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

MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii DANH SÁCH HÌNH VẼ Error Bookmark not defined. DANH SÁCH BẢNG BIỂU Error Bookmark not defined.i MỤC LỤC vii Chương 1. TỔNG QUAN Error Bookmark not defined. I. Lịch sử hình thành và phát triển của ngành lạnh và ứng dụng của các thiết bị TĐN Error Bookmark not defined. II. Các khái niệm và phân loại các TĐN 4 1. Các khái niệm 4 2. Phân loại các thiết bị TĐN 5 2.1. Phân loại theo nguyên lý làm việc 5 2.2. Phân loại theo sơ đồ chuyển động chất lỏng 5 2.3. Phân loại theo thời gian 5 2.4. Phân loại theo công dụng 5 III. Đặt vấn đề 6 Chương 2. CHƯƠNG HAI 8 I. Mô tả mô hình 8 II. Ước tính tỉ số hệ số truyền nhiệt 15 1. Hệ số trao đổi nhiệt tỉ lệ của chất lỏng thứ cấp 15 1.1. Chất lỏng thứ cấp chảy bên ngoài ống. Hệ số trao đổi nhiệt và sự giảm áp suất…………………………………………………………………………….15 1.2 Chất lỏng thứ cấp chảy bên trong ống………………………………...…..18 3. Ngưng tụ trong ống…………………………………………………………..…….21 3. Ngưng tụ ngoài ống…………………………………………………………..…….22 4. Bay hơi với môi chất lạnh chảy bên trong ống…………………………………….23 5. Bay hơi với môi chất lạnh chảy bên ngoài ống……………………………………23 Chương 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 25 I. Thuật toán 2Error Bookmark not defined. II. Code 29 1. Chú thích 31 2. Trao đổi nhiệt 1 pha (nướcnước) 31 3. Ngưng tụ trong ống (sử dụng môi chất R22) 36 4. Ngưng tụ ngoài ống (sử dụng môi chất R22) 40 5. Bay hơi trong ống (sử dụng môi chất R22) 43 Chương 4: THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 48 I. Giới thiệu mô hình thí nghiệm trao đổi nhiệt 1 pha nướcnước 48 1. Cấu tạo mô hình 48 2. Nguyên lý hoạt động 50 II. Số liệu đo đạt và tính toán 52 III. So sánh giữa kết quả thí nghiệm và tính toán 55 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58 I. Ngưng tụ trong ống 58 II. Ngưng tụ ngoài ống 62 III. Bay hơi trong ống 65 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 I. Kết quả 67 II. Kiến nghị 68 Tài liệu tham khảo Error Bookmark not defined.

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 mộtthời gian nhất định

Các cư dân sống gần các hồ nước ngọt tích trữ băng tuyết trong mùa đông kết hợp vớimùn cưa (làm vật liệu cách nhiệt) làm các kho lạnh (Icehouses) Cư dân sống trên vùng núi sửdụng băng tan từ đỉnh núi để làm lạnh thức uống Hoặc đơn giản là trong mùa đông, họ đặtsữa, 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 trongcông nghệ chưng cất hương liệu

Năm 1748, William Cullen đã giới thiệu mô hình máy lạnh nhân tạo đầu tiên tại Đại họcGlasgrow

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 côngnghiệp làm bia và bảo quản thịt

Năm 1859, Ferdinand Carré, một kỹ sư người Pháp phát triển máy lạnh nói trên hoànthiện hơn Không giống máy lạnh lúc bây giờ, dùng không khí làm tác nhân lạnh, Carré dùng

NH 3 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 khảnăng thay đổi nhiệt độ và độ ẩm, đó được coi như sự tổng hợp các thành tựu của công nghệchế tạo máy lạnh

Năm 1902 cũng là năm mà hệ thống điều hòa không khí được lắp đặt tại Sàn Giao DịchChứng Khoán New York (New York Stock Exchange) được thiết kế bởi Alfred Wolff Đâykhông 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 hòakhông khí là Armour Building, thành phố Kansas, bang Missouri Mỗi phòng có bộ phận điềukhiển sử dụng thermostat để chỉnh độ đóng mở của damper gắn trên đường ống gió, là côngtrình đầu tiên mà các phòng khác nhau trong cùng một khu vực có khả năng điều chỉnh khácnhau

