Giáo trình kỹ thuật lạnh 7-IUH

Khái niệm về thiết bị bay hơi Thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó môi chất lạnh ở áp suấtthấp, nhiệt độ thấp thu nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, sôi và hoá hơi đểchuy

Chương 7 THIẾT BỊ BAY HƠI

•

7.1 Khái niệm và phân loại thiết bị bay hơi

7.1.1 Khái niệm về thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó môi chất lạnh ở áp suấtthấp, nhiệt độ thấp thu nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, sôi và hoá hơi đểchuyển từ lỏng sang hơi

Cùng với thiết bị ngưng tụ, máy nén và thiết bị tiết lưu, thiết bị bay hơi làmột trong những thiết bị quan trọng nhất và không thể thiếu được trong các

hệ thống lạnh

Sự truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi được thực hiện qua vách ngăncách Cường độ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào cường độ tỏa nhiệt về phía môitrường cần làm lạnh (không khí hay chất tải lạnh lỏng) và từ phía môi chấtlạnh; cũng như phụ thuộc vào nhiệt trở của vách thiết bị

Sự tỏa nhiệt từ phía không khí hay chất tải lạnh chủ yếu phụ thuộc vàotốc độ chuyển động Sự trao đổi nhiệt về phía môi chất lạnh phụ thuộc vàođặc tính hóa hơi và tốc độ của nó trong thiết bị

Trong quá trình làm việc, khả năng truyền nhiệt của thiết bị bay hơi giảm

do có dầu, bẩn đọng về phía môi chất và ẩm ở dạng nước, tuyết hay băng vềphía không khí hoặc cặn bẩn (đặc biệt là nước muối) khi dùng chất tải lạnhlỏng

7.1.2 Phân loại thiết bị bay hơi

Có nhiều cách phân loại thiết bị bay hơi:

a Theo môi trường làm lạnh :

- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất tải lạnh lỏng như nước, nước muối,glycol

- Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí Trong loại này lại chia làm hainhóm : Bộ lạnh bay hơi trực tiếp (không khí tuần hoàn tự nhiên) vàthiết bị làm lạnh không khí bay hơi trực tiếp (không khí tuần hoàncưỡng bức)

b Theo mức độ choán chỗ của môi chất lạnh lỏng trong thiết bị :

- Ở thiết bị bay hơi kiểu ngập thì môi chất lạnh lỏng bao phủ toàn bộ

bề mặt trao đổi nhiệt

- Ở thiết bị bay hơi kiểu không ngập thì môi chất lạnh lỏng không baophủ toàn bộ bề mặt trao đổi nhiệt mà một phần bề mặt này được dùng

để làm tăng độ quá nhiệt môi chất lạnh

c Theo điều kiện tuần hoàn của chất tải lạnh :

- Thiết bị bay hơi có chất tải lạnh tuần hoàn kín như bình bay hơi ống

vỏ hoặc ống vỏ xoắn

- Thiết bị bay hơi có chất tải lạnh tuần hoàn hở như thiết bị bay hơikiểu panel hay dàn bay hơi ống đứng làm lạnh bể nước muối

7.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng

7.2.1 Thiết bị bay hơi ống vỏ kiểu ngập

a Cấu tạo:

Hình 7.1 : Bình bay hơi ống vỏ amoniắc kiểu ngập lỏng

1, 10 - nắp bình ; 2 - tách lỏng ; 3 - áp kế ; 4 - ống trao đổi nhiệt ;

5 - mặt sàng; 6 - ống xả không khí ; 7,8 - ống nước (muối) vào và ra ;

9 - xả nước ; 11 - thân; 12 - ống amoniắc lỏng vào ; 13 - xả dầu ;

14 - bầu dầu; - bộ điều chỉnh mức lỏng ; 16 - van tiết lưu ; 17 - van điện từ

Trên một nắp lắp ống dẫn chất tải lạnh lỏng vào từ phía dưới và ra ởphía trên và các ống xả không khí ở trên và nước muối ở dưới Trong các nắpcũng có các tấm chắn để phân dòng chất tải lạnh kéo dài hành trình của nó;

do đó làm tăng hiệu quả truyền nhiệt Số hành trình thường từ 4 đến 12

Sự khác nhau về cấu tạo giữa bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập amôniăc và bình bay hơi ống vỏ frêôn:

Bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập amôniăc Bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập frêôn

Cấu tạo

- Các ống trong bình là cácống thép nhẵn

Chùm ống truyền nhiệt bố trís

kín không gian trong bình mtrên

- Có lắp bao hơi ở phía trên

để làm khô và quá nhiệt hơi

và bình tụ dầu ở phía dưới đểhồi dầu về máy nén

- Các ống trong bình là cácống đồng có cánh

o le có bước ống nhỏ, không

lắp

à chừa một khoảng trống phía

- Chùm ống truyền nhiệtchiếm khoảng ^ không giantrong bình Nửa không giancòn lại có vai trò như bao hơi

để làm khô và quá nhiệt hơi

Cách bố trí

- Ở các bình bay hơi côngsuất lớn, lỏng được đưa từống góp theo một số ống dẫnvào bình phân bố theo chiềudài, hơi cũng được dẫn rabằng các ống nhánh và ốnggóp để môi chất phân bố đềutrong không gian

- Để đảm bảo độ quá nhiệt củahơi hút về máy nén, môi chấtđược đưa vào qua đường ốngphía trên, do vậy trong vùngquá nhiệt tạo thành hiệu nhiệt

độ lớn nhất

- Để giảm các giọt lỏng baytheo, trên chùm ống có bố trícác thiết bị phân ly hơi

b Nguyên lý làm việc:

Đây là loại được dùng phổ biến nhất trong các hệ thống lạnh công suấttrung bình và lớn Nguyên lý cấu tạo và quá trình truyền nhiệt giống như bìnhngưng tụ làm mát bằng nuớc, nhưng ở đây chất lỏng được làm lạnh chảytrong ống còn môi chất sôi ở bề mặt ngoài trong không gian giữa các ống.Hơi bão hòa ẩm hạ áp được đưa vào trong thiết bị nhận nhiệt của chất lỏng,sôi và hoá hơi để tạo thành hơi hạ áp, tiếp tục đi qua bình tách lỏng nhằmtách các hạt lỏng trước khi về máy nén

c Ưu và nhược điểm:

Hình 7.3 : Bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập lỏng

* Bảng 7-1 Bình bay hơi ống vỏ nằm ngang amoniắc và freon

Thể tíchkhông giangiữa các ống,

* Bảng 7-2 Bình bay hơi ống vỏ freon sôi trong ống

Thiết bị

bay hơi

Diện tích bềmặt, m2 Đường kính,

mm Chiều dài,mm Số lượngống Số lối

7.2.2 Thiết bị bay hơi ống vỏ môi chất sôi trong ống và trong kênh

Thiết bị bay hơi ống vỏ loại này được sử dụng rộng rãi trong các hệthống làm lạnh chất lỏng trong vòng tuần hoàn kín vì chất lỏng chuyển độngphía ngoài ống nên loại trừ được sự cố nước đóng băng trong các ống truyềnnhiệt gây nổ ống

a Bình bay hơi ống vỏ chùm ống thẳng, chum ống chữ U

> Cấu tạo:

Hình 7.4 : Bình bay hơi ống vỏ ống chữ U môi chất sôi trong ống

1, 2 - môi chất lạnh vào ra ; 3 - nắp bình ; 4, 9 - ống vào, ra của chất tải lạnh;

5 - ống sôi ; 6 - tấm chắn ; 7 - xả khí ; 8 - thân bình ; 10 - xả chất tải lạnh ;

11 - đường zic zắc chất tải lạnh

Hình 7.5 : Bình bay hơi ống vỏ chùm ống thẳng, môi chất sôi trong ống

1 - môi chất lạnh vào ra ; 2 - nắp trước ; 3, 7 - lối ra, vào của chất tải lạnh ;

4 - tấm chắn ; 5 - ống chứa môi chất sôi ; 6 - van xả khí ; 8 - mặt sàng ;

10 - xả chất tải lạnh ; 11 - đường chất tải lạnh đi zic-zắc

> Nguyên lí làm việc :

