MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG VỎ

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
I. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NGÀNH LẠNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Ngay từ khi con người biết trao đổi hàng hóa thì lịch sử của ngành lạnh cũng bắt đầu. Họ
đã biết dùng các các phương pháp làm lạnh tự nhiên để giữ thực phẩm không bị hư trong một
thời gian nhất định.
Các cư dân sống gần các hồ nước ngọt tích trữ băng tuyết trong mùa đông kết hợp với
mùn cưa (làm vật liệu cách nhiệt) làm các kho lạnh (Icehouses). Cư dân sống trên vùng núi sử
dụng băng tan từ đỉnh núi để làm lạnh thức uống. Hoặc đơn giản là trong mùa đông, họ đặt
sữa, thịt ngoài trời lạnh để kéo dài thời gian sử dụng.
Thế kỷ thứ XI, nhà vật lý và hóa học người BaTư (Iran), Ibnsina đã phát minh ra coil lạnh
(Refrigerated coil) để ngưng tụ hơi hương liệu. Đây là một phát minh mang tính đột phá trong
công nghệ chưng cất hương liệu.
Năm 1748, William Cullen đã giới thiệu mô hình máy lạnh nhân tạo đầu tiên tại Đại học
Glasgrow.
Giữa năm1805, Oliver Evans thiết kế máy lạnh đầu tiên sử dụng hơi (trao đổi nhiệt ẩn)
thay cho dùng lỏng (trao đổi nhiệt dưới dạng nhiệt hiện) như trước đây.
Khoảng vào năm 1850 và 1851, Tiến sĩ Jonh Gorrie giới thiệu máy làm đá.
Năm 1857, một người Úc tên James Harrison sử dụng máy lạnh nén hơi trong ngành công
nghiệp làm bia và bảo quản thịt.
Năm 1859, Ferdinand Carré, một kỹ sư người Pháp phát triển máy lạnh nói trên hoàn
thiện hơn. Không giống máy lạnh lúc bây giờ, dùng không khí làm tác nhân lạnh, Carré dùng
NH như tác nhân lạnh có khả năng bay hơi nhanh.
Năm 1902, Willis Haviland Carries phát minh máy điều hòa không khí đầu tiên có khả
năng thay đổi nhiệt độ và độ ẩm, đó được coi như sự tổng hợp các thành tựu của công nghệ
chế tạo máy lạnh.

Năm 1902 cũng là năm mà hệ thống điều hòa không khí được lắp đặt tại Sàn Giao Dịch
Chứng Khoán New York (New York Stock Exchange) được thiết kế bởi Alfred Wolff. Đây
không được coi là hệ thống điều hòa không khí đầu tiên vì nó tận dụng hơi lạnh dư thừa từ các
hệ thống máy lạnh khác xung quanh. Do đó, tòa nhà đầu tiên được lắp đặt hệ thống điều hòa
không khí là Armour Building, thành phố Kansas, bang Missouri. Mỗi phòng có bộ phận điều
khiển sử dụng thermostat để chỉnh độ đóng mở của damper gắn trên đường ống gió, là công
trình đầu tiên mà các phòng khác nhau trong cùng một khu vực có khả năng điều chỉnh khác
nhau.
Năm 1904, công ty Brunswick Refrigerating trưng bày tủ lạnh dùng trong nhà và trong
các cửa hàng thịt, có kích thước nhỏ gọn tại hội chợ St. Louis World.
Năm 1906, tòa nhà Frank Lloyd Wright’s Larkin Administration đầu tiên lắp đặt hệ thống
điều hòa không khí dùng CO làm tác nhân lạnh,bởi vì nó mang tính an toàn và không cháy .
Cũng trong năm 1906, Willis Carrier đưa ra định nghĩa hệ thống điều khiển điểm đọng
sương của không khí (“dew point control” system), từ đó tạo không khí có độ ẩm như mong
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

1


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

muốn. Trong năm này, bệnh viện Boston Floating cũng trở thành bệnh viện đầu tiên có hệ
thống điều hòa không khí do Edward Williams thiết kế. Nhiệt độ và độ ẩm là 70°F và 50%.
Năm 1914, Fred Wolf. Jr đã đưa ra thị trường tủ lạnh, máy lạnh chạy điện dùng trong gia
đình với tên Domelre (Domestic Electric Refrigerator) tại Chicago.
Năm 1916, hệ thống đông lạnh nhanh (Flash – freezing system) được thiết kế bởi
Clarence Bridseye. Với hệ thống này, thực phẩm đông lạnh ngay trên băng tải trong thời gian
ngắn, giảm kích thước các tinh thể tuyết.

