Tài liệu

Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí

Science and Technology

Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Dàn ngưng không khí được chia ra làm 02 loại : đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.

* Dàn ngưng đối lưu tự nhiên

Loại dàn ngưng đối lưu tự nhiên chỉ sử dụng trong các hệ thống rất nhỏ, ví dụ như tủ lạnh gia đình, tủ lạnh thương nghiệp. Các dàn này có cấu tạo khá đa dạng.

- Dạng ống xoắn có cánh là các sợi dây thép hàn vuông góc với các ống xoắn. Môi chất chuyển động trong ống xoắn và trao đổi nhiệt với không khí bên ngoài. Loại này hiệu quả không cao và hay sử dụng trong các tủ lạnh gia đình trước đây.

- Dạng tấm: Gồm tấm kim loại sử dụng làm cánh tản nhiệt, trên đó có hàn đính ống xoắn bằng đồng .

- Dạng panel: Nó gồm 02 tấm nhôm dày khoảng 1,5mm, được tạo rãnh cho môi chất chuyển động tuần hoàn. Khi chế tạo, người ta cán nóng hai tấm lại với nhau, ở khoảng tạo rãnh, người ta bôi môi chất đặc biệt để 02 tấm không dính vào nhau, sau đó thổi nước hoặc không khí áp lực cao (khoảng 40100 bar) trong các khuôn đặc biệt, hai tấm sẽ phồng lên thành rãnh.

Hình 6-9 : Dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ đối lưu gió tự nhiên khoảng 67 W/m2.K.

* Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức

Dàn ngưng tụ không khí đối lưu cưỡng bức được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và công nghiệp. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng ống thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc cánh sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 310mm. Không khí được quạt thổi, chuyển động ngang bên ngoài qua dàn ống với tốc độ khá lớn. Quạt dàn ngưng thường là quạt kiểu hướng trục. Mật độ dòng nhiệt của dàn ngưng không khí đạt khoảng 180  340 W/m2 , hệ số truyền nhiệt k = 30  35 W/m2.K, hiệu nhiệt độ delta t = 78oC

Trong quá trình sử dụng cần lưu ý: Dàn ngưng thường bụi bám bụi bẩn, giảm hiệu quả trao đổi nhiệt nên thường xuyên vệ sinh bằng chổi hoặc nước. Khi khí không ngưng lọt vào bên trong dàn sẽ làm tăng áp suất ngưng tụ. Cần che chắn nắng cho dàn ngưng, tránh đặt vị trí chịu nhiều bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt.

Hình 6-10 : Dàn ngưng không khí đối cưỡng bức

Ưu điểm và nhược điểm

* Ưu điểm

- Không sử dụng nước nên chi phí vận hành giảm. Điều này rất phù hợp ở những nơi thiếu nước như khu vực thành phố và khu dân cư đông đúc.

- Không sử dụng hệ thống bơm, tháp giải nhiệt, vừa tốn kém lại gây ẩm ướt khu vực nhà xưởng. Dàn ngưng không khí ít gây ảnh hưởng đến xung quanh và có thể lắp đặt ở nhiều vị trí trong công trình như treo tường, đặt trên nóc nhà vv . . .

- Hệ thống sử dụng dàn ngưng không khí có trang thiết bị đơn giản hơn và dễ sử dụng.

- So với các thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, dàn ngưng không khí ít hư hỏng và ít bị ăn mòn.

* Nhược điểm

- Mật độ dòng nhiệt thấp, nên kết cấu khá cồng kềnh và chỉ thích hợp cho hệ thống công suất nhỏ và trung bình.

- Hiệu quả giải nhiệt phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu. Những ngày nhiệt độ cao áp suất ngưng tụ lên rất cao Ví dụ, hệ thống sử dụng R22, ở miền Trung, những ngày hè nhiệt độ không khí ngoài trời có thể đạt 40oC, tương ứng nhiệt độ ngưng tụ có thể đạt 48oC, áp suất ngưng tụ tương ứng là 18,5 bar, bằng giá trị đặt của rơ le áp suất cao. Nếu trong những ngày này không có những biện pháp đặc biệt thì hệ thống không thể hoạt động được do rơ le HP tác động. Đối với dàn ngưng trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên hiệu quả còn thấp nữa.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

Có hai bài toán tinh toán thiết bị ngưng tụ : Tính kiểm tra và tính thiết kế

Tính toán thiết bị ngưng tụ là xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết để đáp ứng phụ tải nhiệt đã cho.

