Trước khi khởi động máy, áp suất dung dịch chứa trong bình sinh hơi là áp suất bão hịa tương ứng với nhiệt độ và nồng độ dung dịchNH3-H2O. Nhiệt được cấp vào dung dịch NH3-H2O làm cho NH3sôi và bay hơi. Sự bay hơi củaNH3làm cho áp suất dung dịch chứa trong bình sinh hơi tăng, nồng độ dung dịch giảm dẫn tới nhiệt độ bão hòa của dung dịch tăng. Đây là q trình bay hơi đẵng tích của dung dịch NH3-H2O. Khi áp suất trong bình sinh hơi đạt áp suất ngưng tụ của hơiNH3, hơi NH3sẽ được ngưng tụ trong bình ngưng nhờ nước giải nhiệt. Áp suất bão hòa của dung dịch NH3-H2O trong bình sinh hơi ổn định theo áp suất ngưng tụ khi đó q trình bay hơiNH3trong bình sinh hơi là quá trình bay hơi đẳng áp.
Nếu H2O bị kéo theo với môi chất lạnh NH3sẽ gây ra sự truyền nhiệt trong bình ngưng tụ và bộ bay hơi là không đẳng nhiệt, nhiệt độ bay hơi tăng, sự bay hơi khơng hồn tồn, và bội số tuần hồn tăng.
Khơng giống như các chất thuần khiết, nhiệt độ của dung dịch NH3-H2O tăng liên tục khi chuyển trạng thái từ lỏng sang hơi. Quá trình chuyển pha thay đổi theo nhiệt độ từ nhiệt độ của điểm sôi đến nhiệt độ điểm ngưng. Nếu tất cả các điểm sôi và điểm ngưng
này theo nồng độ dung dịch NH3-H2O tại một áp suất khơng đổi được nối lại sẽ có đường điểm sơi và đường điểm ngưng tụ tương ứng. Đường điểm sơi là đường lỏng bão hịa và đường điểm ngưng là đường hơi bão hòa của dung dịch ở cùng áp suất. Vùng ở giữa đường điểm sôi và đường điểm ngưng là vùng 2 pha tại đó hơi và lỏng cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
Dung dịch đặc sau khi ra khỏi bình hấp thụ 2 được bơm qua bộ trao đổi nhiệt dung dịch rồi vào bình sinh hơi ở điểm 4. Tại bình sinh hơi, dung dịch được gia nhiệt bay hơi ở điểm 5, dung dịch cịn lại là dung dịch lỗng ra khỏi bình bay hơi ở điểm 6. Hơi bay ra 5 kéo theo nhiều nước qua ống chiết tách trở thành hơi NH3 gần như nguyên chất 10, nước được tách ra và quay lại bình sinh hơi ở điểm 9. Hơi NH3ở trạng thái 10 qua bình ngưng tụ, được nước giải nhiệt ngưng tụ lại thành NH3 lỏng 11. NH3 lỏng 11 qua van tiết lưu giảm áp xuống trạng thái 12 và bay hơi trong bộ bay hơi ở trạng thái 13. Hơi NH3 ở trạng thái 13 đến bình hấp thụ ở trạng thái 1 được dung dịch loãng 8 hấp thụ và trở thành dung dịch đậm đặc ở trạng thái 2. Dung dịch đậm đặc ở trạng thái 2 lại được bơm dung dịch bơm lên trạng thái 3 để tiếp tục vịng tuần hồn liên tục.
Các điểm trạng thái được trình bày trên đồ thị i-C cho máy lạnh hấp thụ thiết kế. Quá trình 6-7-8 thể hiện mạch dung dịch lỗng. Q trình 2-3-4 thể hiện mạch dung dịch đậm đặc. Quá trình 10-11-12-13-1 thể hiện mạch làm lạnh của dòng hơi NH3gần tinh khiết. Điểm 5 của hơi NH3rời khỏi bình sinh hơi kéo theo nhiều hơi nước sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Lượng hơi nước bị kéo theo cần phải được tách ra khỏi hơi NH3nhờ ống chiết tách. Vì thế, hầu hết lượng hơi nước trong hỗn hợp được tách ra nhờ sự làm mát và ngưng tụ, sau đó trở lại bình sinh hơi ở trạng thái 9. Kết quả là dòng hơi NH3ở trạng thái 10 gần tinh khiết đi vào bình ngưng.