Máy lạnh hấp thụ được Boltzar von Platen và Carl Munters phát minh năm 1922 khi họ
đang là sinh viên của Viện kỹ thuật Royal tại Stockolm, Thụy Điển.
Năm 1923, các tủ kem được đưa ra thị trường bởi Nizer và sau đó không lâu là Frigidaire.
Loại tủ kem này làm lạnh rượu bao bọc xung quanh các thùng chứa kem như một chất chống
đông. Sau này rượu được thay thế bằng nước muối.
Đến năm 1927 thì máy lạnh hấp thụ loại đốt gas mới được đưa ra thị trường Hoa Kỳ. Tuy
nhiên nó không thay thế được loại chạy điện và chủ yếu được sử dụng tại các vùng nông thôn.
Chỉ tại Thụy Điển, loại máy lạnh này với thương hiệu của Electrolux thì rất phổ biến.
Năm 1928, tác nhân lạnh loại ChloroFluorocacbon (CFC) được điều chế bởi Thomas
Midgley, Albert Henne, và Robert McNary tại phòng thí nghiệm General Motors Research.
Công bố ra thị trường năm 1930, với tên Freon, CFCs là tác nhân lạnh đầu tiên không có tính
độc, không dễ cháy, thích hợp cho các máy lạnh và tủ lạnh.
Năm 1930, bằng cách sử dụng máy nén ly tâm, kích thước các máy lạnh nhỏ hơn có thể
lắp trên các toa tàu. Hãng tàu hỏa Baltimore & Ohio đã thử nghiệm một máy lạnh lắp trên một
toa tàu của tàu Columbian được thiết kế bởi Willis Carrier. Ban đầu toa tàu được tăng nhiệt độ
lên 93°F, sau đó máy lạnh được mở trong khi duy chuyển từ Wasington D.C sang New York.
Chỉ trong 20 phút, nhiệt độ đạt được 73°F (
).
Năm 1931, công ty Southern California Edison chế tạo “bơm nhiệt”(heat pump) hoạt
động theo nguyên tắc lấy nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp sang môi trường có nhiệt độ cao
hơn để sưởi ấm trong mùa đông và làm nóng nước không dùng điện trở.
Năm 1932, hãng tàu lửa Chesapeake & Ohio bắt đầu chạy chuyến tàu đầu tiên có hệ thống
điều hòa. Bốn năm sau đó, hãng hàng không Hoa Kỳ đã đưa vào sử dụng máy điều hòa không
khí phục vụ hành khách của mình.
Năm 1936, Albert Hense điều chế thành công tác nhân lạnh R-134a. R-134a có chỉ số
ODP (Ozone Depletion Potential) bằng không và là tác nhân lạnh thay thế cho CFC trong
tương lai.
Năm 1938, máy lạnh loại cửa sổ (window air conditioner) sử dụng Freon được tung ra
trên thị trường bởi Phico – York.
Năm 1939, hãng Packard Motor Car đưa ra loại xe ô tô có sử dụng điều hòa nhiệt độ.

Năm 1947, máy lạnh loại cửa sổ được sản xuất hàng loạt và giá thành giảm đáng kể.
Trong năm 1947, 43000 máy lạnh được bán trên thị trường nước Mỹ.
Năm 1969, 54% xe ô tô mới được lắp thêm máy lạnh. Cũng chính thời gian này, hầu hết
căn hộ xây mới tại Hoa Kỳ đều có hệ thống điều hòa không khí.
Năm 1987, nghị định thư Montreal được ký kết. Trong nghị định thư này, các chất có tác
động mạnh đến việc phá hủy tầng ozone (Ozone depletion substance) được đưa vào các doanh
mục các chất cần kiểm soát, đồng thời đưa ra các biện pháp để loại trừ các chất nói trên và
thay thế bằng các tác nhân lạnh khác thân thiện với môi trường hơn.

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

2


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Không chỉ dừng lại trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm và làm mát, ngành lạnh và điều hòa
không khí còn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành khác như:
+ Công nghệ phòng sạch trong phòng phẫu thuật hạn chế đến mức thấp nhất rủi ro nhiễm
trùng vết thương. Tạo các không gian có áp suất khác nhau trong nhà máy dược, hóa
chất, thực phẩm tránh hiện tượng xâm nhập chéo của không khí.
+ Công nghệ phòng sạch trong công nghệ nano, sản xuất chip, vi mạch điện tử.
+ Làm lạnh sâu tạo vật chất có tính siêu dẫn.
+ Ứng dựng trong công nghệ sinh học: điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm của môi trường sống
của sinh vật thúc đẩy chúng phát triển.
+ Thông gió và điều hòa không khí hầm mỏ.
+ Giải nhiệt các máy phát tại các nhà máy phát điện, giải nhiệt cho các máy tính lớn
(hiện tại, các ống nhiệt (heat pipe) là phương án rất được quan tâm trong lĩnh vực này).

+ Ứng dụng trong công nghệ chưng cất, khai thác khí tự nhiên.
+ Công nghệ sấy lạnh, giúp giữ hương vị, màu sắc của thực phẩm tươi ngon hơn sau khi
sấy.
+ Trong xây dựng, máy lạnh được dùng để đóng băng “đất lún”, là hỗn hợp cát và nước
trước khi đào các đường ngầm dưới lòng đất, hoặc làm các đập băng nhân tạo.
+ Trong giai đoạn hiện nay, xu thế phát triển của ngành lạnh và điều hòa không khí hiện
nay là khả năng tiết kiệm năng lượng, ít ảnh hưởng đến môi trường, khả năng tự động,
phương thức điều khiển khoa học và khả năng làm việc chính xác như mong muốn của
người sử dụng.
...
Ngày nay các Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt giữ một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế và
ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống như :
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Trong hệ thống điều hoà không khí
Trong hệ thống lạnh – cấp trữ đông
Trong hệ thống sấy
Trong hệ thống thông gió
Trong hệ thống nhiệt
Trong công nghiệp hoá chất – dầu khí
Trong công nghệ ô tô – tàu thuỷ – hàng không
Trong công nghiệp sản xuất điện năng

