XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI NGƯNG TỤ MÔI CHẤT LẠNH TRONG CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (223.69 KB, 6 trang )
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]:
4
3
..
…
.
lt
gi
C
∆
∆
=
ν
λρ
α
(1)
trong đó:
∆t – Độ chênh nhiệt độ giữa môi chất ngưng tụ và bề mặt vách,
o
K ;
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/m
3
;
λ – Hệ số dẫn nhiệt của lỏng tác nhân khi ngưng, W/m.K;
g – Gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s
2
;
ν – Độ nhớt động học của chất lỏng tác nhân khi ngưng, m
2
/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
NH
3
, R
22
và R
12
.
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: t
k
= 35
o
C
– Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống: 2, 4, 6, 8, 10, và 12
O
C
– 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 NH
3
,
R
22
và R
12
.
Bảng 1: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang.
Môi chất NH
3
, (W/m
2
.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 = t
k
– t
w
Chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách ống, K
α,
W/m2.K
4.500
d, mm
5.500
6.500
7.500
8.500
9.500
10.500
11.500
12.500
13.500
15
65
40
32
27
21
49
80 90
–
∆
t = 2 C
o
o
–
∆
t = 4 C
o
–
∆
t = 6 C
–
∆
t = 12 C
o
o
–
∆
t = 10 C
o
–
∆
t = 8 C
10
100
Hình 1: Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ NH
3
trên ống nằm ngang
Bảng 2: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang.
Môi chất R
22
, (W/m
2
.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 R
12
, (W/m
2
.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: t
k
= 35
o
C
– Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống: 2, 4, 6, 8, 10, và 12
O
C
– 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 NH
3
,
R
22
và R
12
.
Bảng 4: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng.
Môi chất NH
3
, (W/m
2
.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 NH
3
trên ống đứng
Bảng 5: Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng.
Môi chất R
22
, (W/m
2
.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 R
12
, (W/m
2
.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 35
o
C) cụ thể như sau:
25,0
)..(
−
∆=
ltA
α
(2)
Trong đó
A- hệ số và được cho ở bảng 7.
∆t = t
k
– t
w
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 d
t
, khi ngưng tụ
ngoài ống là đường kính ngoài d
n
và khi ống đặt thẳng đứng là chiều cao ống h.
….. ltgiλρ ( 1 ) trong đó : ∆ t – Độ chênh nhiệt độ giữa môi chất ngưng tụ và mặt phẳng vách, K ; l – Kích thước xác lập của mặt phẳng, 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 / mλ – Hệ số dẫn nhiệt của lỏng tác nhân khi ngưng, W / m. K ; g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m / sν – Độ nhớt động học của chất lỏng tác nhân khi ngưng, m / s. Đối với chùm ống nằm ngang : C = 0,72 Đối với chùm ống thẳng đứng : C = 0,943 Đối với những trường hợp đơn cử của thiết bị ngưng tụ, trên cơ sở biểu thức ( 1 ) người tanhân thêm những hệ số hiệu chỉnh khác, để tính đến sự đổi khác vận tốc dòng hơi và màng nước từtrên xuống, hệ số tính đến những điều kiện kèm theo khác nhau khi làm cánh, hệ số tính đến sự chuyển độngcủa vận tốc 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 mặt phẳng ống xác địnhtheo công thức ( 1 ) rất quan trọng và hoàn toàn có thể được sử dụng để đo lường và thống kê trong hầu hết những trườnghợp. Trong bài báo này chúng tôi xin trình làng một số ít tác dụng xác lập hệ số toả nhiệt nêu trêncho 2 trường hợp đường ống nằm ngang và đặt thẳng đứng với 3 môi chất lạnh thông dụng nhất làNH, R22và R122. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT2. 