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 chư
a
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 kJ
4 i Entanpi riêng kJ/kg
5 I Entanpi kJ
6 l Công nén riêng kJ/kg
7 p Áp suất bar
8 t Nhiệt độ
o
C
9 s Entropi riêng kJ/kg.K
10 ρ Khối lượng riêng của môi chất kg/m
3

11 z Tỷ số áp suất -

12 ε Hệ số lạnh -
13 ζ Hiệu suất exergie -
14 v Thể tích riêng m
3
/kg
15 q Nhiệt lượng riêng kJ/kg
16 ω Vận tốc m/s
17 V Lưu lượng thể tích m
3
/s
18 G Lưu lượng khối lượng môi chất chảy kg/s
19 d Đường kính m
20
Δi
Hiệu entanpi của tác nhân lạnh kJ/kg
21
λ
Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng W/m.K
22
ν
Độ nhớt động lực của môi chất lỏng m
2
/s
23 μ Độ nhớt động học của môi chất lỏng m
2
/s
24 d
ng
Đường kính đỉnh và chân cánh m
25 S

c
Bước cánh m
xi

26
δ
o

Bề dày chân cánh m
27
δ
d

Bề dày chân đỉnh cánh m
28 E Hiệu suất của cánh -
29 h’ Chiều cao qui ước của cánh m
30
ε
x

Hệ số hiệu chỉnh ống xoắn -
31 t
w1
Nhiệt độ trên bề mặt trong vách
o
C
32 F Diện tích bề mặt vách m
2

33

g Gia tốc trọng trường
m/s
2

34 Q
k
Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ. W
35 k Hệ số truyền nhiệt W/m
2
.K
36 q
kf
Mật độ dòng nhiệt W/m
2

37 R Bán kính uốn cong của tâm ống m
38 f Diện tích của rãnh m
2

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) -
xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng
Tên 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/m
2
.K 48
2.9. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R22, W/m
2
.K 48

2.10. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R502, W/m
2
.K 49
2.11. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của NH
3
, W/m
2
.K 50
2.12. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R134a, W/m
2
.K 50
2.13. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R404a, W/m
2
.K 51
2.14. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R407C, W/m
2
.K 52
2.15. Tổng hợp hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của các môi chất,
W/m
2
.K ở t
k
= 35
o
C
52
2.16. 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 35
o

C. 54
2.17. 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 35
o
C. 54
4.1. Công thức tính F
2
,V
2
, r
c
cho các loại vách trụ có cánh ngang 78
4.2. Công thức tính u
2
, f
2
và r
c
cho các loại vách trụ cánh dọc 80
xiii

4.3. Công thức tính F
2
, V
2
và r
c
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 G
L
= 500 kg/h 110
5.3. Bảng 5.3. Kết quả đo ở thiết bị TĐN ống lồng ống có cánh
với lưu lượng nước lạnh không đổi G
L
= 500 kg/h
110
5.4. Hệ số truyền nhiệt K (W/m
2
.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 124
5.9. Kết quả thí nghiệm, đo đạc được đối với hệ thống lạnh khi
sử dụng môi chất lạnh freon R12 125
5.10. Kết quả thí nghiệm, đo đạc được đối với hệ thống lạnh khi
sử dụng môi chất lạnh freon R134a 126
5.11. 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.
129
5.12. 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.
130

5.13. 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. 131
5.14. 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 NH
3
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-
Bucharest, Romania. 29
1.33.
Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trơn loại xoắn
30
1.34.
(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.
31

1.35. Đồ thị thể hiện chiều dài ngưng tụ so với cường độ ứng suất
KI ở ba chế độ độ ẩm tương đối khác nhau (RH). 32
1.36. 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/m
2
.K 48
2.8. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R22, W/m
2
.K 49
2.9. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R502, W/m
2
.K 49
2.10. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của NH
3

, W/m
2
.K 50
xvi

2.11. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R134a, W/m
2
.K 51
2.12. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R404A, W/m
2
.K 51
2.13. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R407C, W/m
2
.K 52
2.14. So sánh hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của các môi chất lạnh,
W/m
2
.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
tΔ

↑↓ 71
4.3.
Dòng trao đổi song song thuận chiều
tΔ
↑↑
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/m
2
.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
và thực nghiệm

115
5.7. 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
5.14. 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
5.15. 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
5.16. 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
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 thi
ết 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 cứ
u 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 củ
a 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 = (t
w
- t
f
), 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 t
ử . . .
- 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 chấ
t 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 s
ố 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, tr
ường 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
nghiệ
m 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.