…

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

3


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

II. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
1. Các khái niệm

Hình 1.1 Một số thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất
cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh. Hình 1.1 giới thiệu một số Thiết Bị Trao đổi nhiệt
thường gặp.
Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn
chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công.
Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các chất
này có nhiệt độ khác nhau.
Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết
bị, người ta quy ước:





Dùng chữ số 1 để chỉ chất lỏng nóng

Dùng chữ số 2 để chỉ chất lỏng lạnh
Dùng dấu “i” để chỉ thông số vào thiết bị
Dùng dấu “o” để chỉ thông số ra thiết bị

Ví dụ: Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ khối của thiết bị Trao Đổi Nhiệt
Chất lỏng 1

t1i

t1o

T2o

t2i

Hình 1.2 Sơ đồ khối của thiết bị TĐN

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

4

Chất lỏng 2


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

2. Phân loại các TBTĐN.
2.1. Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN

TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất lỏng thứ cấp và môi chất
tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và truyền khối, tạo ra một hỗn hợp. Ví dụ
bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi.
TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc chất
lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt tỏa nhiệt. Quá trình TĐN là không ổn định
và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt. Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi
nhà máy nhiệt điện.
TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏng
lạnh và 2 chất lỏng TĐN với nhau. Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai
chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi
trong mọi công nghệ.
TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng
nóng đến chất lỏng lạnh. Môi chất trong các ống nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hoá hơi
thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng rồi quay về
vùng nóng để lặp lại chu trình. Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuần
hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2.
2.2. Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại TBTĐN có vách ngăn.
- Sơ đồ song song cùng chiều.
- Sơ đồ song song ngược chiều.
- Sơ đồ song song đổi chiều.
- Sơ đồ giao nhau 1 lần.
- Sơ đồ giao nhau nhiều lần.
2.3. Phân loại TBTĐN theo thời gian.
Thường phân ra 2 loại: Thiết bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo
chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ).
2.4. Phân loại TBTĐN theo công dụng.
Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (ví dụ nồi nấu, lò hơi).
Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (ví dụ tháp giải nhiệt
nước, bình làm mát dầu)
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

5


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (ví dụ tủ cấp
đông, tủ lạnh...).
III. ĐẶT VẤN ĐỀ
Có rất nhiều mô hình toán học để mô tả đặc điểm của các bộ trao đổi nhiệt gặp phải trong
chu trình làm lạnh hoặc điều hòa không khí và cũng có nhiều quan hệ để tính toán truyền nhiệt
và tổn thất áp suất. Các mô hình đó có thể nhiều hoặc ít phức tạp hơn phụ thuộc vào độ chính
xác yêu cầu.
Cấu tạo hình học của HX (Heat exchangers) cần thiết cho những phân tích trước khi tính
toán thiết kế. Thật không may, điều này không phải là luôn luôn có sẵn cho các bộ trao đổi
nhiệt vỏ ống do các vấn đề bí mật công nghệ. Thông số hình học thường thiếu và chỉ có một
số giá trị tham chiếu là thỉnh thoảng tìm thấy trong catalogue cho các điều kiện thực nghiệm.
Mặc dù có rất nhiều các mô hình toán học chi tiết, tuy nhiên nó không thể được sử dụng do sự
thiếu thông tin mà làm cho quá trình tính toán và thiết kế trở nên phức tạp.
Để khắc phục điều này, chúng tôi đề xuất sử dụng một mô hình đơn giản để xác định các
điều kiện đầu ra của phía vỏ và ống của thiết bị trao đổi nhiệt làm việc trong một chu trình
làm lạnh hoặc là bình ngưng hoặc thiết bị bay hơi.
Mô hình tính toán phía vỏ và ống có thể được phân loại theo các chi tiết rời rạc được sử
dụng bởi các loại mô hình khác nhau, chẳng hạn như: một vùng, hai vùng, ống lồng ống và
hộp trử nhiệt. Mô hình đề xuất trong luận văn này thuộc loại đầu tiên mô hình một vùng.
Mô hình trên giả định một hệ số truyền nhiệt tổng cho toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt có
thể phụ thuộc vào các biến, chẳng hạn như vận tốc môi chất, lượng nhiệt trao đổi của thiết bị.
Phương pháp hiệu suất – đơn vị chuyển nhiệt (phương pháp – NTU) và phương pháp độ

chênh nhiệt độ trung bình logarit (phương pháp LMTD) được sử dụng kết hợp để tính toán,
thiết kế và kiểm tra cho HX.
Theo tài liệu, người ta có thể tìm thấy một số mô hình TBTĐN ống và vỏ : [19,18,26,23].
Phần lớn các mô hình phức tạp hơn so với mô hình được trình bày trong luận văn này. Ví dụ,
Allen và Gosselin [1] trình bày một mô hình ước tính tổng chi phí của HXs vỏ ống với ngưng
tụ trong ống hoặc trong vỏ. Mô hình này và việc tối ưu hóa là nguồn gốc phát sinh một thuật
toán tối ưu gồm 11 biến của HX. Mười trong số đó là được liên kết với hình học: cỡ của ống,
bố trí ống, khoảng cách các vách ngăn ở giữa, khoảng cách các vách ngăn ở đầu vào và đầu ra.
Biến 11 là lưu chất ngưng tụ. Mô hình này cung cấp cho người dùng khả năng để xác định các
thiết kế bên trong tốt nhất cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất mà một trong số đó
được ngưng tụ. Nếu cấu tạo hình học bên trong của HX vỏ và ống được biết, mô hình này
mang tính ứng dụng cao.
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

