Xem mẫu
- CHƯƠNG VII
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
7.1. Thiết kế thiết bị ngưng tụ của hệ thống NH3
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 : tk = t1 = 40C.
- Áp suất môi chất trong bình ngưng : pk = 15,56at.
- Nhiệt độ của nước giải nhiệt : tw1 = 34C.
- Nhiệt độ của nước ra khỏi bình ngưng : tw2 = 37C.
- Phụ tải nhiệt của bình ngưng là tổng tải nhiệt của máy đá vảy, IQF,
Tủ đông tiếp xúc, Tủ đông gió
Qk =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 : t1 = 37,7C
1 = 77% ;
d1 = 34g/kgk.khí
i1 = 126 kJ/kg
tư = 34C.
2. Giới hạn làm lạnh : tgh = 34C = tư.
3. Lưu lượng không khí : mkk = 3,25.kk.Qk.10-2 , kg/s.
Khối lượng riêng của không khí :
p1 1 d1 9,81.10 4 1 0,034
kk 1,081kg / m 3
R.T1 1 1,61.d1 287.310,71 1,61.0,034
Vậy : mkk = 3,25.1,081.337,4.10-2 = 11,85 kg/s.
4. Entanpi của không khí ra :
Qk 337,4
i2 i1 126 154,4kJ / kg
mkk 11,85
5. Hệ số toả nhiệt phía ngoài :
1 = 0,85.9750.m11/3 = 0,85.9750.0,051/3= 3053W/m2.K
m1= 0,05kg/s : lưu lượng tưới nước trên 1m chiều dài ống theo kinh
nghiệm.
6. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt Fng :
-Hệ số toả nhiệt về phía NH3 :
i 9733.qi0, 2 .d10,3 , W/m2.K.
- Để tính được i cần thiết chọn sơ bộ mật độ dòng nhiệt qi về phía nước,
theo kinh nghiệm : qa= 1400 2300 W/m2. Chọn qa = 1900W/m2 , lúc đó :
q a .d 2 1900.25
qi 2262 W/m2
d1 21
và i 9733.2262 0, 2.0,0210,3 6617
- Hệ số truyền nhiệt qua vách ống :
1 1 2
k 765 W/m .K
1 d2 i 1 1 25 1
. 0,8.10 3
i d1 i 1 6617 21 3056
- Nhiệt độ của nước giải nhiệt được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt :
qa 1900
qa = k.(tk-tw) tw tk 40 37,5C
k 765
iw = 160 kJ/kg.
- Entanpi của không khí ở trạng thái trung bình được xác định theo công thức
i 2 i1 154 126
i w itb 16kJ / kg
i w i1 160 126
ln ln
iw i2 160 154
Ở trạng thái này không khí có các thông số như sau :
ttb= 36C ;
Ck= 1,005kJ/kg.K :Nhiệt dung riêng
k = 1,1363kg/m3 :Khối lượng riêng
k= 0,0274W/m.K : Hệ số dẫn nhiệt
k= 16,635.10-6m2/s :Độ nhớt động
Pr = 0,7: Trị số Prandtl
- Diện tích bề mặt ngoài của dàn ống ngưng tụ yêu cầu là :
Qk 337,4.10 3
Fng 177,6m 2
qa 1900
- Tính kiểm tra Fng theo điều kiện truyền nhiệt, truyền chất giữa nước và
không khí :
mkk i i
Fng ln w 1 , m2
A. . i w i 2
Trong đó : A= 0,935 : hệ số phụ thuộc vào tw.
- = 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.Rem.Pr0,34.z
Chọn vận tốc không khí đi qua chùm ống k = 5m/s và ta có :
k .d 2 5.0,025
Re 7514
16,635.10 6
Ở chế độ quá độ : C = 0,4 ; m = 0,6 và n = 0,36.
Chọn số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí z = 8 từ đó
z = 0,96.
Vậy : Nu 0,4.7514 0, 6.0,7 0,36.0,96 71,5 .
Nu. 71,5.0,0274
Hệ số toả nhiệt : k 73,4
d2 0,025
k 73,4
Hệ số bay hơi : 0,087 kg / m 2 .s
C k 1,005.10 3
Diện tích bề mặt ngoài dàn ngưng là :
11.85 160 126
Fng ln 176,1m 2
0,935.0,078.1,6 160 154
177,6 176,1
Fng .100% 0,85%
177,6
So sánh Fng được chọn và Fng tính toán gần giống nhau, cho nên chúng ta chọn
Fng= 180 m2
-Lượng nước phun :
2,3.Qk 337,4
m wp 2,3. 7,76kg / s
100 100
- Lượng nước bay hơi :
mwbh = mkk.(d2-d1) = 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 là :
mbh 1,1.m wbh 1,1.0,12 0,13kg / s .