4

Bố cục luận án như sau:
* Phần mở đầu:
- Trình bày lý do chọn đề tài.
- Mục tiêu nghiên cứu.
- Đối tượng và phương nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu.
Các chương chính của luận án gồm:
Chương 1 : Tổng quan
Trình bày tổng quan về thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh, so sánh các ưu,
nhược điểm của các thiết bị ngưng tụ và tìm ra các nguyên nhân khắc ph
ục các
nhược điểm. Giới thiệu tổng quan về các chủng loại ống có cánh và thiết bị trao đổi
nhiệt ống lồng ống có cánh, cách thức và qui trình công nghệ chế tạo cánh của ống
cũng như các loại ống lồng ống khác nhau.
Chương 2 : Nghiên cứu, đánh giá khả năng trao đổi nhiệt khi ngưng của
các môi chất lạnh
Tìm hiểu tính chất đặc trưng của các môi chất lạ
nh mới, xác định hệ số tỏa
nhiệt khi ngưng và khi hóa hơi của các môi chất lạnh, đặc biệt là các môi chất lạnh
mới, so sánh với hệ số tỏa nhiệt của nước khi chuyển động bên trong và bên ngoài
ống, của không khí khi chuyển động ngoài ống để từ đó khẳng định sự cần thiết

phải có biện pháp tăng cường trao đổi nhiệt về phía môi chất lạnh, khi nào cần làm
cánh và làm cánh v
ới tỉ lệ như thế nào cho phù hợp.
Chương 3 : Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ
của môi chất
Giới thiệu các quá trình ngưng tụ của môi chất, tìm hiểu về các mô hình lưu
lượng dòng chảy hai pha trong ống dọc cũng như ống ngang, tìm hiểu các đặc điểm
quá trình ngưng tụ của màng hơi ngang qua các chùm ống, trong đó đặc biệt chú ý
nghiên cứu về các yế
u tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ, từ đó có sự tính toán,
thiết kế, bố trí các bề mặt trao đổi nhiệt sao cho hợp lý hơn, góp phần đáng kể vào
việc nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư chế tạo thiết bị trao đổi
5

nhiệt trong thực tế.
Chương 4 : Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Tìm hiểu các cơ sở lý thuyết để tính toán thiết bị trao đổi nhiệt. Đề xuất
phương án tính toán truyền nhiệt trên vách trụ theo phương pháp mới, từ đó áp dụng
tính toán truyền nhiệt qua vách trụ với các chủng loại cánh ngang thân, dọc thân và
cánh dạng xoắn. Xây dựng mô hình bài toán tính thiết bị trao đổi nhiệt ống lồ
ng
ống, xác định được hệ số truyền nhiệt k, mật độ dòng nhiệt q của ống lồng ống loại
trơn và ống lồng ống có cánh với các loại biên dạng khác nhau.
Chương 5 : Nghiên cứu thực nghiệm mô hình thiết bị ống lồng ống
Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống để đánh giá khả
năng trao đổi nhiệt; Xây dự
ng mô hình thí nghiệm, nêu các phương pháp thí nghiệm
cũng như đưa ra qui trình vận hành, tiến hành đo đạc và tính toán, từ đó khẳng định
sự cần thiết phải làm ống có cánh để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt, so sánh kết
quả tính toán hệ số truyền nhiệt, mật độ dòng nhiệt trao đổi giữa lý thuyết và thực

nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống lạnh sử dụng thi
ết bị ngưng tụ ống lồng
ống bằng cách xây dựng và chế tạo hệ thống, thiết bị thí nghiệm, đo đạc cũng như
tính tóan và xử lý các số liệu để thấy được hiệu quả của việc sử dụng thiết bị ngưng
tụ ống lồng ống có cánh so với các loại thiết bị ngưng tụ khác.
Trong chương này tác giả cũng đưa ra các gi
ải pháp để vệ sinh ống lồng ống
và giải thoát lỏng ngưng tụ để giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt cũng như giới thiệu
ứng dụng phần mềm DHEX để tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.
Kết luận và những đóng góp của tác giả.
Tài liệu tham khảo.

