Giáo trình Hệ thống máy và thiết bị lạnh - Chương 7: Thiết bị bay hơi

chắn được 
giữ nhờ thanh giằng và bu lông. Đường chuyển động của môi chất và 
chất tải lạnh ngược chiều và xen kẻ nhau. Tổng diện tích trao đổi nhiệt 
rất lớn. Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất thực hiện qua vách 
tương đối mỏng nên hiệu quả trao đổi nhiệt cao. Các lớp chất tải lạnh 
khá mỏng nên quá trình trao đổi nhiệt diễn ra nhanh chóng. Dàn lạnh 
tấm bản NH3 có thể đạt k =2500÷4500 W/m2.K khi làm lạnh nước. 
Đối với R22 làm lạnh nước hệ số truyền nhiệt đạt k =1500÷3000 
W/m2.K. Đặc điểm của dàn lạnh kiểu tấm bản là thời gian làm lạnh rất 
nhanh, khối lượng môi chất lạnh cần thiết nhỏ. 
 Nhược điểm là chế tạo phức tạp nên chỉ có các hãng nổi tiếng 
mới có khả năng chế tạo. Do đó khi hư hỏng, không có vật tư thay thế, 
sửa chữa khó khăn. 
 283
Hình 7-5: Dàn lạnh kiểu tấm bản 
7.2.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí 
 7.2.2.1 Dàn lạnh đối lưu tự nhiên 
 Dàn lạnh đối lưu tự nhiên không dùng quạt được sử dụng để 
làm lạnh không khí trong các buồng lạnh. Dàn có thể được lắp đặt áp 
trần hoặc áp tường, ống trao đổi nhiệt là ống thép trơn hoặc ống có 
cánh bên ngoài. Cánh tản nhiệt sử dụng là cánh thẳng hoặc cánh xoắn. 
 Đối với dàn ống trơn thường dùng là ống thép Φ57x3,5, bước 
ống từ 180÷300mm. Dàn ống có hệ số truyền nhiệt khoảng k=7÷10 
W/m2.K 
Đối với dàn ống có cánh của Nga được làm từ các ống trao đổi 
nhiệt Φ38x3, cánh tản nhiệt dạng xoắn thép dày 0,8÷1,0mm, chiều 
rộng lá thép là 45mm, bước cánh khoảng 20÷30mm. Hệ số truyền 
nhiệt tính theo diện tích mặt ngoài có cánh đối với dàn áp tường 
k=3÷4,5 W/m2.K và dàn áp trần k =4÷5,5 W/m2.K . Nhược điểm của 
 284
dàn lạnh đối lưu tự nhiên là hiệu quả trao đổi nhiệt thấp, nên thực tế ít 
sử dụng. 
 Đối với dàn ống của Nga người ta thường chế tạo theo các kiểu 
như sau: Dàn ống có 01 ống góp (hình 7-6a), dàn ống xoắn đầu (7-6b), 
dàn ống xoăn đuôi (7-6c) và dàn ống có 02 ống góp (7-6d) 
123 4 12
2 1 41 24
a)
b)
c)
d) 
1- ống trao đổi nhiệt; 2- Cánh tản nhiệt; 3- ống góp; 4- Thanh đỡ 
Hình 7-6: Dàn lạnh đối lưu tự nhiên có cánh 
 7.2.2.2 Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 
Dàn lạnh đối lưu không khí cưỡng bức được sử dụng rất rộng rãi 
trong các hệ thống lạnh để làm lạnh không khí như trong các kho 
lạnh, thiết bị cấp đông, trong điều hoà không khí vv 
Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức có 02 loại : Loại ống đồng và ống sắt. 
Thường các dàn lạnh đều được làm cánh nhôm hoặc cánh sắt. Dàn 
lạnh có vỏ bao bọc, lồng quat, ống khuyếch tán gió, khay hứng nước 
ngưng. Việc xả nước ngưng có thể sử dụng bằng nhiều phương pháp, 
nhưng phổ biến nhất là dùng điện trở xả băng. 
Dàn lạnh ống trơn NH3 có k = 35÷43 W/m2.K. Đối với dàn lạnh 
frêôn k = 12 W/m2.K 
 285
Dàn lạnh sử dụng trong các kho lạnh có cấu tạo với chiều rộng 
khá lớn, trải dài theo chiều rộng kho lạnh. 
Hình 7-7: Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 
 Mỗi dàn có từ 1÷6 quạt, các dàn lạnh đặt phía trước mỗi dàn, hút 
không khí chuyển động qua các dàn. Dàn lạnh có bước cánh từ 3÷8 
mm, tuỳ thuộc mức độ thoát ẩm của các sản phẩm trong kho. Vỏ bao 
che của dàn lạnh là tôn mạ kẽm, phía dưới có máng hứng nước ngưng. 
Máng hứng nước nghiêng về phía sau để nước ngưng chảy kệt, tránh 
đọng nước trong máng, nước đọng có thể đóng băng làm tắc đường 
thoát nước. Dàn gồm nhiều cụm ống độc lập song song dọc theo 
chiều cao của dàn, vì vậy thường có các búp phân phối ga ga để phân 
bố dịch lỏng đều cho các cụm. 