- Thông số ban đầu:

+ Điều kiện khí hậu nơi lắp đặt công trình

+ Loại thiết bị ngưng tụ

+ Phụ tải nhiệt yêu cầu Qk

- Thông số cần xác định : Diện tích trao đổi nhiêt, bố trí và kết cấu thiết bị ngưng tụ. Đối với bình ngưng cần thiết phải xác định cả độ dày của bình. Ngoài ra còn phải xác định lưu lượng môi chất giải nhiệt, chọn hoặc kiểm tra bơm quạt.

Các bước tính toán thiết bị ngưng tụ

Chọn loại thiết bị ngưng tụ

Khi tính toán thiết kế cần phải tiến hành chọn thiết bị ngưng tụ cho phù hợp. Việc lựa chọn dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như mức độ đáp ứng của loại thiết bị ngưng tụ, tính kinh tế, đặc điểm công trình vv…

Tính diện tích trao đổi nhiệt

(6-1)

Qk – Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W;

k – Hệ số truyền nhiệt, W/m2.K;

delta tk -Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, oK;

qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2.

a. Xác định hệ số truyền nhiệt k

Hệ số truyền nhiệt k có thể xác định theo kinh nghiệm và muốn chính xác hơn xác định theo lý thuyết. Tuy nhiên các bài toán thực tế luôn phức tạp nên thường người ta tính theo kinh nghiệm. Có thể tham khảo theo bảng dưới đây:

Bảng 6-1: Hệ số truyền nhiệt và mật độ dòng nhiệt của các loại thiết bị ngưng tụ

Do bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ rất khác nhau nên công thức xác định hệ số truyền nhiệt cũng khác nhau. Các trường hợp thường gặp là vách trụ, vách phẳng, vách trụ có cánh.

Trong trường hợp vách trụ, hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức:

(6-2)

trong đó:

alpha1, alpha2 – Hệ số toả nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2.K;

d1, d2 - Đường kính trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, mm;

lamđa- Hệ số dẫn nhiệt vật liệu ống, W/m.K .

b. Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

(6-3)

delta tmax, delta tmin- Hiệu nhiệt độ lớn nhất và bé nhất ở đầu vào và đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt

c. Xác định lưu lượng nước hoặc không khí giải nhiệt

* Lưu lượng nước

Lưu lượng nước tuần hoàn được xác định theo công thức sau:

(6-4)

Cn – Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,186 KJ/kg.K;

pn – Khối lượng riêng của nước, kg/m3, pn ≈ 1000 kg/m3;

delta tn - Độ chênh nhiệt độ của nước vào và ra thiết bị ngưng tụ, lấy delta tn = 46 oC

* Lưu lượng không khí

Lưu lượng không khí giải nhiệt được xác định theo công thức sau:

, kg/s (6-5)

CKK – Nhiệt dung riêng của không khí, CKK = 1,0 kJ/kg.K;

pKK – Khối lượng riêng của không khí, kg/m3, pKK = 1,151,2 kg/m3;

delta tKK - Độ chênh nhiệt độ của không khí vào ra thiết bị ngưng tụ, delta tn = 610 oC;

Xác định hệ số toả nhiệt về các môi trường

Xác định hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ môi chất trong thiết bị ngưng tụ

Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ môi chất trong các thiết bị ngưng tụ rất nhiều dạng và được xác định cụ thể cho từng trường hợp như sau:

* Ngưng tụ trên chùm ống trơn nằm ngang

Ngưng tụ trên chùm ống trơn nằm ngang xảy ra ở bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3. Hệ số toả nhiệt khi ngưng trong trường hợp này được tính theo công thức:

(6-6)

delta i – Hiệu entanpi của tác nhân lạnh khi vào ra bình ngưng, J/kg;

p - Khối lượng riêng của môi chất lỏng trong bình ngưng, kg/m3;

lamđa- Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng trong bình ngưng, W/m.K;

v - độ nhớt của môi chất lỏng trong bình ngưng, m2/s;

0 = tk – tw : độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, ;K

g – Gia tốc trọng trường, m/s2;

dng - Đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt, m;

w’h – Hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi tốc độ dòng hơi và màng nước từ trên xuống:

(6-7)

nz – Số hàng theo chiều thẳng đứng khi bố trí song song và một nửa số hàng khi bố trí so le.

Nếu chùm ống bố trí so le trong thân trụ thì:

(6-8)

n – Tổng số ống trong bình;

S1 và S2 – Bước ngang và bước đứng, m.

