Tài liệu thiết kế hệ thống lạnh, chương 7 docx

C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G
V
V
I
I
I
I
T
T
Í
Í
N
N
H
H
T
T
O
O
Á

Á
N
N
T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T
T
K
K
Ế
Ế
T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T
T
B
B
Ị

Ị
T
T
R
R
A
A
O
O
Đ
Đ
Ổ
Ổ
I
I
N
N
H
H
I
I
Ệ
Ệ
T
T
7.1. Thiết kế thiết bị ngưng tụ của hệ thống NH
3

7.1.1. Đặc điểm
Bình ngưng dùng để truyền nhiệt lượng của tác nhân lạnh ở nhiệt độ cao

cho môi chất giải nhiệt. Hơi đi vào bình ngưng là hơi quá nhiệt, cho nên trước
tiên nó phải được làm lạnh đến nhiệt độ hơi bão hòa, rồi đến quá trình ngưng tụ,
sau cùng là bị quá lạnh vài độ trước khi ra khỏi bình ngưng.
7.1.2. Chọn thiết bị ngưng tụ
Ở đây ta chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bốc hơi. Loại này nên sử dụng ở những
có khí hậu nóng và khô, nên rất thích hợp.
 Ưu điểm:
- Tiết kiệm được rất nhiều nước bổ sung.
- Không cần thêm các thiết bị làm lạnh nước giải nhiệt.
 Nhược điểm:
Hệ số truyền nhiệt tương đối nhỏ do đó phải tiêu tốn nhiều kim loại.
7.1.3.Tính toán thiết kế bình ngưng
7.1.3.1) Các thông số ban đầu :
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất : t
k
= t
1
= 40C.
- Áp suất môi chất trong bình ngưng : p
k
= 15,56at.
- Nhi
ệt độ của nước giải nhiệt : t
w1
= 34C.
- Nhi
ệt độ của nước ra khỏi bình ngưng : t
w2
= 37C.
- Phụ tải nhiệt của bình ngưng là tổng tải nhiệt của máy đá vảy, IQF,

Tủ đông tiếp xúc, Tủ đông gió
Q
k
=80,9+87,3+142,8+26,45=337,4 kW
7.1.3.2) Tính toán :
1. Các thông số của không khí bên ngoài : t
1
= 37,7C

1
= 77% ;
d
1
= 34g/kgk.khí
i
1
= 126 kJ/kg
t
ư
= 34C.
2. Gi
ới hạn làm lạnh : t
gh
= 34C = t
ư
.
3. Lưu lượng không khí : m
kk
= 3,25.
kk

.Q
k
.10
-2
, kg/s.
Khối lượng riêng của không khí :


 


 
3
4
11
11
/081,1
034,0.61,117,310.287
034,0110.81,9
.61,11.
1
mkg
dTR
dp
kk









Vậy : m
kk
= 3,25.1,081.337,4.10
-2
= 11,85 kg/s.
4. Entanpi của không khí ra :
kgkJ
m
Q
ii
kk
k
/4,154
85,11
4,337
126
12

5. Hệ số toả nhiệt phía ngoài :

1
= 0,85.9750.m
1
1/3
= 0,85.9750.0,05
1/3
= 3053W/m

2
.K
m
1
= 0,05kg/s : lưu lượng tưới nước trên 1m chiều dài ống theo kinh
nghiệm.
6. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt F
ng
:
-H
ệ số toả nhiệt về phía NH
3
:
3,0
1
2,0
9733

 dq
ii

, W/m
2
.K.
Để tính được 
i
cần thiết chọn sơ bộ mật độ dòng nhiệt q
i
về phía nước,
theo kinh nghiệm : q