 286
1- Quạt dàn lạnh; 2- ống môi chất vào, ra; 3- Hộp đấu dây; 4- ống xả 
nước ngưng; 
5- Máng nước ngưng; 6- Bách treo 
Hình 7-8: Dàn lạnh trong các kho lạnh 
7.3 Tính toán thiết bị bay hơi 
 Có hai bài toán tính toán thiết bị bay hơi : Tính kiểm tra và 
tính thiết kế 
Tính toán thiết bị bay hơi là xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 
cần thiết để đáp ứng phụ tải nhiệt đã cho. 
 - Thông số ban đầu: 
 + Chế độ nhiệt ẩm của buồng lạnh 
+ Loại thiết bị bay hơi 
 + Công suất lạnh cầu Qo
 - Thông số cần xác định : Diện tích trao đổi nhiêt, bố trí và kết 
cấu thiết bị bay hơi. 
7.3.1 Các bước tính toán dàn lạnh 
1. Chọn loại thiết bị bay hơi 
 Chọn kiểu loại dàn lạnh cho hệ thống lạnh cũng dựa trên nhiều 
tiêu chí khác nhau nhưu đặc điểm cấu tạo, yêu cầu về làm lạnh vv 
 287
2. Tính diện tích trao đổi nhiệt 
of
o
o
o
q
Q
tk
Q
F =∆= . , m
2 
 (7-1) 
 Qo – Công suất lạnh yêu cầu của thiết bị bay hơi, W 
 k – Hệ số truyền nhiệt, W/m2.K; 
∆to -Độ chênh nhiệt độ trung bình lôgarit, oK; 
qof – Mật độ dòng nhiệt của thiết bị bay hơi, W/m2. 
a. Xác định hệ số truyền nhiệt k 
 Hệ số truyền nhiệt k có thể xác định theo kinh nghiệm theo 
bảng 7-1 dưới đây. Trong trường hợp cụ thể có thể tiến hành tính toán 
theo các công thức tính toán truyền nhiệt thông thường. Đối với thiết 
bị bay hơi hệ thống lạnh, hệ số toả nhiệt về các môi trường ở thiết bị 
bay hơi có những đặc điểm khác. 
Bảng 7-1 : Hệ số truyền nhiệt k và mật độ dòng nhiệt các dàn lạnh 
T
T Kiểu thiết bị bay hơi 
k 
(W/m2.K) 
qf
(W/m2) 
∆t 
(oC) 
1 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng 
- Bình bay hơi NH3 
- Bình bay hơi frêôn 
 + R12 
 + R22 
- Dàn lạnh kiểu panen 
- Dàn lạnh xương cá 
- Dàn lạnh kiểu tấm bản 
 + NH3 
 + R22 
460÷580 
230÷350 
350÷400 
460÷580 
2500÷4500
1500÷3000
2000÷4500 
2900÷3500 
2900÷3500 
4÷6 
8÷10 
8÷10 
2 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí 
- Thiết bị bay hơi đối lưu tự nhiên 
- Thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức 
 + ống trơn NH3 
 + Frêôn 
3÷5,5 
35 ÷ 43 
12 
 288
Hệ số truyền nhiệt được tính tuỳ thuộc trường hợp cụ thể của bề 
mặt trao đổi nhiệt. Chẳng hạn như trường hợp ống trơn có thể tính 
như sau: 
KmW
dd
d
d
k ./,
..
1ln.
..2
1
..
1
1
221
2
11 αλα Π+Π+Π
= 
 (7-2) 
trong đó: 
 α1, α2 – Hệ số toả nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, 
W/m2.K; 
 d1, d2 - Đường kính trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, mm; 
 λ - Hệ số dẫn nhiệt vật liệu ống, W/m.K. 
b. Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình logarit 
min
max
minmax
ln
t
t
tt
ttb
∆
∆
∆−∆=∆ 
 (7-3) 
∆tmax, ∆tmin- Hiệu nhiệt độ lớn nhất và bé nhất ở đầu vào và ra của 
thiết bị trao đổi nhiệt. 
c. Xác định lưu lượng chất lỏng hoặc không khí làm lạnh 
* Lưu lượng chất lỏng 
Lưu lượng chất lỏng được làm lạnh ở thiết bị bay hơi được xác 
định theo công thức sau: 
tC
Q
G o∆= ..ρ , kg/s 
 (7-4) 
 C – Nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.K; 
 ρ – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3; 
 ∆t - Độ chênh nhiệt độ của chất lỏng vào ra thiết bị bay hơi, oC. 
* Lưu lượng không khí 
Lưu lượng không khí làm lạnh được xác định theo công thức sau: 
 289
KKKKKK
o
KK tC
Q
G ∆= ..ρ , kg/s 
 (7-5) 
 CKK – Nhiệt dung riêng của không khí, Cn = 1,0 kJ/kg.K; 
 ρKK – Khối lượng riêng của không khí , kg/m3, ρKK = 1,15÷1,2 
kg/m3; 
 ∆tKK - Độ chênh nhiệt độ của không khí vào ra thiết bị bay hơi , 
oC. 
7.3.2 Xác định hệ số toả nhiệt về phía các môi chất ở 
thiết bị bay hơi 
7.3.2.1 Hệ số toả nhiệt khi sôi môi chất lạnh 
 * Sôi trong ống và rãnh nằm ngang 
 - Đối với Frêôn 
 (7-6) 
n
trqC ).(.
15,0 ρωα =
ω - Tốc độ chuyển động của frêôn lỏng, m/s; 
ρ - Khối lượng riêng của frêôn lỏng, kg/m3; 
Trị số C và n được xác định như sau: 
 + Đối với R12 : C = 23,4 và n = 0,47; 
 + Đối với R22 : C = 32,0 và n = 0,47. 
Tuy nhiên công thức trên chỉ đúng khi mật độ dòng nhiệt q (W/m2) 
nhỏ tức là nhỏ hơn giá trị nằm trong bảng 7-2 dưới đây: 
Bảng 7-2: Giới hạn mật độ dòng nhiệt, W/m2
ω.ρ, Kg/m2.s Môi 
chất 60 120 250 400 650 
R12 1500 1800 2000 2500 3000 
R22 1500 1800 2000 2500 3500 
 Trong trường hợp mật độ dòng nhiệt q lớn hơn trị số đã nêu 
trong bảng 7-2 thì hệ số toả nhiệt được xác định theo công thức sau 
đây: 
 290
2,0
6,0 ... ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
d
qA tr
ρωα 
 (7-7) 
hay: 
5,0
5,15,2 ... ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
d
A ρωθα
 (7-8) 
trong đó: θ = tw – to. 
Hệ số A tra theo bảng 7-3 dưới đây: 
Bảng 7-3 : Hệ số A 
to , oC Môi chất
-30 -10 0 10 30 
R12 0,85 1,045 1,14 1,23 1,47 
R22 0,95 1,17 1,32 1,47 1,25 
 - Đối với NH3
667,05,1
1. ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛+=
w
p
w α
ααα 
 (7-9) 
αw – Hệ số toả nhiệt của lỏng NH3 khi chuyển động trong ống tính 
như chất lỏng thường chuyể động trong ống, W/m2.K. 
αp – Hệ số toả nhiệt trung bình của NH3 khi sôi mạnh, W/m2.K. 
 (7-10) 
21,07,0 ..2,2 ongP Pq=α
hay 
 (7-11) 7,0333,2 ..85,13 OP Pθα =
qng – Mật độ dòng nhiệt theo bề mặt ngoài của dàn lạnh, W/m2; 
Po - áp suất sôi của NH3 , bar. 
 * Sôi trong ống và rãnh đứng 
 291
 - Đối với Frêôn 
 + Khi sôi bọt ( x < 0,02) 
31,0
.
.1
"
'
.
..
.25,0 ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= σρ
ρ
λ
trotrtr dPx
r
Cdq
Nu 
 (7-12) 
 + Khi sôi vành khăn (x = 0,17 ÷0,89) thì: 
16,11,0
1
1.79,3... ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−
+=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
x
x
q
r
trw
ρω
α
α (7-13) 
trong đó hệ số toả nhiệt αw được tính theo tiêu chuẩn Nu như sau: 
 Nu = 
0,023.Re0,8.Pr0,33 (7-14) 
và vận tốc được xác định : 
ρπω zd
xG
tr ..
)1.(.4
2
−= , m/s 
 (7-15) 
trong đó: 
G – Lưu lượng tác nhân đi vào dàn lạnh, kg/s; 
dtr - đường kính trong của ống, m; 
x - độ khô của tác nhân lạnh vào ống, kg/kg; 
z- Số ống đặt song song của dàn lạnh; 
ρ, ρ’ – Khối lượng riêng của môi chất lỏng, kg/m3; 
ρ” – Khối lượng riêng của hơi, kg/m3; 
λ- Hệ số dẫn nhiệt của frêôn lỏng, W/m.K; 
C – Nhiệt dung riêng của frêôn lỏng, J/kg.K; 
Po - áp suất sôi, bar; 
σ- Sức căng bề mặt, N/m; 
r – Nhiệt ẩn hoá hơi của frêôn, J/kg. 
Các trị số Re và Pr đều xác định theo frêôn lỏng 
 - Đối với NH3
 (7-15) 24,045,0 .)..04,03,27( −+= trtro dqtα
 292
7.3.2.2 Hệ số toả nhiệt về phía không khí 
- Đối lưu cưỡng bức 
Đại bộ phận các loại dàn lạnh đều có không khí và môi chất tải 
lạnh khác đối lưu cưỡng bức đi qua dàn lạnh. Trong trường hợp này 
các tính toán cũng tương tự như tính toán cho dàn ngưng. điều khác 
biệt duy nhất là phạm vi nhiệt độ làm việc của dàn lạnh khác dàn 
ngưng mà thôi. 
- Đối lưu tự nhiên 
Các dàn lạnh sử dụng phương pháp đối lưu tự nhiên ít gặp hơn nên 
ở đây chúng tôi không trình bày. 
* * * 
 293