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: Dt - 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; n - 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 Dt, 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; Dt = 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 Dt, 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 Dt, 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 Dt, 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 Dt, 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 Dt, 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. Dt = 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.