Giáo trình kỹ thuật nhiệt

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP NAM ĐỊNH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: KỸ THUẬT NHIỆT NGHỀ: CƠNG NGHỆ Ô TÔ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: năm / QĐcủa Nam2Định, năm 2018 ngày tháng TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật nhiệt môn học sở ngành đào tạo nghề Cơng nghệ Ơ tơ Môn học cung cấp cho người học kiến thức trình nhiệt động môi chất, sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt Đồng thời cung cấp cho người học kiến thức chu trình nhiệt động máy lạnh, loại động nhiệt khả truyền nhiệt Để cung cấp cho sinh viên tài liệu học tập, nghiên cứu chúng tơi biên soạn giáo trình “Kỹ thuật nhiệt”, giáo trình sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc Cao đẳng nghề công nghệ ô tô trường Cao đẳng Công nghiệp Nam Định Trong lần biên soạn này, có nhiều cố gắng giáo trình cịn nhiều vấn đề chưa đề cập hết cịn thiếu sót Vì vậy, chúng tơi mong góp ý xây dựng phê bình chân thành bạn đọc Mọi thắc mắc, gửi thư góp ý địa sau: Nam Định, ngày tháng năm 2018 Chủ biên: Vũ Văn Ngưu MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ nhiệt động 1.1.1 Môi chất 1.1.2 Hệ nhiệt động 1.2 Trạng thái thông số trạng thái 1.2.1 Môi chất 1.2.2 Các thông số trạng thái môi chất 1.2.3 Quá trình nhiệt động 12 1.3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 13 1.3.1 Sự khác khí thực so với khí lý tưởng 13 1.3.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 13 1.4 Hỗn hợp khí lý tưởng 14 1.4.1 Những tính chất hỗn hợp khí lý tưởng 14 1.4.2 Các thành phần hỗn hợp 15 1.4.3 Xác định đại lượng hỗn hợp 16 1.4.4 Xác định phân áp suất khí thành phần 17 Chương 2: Định luật nhiệt động I 18 2.1 Các dạng lượng 18 2.1.1 Các dạng lượng 18 2.1.1.3 Các loại công 19 2.1.2 Nhiệt dung riêng cách tính nhiệt 21 2.2 Định luật nhiệt động I cho hệ kín 24 2.2.1 Dạng tổng quát phương trình định luật nhiệt động I 24 2.2.2 Phương trình định luật nhiệt động I cho hệ kín 24 2.3 Định luật nhiệt động I cho hệ hở 24 Chương 3: Các q trình nhiệt động mơi chất 26 3.1 Q trình đẳng tích 26 3.2 Quá trình đẳng áp 28 3 Quá trình đẳng nhiệt 29 3.4 Quá trình đoạn nhiệt 30 3.5 Quá trình đa biến 31 Chương 4: Định luật nhiệt động II 35 4.1 Chu trình carnot thuận nghịch 35 4.2 Định luật nhiệt động II 36 4.3 Một số ứng dụng định luật nhiệt động II 37 Chương 5: Chu trình nhiệt động máy lạnh, động nhiệt 38 5.1 Chu trình nhiệt động máy lạnh 38 5.1.1 Định nghĩa chu trình nhiệt động 38 5.1.2 Cơng chu trình 39 5.1.3 Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh hệ số bơm nhiệt 40 5.1.4 Chu trình máy lạnh bơm nhiệt khơng khí 41 5.2 Chu trình nhiệt động động đốt 42 5.2.1 Chu trình chất khí 42 Chương 6: Truyền nhiệt 45 6.1 Các khái niệm 45 6.2 Dẫn nhiệt 46 6.1.2 Trường nhiệt độ 46 6.1.3 Bề mặt đẳng nhiệt 46 6.1.4 Gradian nhiệt độ 46 6.1.5 Dòng nhiệt mật độ dòng nhiệt 47 6.1.6 Định luật Fourier dẫn nhiệt 47 6.1.7 Hệ số dẫn nhiệt 47 6.1.8 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 48 6.1.9 Dẫn nhiệt ổn định khơng có nguồn nhiệt bên 50 6.3 Trao đổi nhiệt đối lưu 56 6.3.1 Khái niệm 56 6.3.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu 56 6.3.3 Hệ phương trình vi phân miêu tả trình trao đổi nhiệt đối lưu 58 6.3.4 Công thức Newton phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt 58 6.3.5 Các phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt 59 6.4 Bức xạ nhiệt 59 6.4.1 Những khái niệm 59 6.4.2 Các định luật xạ nhiệt 62 6.4.3 Tính trao đổi nhiệt xạ vật môi trường suốt 64 6.5 Truyền nhiệt 66 6.5.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng 66 6.5.2 Truyền nhiệt qua vách trụ 68 6.5.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh 69 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Kỹ thuật nhiệt Mã mơn học: Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: Mơn học bố trí sau người học học xong môn học chung trước môn học/ mô đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: Là mơn học lý thuyết sở ngành - Ý nghĩa vai trị mơn học: mơn học giúp người học kiến thức trình nhiệt động môi chất, sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt Đồng thời cung cấp cho người học kiến thức chu trình nhiệt động máy lạnh, loại động nhiệt khả truyền nhiệt Mục tiêu mơn học - Về kiến thức: + Trình bày đầy đủ khái niệm thông số q trình nhiệt động + Giải thích q trình nhiệt động mơi chất + Giải thích sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt - Về kỹ + Nhận dạng cấu tạo loại động nhiệt dùng tơ + Trình bày ngun lý hoạt động loại động nhiệt dùng ô tô - Về lực tự chủ trách nhiệm + Nâng cao tính tự giác, tính tích cực học tập + Chủ động, sáng tạo việc tiếp cận với kiến thức chuyên ngành CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mục tiêu: - Trình bày khái niệm hệ thống nhiệt, nguồn nhiệt môi chất - Hiểu thông số áp suất, nhiệt độ, thể tích riêng khối lượng riêng, bên cạnh tính tốn thơng số nội Entanpi, Entropi Nội dung 1.1 Hệ nhiệt động 1.1.1 Mơi chất Sự chuyển hố nhiệt cơng máy nhiệt thực nhờ chất trung gian gọi môi chất (chất môi giới) Môi chất nguyên tắc thể rắn, thể lỏng, thể khí Ví dụ nhà máy nhiệt điện mơi chất nước nước, tủ lạnh gia đình mơi chất freon 12 (ký hiệu F12 hay R12), động đốt ô tô, xe máy môi chất xăng dầu, sản phẩm cháy khơng khí Các chất khí tồn tự nhiên khơng khí, xy, ni tơ khí thực Với khí thực ln tồn thể tích thân phân tử, lực tương tác phân tử, khí thực tồn thể thể rắn, thể lỏng, thể khí tuỳ vào điều kiện áp suất nhiệt độ Tuy nhiên, để đơn giản cho công tác nghiên cứu nhiệt động học người ta đưa khái niệm khí lý tưởng Khí lý tưởng khí khơng tích thân phân tử, khơng có lực tương tác phân tử khơng có biến pha Như vậy, khí thực áp suất nhiệt độ khơng lớn xem khí lý tưởng 1.1.2 Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động (HNĐ) vật nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật HNĐ gọi môi trường xung quanh Vật thực tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động môi trường xung quanh gọi ranh giới HNĐ Hệ nhiệt động phân loại sau: - Hệ nhiệt động kín: HNĐ khơng có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh - Hệ nhiệt động hở: HNĐ có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh - Hệ nhiệt lập: HNĐ cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh Hình 1.1: Hệ nhiệt động 1.2 Trạng thái thông số trạng thái 1.2.1 Môi chất Môi chất công tác (MCCT) sử dụng thiết bị nhiệt chất có vai trị trung gian trình biến đổi nhiệt Thông số trạng thái MCCT đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động MCCT Trạng thái cân nhiệt động trạng thái thong số trạng thái HNĐ có giá trị tồn HNĐ khơng đổi theo thời gian khơng có tác động (nhiệt công) từ môi trường xung quanh Ngược lại, trạng thái thơng số trạng thái có giá trị khác HNĐ gọi trạng thái không cân Trạng thái MCCT biểu diễn điểm hệ trục tọa độ trạng thái gồm trục thông số trạng thái độc lập Trạng thái cân HNĐ đơn chất, pha xác định biết hai thông số trạng thái độc lập 1.2.2 Các thông số trạng thái môi chất Thông số trạng thái đại lượng vật lý có giá trị xác định trạng thái định Thông số trạng thái hàm phụ thuộc vào trạng thái mà khơng phụ thuộc vào q trình Nếu môi chất biến đổi lại trở trạng thái ban đầu, giá trị thông số trạng thái không đổi Các thông số nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng gọi thơng số trạng thái chúng đo trực tiếp Các thơng số trạng thái cịn lại gọi hàm trạng thái, chúng khơng đo trực tiếp mà phải thông qua thông số trạng thái a Nhiệt độ: + Khái niệm (T): Số đo trạng thái nhiệt vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ số đo động trung bình phân tử m   kT (1.1) Trong m - khối lượng phân tử; ω – vận tốc trung bình phân tử , k – số Bonzman, k  1.3805.105 J / deg ; T- nhiệt độ tuyệt đối + Nhiệt kế: Nhiệt kế hoạt động dựa thay đổi số tính chất vật lý vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở,v.v… + Thang nhiệt độ: Thang nhiệt độ (0C)- (Anders Celsius -1701-1744) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) – (Daniel Fahrenheit) Thang nhiệt độ Kelvin (K) – (Kelvin – 1824-1907) Thang nhiệt độ Rankine (0R)  F  32 9 F  C  32 R  K C C 0 K  273 K 0 C  273 K  R R 0 F  459, 67 b Áp suất + Khái niệm: Áp suất lưu chất (P) – lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành chứa p F A Theo thuyết động học phân tử m 2 p   n  (1.2) Trong đó: p- áp suất; F- Lực tác dụng phân tử; A- diện tích thành bình chứa; n- số phân tử đơn vị thể tích; α – hệ số phụ thuộc vào kích thước lực tương tác phân tử + Đơn vị áp suất: 1) N/m2 5) mmHg 2) Pa (Pascal) 6) mm H2O 3) at (Technical Atmosphere) 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) 8) Psf (Pound per Square Foot) at Pa mmH2O 10 Mm Hg (at O0C) 1at 9,80665.104 1.104 735,559 1Pa 1,01972.10-5 0,101972 7,50062.10-3 1mmH2O 1.10-4 9.80665 73,5559.10-3 1mm Hg 1,35951.10-3 133,322 13,5951 1atm = 760 mmHg (at C) = 10,13.10 Pa = 2116 psf (lbf/ft ) 1at = 2049 psf 1psi (lbf/in2) = 144 psf = 6894,8 Pa 1lbf/ft2 (psf) = 47,88 Pa + Phân loại áp suất: - Áp suất khí (po) – Áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất - Áp suất dư (pd) – Áp suất lưu chất so với môi trường xung quanh pd  p  p0 - Áp suất tuyệt đối (p) – Áp suất lưu chất so với chân không tuyệt đối p  pd  p0 - Độ chân không (pck) – Phần áp suất nhỏ áp suất pck  po  p + Áp kế: Ghi chú: Khi đo áp suất áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần hiệu chỉnh nhiệt độ 00C (1.3) ho  h 1  0, 000172.t  Trong đó: t – nhiệt độ cột thủy ngân, [0C]; h0 – chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh nhiệt độ 00C; h – chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t0C c Thể tích riêng Thể tích riêng thể tích đơn vị khối lượng, ký hiệu v xác định biểu thức: v V ; G m3 / kg (1.4) Ở đây: V – thể tích vật (m3) G – khối lượng vật (kg) Đại lượng nghịch đảo thể tích riêng khối lượng riêng, kí hiệu ρ: v   G ; kg / m3 V (1.5) Thể tích riêng khối lượng riêng hai thông số phụ thuộc vào nhau, biết thơng số có nghĩa biết thơng số ngươc lại d Nội + Nội nhiệt (U): - gọi tắt nội – lượng chuyển động phân tử bên vật lực tương tác chúng Nội gồm hai thành phần: Nội động (Ud) nội (Up) Nội động liên quan đến chuyển động phần tử nên phụ thuộc vào nhiệt độ vật Nội liên quan đến lực tương tác phân tử nên phụ thuộc vào khoảng 11 d Hình dạng, kích thước vị trí bề mặt trao đổi nhiệt Bề mặt trao đổi nhiệt có hình dạng khác phẳng, ống trụ,… Tấm hay ống có kích thước khác đặt vị trí khác nhau: đặt đứng hay đặt nằm Tất nhân tố ảnh hưởng đến q trình trao đổi nhiệt 6.3.3 Hệ phương trình vi phân miêu tả trình trao đổi nhiệt đối lưu Trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp, trình liên quan đến tượng nhiệt tượng thủy lực, miêu tả hệ phương trình vi phân sau: Phương trình vi phân lượng:   t  2t  t  t t t t  x  y  z  a     x y z z   x y Phương trình vi phân chuyển động theo hướng x, y ,z Đối với hướng x chẳng hạn:   x   2  2  2     p     x x   y y   z z    g x     2x  2x  x  x y z  x y z     x Phương trình vi phân liên tục: p   x     y    z     0  x y z Phương trình trao đổi nhiệt:   t      t  n n0 Khi giải hệ phương trình vi phân cần kết hợp với điều kiện đơn trị Các điều kiện đơn trị bao gồm: Điều kiện thời gian: đặc trưng cho đặc tính q trình theo thời gian Điều kiện hình học: đặc trưng cho hình dạng kích thước bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu Điều kiện vật lý: đặc trưng tính chất vật lý mơi trường xảy q trình đổi nhiệt đối lưu Điều kiện biên: đặc trưng cho đặc tính trình trao đổi nhiệt xảy bề mặt vật thể Đây điều kiện biên loại 6.3.4 Công thức Newton phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt Cơng thức Newton Q trình trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Để xác định lượng nhiệt trao đổi bề mặt vách chất lỏng hay chất khí người ta dùng cơng thức Newton Cơng thức Newton có dạng: (6.19) q    tw  t f  ; W / m2 Hay: Q  qF   F  t w  t f  ; (6.20) W Ở đây: q Q – mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt 58 F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tw – nhiệt độ bề mặt vách tf – nhiệt độ chất lỏng xa bề mặt vách α – hệ số tỏa nhiệt Hệ số tỏa nhiệt đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu Từ Error! Reference source not found., ta có:  Q F  tw  t f  ; W / m K (6.21) Như α lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích bề mặt đơn vị thời gian độ chênh nhiệt độ bề mặt vách chất lỏng hay chất khí độ Cơng thức Newton hình thức đơn giản tất phức tạp trình đưa vào hệ số tỏa nhiệt α Hệ số tỏa nhiệt α phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một cách tổng quát viết:   f   , c,  , ,  , tw , t f ,  , kích thuoc,  6.3.5 Các phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt Để xác định mật độ dịng nhiệt hay dịng nhiệt theo cơng thức Newton cần phải biết giá trị hệ số tỏa nhiệt Để xác định hệ số tỏa nhiệt dùng phương pháp giải tích hay cịn gọi phương pháp vật lý – toán phương pháp thực nghiệm a Phương pháp giải tích: Để xác định hệ số tỏa nhiệt phương pháp giải tích ta cần viết phương trình hệ phương trình vi phân miêu tả cho trình giải phương trình hệ phương trình vi phân kết hợp với điều kiện đơn trị khác Việc xác định hệ số tỏa nhiệt giải tích cịn bị hạn chế Sự hạn chế việc thiết lập giải phương trình hệ phương trình vi phân mà chỗ để có nghiệm xác điều kiện đơn trị toán đưa vào phải đầy đủ Việc đưa đầy đủ điều kiện đơn trị vào để giải toán vấn đề khó, đặc biệt với trường hợp phức tạp Vì phương pháp giải tích dùng cho số trường hợp đơn giản b Phương pháp thực nghiệm: Để xác định thực nghiệm, ta cần xây dựng thí nghiệm để đo số đại lượng cần thiết từ xác định α Nhưng phương pháp kết đo với tượng thí nghiệm, số thí nghiệm phải thực lớn c Lý thuyết đồng dạng: Hai tượng vật lý đồng dạng với chất vật lý mô tả phương trình hay hệ phương trình vi phân dạng giống (kể điều kiện đơn trị) Đồng dạng tượng vật lý đồng dạng trường đại lượng tên mô tả cho tượng 6.4 Bức xạ nhiệt 6.4.1 Những khái niệm a Trao đổi nhiệt xạ 59 Trao đổi nhiệt xạ trình trao đổi nhiệt thực sóng điện từ Ta biết vật có nhiệt độ khác khơng độ tuyệt đối, kết trình dao động điện từ phân tử nguyên tử, có khả xạ lượng Các dao động điện từ truyền không gian theo hướng gọi sóng điện từ Các sóng điện từ có chất, khác chiều dài bước sóng Tùy theo bước sóng người ta chia thành tia vũ trụ, tia Rơnghen, tia tử ngoại (tia cực tím), tia sáng, tia hồng ngoại sóng vơ tuyến Trong kỹ thuật nhiệt ta khảo sát tia mà nhiệt độ thường gặp, chúng có hiệu nhiệt cao (nghĩa tia vật hấp thụ biến thành nhiệt) tia gọi tia nhiệt Tia nhiệt bao gồm tia sáng   0,  0,8  m tia hồng ngoại   0,8  400  m Quá trình phát sinh truyền bá tia nhiệt không gian gọi xạ nhiệt, trình trao đổi nhiệt dạng tia nhiệt gọi trao đổi nhiệt xạ Các tia nhiệt truyền không gian, đập vào vật khác chúng bị hấp thụ phần hay toàn để lại biến thành lượng nhiệt Như trình trao đổi nhiệt xạ liên quan đến hai lần chuyển biến lượng: nhiệt (nội năng) biến thành lượng xạ lượng xạ lại biến thành nhiệt Một vật khơng có khả phát lượng xạ mà cịn có khả hấp thụ lượng xạ Khi nhiệt độ vật nhau, trị số lượng xạ trị số lượng hấp thụ, ta nói vật trạng thái cân Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, cường độ trao đổi nhiệt xạ không phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối nhiệt độ vật, nghĩa trình tiến hành nhiệt độ cao vai trị trao đổi nhiệt xạ lớn Ngoài trao đổi nhiệt xạ vật cịn tiến hành chân khơng Hình 6.8: Ví dụ trao đổi nhiệt xạ 60 b Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua Giả sử có dịng xạ Q từ vật thể khác đập tới vật xét phần bị phản xạ QR, phần vật hấp thụ QA phần xuyên qua vật QD (hình 6.7) Hình 6.9: Bức xạ Theo định luật bảo toàn lượng ta có: Q  QA  QR  QD hay 1 QA QR QD   Q Q Q Các tỷ số: QA  A gọi hệ số hấp thụ Q QR  R gọi hệ số phản xạ Q QD  D gọi hệ số xuyên qua Q Ta có: 1 A R D Giá trị