Bình ngưng ống chùm nằm ngang: cấu tạo, nguyên lí, ưu nhược

Bình ngưng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngưng tụ được sử dụng rất phổ biến cho các hệ thống máy và thiết bị lạnh hiện nay. Môi chất sử dụng có thể là amoniac hoặc Freon. Đối bình ngưng NH₃ các ống trao đổi nhiệt là các ống thép áp lực C₂₀ còn đối với bình ngưng Freon thường sử dụng ống đồng có cánh về phía môi chất lạnh. 

Phân loại bình ngưng ống chùm nằm ngang

Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH₃

Cấu tạo

Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang làm từ vật liệu thép CT₃, bên trong là các ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực C₂₀. Các ống trao đổi nhiệt được hàn kín lên hai mặt sàng hai đầu. 

Hai đầu thân bình là các nắp bình. Các nắp bình tạo thành vách phân dòng nước để nước tuần hoàn nhiều lần trong bình ngưng. Mục đích tuần hoàn nhiều lần là để tăng thời gian tiếp xúc của nước và môi chất; tăng tốc độ chuyển động của nước trong các ống trao đổi nhiệt nhằm nâng cao hệ số toả nhiệt α. Cứ một lần nước chuyển động từ đầu này đến đầu kia của bình thì gọi là một pass. 

1- Nắp bình; 2- ống xả khí không ngưng; 3- ống cân bằng; 4- ống trao đổi nhiệt; 5- ống gas vào; 6- ống lắp van an toàn; 7- ống lắp áp kế ; 8- ống xả khí của nước; 9- ống nước ra; 10- ống nước vào; 11- ống xả cặn; 12- ống lỏng về bình chứa 

Các trang thiết bị đi kèm theo bình ngưng gồm: van an toàn, đồng hồ áp suất với khoảng làm việc từ 0 ÷ 30kG/cm² là hợp lý nhất, đường ống gas vào, đường cân bằng, đường xả khí không ngưng, đường lỏng về bình chứa cao áp, đường ống nước vào và ra, các van xả khí và cặn đường nước. Để gas phân bố đều trong bình trong quá trình làm việc đường ống gas vào phân thành 2 nhánh bố trí 2 đầu bình và đường ống lỏng về bình chứa nằm ở tâm bình. 

Nguyên lý làm việc

Gas từ máy nén được đưa vào bình từ 2 nhánh ở 2 đầu và bao phủ lên không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình. Bên trong bình gas quá nhiệt trao đổi nhiệt với nước lạnh chuyển động bên trong các ống trao đổi nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng. Lỏng ngưng tụ bao nhiêu lập tức chảy ngay về bình chứa đặt bên dưới bình ngưng. 

Trong trường hợp này người ta không bố trí các ống trao đổi nhiệt phần dưới của bình. Để lỏng ngưng tụ chảy thuận lợi phải có ống cân bằng nối phần hơi bình ngưng với bình chứa cao áp. 

Tuỳ theo kích cỡ và công suất bình mà các ống trao đổi nhiệt có thể to hoặc nhỏ. Các ống thường được sử dụng là: Φ27×3, Φ38×3, Φ49×3,5, Φ57×3,5. 

Từ bình ngưng người ta thường trích đường xả khí không ngưng đưa đến bình xả khí, ở đó khí không ngưng được tách ra khỏi môi chất và thải ra bên ngoài. Trong trường hợp trong bình ngưng có lọt khí không ngưng thì áp suất ngưng tụ sẽ cao hơn bình thường, kim đồng hồ thường bị rung. 

Các nắp bình được gắn vào thân bằng bu lông. Khi lắp đặt cần lưu ý 2 đầu bình ngưng có khoảng hở cần thiết để vệ sinh bề mặt bên trong các ống trao đổi nhiệt. Làm kín phía nước bằng gioăng cao su, đường ống nối vào nắp bình bằng bích để có thể tháo khi cần vệ sinh và sửa chữa. 

Bình ngưng môi chất Freon 

Bình ngưng có ống trao đổi nhiệt bằng thép có thể sử dụng cho hệ thống Freon, nhưng cần lưu ý là các chất Freon có tính tẩy rửa mạnh nên phải vệ sinh bên trong đường ống rất sạch sẽ và hệ thống phải trang bị bộ lọc cơ khí. 

Đối với Freon an toàn và hiệu quả nhất là sử dụng bình ngưng ống đồng, vừa loại trừ vấn đề tắc bẩn, vừa có khả năng trao đổi nhiệt tốt hơn, nên kích thước bình gọn. 

