NGHIÊN cứu các yếu tố ẢNH HƯỞNG đến QUÁ TRÌNH NGƯNG tụ của môi CHẤT a STUDY ON THE FACTORS AFFECTING VAPOROUS CONDENSATION PROCESS

Nghiên cứu các quá trình toả nhiệt khi ngưng màng của hơi lúc dòng chảy chuyển động ở trong các ống đặt nằm ngang, ống thẳng đứng và chùm ống nằm ngang, đưa ra các phương pháp để tính to

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

NGƯNG TỤ CỦA MÔI CHẤT

A STUDY ON THE FACTORS AFFECTING VAPOROUS

CONDENSATION PROCESS

Hồ Trần Anh Ngọc

Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng

Võ Chí Chính

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo đề cập đến việc tìm hiểu quá trình ngưng tụ của môi chất xảy ra ở các thiết bị trao đổi nhiệt thông qua việc nghiên cứu chuyển động của dòng môi chất hai pha khi xảy ra quá trình trao đổi nhiệt Nghiên cứu các quá trình toả nhiệt khi ngưng màng của hơi lúc dòng chảy chuyển động ở trong các ống đặt nằm ngang, ống thẳng đứng và chùm ống nằm ngang, đưa ra các phương pháp để tính toán trao đổi nhiệt trong các quá trình ngưng tụ Ngoài ra, bài báo còn nghiên cứu các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng để từ đó đưa ra các lựa chọn, các biện pháp cần thiết trong việc tính toán, thiết kế áp dụng cho các thiết bị trao đổi nhiệt khi ngưng tụ

ABSTRACT

This article refers to an investigation into the process of vaporous condensation occurring in heat-exchange apparatuses through a study on the movement of the two- phase vapor-liquid stream during the heat-exchange process The study on the process of heat dissipation in film condensation when the stream moving in horizontal, vertical pipes and horizontal beam tubes can provide methods for calculating heat transfer in the condensation process In addition, the paper also deals with the factors affecting the heat transfer process in condensation so that choices and necessary measures for the calculation and design applied to heat-exchange apparatuses in condensation will also be made

1 Đặt vấn đề hơi môi chất

Quá trình ngưng tụ là một quá trình rất phức tạp, đặc biệt là quá trình trao đổi nhiệt trong khi ngưng, vì khi đó có sự biến đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng gọi là tỏa nhiệt khi ngưng hơi Quá trình ngưng hơi chỉ có thể xảy ra khi hơi ở trạng thái dưới giới hạn do làm lạnh hoặc nén Nếu quá trình ngưng thực hiện ở nhiệt độ và áp suất trên điểm ba thể của vật chất đã cho thì hơi được ngưng thành trạng thái lỏng Vùng xảy ra các quá trình ngưng hơi có thể ở trong thể tích khối hơi khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở áp suất tương ứng hoặc cũng có thể xảy ra trên bề mặt vật được làm lạnh Thực tế chúng ta thường gặp là quá trình hơi ngưng thành trạng thái lỏng trên bề mặt rắn, ví dụ quá trình ngưng hơi trong các bình ngưng của tuabin nhà máy nhiệt điện, ngưng hơi môi chất trong các thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh, hiện tượng đọng sương trong các máy lạnh hay điều hoà không khí dân dụng, công nghiệp, hiện tượng ngưng một số hóa chất trong các thiết bị của nhà máy hóa chất Cho nên, việc nghiên

cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ là rất cần thiết để nâng cao khả năng ngưng tụ trong các thiết bị của các hệ thống nóng, lạnh khác nhau, góp phần vào việc làm giảm giá thành sản phẩm

2 Nghiên cứu dòng môi chất 2 pha liên quan đến quá trình ngưng tụ

Nghiên cứu dòng môi chất 2 pha là một quá trình nghiên cứu vô cùng phức tạp

Hệ số truyền nhiệt và áp suất giảm liên quan chặt chẽ với dòng môi chất hai pha cục bộ

và cơ cấu hình thành dòng chảy của chất lỏng, nó được coi là một khía cạnh quan trọng của mô hình dòng chảy lúc ngưng tụ Trong thực tế, các mô hình truyền nhiệt để dự đoán mô hình dòng chảy cục bộ khi ngưng tụ, khi chuyển từ dòng môi chất hai pha sang dòng chảy khác