A, R, D (thay đổi từ đến 1) phụ thuộc vào chất vật, phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, nhiệt độ trạng thái bề mặt Nếu A   R D=0  , vật gọi vật đen tuyệt đối, nghĩa vật có khả hấp thụ tồn lượng đập tới Nếu R   Avà D=0  , vật gọi vật trắng tuyệt đối, nghĩa vật có khả phản xạ lại tồn lượng đập tới Nếu D   Avà R=0  , vật gọi vật suốt tuyệt đối, nghĩa vật có khả cho tồn lượng đập tới qua Các loại khí có số ngun tử phân tử nhỏ xem vật suốt tuyệt tia nhiệt, D = Các vật rắn chất lỏng cọi D = gọi vật đục Đối với vật đục A + R = 1, nghĩa vật hấp thụ tốt phản xạ tồi ngược lại 61 c Năng suất xạ, suất xạ riêng suất xạ hiệu dụng a) Dòng xạ Dòng xạ tổng lượng xạ phát từ diện tích F vật theo hướng không gian bán cầu đơn vị thời gian ứng với toàn chiều dài bước sóng       Dòng xạ ký hiệu Q, đơn vị đo W Nếu xạ tính tương ứng với khoảng hẹp chiều dài bước sóng từ  đến   d  gọi xạ đơn sắc Với xạ đơn sắc ta có dịng xạ đơn sắc Q b) Năng suất xạ Năng suất xạ lượng xạ phát từ đơn vị diện tích bề mặt theo hướng không gian bán cầu đơn vị thời gian, ứng với toàn chiều dài bước sóng Năng suất xạ ký hiệu E: E dQ ; W / m2 dF c) Cường độ xạ Cường độ xạ suất xạ ứng với khoảng hẹp chiều dài bước sóng Cường độ xạ ký hiệu I  : I  dE ; W / m3 d d) Năng suất xạ riêng Năng suất xạ riêng suất xạ thân vật e) Năng suất xạ hiệu dụng Giả sử vật đục có nhiệt độ T, hệ số hấp thụ A, lượng xạ vật khác đập tới Et (hình…) Khi vật hấp thụ phần AEt, phần phản xạ lại 1  A Et  ER Năng suất xạ hiệu dụng tổng suất xạ riêng suất xạ phản xạ: Ehd  E  1  A Et f) Vật xám Vật xám vật mà I  có dạng giống I  vật đen tuyệt đối: I  / I   const Thực nghiệm cho thấy phần lớn vật coi vật xám 6.4.2 Các định luật xạ nhiệt Định luật Planck Định luật Planck thiết lập mối quan hệ cường độ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ chiều dài bước sóng: C  5 (6.22) I   C1 ; W / m3 Trong đó: e T  I  - cường độ xạ (năng suất xạ đơn sắc) vật đen tuyệt đối C1 = 0,374.10-15; W/m2 62 C2 = 1,4388.10-2; m.0K  - chiều dài bước sóng; m T – nhiệt độ tuyệt đối; 0K Định luật Wien Bước sóng ứng với trị số cực đại I  ký hiệu max Giá trị max tìm từ việc giải phương trình: I      max e C2 maxT  C2 5max 1  maxT  2,988.103 m.0 K Đây định luật Wien Định luật Stefan-Boltzmann (6.23) Năng suất xạ vật đen tuyệt đối tỷ lệ bậc với nhiệt độ tuyệt đối Năng suất xạ vật đen tuyệt đối xác định bằng:  E0   I  d  Thay giá trị I  từ vào, sau lấy tích phân, ta nhận được: E0   0T ; W / m2 (6.24) 8  - số xạ vật đen tuyệt đối;   5, 67.10 W / m K Trong tính tốn kỹ thuật, định luật Stefan-Boltzmann thường viết dạng:  T  E0  C   ; W/m  100  (6.25) C0 – hệ só xạ vật đen tuyệt đối: C0  108   5, 67 W / m2 K Định luật Stefan-Boltzmann dùng cho vật xám Đối với vật xám:  T  E0  C   ; W/m  100  (6.26) C – hệ số xạ vật xám Khi so sánh suất xạ vật xám với suất xạ vật đen tuyệt đối có nhiệt độ, ta có:  E E0 (6.27)  - độ đen vật;    , Giá trị  xác định thực nghiệm;  phụ thuộc vào nhiệt độ trạng thái bề mặt Thay giá trị E E0 từ (6.24 (6.25) vào (6.27), ta được: 63 C C0 Do đó: C   C0  (6.28) Khi định luật Stefan-Boltzmann vật xám có dạng:  T  E   C0   ; W/m 100   (6.29) Định luật Kirchkoff