Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt: Truyền nhiệt docx

1 Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 Chương 1: Truyền nhiệt •  Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp •  Quá trình truyền nhiệt ( ) zyxft ,,= ! ( ) τ ,,, zyxft = ! Thiết bị làm việc liên tục - Thiết bị làm việc gián đoạn - Giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Ổn định Không ổn định 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 •  Nội năng (U) = Nội động năng + Nội thế năng •  Entanpi đối với 1 kg môi chất i = u + pv I = Gi = U + pV đối với G kg môi chất •  Entropi, s (kJ): là thông số trạng thái đặc trưng cho quá trình nhận/thải nhiệt Nhiệt động kỹ thuật QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 e = i ! i 0 ( ) ! T 0 s ! s 0 ( ) •  Execgi, e: là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài Nhiệt động kỹ thuật i: entanpi ở trạng thái cần xác định i o : entanpi ở trạng thái cân bằng s: entropi ở trạng thái cần xác định s o : entropi ở trạng thái cân bằng T o : nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái cân bằng 3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 •  Execgi, e: là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài Nhiệt động kỹ thuật • Nhiệt lượng là năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa môi chất và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ. Đơn vị: kJ, kcal, • Công Công thay đổi thể tích (công dãn nở), Công kỹ thuật Nhiệt dung riêng ‘c’ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ của một đơn vị môi chất tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào đó. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 Nhiệt động kỹ thuật Nhiệt dung riêng ‘c’ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ của một đơn vị môi chất tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào đó. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 4 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 Nhiệt động kỹ thuật Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entropi QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 Nhiệt động kỹ thuật Công thay đổi thể tích 5 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 Nhiệt động kỹ thuật Công thay kỹ thuật QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 Nhiệt động kỹ thuật Định luật nhiệt động thứ nhất 6 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 Nhiệt động kỹ thuật Định luật nhiệt động thứ nhất QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 Nhiệt động kỹ thuật Định luật nhiệt động thứ nhất 7 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 Nhiệt động kỹ thuật Định luật nhiệt động thứ hai QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 Nhiệt động kỹ thuật Định luật nhiệt động thứ hai 8 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 Nhiệt động kỹ thuật Chu trình thuận chiều QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 Nhiệt động kỹ thuật Chu trình thuận chiều 9 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 Nhiệt động kỹ thuật Chu trình ngược chiều QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 Nhiệt động kỹ thuật Chu trình ngược chiều 10 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 Các phương thức truyền nhiệt •  Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau •  Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,… •  Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các sóng điện từ. Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ lại, và một phần xuyên qua vật thể QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20 Dẫn nhiệt Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém được gọi là vật cách nhiệt Hầu hết kim loại là các vật liệu dẫn nhiệt tốt, các loại nhựa là các vật liệu cách nhiệt tốt Các electron tự do tạo nên khả năng dẫn nhiệt tốt ở các kim loại [...]... tĩnh/Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourrier Cρ QTTB II 01 ∂t = λ∇ 2 t ∂τ TS Nguyễn Minh Tân ∂t = a∇ 2t ∂τ a= λ Cρ 34 17 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT - Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất đối với quá trình ổn định ∇ 2t = 0 Hoặc ∂ 2 t ∂ 2t ∂ 2t + 2 + 2 =0 2 ∂x ∂y ∂z QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 35 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG ∂ 2t =0 ∂x 2 Tường... 