4.3.1. Thiết bị ngưng tụ.
4.3.1.1. Khái niệm và phân loại.
Khái niệm
Thiết bị ngưng tự là thiết bị trao đổi nhiệt để biến hơi môi chất ở nhiệt độ cao và áp suất cao sau quá trình nén thành trạng thái lỏng.
Phân loại
Theo môi trường làm mát, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 4 nhóm: - Thiết bị ngưng tụ bằng nước.
- Thiết bị ngưng tụ bằng không khí.
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí. - Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí.
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng môi chất khác khi sôi hay bằng các sản phẩm công nghệ.
Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất, có một số loại chính sau: - Thiết bị ngưng tụ ống chùm vỏ bọc nằm ngang.
- Thiết bị ngưng tụ kiểu xối. - Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi. - Thiết bị ngưng tụ có cánh toả nhiệt.
Ở đây tôi chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi với các ưu nhược điểm sau:
Ưu điểm cơ bản của thiết bị loại này là rất tiết kiệm nước bổ sung (chỉ khoảng 3%), thiết bị tương đối đơn giản, dễ chế tạo, lại đạt hiệu quả truyền nhiệt khá cao, chi phí điện năng cho động cơ bơm, quạt khoảng 20 ÷ 30W cho 1 KW lạnh. Mật độ dòng nhiệt vào khoảng 1400 đến 1900 W/m2.
Hệ số truyền nhiệt k = 450 ÷ 600W/m2K, độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất và chất làm mát ∆ttb = 2 ÷ 3K, Cũng có thể đặt thiết bị ngưng tụ bay hơi ngoài trời để tiết kiệm mặt.
Trong điều kiện trong nước hiện nay, cùng với bình ngưng ống vỏ và thiết bị ngưng tụ kiểu tưới, thiết bị ngưng tụ bay hơi là những thiết bị dễ chế tạo, lắp đặt , vận hành và cho hiệu quả kinh tế cao.
Tuy vậy, thiết bị ngưng tụ bay hơi có nhược điểm là nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào trạng thái khí tượng và thay đổi theo mùa trong năm.
4.3.1.2. Tính chọn thiết bị ngưng tụ.
Chọn thiết bị ngưng tụ bay hơi Mật độ dòng nhiệt
qk = h4 – h5 = 2075 – 685,2 = 1389,8 kJ/kg Phụ tải nhiệt ở thiết bị ngưng tụ.
Qk = m2 × qk = 0,0598 × 1389,8 = 83,11 KW = 83110 W Diện tích trao đổi nhiệt của tháp ngưng
83,1 55, 41 500 3 k tb Q F k t = = = × ∆ × m 2 k = 500 W/m2K (bảng 6.1, [3], tr194) ; ∆ttb = 3 K Theo Catalogue evaporative condensers của hãng AVAPCO
Ta chọn dàn ngưng có Model cATWB 7-4j12 Qk = 91KW với các thông số kỹ thuật ở bảng sau:
4.3.2. Thiết bị bay hơi
Thiết bị bay hơi được làm lạnh theo phương pháp làm lạnh trực tiếp và không khí đối lưu cưỡng bức bằng quạt gió.
Kho lạnh được chia làm hai phòng có diện tích nhu nhau và nhiệt tải như nhau nên ta chọn hai dàn lạnh cho mỗi buồng lạnh.
Ta có : Q0 = 63,25 KW
Diện tích thiết bị trao đổi nhiệt.
0TB Q F k t = × ∆
k- hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh, W/m2K
Chọn k = 12,14 W/m2K [1, tr298] (phương pháp nội suy)
∆t - hiệu nhiệt độ trung bình logarit giữa môi chất lạnh và chất tải lạnh
max min 1 0 2 0 max 1 0 min 2 0 ( ) ( ) (35 31) ( 25 31) 25 35 31 ln ln ln 25 31 b b b b t t t t t t t t t t t t t ∆ − ∆ − − − + − − + ∆ = = = = ∆ − + − + ∆ − K Vậy 63250 208, 4 12,14 25 F = = × m 2 Sử dụng phần mềm chọn dàn lạnh của hãng GUNTNER ta chọn 4 dàn lạnh có model như sau:
t0 b1
tb2
Hình 4.4. Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị bay hơi
MODEL dàn lạnh AGHN 071.2H/212-HHS/24P.E
- Công suất 17 KW, gas lạnh NH3, Nhiệt độ bay hơi -310C, tốc độ không khí 26780 m3/h, áp suất không khí 1013 mbar.
- Công suất quạt 0,81/1,05 KW, lưu lượng trong ống 85lít, chiều dài cánh 12mm, trọng lượng 393kg, áp suất hoạt động max 32 bar
- Xả tuyết bằng gas nóng - Kích thước dàn lạnh
4.4. TÍNH CHỌN ĐƯỜNG ỐNG DẪN MÔI CHẤT
Đường ống sử dụng trong hệ thống lạnh amoniac thường là loại ống thép. Việc tính toán chọn đường kính của ống là bài toán tối ưu về kinh tế. Khi tiết diện đường ống lớn, thì tổn thất áp suất nhỏ nhưng lại dẫn đến giá đầu tư tăng.
Từ các số liệu ban đầu như: tốc độ cho phép của môi chất, lưu lượng, khối lượng riêng.... ta có thể tính được đường kính ống.
Đường kính trong của ống dẫn được tính theo công thức sau: [3, tr243]
di 4 m ρ π ω × = × × m Trong đó :
m - là lưu lượng môi chất lạnh của một máy nén. ρ - là khối lượng riêng của môi chất lạnh kg/m3. ω - là tốc độ vòng chảy trong ống m/s. Ta có : 4 4 4 1 i m m m v d v ρ π ω π ω π ω × × × × = = = × × × × × m
Dưạ vào bảng tổng hợp các thông số của chu trình và bảng 10.3 [5, tr243] ta có bảng sau.
Bảng 4.3. Vận tốc và thể tích riêng của môi chất
Đường ống đẩy Đường ống hút Đường ống dẫn lỏng
v Kg/m3 ω m/s v Kg/m3 ω m/s v Kg/m3 ω m/s 0,1375 20 1,0313 16 0,0017 0,6
Bảng 4.4. Bảng kết quả tính toán đường ống chọn (bảng 10.1, [5, tr242])
4.5. THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH 4.5.1. Vai trò, vị trí thiết bị phụ trong hệ thống lạnh 4.5.1. Vai trò, vị trí thiết bị phụ trong hệ thống lạnh
Trong hệ thống lạnh các thiết bị chính bao gồm: máy nén, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Tất cả các thiết bị còn lại được coi là thiết bị phụ. Như vậy số lượng và công dụng của các thiết bị phụ rất đa dạng, bao gồm: bình trung gian, bình chứa cao áp, bình chứa hạ áp, bình tách lỏng, bình tách dầu, bình hồi nhiệt, bình tách khí không ngưng, bình thu hồi dầu, bình giữ mức, các thiết bị điều khiển, tự động vv…
Các thiết bị phụ có thể có trong hệ thống lạnh này, nhưng có thể không có trong loại hệ thống khác, tuỳ thuộc vào yêu cầu của hệ thống.
Tuy được gọi là các thiết bị phụ, nhưng nhờ các thiết bị đó mà hệ thống hoạt động hiệu quả, an toàn và kinh tế hơn, trong một số trường hợp bắt buộc phải sử dụng một thiết bị phụ nào đó. Kích thước chọn Đường ống Đường kính tính được mm Đường kính trong mm Đường kính Ngoài mm Tiết diện mm2 Khối lượng 1m ống kg Ống đẩy Ống hút Ống dẫn 22,87 65,76 14,68 27,5 69 18 32 76 22 5,95 37,4 2,53 1,65 6,26 0,986
4.5.2. Các thiết bị phụ
4.5.2.1. Bình tách dầu
Các máy lạnh khi làm việc cần phải tiến hành bôi trơn các chi tiết chuyển động nhằm giảm ma sát, tăng tuổi thọ thiết bị. Trong quá trình máy nén làm việc dầu thường bị cuốn theo môi chất lạnh. Việc dầu bị cuốn theo môi chất lạnh có thể gây ra các hiện tượng:
- Máy nén thiếu dầu, chế độ bôi trơn không tốt nên chóng hư hỏng.
- Dầu sau khi theo môi chất lạnh sẽ đọng bám ở các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt, ảnh hưởng chung đến chế độ làm việc của toàn hệ thống.
Để tách lượng dầu bị cuốn theo dòng môi chất khi máy nén làm việc, ngay trên đầu ra đường đẩy của máy nén người ta bố trí bình tách dầu. Lượng dầu được tách ra sẽ được hồi lại máy nén hoặc đưa về bình thu hồi dầu.
Bình tách dầu của trong hệ thống lạnh này gắn chung với máy nén gọn nhẹ và tách dầu hiệu quả với hệ thống tách dầu ba bước.
* Nguyên lý làm việc
Nhằm đảm bảo tách triệt để dầu bị cuốn môi chất lạnh, bình tách dầu được thiết kế theo nhiều nguyên lý tách dầu như sau:
- Giảm đột ngột tốc độ dòng gas từ tốc độ cao (khoảng 18÷25 m/s) xuống tốc độ thấp 0,5÷1,0 m/s. Khi giảm tốc độ các giọt dầu mất động năng và rơi xuống.
- Thay đổi hướng chuyển động của dòng môi chất một cách đột ngột. Dòng môi chất đưa vào bình không theo phương thẳng mà thường đưa ngoặt theo những góc nhất định làm mất động năng và dầu rơi xuống.
- Dùng các tấm chắn hoặc khối đệm để ngăn các giọt dầu. Khi dòng môi chất chuyển động va vào các vách chắn, khối đệm các giọt dầu bị mất động năng và rơi xuống còn môi chất đi lên.
- Làm mát dòng môi chất xuống 50÷60oC bằng ống xoắn trao đổi nhiệt đặt bên trong bình tách dầu.
- Sục hơi nén có lẫn dầu vào môi chất lạnh ở trạng thái lỏng.
Bình tách dầu được sử dụng ở hầu hết các hệ thống lạnh có công suất trung bình, lớn và rất lớn, đối với tất cả các loại môi chất. Đặc biệt các môi chất không hoà tan dầu như NH3, hoà tan một phần như R22 thì cần thiết phải trang bị bình tách dầu. Đối với các hệ thống nhỏ, như hệ thống lạnh ở các tủ lạnh, máy điều hoà rất ít khi sử dụng bình tách dầu.
4.5.2.2. Bình thu hồi dầu.
Trong hệ thống lạnh NH3, dầu được thu gom về bình thu hồi dầu. Bình thu hồi dầu có cấu tạo giống bình chứa cao áp gồm các bộ phận như sau: Thân bình dạng trụ, các đáy elip, trên có lắp bộ ống thuỷ xem mức dầu, van an toàn, đồng hồ áp suất, đường dầu thu hồi về, đường nối về ống hút và xả đáy bình.
1
6 4
5 3 2
1- Kính xem mức; 2- Áp kế; 3- Van an toàn; 4- Đường nối về ống hút; 5- Đường hồi dầu về; 6- Xả dầu
Hình 4.6. Bình thu hồi dầu
Để thu hồi dầu từ các thiết bị về bình thu hồi dầu, trước hết cần tạo áp suất thấp trong bình nhờ đường nối thông ống hút của máy nén. Sau đó mở van xả dầu của các thiết bị để dầu tự động chảy về bình. Dầu sau đó được xả ra ngoài đem xử lý hoặc loại bỏ, trước khi xả dầu nên hạ áp suất trong bình xuống xấp xỉ áp suất khí quyển. Không được để áp suất chân không trong bình khi xả dầu, vì như vậy không
những không xả được dầu mà còn để lọt khí không ngưng vào bên trong hệ thống. Dung tích các bình thu hồi dầu thường sử dụng cho các hệ thống lạnh riêng rẻ khoảng 60÷100Lít. Trong các hệ thống lạnh trung tâm có thể sử dụng các bình thu hồi dầu lớn hơn.
4.5.2.3. Bình tách khí không ngưng.
* Vai trò bình tách khí không ngưng
Khi để lọt khí không ngưng vào bên trong hệ thống lạnh, hiệu quả làm việc và độ an toàn của hệ thống lạnh giảm rõ rệt, các thông số vận hành có xu hướng kém hơn, cụ thể là:
- Áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tăng. - Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng. - Năng suất lạnh giảm.
Vì vậy nhiệm vụ của bình là tách các khí không ngưng trong hệ thống lạnh xả bỏ ra bên ngoài để nâng cao hiệu quả làm việc, độ an toàn của hệ thống, đồng thời tránh không được xả lẫn môi chất ra bên ngoài.
* Nguyên nhân lọt khí không ngưng
Khí không ngưng lọt vào hệ thống lạnh do nhiều nguyên nhân khác nhau:
- Do hút chân không không triệt để trước khi nạp môi chất lạnh, khi lắp đặt hệ thống, khi bảo dưỡng sửa chữa.
- Khi sửa chữa, bảo dưỡng máy nén và các thiết bị - Khi nạp dầu cho máy nén
- Do phân huỷ dầu ở nhiệt độ cao - Do môi chất lạnh bị phân huỷ
- Do rò rỉ ở phía hạ áp. Phía hạ áp trong nhiều trường hợp có áp suất chân không, nên khi có vết rò không khí bên ngoài sẽ lọt vào bên trong hệ thống.
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hầu hết các bình tách khí không ngưng đều hoạt động dựa trên nguyên tắc là làm lạnh hỗn hợp khí không ngưng có lẫn hơi môi chất để ngưng tụ hết môi chất, trước khi xả khí ra bên ngoài.
Khí không ngưng thường tập trung nhiều nhất ở thiết bị ngưng tụ. Khi dòng môi chất đến thiết bị ngưng tụ, hơi môi chất được ngưng tụ và chảy về bình chứa cao áp. Và khí không ngưng tích tụ tại bình chứa cao áp. Vì vậy người ta chuyển hỗn hợp khí đó đến bình tách khí không ngưng, tiếp tục được làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn để ngưng tụ hết môi chất lạnh. Khí không ngưng sau đó được xả ra bên ngoài.
1- Hỗn hợp khí không ngưng vào; 2- Hơi môi chất ngưng tụ trở lại bình chứa; 3- Xả dầu; 4- Xả khí không ngưng; 5- Đường an toàn; 6- Hơi hút về máy nén.
4.5.2.4. Bình chứa cao áp
Bình chứa cao áp có chức năng chứa lỏng nhằm cấp dịch ổn định cho hệ thống, đồng thời giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt cho thiết bị ngưng tụ. Khi sửa chữa bảo
dưỡng bình chứa cao áp có khả năng chứa toàn bộ lượng môi chất của hệ thống.
1- Kính xem ga; 2- Ống lắp van an toàn; 3- Ống lắp áp kế; 4- Ống lỏng về 5- Ống cân bằng; 6- Ống cấp dịch; 7- Ống xả đáy
Hình 4.9. Bình chứa cao áp
Theo chức năng bình chứa, dung tích bình chứa cao áp phải đáp ứng yêu cầu: - Khi hệ thống đang vận hành, lượng lỏng còn lại trong bình ít nhất là 20% dung tích bình.
- Khi sửa chữa bảo dưỡng, bình có khả năng chứa hết toàn bộ môi chất sử dụng trong hệ thống và chỉ chiếm khoảng 80% dung tích bình.
Kết hợp hai điều kiện trên, dung tích bình chứa cao áp khoảng 1,25÷1,5 thể tích môi chất lạnh của toàn hệ thống là đạt yêu cầu.
Để xác định lượng môi chất trong hệ thống chúng ta căn cứ vào lượng môi chất có trong các thiết bị khi hệ thống đang vận hành.
- Hệ thống cấp lỏng từ dưới lên, nên bình chứa phải chứa 60% thể tích bình và dàn bay hơi: VBCN ≥ 1,2 VBH
Nếu lấy hệ số an toàn 1,2 thì:
Bình chứa kiểu ngập: VBCN ≥ 1,2.1,2 VBH. = 1,44 VBH Trong đó: VBH là tổng thể tích các dàn bay hơi
VBCN là thể tích bình chứa cao áp kiểu ngập Ta có: VBH = 85 lít = 0,085 m3
Vì kho lạnh có 4 dàn lạnh nên tổng thể tích dàn lạnh VBH = 0,085 × 4 = 0,34 m3 Vậy thể tích bình chứa cao áp kiểu ngập là: VBCCA = 1,44 × 0,34 = 0,5 m3
1 2 3 4 5 6 7
4.5.2.5. Van tiết lưu
Van tiết lưu là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống lạnh, nó có nhiệm vụ tiết lưu lỏng môi chất ở áp suất cao, nhiệt độ cao xuống áp suất thấp và nhiệt độ bay hơi thấp. Nó còn có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng môi chất cấp vào thiết bị bay hơi.
Van tiết lưu màng
Van tiết lưu cân bằng màng cân bằng ngoài thường sử dụng cho hệ thống lạnh thiết bị bay hơi có trở lực lớn. Van tiết lưu nằm ở vị trí trước thiết bị quá lạnh, sau bình chứa cao áp có tác dụng quá lạnh môi chất trước khi đi qua van tiết lưu tay. Việc chọn van tiết lưu phải dựa vào các thông số sau:
- Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ. - Năng suất lạnh Q0.
- Loại môi chất làm việc trong hệ thống lạnh.
Ở đây tôi quyết định chọn van tiết lưu cân bằng ngoài của hãng Danfoss cho hệ thống. Với các thông số sau:
- Môi chất lạnh sử dụng: NH3
- Năng suất lạnh: Q0 = 63,25 kW = 17,96 TR - Nhiệt độ bay hơi t0 = -310C