6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG
LẠNH
1.1.1. Vai trò của thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ hơi môi chất lạnh quá nhiệt sau máy
nén thành lỏng môi chất cao áp. Khi quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ kém
hiệu quả, dẫn đến:
- Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng lên.
- Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng, dầu bôi trơn có thể bị cháy.
- Công nén tăng, mô tơ có thể bị
quá tải.
- Áp suất ngưng tụ cao, làm cho độ an toàn giảm, máy nén ngừng làm việc,
van an toàn có thể hoạt động và như thế sẽ làm ảnh hưởng đến môi trường xung
quanh, thậm chí gây độc hại đến cơ thể con người [3], [5], [7].

1.1.2. Phân loại thiết bị ngưng tụ: Ta phân thiết bị ngưng tụ ra làm các loại sau:

1.1.2.1. Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước
*

Bình ngưng ống chùm nằm ngang: dùng cho amoniac và cho freon [7].
- Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH
3
: Bình có thân hình trụ nằm ngang làm từ
vật liệu thép CT3, bên trong là các ống TĐN bằng thép áp lực C20. Các nắp bình
tạo thành vách phân dòng nước để nước tuần hoàn nhiều lần nhằm nâng cao hệ số
toả nhiệt đối lưu α, đường nước đi ngược chiều đường hơi để quá trình ngưng tụ
xảy ra được tốt hơn. Hơi môi chất cao áp vào phía trên bình ngưng tụ chiếm tòan bộ
không gian trong bình, nhả nhiệt cho n
ước ngưng tụ thành lỏng môi chất, được lấy
ra dưới bình ngưng.






Hình 1.1. Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang NH
3
7

- Bình ngưng môi chất freon:
Cần lưu ý là các chất freon có
tính tẩy rửa mạnh nên phải vệ sinh bên
trong đường ống rất sạch sẽ và hệ
thống phải trang bị bộ lọc cơ khí. Đối
với freon an toàn và hiệu quả nhất là sử

dụng bình ngưng ống đồng vì có khả
năng trao đổi nhiệt tốt.
*

Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng:[7]

Để tiết kiệm diện tích lắp đặt người
ta sử dụng bình ngưng ống vỏ đặt đứng.
Cấu tạo tương tự bình ngưng ống chùm
nằm ngang, gồm có: tấm vỏ bình hình trụ,
các ống TĐN được bố trí đều, hàn hoặc
núc vào các mặt sàng. Nước được bơm
bơm lên máng phân phối nước ở trên cùng
và chảy vào bên trong ống TĐN.
*

Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống:
Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống cũng là dạng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt
bằng nước. Thiết bị gồm 2 ống lồng vào nhau, có thể được bố trí dạng thẳng đi song
song nhiều vòng hoặc được cuộn xoắn lại thành nhiều vòng cho gọn. Nước chuyển
động ở
ống bên trong, môi chất lạnh chuyển động ngược lại ở phần không gian hình
xuyến giữa các ống, ống thường sử dụng là ống đồng dùng cho hệ freon [33], [34].

Hình 1.4. Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
Hình 1.2. Thiết bị ngưng tụ ống
chùm nằm ngang freon
Hình 1.3. Thiết bị ngưng tụ ống
chùm thẳng đứng
8

*

Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản:

Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản được ghép từ nhiều tấm kim loại ép chặt với
nhau nhờ hai nắp kim loại có độ bền cao.
Các tấm được dập gợn sóng, môi chất lạnh và nước giải nhiệt được bố trí đi
xen kẽ nhau để tăng cường diện tích tiếp xúc cũng như thời gian tiếp xúc của hai
môi chất.








Cấu t
ạo gợn sóng có tác dụng làm rối dòng chuyển động của môi chất và
tăng hệ số truyền nhiệt đồng thời tăng độ bền của nó. Các tấm bản có chiều dày khá
mỏng nên nhiệt trở dẫn nhiệt bé, trong khi diện tích trao đổi nhiệt rất lớn [7], [9].

1.1.2.2. Dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng nước:
Dàn ngưng tụ kiểu bay hơi: Thiết bị được làm mát nhờ hệ thống phun nước
từ các vòi phun được phân bố ở ngay phía trên cụm ống trao đổi nhiệt [7].

Hình 1.5. Thiết b
ị
n
g
ưn
g
t
ụ
d
ạ
n
g
tấm bản
Hình 1.6. Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi