5. Bố cục của luận ân
1.2.3.1. Tình hình nghiín cứu ống lồng ống trong nước vă trín thế giới
¾ Câc nghiín cứu ống lồng ống trong nước:
Hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống đê được nghiín cứu ở câc phịng thí nghiệm, câc viện nghiín cứu trong nước vă trín thế giới. Cĩ một số đề tăi, luận ân, băi bâo khoa học đê cĩ những nghiín cứu vă cơng bố một số kết quả nhất định về TBTĐN của ống lồng ống [61], [63], [65], [78], [82], [83], [123], [124], [125], [126], [127], [128]. Phịng thí nghiệm Quâ trình vă Thiết bị thuộc khoa Hĩa- trường Đại học Bâch khoa Đă Nẵng được trang bị thiết bị thí nghiệm về ống lồng ống để phục vụ nghiín cứu cho sinh viín, tiến hănh việc đo đạc nhiệt độ, lưu lượng, âp suất, thay đổi dịng mơi chất chuyển động...Câc thí nghiệm trín TBTĐN ống lồng ống giúp cho sinh viín xâc định hệ số truyền nhiệt K trong quâ trình truyền nhiệt giữa hai dịng lạnh, nĩng khâc nhau, xâc định hiệu quả lăm việc của thiết bị cũng như tìm ra nguyín nhđn sai số giữa câc hệ số truyền nhiệt.
Phịng thí nghiệm Kỹ thuật nhiệt thuộc bộ mơn Mây nơng nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ cũng như khoa Hĩa trường Đại học Bâch khoa Hồ Chí Minh cũng đê chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống với ba loại ống: một lă ống cĩ cânh ngang mơi chất di chuyển bín trong trao đổi nhiệt với khơng khí bín ngoăi, hai lă ống lồng ống trơn vă ống lồng ống cĩ dịng mơi chất chuyển động dích dắc. Câc thí nghiệm được thực hiện để âp dụng băi tôn tính tôn trao đổi nhiệt ứng với câc thể loại thiết bị trao đổi nhiệt khâc nhau, sử dụng câc cơng thức tính truyền nhiệt cơ bản để xâc định hệ số truyền nhiệt K của câc dịng mơi chất chuyển động như: phương trình cđn bằng nhiệt, xâc định vận tốc chuyển động, chế độ chảy dịng mơi chất, xâc định hệ số tỏa nhiệt, câc tiíu chuẩn đồng dạng Re, Nu, Pr, tính hệ số truyền nhiệt dăi theo thực nghiệm vă theo lý thuyết…
Hình 1.31. TN ống lồng ống ở trường ĐHBK Đă Nẵng
¾ Câc nghiín cứu ống lồng ống ở nước ngoăi:
Trín thế giới cũng cĩ nhiều nghiín cứu về TBTĐN ống lồng ống [129], [130], [131], [133], [134], [135], [136], [137], [138]. Đặc biệt lă câc trung tđm nghiín cứu, câc viện khoa học, cơng ty ở nước ngoăi, chuyín nghiín cứu, sản xuất câc TBTĐN ống lồng ống phục vụ cho câc ứng dụng khâc nhau. Qua quâ trình tìm hiểu vă nghiín cứu, tâc giả đê tìm được nhiều viện nghiín cứu, nhiều cơng ty tại Ấn Độ, Mỹ vă Trung Quốc cĩ qui mơ sản xuất rất lớn [104], [105], [112], [114], [115].
Trong quâ trình thực tập sinh ở nước ngoăi tại Rumani, bản thđn tâc giả cũng đê nghiín cứu vă lăm thực nghiệm trín mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt, hệ thống lạnh sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống, tiến hănh đo đạc, tính tôn cho thiết bị thí nghiệm tại khoa Lắp đặt hệ thống trường đại học Kỹ thuật xđy dựng TUCEB- Bucharest, Rumani.