1. Ngưng tụ trên đường ống nằm ngangĐể xác lập hệ số toả nhiệt trong trường hợp này chúng tôi đã triển khai thống kê giám sát chorất nhiều trường hợp khác nhau đơn cử như sau : – Ống nằm ngang. – Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất : t = 35 – Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống : 2, 4, 6, 8, 10, và 12 – Đường kính của ống : 15, 21, 27, 32, 40, 49, 65, 80 và 90 mmCác hiệu quả thống kê giám sát được biểu lộ trên những bảng 1, 2 và 3 cho những môi chất lạnh NH22và R12Bảng 1 : Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang. Môi chất NH, ( W / m. K ) d, mm ∆ t, K2 4 6 8 10 1215 13.213 11.111 10.040 9.343 8.836 8.44221 12.147 10.214 9.230 8.589 8.123 7.76127 11.407 9.592 8.668 8.066 7.629 7.28932 10.933 9.194 8.307 7.731 7.311 6.98640 10.340 8.695 7.857 7.311 6.915 6.60749 9.828 8.265 7.468 6.950 6.573 6.28065 9.158 7.701 6.959 6.476 6.124 5.85180 8.695 7.311 6.607 6.148 5.814 5.55590 8.442 7.099 6.415 5.970 5.646 5.394 d – Đường kính ống, mm ; ∆ t = t – tChênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách ống, Kα, W / mét vuông. K4. 500 d, mm5. 5006.5007.5008.5009.50010.50011.50012.50013.5001565403227214980 90 t = 2 Ct = 4 Ct = 6 Ct = 12 Ct = 10 Ct = 8 C10100Hình 1 : Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ NHtrên ống nằm ngangBảng 2 : Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn nằm ngang. Môi chất R22, ( W / m. K ) d, mm ∆ t, K2 4 6 8 10 1215 2.886 2.427 2.193 2.041 1.930 1.84421 2.653 2.231 2.016 1.876 1.774 1.69527 2.491 2.095 1.893 1.762 1.666 1.59232 2.388 2.008 1.814 1.688 1.597 1.52640 2.258 1.899 1.716 1.597 1.510 1.44349 2.147 1.805 1.631 1.518 1.435 1.37265 2.000 1.682 1.520 1.414 1.338 1.27880 1.899 1.597 1.443 1.343 1.270 1.21390 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 / m. K ) d, mm ∆ t, K2 4 6 8 10 1215 1.221 1.026 927 863 816 78021 1.122 944 853 793 750 71727 1.054 886 801 745 705 67332 1.010 849 767 714 675 64540 955 803 726 675 639 61049 908 763 690 642 607 58065 846 711 643 598 566 54180 803 675 610 568 537 51390 780 656 593 551 522 4982.2. Ngưng tụ trên đường ống đặt đứngĐể xác lập hệ số toả nhiệt trong trường hợp ngưng tụ trên đường ống đặt thẳng đứngchúng tôi đã triển khai đo lường và thống kê với những tài liệu đơn cử như sau : – Ống nằm đặt thẳng đứng. – Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất : t = 35 – Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và vách ống : 2, 4, 6, 8, 10, và 12 – Chiều cao của ống là : 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 ; 3,5 ; 4,0 ; 4,5 v à 5,0 mCác hiệu quả giám sát được biểu lộ trên những bảng 4, 5 và 6 cho những môi chất lạnh NH22và R12Bảng 4 : Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất NH, ( W / m. K ) H, m ∆ t, K2 4 6 8 10 121,0 6.057 5.093 4.602 4.283 4.051 3.8701,5 5.473 4.602 4.159 3.870 3.660 3.4972,0 5.093 4.283 3.870 3.602 3.406 3.2542,5 4.817 4.051 3.660 3.406 3.221 3.0783,0 4.602 3.870 3.497 3.254 3.078 2.9413,5 4.428 3.724 3.365 3.131 2.961 2.8294,0 4.283 3.602 3.254 3.028 2.864 2.7374,5 4.159 3.497 3.160 2.941 2.781 2.6575,0 4.051 3.406 3.078 2.864 2.709 2.588 H – Chiều cao đường ống, mHình 2 : Hệ số toả nhiệt khi ngưng tụ NHtrên ống đứngBảng 5 : Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất R22, ( W / m. K ) H, m ∆ t, K2 4 6 8 10 121,0 1,322 1,112 1,004 935 884 8451,5 1,194 1,004 908 845 799 7632,0 1,112 935 845 786 743 7102,5 1,051 884 799 743 703 6723,0 1,004 845 763 710 672 6423,5 966 813 734 683 646 6184,0 935 786 710 661 625 5974,5 908 763 690 642 607 5805,0 884 743 672 625 591 565B ảng 6 : Hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng trên ống trơn thẳng đứng. Môi chất R12, ( W / m. K ) H, m ∆ t, K2 4 6 8 10 121,0 560 471 426 396 375 3581,5 506 426 385 358 338 3232,0 471 396 358 333 315 3012,5 445 375 338 315 298 2853,0 426 358 323 301 285 2723,5 409 344 311 290 274 2624,0 396 333 301 280 265 2534,5 385 323 292 272 257 2465,0 375 315 285 265 250 2392.3. Khái quát hiệu quả tính toánTừ những hiệu quả giám sát hoàn toàn có thể khái quát thành công thức tổng quát để xác lập hệ sốtoả nhiệt khi ngưng màng của dòng hơi đứng yên của những môi chất lạnh ở nhiệt độngưng tụ thường gặp của môi chất lạnh ( xê dịch 35C ) đơn cử như sau : 25,0 ) .. ( ∆ = ltA ( 2 ) Trong đóA – hệ số và được cho ở bảng 7. ∆ t = t – tĐộ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách, Kl – Kích thước xác lập, mĐối với ngưng tụ trong ống size xác lập l là đường kính trong d, khi ngưng tụngoài ống là đường kính ngoài dvà khi ống đặt thẳng đứng là chiều cao ống h .