a
= 1400  2300 W/m
2
. Chọn q
a
= 1900W/m
2
, lúc đó :
2262
21
25.1900
.
1
2

d
dq
q
a
i
W/m
2
và 6617021,0.2262.9733
3,02,0


i

- Hệ số truyền nhiệt qua vách ống :
765

3056
1
10.8,0
21
25
6617
1
1
1
.
1
1
3
11
2










i
i
i
d
d

k
W/m
2
.K
- Nhi
ệt độ của nước giải nhiệt được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt :
q
a
= k.(t
k
-t
w
)  C
k
q
tt
a
kw
 5,37
765
1900
40
 i
w
= 160 kJ/kg.
- Entanpi c
ủa không khí ở trạng thái trung bình được xác định theo công thức
kgkJ
ii
ii

ii
ii
w
w
tbw
/16
154160
126160
ln
126154
ln
2
1
12









Ở trạng thái này không khí có các thông số như sau :
t
tb
= 36C ;
C
k
= 1,005kJ/kg.K :Nhiệt dung riêng


k
= 1,1363kg/m
3
:Khối lượng riêng

k
= 0,0274W/m.K : Hệ số dẫn nhiệt

k
= 16,635.10
-6
m
2
/s :Độ nhớt động
Pr = 0,7: Trị số Prandtl
- Diện tích bề mặt ngoài của dàn ống ngưng tụ yêu cầu là :
2
3
6,177
1900
10.4,337
m
q
Q
F
a
k
ng


- Tính kiểm tra F
ng
theo điều kiện truyền nhiệt, truyền chất giữa nước và
không khí :
2
1
ln

ii
ii
A
m
F
w
wkk
ng




, m
2
Trong đó : A= 0,935 : hệ số phụ thuộc vào t
w
.
 = 1,6 : hệ số kể đến sưü tăng diện tích mặt ngoài của màng
nước do tạo thành tia và giọt.
Để xác định hệ số bay hơi
 cần xác định hệ số toả nhiệt 

k
đối với dòng
không khí đi ngang qua chùm ống trơn đặt so le. Trong trường này ta có :
Nu = C.Re
m
.Pr
0,34
.
z
Chọn vận tốc không khí đi qua chùm ống 
k
= 5m/s và ta có :
7514
10.635,16
025,0.5
.
Re
6
2




d
k
Ở chế độ quá độ : C = 0,4 ; m = 0,6 và n = 0,36.
Ch
ọn số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí z = 8 từ đó

z

= 0,96.
V
ậy : 5,7196,0.7,0.7514.4,0
36,06,0
Nu .
H
ệ số toả nhiệt : 4,73
025,0
0274,0.5,71.
2

d
Nu
k


Hệ số bay hơi : smkg
C
k
k
./087,0
10.005,1
4,73
2
3



Diện tích bề mặt ngoài dàn ngưng là :
2

1,176
154160
126160
ln
6,1.078,0.935,0
85.11
mF
ng




%85,0%100.
6,177
1,1766,177



ng
F
So sánh F
ng
được chọn và F
ng
tính toán gần giống nhau, cho nên chúng ta chọn
F
ng
= 180 m
2
-Lượng nước phun :

skg
Q
m
k
wp
/76,7
100
4,337
.3,2
100
.3,2

- Lượng nước bay hơi :
m
wbh
= m
kk
.(d
2
-d
1
) = 11,85.(44-34).10
-3
= 0,12 kg/s
-
Lượng nước bị gió cuốn theo ra ngoài nếu kể đến thì tổng lượng nước bay
hơi theo gió sẽ l
à :
skgmm
wbhbh

/13,012,0.1,1.1,1
'
 .
-
Các kích thước chủ yếu của bình ngưng :
 Tổng chiều dài 1 hàng ống trên mặt cắt ngang :
m
m
m
L
wp
6,77
05,0.2
76,7
.2
1

 Số ống trên mặt cắt ngang của thiết bị khi chọn chiều dài mỗi ống
th
ẳng l= 2,8m
7,27
8,2
6,77

l
L
Z
ống
Vì số ống trên mặt cắt ngang quá lớn sẽ không đảm bảo cho nước phun tưới
đều đồng thời gây khó khăn cho vệ sinh nên ta chia làm 2 dàn ngưng, nên mỗi d

àn
g
ồm z= 14 ống
 Bề rộng : B = z.s
1
= 14.0,058 = 0,81 m
Ch
ọn s
1
= (22,3).d
ng
= 0,058m
Số ống trong 1 dàn ống theo chiều thẳng đứng :
28
28.8,2.025,0.
6,177
,


zld
F
n
ng
ng
c
ống.
Như vậy mỗi d
àn gồm 14 ống.
Chiều cao dàn ống :
H = s

2
.n
c
= 0,028.14 = 0,39m
Ch
ọn s
2
= (1,11,15).d
ng
= 0,028 m
Vận tốc không khí thực tế trong tháp :
sm
F
m
kkkk
kk
kk
/87,1
88,5.075,1
85,11
.



Trcng đó : F
kk
: diện tích để không khí đi qua.
F
kk
= 2.l(B-d

ng
.z) = 2.2,8(1,4-0,025.14) = 5,88m
2
Tổng số ống mỗi dàn :
n = n
c
.z = 14.15 = 210 ống.
Diện tích mắt cắt ngang của thiết bị :
S = B.l = 1,4.2,8 = 3,92 m
2
.
Mật độ mũi phun : 20 mũi/m
2
.
Số mũi phun : N = 20.3,92= 79 mũi.
7.2. Tính thiết kế dàn bay hơi tủ đông gió 250kg/mẻ
Dàn bay hơi là 1 thiết bị trao đổi nhiệt chính trong hệ thống lạnh. Trong hệ
thống lạnh này ta chọn phương pháp xử lý lạnh là bay hơi trực tiếp, không khí
chuy
ển động cưỡng bức qua dàn lạnh nhờ các quạt gió. Môi chất NH
3
sôi trong
các dàn
ống thép có cánh tản nhiệt để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt của thiết
bị.
+ Các số liệu ban đầu:
Năng suất lạnh: Q
o
= 21,7 KW.
Nhi

ệt độ buồng: t
b
= -33
o
C
S
ự thay đổi trạng thái của không khí trong buồng lạnh được biểu diễn trên đồ
thị i-d
Hình 7 - 2: ĐỒ THỊ I-d BIỂU DIỄN SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI
KHÔNG KHÍ TRONG BUỒNG LẠNH
Điểm 1: trạng thái không khí vào dàn lạnh.
Điểm 2: trạng thái không khí ra khỏi dàn lạnh.
Điểm v: trạng thái không khí tại bề mặt d
àn lạnh.
Góc nghiêng của các đường thẳng  được biểu diễn bởi phương trình:

v
v
dd
ii
dd
ii






1
1

21
21

Lấy nhiệt độ không khí vào và ra khỏi dàn lạnh là:
t
1
= - 34
o
C t
2
= - 32
o
C
I
1
I (kJ/kG)
d(g/kG)
t
1
I
2
t
2
I
v
t
v
1
2
v

d
v
d
2
d
1
Xác định thông số của không khí vào dàn lạnh
t
1
= - 32
o
C độ ẩm 
1
= 0,9
d
1
= 
1
. d”
1
= 0,9 . 0,188 . 10
3
= 0,17 . 10
3
kg/kg
V
ới d”
1
:độ chứa hơi của không khí bảo hoà
i

1
= i
k1
+ 
1
. i”
1
= -32,19 + 0,9 . 0,46= - 31,7KJ/kg
Thông số không khí ra khỏi dàn lạnh
t
2
= -34
o
C độ ẩm 
2
= 0,95
d
2
= 
2
. d”
2
= 0,95 . 0,15 . 10
3
= 0,14 . 10
3
kg/kg
Với d”
2
:độ chứa hơi của không khí bảo hoà

i
2
= i
k2
+ 
2
. i”
2
= -34,2 + 0,95 . 0,37 = -33,84 KJ/kg
Trong đó: d
1
”, i
k1
, i
1
”, d
2
”, i
k2
, i
2
” tra bảng 7-10 TL2
Tỉ số nhiệt ẩm:
 
