TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH RESEARCHING A TYPE OF DOUBLE TUBE CONDENSER EQUIPMENT UTILISED IN REFRIGERATION SYSTEM Hồ Trần Anh Ngọc Võ Chí Chính Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Tìm hiểu tổng quan loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống sử dụng phổ biến để thấy phạm vi ứng dụng thực tế, từ ta nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết để tính toán, thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống dạng trơn ống lồng ống có cánh dọc thân để tăng cường khả trao đổi nhiệt, nâng cao hiệu ngưng tụ dẫn đến làm tăng suất lạnh cho hệ thống lạnh Trong báo đồng thời xây dựng mô hình thí nghiệm thực nghiệm hệ thống lạnh thực tế với ba loại thiết bị ngưng tụ khác tính tóan với công suất lạnh để kiểm chứng Qua nghiên cứu ta đánh giá hiệu kinh tế- kỹ thuật thiết bị nghiên cứu so với thiết bị truyền thống ABSTRACT This paper presents an overview research of the heat exchange device of double tube type commonly used now to see the scope of its application in practice, then investigates and establishes theoretical bases to calculate, design single double tube condenser with no fin and longitudinal fin double tube condenser to enhance the ability to exchange heat and improve the condensing effects to increase the capacity of refrigeration system The article also builds an experimental model of the real refrigeration system with three different types of condenser with the same refrigeration capacity for verifying Through the research, the economic-technical effects of this device compared with the traditional ones can be evaluated Đặt vấn đề Như ta biết, hệ thống lạnh thiết bị ngưng tụ bốn thiết bị chính, đóng vai trò quan trọng Nhiệm vụ thiết bị ngưng tụ ngưng tụ gas nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thá i lỏng để từ cấp lỏng môi chất sôi cho van tiết lưu Quá trình làm việc thiết bị ngưng tụ mà hiệu quả, làm ảnh hưởng đến yếu tố cụ thể sau: - Năng suất lạnh hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng lên - Nhiệt độ cuối trình nén tăng, ảnh hưởng đến dầu bôi trơn - Công nén tăng, mô tơ bị tải - Khi áp suất cao làm cho độ an toàn giảm đồng thời áp suất cao làm tác động ngừng máy nén, van an toàn hoạt động làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, chí gây độc hại đến thể người Có nhiều lọai thiết bị ngưng tụ khác nhau, nhiên khuôn khổ báo này, đề cập đến thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng hệ thống lạnh 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 Giới thiệu tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Thực tế cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo gọn gàng hiệu trao đổi nhiệt cao, chúng có ưu điểm trội sau: - Thường sử dụng để trao đổi nhiệt chất lỏng với chất lỏng với môi chất sôi hay ngưng với khả trao đổi nhiệt lớn - Cả hai môi chất chuyển động qua thiết bị chuyển động đối lưu cưỡng với tốc độ lớn nên thời gian đạt yêu cầu trao đổi nhiệt giảm xuống - Kết cấu gọn gàng, an toàn dễ chế tạo Tuy nhiên, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ống trơn có hiệu thấp, nhiều bị hạn chế, đặc biệt trường hợp ngưng tụ môi chất, ống trơn hạn chế khả ngưng tụ môi chất Mặc khác, màng ngưng hình thành hạn chế trình trao đổi nhiệt dòng bề mặt vật rắn Trong hệ thống Freon, hệ số tỏa nhiệt ngưng thấp, cần thiết phải có biện pháp để nâng cao hiệu trao đổi nhiệt, đặc biệt người ta làm cánh bên ngòai ống để tăng cường khả tỏa nhiệt phía môi chất Trong thực tế, ta có loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có dạng sau: Hình Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng hình vuông Hình Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống trơn Hình Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng ống xoắn tròn