Cơng ty Packless Industries, Mỹ, thănh lập ban đầu văo năm 1933 được coi như lă một trong những nhă sản xuất tiín phong trong ngănh điều hịa khơng khí vă câc ngănh cơng nghiệp điện lạnh. Cơng ty chuyín sản xuất câc chủng loại ống kim loại cĩ nhiều tính năng đặc thù để cung cấp cho thị trường. Từ khi lĩnh vực điều hịa khơng khí vă lạnh cơng nghiệp phât triển, Packless đê phât triển câc cơng nghệ như bình ngưng lăm mât bằng nước, mây bơm nhiệt, cụm lăm lạnh trung tđm, TBTĐN cho dăn bay hơi, bộ quâ nhiệt, bộ quâ lạnh, thiết bị hoăn nhiệt…Câc sản phẩm của cơng ty Packless được sử dụng khắp nơi trín thế giới [114]. Tham khảo [Phụ lục 3]
Hình 1.32. Thiết bị thí nghiệm hệ thống lạnh ống lồng ống tại Khoa Lắp đặt hệ thống- Trường ĐH kỹ thuật xđy dựng TUCEB- Bucharest, Rumani
để tìm hiểu thím về câc loại mơi chất sử dụng cũng như việc lựa chọn câc chủng loại ống theo câc cơng suất khâc nhau [Phụ lục 4], [Phụ lục 5].
Đề tăi của một luận ân tiến sĩ nghiín cứu về lý thuyết vă thực nghiệm của thiết bị TĐN ống lồng ống hình xoắn của tâc giả Timothy J. Rennie, Khoa cơng nghệ nguồn sinh học thuộc trường đại học McGill, Montreal, Canada[117].
Đề tăi nghiín cứu lý thuyết vă thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt cũng như đặc tính thủy động lực học của lỏng mơi chất chuyển động trong ống lồng ống xoắn. Nghiín cứu ảnh hưởng của kích thước, đường kính của ống bín trong. Mơ phỏng dịng mơi chất chuyển động song song vă ngược chiều. Xâc định trị số Nusselt của dịng mơi chất so với lý thuyết. Mơ hình thứ hai cũng được sử dụng nhưng một văi trị số của Prandtl đê được thay đổi như hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, hơn nữa ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt phụ thuộc văo đặc điểm của quâ trình truyền nhiệt. Nghiín cứu thứ ba lă thực hiện quâ trình truyền nhiệt trong tình trạng lỏng mơi chất phụ thuộc độ nhớt vă khơng trọng lượng, mục đích để xâc định ảnh hưởng của câc đặc tính chất lỏng trong truyền nhiệt vă giảm âp suất trong quâ trình trao đổi nhiệt. Nghiín cứu cuối cùng lă xâc định tính đồng nhất về thời gian lưu lại cũng như phđn bố nhiệt độ trong quâ trình lăm lạnh hay lăm nĩng, thí nghiệm với hai dịng chảy chuyển động song song thuận chiều vă ngược chiều. Hệ số truyền nhiệt, trị số Nusselt được tính tôn vă so sânh với kết quả lý thuyết. Từ thực nghiệm cho thấy: trị số Nusselt trong quâ trình TĐN tương tự như trong lý thuyết mặc dù chúng ở câc điều kiện biín khâc nhau. Trị số Nusselt trong hình vănh khuyín lă gần như tương quan với trị số sửa đổi, trị số Prandtl ảnh hưởng đến giâ trị của trị số Nusselt ở trong. Cĩ được điều năy lă do sự khâc biệt trong câc lớp biín nhiệt vă thủy động lực được hình thănh trong quâ trình TĐN .
Hình 1.33. TBTĐN ống lồng ống trơn loại xoắn
Quâ trình TĐN ít bị ảnh hưởng bởi sự phụ thuộc văo độ nhớt, nhưng nĩ bị ảnh hưởng nhiều bởi độ giảm âp suất. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng khoảng câch hẹp trong khơng gian hình xuyến ảnh hưởng nhiều đến thời gian lưu lại của lỏng mơi chất trong quâ trình TĐN. Phđn bố nhiệt độ trong câc ống bín trong vă trong khơng gian hình xuyến bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi tốc độ dịng chảy trong vùng đối diện. Kết luận cĩ được cuối cùng khi so sânh giữa lý thuyết vă thực nghiệm sau khi thực hiện cho được một kết quả hợp lý.
Trong một nghiín cứu của tâc giả Klaus Sattler đăng trong tạp chí Elisabeth Charlaix vă Matteo Ciccotti [118] đê tìm hiểu tính chất vật lý quâ trình ngưng tụ mao dẫn của chất lỏng trong mơi trường giới hạn, mục đích lă để ứng dụng văo trong cơng nghệ nano. Nhiệt động lực học của sự ngưng tụ mao dẫn vă hấp thụ trín măng mỏng được đề cập đến đầu tiín với tất cả câc khâi niệm, vấn đề cĩ liín quan. Tiếp đến lă nghiín cứu câc mơ hình của lực mao dẫn, câc kích thước đo kỹ thuật của thiết bị ( bao gồm thiết bị đo lực bề mặt SFA vă thiết bị đo hiển vi nguyín tử lực AFM), câc ảnh hưởng của chúng trong phĩp đo hiển vi lực nguyín tử AFM cũng như trín câc thuộc tính ma sât tĩnh vă ma sât động của câc chất rắn.
Hình 1.34.
(a) Lực mao dẫn giữa phĩp đo bề mặt của bạch kim với hơi n- heptane (b) Lực kĩo được đo giữa âp suất hơi khâc nhau vă so sânh với sự phụ thuộc của lực phđn tử Van der Waals
Trong nghiín cứu năy đặc biệt chú ý đến vai trị rất lớn của độ nhâm bề mặt vă tất cả những trở lực liín quan đến việc giảm câc kích thước lớn thực tế đến câc kích thước tế vi (Nanometre).
Một kết quả chính khâc của ngưng tụ mao dẫn trong hệ thống nano lă sự kích hoạt nhiều quâ trình hĩa học vă quâ trình ăn mịn cĩ thể dẫn đến thay đổi đâng kể tính chất bề mặt, chẳng hạn như sự tan biến hay sự lắng đọng của vật liệu rắn vă sự ăn mịn mênh liệt bị lan truyền.
Ngoăi ra cịn cĩ một số nghiín cứu của nhiều nhă khoa học trín thế giới về quâ trình ngưng tụ trong khơng gian hẹp, ngưng tụ mao dẫn, TĐN vă ngưng tụ trong khơng gian hình xuyến của ống lồng ống được cơng bố trong câc tạp chí nghiín cứu khoa học trín thế giới [119], [120], [121], [122], [130], [132], [134].
Hình 1.35. Đồ thị thể hiện chiều dăi ngưng tụ so với cường độ ứng suất KI ở ba chế độ độ ẩm tương đối khâc nhau (RH)
- Đường cong chấm gạch đại diện cho câc mơ hình cđn bằng phù hợp với dữ liệu nghiín cứu.
- Đường cong liín tục đại diện cho mơ hình khối lượng liín tục bị loại bỏ. - Hình nhỏ chứa câc giâ trị phù hợp với khoảng câch tới hạn Hc ứng với
1.2.3.2. Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trong thực tế
Thiết bị TĐN kiểu ống lồng ống được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực để gia nhiệt cho câc loại mơi chất lỏng như: nước sử dụng trong lị hơi, dùng cho bộ sấy điều hịa khơng khí, lăm lạnh nhanh bia, lăm mât bia…Được ứng dụng trong nhă mây điện hạt nhđn vì trong qui trình sản xuất hơi của nhă mây điện hạt nhđn yíu cầu thiết bị phải chịu được âp suất cao, khả năng truyền nhiệt lớn vă nhất lă địi hỏi phải tuyệt đối kín.