2.1.3 Thơng sốnhiệt động
2.1.3.1 Môi chất lạnh NH3[78]
Cân bằng áp suất và nhiệt độ ở trạng thái bão hịa (2 pha) có quan hệ theo phương trình: (2.1) EntanpycủaNH3ở trạng thái lỏng bão hịa và hơi bão hịa là các phương trình theo nhiệt độ:
(2.2) (2.3)
2.1.3.2 Dung dịch NH3-H2O [79]:
Phần dưới đây trình bày một số cơng thức tính tốn các thơng số nhiệt động – nhiệt vật lý của dung dịch NH3-H2O do A.A.Zatorski đề nghị.
Nhiệt độ sôi
Công thức (3.50) dưới đây trình bày các cách xác định nhiệt độ sơi T (K) của dung dịch NH3-H2O ở nồng độcvà áp suất p(bar):
(2.4)
Trong các công thức dưới đây, đơn vị củaentanpy, nhiệt độ và áp suất lần lượt là kJ/kg, K và bar.
i’, i’’–entanpycủa dung dịch lỏng (ở nồng độ c, nhiệt độ T và áp suất p) và entanpycủa hơi bay ra từ dung dịch đó khi sơi.
iNH3, iVNH3–entanpycủa NH3lỏng và NH3hơi ứng với nhiệt độ T và áp suất p.
iH2O, iVH2O –entanpycủa nước và hơi nước ứng với nhiệt độ T và áp suất p.
qt– nhiệt lượng hòa trộn, kJ/kg
cv– nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch NH3-H2O đang sơi Ta có:
(2.5) (2.6)
Nồng độ của hơi
Cơng thức xác định nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch lỏng sôi ở nồng độ c, áp suất p (bar) và nhiệt độ T(K):
(2.7) Trong đó:
Nhiệt dung riêng của dung dịch
Nhiệt dung riêng cp(kJ/kg.độ) của dung dịch ở nồng độ c, nhiệt độ T (K) và áp suất p (bar) được tính nhưsau:
(2.8)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Hệ số dẫn nhiệtl[W/(m.độ)]của dung dịch được tính trên cơ sở hệ số dẫn nhiệtlNH3 và lH2O. Gọi c là nồng độ và t (oC) là nhiệt độ của dung dịch ta có:
(2.9) Trong đó:
Các ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt-truyền chất
2.2.1 Ảnh hưởng của kết cấu bình hấp thụ
Kết cấu bình hấp thụ phải thỏa mãn yêu cầu tương tác qua lại của 3 thành phần chính là: (1) dịng dung dịch lỗng đến từ bình sinh hơi, (2) dịng hơi ammomia đến từ bình bay hơi, (3) cách bố trí các ống giải nhiệt/ chiều chuyển động của nước giải nhiệt.
Dịng dung dịch lỗng NH3-H2O tạomàngxung quanh các ống của cáchàngống song song, hơi NH3đi xuyên qua các hàngống từ dưới lên ngược chiều với dịng dung dịch lỗng [35], [41], [42], [62]. Dung dịch NH3 chảy xuống từ phía trên của bình hấp thụ kiểumàngdạng tấm, hơi NH3và nước giải nhiệt chảy từ phía dưới lên [33], [60].
Sự phân phối dung dịch loãng phải đồng đều. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng vấn đề phân phối dung dịch có thể dẫn đến sự tận dụng khơng hết diện tích bề mặt giải nhiệt sẵng có [35]. Máng phân phối gồm 4 hàng 75 lỗ/hàng có bước lỗ là 30x3,8mm được gắn vịi phun đường kính ngồi 1,5mm (300 vịi) sẽ phân phối dung dịch lỗng lênhàngống đầu tiên củachùmống[37].