6


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Mặt khác, Yanik và Webb [27] trình bày một mô hình dự đoán sự truyền nhiệt và tổn thất
áp suất cho thiết bị bay hơi. Mô hình này sử dụng các mối tương quan chi tiết để thấy được tác
động của dòng chất lỏng trong ống và so sánh kết quả với các dữ liệu thực nghiệm thu được từ
các thử nghiệm của một ống duy nhất. Trong mô hình này chất làm lạnh và nước chuyển động
ngược chiều nhau có vách ngăn. Ống được chia thành 1 ft dọc theo chiều dài dòng chảy môi
chất lạnh của mỗi pass, như vậy ống được chia thành 24 đoạn.
Các tính toán bắt đầu tại đầu vào của môi chất lạnh và tăng dần các bước cho đến đầu ra
của môi chất lạnh. Sử dụng phương pháp LMTD tính toán trao đổi nhiệt cho mỗi bước. Trong
trường hợp này, cấu tạo hình học của HX cần thiết để tính toán mô hình một cách chính xác.

Trong luận văn này tính hữu dụng của các mô hình được sử dụng cho các trường hợp
thông tin của bộ trao đổi nhiệt được cung cấp bởi các nhà sản xuất bị hạn chế. Mục tiêu của
mô hình này là cung cấp điều kiện đầu ra khi mà các điều kiện đầu vào được biết đến như là
một phần của thông số cần biết.
Mô hình này trình bày các mối quan hệ để đánh giá hệ số trao đổi nhiệt đã được giới
thiệu. Hệ số trao đổi nhiệt này phụ thuộc vào loại HX xét đến trong trường hợp ngưng tụ và
bay hơi. Sau đó mô tả về các cơ sở thử nghiệm, các biện pháp kiểm tra, quá trình đo đạt và
kiểm chứng kết quả mô phỏng. Có một phép so sánh giữa kết quả đo và mô hình tính toán và
cuối cùng các kết luận được trình bày, cũng như đề xuất một số ứng dụng của mô hình.

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

7


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC
I. MÔ TẢ MÔ HÌNH
Mô hình toán được phát triển trong luận văn này hỗ trợ cho việc thiết kế các hệ thống lạnh
và hệ thống điều hòa không khí để đảm bảo cài đặt đạt hiệu quả. Mô hình riêng lẽ của mỗi
thành phần được yêu cầu để đảm bảo tính chính xác của mô hình tổng quát. Sự kết nối giữa
các mô hình của các thành phần cá nhân mang lại một hệ phương trình mà có thể được giải
quyết bằng một thuật toán của Newton-Raphson. Trong trường hợp này đó là mô hình được
dùng để nghiên cứu tính ổn định trong việc cài đặt.
Mỗi thành phần được mô hình hóa với phép tính gần đúng, khi các HX làm việc tại bình

ngưng và bình bay hơi phổ biến với các thông số đầu vào : nhiệt độ nước vào (T ’1i, T’2i,) va lưu
lượng (m’1, m’2). Ki hiệu “ , ” nghĩa là điều kiện thiết kế.
• Kí hiệu các đại lượng
A
: Diện tích (m2)
Cp
: Nhiệt dung riêng (J/kgK)
Cg
: Hệ số tương quan hình học
Cf
: Hệ số tương quan của dòng và chất lỏng
CWC
: Điều kiện làm việc catalogue
D
: Đường kính (m)
f
: Hệ số ma sát
g
: Gia tốc trọng trường (m/s2)
HX
: Thiết bị trao đổi nhiệt
h
: Enthanpy (J/kg)
hfg
: Nhiệt ẩn (J/kg)
: Lưu lượng khối lượng (kg/s)
N
: Số vách ngăn trong vỏ
Ncw
: Số lượng các dòng chảy qua hiệu quả

Nc
: Số lượng các dòng chảy qua
NTU
: Số đơn vị chuyển giao
p
: Áp suất (bar)
Pr
: Số Prandtl
q
: Dòng nhiệt (W/m2)
Q
: Nhiệt lượng (W)
Re
: Hệ số Renoylds
Rl
: Hệ số hiệu chỉnh áp suất (ống-vách và vỏ-vách)
Rb
: Hệ số hiệu chỉnh áp suất (đi vòng của dòng)
S
: Diện tích bề mặt (m2)
T
: Nhiệt độ (0C)
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