Trong câc hệ thống lạnh, hệ thống ĐHKK, ống lồng ống dùng lăm thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước cĩ nước chuyển động ở ống bín trong, mơi chất lạnh chuyển động ngược lại vă ngưng tụ ở phần khơng gian giữa câc ống trong khơng gian hình xuyến. Tùy thuộc văo cơng suất lớn nhỏ khâc nhau mă người ta kết nối câc module ống nối tiếp nhau. Vật liệu chế tạo ống cĩ thể lă đồng, kẽm, thĩp, câc loại hợp kim hoặc inox. Đối với câc hệ thống ĐHKK trung tđm hoặc hệ thống lạnh cơng nghiệp, thiết bị ngưng tụ ống lồng ống được chế tạo thănh từng cụm lớn cĩ kết cấu vă bố trí rất gọn găng như hình 1.34 [105].
Trong thiết bị TĐN kiểu ống lồng ống, người ta cĩ thể sử dụng loại cĩ cânh hoặc khơng cĩ cânh cho câc thể loại ống đơn. Đối với câc hệ thống lạnh cĩ cơng suất lớn vă rất lớn, người ta cĩ thể sử dụng thiết bị TĐN ống lồng ống kiểu tổ hợp hoặc bố trí cuộn lại cho gọn. Nước được tuần hoăn cưỡng bức nhờ bơm, tùy thuộc văo nhiệt độ mơi trường xung quanh mă bộ phận cảm biến lấy tín hiệu, điều chỉnh
Hình 1.36. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng trong hệ thống điều hịa khơng khí trung tđm, mây lạnh cơng nghiệp.
lưu lượng nước đi trong ống sao cho hợp lý [105].
Ở nước ta, nhiều doanh nghiệp cũng đê sử dụng thiết bị TĐN ống lồng ống trong qui trình cơng nghệ như ngănh cơng nghiệp sản xuất đồ hộp thực phẩm. Ví dụ như để sản xuất ra loại nước nho được ĩp từ quả nho đỏ, lă loại trâi cđy cĩ hiệu quả phịng trânh câc bệnh nhiễm trùng đường tiết niệu, chữa thấp khớp, tim mạch…, trong quâ trình sản xuất, nước nho cần phải được thanh trùng để tiíu diệt hệ vi sinh vật vă vơ hoạt câc enzyme, lúc đĩ người ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, bố trí ở ngoăi lă lỏng cấp nhiệt nĩng, ở trong lă nguyín liệu. Hệ thống bơm trục vít bơm nguyín liệu văo thùng chứa rồi đưa văo thiết bị ống lồng ống. Trong quâ trình nguyín liệu chuyển động, mở van điều chỉnh hơi cung cấp nhiệt. Nguyín liệu thu nhiệt cho tới khi đạt độ nĩng cần thiết sẽ được lấy ra ở cuối đường ống. Nhiệt độ thanh trùng được giữ ở 135oC, thời gian tiếp xúc trong khoảng 5 giđy [113].
Ngoăi ra, thiết bị TĐN ống lồng ống cịn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khâc trong ngănh cơng nghiệp như cơng nghiệp hĩa học, trong lĩnh vực vui chơi giải trí, dịch vụ du lịch, sinh hoạt, trong ngănh giao thơng vận tải, ứng dụng trong ngănh hĩa, ngănh y tế, trong câc nhă mây nhiệt điện như nhă mây điện hạt nhđn, câc nghiín cứu ở phịng thí nghiệm…
CHƯƠNG 2. NGHIÍN CỨU, ĐÂNH GIÂ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI NGƯNG CỦA CÂC MƠI CHẤT LẠNH
Như chúng ta biết, muốn tăng nhiệt lượng truyền Q trong câc thiết bị TĐN, chúng ta cĩ thể giải quyết bằng câc biện phâp như: tăng sự chính lệch nhiệt độ Δt, tăng cường hệ số tỏa nhiệt đối lưu α, tăng diện tích trao đổi nhiệt F. Trong nhiều trường hợp, chúng ta khơng thể tăng Δt vă hệ số tỏa nhiệt đối lưu α thì biện phâp hữu hiệu thường được sử dụng lă tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F. Để tăng được diện tích bề mặt TĐN thì người ta lăm cânh trín bề mặt TĐN.