Tăng hệ số truyền nhiệt hoặc tăng diện tích giải nhiệt. Hiệu suất hấp thụ tăng nhờ vào sự tăng hệ số tỏa nhiệt phía dung dịch nhờ vào sự phân phối dung dịch và bề mặt giải nhiệt ướt đều [35]. Sự tiếp xúc lỏng-hơi làm giảm các trở lực truyền nhiệt-truyền chất nên cần phải thiết kế bình hấp thụ có cấu trúc hình học cực kỳ nhỏ gọn. Khái niệm trên được áp dụng và nhận được các hệ số truyền nhiệt cực kỳ cao[42], [58], [61], [62]. Nghiên cứu này tập trung vào bình hấp thụ kiểu màng dung dịch NH3-H2O chảy trên chùm ống bố trí song song gồm 6 hàng, 28 hàng ống nước giải nhiệt, hàngống phân phối dung dịch lỗng ở trên cùng, hàngống phân phối hơi phía đáy của bìnhhấp thụ hình hộp chữ nhật. Khoảng cách giữa các ống Φ9,6mmtheo chiều dọc tối ưu là 20mm;
bước ngang 13mm.
2.2.2 Ảnh hưởng của chế độchảy của dung dịch lỗng
Chế độ của dịng dung dịch lỗng phù hợp sẽ làm tăng diện tích hấp thụ. Các bình hấp thụ cơng nghiệp có lưu lượng dịng thường được duy trì dạng dịng giọt để sự trải ra của dòng cao [80], [57].
Quá trình hấp thụ khơng đẳng nhiệt xảy ra trongmàngtại bề mặt tiếp xúc lỏng hơi làm nhiệt độ củamàngtăng. Mặc khác, hệ số khuếch tán của H2O trong dung dịch thấp hơn NH3 làm cho hơi NH3 bị trì hỗn tại mặt tiếp xúc [36], [81]. Khi mặt tiếp xúc trở nên bão hòa, tốc độ hấp thụ hơi giảm đáng kể. Vì thế, tăng tỉ lệ ướt bề mặt sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt phía dung dịch[35], [51].
Tăng diện tích truyền chất giữa hơi và dung dịch lỗng[61], [62], và giảm bề dày của lớp màng đều làm tăng hệ số truyền chất từ dòng hơi NH3 vào dòng dung dịch NH3- H2O.
Khoảng cách giữa cáchàngống phải phù hợp so với lưu lượng dung dịch cấp vào để tạo chế độ dòng giọt[42], [62], [82], [54]. Đối với ống có đường kính ngồi 9,5mmthì bước ống dọc là 10,05mm[37].
Nghiên cứu này thực hiện:
Diện tích mặt tiếp xúc lỏng hơi lớn: dung dịch lỗng nhiễu và lan rộng trên các ống giải nhiệt và bề mặt ống giải nhiệt được thổi cát để tăng độ dẫn ướt bề mặt.
Để tăng sự phân phối đồng đều của dịng dung dịch lỗng: bằng cách khoan lỗ Φ1,2mm
thẳng hàng; bước lỗ 4mm sao cho dung dịch loãng ra khỏi ống phân phối chậm, kết màng, rồi nhiễu xuống đều. Ở phần này, cần quan sát bề dày củamànglỏng, lưu lượng dung dịch cấp vào (độ phân phối) phù hợp với khoảng cách giữa cáchàngống.
Bảng2.1Các nghiên cứu về kết cấu và chế độ phân phối dòng dung dịch
TL Kết cấu Chế độ chảy của
dung dịch Kết quả
[35], [51], [41], [42], [62]
Dung dịch loãng NH3-H2O tạo màng xung quanh các ống của các hàng ống song song, hơi NH3 đi xuyên qua các hàng ống từ dưới lên ngược chiều với dịng dung dịch lỗng
Tăng tỉ lệ ướt bề mặt sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt phía dung dịch
Ổn định, có hệ số truyền nhiệt cao
[33], [34]; Dung dịch NH3 chảy xuống từ phía trên của bộ hấp thụ kiểu
màngdạng tấm, hơi NH3và nước giải nhiệt chảy từ phía dưới lên
Chảy tầng
[37]; Gắn vịi đường kính ngồi
1,5mm (300 vịi); có bước lỗ là
30x3,8mm để phân phối dung dịch
Chế độ dòng giọt Tăng hiệu quả truyền nhiệt truyền chất khi giảm nồng độ dung dịch lỗng
[80], [57]; Các bộ hấp thụ cơng
nghiệp có lưu lượng dịng thường được duy trì dạng dịng giọt
Sự trải ra của dòng cao làm bề mặt ướt đều.