2.1 Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc

Đối với các hiện tượng lưu lượng dòng chảy của lỏng và hơi trong một ống thẳng đứng, chất lỏng và các quá trình phân phối hơi vào trong ống dọc Đây được gọi là mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc và chúng được mô tả như sau:

- Dòng chảy bong bóng: hơi bảo

hoà ẩm được phân tán ở dạng bong bóng rời rạc trong giai đoạn lỏng liên tục Các bong bóng có thể khác nhau về kích thước, hình dạng nhưng chúng thường gần như hình cầu có đường kính nhỏ hơn nhiều so với đường kính ống

- Dòng chảy chậm: các bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau, va chạm với nhau

và hình thành bong bóng lớn hơn, chiếm một phần trong đường kính ống, gọi là bong bóng Taylor có hình dạng tương tự như một viên đạn với đoạn đầu hình bán cầu và đoạn đuôi cùn, làm cho dòng chảy chậm Bong bóng Taylor được bao quanh bởi một màng chất lỏng mỏng giữa chúng và vách ống, chảy xuống do trọng lực

- Dòng chảy khuấy tung: Vận tốc dòng chảy tăng, cấu trúc của dòng chảy trở

nên không ổn định với chất lỏng đi lên và xuống, tạo dao động nhưng với một dòng chảy hướng lên Đây là chế độ trung gian giữa chế độ dòng chảy chậm với chế độ chảy hình vành khuyên

- Dòng chảy hình khuyên: khi vận tốc dòng chảy tăng, các màng chất lỏng trở

nên chiếm ưu thế hơn trọng lực, chất lỏng bị bật ra từ tâm của ống và chảy như một màng mỏng trên vách thành hình vành khuyên Chất lỏng ở tâm có chế độ dòng chảy ổn định

2.2 Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống nằm ngang

Mô hình dòng môi chất hai pha trong các ống nằm ngang tương tự như trong

Hình 1 Mô hình dòng môi chất 2

pha trong ống thẳng đứng

dòng chảy thẳng đứng, nhưng phân bố của

chất lỏng chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn, có

các loại sau:

- Dòng chảy bong bóng: hơi bong

bóng được phân tán lẫn trong chất lỏng với

nồng độ cao chủ yếu là ở nửa phía trên của

ống do sức nổi của nó

- Dòng chảy phân tầng: chất lỏng ở

vị trí thấp và dòng hơi hoàn thành tách thành

hai giai đoạn: hơi đi vào phía trên và chất

lỏng ở đáy của ống cách nhau bằng một bề

mặt nằm ngang Do đó chất lỏng và hơi được phân tầng đầy đủ trong chế độ này

- Dòng chảy phân tầng lượn sóng: Tăng tốc độ hơi trong dòng chảy phân tầng,

sóng được hình thành trên bề mặt và đi theo hướng dòng chảy Biên độ của sóng phụ thuộc vào vận tốc tương đối, gợn nhấp nhô của nó không đạt đến đỉnh ống

- Dòng chảy chặn: Đường kính của các bong bóng kéo dài nhỏ hơn ống, lỏng

chạy liên tục dọc theo phía dưới của ống Dòng chảy chặn đôi khi được gọi là bong bóng chảy kéo dài

- Dòng chảy chậm: khi vận tốc hơi cao hơn, đường kính của bong bóng kéo dài

có kích thước gần bằng đường kính ống, dòng chảy có biên độ sóng lớn

- Dòng chảy hình khuyên: Ở quá trình dòng chảy hơi lớn hơn, chất lỏng tạo

thành một màng hình khuyên liên tục quanh chu vi ống, tương tự như dòng chảy thẳng đứng, nhưng các màng chất lỏng ở phía dưới dày hơn ở phía trên

Qua thực nghiệm nghiên cứu, khảo sát trên thiết bị ngưng tụ bằng ống thuỷ tinh của hệ thống lạnh ta thống kê được hình ảnh mô phỏng quá trình chảy của dòng môi chất khi ngưng tụ ở ống đặt nằm ngang như sau:

Hình 3 Các chế độ dòng chảy

A- Dòng chảy phân tầng; B- Dòng chảy liên tục; C- Dòng chảy hình khuyên

Hình 2 Mô hình dòng môi chất 2 pha

trong ống nằm ngang

3 Đặc điểm của quá trình ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ hơi môi chất gắn liền với việc biến đổi pha Để quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có 2 điều kiện:

+ Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ của hơi bão hòa tiếp xúc với bề mặt rắn

+ Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ Các

tâm ngưng có thể là bọt khí, hạt bụi

Tùy theo trạng thái bề mặt và tính dính ướt của chất

lỏng, quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn gồm: ngưng

màng và ngưng giọt

- Ngưng màng là các giọt chất lỏng ngưng liên kết với

nhau thành màng trên bề mặt vật rắn, ngưng màng xảy ra khi

chất lỏng dính ướt hoàn toàn bề mặt vật rắn, góc dính ướt nhỏ

hơn π /2

- Ngưng giọt là khi các giọt chất lỏng ngưng tồn tại riêng rẽ trên bề mặt vật rắn Xảy ra khi chất lỏng không dính ướt bề mặt vật rắn, bề mặt nhẵn bóng hoặc có lớp dầu

mỡ dính trên bề mặt

3.1 Quá trình tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi

Bề mặt phẳng đặt đứng có nhiệt độ tw, hơi bão hòa có nhiệt độ là ts tiếp xúc với

bề mặt (ts> tw) Nếu chất lỏng ngưng dính ướt hoàn toàn với bề mặt vách thì các giọt nước ngưng sẽ liên kết với nhau tạo thành màng ngưng Giả thiết chế độ chuyển động của màng nước ngưng là chế độ chảy tầng

Phương trình trao đổi nhiệt giữa hơi và bề mặt tại x có thể viết:

q = αx(ts –tw) =

x

δ

λ (ts-tw)

Trong đó : - αx là hệ số tỏa nhiệt cục bộ tại vị trí x; - λ hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng

Vì màng nước ngưng chuyển động theo phương x nên phương trình chuyển

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

−

z y

x x

p g d

x

τ

Phương trình chuyển động của màng nước ngưng theo hướng x sẽ là:

2

2

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂ +

y

x

ω µ

y

ω

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

2 2

Giải phương trình trên ta được: x g y gδx y

µ

ρ µ

ρ

2 Giá trị tốc độ trung bình tại mặt cắt x được xác định như sau :

Hình 4 Ngưng màng

và ngưng giọt

∫ ∫ ⎟⎟⎠

⎞

⎜⎜

⎝

=

g y

g

x

x x x

µ

ρ µ

ρ δ

ω δ

ϖ

2

2 1

µ

ρ

Giải hệ phương ta tìm được hệ số tỏa nhiệt trung bình dọc theo chiều cao h của

bề mặt vách đứng bằng:

(t t )h W m K

r g

w s

2 4

3 2

/ 943

0

−

=

µ

λ ρ

3.2 Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua chùm ống

Khi hơi chuyển động qua chùm ống nằm ngang từ trên xuống dưới, tốc độ của

dòng hơi giảm theo chiều chuyển động do một phần hơi đã được ngưng và chiều dày

màng ngưng của ống phía dưới tăng do nước ngưng từ các ống phía trên rơi xuống

Hệ số tỏa nhiệt trung bình của dãy ống thứ nhất:

125 , 0 3 08

, 0

32

, 3

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

w s f f

h f f f

h h

T T

d r g

ρ ρ ρ ρ

ω ρ α

α

Trong đó:ϖhlà tốc độ trung bình của dòng hơi ở tiết diện hẹp nhất của dãy ống

nằm ngang; α-Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng hơi không có chuyển động

Hệ số tỏa nhiệt trung bình của chùm ống nằm ngang :

[ 0 , 84 0 , 07]

1

1 1

84 , 0

n

ch

ψ

ψ α

α

−

−

=

Trong đó:

1

2 1

h

h h

G

G

=

ψ là mức độ ngưng hơi; Gh1 , Gh2: lưu lượng hơi vào và ra khỏi chùm ống; n: số dãy ống theo chiều cao chùm ống đặt song song và chùm ống bố

trí so le

3.3 Tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi chuyển động qua ống đặt đứng

Trong ống đặt đứng khi chuyển động của dòng hơi và màng ngưng cùng chiều,

do động lực của dòng và lực trọng trường cùng chiều nên tốc độ của màng ngưng tăng,

chiều dày của màng ngưng giảm xuống, hệ số tỏa nhiệt tăng Khi hơi chuyển động từ

dưới lên, màng ngưng chuyển động chậm lại do lực ma sát, dẫn đến chiều dày của màng

ngưng tăng và hệ số toả nhiệt giảm Khi hơi chuyển động với tốc độ lớn, màng ngưng

có thể bị tách khỏi bề mặt và tạo nên hỗn hợp hơi- lỏng ở giữa dòng, hệ số tỏa nhiệt khi

