Đề tài Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng tụ môi chất lạnh trong các thiết bị ngưng tụ

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI NGƯNG TỤ MÔI CHẤT LẠNH TRONG CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ DETERMINATION OF THE COEFFICIENT OF CONVECTION HEAT EXCHANGE WHEN CONDENSING REFRIGERANT IN THE CONDENSERS VÕ CHÍ CHÍNH Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Khi tính toán thiết kế các thiết bị ngưng tụ của các hệ thống lạnh, người ta thường chọn hệ số truyền nhiệt k hoặc hệ số toả nhiệt đối lưu α giữa bề mặt và các môi chất. Tuy nhiên hệ số truyền nhiệt và hệ số toả nhiệt đối lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hình dáng, kích thước bề mặt ngưng tụ; điều kiện vận hành của thiết bị ngưng tụ trên thực tế; môi chất lạnh sử dụng vv…Vì vậy việc lựa chọn hệ số toả nhiệt đối Iưu và coi nó là hằng số là không xác đáng và kết quả tính toán sẽ không chính xác. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một số kết quả tính toán hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng tụ của các môi chất lạnh trong các thiết bị ngưng tụ. Các kết quả tính toán là cơ sở dữ liệu quan trọng cho các kỹ sư và sinh viên tham khảo khi tính toán, thiết kế các thiết bị ngưng tụ của các hệ thống lạnh. ABSTRACT When performing calculations for designing the condensers of refrigeration systems, people often choose the coefficient of heat transfer or the coefficient of convection heat exchange between surface and agents. However, these coefficients depend on so many factors: form and dimensions of condensing surface; operation condition of condensers de facto; used agents etc... Therefore, choosing the coefficient of convection heat exchange and consider it constant is inaccurate. In this article, we would like to introduce some calculative results of the coefficient of convection heat exchange of refrigerants in the condensers. Calculative results are very important data for engineers and students when they calculate and design of condensers in refrigeration systems. 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Công thức tổng quát xác định hệ số toả nhiệt khi ngưng màng của dòng hơi đứng yên trên bề mặt nằm ngang hoặc thẳng đứng được xác định theo công thức [1,2,4]:
(1) trong đó: (t - Độ chênh nhiệt độ giữa môi chất ngưng tụ và bề mặt vách, oK ; l - Kích thước xác định của bề mặt, m; Δi - Hiệu entanpi tác nhân vào và ra thiết bị, j/kg; ρ - Khối lượng riêng của chất lỏng tác nhân lạnh khi ngưng, kg/m3; λ - Hệ số dẫn nhiệt của lỏng tác nhân khi ngưng, W/m.K; g - Gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s2; ( - Độ nhớt động học của chất lỏng tác nhân khi ngưng, m2/s. Đối với chùm ống nằm ngang : C = 0,72 Đối với chùm ống thẳng đứng : C = 0,943 Đối với các trường hợp cụ thể của thiết bị ngưng tụ, trên cơ sở biểu thức (1) người ta nhân thêm các hệ số hiệu chỉnh khác, để tính đến sự thay đổi tốc độ dòng hơi và màng nước từ trên xuống, hệ số tính đến các điều kiện khác nhau khi làm cánh, hệ số tính đến sự chuyển động của tốc độ dòng hơi, hệ số tính đến sự uốn cong của ống vv… Vì vậy hệ số toả nhiệt khi ngưng màng với dòng hơi đứng yên trên bề mặt ống xác định theo công thức (1) rất quan trọng và có thể được sử dụng để tính toán trong hầu hết các trường hợp. Trong bài báo này chúng tôi xin giới thiệu một số kết quả xác định hệ số toả nhiệt nêu trên cho 2 trường hợp đường ống nằm ngang và đặt thẳng đứng với 3 môi chất lạnh phổ biến nhất là NH3, R22 và R12. 2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT 2.1. Ngưng tụ trên đường ống nằm ngang Để xác định hệ số toả nhiệt trong trường hợp này chúng tôi đã tiến hành tính toán cho rất nhiều trường hợp khác nhau cụ thể như sau: - Ống nằm ngang. - Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 35oC - Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống: 2, 4, 6, 8, 10, và 12OC - Đường kính của ống: 15, 21, 27, 32, 40, 49, 65, 80 và 90mm Các kết quả tính toán được thể hiện trên các bảng 1, 2 và 3 cho các môi chất lạnh NH3, R22 và R12. Bảng 1: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang. Môi chất NH3, (W/m2.K) d, mm  (t, K    2  4  6  8  10  12   15  13.213  11.111  10.040  9.343  8.836  8.442   21  12.147  10.214  9.230  8.589  8.123  7.761   27  11.407  9.592  8.668  8.066  7.629  7.289   32  10.933  9.194  8.307  7.731  7.311  6.986   40  10.340  8.695  7.857  7.311  6.915  6.607   49  9.828  8.265  7.468  6.950  6.573  6.280   65  9.158  7.701  6.959  6.476  6.124  5.851   80  8.695  7.311  6.607  6.148  5.814  5.555   90  8.442  7.099  6.415  5.970  5.646  5.394   d - Đường kính ống, mm; (t = tk – tw Chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách ống, K
