Tài liệu Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng trong kỹ thuật lạnh

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn, sự giúp đỡ của các cơ quan, các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp…Các số liệu, hình ảnh và kết quả nghiên cứu là hoàn toàn trung thực và tin cậy. Những vấn đề được trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo, những kết quả trình bày trong luận án chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật cũng như đạo đức khoa học về lời cam đoan này. Tác giả luận án HỒ TRẦN ANH NGỌC ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i MỤC LỤC..................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ QUI ĐỊNH............................................ii BẢNG KÝ HIỆU QUI TẮC .....................................................................................x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...........................................................................xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................xiv MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3 4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3 5. Bố cục của luận án ..................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................................ 6 1.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH ........ 6 1.1.1. Vai trò của thiết bị ngưng tụ ............................................................................... 6 1.1.2. Phân loại thiết bị ngưng tụ:................................................................................. 6 1.1.2.1. Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước .......................................................... 6 1.1.2.2. Dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng nước ........................................................... 8 1.1.2.3. Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí ....................................................... 9 1.2.TỔNG QUAN VỀ ỐNG CÓ CÁNH VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG CÓ CÁNH ........................................................................................ 14 1.2.1. Chủng loại ống có cánh và chế tạo ống có cánh ............................................ 14 1.2.1.1. Ống có cánh ngang ................................................................................... 15 1.2.1.2. Ống có cánh nan hoa................................................................................. 16 1.2.1.3. Ống có cánh dọc thân bên trong và bên ngòai ống ............................... 17 1.2.1.4. Ống có cánh đặc biệt ................................................................................. 18 iii 1.2.1.5. Giới thiệu công nghệ chế tạo ống có cánh ............................................. 19 1.2.2. Tổng quan về thiết bị TĐN ống lồng ống ....................................................... 20 1.2.2.1. Các chủng loại ống lồng ống ................................................................... 20 1.2.2.2. Cấu tạo và phân loại các thiết bị ống lồng ống ..................................... 23 1.2.3. Tình hình sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ........................ 28 1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu ống lồng ống trong nước và trên thế giới ......... 28 1.2.3.2. Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trong thực tế ............... 33 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI NGƯNG CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH ............................................................ 35 2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .................................................................................... 36 2.2. MÔI CHẤT LẠNH VÀ MÔI CHẤT LẠNH MỚI ............................................... 36 2.2.1. Các môi chất lạnh truyền thống ....................................................................... 36 2.2.2. Môi chất lạnh mới thay thế ............................................................................... 37 2.2.2.1. Các môi chất lạnh đề nghị thay thế ......................................................... 37 2.2.2.2. Tính chất cơ bản của một số môi chất lạnh mới .................................... 37 2.3. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CỦA NƯỚC KHI CHUYỂN ĐỘNG BÊN TRONG VÀ BÊN NGOÀI ĐƯỜNG ỐNG............................................ 39 2.3.