đó sẽ tăng

Hệ số tỏa nhiệt khi hơi chuyển động trong ống đứng xác định theo công thức sau:

300

10≤ρhω h ≤ ; 0,05( 2 )0 , 04

h h h

p ρ ω α

αω =

;

5000

300 ≤ρhω2h ≤ ; 0,05( 2 )0 25

h h

α

αω

α

α, :Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng hơi trong ống khi không chuyển động và chuyển động

3.4 Tỏa nhiệt khi ngưng của hơi chuyển động trong ống nằm ngang

Đây là quá trình trao đổi nhiệt phức tạp, màng ngưng được chia thành ba phần: phần đầu, phần trên và phần chảy nhỏ Ở phần đầu màng ngưng chảy dọc trục ống dưới tác dụng của lực ma sát giữa hơi và bề mặt trong của ống Ở phần trên, màng ngưng chảy theo hướng cân bằng giữa lực ma sát và lực trọng trường

Hình 5 Tỏa nhiệt khi ngưng hơi chuyển động trong ống nằm ngang

Hệ số tỏa nhiệt α dọc theo chiều dài ống phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nó được

3

1 Re 031 , 0

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

d g

a f

f f

ν λ α

Trường hợp hơi chuyển động với tốc độ lớn, màng ngưng chảy rối ở phần lớn chiều dài ống:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

− +

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

− +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Pr

Pr Pr

25 , 0 43 , 0 8 , 0

h f h

f w

f

Nu

ρ

ρ ρ

ρ

Trong đó :

f f

hh d d

G

ν

ω µ

= 4

vao hh

h

G

G

x1=⎜⎜⎛ 1⎟⎟⎞ và

ra hh

h

G

G

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

2

Ghh là lưu lượng khối lượng; C=0,016 đối với ống đồng và C=0,012 đối với ống thép; tf=ts

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng

4.1 Ảnh hưởng của hơi quá nhiệt

Quá nhiệt ngưng hơi cũng xảy ra đối với hơi quá nhiệt nhưng điều này không

có nghĩa là hơi quá nhiệt ngay lập tức trở thành hơi bão hòa trong toàn bộ thể tích khối hơi

Khi ngưng hơi quá nhiệt, nhiệt ẩn hoá hơi được xác định: r’= r +qqn , qqn=i- i’’, còn độ chênh lệch nhiệt độ ∆ khi đó lấy bằng giá trị t t ∆ =( ts − tw)

Vì r’> r nên ngưng hơi quá nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn khi ngưng hơi bão hòa

4.2 Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt

- Nếu bề mặt xù xì, nhám hay phủ một lớp oxit → trở lực tăng → Chiều dày màng nước ngưng tăng → hệ số tỏa nhiệt giảm

- Nếu bề mặt có bám dầu mỡ → ngưng giọt xảy ra → hệ số tỏa nhiệt tăng Qua nghiên cứu thấy rằng hệ số tỏa nhiệt không chịu ảnh hưởng của các loại vật liệu nhưng chịu ảnh hưởng lớn của trạng thái bề mặt vách Trên các bề mặt nhám hoặc

có phủ lớp oxit, hệ số tỏa nhiệt giảm khoảng 20% đến 30% Từ thực nghiệm cho thấy khi ngưng hơi trên cùng một ống nhưng nếu đặt nằm ngang thì hiệu quả hơn hẳn so với khi đặt đứng Do đó cần phải quan tâm đúng mức việc bố trí bề mặt truyền nhiệt khi thiết kế

4.3 Ảnh hưởng của các khí không ngưng lẫn trong hơi

Khi trong hơi có lẫn không khí hoặc khí không ngưng khác thì tỏa nhiệt khi ngưng

sẽ giảm mạnh vì: Không khí hoặc khí không ngưng sẽ tụ tập ở gần bề mặt vách, một mặt lớp khí này sẽ cản trở việc tiếp xúc của hơi với bề mặt vách Ngoài ra, lớp nhiệt trở của lớp khí này rất lớn → cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi và bề mặt vách sẽ giảm