* Ngưng tụ trên chùm ống có cánh nằm ngang

Hệ số toả nhiệt khi ngưng trong trường hợp này được tính:

(6-9)

wc – Hệ số tính đến điều kiện có cánh

(6-10)

Fd, Fn – Bề mặt đứng và ngang của 1m ống có cánh, m2/m

(6-11)

(6-12)

D, dng - Đường kính đỉnh và chân cánh, m;

Sc – Bước cánh, m;

xicshma o, xicshma d – Bề dày chân và đỉnh cánh, m;

F = Fd + Fn – Tổng diện tích bề mặt ngoài của ống có cánh, m2/m;

E – Hiệu suất của cánh;

h’ – Chiều cao qui ước của cánh:

(6-13)

* Ngưng tụ trên vách đứng và bên ngoài ống đứng

- Tiêu chuẩn Re đối với trường hợp này được xác định như sau:

(6-14)

G – Lưu lượng môi chất chảy qua trên một đơn vị bề dày của lớp chất lỏng, kg/m.s;

M - Độ nhớt động lực học của tác nhân lạnh lỏng, PaS.

- Khi Re < 1600 Chảy sóng

(6-15)

H – Chiều cao bề mặt truyền nhiệt, m

Ev – Hệ số hiệu chỉnh :

(6-16)

- Khi Re > 1600 Chảy rối

(6-17)

Các thông số ở công thức trên đây đều được tính ở tK

Tích số (H.θ)th tới hạn được xác định:

(6-18)

* Ngưng tụ bên trong ống đứng và rãnh đứng

Đối với dòng hơi đứng yên có thể sử dụng các công thức giống như khi ngưng bên ngoài ống đứng ở trên. Khi dòng hơi chuyển động thì tuỳ thuộc và giá trị Re” của hơi tác nhân lạnh

- Nếu Re” = 1,2.105  4,5.106

alpha = 0,2. alphaN.(Re”)0,12.(Pr”)-0,33 (6-19)

- Nếu Re” = 4,5.106 2,5.107

alpha = 0,246. alphaN.10-3.(Re”)0,55.(Pr”)-0,33 (6-20)

Giá trị alphaN xác định theo công thức:

(6-21)

* Ngưng tụ bên trong ống nằm ngang

Người ta nhận thấy tuỳ thuộc vào tốc độ hơi ω” và đường kính trong của ống dtr mà quá trình ngưng tụ của hơi bên trong ống phân thành một trong 3 chế độ: phân lớp, quá độ và vành khăn. Chế độ phân lớp là lỏng chảy ở dưới hơi ở trên, khi tăng tốc độ hơi nó sẽ chuyển qua chế độ quá độ và sau đó chuyển qua chế độ vành khăn, lỏng bao xung quanh và hơi ở giữa ống.

Tiêu chuẩn Re” là cơ sở xác định các chế độ:

(6-22)

l – Chiều dài ống, m;

Nếu tK = 30oC thì:

Đối với NH3 : C = 0,3 ;

Đối với R12 : C = 2,1;

Đối với R22 : C=1,73

Trong bình ngưng quá trình ngưng tụ trong ống nằm ngang thường là chế độ phân lớp, (Re” < 60.103 ). Khi ngưng tụ NH3 thì :

alpha = 2100.θa-0,167.dtr-0,25 (6-23)

- Đối với môi chất frêôn ngưng tụ trong ống đồng nằm ngang có thể xác định hệ số toả nhiệt alpha khi ngưng tổng quát với C = 0,72 và l = dtr

(6-24)

- Nếu ngưng tụ trong ống xoắn nằm ngang thì:

alphax = alphaN . Ex (6-25)

Ex – Hệ số hiệu chỉnh ống xoắn:

Ex = 0,25.qtr0,15 (6-26)

qtr – Mật độ dòng nhiệt đối với bề mặt trong, w/m2

Xác định hệ số toả nhiệt về phía môi trường giải nhiệt

* Trường hợp môi chất chuyển động bên trong ống hoặc rãnh

- Chế độ chảy tầng Re < 2300

(6-27)

trong đó các tiêu chuẩn Re, Pr, Gr, Nu tính theo các công thức thông thường ở nhiệt độ xác định là nhiệt độ của môi trường.

Kích thước xác định là đường kính trong hoặc đường kính tương đương bên trong nếu đó là rãnh:

f, U – Là diện tích và chu vi tiết diện của rãnh;

Prf, Prw – Tiêu chuẩn Pr ở nhiệt độ của môi trường giải nhiệt và bề mặt trong vách ống.

Đối với không khí, do tiêu chuẩn Pr không đổi nên:

(6-28)

Hệ số El là hệ số hiệu chỉnh khi chiều dài của ống , nếu l/dt> 50 thì El = 1 nếu l/dt < 50 thì tra theo bảng dưới đây:

Bảng 6-2: Hệ số hiệu chỉnh chiều dài ống

Hệ số ER – là hệ số hiệu chỉnh khi ống bị uốn cong

(6-29)

R bán kính uốn cong của tâm ống

- Chế độ chảy rối Re > 10 4

(6-30)

Đối với không khí

(6-31)

- Chế độ chảy quá độ 2300 < Re < 10 4

Tính giống như trường hợp chảy rối nhưng nhân với hệ số hiệu chỉnh dưới đây:

Bảng 6-3: Hệ số hiệu chỉnh E qd

* Trường hợp không khí chuyển động ngang qua chùm ống

Chùm ống có thể bố trí theo kiểu song song hoặc so le.

Nu = C . Rem . Prn . Ez (6-32)

EZ – Hệ số hiệu chỉnh tính đến số dãy ống theo chiều chuyển động của không khí, nếu số dãy lớn hơn 10 thì có thể lấy bằng EZ = 1.

Bảng 6-4: Hệ số hiệu chỉnh số dãy ống E z

Kích thước xác định là đường kính ngoài, nhiệt độ xác định là nhiệt độ không khí.

Các trị số C, m và n tra theo bảng dưới đây, phụ thuộc vào chế độ chuyển động

Bảng 6-5: Các hằng số C,m và n

Trong đó, a = S1/dng và b = S2/dng

* Trường hợp không khí chuyển động ngang qua chùm ống có cánh

- Đối với cánh tròn:

(6-33)

- Các hằng số C và m xác định như sau:

Chùm ống song song : C = 0,18; m = 0,7;

Chùm ống so le : C = 0,32; m = 0,5.

- Hằng số Cz hiệu chỉnh ảnh hưởng của số hàng ống z theo chiều chuyển động của dòng không khí, tra theo bảng dưới đây:

Bảng 6-6 : Hệ số hiệu chỉnh số dãy ống Cz

- Hệ số Cs hiệu chỉnh ảnh hưởng của cách bố trí

+ Bố trí song song :

(6-34)

+ Bố trí so le

:

(6-35)

  • Chỉ số n được xác định như sau :

trong đó phi ng hệ số làm cánh bên ngoài

F, Fng – Toàn bộ diện tích bên ngoài và diện tích bề ngoài ngoài phần ống, m2/m.

- Kích thước xác định của các tiêu chuẩn được xác định như sau:

(6-36)

Fo, Fc, F – Diện tích ngoài phần ống giữa các cánh, diện tích mặt ngoài của cánh và tổng diện tích của chúng, m2;

D, dng - Đường kính ngoài của cánh và ống, m.

- Đối với cánh chữ nhật:

Khi chùm ống bố trí song song:

(6-37)

ở đây d - Đường kính tương đương, m:

(6-38)

L – Tổng chiều dài cánh theo chiều chuyển động của không khí, m;

n = 0,45 + 0,0066.L/d ;

m = -0,28 + 0,08.Re/1000;

C = A. (1,36 – 0,24.Re/1000)

Trị số A tra theo bảng sau:

Bảng 6-7: Hệ số A

Trong trường hợp bố trí so le vẫn tính như trên nhưng hệ số toả nhiệt alpha tăng thêm 10%.

* Toả nhiệt của màng nước

Khi tính hệ số truyền nhiệt của dàn ngưng kiểu tưới và bay hơi, ta gặp trường hợp trao đổi nhiệt giữa bề mặt ống trao đổi nhiệt với màng nước bao quanh. Trong trường hợp này hệ số toả nhiệt về phía màng nước được xác định như sau:

- Đối với ống nằm ngang

+ Nếu Re = 1,1 / 200 :

(6-39),

+ Nếu Re > 200:

(6-40)

Trong các công thức trên, xác định Re theo đường kính ngoài và tốc độ chuyển động trung bình của màng nước qua ống :

(6-41)

G1 – Lượng nước xối trên 1m chiều dài ống:

(6-42)

Gn – Lưu lượng nước xối tưới, kg/s;

l – Chiều dài ống, m;

Z – Số dãy ống đặt song song (nằm ngang) cùng được xối tưới;

xicshma m – Chiều dày màng nước, m.

(6-43) Kích thước tính toán : dtd = 4.xicshma m

Đối với nước có thể tính hệ số toả nhiệt theo công thức đơn giản sau:

alpha = 9750.G11/3 (6-44)

- Đối với ống đặt thẳng đứng

+ Nếu Re < 2000:

(6-45)

+ Nếu Re > 2000:

(6-46)

trong đó : Rem = 4.G1/M với

Chiều dài xác định là chiều cao ống, m;

n – Số ống;

dtr - Đường kính trong của ống, m.

* * *

Đánh giá:
0 dựa trên 0 đánh giá

Tuyển tập sử dụng module này

Nội dung cùng tác giả
 
Nội dung tương tự