Việc lăm cânh phổ biến được bố trí về phía mơi chất lỏng cĩ cường độ toả nhiệt đối lưu α bĩ, tuy nhiín cũng cĩ những trường hợp cần tăng cường truyền nhiệt chung cho cả thiết bị thì cânh cĩ thể thực hiện cả hai phía trong vă ngoăi. Mức độ lăm cânh tuỳ thuộc văo sự tương quan về cường độ toả nhiệt giữa hai phía. Với sự phât triển của cơng nghệ mới, ngăy nay thiết bị cĩ cânh được sử dụng rất phổ biến trong nhiều chủng loại TBTĐN nhằm tăng cơng suất vă đồng thời thu gọn kích thước của thiết bị.
Thiết bị với ống cĩ cânh thường được lăm ở mặt ngoăi ống nơi mă khơng khí hoặc chất khí chuyển động cắt ngang hoặc dọc theo bề mặt ngoăi ống cĩ cânh. Trong nhiều trường hợp, mơi chất chuyển động trong ống lă chất lỏng hoặc hơi hoặc ở dạng chuyển pha như khi sơi, khi ngưng tụ nín mơi chất cĩ hệ số toả nhiệt đối lưu α1 lớn hơn nhiều so với hệ số toả nhiệt đối lưu α2 của chất khí đi bín ngoăi ống (α2 ≈ 30-140 W/m2.K). Vì vậy, theo lý thuyết, muốn tăng hệ số truyền nhiệt K ta phải lăm cânh ở bín ngoăi ống về phía chất khí, hơi.
Tuy nhiín, trong phần năy, ta xĩt quâ trình ngưng tụ mơi chất lạnh bín ngoăi đường ống TĐN, mơi chất giải nhiệt lă nước được chuyển động cưỡng bức phía bín trong ống. Để cĩ cơ sở khoa học trong việc lăm cânh về phía mơi chất lạnh cho thiết bị ngưng tụ, ta cần nghiín cứu đânh giâ khả năng TĐN khi ngưng của mơi chất lạnh freon vă mơi chất lạnh mới đang sử dụng.
2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÍN CỨU
Trong chương năy, ta tìm hiểu tính chất đặc trưng của câc mơi chất lạnh (MCL) mới, tiến hănhxâc định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của câc mơi chất lạnh, đặc biệt lă câc mơi chất lạnh mới, thực hiện việc so sânh hệ số tỏa nhiệt của nước khi chuyển động bín trong vă bín ngoăi ống để từ đĩ khẳng định sự cần thiết phải cĩ biện phâp tăng cường trao đổi nhiệt về phía mơi chất lạnh, khi năo cần lăm cânh vă lăm cânh với tỉ lệ như thế năo lă phù hợp.
2.2. MƠI CHẤT LẠNH VĂ MƠI CHẤT LẠNH MỚI 2.2.1. Câc mơi chất lạnh truyền thống 2.2.1. Câc mơi chất lạnh truyền thống
Câc mơi chất lạnh truyền thống phổ biến nhất gồm: amơniắc (NH3), mơi chất lạnh freon như câc chất CFC (cơng thức CmFnClk) lă những tâc nhđn gđy phâ huỷ tầng ơzơn lớn nhất do dễ giải phĩng clo.
Trong nghiín cứu tâc động của câc loại chất lăm suy giảm tầng ơzơn, ta thấy cĩ đến 70% lă do câc mơi chất CFC. Ngoăi ra, CFC cịn lă chất gđy ra hiệu ứng nhă kính rất lớn [30]. Câc chất HCFC [25] lă hợp chất của 4 nguyín tố câc bon, hydro, flo vă clo, chúng cĩ chỉ số phâ huỷ tầng ơzơn thấp hơn so với câc chất CFC. Trong kỹ thuật lạnh, mơi chất lạnh R22 chính lă chất HCFC. Riíng R502 lă hỗn hợp của HCFC-22 (49%) vă CFC-115 (51%). Trong hình 2.1 thể hiện mức độ lăm nĩng trâi đất của câc chất [26].
Bảng 2.1. Mức độ tâc hại của câc CFC
Tâc hại của CFC Mức độ phâ hoại