[42], [62], [82], [54]; [58]
Khoảng cách giữa các hàng ống phải phù hợp so với lưu lượng dung dịch cấp vào để tạo chế độ dòng giọt
Chế độ dòng giọt Hệ số truyền nhiệt cực cao. Tăng được hệ số truyền chất từ dòng hơi NH3 vào dòng dung dịch NH3-H2O [67] Re= 4Г/μ < 100 dòng giọt; Re> 425 dòng tia Dòng giọt cho sự hấp thụ tốt hơn dịng mảng
[3] Kết cấu ngược dịng, đặt trong vỏ
hình hộp chữ nhật. Dịng giọt Re
= 20 ÷ 100
Tổn thất áp suất hơi tăng khi độ dầy màng tăng. Tổn thất áp suất hơi giảm khi đường kính ống tăng. Tỉ số bước lỗ và đường kính lỗ tối ưu Si/d= 1÷1,1
2.2.3 Ảnh hưởng của lưu lượng, nồng độ, và nhiệt độdung dịch loãng
Meacham & Garimella [1], Sangsoo Lee và cộng sự [7]; Kwong và Jeong [83], Lee và cộng sự[72], BingluRuan và cộng sự[69]nhận thấy khi tăng lưu lượng dung dịch loãng sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt đáng kể bằng thực nghiệm. Điều này cũng được mô phỏng số trước đây bởiMeacham và Garimella [22]. Ngược lại, Goel và Groswami [23] xác định bằng thực nghiệm là khi tăng lưu lượng dung dịch lỗng thì năng suấtbình hấp thụ tăng hệ số truyền nhiệt vẫn duy trì khơng đổi. Lưu ý rằng đường kính trong của ống giải nhiệt của Goel và Groswami[23]lớn gấp đôi của Meacham và Garimella [1], lưu lượng nước giải nhiệt thì chỉ bằng khoảng một nửa. Vì thế, sự truyền nhiệt về phía nước giải nhiệt bị giới hạn[23] nên không nâng được sự truyền nhiệt tổng khi tăng lưu lượng của dung dịch.
Lưu lượng dung dịch lỗng hầu như khơng ảnh hưởng tới hệ số truyền chất [2], [72]. Tốc độ hấp thụ quan sát được cao hơn một chút khi quá lạnh dung dịch lỗng 8÷25oC [84]. Nhiệt độ lớpmàngnhanh chóng đạt trạng thái cân bằng nhiệt với nhiệt độ mặt tiếp xúc do sự hấp thụ nhiệt[84]nên những thay đổi nhiệt độ lớpmàngsẽ có ảnh hưởng lên quá trình hấp thụ. Sự quá lạnh dung dịch loãng sẽ làm mất cân bằng củamàngdung dịch và hơi trong bình hấp thụ làm cho hiệu suất bình hấp thụ tăng[58].
Nồng độ dung dịch lỗng thấp, hệ số tỏa nhiệt phía dung dịch sẽ cao hơn khi dịng hơi cùng chiều so với khi dòng hơi ngược chiều[83].
Ở phần này, lưu lượng dung dịch lỗng vào bình hấp thụ được khảo sát theo các giá trị [0,001; 0,005; 0,008; 0,0113; 0,0146; 0,03] [kg/(m.s)]để tìm lưu lượng phân phối dung dịch tối ưu theo năng suất lạnh. Nồng độ, và nhiệt độ dung dịch loãng phụ thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống.
2.2.4 Ảnh hưởng của hơiNH3
Theo thực nghiệm Meacham và Garimella[1], Binglu Ruan và cộng sự[69], hệ số truyền nhiệt tăng khi lưu lượng hơiNH3tăng. Ngược lại, Lee và cộng sự[72]tìm thấy khi lưu lượng hơi tăng thì hệ số truyền nhiệt tăng rất ít hoặc khơng tăng trong dịng ngược chiều. Theo thực nghiệm Kwong và Jeong[83], Khi lưu lượng hơi tăng thì thường hệ số truyền
nhiệt tăng trong dòng ngược chiều. Tuy nhiên, lưu lượng hơi tăng qua một giá trị nào đó thì nó sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, nó tác động lên sự phân bố của dịng dung dịch loãng, độ ướt bề mặt giải nhiệt, tất cả sẽ dẫn đến sự giảm hệ số truyền nhiệt. Đối với dịng cùng chiều thì sự truyền nhiệt phía dung dịch độc lập với lưu lượng hơi.
