Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí

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)

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

k – Hệ số truyền nhiệt, W/m².K;

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

q_kf – 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 t_max, delta t_min- 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)

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

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

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

* Lưu lượng không khí

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

, kg/s (6-5)

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

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

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

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 = t_k – t_w : độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, ;K

g – Gia tốc trọng trường, m/s²;

d_ng - 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)

n_z – 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)

w_c – Hệ số tính đến điều kiện có cánh

(6-10)

F_d, F_n – Bề mặt đứng và ngang của 1m ống có cánh, m²/m

(6-11)

và

(6-12)

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

S_c – Bước cánh, m;

xicshma _o, xicshma _d – Bề dày chân và đỉnh cánh, m;

F = F_d + F_n – 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

E_v – 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 t_K

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. alpha_N.(Re”)^0,12.(Pr”)^-0,33 (6-19)

- Nếu Re” = 4,5.10⁶ 2,5.10⁷

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

Giá trị alpha_N 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 d_tr 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 t_K = 30^oC 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.θ_a^-0,167.d_tr^-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 = d_tr

(6-24)

- Nếu ngưng tụ trong ống xoắn nằm ngang thì:

alpha_x = alpha_N . E_x (6-25)

E_x – Hệ số hiệu chỉnh ống xoắn:

E_x = 0,25.q_tr^0,15 (6-26)

q_tr – 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;

P_rf, P_rw – 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 E_l là hệ số hiệu chỉnh khi chiều dài của ống , nếu l/d_t> 50 thì E_l = 1 nếu l/d_t < 50 thì tra theo bảng dưới đây:

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

Hệ số E_R – 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 . Re^m . Prⁿ . E_z (6-32)

E_Z – 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 E_Z = 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/d_ng và b = S₂/d_ng

* 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, F_ng – 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)

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

D, d_ng - 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_tđ - 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_tđ ;

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)

G_n – 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 : d_td = 4.xicshma _m

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

alpha = 9750.G₁^1/3 (6-44)

- Đối với ống đặt thẳng đứng

+ Nếu Re < 2000:

(6-45)

+ Nếu Re > 2000:

(6-46)

trong đó : Re_m = 4.G₁/M với

Chiều dài xác định là chiều cao ống, m;

n – Số ống;

d_tr - Đường kính trong của ống, m.

* * *