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................... 39 2.3.1.1. Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức khi môi chất chuyển động trong ống ..... 39 2.3.1.2. Tỏa nhiệt đối lưu khi môi chất chuyển động cưỡng bức ngoài ống .... 40 2.3.2. Kết quả xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu ......................................................... 40 2.3.2.1. Khi nước chuyển động bên trong đường ống ......................................... 40 2.3.2.2. Khi nước chuyển động bên ngoài đường ống......................................... 42 2.4. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU KHI NGƯNG CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH..................................................................................................................... 44 2.4.1. Mục đích ............................................................................................................. 44 2.4.2. Các cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 45 2.4.2.1. Ngưng tụ bên ngoài chùm ống trơn nằm ngang ................................... 45 2.4.2.2. Ngưng tụ bên ngoài chùm ống có cánh nằm ngang ............................. 45 iv 2.4.2.3. Ngưng tụ bên trong ống đứng và rãnh đứng .......................................... 46 2.4.2.4. Ngưng tụ bên trong ống nằm ngang ........................................................ 46 2.4.3. Kết quả xác định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng ................................................... 47 2.4.3.1. Kết quả xác định các thông số nhiệt vật lý của các môi chất............... 47 2.4.3.2 Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng bên ngoài ống đơn ....................................... 48 2.4.3.3. So sánh hệ số tỏa nhiệt khi ngưng bên ngoài ống đơn......................... 52 2.4.4. Xác định tỉ lệ diện tích TĐN làm cánh hợp lý khi sử dụng nước làm môi chất giải nhiệt đi trong ống, môi chất lạnh đi ngoài ống đơn............................... 53 2.4.5. Kết luận và so sánh ............................................................................................ 55 2.4.5.1. So sánh và nhận xét ................................................................................... 55 2.4.5.2. Kết luận ....................................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TĐN KHI NGƯNG TỤ CỦA MÔI CHẤT................................................. 56 3.1. QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA HƠI MÔI CHẤT ............................................. 56 3.1.1. Mô hình lưu lượng dòng chảy hai pha trong ống dọc ................................... 57 3.1.2. Mô hình lưu lượng dòng chảy hai pha trong ống nằm ngang ...................... 58 3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ ...................................................... 59 3.2.1. Quá trình tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi .................................................. 60 3.2.2. Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua chùm ống ................. 61 3.2.3. Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua ống đặt đứng ........... 62 3.2.4. Tỏa nhiệt khi ngưng của hơi chuyển động trong ống nằm ngang ............... 62 3.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI NGƯNG.............................................................................................................................. 63 3.3.1. Ảnh hưởng của hơi quá nhiệt ........................................................................... 63 3.3.2. Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt ..................................................................... 63 3.3.3. Ảnh hưởng của khí không ngưng lẫn trong hơi ............................................. 64 3.3.4. Ảnh hưởng của tốc độ và hướng chuyển động của dòng hơi ....................... 64 3.3.5. Ảnh hưởng của cách bố trí bề mặt ngưng ....................................................... 65 3.4. KẾT LUẬN ................................................................................................................ 66 v CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG ...................................................................................................................... 67 4.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .......................................... 