8


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

U

: Hệ số trao đổi nhiệt tổng
: Hệ số trao đổi nhiệt (W/m2.K)
: Tỉ số hệ số trao đổi nhiệt
: Chênh lệch
: Hệ số hiệu quả
: Độ nhớt động lực học (Ns/m2)
: Hệ số dẫn nhiệt (W/m2.K)
: Khối lượng riêng (kg/m3)
: Sức căng bề mặt (N/m)
1
: Dòng môi chất lạnh
2
: Lưu chất thứ cấp
c
: Mặt cắt/tiết diện
cond
: Condensation
e
: Bên ngoài
evap
: Evaporation
f
: Dòng
fg
: Dòng khí
g
: Khí hoặc hơi

geom
: Hình học
guess
: Đoán giá trị
i
: Bên trong
lm
: Thuật toán logarithm
max
: Giá trị cực đại
new
: Phép tính mới
o
: Điều kiện đầu ra
s
: Phía vỏ
sat
: Bão hòa
w
: Vách hay tường
‘
: Điều kiện thiết kế
Nói chung, catalogue của nhà sản xuất chứa nhiều thông số thử nghiệm. Cái này sẽ được
biết đến như là các điều kiện làm việc Catalogued (CWC). Các thông số thường đi theo
catalogue là nhiệt độ dàn ngưng Tcond hoặc nhiệt độ dàn bay hơi Tevap, lưu lượng dòng chảy
phụ, nhiệt dòng chảy phụ và nhiệt lượng Q trao đổi trong HX. Trong trường hợp này, thông tin
về phần còn lại của catalogue dễ dàng được tính như sau:

(evaporation case)

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

9


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(condensation case)
T1i

(1)

T1i
1

T1o

1

T2o

T1o

T2o

2

2

T2i
T2i
a. Ngược chiều

b. Cùng chiều

Hình 2.1: Sơ đồ truyền nhiệt

là nhiệt độ trung bình logarit:

(2’)
Tích hệ số truyền nhiệt và diện tích:

(2)

Giả sử các thông số:

đều được biết trong catalogue.

Để xác định điều kiện đầu ra tại điểm thiết kế ta sử dụng pháp

(3)
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

10


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Và hệ số hiệu quả:

(chuyển pha)

(4)

 Nếu trao đổi nhiệt một pha, dạng vỏ bọc chùm ống, với số pass ống là: 1, 2,

4…
(4’)
Lượng nhiệt trao đổi trong bình ngưng hay bình bay hơi được tính lại theo công thức:

(5)
là nhiệt lượng lớn nhất trao đổi trong HX, và được tính bằng:

(evaporation case)
(condensation case)

(6)

Điều kiện đầu ra có thể được xác định với
. Điều đó cần thiết để xác định hệ số trao
’
đổi nhiệt tổng (UA ) của sản phẩm khi làm việc ở điều kiện thiết kế và UA ’ phụ thuộc vào Q’
hoặc/và điều kiện đầu ra tại điểm thiết kế, vì nó được cho bởi công thức (3) - (6). Việc tính lặp
như vậy là rất cần thiết và cứ tính lặp cho đến khi
là được.
Để bắt đầu tính toán, đầu tiên ta phải dự đoán, trong trường hợp này tại điều kiện làm

việc dự đoán =0,6. Với giá trị
tính bởi công thức:

vừa có, đầu tiên điều kiện đầu ra tại điểm thiết kế được

(evaporation case)

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

11

(7)


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Và

(condensation case)
Mặt khác, việc tính UA’ là rất cần thiết để tính hệ số trao đổi nhiệt

(8)
(bên trong ống) và

(bên ngoài ống) tại điều kiện làm việc:

(9)
Với:

: Hệ số trao đổi nhiệt bên trong ống tại điều kiện thiết kế (W/m2.K)
: Hệ số trao đổi nhiệt bên trong ống tại điều kiện thiết kế (W/m2.K)
,

: Bề mặt nơi có trở nhiệt (m2)

: Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)
: Bề dày ống (m)
,
: Nhiệt trở lớp cáu bên trong và bên ngoài (m2.K/W)
Khi nhiệt trở lớp cáu và nhiệt trở bề dày vách ống không đáng kể, diện tích truyền nhiệt
đã xác định thì ta có công thức sau:

(10)
Các hệ số truyền nhiệt chủ yếu là phụ thuộc vào trạng thái và loại lưu chất, cấu tạo hình
học của và các điều kiện dòng chảy trong HX ống-vỏ làm việc tại điều kiện thiết kế.