Dưới đây là một số hình giới thiệu các loại bình ngưng ống đồng có cánh sử dụng cho môi chất Freon. 

1- Nắp bình, 2,6- Mặt sàng; 3- ống trao đổi nhiệt; 4- Lỏng ra; 5- Không gian giữa các ống

a): Kiểu mặt bích: 1- Vỏ; 2- Mặt sàng; 3- Nắp; 4- Bầu gom lỏng; 5-Van lấy lỏng; 6- Nút an toàn.
b) Kiểu hàn : 1- ống trao đổi nhiệt có cánh; 2- Cánh tản nhiệt; 3- Vỏ; 4- Vỏ hàn vào ống xoắn; 5- Lỏng Freon ra; 6- Hơi Freon vào

Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

• Bình ngưng ống chùm nằm ngang, giải nhiệt bằng nước nên hiệu quả giải nhiệt cao, mật độ dòng nhiệt khá lớn q = 3000 – 6000 W/m², k= 800 – 1000 W/m².K, độ chênh nhiệt độ trung bình t = 56 K. Dễ dàng thay đổi tốc độ nước trong bình để có tốc độ thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, bằng cách tăng số pass tuần hoàn nước.
• Hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.
• Cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện lợi trong việc lắp đặt trong nhà, có suất tiêu hao kim loại nhỏ, khoảng 40 – 45 kg/m² diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, hình dạng đẹp phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp.
• Dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành.
• Có thể sử dụng một phần của bình để làm bình chứa, đặc biệt tiện lợi trong các hệ thống lạnh nhỏ.
• Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: Đối với các loại dàn ngưng tụ kiểu khác, các ống sắt thường xuyên phải tiếp xúc môi trường nước và không khí nên tốc độ ăn mòn ống trao đổi nhiệt khá nhanh. Đối với bình ngưng, do thường xuyên chứa nước nên bề mặt trao đổi nhiệt hầu như luôn luôn ngập trong nước mà không tiếp xúc với không khí. Vì vậy tốc độ ăn mòn diễn ra chậm hơn nhiều.

Nhược điểm

• Đối với hệ thống lớn sử dụng bình ngưng không thích hợp vì khi đó đường kính bình quá lớn, không đảm bảo an toàn. Nếu tăng độ dày thân bình sẽ rất khó gia công chế tạo. Vì vậy các nhà máy công suất lớn, ít khi sử dụng bình ngưng.
• Khi sử dụng bình ngưng, bắt buộc trang bị thêm hệ thống nước giải nhiệt gồm: Tháp giải nhiệt, bơm nước giải nhiệt, hệ thống đường ống nước, thiết bị phụ đường nước vv… nên tăng chi phí đầu tư và vận hành. 
• Ngoài buồng máy, yêu cầu phải có không gian thoáng bên ngoài để đặt tháp giải nhiệt. Quá trình làm việc của tháp luôn luôn kéo theo bay hơi nước đáng kể, nên chi phí nước giải nhiệt khá lớn, nước thường làm ẩm ướt khu lân cận, vì thế nên bố trí xa các công trình.
• Kích thước bình tuy gọn, nhưng khi lắp đặt bắt buộc phải để dành khoảng không gian cần thiết hai đầu bình để vệ sinh và sửa chữa khi cần thiết.
• Quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt khi chất lượng nguồn nước kém.

Một số lưu ý

Vệ sinh bình định kỳ để nâng cao hiệu quả làm việc

Do quá trình bay hơi nước ở tháp giải nhiệt rất mạnh nên tạp chất tích tụ ngày một nhiều, khi hệ thống hoạt động các tạp chất đi theo nước vào bình và bám lên các bề mặt trao đổi nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt. Vệ sinh bình có thể thực hiện bằng nhiều cách: ngâm Na₂CO₃ hoặc NaOH để tẩy rửa, sau đó cho nước tuần hoàn nhiều lần để vệ sinh.

Tuy nhiên cách này hiệu quả không cao, đặc biệt đối với các loại cáu cặn bám chặt lên bề mặt ống. Có thể vệ sinh bằng cơ khí như buộc các giẻ lau vào dây và hai người đứng hai phía bình kéo qua lại nhiều lần. 

Khi lau phải cẩn thận, tránh làm xây xước bề mặt bên trong bình, vì như vậy cặn bẩn lần sau dễ dàng bám hơn. 

Thường xuyên xả khí không ngưng

Khí không ngưng lọt vào hệ thống làm tăng áp suất ngưng tụ do đó cần thường xuyên kiểm tra và tiến hành xả khí không ngưng bình