Hình Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng hình Elip Tính tóan thiết bị ngưng tụ ống lồng ống 3.1 Thiết bị ngưng tụ ống lồng dạng thẳng loại cánh Mäi cháút vaìo α2 Næåïc vaìo d1 d2 α1 Mäi cháút Hình Ống lồng ống dạng trơn Næåïc Chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nối tiếp, ống dẫn nước có đ ường k ín h tỉ lệ d /d làm đồng có hệ số dẫn nhiệt λ(W/m0K), ống đường kính D, chiều dài ống l Tính tổng diện tích truyền nhiệt F, hệ số môdun N hiệu suất thiết bị 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 1- Tính Q, t”: theo phương trình cân nhiệt: Q = G C p1 (t ’ – t ’’ ) = G Cp ( t ” – t ’ ) t1" = t1' − Q G1C p1 [1.1] [1.2] 2- Tính ΔT trung bình theo sơ đồ ngược chiều: ∆t = (t ' ) ( ) ( ) ( ) − t 2" − t1" − t 2' t1' − t 2" ln " t1 − t 2' [1.3] 3- Tính α , α theo công thức thực nghiệm tf1 = a Xác định t f1 , ω t f2 , ω : Tốc độ môi chất : ω1 = ) [1.4] 4G1 πρ1d12 [1.5] G2 4G2 = f ρ π D − d 22 ρ Tốc độ nước lạnh đi: ω2 = b Tính α1: ( ' " t1 + t1 ( Ref = ) [1.6] ω1d1 γ1 [1.7] Pr f  0.43  Ở chế độ chảy rối: Nu = 0, 21.Re0.8   εl f Pr f Pr  w α1 = Từ suy : λ1 d1 Nu f1 [1.8] [1.8.1] c Tính α : Vì ống mỏng, λ lớn, coi t W1 = t W2 → Pr W2 = 3,5 Đường kính tương đương hình xuyến D/d là: 4f d td = = u Re2 = ω2 d td γ2 π (D − d 22 π (D + d ) ) = (D − d ) Từ ta suy chế độ chảy môi chất Công thức thực nghiệm tính α chảy rối ống lồng D/d d tđ : 18 [1.9] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 4f d td = = u π (D − d 22 π (D + d ) ) Suy được: = (D − d ) Re = ω2d td ν2 Công thức tính α chảy rối ống lồng D/d có dạng: N uf = 0,017 Re 0.8 f D Pr    d2  0.4 f 0.18  Pr f     Prw  Từ α suy sau: α = [1.10] λ2 Nu f d2 [1.11] 3.2 Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng thẳng loại có cánh dọc thân Hơi môi chất cao áp trạng thái nhiệt từ đầu đẩy máy nén đưa vào ống ngòai, thông qua bề mặt cánh nhả nhiệt, ngưng tụ thành lỏng, sau trở nên lạnh Do có cánh bề mặt nên s ẽ tạo rối dòng chảy, xuất tâm ngưng nên khả ngưng tụ diễn tốt Hơi môi chất vào Hơi môi chất vào B B-B Nước Cánh dọc thân B Nước vào vào Nước Lỏng môi chất Hình Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh dọc thân Do có cánh dọc thân nên bề mặt trao đổi nhiệt lớn, khả trao đổi nhiệt lớn , có khả tạo rối không cản dòng chuyển động môi chất Tính toán: - Xác định hệ số truyền nhiệt K thiết bị ngưng tụ: k= Qk G C ∆t G.q k , W / m K = n n n = F.∆t F.∆t F.∆t [2.1] - Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit: ∆t1 − ∆t2 (t1 − t1'' ) − (t2' − t2" ) = ' ∆t t − t '' ln ln 1' 1" ∆t2 t2 − t2 ' ∆t = t f − t f = [2.2] - Xác định lượng nhiệt trao đổi thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh: 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 ql = t f1 − t f , [W / m] r 1 + ln c + 2πr1α1 2πλ r1 α F2 l [2.3] - r c : bán kính ngòai tương đương ống trụ có cánh ngòai, có giá trị bằng: rc = r2 + n.l.(δ + δ ) / 2π - δ , δ : Là chiều dày gốc cánh đỉnh cánh - F 2l : diện tích 1m mặt ống có cánh: F2l = 2π r2 − n(δ − δ ) + n 4l + (δ − δ ) * Áp dụng tính tóan cho máy lạnh cấp Ta áp dụng tính tóan cho hệ thống lạnh có công suất lạnh tương ứng 9000BTU/h ( 2725 w), hệ thống lạnh này, máy nén thiết bị phụ c ta giữ nguyên không đổi, ta tính tóan, thiết kế chế tạo để áp dụng ba loại thiết bị ngưng tụ khác sử dụng hệ thống là: thiết bị ngưng tụ kiểu dàn không khí đối lưu cưỡng nhờ quạt, thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống kiểu trơn thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống kiểu ống có cánh dọc thân Ta xây dựng mô hình thí nghiệm sau: Dàn ngưng tụ không khí TBNT ống lồng có cánh TBNT ống lồng cánh Bình tách dầu Bình chứa cao áp Van tiết lưu Bình tách lỏng Máy nén Thiết bị bay Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh thí nghiệm Sau tính tóan thiết kế, chế tạo hệ thống lạnh đưa vào họat động, đồng