Theo thực nghiệm Lee và cộng sự, 2002 [72], Binglu Ruan và cộng sự[69], Kwong và
Jeong [83], hệ số truyền chất tăng khi tăng lưu lượng khối lượng hơi dẫn đến tốc độ hấp thụ tăng khi dòng hơi cùng chiều với dòng dung dịch.
Ở phần này, lưu lượng dịng hơi vào bình hấp thụ được điều chỉnh phù hợp với lưu lượng dung dịch loãng vào theo năng suất lạnh.
2.2.5 Ảnh hưởng của nước giải nhiệt
Theo thực nghiệm Meacham và Garimella [1], Hệ số truyền nhiệt tăng khi tăng lưu
lượng nước giải nhiệt nhưng không nhiều bằng khi tăng lưu lượng dung dịch lỏng hoặc dòng hơi. Do hệ số truyền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tỏa nhiệt phía nước giải
nhiệt. Goel và Goswami[84]tính được tốc độ hấp thụ cao hơn khi tăng lưu lượng khối
lượng nước giải nhiệt.
Theo thực nghiệm Goel và Goswami [23], nhiệt độ nước giải nhiệt không ảnh hưởng
lên hệ số truyền nhiệt. Ngược lại, theo mô phỏng Goel vàGoswami [84]nhận thấy nhiệt
độ nước giải nhiệt thấp ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất truyền chất. Chú ý, [23]được
thực hiện trên ống chất lượng cao có phủ lưới, trong khi mơ phỏng số[84]bình hấp thụ
dạng tấm cùng chiều.
Ở phần này, nhiệt độ nước giải nhiệt được khảo sát 30÷36oC và lưu lượng nước giải
nhiệt thay đổi 10 ÷ 20l/p để xác định sự ảnh hưởng của nước giải nhiệt lên quá trình
Bảng2.2Các nghiên cứu về quá trình hấp thụ
TL Dung dịch lỗng vào Dịng
hơi vào Nước giảinhiệt vào Kết quả
[69] Г= 0÷0,3 V = 0÷5,8 Tính ảnh hưởng của dịng hơi ngược chiều lên chế độ của dịng chảy từ ống
trên xuống ống dưới.
[9] Г= 0,03÷0,06; t = 40÷50; m = 0,06318; 0,08876; t = 26÷35
Dịng hơi được hấp thụ tăng khi tăng áp suất bộ hấp thụ, lưu lượng nước giải nhiệt, mật độ phun; giảm nhiệt độ nước giải nhiệt và nhiệt độ dung dịch.
[1] M = 1,51*10^-2 ÷ 2,66*10^-2; t = 52; 81; C = 28 ÷ 35 C = 93÷98 F = 9,5*10^-5 ÷ 1,58*10^-4 k = 545 ÷940; αf= 638 ÷ 1648 [2] Г= 0,00138÷0,005 k = 540 ÷1160; αf= 800 ÷ 2900 [77] m =0,01 m = 0,0015 m = 0,05 Có thể giảm kích thước bộ hấp thụ 25%
so với khơng có gắn lưới.
[23] m = 14,46g/s; t = 43; C = 30 C = 95,6; t = 58 m = 88,7g/s; t = 27
Năng suất tăng so với khơng có lưới là
17 ÷ 26%; kA tăng50% [3] Sim. Г= 0,008 ÷ 0,05 Exp. Г= 0,0143 ÷ 0,0303 t = 28 ÷ 32; t = 0,8 ÷ 1,6 k = 0,571 ÷ 0,831kW/(m2K); hm= 0,079 ÷ 0,116m/giờ.
Hệ số truyền nhiệt tăng theo lưu lượng dung dịch, dường kính ống giảm. Dịng chất và dịng nhiệt tăng khi tăng lưu lượng và giảm nhiệt độ nước giải nhiệt.