39 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG i o r1 r ∫ r1 r2 L Tích phân từ r1 tới r2 và theo nhiệt độ từ tT1 đến tT2 r2 r Tường ống một lớp tT dr 2 L 2 = −λ dt r Q t∫ T 1 ln r2 L = 2 π tT − tT2 r1 Q 1 QTTB II 01 ( ) Phương trình dẫn nhiệt qua tường trụ một lớp trong trạng thái ổn định Q= TS Nguyễn Minh Tân ( ) 2 L tT1 − tT2 , W 1 r2 2, 3 ⋅ lg λ r1 40 20 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH... khỏi các mặt hình hộp: ∂ 2t dQx = Qx + dx − Qx = λ 2 dxdydzdτ ∂x ∂ 2t dQ y = Qy + dy − Qy = λ 2 dxdydzdτ ∂y ∂ 2t dQz = Qz + dz − Qz = λ 2 dxdydzdτ ∂z QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 32 16 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT - Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp: dQ = dQx + dQ y + dQz ⎛ ∂ 2t ∂ 2t ∂ 2t ⎞ dQ = λ ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟dxdydzdτ ⎜ ∂x ∂y ∂z ⎟ ⎝ ⎠ dQ = λ∇ 2t... biên: t = tT1 = C2 x =δ QTTB II 01 δ t = C2 + C1x x=0 t = tT2 = C1δ + tT1 t= tT2 tT2 − tT1 δ hay C1 = x + tT2 TS Nguyễn Minh Tân x tT2 − tT1 δ 36 18 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG Tường phẳng một lớp dQ = −λ y ∂t tT2 − tT1 = ∂x δ tT2 − tT1 δ tT1 tT2 dFdτ , J δ x Với quá trình ổn định tT1 − tT2 Q=λ δ QTTB II 01 F, W TS Nguyễn Minh Tân 37 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA... δ1 δ1 1 1 2 F (t1 − t 2 ) 2 λ Q = n F (t n − tT ) δn Lớp cuối cùng QTTB II 01 Q= (t T1 ) − tT2 F n δ ∑ λi i =1 i t2 Q = Lớp thứ hai Hoặc t1 tT2 2 , δ1 2 δ3 x W TS Nguyễn Minh Tân 38 19 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG Tường ống một lớp o r Dẫn nhiệt ổn định dt 2 rLdτ , J dr dt Q = −λ 2 rL, W r dQ = −λ i Lượng nhiệt dẫn qua lớp tường ống (theo Fourier) L r1 r2 dr dr 2 rL = −λ... nhiệt, m2 dt Gradt, °C/m dn Quá trình ổn định: Q = −λ ⋅ Q: nhiệt lượng, W dt F ,W dn QTTB II 01 τ: Thời gian, s λ: độ dẫn nhiệt, w/m °C TS Nguyễn Minh Tân 27 1.1 Dẫn nhiệt 1.1 .2 ĐỊNH LUẬT DẪN NHIỆT FOURIER và ĐỘ DẪN NHIỆT Độ dẫn nhiệt của các vật thể rắn, lỏng, khí - Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, đặc trưng cho tính chất vật lý của vật chất -  Độ dẫn nhiệt thường được xác định... Minh Tân 23 Bức xạ • Năng lượng được truyền bằng các sóng điện từ • Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia x • Bước sóng phụ thuộc vào tần số bức xạ QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 24 12 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.1 KHÁI NIỆM Nhiệt trường: Tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể hoặc của môi trường được gọi là nhiệt trường (Trường nhiệt độ) Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường không ổn định t ! = f (x,... Tân 29 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT - Lượng nhiệt dẫn qua các mặt Z đi vào hình hộp trong khoảng thời gian dτ được xác định theo pt Fourrier ∂t Qx = −λ dydzdτ ∂x Q y = −λ Qz = − λ Qy dz Qx dy ∂t dxdzdτ ∂y ∂t dxdydτ ∂z Qz+dz Qx+dx dx Qy+dy y Qz x - Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 30 15 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT... ) Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 25 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.1 KHÁI NIỆM Gradient nhiệt độ (Grad t): Sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt dt lim = grad (t ) Δn →0 dn Grad t là vector - Có phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt -  Chiều tùng với chiều tăng nhiệt độ (ngược... thường được xác định bằng thực nghiệm -  Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí nhỏ hơn chất rắn -  Độ dẫn nhiệt phụ thuộc:   Cấu trúc   Khối lượng riêng   Hàm ẩm   Nhiệt độ QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 28 14 1.1 Dẫn nhiệt 1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Giả thiết: Z Qz+dz - Các tính chất vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) không đổi theo không gian và thời gian Qy . Truyền nhiệt •  Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp •  Quá trình truyền nhiệt ( ) zyxft ,,= ! (. ++= τλ dxdydzd z t y t x t dQ # # $ % & & ' ( ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = 2 2 2 2 2 2 1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT - Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp: τλ ddVtdQ ⋅⋅∇= 2 QTTB II 01