Khảo sát cho thấy rằng cường độ tỏa nhiệt có thể giảm đi gần 60% khi trong hơi

có lẫn 1% khí không ngưng, vì vậy trong thiết bị ngưng người ta bố trí thêm thiết bị rút khí tạo chân không để làm cho bình ngưng hoạt động được tốt

4.4 Ảnh hưởng của tốc độ và hướng chuyển động của dòng hơi

- Khi dòng hơi chuyển động với tốc độ nhất định, lực ma sát trên bề mặt phân pha giữa hơi và màng ngưng làm thay đổi tốc độ trung bình và chiều dày màng ngưng

- Tốc độ của dòng hơi là nguyên nhân của sự xáo trộn, làm chế độ dòng chảy của màng ngưng mất ổn định, làm quá trình chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ sóng và chảy rối

- Nếu dòng hơi chuyển động cùng chiều với màng ngưng →làm chuyển động của màng ngưng nhanh lên →chiều dày màng ngưng giảm → hệ số tỏa nhiệt tăng

- Nếu dòng hơi chuyển động ngược chiều với màng ngưng thì màng ngưng bị hãm lại → chiều dày màng ngưng tăng → hệ số tỏa nhiệt giảm

- Khi ngưng hơi ở áp suất bé → tốc độ của dòng hơi không ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt αnhưng khi ngưng hơi ở áp suất lớn → tốc độ ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt α

4.5 Ảnh hưởng của cách bố trí bề mặt ngưng

Tỏa nhiệt khi ngưng trên bề mặt ống nằm ngang lớn hơn bề mặt đặt đứng bởi vì: chiều dày màng nước ngưng trên bề mặt ống nằm ngang nhỏ hơn bề mặt đặt đứng Tuy nhiên điều này cũng chỉ đúng đối với ống đơn hay đối với dãy ống đầu tiên của chùm ống Các ống ở phía dưới của chùm ống có hệ số tỏa nhiệtαnhỏ hơn các dãy ống trên

nó vì nước ngưng ở phía các dãy ống phía trên rơi xuống làm chiều dày màng nước ngưng ở các dãy ống phía dưới tăng lên

Để tăng cường tỏa nhiệt, đối với chùm ống người ta đặt ống các dãy ống phía dưới lệch đi so với các ống phía trên

5 Kết luận

Qua nghiên cứu quá trình ngưng tụ của môi chất, ta nhận thấy quá trình ngưng tụ của môi chất diễn ra trong thực tế là rất phức tạp Trong quá trình ngưng tụ có sự chuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho nên việc nghiên cứu quá trình ngưng tụ có ý nghĩa rất thực tế, giúp chúng ta xác định được các điều kiện xảy ra của quá trình ngưng tụ, các yếu tố ảnh hưởng, từ đó chúng ta sẽ có sự tính toán, thiết kế, bố trí các bề mặt trao đổi nhiệt sao cho hợp lý, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư, từ đó dẫn đến giảm giá thành sản phẩm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Bốn (2005), Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất bản Đà Nẵng

[2] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999), Thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất

bản Khoa học và kỹ thụât, Hà Nội

[3] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (1991), Truyền nhiệt, Đại học Bách

khoa Hà Nội

[4] Dr.K.J.Bell and Dr.A.C Mueller (2001), Wolverine Tube heat transfer Data Book

II, Electronic distribution by Wolverine Tube, Inc.Research and Development

Team

[5] Professor John R Thome- Director, Laboratory of Heat and Mass Transfer, Faculty

of Engineering Science and Technology Swiss Federal Institute of Technology

Lausanne (2002), Wolverine Engineering Data Book III, Wolverine Tube, Inc [6] Kenneth J.Bell, Ph.D, P.E., Thermal Design of Heat exchangers, Condenser,

Reboilers, The McGraw- Hill companies, Inc, copyright@1999

Hình 7 Sự giảm cường độ α của các dãy ống: (1) Bố trí song song, (2) Bố trí so le

Hình 6 Ngưng hơi trên bề mặt ống chùm

nằm ngang: a) Chùm ống bố trí song song

b) Chùm ống bố trí sole