Là thiết bị bay hơi kiểu chất lỏng làm lạnh không ngập Môi chất lạnhlưu động sôi và bay hơi ở phía bên trong ống nhận nhiệt của chất lỏng chuyểnđộng bên ngoài ống làm cho môi chất lạnh sôi Các tấm chắn thẳng đứng đặttrong không gian giữa các ống bên trong vỏ để tăng tốc độ chuyển động củachất tải lạnh, tốc độ trung bình khoảng 0,3 - 0,8 m/s

> Ưu và nhược điểm :

b Thiết bị bay hơi kiểu panen

Để làm lạnh các chất lỏng trong chu trình hở người ta sử dụng các dànlạnh panen

> Cấu tạo:

Hình 7.6 : Dàn lạnh panen

1 - Bình giữ mức-tách lỏng ; 2 - Hơi về máy nén ; 3- Ống góp hơi ;

4 - Góp lỏng vào ; 5 - Lỏng vào ; 6 - Xả tràn nước muối ; 7 - Xả nước muối ;

8 - Xả cạn ; 9 - Nền cách nhiệt ; 10 - Xả dầu ; 11 - Van an toàn

Cấu tạo của dàn gồm 2 ống góp lớn nằm phía trên và phía dưới, nốigiữa 2 ống góp là các ống trao đổi nhiệt dạng ống trơn thẳng đứng

Môi chất chuyển động và sôi trong các ống, chất lỏng cần làm lạnhchuyển động ngang qua ống Các dàn lạnh panen được cấp dịch theo kiểungập lỏng nhờ bình giữ mức - tách lỏng Môi chất lạnh đi vào ống góp dưới

và đi ra ống góp trên

Tốc độ luân chuyển của nước muối trong bể khoảng 0,5 : 0,8 m/s, hệ sốtruyền nhiệt k = 460:580 W/m2K Khi hiệu nhiệt độ giữa môi chất và nướcmuối khoảng 5:6 K, mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi panen khá caokhoảng 2900:3500 W/m2

Dàn lạnh panen kiểu ống thẳng có nhược điểm là quảng đường đi củadòng môi chất trong các ống trao đổi nhiệt khá ngắn và kích thước tương đốicồng kềnh Để khắc phục điều đó người ta làm dàn lạnh theo kiểu xương cá

* Bảng 7-3 Thiết bị bay hơi kiểu tấm (panel)

Thiết bị

bay hơi

Diệntích bềmặt, m2

Mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi xương cá tương đương dàn lạnh kiểupanen tức khoảng 2900:3500 W/m2

d Dàn lạnh tấm bản

Hình 7.8 : Dàn lạnh tấm bản

Ngoài các dàn lạnh thường được sử dụng ở trên, trong công nghiệpngười ta còn sử dụng dàn bay hơi kiểu tấm bản để làm lạnh nhanh các chấtlỏng Ví dụ hạ nhanh dịch đường và glycol trong công nghiệp bia, sản xuấtnước lạnh chế biến trong nhà máy chế biến thực phẩm

Cấu tạo dàn lạnh kiểu tấm bản hoàn toàn giống dàn ngưng tấm bản,gồm các tấm trao đổi nhiệt dạng phẳng có dập sóng được ghép với nhau bằngđệm kín Hai đầu là các tấm khung dày, chắc chắn được giữ nhờ thanh giằng

và bulông Đường chuyển động của môi chất và chất tải lạnh ngược chiều vàxen kẻ nhau Tổng diện tích trao đổi nhiệt rất lớn Quá trình trao đổi nhiệtgiữa hai môi chất thực hiện qua vách tương đối mỏng nên hiệu quả trao đổinhiệt cao Các lớp chất tải lạnh khá mỏng nên quá trình trao đổi nhiệt diễn ranhanh chóng Dàn lạnh tấm bản NH3 có thể đạt k = 2500:4500 W/m2K khilàm lạnh nước Đối với R22 làm lạnh nước hệ số truyền nhiệt đạt k =

1500:3000 W/m2K Đặc điểm của dàn lạnh kiểu tấm bản là thời gian làmlạnh rất nhanh, khối lượng môi chất lạnh cần thiết nhỏ

Nhược điểm là chế tạo phức tạp nên chỉ có các hãng nổi tiếng mới cókhả năng chế tạo Do đó khi hư hỏng, không có vật tư thay thế, sửa chữa khókhăn

7.3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí

Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí là thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt,trong đó không khí (lưu động ngoài chùm ống) thải nhiệt cho môi chất sôitrong ống hoặc cho chất tải lạnh chảy trong ống

Nếu không khí được làm lạnh do truyền nhiệt cho môi chất sôi trong ống

ta gọi là thiết bị làm lạnh trực tiếp, còn nếu không khí được làm lạnh dotruyền nhiệt cho nước hay chất tải lạnh lỏng đi trong ống được gọi là thiết bịlàm lạnh gián tiếp Cả hai loại này thường được chế tạo ở dạng chùm ống cócánh đặt trong vỏ, ít sử dụng chùm ống nhẵn, thường chỉ khi làm lạnh kết hợpvới làm khô không khí trong các máy hút ẩm

Không khí được làm lạnh là không khí được tuần hoàn cưỡng bức nhờquạt gió đẩy qua thiết bị Chiều dài của một ống xoắn (từ ống góp lỏng đếnống góp hơi) vào khoảng 5 ^ 15m, trong các thiết bị lớn có thể đến 20 ^ 25m

Hình 7.9 : Dàn lạnh không khí

t1 = 20 t1 = 20 t1 =

20

t1 =20

CK 0275 0260 075 0100 3 7 20, 3 14, 108,9 9 83,

150

31,0

21,

5 163,6 126,1C3r 0275 5252 5017 0100 3 - 9 19, 7 13, 104,4 4 80,

150

29,8

20,

5 157,5 120,5C3X 0275 5252 075 0100 3 9 19, 7 13, 105,2 2 81,

1500

8

20,5

158,3 121,3

300

0

2900

750

100

22,8

15,

90,0150

450

0

4400

750

100

34,5

số kỹ thuật của các loại tổ dàn lạnh khí

Ghi chú: L - chiều dài tổng thể của dàn;

* Bảng 7-4

* Bảng 7-5 Thông số kỹ thuật của một số dàn lạnh quạt amoniac

Tải nhiệt khiAt= 10K, w

Buớccánh Số

luợng

Đuờngkính

Vòngquay vg/s

Côngsuất, kw

Lưu lượng,

m 3 /s

Công suấtsưởi điện,kw

25

0,4 0,6

0,67 0,95

25

0,4 0,6

1,82

Trong các dàn lạnh quạt BOII-50, BOII-75, BOII-IOO và BOII-230, không khí đuợc hút vào và đẩy ra theo

phuong nằm ngang nhờ quạt đấy huớng trục

7.4Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối

7.4.1 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối

a Cấu tạo :

Hình 7.10 : Thiết bị làm lạnh không khí bằng nước và nước muối

1 máng chắn nước ; 2 buồng phun ; 3 quạt gió ; 4 động cơ ; 5 cửa gió lạnh ; 6 - van phao ; 7 - đáy nước ; 8 - ống xả đáy ; 9 - ống dẫn

-nước lạnh ; 10 - ống xả tràn ; 11 - vòi phun -nước

Ưu điểm cơ bản của thiết bị là thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt ở

độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa không khí và chất lỏng tưới (nước hay nướcmuối) do đó làm tăng hiệu quả làm lạnh và hạ nhiệt độ không khí xuống thấphơn, đồng thời thay đổi độ ẩm không khí theo yêu cầu

7.4.2 Thiết bị làm lạnh không khí kiểu hỗn hợp

Thiết bị làm lạnh không khí kiểu hỗn hợp là thiết bị kết hợp cả hai hìnhthức truyền nhiệt qua bề mặt và do tiếp xúc, tức là trong loại thiết bị nàykhông khí được làm lạnh nhờ môi chất lạnh sôi trong ống và nhờ tiếp xúcvới nước lạnh tưới trên bề mặt ngoài của ống

a Cấu tạo :

Các thiết bị làm lạnh không khí kiểu khô được lắp ngay trong các buồnglạnh có không khí chuyển động đối lưu tự nhiên có tên gọi là các bộ làm lạnh

không khí hay các bata lạnh Bên trong các ống xoắn của bộ

có thể có nước muối lưu động hoặc môi chất lạnh sôi

Các bộ lạnh không khí cũng là các ống có cánh để tăng cường nhiệttruyền, giảm tiêu hao kim loại và thu nhỏ kích thước thiết bị Các bộ lạnhkhông khí thường có thể là loại treo tường hoặc treo trên trần có một hoặc haigiàn ống nhẵn hay có cánh loại có các ống góp hai đầu hay loại ống xoắn liêntục

c Ưu và nhược điểm :

- Ưu điểm

- Được dùng trong điều hoà không khí nên thay đổi được nhiệt độ và

độ ẩm không khí theo yêu cầu

- Nhược điểm

- Thiết bị cồng kềnh

7.5 Tính chọn thiết bị bay hơi

Có 2 bài toán tính toán thiết bị bay hơi : Tính kiểm tra và tính thiết kếTính toán thiết bị bay hơi là cần phải biết năng suất lạnh Qo và loại thiết

bị sử dụng để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết để đáp ứngphụ tải nhiệt đã cho và bố trí kết cấu thiết bị

- Thông số ban đầu:

+ Chế độ nhiệt ẩm của buồng lạnh

+ Loại thiết bị bay hơi

+ Công suất lạnh cần Q

- Thông số cần xác định : Diện tích trao đổi nhiêt, bố trí và kết cấu thiết

bị bay hơi

Các bước tính toán dàn lạnh

7.5.1. Chọn loại thiết bị bay hơi

Chọn kiểu loại dàn lạnh cho hệ thống lạnh cũng dựa trên nhiều tiêu chíkhác nhau như đặc điểm cấu tạo, yêu cầu về làm lạnh

7.5.2. Tính diện tích trao đổi nhiệt

Qo = k.F.Attb = qof.F

F = Q 0 = —

k .A t t í b q 0 f

k - hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m2K (có thể chọn)

Attb - hiệu nhiệt độ trung bình logarit, K

q0f - mật độ dòng nhiệt, W/m2

Q - công suất lạnh yêu cầu của thiết bị bay hơi, W

7.5.3. Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình At tb

7.5.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k

Bảng 7-7 Hệ số truyền nhiệt kinh nghiệm k của thiết bị bay hơi, W/m2K

Kiểu thiết bị bay hơi Môi chất lạnh/ chất tải lạnh Hệ số truyền

nhiệt k, W/m2K Ghi chú

Bình bay hơi ống xoắn NH3 + freon /nuớc muối 290-1000 k tính theo bề mặt nhẵn phía

trong ốngThiết bị bay hơi panen NH3 + freon /nuớc muối 460 - 580 với At = 5K

Thiết bị bay hơi ống trơn treo trần NH3/ không khí

(nuớc muối / không khí) 9,87

ở o°c nhiệt độ buồng lạnh

ở -20°C nhiệt độ buồng lạnhThiết bị bay hơi ống trơn áp tuờng NH3/ không khí

(nuớc muối / không khí)

9,8-147-9,9

ở o°c nhiệt độ buồng lạnh

ở -20°C nhiệt độ buồng lạnhThiết bị bay hơi ống có cánh treo

trần 1 hàng

NH3/ không khí(nuớc muối / không khí)

5,1 -5,94,2 - 4,7

ở o°c nhiệt độ buồng lạnh

ở -20°C nhiệt độ buồng lạnhThiết bị bay hơi ống có cánh treo

trần 2 hàng

NH3/ không khí(nuớc muối / không khí)

4,8-5,64,0 - 4,4

ở o°c nhiệt độ buồng lạnh

ở -20°C nhiệt độ buồng lạnh

Thiết bị bay hơi ống có cánh áp

tuờng 4 ống theo chiều cao

NH3/ không khí(nuớc muối / không khí) 4,1-4,73,3-3,6

ở o°c nhiệt độ buồng lạnh

ở -20°C nhiệt độ buồng lạnh