'
- Các kích thước chủ yếu của bình ngưng :
- Tổng chiều dài 1 hàng ống trên mặt cắt ngang :
m wp 7,76
L 77,6m
2.m1 2.0,05
Số ống trên mặt cắt ngang của thiết bị khi chọn chiều dài mỗi ống
thẳng l= 2,8m
L 77,6
Z 27,7 ống
l 2,8
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 dàn
gồm z= 14 ống
Bề rộng : B = z.s1 = 14.0,058 = 0,81 m
Chọn s1 = (22,3).dng = 0,058m
Số ống trong 1 dàn ống theo chiều thẳng đứng :
Fng 177,6
nc 28 ống.
, d ng .l.z .0,025.2,8.28
Như vậy mỗi dàn gồm 14 ống.
Chiều cao dàn ống :
H = s2.nc = 0,028.14 = 0,39m
Chọn s2 = (1,11,15).dng = 0,028 m
Vận tốc không khí thực tế trong tháp :
mkk 11,85
kk 1,87m / s
kk .Fkk 1,075.5,88
Trcng đó : Fkk : diện tích để không khí đi qua.
Fkk= 2.l(B-dng.z) = 2.2,8(1,4-0,025.14) = 5,88m2
Tổng số ống mỗi dàn :
n = nc.z = 14.15 = 210 ống.
Diện tích mắt cắt ngang của thiết bị :
S = B.l = 1,4.2,8 = 3,92 m2.
Mật độ mũi phun : 20 mũi/m2.
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
chuyển động cưỡng bức qua dàn lạnh nhờ các quạt gió. Môi chất NH3 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: Qo = 21,7 KW.
Nhiệt độ buồng: tb = -33oC
Sự thay đổi trạng thái của không khí trong buồng lạnh được biểu diễn trên đồ
thị i-d
I1
I (kJ/kG)
t1 1
I2
2
t2
Iv
tv v
dv
d2 d1 d(g/kG)
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 dàn lạnh.
Góc nghiêng của các đường thẳng được biểu diễn bởi phương trình:
i1 i 2 i i
1 v
d1 d 2 d1 d v
Lấy nhiệt độ không khí vào và ra khỏi dàn lạnh là:
t1 = - 34oC t2 = - 32oC
- Xác định thông số của không khí vào dàn lạnh
t1 = - 32oC độ ẩm 1 = 0,9
d1 = 1 . d”1 = 0,9 . 0,188 . 103 = 0,17 . 103 kg/kg
Với d”1:độ chứa hơi của không khí bảo hoà
i1 = ik1 + 1 . i”1 = -32,19 + 0,9 . 0,46= - 31,7KJ/kg
Thông số không khí ra khỏi dàn lạnh
t2 = -34oC độ ẩm 2 = 0,95
d2 = 2 . d”2 = 0,95 . 0,15 . 103 = 0,14 . 103 kg/kg
Với d”2:độ chứa hơi của không khí bảo hoà
i2 = ik2 + 2 . i”2 = -34,2 + 0,95 . 0,37 = -33,84 KJ/kg
Trong đó: d1”, ik1, i1”, d2”, ik2, i2” tra bảng 7-10 TL2
Tỉ số nhiệt ẩm:
i1 i2 31,7 33,84
71333
d1 d 2 0,17 0,14.10 3
Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh tv được xác định bằng phương pháp đồ thị tìm quan
hệ
i1 iv
f t v
d1 d v
Sơ bộ ta lấy một vài giá trị tv để vẽ đường cong = f(tv)
Khi tv = -36oC thì: iv = -35,68 KJ/kg
dv = v . dv” = 1.0,12.103 = 0,12.103 kg/kg
Khi tv = -37oC thì: iv = -36,62 KJ/kg
dv = v . dv” = 1.0,11.103 = 0,11.103 kg/kg
Khi tv = -38oC thì: iv = -37,72 KJ/kg
dv = dv” = 0,1.103 kg/kg
Lập bảng:
tv(oC) -38 -37 -36
i1 iv 36425 51687 53478
d1 d v
-
53478
=71333
51687
36425
tv,0C
-38 -37 -36
Hình 7 -3: XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT DÀN LẠNH tV BẰNG ĐỒ
THỊ
Ứng với giá trị = 71333 đã tìm được ta xác định được trên đồ thị nhiệt độ
vách: tvt = -37,05oC -37oC
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 ngoài d1 = 25 mm.
Đường kính trong d2 = 21 mm.
Bước cánh SC = 10 mm.
Bề dày ống C = 0,3 mm.
Bước ống theo chiều cao và chiều sâu S1 = S2 = 50 mm
Chiều cao cánh hC = 12 mm.
Diện tích cánh trên một mét chiều dài ống
- D 2 d 1 2
Fe 2 .n (6-2)
4 4
2 hC hC d 1 .
2
S1 0,1
2. . 0,012 2 0,012.0,025 .