67 4.1.1. Các yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị trao đổi nhiệt ................................. 67 4.1.1.1. Qui định về các dòng trao đổi nhiệt ........................................................ 67 4.1.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chung cho TBTĐN ............................................... 68 4.1.1.3. Các nguyên tắc lựa chọn môi chất .......................................................... 68 4.1.1.4. Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy trong ống ..................................... 69 4.1.1.5. Chọn tốc độ dòng môi chất ....................................................................... 69 4.1.2. Phương trình cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) ........................... 69 4.1.2.1. Phương trình cân bằng nhiệt (CBN) ....................................................... 69 4.1.2.2. Phương trình truyền nhiệt ......................................................................... 70 4.1.3. Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt ............................................................... 72 4.1.3.1. Các bước tính thiết kế thiết bị TĐN ......................................................... 72 4.1.3.2. Tính thiết kế nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt................................................. 73 4.2. TÍNH TOÁN NHIỆT CHO CÁC LOẠI ỐNG CÓ CÁNH .................................. 73 4.2.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán truyền nhiệt qua vách trụ.................................. 73 4.2.1.1. Vách trụ không có cánh ............................................................................. 73 4.2.1.2. Vách trụ có cánh ........................................................................................ 74 4.2.1.3. Phương pháp tính vách trụ mới............................................................... 75 4.2.2. Tính truyền nhiệt của các ống vách trụ có cánh ngang thân......................... 76 4.2.2.1. Vách trụ có cánh ngang thân .................................................................... 76 4.2.2.2. Lập công thức tính truyền nhiệt qua vách trụ có cánh ngang.............. 77 4.2.3. Tính truyền nhiệt của các ống vách trụ có cánh dọc thân ............................. 79 4.2.3.1. Vách trụ có cánh dọc thân ........................................................................ 79 4.2.3.2. Lập công thức tính truyền nhiệt qua vách trụ có cánh dọc .................. 79 4.2.4. Tính truyền nhiệt của các loại ống vách trụ có cánh xoắn ............................ 81 4.2.4.1. Vách trụ có cánh xoắn dọc thân ............................................................... 81 4.2.4.2. Lập công thức tính truyền nhiệt qua vách trụ có cánh xoắn ................ 82 vi 4.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN TÍNH ỐNG LỒNG ỐNG ....................... 84 4.3.1. Tính toán cho thiết bị TĐN kiểu ống lồng ống trơn ...................................... 84 4.3.1.1. Mô hình tổng quát của ống lồng ống trơn .............................................. 84 4.3.1.2. Phương trình tính tóan .............................................................................. 85 4.3.1.3. Phương trình truyền nhiệt ......................................................................... 86 4.3.2. Tính toán cho TBTĐN kiểu ống lồng ống có cánh ngang ............................ 87 4.3.2.1. Mô hình tổng quát của ống lồng ống có cánh ngang ............................ 87 4.3.2.2. Phương trình tính toán .............................................................................. 88 4.3.2.3. Phương trình truyền nhiệt ......................................................................... 91 4.3.3. Tính tóan cho TBTĐN kiểu ống lồng ống có cánh thẳng dọc thân ............. 92 4.3.3.1. Mô hình tổng quát ống lồng có cánh thẳng hình thang dọc thân ........ 92 4.3.3.2. Phương trình tính toán ............................................................................. 93 4.3.3.3. Phương trình truyền nhiệt ......................................................................... 96 4.3.4. Tính toán cho TBTĐN kiểu ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân .............. 97 4.3.4.1. Mô hình tổng quát của ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân .............. 97 4.3.4.2. Phương trình toán ...................................................................................... 98 4.3.4.3. Phương trình truyền nhiệt ....................................................................... 103 4.4. KẾT LUẬN .............................................................................................................. 104 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THIẾT BỊ ỐNG LỒNG ỐNG .................................................................................................................... 105 5.1. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG. .......................... 105 5.1.1. Mục đích thí nghiệm........................................................................................ 105 5.1.2. Thiết bị thí nghiệm........................................................................................... 105 5.1.3. Các bước thí nghiệm và kết quả đo đạc ........................................................ 108 5.1.3.1. Các bước thí nghiệm................................................................................ 108 5.1.3.2. Kết quả đo đạc.......................................................................................... 109 5.1.4. Xác định hệ số truyền nhiệt ............................................................................ 110 5.1.4.1. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 110 vii 5.1.4.2. Kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt ống lồng ống .............................. 112 5.1.5. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết hệ số truyền nhiệt của thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh ........................................................................ 113 5.1.5.1. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 113 5.1.5.2. Kết quả tính toán và so sánh .................................................................. 115 5.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG LỒNG ỐNG. ............................. 116 5.2.1. Mục đích thí nghiệm........................................................................................ 116 5.2.2. Thiết bị thí nghiệm........................................................................................... 116 5.2.2.1. Mô tả chung hệ thống thiết bị thí nghiệm ............................................. 116 5.2.2.2. Thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm .................................................... 121 5.2.3. Các bước thí nghiệm........................................................................................ 123 5.2.3.1. Các thông số, đại lượng, thiết bị thay đổi khi thí nghiệm................... 123 5.2.3.2. Các thông số cần phải đo đạc ................................................................ 123 5.2.4. Kết quả đo đạc .................................................................................................. 124 5.2.4.1. Kết quả đo đạc chung .............................................................................. 124 5.2.4.2. Kết quả đo đạc khi thí nghiệm với môi chất lạnh freon R12 .............. 125 5.2.4.3. Kết quả đo đạc khi thí nghiệm với môi chất lạnh freon R134a.......... 126 5.2.5. Xác định hệ số truyền nhiệt ........................................................................... 126 5.2.5.1. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 126 5.2.5.2. Tính toán ................................................................................................... 128 5.2.5.3. Kết quả tính toán ...................................................................................... 129 5.2.5.4. Nhận xét và kết luận ................................................................................ 132 5.3. GIẢI PHÁP VỆ SINH ỐNG LỒNG ỐNG VÀ GIẢI THOÁT LỎNG NGƯNG GIẢI PHÓNG BỀ MẶT TĐN. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DHEX ĐỂ TÍNH TOÁN TBTĐN ỐNG LỒNG ỐNG. ................................................................. 134 5.3.1. Giải pháp vệ sinh và giải thoát lỏng ngưng ống lồng ống .......................... 134 5.3.1.1. Giải pháp vệ sinh cho thiết bị ngưng tụ ống lồng ống ........................ 134 5.3.1.2. Giải pháp giải thoát lỏng ngưng tụ cho TBNT ống lồng ống............. 135 viii 5.3.2. Ứng dụng phần mềm DHEX để tính toán TBTĐN ống lồng ống ............. 136 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ...................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 140 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 154 ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ QUI ĐỊNH AFM Kính hiển vi nguyên tử lực (Atomic force microscope) BH Bay hơi C Chế độ điều hòa không khí ( Air conditioning) CBN Cân bằng nhiệt ĐHKK Điều hòa không khí F Chế độ lạnh sâu ( Freezing) KK Không khí M Chế độ lạnh trung bình ( Medium Cooling) MC Môi chất MCL Môi chất lạnh NT Ngưng tụ ODP Chỉ số phá vỡ tầng ôzôn (Ôzôn Depletion Potential) OLO Ống lồng ống PRC Chỉ số phản ứng quang hóa (Photos Reaction Chemical) SFA Thiết bị đo lực căng trên bề mặt (Surface Force Apparatus) TBNT Thiết bị ngưng tụ TBTĐN Thiết bị trao đổi nhiệt TĐN Trao đổi nhiệt TLV Giới hạn độc hại cho phép (Toxicity Limit Value) TN Truyền nhiệt * Chưa biết x BẢNG KÝ HIỆU QUI TẮC STT KÝ HIỆU TÊN ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ 1 c Nhiệt dung riêng kJ/kg 2 e Exergie riêng kJ/kg 3 E Exergie 4 i Entanpi riêng 5 I Entanpi 6 l Công nén riêng 7 p Áp suất bar 8 t Nhiệt độ o 9 s Entropi riêng 10 ρ Khối lượng riêng của môi chất 11 z Tỷ số áp suất - 12 ε Hệ số lạnh - 13 ζ Hiệu suất exergie - 14 v Thể tích riêng m3/kg 15 q Nhiệt lượng riêng kJ/kg 16 ω Vận tốc m/s 17 V Lưu lượng thể tích m3/s 18 G Lưu lượng khối lượng môi chất chảy kg/s 19 d Đường kính 20 Δi Hiệu entanpi của tác nhân lạnh 21 λ Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng 22 ν Độ nhớt động lực của môi chất lỏng m2/s 23 μ Độ nhớt động học của môi chất lỏng m2/s 24 dng Đường kính đỉnh và chân cánh m 25 Sc Bước cánh m kJ kJ/kg kJ kJ/kg C kJ/kg.K kg/m3 m kJ/kg W/m.K xi 26 δo Bề dày chân cánh m 27 δd Bề dày chân đỉnh cánh m 28 E Hiệu suất của cánh - 29 h’ Chiều cao qui ước của cánh m 30 εx Hệ số hiệu chỉnh ống xoắn - 31 tw1 Nhiệt độ trên bề mặt trong vách o 32 F Diện tích bề mặt vách m2 33 g Gia tốc trọng trường m/s 34 Qk Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ. 35 k Hệ số truyền nhiệt W/m2.K 36 qkf Mật độ dòng nhiệt W/m2 37 R Bán kính uốn cong của tâm ống m 38 f Diện tích của rãnh m2 39 U Chu vi tiết diện của rãnh m 40 Q Nhiệt lượng kJ 41 τ Thời gian chạy máy s 42 o Bay hơi ( Nhiệt độ T, áp suất P) - 43 tg Trung gian ( Nhiệt độ T, áp suất P) - 44 CA, HA Cao áp, Hạ áp ( Nhiệt độ T, áp suất P) - 45 E Hiệu suất của cánh - 46 λ Hệ số cấp - 47 k Ngưng tụ ( Nhiệt độ T, áp suất P) - C 2 W xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Bảng thống kê các đặc điểm của các loại thiết bị ngưng tụ 10 2.1 Mức độ tác hại của các CFC 37 2.2. Bảng môi chất lạnh mới thay thế 37 2.3. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống φ21/27 41 2.4. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống φ31/38 41 2.5. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động ngoài ống φ21/27 43 2.6. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động ngoài ống φ31/38 43 2.7. Kết quả xác định thông số nhiệt vật lý của các môi chất 47 2.8. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R12, W/m2.K 48 2.9. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R22, W/m2.K 48 2.10. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R502, W/m2.K 49 2.11. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của NH3, W/m2.K 50 2.12. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R134a, W/m2.K 50 2.13. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R404a, W/m2.K 51 2.14. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R407C, W/m2.K 52 2.15. Tổng hợp hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của các môi chất, W/m2.K ở tk = 35oC 2.16. 52 Tỉ lệ diện tích làm cánh so với diện tích bên trong ống có đường kính φ21/27 ứng với các loại môi chất lạnh khác nhau ở nhiệt độ nước 35oC. 2.17. 54 Tỉ lệ diện tích làm cánh so với diện tích bên trong ống có đường kính φ31/38 ứng với các loại môi chất lạnh khác nhau ở nhiệt độ nước 35oC. 54 4.1. Công thức tính F2,V2, rc cho các loại vách trụ có cánh ngang 78 4.2. Công thức tính u2, f2 và rc cho các loại vách trụ cánh dọc 80 xiii 4.3. Công thức tính F2, V2 và rc cho các loại vách trụ cánh xoắn đặc biệt 83 5.1. Các kích thước ống cơ bản của mô hình thí nghiệm 106 5.2. Kết quả đo ở thiết bị TĐN ống lồng ống trơn với lưu lượng nước lạnh không đổi GL = 500 kg/h 5.3. Bảng 5.3. Kết quả đo ở thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh với lưu lượng nước lạnh không đổi GL= 500 kg/h 5.4. 110 110 Hệ số truyền nhiệt K (W/m2.K) của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống loại trơn và loại có cánh 112 5.5. Dòng nhiệt trao đổi của thiết bị TĐN ồng ống Q, W. 113 5.6. So sánh hệ số truyền nhiệt K giữa lý thuyết và thực nghiệm 115 5.7. Các thông số đặc trưng mô hình thí nghiệm thực nghiệm. 120 5.8. Kết quả chung khi thí nghiệm, đo đạc được đối với hai hệ thống lạnh 5.9. Kết quả thí nghiệm, đo đạc được đối với hệ thống lạnh khi sử dụng môi chất lạnh freon R12 5.10. 130 Kết quả xác định k đối với hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh freon R134a ở các thời điểm khác nhau trong ngày. 5.14. 129 Kết quả xác định q đối với hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh freon R12 ở các thời điểm khác nhau trong ngày. 5.13. 126 Kết quả xác định K đối với hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh freon R12 ở các thời điểm khác nhau trong ngày. 5.12. 125 Kết quả thí nghiệm, đo đạc được đối với hệ thống lạnh khi sử dụng môi chất lạnh freon R134a 5.11. 124 131 Kết quả xác định mật độ dòng nhiệt q đối với hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh freon R134a ở các thời điểm khác nhau trong ngày. 131 xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình vẽ Trang 1.1. Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang NH3 6 1.2. Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang freon 7 1.3. Thiết bị ngưng tụ ống chùm thẳng đứng 7 1.4. Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 7 1.5. Thiết bị ngưng tụ dạng tấm bản 8 1.6. Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi 8 1.7. Dàn ngưng đối lưu tự nhiên 9 1.8. Dàn ngưng không khí đối lưu cưỡng bức 9 1.9. Ống có cánh thẳng ngang 15 1.10. Ống có cánh thẳng ngang liên tục 16 1.11. Các sản phẩm ống có cánh nan hoa 16 1.12. Các sản phẩm ống có cánh khác nhau 17 1.13. Các loại ống có cánh tản nhiệt dọc thân bên ngoài ống 17 1.14. Các loại ống có cánh tản nhiệt dọc thân bố trí bên trong 18 1.15. Các sản phẩm có cánh đặc biệt khác nhau 19 1.16. Các chủng loại ống có cánh khác nhau 19 1.17. Các quá trình gia công chế tạo ống có cánh 20 1.18. Các Module ống lồng ống thằng đơn 21 1.19. Ghép nối các module ống lồng ống thẳng 21 1.20. Ống lồng ống hình tròn xoắn 22 1.21. Ống lồng ống hình dạng elipse xoắn 22 1.22. Ống lồng ống dạng hình vuông, chữ nhật xoắn 23 1.23. Ống lồng ống trơn dạng thẳng 23 1.24. Môi chất chuyển động trong ống lồng ống thẳng 24 1.25. Cách chế tạo ống lồng ống trơn dạng thẳng 25 xv 1.26. Ống lồng ống dạng thẳng có cánh ngang 25 1.27. Ống lồng ống dạng thẳng có cánh dọc thân 26 1.28. Cách chế tạo ống lồng ống có cánh dọc thân 26 1.29. Ống có cánh xoắn dọc thân 27 1.30. Ống lồng ống bên trong có cánh xoắn dọc thân 27 1.31. TN ống lồng ống ở trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng 28 1.32. Thiết bị thí nghiệm hệ thống lạnh ống lồng ống tại khoa Lắp đặt hệ thống trường Đại học kỹ thuật xây dựng TUCEB- 1.33. 1.34. 1.35. Bucharest, Romania. 29 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn loại xoắn (a) Lực mao dẫn giữa phép đo bề mặt của bạch kim với hơi n- heptane. (b) Lực kéo được đo giữa áp suất hơi khác nhau và so sánh với sự phụ thuộc của lực phân tử Van der Waals. Đồ thị thể hiện chiều dài ngưng tụ so với cường độ ứng suất 30 KI ở ba chế độ độ ẩm tương đối khác nhau (RH). 1.36. 31 32 Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm, máy lạnh công nghiệp. 33 1.37. Thiết bị thanh trùng UHT dạng ống lồng ống 34 2.1. Mức độ làm nóng Trái đất của các chất 36 2.2. Môi chất chảy ngang qua ống 40 2.3. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống φ21/27 41 2.4. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống φ31/38 42 2.5. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động ngoài ống φ21/27 43 2.6. Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động ngoài ống φ31/38 44 2.7. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R12, W/m2.K 48 2.8. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R22, W/m2.K 49 2.9. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R502, W/m2.K 49 2.10. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của NH3, W/m2.K 50 xvi 2.11. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R134a, W/m2.K 51 2.12. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R404A, W/m2.K 51 2.13. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R407C, W/m2.K 52 2.14. So sánh hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của các môi chất lạnh, W/m2.K 53 2.15. Trao đổi nhiệt giữa nước và môi chất lạnh 53 3.1. Mô hình dòng môi chất hai pha trong ống thẳng đứng 57 3.2. Mô hình dòng môi chất 2 pha trong ống nằm ngang 58 3.3. Các chế độ dòng chảy 59 3.4. Ngưng màng và ngưng giọt 60 3.5. Tỏa nhiệt khi ngưng hơi chuyển động trong ống ngang 62 3.6. Ngưng hơi trên bề mặt ống chùm nằm ngang 65 3.7. Sự giảm cường độ α của các dãy ống 65 4.1. Qui định dòng trao đổi nhiệt 67 4.2. Dòng trao đổi song song ngược chiều Δt ↑↓ 71 4.3. Dòng trao đổi song song thuận chiều Δt ↑↑ 72 4.4. Mặt cắt vuông góc với trục vách trụ có cánh 75 4.5. Truyền nhiệt qua vách trụ có cánh ngang. 76 4.6. Quy đổi vách trụ có cánh ngang thành vách trụ không cánh có cùng chiều dài 77 4.7. Vách trụ có cánh dọc với mặt cắt vuông góc với trục 79 4.8. Quy đổi vách trụ có cánh dọc thành vách trụ không cánh có cùng chiều dài, bán kính mặt trong và thể tích. 80 4.9. Vách trụ cánh xoắn hình thang. 82 4.10. Ống lồng ống trơn 84 4.11. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn 84 4.12. Ống lồng ống có cánh ngang 87 4.13. Thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh ngang hình thang 88 xvii 4.14. Ống lồng ống có cánh thẳng dọc thân 93 4.15. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có cánh dọc thân 93 4.16. Ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân 97 4.17. Thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh xoắn dọc thân 98 4.18. Quy đổi vách trụ cánh xoắn thành vách trụ không cánh có cùng chiều dài, bán kính mặt trong trong và thể tích 100 4.19. TBTĐN ống lồng ống bên trong có cánh xoắn dọc thân 101 5.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm 106 5.2. Hình ảnh thiết bị thí nghiệm ống lồng ống. 107 5.3. Trao đổi nhiệt ống lồng ống thẳng 111 5.4. Hệ số truyền nhiệt k (W/m2.K) của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống không có cánh và có cánh 112 5.5. Kết cấu của thiết bị thí nghiệm ống lồng ống có cánh 114 5.6. Kết quả so sánh hệ số truyền nhiệt K giữa tính toán lý thuyết 5.7. và thực nghiệm Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh sử dụng các loại thiết bị ngưng tụ khác nhau. 117 5.8. Dàn ngưng không khí 117 5.9. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống dạng thẳng trơn 118 5.10. Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống có cánh ngang 119 5.11. Hình ảnh hệ thống lạnh thí nghiệm sử dụng các loại thiết bị ngưng tụ khác nhau 119 5.12. Nhiệt kế nhiệt điện trở 121 5.13. Đồ thị so sánh hệ số truyền nhiệt k của các dàn ngưng tụ khác nhau ở các thời điểm trong ngày khi sử dụng R12 130 Đồ thị so sánh mật độ dòng nhiệt q giữa các dàn ngưng tụ khác nhau ở các thời điểm trong ngày khi sử dụng R12. 130 Đồ thị so sánh hệ số truyền nhiệt k của các dàn ngưng tụ khác nhau ở các thời điểm trong ngày khi sử dụng R134a 131 Đồ thị so sánh mật độ dòng nhiệt q giữa các dàn ngưng tụ khác nhau ở các thời điểm trong ngày khi sử dụng R134a 132 5.14. 5.15. 5.16. 115 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong giai đoạn hiện nay, khi mà các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng khan hiếm và trở nên gần cạn kiệt, thì vấn đề tiết kiệm năng lượng càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Đi đôi với việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để thay thế, cần phải biết sử dụng có hiệu quả các nguồn năng lượng, giảm các tổn thất bằng cách đưa ra các mô hình thiết bị có hiệu quả làm việc cao hơn. Các thiết bị trao đổi nhiệt cần có kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, tiêu tốn ít nguyên vật liệu nhưng công suất truyền nhiệt lớn. Do vậy các thiết bị trao đổi nhiệt có cánh ngày càng được sử dụng phổ biến và có nhiều hình dáng đa dạng, đặc biệt là trong các hệ thống lạnh. Cho nên những lý do chính để tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh sử dụng trong kỹ thuật lạnh” này là: - Trong các hệ thống thiết bị nhiệt lạnh, thiết bị trao đổi nhiệt là một trong những thiết bị quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động chung của toàn bộ hệ thống. Vì vậy nghiên cứu tăng cường hiệu quả làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt là một trong những hướng mà người ta cần phải quan tâm. - Trong thiết bị trao đổi nhiệt, để tăng cường khả năng truyền nhiệt trong một số trường hợp không thể tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu α và độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vách và môi trường Δt = (tw - tf), thì biện pháp áp dụng phổ biến và có hiệu quả là tăng cường diện tích trao đổi nhiệt F bằng cách gắn thêm cánh trên bề mặt tỏa nhiệt, các cánh này được gắn về phía môi chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α nhỏ mà chúng ta thường thấy với nhiều hình dáng khác nhau trên một số thiết bị như: cyclo, stato, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, thiết bị hoàn nhiệt, các thiết bị điện tử . . . - Các thiết bị trao đổi nhiệt, nhất là thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn, không có cánh để tăng cường cho quá trình tỏa nhiệt đối lưu, không tạo rối cho dòng môi chất chuyển động trong ống, do đó hiệu quả trao đổi nhiệt ít nhiều còn bị hạn chế. 2 - Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có kết cấu rất nhỏ gọn mà hiệu quả trao đổi nhiệt khá cao nên rất thiết thực trong việc ứng dụng vào trong các hệ thống lạnh dân dụng, công nghiệp, hệ thống điều hoà không khí cục bộ, trung tâm. - Dễ dàng thay đổi được công suất nhiệt (Q) của hệ thống lạnh và năng suất (G) của sản phẩm. Dễ thay thế, sửa chữa và lắp đặt. - Có thể thay đổi được khả năng trao đổi nhiệt bằng cách thay đổi chuyển động của các dòng môi chất lạnh và môi chất giải nhiệt. - Nâng cao hiệu suất làm việc và lựa chọn các thiết bị trao đổi nhiệt hợp lý trong các hệ thống lạnh, giảm giá thành sản phẩm. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác lập các cơ sở khoa học để tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cánh cho các hệ thống lạnh. Các mục tiêu cần phải đạt được sau đây: 1. Nghiên cứu các tính chất đặc trưng của các môi chất lạnh mới, xác định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng các môi chất lạnh, xác định được tỉ lệ làm cánh hợp lý ứng với các loại môi chất lạnh khác nhau sử dụng trong hệ thống lạnh so với nước làm mát. 2. Nghiên cứu và xây dựng các cơ sở lý thuyết, xác lập các công thức tính toán hệ số truyền nhiệt K của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống với các loại cánh khác nhau. Tìm ra loại ống có cánh thích hợp nhất để sử dụng cho thiết bị ngưng tụ ống lồng ống. 3. Xác định giá trị của hệ số truyền nhiệt K và mật độ dòng nhiệt q của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống và so sánh với các đại lượng cùng tên của các thiết bị trao đổi nhiệt thông qua việc xây dựng được mô hình toán để tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn và có cánh. 4. Kiểm chứng bằng thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống thiết bị được tính toán thiết kế, chế tạo, thí nghiệm, so sánh kết quả với lý thuyết và rút ra các kết luận tương ứng. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu - Môi chất lạnh truyền thống và các môi chất lạnh mới. - Các loại thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh. * Phạm vi nghiên cứu - Làm thí nghiệm trên các mô hình, các thiết bị, các hệ thống lạnh. - Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại các cơ sở thí nghiệm ở Việt Nam như trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, trường Đại học Cần Thơ, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, trường Cao đẳng Công nghệ và ở các phòng thí nghiệm thuộc trường Đại học Lucian Blaga của thành phố Sibiu, trường Đại học kỹ thuật Xây dựng của Bucharest, Rumani. - Các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống tại các cơ sở thực tế. 4. Phương pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở phối hợp hai phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Việc nghiên cứu lý thuyết dựa trên các phương trình truyền nhiệt cơ bản, từ đó xây dựng mô hình toán để tính toán lý thuyết các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra trong thiết bị ống lồng ống trơn và ống lồng ống có cánh các loại. Sau đó tiến hành thiết kế, chế tạo và nghiên cứu thí nghiệm thực nghiệm các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống trong hệ thống lạnh thực tế. So sánh các kết quả lý thuyết, thực nghiệm và kiểm chứng tính hiệu quả của chúng. Trong quá trình nghiên cứu, sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp để đánh giá. 5. Bố cục của luận án Nội dung chính của luận án gồm 139 trang chính với 5 chương, 35 bảng biểu, 94 hình, sơ đồ và đồ thị, 138 tài liệu tham khảo (tiếng Việt: 35, tiếng nước ngoài: 64, trang web tham khảo: 17, các nguồn luận văn và tạp chí tham khảo khác: 22), 12 phụ lục tham khảo, ngoài ra có một phụ lục chính là ứng dụng phần mềm DHEX để tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.