71333
10.14,017,0
84,337,31
3
21
21









dd
ii

Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh t
v
được xác định bằng phương pháp đồ thị tìm quan
h
ệ
 
v
v
v
dd
ii
tf



1
1

Sơ bộ ta lấy một vài giá trị t

v
để vẽ đường cong  = f(t
v
)
Khi t
v
= -36
o
C thì: i
v
= -35,68 KJ/kg
d
v
= 
v
. d
v
” = 1.0,12.10
3
= 0,12.10
3
kg/kg
Khi t
v
= -37
o
C thì: i
v
= -36,62 KJ/kg
d

v
= 
v
. d
v
” = 1.0,11.10
3
= 0,11.10
3
kg/kg
Khi t
v
= -38
o
C thì: i
v
= -37,72 KJ/kg
d
v
= d
v
” = 0,1.10
3
kg/kg
L
ập bảng:
t
v
(
o

C) -38 -37 -36
v
v
dd
ii



1
1

36425 51687 53478
Hình 7 -3: XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT DÀN LẠNH t
V
BẰNG ĐỒ
THỊ
Ứng với giá trị  = 71333 đã tìm được ta xác định được trên đồ thị nhiệt độ
vách: t
vt
= -37,05
o
C  -37
o
C
Đăc tính của bề mặt truyền nhiệt: các ống trao đổi nhiệt dàn lạnh, làm bằng
thép có cánh phẳng tỏa nhiệt hình tròn. Các ống được bố trí song song trong
chùm ống
Đường kính ngo
ài d
1

= 25 mm.
Đường kính trong d
2
= 21 mm.
Bước cánh S
C
= 10 mm.
B
ề dày ống 
C
= 0,3 mm.
Bước ống theo chiều cao và chiều sâu S
1
= S
2
= 50 mm
Chi
ều cao cánh h
C
= 12 mm.
Diện tích cánh trên một mét chiều dài ống
t
v
,
0
C
-36-37-38
36425
51687
53478


=71333

n
d
D
F
e
.
44
2
2
1
2









(6-2)





01,0

1
.025,0.012,0012,0 2
1
.2
2
1
2


e
CC
S
dhh
= 0,279 m
2
/m
V
ới n =
C
S
1
là số cánh trên một mét dài ống
Diện tích bề mặt ống giữa các cánh








C
C
S
dF


1.
10
(6-3)
=
mn /076,0
01,0
0003,0
1025,0.
2









Diện tích bề mặt bên trong của 1m ống
F
2
= .d
2
2

.l (6-4)
=
.0,021 .l = 0,066 m
2
/m
H
ệ số làm cánh  được xác định theo
 =
2
0
2
F
FF
F
F
C


(6-5)
=
4,5
066,0
3552,0
066,0
0762,0279,0


Trị số Nutselt:
Nu = C.C
z

.C
c
.
1
-m
.Re
n
(6-6)
Đối với chùm ống bố trí song song ta có:
C = 0,18
m = 0,7
C
z
= 1: khi số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí z>4
ống.
C
c
= 1
12
11









dS

dS
(vì S
1
= S
2
)

1
= 2,4
025,0.
3552,0
1
0



F
FF
c
n = 0,6.
1
0,07
= 0,6.4,52
0,07
= 0,667
Chi
ều dài quy ước của ống:
l
q
=



2
1
2
0
1
0
0
785,0 dD
FF
F
d
FF
F
C
C
C




(m) (6-7)
l
q
=


22
05,005,0785,0.

3552,0
279,0
025,0.
3552,0
0762,0

= 0,0443 m.
Ch
ọn tốc độ của không khí qua dàn làm lạnh 
k
= 3m/s
Trị số Reynolds sẽ là:
Re =
13175
10.08,10
0443,0.3
.
6




q
l
(6-8)
Do 500 < Re < 25000 nên tr
ị số Nutselt được xác định theo phương trình:
Nu = 0,18.1.1.4,25
0,7
.13175

0,667
= 35
H
ệ số tỏa nhiệt về phía không khí
9,16
0443,0
10.14,2.35
2


q
k
l
Nu


W/m
2
.K (6-9)
V
ới  = 2,14.10
-2
w/mk: hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ -33
o
C
(tra bảng 2 TL7)
H
ệ số tách ấm trong trường hợp t
v
< 0

o
C
21
21
28801
tt
dd




(6-10)
= 1+2880


042,1
34
32
10.14,017,0
3




Hệ số tỏa nhiệt quy ước về phía không khí
15,13
.
1
1
1

1
1



C
k
q
R




W/m
2
.K
Trong đó ta chọn:
Bề dày lớp tuyết : 
1
= 0,005 m
H
ệ số dẫn của lớp tuyết : 
1
= 0,2 W/mk
Nhi
ệt trở tiếp xúc giữa cánh và ống : R
c
= 0,005 m
2 0
k/W

Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí được quy đổi theo bề mặt trong của ống

q2
= 
q1







2
0
2
.
F
F
F
F
C
[W/m
2 0
k] (6-11)
V
ới :
 = 0,85 : hệ số kể đến sự tỏa nhiệt không đồng của cánh
E = 0,87 : hệ số hiệu quả của cánh
Thay vào biểu thức (6-11) ta đựơc :


q2
= 13,15







066,0
0762,0
85,0.87,0.
066,0
279,0
= 66,3 W/m
2 0
k
M
ật độ dòng điện về phía không khí quy đổi theo bề mặt trong của ống
q
tr
= 
q2
(t
b
- t
v
)
= 66,3(-33+37) = 265W/m
2

(6-12)
Di
ện tích bề mặt trong ống:
8,81
265
10.7,21
3
0

tr
tr
q
Q
F m
2
Lưu lượng không khí đi qua dàn lạnh:
21
0
0
ii
Q
G


1,10
84,337,31
58,21


 kG/s (6-13)

Lưu lượng thể tích không khí đi qua dàn lạnh
95,6
452,1
1,10

k
k
k
G
V

m
3
/s (6-14)
V
ới 
k
= 1,452 kG/m
3
khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ t = -33
0
C
(Tra b
ảng 7-10 TL2)
Di
ện tích tiết diện để không khí đi qua:
31,2
3
95,6



k
k
V
f
m
2
Diện tích truyền nhiệt của một cụm ống:










c
cc
ktr
S
h
dS
d
fF
2
.
.
11

2


(6-15)

95,3
01,0
012,0.10.3,0.2
025,005,0
021,0.14,3
.31,2
3












m
2
Số cụm ống đặt song song trong dàn lạnh:
7,20
95,3
8,81

'

tr
tr
F
F
z
Chọn z = 21
Chiều dài ống trong một cụm:










c
cc
k
S
h
dS
f
L
2
11
1


(6-16)

1,95
01,0
012,0.10.3,0.2
025,005,0
31,2
3











m
S
ố hàng ống trong 1 cụm:
KKS
L
m
.05,0
1,95
.
1

1

Với
H
B
K

Khi 1
H
B
K
thì m = 35,3
Khi
5,1
H
B
K
thì m = 28,6
Khi
2
H
B
K
thì m = 24,7
Ch
ọn m = 27 Suy ra 6,2
27.05,0
1,95
2
K

Chiều dài của một ống trong cụm:
52,3
27
1,95
1

m
L
l
m
Các kích thước hình học của dàn lạnh:
Chiều dài L = l + l
f
= 3,52 + 0,5 = 4,02 m
Chi
ều rộng B = S
2
.Z + b
f
= 0,05.21 + 0,5 = 1,55 m
Chi
ều cao H = S
1
.m + h
f
= 0,05.27 + 0,2 = 1,55 m