Năm 1904, công ty Brunswick Refrigerating trưng bày tủ lạnh dùng trong nhà và trongcác 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 thốngđiều hòa không khí dùng CO 2 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

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 giađình với tên Domelre (Domestic Electric Refrigerator) tại Chicago

Năm 1916, hệ thống đông lạnh nhanh (Flash – freezing system) được thiết kế bởiClarence Bridseye Với hệ thống này, thực phẩm đông lạnh ngay trên băng tải trong thời gianngắn, giảm kích thước các tinh thể tuyết

Máy lạnh hấp thụ được Boltzar von Platen và Carl Munters phát minh năm 1922 khi họđang 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 chốngđông 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 Tuynhiên 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 ThomasMidgley, 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 tínhđộc, 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 thểlắp trên các toa tàu Hãng tàu hỏa Baltimore & Ohio đã thử nghiệm một máy lạnh lắp trên mộttoa 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 ( ¿23o C )

Năm 1931, công ty Southern California Edison chế tạo “bơm nhiệt”(heat pump) hoạtđộng theo nguyên tắc lấy nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp sang môi trường có nhiệt độ caohơn 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 thốngđiều hòa Bốn năm sau đó, hãng hàng không Hoa Kỳ đã đưa vào sử dụng máy điều hòa khôngkhí phục vụ hành khách của mình

Năm 1936, Albert Hense điều chế thành công tác nhân lạnh R-134a R-134a có chỉ sốODP (Ozone Depletion Potential) bằng không và là tác nhân lạnh thay thế cho CFC trongtương lai

Năm 1938, máy lạnh loại cửa sổ (window air conditioner) sử dụng Freon được tung ratrên 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 hếtcăn 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 tácđộng mạnh đến việc phá hủy tầng ozone (Ozone depletion substance) được đưa vào các doanhmục các chất cần kiểm soát, đồng thời đưa ra các biện pháp để loại trừ các chất nói trên vàthay thế bằng các tác nhân lạnh khác thân thiện với môi trường hơn

Không chỉ dừng lại trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm và làm mát, ngành lạnh và điều hòakhông 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 nhiễmtrùng vết thương Tạo các không gian có áp suất khác nhau trong nhà máy dược, hóachất, 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 sốngcủa 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 khisấy

+ Trong xây dựng, máy lạnh được dùng để đóng băng “đất lún”, là hỗn hợp cát và nướctrước 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 hiệnnay 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 củangười sử dụng

 Trong công nghiệp hoá chất – dầu khí

 Trong công nghệ ô tô – tàu thuỷ – hàng không

 Trong công nghiệp sản xuất điện năng

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 gặpThiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chấtcần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh Hình 1.1 giới thiệu một số Thiết Bị Trao đổi nhiệtthường gặp

Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơnchất 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 chấtnày 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

T2o t2i Chất lỏng 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối của thiết bị TĐN

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 chấttiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và truyền khối, tạo ra một hỗn hợp Ví dụbình 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 chấtlỏng 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 hơinhà máy nhiệt điện

TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏnglạnh và 2 chất lỏng TĐN với nhau Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa haichất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãitrong mọi công nghệ

TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏngnóng đến chất lỏng lạnh Môi chất trong các ống nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hoá hơithành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng rồi quay vềvùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuầnhoàn, 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 theochu 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 lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (ví dụ tủ cấpđông, tủ lạnh ).

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 sựthiếu 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 cácđiều kiện đầu ra của phía vỏ và ống của thiết bị trao đổi nhiệt làm việc trong một chu trìnhlàm 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 sửdụng bởi các loại mô hình khác nhau, chẳng hạn như: một vùng, hai vùng, ống lồng ống vàhộp 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 cóthể 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 ε – 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 thuậttoán 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 cácthiết kế bên trong tốt nhất cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất mà một trong số đóđược ngưng tụ Nếu cấu tạo hình học bên trong của HX vỏ và ống được biết, mô hình nàymang tính ứng dụng cao

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 tácđộng của dòng chất lỏng trong ống và so sánh kết quả với các dữ liệu thực nghiệm thu được từcác thử nghiệm của một ống duy nhất Trong mô hình này chất làm lạnh và nước chuyển độngngược chiều nhau có vách ngăn Ống được chia thành 1 ft dọc theo chiều dài dòng chảy môichất 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 racủa môi chất lạnh Sử dụng phương pháp LMTD tính toán trao đổi nhiệt cho mỗi bước Trongtrường 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 hợpthông 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 làmột 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 giớithiệu Hệ số trao đổi nhiệt này phụ thuộc vào loại HX xét đến trong trường hợp ngưng tụ vàbay hơi Sau đó mô tả về các cơ sở thử nghiệm, các biện pháp kiểm tra, quá trình đo đạt vàkiểm chứng kết quả mô phỏng Có một phép so sánh giữa kết quả đo và mô hình tính toán vàcuối cùng các kết luận được trình bày, cũng như đề xuất một số ứng dụng của mô hình

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 mỗithành phần được yêu cầu để đảm bảo tính chính xác của mô hình tổng quát Sự kết nối giữacác mô hình của các thành phần cá nhân mang lại một hệ phương trình mà có thể được giảiquyết bằng một thuật toán của Newton-Raphson Trong trường hợp này đó là mô hình đượcdùng 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 bìnhngưng và bình bay hơi phổ biến với các thông số đầu vào : nhiệt độ nước vào (T’

1i, T’ 2i,) va lưulượng (m’

1, m’

2) Ki hiệu “ , ” nghĩa là điều kiện thiết kế

Kí hiệu các đại lượng

Cf : Hệ số tương quan của dòng và chất lỏng

CWC : Điều kiện làm việc catalogue

Ncw : Số lượng các dòng chảy qua hiệu quả

U : Hệ số trao đổi nhiệt tổng

∝ : Hệ số trao đổi nhiệt (W/m2.K)

β : Tỉ số hệ số trao đổi nhiệt

Nói chung, catalogue của nhà sản xuất chứa nhiều thông số thử nghiệm Cái này sẽ đượcbiết đến như là các điều kiện làm việc Catalogued (CWC) Các thông số thường đi theocatalogue là nhiệt độ dàn ngưng Tcond hoặc nhiệt độ dàn bay hơi Tevap, lưu lượng dòng chảyphụ, 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:

a Ngược chiều b Cùng chiều

Hình 2.1: Sơ đồ truyền nhiệt

ln

m lm

m

T

T T

Q UA

T T m T Q đều được biết trong catalogue

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

'

2 2

''

p

UA NTU

ε=2.{1+ ´C +√1+ ´C2. 1+exp[−NTU √1+ ´C2]

1− ´C exp[−NTU √1+ ´C2] }−1 (4’)

Lượng nhiệt trao đổi trong bình ngưng hay bình bay hơi được tính lại theo công thức:

Q 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 lặpnhư vậy là rất cần thiết và cứ tính lặp cho đến khi

'

' ' '

R ,R fi: 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:

' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '

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 ởnhận xét trước, thông tin hình học rất ít cho các trường hợp của HX Để tránh vấn đề này, ta cócách như sau:

 Xem hệ số trao đổi nhiệt tổng (UA) làm việc tại điều kiện catalogue được chobởi công thức:

'

'

e e e i i i

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







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

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  i, e 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 đangđược 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 β 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 lỏngthứ cấp (chất lỏng mà không có sự biến đổi pha) Phía môi chất lạnh chưa được xem xét vìthiếu thông tin làm cho việc đánh giá khó khăn Không có thông tin được cung cấp bởi nhà sảnxuất, trái với những gì xảy ra với chất dịch thứ cấp

Trong phần này một số biểu thức cho tỷ số: '

p p



Tỉ số này được tính như là một hàm của các tính chất lỏng và lưu lượng khối lượng tạiđiều kiện làm việc của nhà sản xuất và thiết kế Giảm tổn thất áp suất quan trọng nhất đến từchất lỏng thứ cấp vì điều này sẽ xác định năng lượng cần thiết cho các bơm tuần hoàn của chấtlỏng này

II ƯỚC TÍNH TỈ SỐ HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT i ,e

Trong phần này, sẽ giải thích và chứng minh các mối tương quan được lựa chọn để tínhtoán 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 đượctách ra thành hai hàm điều kiện Một hàm bao gồm tất cả các điều kiện hình học và hàm cònlại 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:

 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 tínhtoán tỷ số hệ số truyền nhiệt nó không cần thiết để đưa vào phương pháp đã nêu nếu HX làmột 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 Cáctrường 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 đổitrạng thái, chảy ở phía vỏ hoặc trong các ống Vì vậy, nó chỉ cần thiết để quyết định mối tươngquan thích hợp cho cả hai trường hợp: một pha phía vỏ (bên ngoài ống)evà một pha trongống i

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:

0,55 1/3

1/3 2/3 0,217 0,55

'

( ) ( ) ( ) ( )

e e e

w w

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

c c

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

' w w

p p



 và

'

c c

p p



 được xác định Cái đầu tiên

có thể được bắt nguồn bằng cách xem xét định nghĩa ban đầu của p'w, mà về cơ bản là một

Vùng còn lại

chức năng hình học có nhân hệ số

2

m

 , sửa chữa bởi các chức năng độ nhớt nếu số Reynoldsthấp hơn hoặc bằng 100, do đó sau khi những nhận xét này:

2 '

'

' '

w

2 ' w

'

1 Re 100

Re 100

m m p

p

m m

.

f c

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

'

f f

K K

:Theo dòng:

3 3 3

3 '

2.10 Re 2.10

for p

3 Re 2.100,339.10 0,984.10 0,133.10 0,599.100,245

2.10 Re 2.10

for p

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 thểđược tính toán bằng phương trình tương quan của Dittus-Boelter [14], được đưa ra bởi:

0,4 0,6

0,8 0,8 0,2 0,4

i c

A D 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 tínhnhư sau:

0,8 0,4 0,6

'

i i i

Áp lực giảm do ma sát trên đường ống với chiều dài và đường kính trong được cho bởiphương trình (36):

2 2

0,0791Re , 2300 Re 2.100,064Re , Re 2.10

Yếu tố đầu tiên rõ ràng phụ thuộc vào đặc điểm hình học của ống và yếu tố thứ hai phụthuộc 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 sauđây:

2

'

4

1/5 ' '

4

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:

0,8 0,4310,024 Re Pr 1

Re i

f i

D m S



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

0,8 0,2 0,8 0,37 0,43

2

f i

D S , phần còn lại của phép nhân tùy thuộc

vào chất lỏng và tỷ lệ lưu lượng

Định nghĩa của i trong biểu thức (14) được áp dụng bằng cách chia hệ số truyền nhiệt ởđiều kiện thiết kế làm việc với hệ số tại CWC Hệ số truyền nhiệt tỉ lệ với dòng môi chất lạnhngưng tụ trong ống i:

0,8 0,57 0,37 0,43

Phương trình (24) dùng để tính evà hoàn thành mô hình trong trường hợp này

3 Ngưng tụ ngoài ống

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

3

w

( )

Trong phương trình này, các giá trị của C = 0,725 và f geom = 1 được xem xét cho các ống

trơn Giá trị khác nhau của C và f geom 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 trongBeatty và Katz [2], f geom

phụ thuộc vào hiệu suất và diện tích cánh Hiệu ứng căng bề mặt cóthể được tính bằng cách sử dụng một hệ số đó là một hàm của sức căng bề mặt và cấu tạo hìnhhọc 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 biếntrong điều kiện đầu tiên (Cg tham số trong phương trình (46)), và các thông số chất lỏng vànhững thứ phụ thuộc vào các dòng nhiệt trong điều kiện thứ hai (tham số Cf trong biểu thức(46) ), theo cách này hệ số truyền nhiệt trở thành:

0,25 3

0,25

w

1( ) f fg f f g

e

h g

f e

Phương trình (35) dùng để tính ivà 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 chọncho hệ số truyền nhiệt là tương quan của Cooper [10] Quan hệ này được chấp nhận rộng rãibởi các nhà nghiên cứu (như các tài liệu tham khảo [16,25,24,15] cho thấy), nhưng nó khôngphải là rất hữu ích cho trường hợp của sôi bên trong ống Tuy nhiên, khi mối quan hệ này phụthuộc vào các tính chất chất lỏng, áp lực chất lỏng và dòng nhiệt:

loglog

r i

Phương trình (24) tính e cho dàn ngưng tương ứng trong trường hợp này

5 Bay hơi với môi chất lạnh chảy bên ngoài ống

Các phương trình tương tự được xác định trong phần trước sẽ được sử dụng cho các tínhtoán của tham sốe trong trường hợp chất làm lạnh chảy qua vỏ Trong trường hợp này sựkhác biệt nhiệt độ giữa chất làm lạnh và bề mặt cao, một màng hơi liên tục bao quanh các bềmặt và một mối tương quan của màng sôi có thể được sử dụng để tính toán tham số e Cácbiểu thức của hệ số truyền nhiệt được sử dụng là một trong những đề xuất của Bromley [6]:

Mà một yếu tố hình học đã được thêm vào, theo xu hướng tương tự được tìm thấy tại mục3.3, Hệ số trao đổi nhiệt có thể được viết lại như sau:

0,25

0,25 3

w

1( )

f e

2/3 0,7 4,1/3

C là một tham số mà phụ thuộc vào chất làm lạnh và vật liệu tường,  là sức căng bề mặt

và  hệ số dẫn nhiệt Để tính toán hệ số truyền nhiệt sôi người ta giải quyết bằng phươngpháp lặp là cần thiết

Có thể để giới thiệu một sự tương quan, thậm chí kết hợp hai mối tương quan khác nhau,nếu chúng có thể được thể hiện như phương trình (3) yêu cầu

Cuối cùng hệ số i trong công thức (35) của bình ngưng tương ứng trong trường hợpnày.

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHƯƠNG TRÌNH MÔ

Từ điều kiện catalogue cung cấp : lưu lượng khối lượng (), nhiệt độ đầu vào của chất lỏngthứ cấp (T2i), nhiệt độ ngưng tụ (Tcond) hoặc nhiệt độ bay hơi (Tevap) và nhiệt lượng trao đổitrong thiết bị () Theo điều kiện thiết kế cung cấp : lưu lượng khối lượng của môi chất và chấtlỏng thứ cấp (), nhiệt độ đầu vào của môi chất (T’

1i), nhiệt độ đầu vào của chất lỏng thứ cấp(T’

2i)

Từ đó xác định được những thông số còn lại của điều kiện catalogue:

Nhiệt độ đầu ra của chất lỏng thứ cấp theo CWC:

2

20 / p2 2i

T Q m C T

Nhiệt độ trung bình logarit:

ax min ax min

ln

m lm

m

T

T T

Tiếp theo xác định trường hợp trao đổi nhiệt để tính được 2 hệ số i,e theo nhữngcông thức đã nêu ở chương II.

Từ đó xác định được hệ số trao đổi nhiệt tổng theo điều kiện thiết kế UA’ theo công thức:

20) vàenthalpy đầu ra của môi chất theo điều kiện thiết kế (h’

10) theo các công thức sau:

'

' '

'

' 1 e NTU

II CODE

Bốn chương trình khác nhau đã lập trình bằng ngôn ngữ matlab, gồm: TBTĐN ống vỏ 1pha cả hai phía, Bình Ngưng với môi chất ngưng tụ trong ống, Bình Ngưng với môi chấtngưng ngưng tụ ngoài ống, Bình Bay hơi với môi chất bay hơi trong ống

Các thông số nhiệt động và vật lý của nước và tác nhân lạnh R22 được lấy từ phần mềmEES (Engineering Eq.Solver):

Hình 3.2: Tra thông số nhiệt động và vật lý trong EES

Hình 3.3: Kết quả thông số nhiệt động hiển thị trong EES

Và phần mềm Refprop:

Hình 3.4: Lựa chọn thông số trong Refprop

Hình 3.6: Hiển thị thông số nhiệt động trong Refprop

%Điều kiện catalogue

m2 = input( 'nhap m2 = ' ); %Kg/s (=m1)lưu lượng nước lạnh

T2i = input( 'nhap T2i = ' ); % nhiệt độ nước lạnh vào theo catalogue T10 = input( 'nhap T10 = ' ); %do C nhiệt độ nước nóng ra

Q = input( 'nhap Q = ' ); %Kw

%Điều kiện thiết kế

md1 = input( 'nhap md1 = ' ); %Kg/s lưu lương nước nóng theo thiết kế Td1i = input( 'nhap Td1i = ' ); %do C nhiệt độ nước nóng vào theo thiết kê

md2 = input( 'nhap md2 = ' ); %Kg/s lưu lượng nước lạnh vào theo thiết kế Td2i = input( 'nhap Td2i = ' ); %do C nhiệt độ nước lạnh vào theo thiết kế

%Xác định Cp2 và khối lượng riêng

if T10>=matran0(i,1) && T10<=matran0(i+1,1)

matran0(i,1)))+ matran0(i,4); end

if T2i>=matran0(i,1) && T2i<=matran0(i+1,1)

matran0(i,1)))+ matran0(i,2); end

if T10>=matran0(i,1) && T10<=matran0(i+1,1)

matran0(i,1)))+ matran0(i,2); end

% Liquid Vapor Liquid Vapor Liquid Vapor % Nhiet do Cp Cp lamda lamda M M % (°C) kJ/kg-K kJ/kg-K W/m-K W/m-K µPa-s µPa-s matran2= [5.0000 4.2055 1.8894 0.57052 0.017339 1518.3 9.3357 10.000 4.1955 1.8947 0.58000 0.017621 1306.0 9.4612 15.000 4.1888 1.9002 0.58933 0.017918 1137.6 9.5919 20.000 4.1844 1.9059 0.59842 0.018227 1001.6 9.7272 25.000 4.1816 1.9118 0.60715 0.018550 890.11 9.8669 30.000 4.1801 1.9180 0.61546 0.018887 797.36 10.010 35.000 4.1795 1.9245 0.62328 0.019236 719.31 10.157 40.000 4.1796 1.9314 0.63058 0.019599 652.97 10.308 45.000 4.1804 1.9388 0.63734 0.019975 596.05 10.461 50.000 4.1815 1.9468 0.64355 0.020365 546.83 10.616 55.000 4.1831 1.9554 0.64922 0.020769 503.96 10.774 60.000 4.1851 1.9648 0.65435 0.021187 466.38 10.935 65.000 4.1875 1.9750 0.65896 0.021620 433.24 11.097 70.000 4.1902 1.9862 0.66309 0.022068 403.87 11.260 75.000 4.1933 1.9985 0.66676 0.022531 377.72 11.426 80.000 4.1969 2.0120 0.66999 0.023011 354.33 11.592 85.000 4.2008 2.0267 0.67281 0.023507 333.33 11.760 90.000 4.2053 2.0429 0.67525 0.024019 314.40 11.929 95.000 4.2102 2.0607 0.67734 0.024549 297.28 12.099 100.00 4.2157 2.0800 0.67909 0.025096 281.74 12.269 105.00 4.2217 2.1012 0.68054 0.025661 267.60 12.440 110.00 4.2283 2.1244 0.68169 0.026245 254.70 12.612 115.00 4.2356 2.1496 0.68257 0.026846 242.89 12.784 120.00 4.2435 2.1770 0.68319 0.027467 232.05 12.956 125.00 4.2521 2.2067 0.68356 0.028106 222.08 13.129 130.00 4.2615 2.2389 0.68370 0.028765 212.90 13.301 135.00 4.2716 2.2736 0.68361 0.029443 204.40 13.474 140.00 4.2826 2.3109 0.68330 0.030140 196.54 13.647 145.00 4.2944 2.3510 0.68278 0.030858 189.25 13.819 150.00 4.3071 2.3939 0.68204 0.031595 182.46 13.992 155.00 4.3207 2.4396 0.68110 0.032353 176.14 14.164 160.00 4.3354 2.4883 0.67996 0.033131 170.24 14.337 165.00 4.3510 2.5398 0.67861 0.033929 164.72 14.509 170.00 4.3678 2.5944 0.67705 0.034748 159.55 14.681 175.00 4.3858 2.6521 0.67529 0.035588 154.70 14.853 180.00 4.4050 2.7129 0.67332 0.036449 150.14 15.025 185.00 4.4255 2.7769 0.67114 0.037331 145.84 15.198 190.00 4.4474 2.8443 0.66875 0.038236 141.78 15.370 195.00 4.4708 2.9151 0.66614 0.039163 137.95 15.542 200.00 4.4958 2.9895 0.66331 0.040113 134.32 15.715];

matran2(i,1)))+matran2(i,4); M=((Tx-matran2(i,1))*((matran2(i+1,6)-matran2(i,6)))/(matran2(i+1,1)-

matran2(i,1))) +matran2(i,6);

matran2(i,1)))+matran2(i,4); Md=((Ty-matran2(i,1))*((matran2(i+1,6)-matran2(i,6)))/(matran2(i+1,1)-

matran2(i,1))) +matran2(i,6); end