề mặt đốt nóng Việc tăng độ nhám bề mặt đốt nóng đ-a đến khả làm tăng số tâm hóa làm tăng c-ờng độ tỏa nhiệt - ảnh h-ớng cách bố trí bề mặt đốt nóng Quá trình sôi bề mặt đốt nóng xảy mặt vách phẳng, bề mặt hay bề mặt ống đặt nằm ngang hay đặt đứng Cách bố trí bề mặt đốt nóng có ảnh h-ớng đến cấu trúc dòng chảy, ảnh h-ớng đến trình trao đổi nhiệt 3.3.2.3 Phân loại thiết bị bay Theo môi tr-ờng lạnh ng-ời ta phân loại TBBH thành: - TBBH để làm lạnh với chất tải lạnh lỏng nh- n-ớc, n-ớc muối, hay chất lỏng không đóng cứng nh- sữa ,bia ,r-ợu - TBBH để làm lạnh không khí : th-ờng chia làm hai nhóm lạnh bay trực tiếp lạnh bay gián tiếp 43 Theo mức độ chiếm chổ môi chất lạnh thiết bị TBBH đ-ợc chia làm hai loại: - TBBH kiểu ngập : Môi chất lạnh lỏng bao phủ toàn bề mặt trao đổi nhiệt - TBBH kiểu không ngập: Môi chất lạnh lỏng không bao phủ toàn bề mặt trao đổi nhiệt mà phần bề mặt dùng làm tăng độ nhiệt môi chất lạnh 3.3.2.4 TBBH làm lạnh chất lỏng 1) TBBH ống vỏ kiểu ngập Nguyên lý cấu tạo, trình truyền nhiệt loại TB giống bình nh-ng tụ n-ớc nh-ng chất lỏng làm mát chảy ống trao đổi nhiệt môi chất sôi bề mặt ống không gian ống Hình 3.10 Bình bay ống vỏ NH3 kiểu ngập lỏng 1,10 Nắp bình; – T¸ch láng; - ¸p kÕ; – ống trao đổi nhiệt; Mặt sàng; ống xả không khí; 7,8 ống n-ớc ( muối ) vào ra; Xả n-ớc; 11 Thân; 12 ống NH3 lỏng vào; 13 Xả dầu; 14 Bầu dầu; 15 Bộ điều chỉnh møc láng; 16 – Van tiÕt l-u; 17 – Van điện từ Trên nắp lắp ống dẫn chất tải lạnh lỏng vào từ phía d-ới trở từ phía trên.các ống xả không khí n-ớc Trong nắp có chắn để phân dòng chất tải lạnh, kéo dài hành trình làm tăng hiệu truyền nhiệt Trên bình bay NH3 có bao có nhiệm vụ tách lỏng bầu lỏng ( rốn bình ) phía d-ới tích dầu thải Chùm ồng truyền nhiệt không lấp kín không gian bình mà chừa khoảng trống phía cho khoảng hơI Môi chất lạnh lỏng đ-ợc đ-a vào phía d-ới, nhận nhiệt chất tải lạnh ống, sôi 44 sinh Hơi lấy qua ống bao hơI bình bay công suất lớn, môi chất lỏng đ-a vào ống góp theo số ống nhánh dẩn vào bình phân bố dài theo chiều dài Hơi củng đ-ợc dẩn theo nhiều ống C-ờng độ trao đổi nhiệt thiết bị phụ thuộc vào chuyển động chất tải lạnh lỏng độ chênh lệch nhiệt độ chất tải lạnh môi chất Nói chung thiết bị bay dùng phổ biến trông hệ thống lạnh công suất lớn trung bình 2) TBBH ống vỏ, môi chất sôi ống kênh Thiết bị bay có kiểu bình bay ống vỏ chùm ống thẳng, chùm ống chữ U hay TBBH kiểu ống đứng, kiểu panen nh-ng môi chất lạnh l-u động sôi, bay phía Hình 3.11 Bình bay ống vỏ chùm ống thẳng, môi chất sôi ống 1,9 Môi chất lạnh vào; Nắp tr-ớc; 