6. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
6.7. Thiết bị hồi nhiệt
Công dụng
Thiết bị hồi nhiệt có tác dụng quá nhiệt hơi hút về máy nén để tránh lọt lỏng vào máy nén gây ra hiện tượng va đập thủy lực làm hư hỏng thiết bị và quá lạnh lỏng cao áp để giảm tổn thất lạnh do van tiết lưu.
Cấu tạo:
Hình 5: Thiết bị hồi nhiệt
Nguyên lý
Lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trao đổi nhiệt với hơi hạ áp chảy bên ngoài ống làm cho hơi hạ áp từ hơi bão hoà trở thành hơi quá nhiệt. Lỏng cao áp nhả nhiệt cho hơi hạ áp và được quá lạnh một phần. Ống trụ kín 2 đầu có nhiệm vụ hướng cho dòng hơi đi qua ống xoắn và làm tăng tốc độ dòng hơi để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Bình hồi nhiệt được bọc cách nhiệt.
Thông số thiết kế
Công suất thiết bị hồi nhiệt Qhn = 1,59 kW Nhiệt độ lỏng môi chất vào tl’ = t3 = 50 0C Nhiệt độ lỏng môi chất ra tl” = t3’ = 37 0C Nhiệt độ hơi môi chất vào th’ = t1 = -5 0C Nhiệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 20 0C
Tính chọn đường kính ống
1- Đường vào hơi hơi hạ áp 2- Đường ra lỏng cao áp 3- Đường vào lỏng cao áp 4- Đường ra hơi hạ áp 5- Ống xoắn
6- Ống trụ kín
Với lỏng R22 chảy trong ống, tốc độ môi chất nằm trong khoảng (0,4 – 1) m/s. Ta chọn
= 0,8 m/s.
Lưu lượng thể tích của lỏng chảy trong ống
V = G.v3 = 0,0896.1,2.10-3 = 0,107.10-3 m3/s Đường kính trong của ống:
d1 =
-3
0,013
V 0,107.10
2. =2.
π.ω 3,14.0,8 m
Theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống trong bảng các loại ống đồng cho máy lạnh Freon ta chọn
Đường kính trong: d1 = 15 mm Đường kính ngoài là: d2 = 18 mm.
Đường kính của vòng xoắn: Chọn Dx = 40 mm
Chọn khe hở giữa ống xoắn với vỏ thiết bị là δ=10mm. Khi đó, đường kính trong của vỏ là: Dv = Dx + d2 +2. = 40 + 18 + 2.10 = 78 mm
Đường kính của phần lỏi quấn ống (để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống xoắn và lỏi quấn là = 5mm). Dl = Dx - - d2 = 40 – 2.5 – 18 = 12 mm
Tiết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt:
F =
2 2
2 2
v v 2
v l D -2δ -(D -2δ-2.d ) πD -D -π
4 4
=
2 2 2 2
0,078 -0,012 -(0,078-2.0,01) +(0,078-2.0,01-2.0,018)
3,14 4
= 0,00240 m2
Lưu lượng thể tích của môi chất:
V = G.v1 = 0,0896.55,3.10-3 = 4,95.10-3 m3/s Tốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt:
-3
2, 06 V 4,95.10
ω= =
F 0,0024 m/s
Tính toán diện tích trao đổi nhiệt
Diện tích trao đổi nhiệt được tính từ phương trình truyền nhiệt
hn tb
F= Q
k.Δt , m2
Với: Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt. Qhn = 1,59 kW k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K
- Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, oC
Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi qúa lạnh. Nhưng khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong
thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk. Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:
max min
tb max
min
Δt -Δt Δt = lnΔt
Δt , 0C
Trong đó: Δtmax - Hiệu nhiệt độ lớn nhất: Δtmax=t -t =20+5=25 1' 1 0C
Δtmin - Hiệu nhiệt độ bé nhất: Δtmin=t -t =50-37=13 3 3' 0C Thay vào công thức ta có tính được Δt =18,4 tb 0C
Xác định hệ số truyền nhiệt k
Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Hệ số truyền nhiệt k tính theo công thức:
1 2 k= 1δ+ +11
α λ α . , W/mK
Với - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK; = 384 W/mK
- Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức
= 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m
Xác định hệ số toả nhiệt α1
Nhiệt độ trung bình của môi chất lỏng:
ttb = 0,5(t3 + t3’) = 0,5.(50 +37) = 43,50C.
Tra bảng tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 với nhiệt độ 43,5 0C ta có:
= 1115,6 kg/m3; = 1,64.10-4 Ns/m2; =8,10.10-2 W/mK; Pr = 2,743.
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:
Re =
1 1
ω .d ω.d .ρ
ν = μ = -4
2,06.0,015.1115,6
1,64.10 = 21.104
Như vậy dòng chảy trong ống là chảy tầng (Re>1.104). Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức:
Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.A. 1. R
Trong đó: A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A =
0,25 f w
Pr Pr
� �
� �
� �
Coi tf = tw nên A = 1
1 - Hệ số kể đến chiều dài ống = 1
R - Hệ số kể đến ảnh hưởng khi uốn cong
R=
d1 0,015
1+1,77 =1+1,77
R 0,5.0,018 = 3,95 Thay vào ta có:
Nu = 0,021.(21.104)0,8.2,7430,43.1.1.3,95 = 2321,2 Vậy:
-2 1 k
1
12534 Nu.λ 2321,2.8,1.10
α = =
d 0,015 W/m2K
Xác định hệ số toả nhiệt α2
Nuf = 0,26.Re0,65f .Prf0,33.A.εs
Với: A - Hệ số kể đến ảnh hưởng chiều dòng nhiệt: A = .Coi tf = tw→ A = 1
- Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống. Coi chùm ống có 2 dãy ống song song và bước ống s = R = 35 mm.
0,15 0,15
2
s s 0,035
ε = =
d 0,018
� � � �
� � � �
� � � �
� � = 1,10
Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị:
ttb = 0,5(t1 + t1’) = 0,5(-5 +20) = 7,5 0C
Tra bảng tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 ở nhiệt độ 7,5 0C ta có:
= 1240 kg/m3; = 1,27.10-4 Ns/m2; = 9,83.10-3 W/mK; Pr = 0,99.
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau : Re =
2 2
ω .d ω.d .ρ
ν = μ = -4
2,02.0,018.1240
1,27.10 = 36,2.104 Thay vào ta có:
Nu = 0,26.(36,2.104)0,65.0,990,33.1.1,10 = 1175,8 Vậy:
3 2 k
2
642,1 Nu.λ 1175,8,83.10
α = =
d 0,018
W/m2K Thay vào công thức trên ta có hệ số truyền nhiệt:
1 2 12534 642,1
1 1
k= =
1δ+ +1 1 0,0015+ +1
α λ α 384 = 609,4 W/mK
Diện tích trao đổi nhiệt
hn tb
1,59.1000
0,142
F= Q =
k.Δt 609,4.18,4 m2
Chiều dài l của ống xoắn: l = tb F π.d , m
Trong đó: dtb = 0,5(d1+d2) = 0,5(15 + 18) = 16,5 mm Thay vào ta có: l = tb
F 0,142
π.d =3,14.0,0165 = 2,74 m
Chiều dài l1 của 1 vòng xoắn: l1 = .Dx= 3,14.0,04 = 0,1256 m Số vòng xoắn: n = 1
2,74 21,8 l =
l 0,1256 ; Chọn n = 24 vòng.