01
e
2
= 0,279 m /m
1
Với n = là số cánh trên một mét dài ống
SC
Diện tích bề mặt ống giữa các cánh
F0 .d1 1 C (6-3)
SC
0,0003
= .0,0251 0,076n / m
2
0,01
Diện tích bề mặt bên trong của 1m ống
F2 = .d22 .l (6-4)
= .0,021 .l = 0,066 m2/m
Hệ số làm cánh được xác định theo
F F F0
= C (6-5)
F2 F2
0,279 0,0762 0,3552
= 5,4
0,066 0,066
Trị số Nutselt:
Nu = C.Cz.Cc.1-m.Ren (6-6)
Đối với chùm ống bố trí song song ta có:
C = 0,18
m = 0,7
Cz = 1: khi số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí z>4
ống.
S d
Cc = 1 1 1 (vì S1 = S2)
S 2 d1
F c F0 0,3552
1 = 4,2
F1 .0,025
- n = 0,6.10,07 = 0,6.4,520,07 = 0,667
Chiều dài quy ước của ống:
lq =
F0
FC F0
.d1
FC
FC F0
. 0,785 D 2 d1
2
(m) (6-7)
lq =
0,0762
0,3552
.0,025
0,279
0,3552
. 0,785 0,05 2 0,05 2
= 0,0443 m.
Chọn tốc độ của không khí qua dàn làm lạnh k = 3m/s
Trị số Reynolds sẽ là:
.l q 3.0,0443
Re = 13175 (6-8)
10,08.10 6
Do 500 < Re < 25000 nên trị số Nutselt được xác định theo phương trình:
Nu = 0,18.1.1.4,250,7.131750,667 = 35
Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí
Nu 35.2,14.10 2 2
k 16,9 W/m .K (6-9)
lq 0,0443
Với = 2,14.10-2 w/mk: hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ -33oC
(tra bảng 2 TL7)
Hệ số tách ấm trong trường hợp tv < 0oC
d1 d 2
1 2880 (6-10)
t1 t 2
= 1+2880
0,17 0,14.10 3 1,042
32 34
Hệ số tỏa nhiệt quy ước về phía không khí
1 2
q1 13,15 W/m .K
1
1 RC
k . 1
Trong đó ta chọn:
Bề dày lớp tuyết : 1 = 0,005 m
Hệ số dẫn của lớp tuyết : 1 = 0,2 W/mk
Nhiệt trở tiếp xúc giữa cánh và ống : Rc = 0,005 m2 0k/W
- Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí được quy đổi theo bề mặt trong của ống
q2 = q1 FC . F0
[W/m2 0k] (6-11)
F 2 F 2
Với :
= 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 :
0,279 0,0762 20
q2 = 13,15 .0,87.0,85 = 66,3 W/m k
0,066 0,066
Mật độ dòng điện về phía không khí quy đổi theo bề mặt trong của ống
qtr = q2 (tb - tv)
= 66,3(-33+37) = 265W/m2 (6-12)
Diện tích bề mặt trong ống:
Q0 21,7.10 3
Ftr 81,8 m2
q tr 265
Lưu lượng không khí đi qua dàn lạnh:
Q0
G0
i1 i2
21,58
10,1 kG/s (6-13)
31,7 33,84
Lưu lượng thể tích không khí đi qua dàn lạnh
Gk 10,1
Vk 6,95 m3/s (6-14)
k 1,452
Với k = 1,452 kG/m3 khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ t = -330C
(Tra bảng 7-10 TL2)
Diện tích tiết diện để không khí đi qua:
Vk 6,95 2
fk 2,31 m
3
Diện tích truyền nhiệt của một cụm ống:
- .d 2
Ftr f k . (6-15)
2. c .hc
S1 d 1
Sc
3,14.0,021
2,31. 3,95 m2
2.0,3.10 .0,012
3
0,05 0,025
0,01
Số cụm ống đặt song song trong dàn lạnh:
Ftr 81,8
z 20,7
F 'tr 3,95
Chọn z = 21
Chiều dài ống trong một cụm:
fk
L1 (6-16)
2. c .hc
S1 d 1
Sc
2,31
95,1 m
2.0,3.10 3.0,012
0,05 0,025
0,01
Số hàng ống trong 1 cụm:
L1 95,1
m
S1 .K 0,05.K
B
Với K
H
B
Khi K 1 thì m = 35,3
H
B
Khi K 1,5 thì m = 28,6
H
B
Khi K 2 thì m = 24,7
H
95,1
Chọn m = 27 Suy ra K 2,6
0,05.27 2
Chiều dài của một ống trong cụm:
L1 95,1
l 3,52 m
m 27
- Các kích thước hình học của dàn lạnh:
Chiều dài L = l + lf
= 3,52 + 0,5 = 4,02 m
Chiều rộng B = S2.Z + bf
= 0,05.21 + 0,5 = 1,55 m
Chiều cao H = S1.m + hf
= 0,05.27 + 0,2 = 1,55 m
nguon tai.lieu . vn