Giáo trình kỹ thuật lạnh 6-IUH

Chng 1 Chương 6 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 6 1 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh 6 1 1 Vai trò, vị trí của thiết bị ngưng tụ Trong các hệ thống lạnh, thiết bị ngưng tụ (TBNT) và thiết bị bay h.

Chương 6 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

6.1 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh

6.1.1 Vai trò, vị trí của thiết bị ngưng tụ

Trong các hệ thống lạnh, thiết bị ngưng tụ (TBNT) và thiết bị bay hơi(TBBH) là các thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu, chúng chiếm khoảng 50 - 70%

về khối lượng và 45 - 60% về thể tích của toàn bộ hệ thống lạnh

Đây cũng là 2 trong số 4 phần tử cơ bản của hệ thống lạnh (cùng với máynén và thiết bị tiết lưu) ) Ngoài ra còn có những thiết bị phụ khác cũng thựchiện các quá trình trao đổi nhiệt khác nhau để nâng cao hiệu quả hoạt độngcủa hệ thống như thiết bị quá lạnh, thiết bị hồi nhiệt, bình trung gian và một

số loại bình tách dầu

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt để biến hơi môi chất lạnh có ápsuất và nhiệt độ cao sau quá trình nén thành trạng thái lỏng Môi trường nhậnnhiệt trong thiết bị ngưng tụ gọi là môi trường làm mát (thường là nước hoặckhông khí)

6.1.2 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ

Các thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng lớn tới các đặc tính năng lượng củamáy lạnh Do bề mặt trao đổi nhiệt của các thiết bị ngưng tụ không thể quálớn nên nhiệt độ ngưng tụ tk trong hệ thống lạnh luôn lớn hơn nhiệt độ môitrường xung quanh Chính trị số độ chênh lệch nhiệt độ Atk này gây nên độkhông thuận nghịch bên ngoài của chu trình nhiệt động và dẫn đến tổn thấtnăng lượng

Để giảm tổn thất năng lượng ở các thiết bị trao đổi nhiệt thì phải vậnhành các thiết bị này ở các độ chênh nhiệt độ nhỏ và phụ tải nhiệt riêng phảithấp, với điều kiện áp suất cao trong thiết bị ngưng tụ và các tính chất rấtriêng của môi chất lạnh khi sôi và khi ngưng, máy lạnh làm việc trong điềukiện phụ tải nhiệt riêng (công suất nhiệt tính cho 1m2 bề mặt truyền nhiệt)

sẽ phải được tính toán theo các phương pháp và quan hệ riêng không phảitheo cách tính thông thường

Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng, phải tìm cách tạo dòngchảy rối, phá vỡ và tách màng chất ngưng khỏi bề mặt trao đổi nhiệt

6.2 Khái niệm và Phân loại thiết bị ngưng tụ

6.2.1 Khái niệm về thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt để hóa lỏng hơi môi chất saukhi nén trong chu trình máy lạnh Thiết bị ngưng tụ thường là thiết bị trao đổinhiệt bề mặt Hơi môi chất có áp suất, nhiệt độ cao truyền nhiệt cho nước haykhông khí làm mát (qua bề mặt ngăn cách của ống hay kênh dẫn), do bị mấtnhiệt hơi môi chất giảm nhiệt độ đến nhiệt độ bằng nhiệt độ bão hòa (haynhiệt độ sôi) ở áp suất ngưng tụ thì bắt đầu ngưng tụ thành lỏng

Bỏ qua tổn thất ma sát của môi chất đi trong ống thì có thể xem áp suấtcủa môi chất là không thay đổi trong suốt quá trình ngưng tụ Nhiệt độ ngưng

tụ (tk) trong suốt quá trình này cũng là hằng số Áp suất (pk) và nhiệt độngưng tụ (tk) có thể xác định bằng đồ thị hay bằng bảng hơi môi chất bão hòa,khi biết một trong hai thông số này sẽ xác định được thông số còn lại

Trong thiết bị ngưng tụ có thể xảy ra quá trình quá lạnh lỏng tức là hạnhiệt độ lỏng ngưng tụ thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ Sau khi toàn bộ hơi đãngưng tụ thành lỏng, lỏng ngưng tụ lại tiếp tục bị hạ nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt

độ ngưng tụ tk, như vậy môi chất đã được làm quá lạnh lỏng: tql < tk Nhưng

để đạt được quá trình đó phải có điều kiện là bề mặt F của thiết bị ngưng tụ

đủ lớn (ống đủ dài), nhiệt độ môi trường làm mát thấp (chẳng hạn khi làmmát bằng nước giếng, nước máy) hay cường độ truyền nhiệt cao (khi quạt giómạnh, bơm nước lưu lượng lớn)

lạnh tụHình 6-1 Quá trình ngưng tụ

6.2.2 Phân loại thiết bị ngưng tụ

a Theo môi trường làm mát, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 4nhóm:

■ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước

■ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí

■ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí

■ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng môi chất sôi hay các sản phẩm côngnghệ

b Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất, có thể chia các thiết bịngưng tụ thành 2 nhóm lớn:

• Thiết bị ngưng tụ có môi chất ngưng ở bề mặt ngoài của bề mặt traođổi nhiệt như thiết bị kiểu ống vỏ nằm ngang, kiểu ống vỏ đứng haykiểu ống lồng ống

• Thiết bị ngưng tụ có môi chất ngưng trên mặt trong của bề mặt traođổi nhiệt, như các thiết bị kiểu panen, kiểu tưới, kiểu bay hơi, cácdàn ngưng trong tủ lạnh gia đình, trong máy lạnh thương nghiệp vàcông nghiệp Đây là nhóm thiết bị ngưng tụ được sử dụng rộng rãinhất trong các hệ thống lạnh

c Theo đặc điểm của quá trình lưu động của môi trường làm mát qua bềmặt trao đổi nhiệt có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành các nhóm:

* Đây là các thiết bị ngưng tụ được sử dụng rộng rãi nhất và cho hiệu quả caonhất trong điều kiện khí hậu nước ta :

s Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước (bình ngưng ống vỏ nằmngang)

s Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí (thiết bị ngưng

tụ kiểu bay hơi hay kiểu xối tưới)

s Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí lưu động cưỡng bức (cóquạt) như dàn ngưng không khí

Trong các máy lạnh dân dụng và thương nghiệp công suất nhỏ cũng hay gặpcác thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đối lưu tự nhiên (không cóquạt)

6.3 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước

Gồm bình ngưng ống vỏ nằm ngang, bình ngưng ống vỏ thẳng đứng,thiết bị ngưng tụ kiểu phân tử và kiểu ống lồng

6.3.1 Bình ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang

Đây là loại bình ngưng được áp dụng rộng rãi đối với máy nén NH3 vàFreon

a Cấu tạo chung của bình ngưng NH 3 và Freon:

Bình ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang được dùng phổ biến nhất hiệnnay cho cả các hệ thống lạnh năng suất trung bình và lớn (khoảng 1,5 đến

3500 kW), dùng thích hợp cho những nơi có nguồn nước sạch và sẵn nước,giá thành nước không cao

Bình ngưng gồm 1 bình hình trụ nằm ngang chứa bên trong nhiều ốngtrao đổi nhiệt bằng thép dạng thẳng hoặc dạng hình chữ U có đường kính nhỏ

và được núc vào hai mặt sàng ở hai đầu bình ngưng Bình ngưng có nắp ở haiđầu, các ống dẫn nước vào và ra được hàn vào nắp, trong nắp có các tấmchắn để tạo số hành trình cần thiết của nước chảy Hai nắp siết chặt với mặtbích của hai mặt sàng bằng bulông tạo thành buồng nước có các vách ngăn

Hình 6-2 : Sơ đồ cấu tạo của bình ngưng ống vỏ nằm ngang

1 nối van an toàn

2 ống nối đường cân bằng

vớibình chứa

3 ống hơi NH3 vào

4 áp kế

5 ống nối van xả khí

6 Van xả không khí ở khoang

b Nguyên lý họat động:

Hơi môi chất nóng từ máy nén được đưa vào phần trên của bình ngưngqua đường ống 3 bao phủ không gian giữa các ống, tỏa nhiệt cho nước làmmát đi trong ống và ngưng tụ thành lỏng

Để tăng tốc độ nước và sự truyền nhiệt giữa hơi và nước lạnh, cũngnhư để kéo dài đường đi của nước trong bình ngưng, bố trí cho nước đi qua đilại nhiều lần trước khi ra ngoài theo ống dẫn 7 Lỏng ngưng tụ ở phần dướibình được dẫn ra ngoài qua ống 10 đi vào bình chứa Để thoát lỏng liên tụcvào bình chứa phải có ống nối cân bằng (qua đầu 2) giữa bình ngưng và bìnhchứa

Hình 6-3 : Bình ngưng ống vỏ nằm ngang

c Sự khác biệt giữa bình ngưng ống vỏ nằm ngang NH 3 và bình

ngưng ống vỏ nằm ngang Freon:

Bình ngưng ống vỏ

Bình ngưng ống vỏnằm ngang FreonCấu tạo

có thể có hình chữ U

bình ngưng chỉ có 1 nắpnên

cấu tạo đơn giản hơn,nhưng

khó làm vệ sinh về phíanước)

- Các ống của bình

thường làm bằng thépcó

đường kính d = 25 X2,5mm,

ngưng thường làm dàyhơn

Freon là ống đồng cócánh

nhôm lồng vào hoặc

bề mặt ngoài của ống đểtăng

cường khả năng truyềnnhiệt

Hình dạng cánh có ảnhhưởng

đến cường độ của quátrình

trao đổi nhiệt và hiệuquả

ngưng tụ

- Các ống của bình ngưngFreon thường làm bằngđồng

3mm

và 16 x 2mm Sử dụngống

không bị gỉ sét

* Bảng 6-1 Bình ngưng ống vỏ NH3 nằm ngang do Liên Xô chế tạo

Kiểu

Be mặttruyềnnhiệtF,m2

Chiềudàiống

1, mm

Dung tíchkhông gian, 3m

Khốilượngkg

Ghi chú

Đườngkính Dt

Dài

Ngoàiống

Trongống

4175

-* Bảng 6-2 Bình ngưng ống vỏ NH3 nằm ngang do Liên Xô chế tạo

■ Nguyên lý hoạt động :

ngưng, toả nhiệt nước nước chảy thành màng ở bề mặt trong của ống và

dưới và dẫn ra ngoài bằng ống hàn vào thân cách mặt sàng dưới khoảng 80

mm để tránh dầu vào bình chứa rồi vào thiết bị bay hơi

Nước giải nhiệt được dẫn từ thùng cấp nước đặt ở trên bình ngưng sẽqua các lỗ và nút chảy vào chùm ống truyền nhiệt Nhờ các nút có các rãnhxoắn nên nước sẽ chảy thành màng mỏng dọc theo bề mặt trong của ống tăngkhả năng trao đổi nhiệt Nước sau khi nhận nhiệt từ môi chất sẽ chảy vào bểchứa bằng bêtông ở đáy bình

■ Năng suất làm việc :

-5200W/m2 với độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lôganrit là 4 - 7 K Khicông suất nhiệt 1,160kW, lượng nước làm mát yêu cầu khoảng 150 - 160lít/h Hệ số truyền nhiệt của bình ngưng này khoảng 700 - 900 W/m2.K

Đường kính cácống vào và ramm

Thể tíchgiữa cácống,

m3

Trọng lượngkgĐường

kính

Chiềungang

Chiềucao

Ốnghoi

Ốnglỏng

Thiếtbị

Khi thiết bịlàm việc

Ưu, nhược điểm của bình ngưng tụ ống vỏ NH 3 và Freon :

tăng từ 4 ^ 10K tức 1 kg nước nhận 6 ^ 33kJ nhiệt từ môi chất

- Phần dưới của bình ngưng có thể thay luôn chức năng của bình chứa,nhưng chiều cao mức lỏng không quá 100mm Hệ số truyền nhiệt tươngđối

- Những hư hỏng thường gặp và cách khắc phục:

- Nếu chất lượng nước làm mát xấu và chế độ bảo dưỡng không đảmbảo thì bình ngưng rất dễ bị bám cáu bẩn làm tắc nghẽn đường nước,giảm

khả năng truyền nhiệt nên nhiệt độ ngưng tụ tăng cao, công suất lạnhkhông

hay bình ngưng.

6.3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử và kiểu ống lồng

a Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử:

Thiết bị này có thể dùng trong các hệ thống lạnh có công suất trungbình và lớn

■ Cấu tạo :

Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử gồm những phần tử riêng biệt là cácống trao đổi nhiệt (2) ghép với nhau thành từng cụm Mỗi phần tử như vậyxem như một bình ngưng ống vỏ nằm ngang loại nhỏ Các phần tử được lắpnối tiếp với nhau theo đường hơi môi chất và ghép song song theo đườngnước làm mát Mỗi cụm này (trong hình vẽ gồm 3 phần tử) lại được ghépsong song với nhau tạo thành thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử (trên hình vẽgồm 2 cụm với 6 phần tử và 1 bình chứa ở dưới, có ống xả dầu)

Đường kính vỏ của các phần tử thường là d = 255 x 6,5 mm hay 232 x6,5 mm Trong mỗi phần tử có 3 ; 7 ; 14 hay 19 ống truyền nhiệt đườngkính 31 x 3,5 mm hay 38 x 3,5 mm

Hình 6-4 : Sơ đồ cấu tạo của thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử

6 Ống dẫn lỏng ra

7 Ống xả dầu

■ Nguyên lý hoạt động:

Trong mỗi phần tử, hơi môi chất được đưa vào ống (3) đi vào khônggian giữa các ống trao đổi nhiệt (2) và được ngưng tụ lại do thải nhiệt chonước làm mát đi trong các ống trao đổi nhiệt Nước được đưa vào từ ống góp

ở phía dưới (1) và chảy song song qua các phần tử rồi đi ra ống góp ở phíatrên (4) Như vậy, thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử trao đổi nhiệt theo nguyên lýngược chiều

■ Năng suất làm việc :

Các loại thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử thường có hệ số truyền nhiệt k

mm và bên trong chỉ có một ống có đường kính là 38 x 4 mm

Hình 6-5 : Sơ đồ cấu tạo của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống

Hình 6-6 : Thiết bị ngưng tụ kiểu ruột gà (ống lồng ống)

- Nguyên lý hoạt động:

Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có cùng nguyên lý hoạt động nhưthiết bị ngưng tụ kiểu phần tử Nước làm mát cũng đi trong ống, còn môi chấtđược chảy theo chiều ngược lại trong không gian giữa các ống Như vậy,nước và môi chất trao đổi nhiệt ngược chiều

- Ưu và nhược điểm của cả 2 thiết bị kiểu phần tử và kiểu ống lồng:

- Độ kín khít nhỏ vì có nhiều mối nối

6.3.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu panen

Với mục đích thay thế các ống không có mối hàn bằng thép tấm rẻ tiềnhơn, người ta đã nghiên cứu chế tạo loại dàn ngưng panen

a Cấu tạo :

Thiết bị ngưng tụ kiểu panen cũng gồm những cụm riêng biệt, mỗicụm lại gồm một số panen liên tiếp được siết chặt và ép lại bằng hai tấmnắp,giữa có đệm chèn để đảm bảo kín về đường nước (lưu động ngang qua bênngoài).

Bộ phận chủ yếu của dàn ngưng là panen (2) làm từ hai tấm thép cán

có chiều dày 2,5 - 3 mm được dập thành hình gợn sóng ốp vào nhau Do đótrong panen sẽ hình thành một dãy các rãnh đứng (1), trong đó môi chất sẽngưng tụ Hai cạnh ngoài cùng dọc theo chiều dài của panen được hàn kín,còn khoảng giữa các rãnh thì chỉ cần ốp sát và hàn điểm (phần này đóng vaitrò như là cánh tải nhiệt)

Hình 6-7 : Sơ đồ cấu tạo của thiết bị ngưng tụ kiểu panen

Hình 6-8 : Thiết bị ngưng tụ dạng tấm

b Nguyên lý hoạt động

Nước giải nhiệt đi vào ống 3 qua ống góp có lỗ phân phối, lần lượtchảy qua các panen và đi ra ở ống 4 Nước làm mát vào môi chất chuyểnđộng cắt nhau theo các rãnh

c Ưu và nhược điểm của thiết bị

- Dễ hở mối hàn hay không kín khít ở các chèn kín theo đường nước

- Kích thước và trọng lượng của dàn ngưng cũng còn khá lớn

6.4 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí

Loại dàn ngưng này thường được sử dụng trong các tủ lạnh gia đình,trong các quầy hàng thực phẩm tươi sống, trong các máy điều hòa không khí,trên các phương tiện giao thông vận tải và cả những nơi không thể giải nhiệtbằng nước hoặc không có đủ nước để giải nhiệt

Dàn ngưng không khí được chia làm 2 loại: đối lưu tự nhiên và đối lưucưỡng bức

6.4.1 Dàn ngưng đối lưu tự nhiên

Loại dàn ngưng đối lưu tự nhiên có cấu tạo là một chùm ống xoắn

Hình 6-9 : Dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên

vào khoảng k = ang = 9 - 12 W/m2K

Trong thời gian gần đây, người ta sử dụng loại ống liền cánh để làm dànngưng không khí đối lưu tự nhiên Chúng có cấu tạo là một chùm ống xoắn

rãnh khi áp sát vào nhau sẽ tạo thành rãnh cho môi chất lạnh ngưng tụ Loạidàn ngưng này có ống liền cánh có hệ số làm cánh p = 7 - 10

6.4.2 Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức

b Nguyên lý hoạt động:

Hơi môi chất đi trong ống xoắn nhả nhiệt cho không khí bên ngoài ống

để ngưng tụ thành lỏng Sự chuyển động của không khí có thể nhờ quạthướng trục thổi qua với vận tốc 4:5ms

c Năng suất làm việc:

m/s

d Ưu và nhược điểm của thiết bị:

+ Ưu điểm:

- Không dùng nước nên chi phí vận hành giảm Điều này rất phù hợp

ở những nơi thiếu nước như khu vực thành phố và khu dân cư đông đúc

- Không sử dụng hệ thống bơm, tháp giải nhiệt, vừa tốn kém lại gây

ẩm ướt môi trường xung quanh

- Đơn giản, dễ sử dụng

- So với các thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, dàn ngưng khôngkhí ít hư hỏng và ít bị ăn mòn

+ Nhược điểm:

- Chịu ảnh hưởng nhiều vào điều kiện khí hậu

- Mật độ dòng nhiệt thấp, nên kết cấu khá cồng kềnh và chỉ thích hợpcho hệ thống công suất nhỏ và trung bình

- Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí cưỡng bức phải sử dụng

việc