thời thí nghiệm đo đạc thực tế ta có bảng thống kê đại lượng thu sau: 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 TT 10 11 12 BẢNG TỔNG KẾT THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC Ký Đơn Ghi Đại lượng Sl Giá trị hiệu vị Công suất lạnh P Btu/h 9000 Công suất điện máy nén Pw w 735,6 Lưu lượng gió thổi qua Indoor G i m3/ph Lưu lượng gió thổi qua Outdoor G m /ph 20 Dòng điện I Ampe 4.1 Đối với dàn ngưng không khí: - Chiều dài ống L m 7,04 - Số cánh trao đổi nhiệt N Cánh 298 - Kích thước cánh R/C/D mm 35/330/0,3 - Đường kính uốn cong rc m 25 d 9,5 - Đường kính ống m - Chiều dày ống δ mm 0,7 - Số pass n p Đường 16 - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m 0,29004 - Sm Đối với dàn ống lồng ống trơn: - Đường kính ống ngòai D mm 22,7 - Đường kính ống D mm 12,7 - Chiều dày ống δt mm 0,6 - Chiều dày ống ngòai δ n mm 1,1 - Hệ số dẫn nhiệt 21,2 λ w/m0K - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu 4300 α w/m2 K m - Chiều dài ống Lt 2,70 m - Chiều dài ống ngòai Ln 3,12 m - Bán kính cong cút nối rc 0,058 m2 - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Sm 0,1604 Đối với dàn ống lồng ống có cánh: - Đường kính ống ngòai D mm 28,8 - Đường kính ống D mm 19,9 - Đường kính Trung bình ống có cánh D c mm 21,2 - Chiều cao cánh mm 3,2 L - Bước cánh S mm 1,81 - Chiều dày cánh δ mm 0,6 - Chiều dày ống δt mm 1,02 - Chiều dày ống ngòai δn mm 1,12 - Hệ số dẫn nhiệt λ w/m0K 21,2 α w/m K - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu 6432 - Chiều dài ống Lt m 2,12 - Chiều dài ống ngòai Ln m 1,92 rc - Bán kính cong cút nối m 0,066 - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Sm m2 0,12 Nhiệt độ nước lạnh vào t’ f2 C 26 Nhiệt độ nước lạnh t” f2 C 29 Áp suất hút P h Atm 3,2 Áp suất đẩy dàn ngưng không khí P đkk Atm 13,4 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 13 Áp suất đẩy với dàn ngưng ống lồng trơn 14 Áp suất đẩy với dàn ngưng ống lồng có cánh Nhiệt độ môi chất vào dàn ngưng không 15 khí dàn ống lồng ống 16 Nhiệt độ gas khỏi dàn ngưng không khí Nhiệt độ gas môi chất khỏi dàn ngưng 17 ống lồng ống trơn Nhiệt độ gas môi chất khỏi dàn ngưng 18 ống lồng ống có cánh 19 Tốc độ nước bơm ống P đt P đc t’ f11 t’ f12 t” f11 Atm Atm 13,09 12,5 52 50 t” f12 49 t” f13 C 47 m/s 18 ω C C C Kết luận - Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống, đặc biệt ống lồng ống có cánh có kết cấu nhỏ gọn mà hiệu trao đổi nhiệt lại cao - Với công suất lạnh nhau, thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh có diện tích trao đổi nhiệt nhỏ hệ số tỏa nhiệt đối lưu α lớn so với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trơn thiết bị ngưng tụ không khí đối lưu cưỡng - So với loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trơn loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh có khả tạo rối mạnh tạo tâm ngưng trình chuyển pha ngưng tụ đẳng nhiệt đẳng áp, có khả trao đổi nhiệt tốt, tăng cường khả ngưng tụ môi chất lạnh không gian hình xuyến ống lồng ống, góp phần nâng cao suất lạnh hệ thống lạnh, tăng hiệu suất làm việc, điều có nghĩa góp phần vào việc giảm giá thành sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đinh Văn Thuận , PGS.TS Võ Chí Chính (2005), HỆ THỐNG MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] PGS.TS Bùi Hải, KS.Dương Đức Hồng , Th.S.Hà Mạnh Thư (1999), THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT, Nhà xuất Khoa học Kỹ thụât, Hà Nội [3] PGS.TS Nguyễn Bốn (2005), TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT , Nhà xuất Đà Nẵng [4] TS Lê Quý Kỳ , PGS.TS Hoàng Đình Tín (1990), CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN NHIỆT, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [5] GS.TS.Đặng Quốc Phú, PGS.TS Trần Thế Sơn, PGS.TS Trần Văn Phú (1999), TRUYỀN NHIỆT, Nhà xuất Giáo dục 22