Hình 1: Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ NH3 trên ống nằm ngang Bảng 2: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang. Môi chất R22, (W/m2.K) d, mm  (t, K    2  4  6  8  10  12   15  2.886  2.427  2.193  2.041  1.930  1.844   21  2.653  2.231  2.016  1.876  1.774  1.695   27  2.491  2.095  1.893  1.762  1.666  1.592   32  2.388  2.008  1.814  1.688  1.597  1.526   40  2.258  1.899  1.716  1.597  1.510  1.443   49  2.147  1.805  1.631  1.518  1.435  1.372   65  2.000  1.682  1.520  1.414  1.338  1.278   80  1.899  1.597  1.443  1.343  1.270  1.213   90  1.844  1.550  1.401  1.304  1.233  1.178   Bảng 3: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang. Môi chất R12, (W/m2.K) d, mm  (t, K    2  4  6  8  10  12   15  1.221  1.026  927  863  816  780   21  1.122  944  853  793  750  717   27  1.054  886  801  745  705  673   32  1.010  849  767  714  675  645   40  955  803  726  675  639  610   49  908  763  690  642  607  580   65  846  711  643  598  566  541   80  803  675  610  568  537  513   90  780  656  593  551  522  498   2.2. Ngưng tụ trên đường ống đặt đứng Để xác định hệ số toả nhiệt trong trường hợp ngưng tụ trên đường ống đặt thẳng đứng chúng tôi đã tiến hành tính toán với các dữ liệu cụ thể như sau: - Ống nằm đặt thẳng đứng. - Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 35oC - Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống: 2, 4, 6, 8, 10, và 12OC - Chiều cao của ống là : 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4,0; 4,5 v à 5,0 m Các kết quả tính toán được thể hiện trên các bảng 4, 5 và 6 cho các môi chất lạnh NH3, R22 và R12. Bảng 4: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất NH3, (W/m2.K) H, m  (t, K    2  4  6  8  10  12   1,0  6.057  5.093  4.602  4.283  4.051  3.870   1,5  5.473  4.602  4.159  3.870  3.660  3.497   2,0  5.093  4.283  3.870  3.602  3.406  3.254   2,5  4.817  4.051  3.660  3.406  3.221  3.078   3,0  4.602  3.870  3.497  3.254  3.078  2.941   3,5  4.428  3.724  3.365  3.131  2.961  2.829   4,0  4.283  3.602  3.254  3.028  2.864  2.737   4,5  4.159  3.497  3.160  2.941  2.781  2.657   5,0  4.051  3.406  3.078  2.864  2.709  2.588   H – Chiều cao đường ống, m
Hình 2: Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ NH3 trên ống đứng Bảng 5: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất R22, (W/m2.K) H, m  (t, K    2  4  6  8  10  12   1,0  1,322  1,112  1,004  935  884  845   1,5  1,194  1,004  908  845  799  763   2,0  1,112  935  845  786  743  710   2,5  1,051  884  799  743  703  672   3,0  1,004  845  763  710  672  642   3,5  966  813  734  683  646  618   4,0  935  786  710  661  625  597   4,5  908  763  690  642  607  580   5,0  884  743  672  625  591  565   Bảng 6: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất R12, (W/m2.K) H, m  (t, K    2  4  6  8  10  12   1,0  560  471  426  396  375  358   1,5  506  426  385  358  338  323   2,0  471  396  358  333  315  301   2,5  445  375  338  315  298  285   3,0  426  358  323  301  285  272   3,5  409  344  311  290  274  262   4,0  396  333  301  280  265  253   4,5  385  323  292  272  257  246   5,0  375  315  285  265  250  239   2.3. Khái quát kết quả tính toán Từ các kết quả tính toán có thể khái quát thành công thức tổng quát để xác định hệ số toả nhiệt khi ngưng màng của dòng hơi đứng yên của các môi chất lạnh ở nhiệt độ ngưng tụ thường gặp của môi chất lạnh (xấp xỉ 35oC) cụ thể như sau:
(2) Trong đó A- hệ số và được cho ở bảng 7. (t = tk - tw Độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách, K l – Kích thước xác định, m Đối với ngưng tụ trong ống kích thước xác định l là đường kính trong dt , khi ngưng tụ ngoài ống là đường kính ngoài dn và khi ống đặt thẳng đứng là chiều cao ống h. Bảng 7: Hệ số tính toán A Vị trí  Môi chất    NH3  R22  R12   Nằm ngang  5499  1201  508   Thẳng đứng  7203  1573  666   3. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Từ các kết quả tính toán thể hiện trên các bảng số cho thấy: 1. Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng môi chất Frêôn rất nhỏ so với môi chất NH3. Vì vậy bình ngưng môi chất Frêôn cần làm cánh về phía môi chất lạnh, đặc biệt môi chất R12. 2. Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trong trường hợp ống đặt nằm ngang lớn hơn trong trường hợp đặt thẳng đứng do kích thước xác định của nó nhỏ hơn nhiều so với khi đặt đứng. 3. Các hệ số toả nhiệt đối lưu thay đổi khá nhiều khi thay đổi chế độ nhiệt và kích thước đường ống trao đổi nhiệt. Vì vậy nếu coi hệ số truyền nhiệt hoặc toả nhiệt đối lưu là hằng số thì không thể tránh khỏi sai số, trong nhiều trường hợp sẽ vượt quá mức cho phép. 4. Các kết quả tính toán đưa ra ở các bảng số có thể sử dụng để tính toán một cách khá chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế của các thiết bị ngưng tụ. Công thức khái quát (2) có thể sử dụng rất tiện lợi cho các bài toán cụ thể với độ chính xác cao. 5. Các kết quả tính toán còn cho thấy, mặc dù biến thiên entanpi Δi phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi, nhưng hệ số toả nhiệt khi ngưng phụ thuộc rất ít vào nó. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997. Vũ Duy Trường, Kỹ thuật nhiệt, Nhà Xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2001. Nguyễn Đức Lợi, Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh, Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999. Trần Thanh Kỳ, Máy lạnh, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, 1992.