3,7 Lối ra, vào chất tải lạnh; Tấm chắn; ống chứa môi chất sôi; Van xả khí; Mặt sàng; 10 Xả chất tải lạnh; 11 - Đ-ờng chất tải lạnh Hình 3.11 sơ đồ bình bay ống vỏ chùm ống thẳng môi chất sôi ống Các chắn tăng tốc độ chuyển động chất tải lạnh Toàn thân, nắp, ống dẩn đ-ợc cách nhiệt Hình 3.12 sơ đồ bình bay ống vỏ xoắn chử U Thiết bị đựoc dùng làm để làm lạnh chất tải lạnh hạ nhiệt độ khoảng 2-3 0K Bình ng-ng có mặt sàng Ưu điểm bình hình chữ U môi chất sôi ống làm giảm 2-3 lần khối l-ợng môi chất so với bình bay ống vỏ ngập Điều có ý nghĩa Freon có giá thành cao nhiều so với NH3 45 Hình 3.12 Bình bay ống vỏ chử U môi chất sôi ống 1,2 Môi chất lạnh vào ra; Nắp bình; 4,9 ống vào, chất tải lạnh; ống sôi; Tấm chắn; xả khí; Thân bình; 10 xả chất tải lạnh; 11 - Đ-ờng chất tải lạnh Hiện thiết bị bay ống vỏ loại đ-ợc sử dụng rộng rải hệ thống làm lạnh chất lỏng vòng tuần hoàn kín Vì chất lỏng chuyển động phía ống nên loại trừ đ-ợc cố đóng băng ống truyền nhiệt gây nổ ống 3)Thiết bay kiểu t-ới Cũng giống bình bay ống vỏ kiểu ngập, TBBH ống vỏ kiểu t-ới, n-ớc muối chảy ống nh-ng môi chất lạnh chảy thành màng sôi bề mặt chùm ống L-ợng môi chất lỏng cấp vào nhỏ nên cột thuỷ tĩnh thực tế không ảnh h-ởng đến nhiệt độ sôi, đồng thời c-ờng độ truyền nhiệt lớn hệ số truyền nhiệt sôi màng chảy lớn Để đảm bảo hiệu hoạt động, môi chất lạnh cần t-ới đồng bề mặt ống 3.3.2.5 TBBH làm lạnh không khí 1)Thiết bị bay làm lạnh kiểu khô không khí l-u động chùm ống có cánh truyền nhiệt cho môi chất sôi ống cho n-ớc muối chảy ống Nếu truyền nhiệt cho môi chất sôi ống gọi dàn làm lạnh bay trực tiếp Nếu không khí truyền nhiệt cho n-ớc muối chảy ống gọi dàn làm lạnh bay gián tiếp Cả loại th-ờng đ-ợc chế tạo dạng chùm ống có cánh đặt vỏ 46 Trong thiết bị không khí th-ờng chuyển động c-ỡng d-ới tác dụng quạt thiết bị để hút không khí tuần hoàn không khí bổ sung đẩy qua dàn lạnh Hinh 3.13 Thiết bị làm lạnh không khí kiểu khô bay trực tiếp n-ớc lạnh chất tải lạnh Hình 3.13 thiết bị làm lạnh không khí kiểu khô trực tiếp dùng cho môi chất R22 Không khí đ-ợc đ-a ngang qua h-ớng vuông góc với chùm ống, lỏng R22 qua thiết bị phân phối vào xecxi đặt nằm ngang nối chiều ngang thiết bị tạo thành từ d-ới lên xecxi vào ống góp đặt thẳng đứng Đây loại thiết bị bay làm lạnh không khí đ-ợc dùng phổ biến TBBH kiểu khô bay trực tiếp đ-ợc dùng rộng rÃi kho lạnh, hệ thống điều hoà cục thiết bị xử lý không khí chổ công suất nhỏ 2) TBBH làm lạnh kiểu -ớt Không khí đ-ợc làm lạnh nhờ tiếp xúc trực tiếp với n-ớc muối lạnh phun từ vòi phun lổ tưới nước Cấu tạo chi tiết đ-ợc giới thiệu hình 3.14 47 Hình 3.14 Thiết bị làm lạnh không khí kiểu -ớt Máng chắn n-ớc; Buồng phun; Quạt gió; - Động cơ; Cửa gió lạnh; Van phao đ-ờng n-ớc bổ sung; - Đáy n-ớc; ống xả đáy; ống dẫn n-ớc lạnh; 10 ống xả tràn; 11 Vòi phun n-ớc Ưu điểm thiết bị thực trình trao đổi nhiệt độ chênh lệch nhỏ không khí chất tải lạnh có khả tăng hiệu làm lạnh hạ nhiệt không khí, thay đổi độ ẩm không khí theo yêu cầu Thiết bị đ-ợc sử dụng rộng rÃi điều hoà không khí yêu cầu làm lạnh ®iỊu chØnh ®é Èm kh«ng khÝ Nh-ng nã th-êng đ-ợc dùng thiết bị điều chỉnh độ ẩm bên cạnh thiết bị kiểu khô hoạt động th-ờng xuyên (2) 3) Thiết bị làm lạnh không khí kiểu hỗn hợp Không khí đ-ợc làm lạnh nhờ chất tải lạnh lỏng phun trực tiếp vào buồng không khí đồng thời nhờ trao đổi nhiệt với chất tải lạnh lỏng ống trao đổi nhiêt bề mặt phun n-ớc dàn làm lạnh đ-ợc xem tổ hợp loại khô -ớt ( Hình 15 ) Hình 3.15 Thiết bị kiểu hỗn hợp Không khí lạnh; Quạt gió; Chắn n-ớc; Dàn phun n-ớc; Dàn bay hơi; Không khí tuần hoàn; Bể chứa n-ớc 48 Không khí phòng vào thiết bị qua cửa gió (6), tiếp xúc dàn làm lạnh khô (5) truyền nhiệt cho môi chất sôi ống hay cho n-ớc lạnh n-ớc muối ống, hạ nhiệt độ đ-ợc làm lạnh trực tiếp nhê tiÕp xóc trùc tiÕp n-íc l¹nh phun tõ (4) N-ớc bay bị chắn n-ớc (3)giữ lại, không khí lạnh đ-ợc thổi vào phòng Thiết bị th-ờng sử dụng điều hoà không khí yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm 3.3.2.6 Tính toán thiết bị bay Cũng giống nh- thiết bị ng-ng tụ, việc tính toán thiết bị bay phức tạp Tuy nhiên thực tế để -ớc l-ợng sơ tính toán thiết bị trao ®ỉi nhiƯt cđng nh- thiÕt bi bay h¬i chóng ta dùng ph-ơng pháp giần đúng, đơn giản theo giá trị kinh nghiệm Sau -ớc l-ợng diện tích truyền nhiệt thiết bị bay dựa ph-ơng pháp Bài toán : Thiết lập chế độ làm việc, chọn hàm l-ợng n-ớc muối chọn thiết bị bay ống vỏ NH3 để làm lạnh buồng kho lạnh bảo quản hoa Nhiệt độ buồng - 0,5 0C, nhiệt tải lạnh Q0 = 250 kW Giải : Đối với buồng lạnh bảo quản hoa nên chọn nhiệt độ n-ớc muối thấp nhiệt độ buồng lạnh K Chọn nhiệt độ n-ớc muối vào dàn C vµ khái dµn – 0C , vËy nhiƯt độ nứoc muối vào bình bay - 0C - 0C Để đảm bảo n-ớc muối không bị đóng băng, chọn nhiệt độ đóng băng n-ớc muối thấp nhiệt độ sôi K chọn K, nh- t0 = - 21 0C Để thoả mÃn điều kiện ta chän n-íc mi CaCl2 nång ®é 21,9 %, khèi l-ợng = 1,2 kg/ l, nhiệt độ đóng băng - 21,2 0C, nhiƯt dung riªng ë – 0C 2,99 kJ/kg.K Hiệu nhiệt độ trung bình ( tính gần theo số học ) t 75 K Để đảm bảo điều kiện ta chän k = 520 W/m2K 49 q F  520   3120W / m DiƯn tÝch bỊ mặt trao đổi nhiệt bình bay ống vỏ NH3 lµ : F Q0 250000   80,1m qF 3120 Dựa vào F, tra bảng thiết bị bay ống vỏ nằm ngang NH3 ta chọn loại bình t-ơng ứng cần dùng Chú ý : Các kết kinh nghiệm tra tài liệu chuyên nghành h-ớng dẫn thiết kế hệ thống lạnh 50 Kết luận Nh- thông qua việc tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng hệ thống lạnh luận văn nghiên cứu đà đạt số kết sau : Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt, sâu nghiên cứu phân loại, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, số đặc điểm loại TBTĐN thông dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách Giới thiệu ph-ơng trình ph-ơng trình cân nhiệt ph-ơng trình truyền nhiệt sử dụng tính toán nhiệt TBTĐN Từ đà tìm hiểu ph-ơng pháp tính toán TBTĐN, đ-a ph-ơng án tối -u tr-ờng hợp tính toán cụ thể Tìm hiểu chi tiết đặc điểm cấu tạo, nguyên lý, trình xẩy thiết bị bay thiết bị ng-ng tụ hệ thống lạnh Phần thân nắm bắt đ-ợc ph-ơng pháp tự nghiên cứu đề tài số vấn đề khoa học đề tài Nếu đ-ợc tạo điều kiện thời gian nghiên cứu đề tài sâu nghiên cứu chi tiết máy thực tế đ-ợc lắp đặt hệ thống lạnh, đ-a yêu cầu số hoạt động thiết bị lạnh điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam 51 Tài liệu tham khảo Hoàng đình Tín: Truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt (NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001) Bùi Hải, D-ơng Đức Hồng, Hà Mạnh Th- : Thiết bị trao ®ỉi nhiƯt” NXB Khoa häc vµ Kü tht, 2001 Gs.Ts Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú: Truyền nhiệt NXB Giáo dục, 1999 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy: Máy thiết bị lạnh NXB Giáo dục, 1998 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy : Kỹ thuật lạnh sở NXB Giáo dục, 1995 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy : Bài tập Kỹ thuật lạnh NXB Giáo dục, 1998 Bùi Hải, Trần Thế Sơn : Kỹ thuật nhiệt NXB Đại học Bách khoa Hà Nội, 1993 52 ... dẫn thiết kế hệ thống lạnh 50 Kết luận Nh- thông qua việc tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng hệ thống lạnh luận văn nghiên cứu đà đạt mét sè kÕt qu¶ sau :  Tỉng quan thiÕt bị trao đổi nhiệt, ... điểm TBTĐN hệ thống lạnh 3.1.1 Vai trò, vị trí TBTĐN hệ thống lạnh Trong hệ thống lạnh hai TBTĐN quan trọng thiết bị bay thiết bị ng-ng tụ Ngoài có thiết bị phụ thực trình trao đổi nhiệt khác... thit b tìm hiu c im, đ-a giải pháp tính toán thit b trao i nhiệt thiÕt bÞ nhiƯt , đặc biệt hệ thống lạnh Chóng t«i đ· thực đề tà i “ T×m hiểu thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng hÖ thèng lạnh “