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

12


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
Tác nhân lạnh

Chất tải lạnh
T2o
T1o

Hình 2.2: Sơ đồ thiết bị Trao Đổi Nhiệt
Cả hai bề mặt nơi có trở nhiệt đều phụ thuộc vào đặt điểm hình học của HX. Như đã nêu
ở nhận xét trước, thông tin hình học rất ít cho các trường hợp của HX. Để tránh vấn đề này, ta
có cách như sau:
 Xem hệ số trao đổi nhiệt tổng (UA) làm việc tại điều kiện catalogue được cho

bởi công thức:

(11)
Suy ra :

(12)
Chia (12) cho (10):

(13)
Đặt các tổng số trên như sau:

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

13


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(14)
 Theo Bell và Muller [4] thiết kế tối ưu thích hợp cho HXs có thể đạt được nếu

các nhiệt trở của hai phía (bên trong và bên ngoài) là xấp xỉ bằng nhau. Nhiệt

trở bên trong và bên ngoài thường được sự cân bằng trong HX vỏ và ống vì loại
HX có công nghệ cao và kinh nghiệm trong việc thiết kế. Với những hiệu chỉnh
trong thiết kế này của HXs mang đến sự cân bằng nhiệt trở một cách tự nhiên.
Yêu cầu này có thể được nếu như:

(15)
Hoặc :

(16)
Nếu HXs ống vỏ của bình ngưng và bình bay hơi được thiết kế theo kiểu cân bằng
nhiệt trở thì:

(17)
 Đó là một thực tế phổ biến theo sách của Bell và Muller [4] và Kays và London

[20]. Công thức (13) có thể được viết lại như sau:

(18)

Ở đây cho thấy hệ số
,
phụ thuộc vào quan hệ của hệ số trao đổi nhiệt cái mà được
chọn để tính hệ số trao đổi nhiệt.
Vì vậy UA’ được tính:
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

14


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(19)
 Nếu nhiệt trở không cân bằng thì phương trình (17) không hợp lí. Một số

nghiên cứu cho thấy rằng sai số giữa công thức (13) và (18) là nhỏ hơn 10%
khi có sự khác biệt 100% về bên trong và bên ngoài của nhiệt trở.

(20)
Vì vậy công thức gần đúng theo sách của Bell và Muller [4], Kays và London [20] là
hợp lý.
Trong những trường hợp nhất định, việc tính toán lặp theo phương pháp NTU là cần thiết
vì sự trao đổi nhiệt phụ thuộc vào lượng nhiệt trao đổi. Tóm tắt thuật toán sẽ được trình bày ở
phần sau (chương 3, hình 3.1).
Số lượng các mối tương quan
có sẵn trong các tài liệu hiện có là khá phong phú.
Có thể chọn tương quan thích hợp nhất cho dù một bình ngưng hoặc một thiết bị bay hơi đang
được nghiên cứu và cho dù môi chất lạnh chảy bên trong hoặc bên ngoài các ống. Các mối
tương quan sử dụng cho từng trường hợp và ước tính tỷ số hệ số truyền nhiệt của mô tả trong
phần tiếp theo.
Về tổn thất áp suất, một phương pháp đơn giản để đánh giá được đề xuất ở phía chất lỏng
thứ cấp (chất lỏng mà không có sự biến đổi pha). Phía môi chất lạnh chưa được xem xét vì
thiếu thông tin làm cho việc đánh giá khó khăn. Không có thông tin được cung cấp bởi nhà sản
xuất, trái với những gì xảy ra với chất dịch thứ cấp.

Trong phần này một số biểu thức cho tỷ số:
(21)
Tỉ số này được tính như là một hàm của các tính chất lỏng và lưu lượng khối lượng tại
điều kiện làm việc của nhà sản xuất và thiết kế. Giảm tổn thất áp suất quan trọng nhất đến từ

chất lỏng thứ cấp vì điều này sẽ xác định năng lượng cần thiết cho các bơm tuần hoàn của chất
lỏng này.

II. ƯỚC TÍNH TỈ SỐ HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

15

,


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Trong phần này, sẽ giải thích và chứng minh các mối tương quan được lựa chọn để tính
toán một cách chính xác tỷ lệ hệ số truyền nhiệt

.

Nhiệm vụ của phương pháp, cho biết sự tương quan giữa tỉ số hệ số truyền nhiệt được
tách ra thành hai hàm điều kiện. Một hàm bao gồm tất cả các điều kiện hình học và hàm còn
lại là loại của chất lỏng và điều kiện làm việc của nó. Mối tương quan của hệ số truyền nhiệt
có thể được viết theo cách này:

(22)

Trong đó

một hàm toán học mà bao gồm tất cả các thông số hình học của mối

tương quan hệ số truyền nhiệt và
là một hàm toán học bao gồm các loại chất
lỏng và thông số điều kiện làm việc.
Hơn nữa, nó là cần thiết để lựa chọn mối tương quan thích hợp nhất cho ngưng tụ hoặc
bay hơi, và các dòng chảy chất làm lạnh bên trong hoặc bên ngoài các ống.Các cấu hình sau
đây được nghiên cứu trong các phần tiếp theo :
• Ngưng tụ với môi chất lạnh chảy trong ống
• Ngưng tụ với môi chất lạnh chảy ngoài ống (qua vỏ)
• Bay hơi với môi chất lạnh chảy trong ống
• Bay hơi với môi chất lạnh chảy ngoài ống (qua vỏ).
Ở phía còn lại của bộ trao đổi nhiệt là lưu chất thứ cấp mà pha không thay đổi. Để tính
toán tỷ số hệ số truyền nhiệt nó không cần thiết để đưa vào phương pháp đã nêu nếu HX là
một bình ngưng hoặc một thiết bị bay hơi. Tuy nhiên, chất lỏng thứ cấp có thể chảy qua phía
vỏ hoặc phía ống, một tương quan khác nhau sẽ được cần thiết cho mỗi trường hợp. Các
trường hợp liên quan đến mô chất lạnh được trình bày trong các phần sau.
1. Hệ số trao đổi nhiệt tỉ lệ của chất lỏng thứ cấp
Trong phần này, các mối tương quan được lựa chọn cho chất lỏng thứ cấp chảy qua cả vỏ
và qua các ống sẽ được giải thích. Trong HX thường sử dụng nước, cái mà không thay đổi
trạng thái, chảy ở phía vỏ hoặc trong các ống. Vì vậy, nó chỉ cần thiết để quyết định mối tương
quan thích hợp cho cả hai trường hợp: một pha phía vỏ (bên ngoài ống)
ống

.

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

16

và một pha trong


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

1.1 Chất lỏng thứ cấp chảy bên ngoài ống. Hệ số trao đổi nhiệt và sự giảm áp
suất
Trong trường hợp này, hệ số truyền nhiệt sử dụng đã được xác định bởi Kern (theo Hewitt
[17]). Các biểu thức của hệ số truyền nhiệt được cho bởi:

(23)
Như vậy, biểu thức thu được về tỷ lệ hệ số truyền nhiệt là:

(24)

Ở đây
không bị ảnh hưởng bởi những thông số hình học vì đã bị khử khi lập tỉ số.
Mặt khác, trong dòng một pha, sự giảm áp suất qua phía bên vỏ có thể được tính toán
bằng quan hệ của Bell-Delaware:

(25)
Phần đầu tiên của phía bên tay phải là giảm áp lực trong dòng chảy chéo giữa các đầu ván
ngăn, thứ hai là giảm áp lực trong dòng chảy trong vùng cửa sổ và cuối cùng tương ứng với sự
sụt giảm áp lực trong các vùng cuối cùng của HX, Hình 2.3 mô tả các vùng tổn thất áp suất
của HX. Ý nghĩa của từng tham số của phương trình được quy định tại phần danh mục.

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

17


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

Vùng thứ nhất

Vùng thứ hai

Vùng còn lại

Hình 2.3: Các vùng tổn thất áp suất của HX

Mô tả chi tiết và lý giải của các tham số có thể được tìm thấy trong sách xuất bản kỹ thuật
số của Mueller [4].
Công thức giảm áp suất (25) có thể được viết lại như sau:

(26)
Bằng cách sử dụng định nghĩa tỷ lệ áp suất, phương trình (21), là xấp xỉ một biểu thức
sau đây cho tỷ lệ áp suất có thể được cho là:

(27)
Với phương trình (27) có thể tính toán giảm áp lực trong các điều kiện thiết kế của

CWC được biết đến, bất cứ khi nào các tỷ lệ mới

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

18

và

được xác định. Cái đầu tiên


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

có thể được bắt nguồn bằng cách xem xét định nghĩa ban đầu của

, mà về cơ bản là một

chức năng hình học có nhân hệ số
, sửa chữa bởi các chức năng độ nhớt nếu số Reynolds
thấp hơn hoặc bằng 100, do đó sau khi những nhận xét này:

(28)
Đối với phần thứ hai, biểu thức đề xuất của Hewitt trong [17] làm việc:

(29)
Với Sm là tiết diện cửa sổ dòng chảy và Kf được xác định bằng đồ thị trong cùng một tài
liệu tham khảo [17], mà phụ thuộc vào mức độ của đường kính và số Reynolds. Như vậy, tỷ lệ
áp suất này:

(30)
Có tính đến ảnh hưởng của các biến hình học của Kf, biểu thức của Zakauskas và

Ulinskas (theo [17]) đã được sử dụng cho việc ước tính tỷ lệ
Theo dòng:

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

19

:


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(31)
Theo hình tam giác:

(32)
Thông tin duy nhất hình học cần thiết là vị trí của ống bên trong vỏ.Trong trường hợp này,
thông tin này là không thể, nó có thể sử dụng phương trình (32) là để tính xấp xỉ.

1.2 Chất lỏng thứ cấp chảy bên trong ống
Trong trường hợp này, hệ số truyền nhiệt của chất lỏng thứ cấp chảy qua các ống có thể
được tính toán bằng phương trình tương quan của Dittus-Boelter [14], được đưa ra bởi:

(33)
Tính đến, trong trường hợp này, số Reynolds:

Hệ số trao đổi nhiệt được cho bởi:
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

20


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(34)

Yếu tố đầu tiên ở phía bên tay phải
phụ thuộc vào hình học HX, yếu tố thứ hai
phụ thuộc vào chất lỏng và thứ ba là một chức năng của tốc độ dòng chảy.Vì vậy, được tính
như sau:

(35)
Trường hợp thông số phải được đánh giá ở nhiệt độ trung bình, giữa đầu vào và đầu ra
của HX.
Việc lập dự đoán giảm áp lực chất lỏng thứ cấp chảy qua các ống của HXs đã được tính
toán như giảm áp lực cho ma sát của chất lỏng giai đoạn duy nhất thông qua một ống duy nhất
(không bao gồm các vòi phun kết nối hoặc vỏ). Điều quan trọng là phải xem xét rằng thông tin
hình học bên trong của ống không có sẵn cho các mô hình HXs vỏ và ống.
Áp lực giảm do ma sát trên đường ống với chiều dài và đường kính trong được cho bởi
phương trình (36):

(36)
Hệ số ma sát f có thể được tính toán bằng biểu thức của Darcy-Weisbach:

(37)
Công thức (36) có thể viết lại như sau:

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

21


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(38)
Yếu tố đầu tiên rõ ràng phụ thuộc vào đặc điểm hình học của ống và yếu tố thứ hai phụ
thuộc vào tốc độ dòng chảy khối lượng và tính chất của chất lỏng.Với những nhận xét này,
bằng cách sử dụng định nghĩa của tỷ lệ áp lực, phương trình (21), kết quả cho ra biểu thức sau
đây:

(39)

Tỷ lệ hệ số ma sát

có thể được tính toán bằng phương tiện:

(40)
Trong trường hợp này, các thông tin hình học cần thiết để quyết định nếu lưu lượng chế
độ là chảy tầng hoặc chảy rối.

2.2 Ngưng tụ trong ống
Hầu hết các mối tương quan có sẵn cho việc đánh giá hệ số truyền nhiệt ngưng tụ là cục bộ.
Sự tương quan trung bình là đề nghị của Bell trong [4] và phát triển bởi Boyko và Kruzhilin
[5] đã được sử dụng trong trường hợp này.Như vậy, hệ số truyền nhiệt được cho bởi:

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

22


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(41)
Ở đây Re chỉ là là hệ số Reynolds của pha lỏng:

Thay biểu thức số Reynolds trong phương trình (41) và sắp xếp lại nó:

(42)

Thu được một hệ số hình học phụ thuộc,
vào chất lỏng và tỷ lệ lưu lượng.

, phần còn lại của phép nhân tùy thuộc

Định nghĩa của
trong biểu thức (14) được áp dụng bằng cách chia hệ số truyền nhiệt ở
điều kiện thiết kế làm việc với hệ số tại CWC. Hệ số truyền nhiệt tỉ lệ với dòng môi chất lạnh
ngưng tụ trong ống

:

(43)

Trong phương trình này, tất cả các tham số phụ thuộc vào loại và điều kiện của chất lỏng
làm lạnh. Như là chúng không phụ thuộc vào cấu tạo hình học của HXs, không cần thiết để
biết cấu tạo hình học bên trong của mô hình HXs ống vỏ.
Phương trình (24) dùng để tính

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

và hoàn thành mô hình trong trường hợp này.

23


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

3. Ngưng tụ ngoài ống

Trong trường hợp này, tỷ số truyền nhiệt được tính toán bên ngoài, , bởi vì các chất làm
lạnh là chảy qua vỏ. Hệ số truyền nhiệt bên ngoài có thể được tính toán bằng phương pháp
đồng dạng Nusselt (theo cuốn sách của Hewitt [17]) như sau:

(44)

Trong phương trình này, các giá trị của C = 0,725 và

= 1 được xem xét cho các ống

trơn. Giá trị khác nhau của C và
là có sẵn trong các tài liệu [17]. Chúng thường là một

hàm của bề mặt bên trong (ngoài) của ống. Nếu HX có ống cánh ngắn, tương quan trong
Beatty và Katz [2],
phụ thuộc vào hiệu suất và diện tích cánh. Hiệu ứng căng bề mặt có
thể được tính bằng cách sử dụng một hệ số đó là một hàm của sức căng bề mặt và cấu tạo hình
học của các HXs (như trong mối tương quan giải thích Belghazi trong [3]).
Tương quan này có thể được sắp xếp lại bằng cách nhóm các biến hình học và bất biến
trong điều kiện đầu tiên (Cg tham số trong phương trình (46)), và các thông số chất lỏng và
những thứ phụ thuộc vào các dòng nhiệt trong điều kiện thứ hai (tham số C f trong biểu thức
(46) ), theo cách này hệ số truyền nhiệt trở thành:

(45)

(46)

Nếu định nghĩa
SVTH: Nguyễn Kim Đồng

, khi đó
24

trở thành:


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

(47)

Và, theo đó hệ số

được tính như sau:

(48)
Ở đây, sức căng bề mặt được tính giống nhau trong cả hai trường hợp CWC và tại điều
kiện thiết kế làm việc:

(49)

Phương trình (35) dùng để tính

và hoàn thành mô hình trong trường hợp này.

4. Bay hơi với môi chất lạnh chảy bên trong ống
Trong trường hợp dòng chảy chất làm lạnh qua các ống, mối tương quan được lựa chọn
cho hệ số truyền nhiệt là tương quan của Cooper [10]. Quan hệ này được chấp nhận rộng rãi
bởi các nhà nghiên cứu (như các tài liệu tham khảo [16,25,24,15] cho thấy), nhưng nó không
phải là rất hữu ích cho trường hợp của sôi bên trong ống. Tuy nhiên, khi mối quan hệ này phụ
thuộc vào các tính chất chất lỏng, áp lực chất lỏng và dòng nhiệt:

(50)

Từ đó ta dễ dàng thu được hệ số

SVTH: Nguyễn Kim Đồng

như sau:

25