Tính và chọn thiết bị ngưng tụ cho hệ thống lạnh

Mục đích tính và chọn thiết bị ngưng tụ là xác định diện tích bề mặt cần thiết theo các dữ liệu tính toán như nhiệt tải, nhiệt độ nước vào và ra, không khí vào, không khí ra theo điều kiện khí hậu nơi lắp đặt hệ thống. Đồng thời xác định tiêu tốn nước hoặc không khí để chọn bơm quạt cho hệ thống.

Chọn thiết bị ngưng tụ

Có nhiều loại thiết bị ngưng tụ làm việc theo các nguyên tắc khác nhau và có kết cấu khác nhau. Phần này chỉ giới thiệu những thiết bị ngưng tụ chính thông dụng.

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước gồm có các loại sau:

• Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang cho NH₃ và freon.
• Thiết bị ngưng tụ ống chùm thẳng đứng cho NH₃ .
• Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống nằm ngang cho NH₃ và freon.

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước kết hợp với không khí

• Giàn ngưng tưới.
• Tháp ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí

• Giàn ngưng cưỡng bức.
• Giàn ngưng tự nhiên.
• Giàn ngưng kiểu tấm

Trong các hệ thống lạnh cỡ lớn và cỡ trung bình chỉ sử dụng kiểu làm mát bằng nước và kết hợp.

Tiêu chuẩn để tính và chọn thiết bị ngưng tụ là nhiệt tái ngưng tụ. Nhiệt tải nàí xác định dựa vào chu trình làm việc và môi chất.

Tùy điều kiện thực tế ở nơi sử dụng : nước làm mát một lần haí tuần hoàn, điều kiện nước, điều kiện môi trường mà chọn thiết bị ngưng tụ cho phù hợp. Nếu nước nhiều nhưng chất lượng không cao thì dùng thiết bị ngưng tụ ống chùm kiểu đứng. Nếu nước ít, chất lượng cao thì dùng thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang, tuần hoàn nước. Nếu nước ít, độ ẩm không khí thấp nên dùng giàn ngưng tưới. Các giàn ngưng không khí chỉ nên dùng cho các thiết bị lạnh loại nhỏ.

Bình ngưng ống – vỏ amoniac

Cả hai loại: nằm ngang và đặt thẳng đứng. Bên trong vỏ trụ bố trí một chùm ống. Nước di chuyển bên trong ống, hơi amoniac trong không gian giữa các ống. Bề mặt ống không có cánh toả nhiệt. Hệ số tỏa nhiệt của nước trong ống gần bằng hệ số toả nhiệt khi ngưng của amoniac.

a) Thiết bị ngưng tụ ống vỏ nằm ngang amoniac.
1 – ống nối đường cân bằng hơi 2 – Van an toàn 3 – áp kế 4 – ống xả không ngưng
5 – van xả khí phía nước 6 – van xả nước 7 – Van xả dầu 8 – Vỏ 9 – ống trao đổi nhiệt
10 – mặt sàng 11 – nắp 12 – ống thủy.

b) Thiết bị ngưng tụ ống vỏ nằm ngang Frêon.
1    – Vỏ 2 – mặt sàng 3 – nắp 4 – ống trao đổi nhiệt có cánh 5 – bầu gom lỏng 6 – Van xả 7 – Van an toàn
c) Prôfie cánh ống.

Dàn ngưng tưới 

Dàn gồm hệ thống xoắn nối với ống góp lỏng, xả dầu . Dàn ống được tưới nước tuần hoàn. Hơi amôniac đi từ dưới lên trên trong các ống của dàn. NH₃ ngưng tụ đưa vào ống góp lỏng. Không khí lấy ra qua van xả 7. Dàn ngưng tưới có tỉ lệ tiêu hao nước thấp (khoảng 30% nước tuần hoàn). Tuy nhiên khả năng quá lạnh lỏng kém.

1 – Máng phân phối nước 2 – Phễu hứng tràn 3 – Miệng hồi nước 4 – ống hồi nước 5 – Van
xả về bình chứa dầu 6 – Đường cân bằng 7 – Van xả khí không ngưng 8 – Thùng phân phối nước 9 – Vòi tưới bổ xung.

Tháp ngưng tụ 

Đây là loại dàn ngưng kết hợp giữa nước và không khí, nước phun vào dàn, không khí thổi cưỡng bức nhờ quạt gió. Toàn bộ thiết bị có vỏ bao che, trừ đường vào, ra của không khí. Để giảm tiêu hao nước do hạt nước bị cuốn theo không khí thổi, người ta dùng tấm chắn kim loai dạng chữ S. Hạt nước va chạm vào tấm, đọng lại và chảy xuống. Nhiệt tải riêng q_F rất lớn (2300w/m²).

a/ Kiểu thổi b/ Kiểu hút
1 – Bơm nước tuần hoàn 2 – Quạt 3 – thiết bị chắn nước 4 – Vòi phun 5 – Dàn ngưng ống trơn 6 – Van phao

Tính thiết bị ngưng tụ

Việc tính toán thiết bị ngưng tụ được tiến hành theo trình tự sau:

• Chọn kiểu, loại thiết bị ngưng tụ.
• Xác định bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ theo phương trình truyền nhiệt:

Q_k = K. F. Δt_b

Trong đó  

• Q_k – nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ tính cùng tính máy nén). kW;
• K – hệ số truyền nhiệt, kJ/m² .h.độ;
• F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m² .
• Δt_b – hiệu số nhiệt độ logarit trung bình, °C.

Xác định hiệu số nhiệt độ log trung bình (Δt_b)

Hiệu số nhiệt độ logarit trung bình được xác định theo công thức:

Trong đó  

• Δt_max – hiệu số nhiệt độ lớn nhất (phía nước vào), °C.
• Δt_min – hiệu số nhiệt độ bé nhất (phía nước ra), °C.

Trong thực tế quá trình ngưng tụ có thể chia làm ba giai đoạn :

• Làm nguội hơi từ t2 đến nhiệt độ ngưng tụ t_k
• Quá trình ngưng tụ ở t_k  = const.
• Quá trình làm nguội lỏng từ t_k xuống t quá lạnh

Nhưng trong thực tế lượng nhiệt xảy ra chủ yếu từ quá trình ngưng tụ vì vậy khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ không đổi là t_k.

Vậy:

Δt_max = t_k – t_w1
Δt_min = t_k– t_w2

t₁, t₂ nhiệt độ nước vào và nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ.

Khi sử dụng giàn ngưng bay hơi có thể coi nhiệt độ của nước không đổi và khi đó: Δt_tb = t_k – t_w

Xác định nhiệt độ dòng nhiệt hay nhiệt tải riêng q_F

Q_F có thể xác định theo công thức: Q_F = k . Δt_tb     (w/m2)

Từ đó bề mặt cần thiết của thiết bị truyền nhiệt có thế tính theo biểu thức: F = Q_K/q_F (m²)

Đối với giàn ngưng sử dụng hỗn hợp nước không khí thường: q_F = 1750 : 2300 w/m².

Xác định hệ số truyền nhiệt K

Hệ số truyền nhiệt K có thể tra bảng theo thực nghiệm.

Bảng – Giá trị thực nghiệm của hệ số truyền nhiệt K (W/m².độ

Có thể xác định K theo lý thuyết trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa hai môi chất lỏng qua vách ống.

Mật độ dòng nhiệt: q₁ = k . Δt

Dòng nhiệt: Q_k = K . F . Δt

Trong đó :

• d₁, d₂ – Đường kính trong và đường kính ngoài, m;
• α₁, α₂ –  Hệ số cấp nhiệt của phía trong và phía ngoài ống, w/m².độ:
• λ_i – Hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i.

Vấn đề cơ bản ở đây là phải xác định α₁, α₂ để xác định hệ số truyền nhiệt K.

Xác định lượng nước làm mát

Có thế xác định theo công thức: V_n = Q_k / (C_k . P . Δt_w)

Trong đó :

• Q_k – tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ, kW;
• C – nhiệt dung của nước C = 4.19 kJ/kg.độ;
• p – khối lượng riêng của nước p = 1000 kg/m3 \
• Δt_w – Độ tăng nhiệt độ của nước trong thiết bị ngưng tụ.

Ngoài lưu lượng cần phải tính trở lực để chọn bơm.

Tính lưu lượng không khí qua giàn ngưng tụ

Xác định như với nước nhưng C là nhiệt dung của không khí C = 1 kJ/kg.độ;

p là khối lượng riêng của không khí p = 1,2 – 1,15 kg/m3 ở 20°C đến 30°C.