Các vật thể (vật đục) khác nhiệt độ tỷ số suất hệ số hấp thụ suất xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ: Hay: E1 E2    E0 A1 A2 E  E0 A (6.30) So sánh Error! Reference source not found với Error! Reference source not found ta nhận   A , nghĩa mặt trị số, độ đen hệ số hấp thụ 6.4.3 Tính trao đổi nhiệt xạ vật môi trường suốt Trao đổi nhiệt hai bề mặt phẳng, rộng vô hạn đặt song song a Khi khơng có chắn Khi hai bề mặt phẳng, rộng vơ hạn, đặt cách khoảng tất tia lượng phát từ bề mặt đập tới bề mặt ngược lại bề mặt có nhiệt độ T1 hệ số hấp thụ A1, bề mặt có nhiệt độ T2, hệ số hấp thụ A2, giả thiết T1 > T2 (hình…) Hình 6.10: Trao đổi nhiệt xạ Lượng nhiệt trao đổi bề mặt tính bằng: (6.31) q12  Ehd  Ehd Với: Ehd  E1  1  A1  Ehd Ehd  E2  1  A2  Ehd 64 Giải hệ phương trình ta được: Ehd  E1  E2  A1 E2 A1  A2  A1A Ehd  E1  E2  A2 E1 A1  A2  A1A Thay giá trị Ehd1 Ehd2 vào Error! Reference source not found ta có: A2 E1  A1E2 A1  A2  A1 A2 q12   T  E1  1C0    100  Chú ý rằng:  T  E2   C    100  Với   A , ta có: q12  1 Đặt 1  1 2  1 2  T1 4  T2   C0      ; W / m 100 100       (6.32)   qd gọi độ đen quy dẫn hệ, đó: 1  T1   T2 4  q12   qd C0     ; W / m 100 100      b Khi có chắn Giả thiết hai bề mặt ta đặt thêm chắn có độ đen  m , nhiệt độ Tm ta chưa biết Do trình trao đổi nhiệt ổn định chiều, nên: q12  q1m  qm q12   1  T1 4  Tm 4   Tm 4  T2 4  C0   C0         1   100 100 100 100                1  1 1  m m 2 Dựa vào tính chất tỷ lệ thức ta có:  T1 4  Tm 4   Tm   T2 4  C0       C0  100    100        100   100    q12  1 1  1   1 1  m  m 3 Sau rút gọn ta được:  T1 4  T2   C0        100   100   q12  ; W / m2 (6.33) 1  1  1 1  m Chứng minh tương tự trường hợp đặt n chắn có độ đen nhau, ta có: 65  T   T   C0        100   100   q12  ;   1    n   1 1   m  W / m2 (6.34) So sánh Error! Reference source not found Error! Reference source not found., ta thấy trường hợp có đặt chắn lượng nhiệt trao đổi xạ giảm Với giả thiết 1     m , ta có: q12m  q12  n  1 Như lượng nhiệt trao đổi hai bề mặt đặt n chắn nhỏ (n+1) lần lượng nhiệt không đặt chắn 6.5 Truyền nhiệt Truyền nhiệt trường hợp thứ trao đổi nhiệt hỗn hợp thường gặp trình trao đổi nhiệt hai dịch thể có nhiệt độ khác qua vách ngăn Chúng ta gọi dịch thể có nhiệt độ cao dịch thể nóng ngược lại dịch thể có nhiệt độ thấp dịch thể lạnh Như trao đổi nhiệt hỗn hợp trường hợp kết hợp đối lưu dẫn nhiệt, gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt thực sau: Dịch thể nóng thực trao đổi nhiệt cho bề mặt vách ngăn đối lưu đối lưu xạ kết hợp Vách ngăn truyền nhiệt lượng dẫn nhiệt từ bề mặt tiếp xúc với dịch thể nóng đến bề mặt tiếp xúc với dịch thể lạnh Bề mặt vách ngăn tiếp xúc với dịch thể lạnh thực trao đổi nhiệt lượng cho dịch thể lạnh đối lưu đối lưu xạ kết hợp Vách ngăn thực tế vách phẳng, vách trụ vách có cánh Do đó, xét ba trường hợp: truyền nhiệt qua vách phẳng, truyền nhiệt qua vách trụ truyền nhiệt qua vách có cánh 6.5.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng Xét tốn: cho phẳng có chiều dày δ (m) với hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) Một mặt phẳng tiếp xúc với dịch thể nóng có nhiệt độ tf1 không đổi Mặt phẳng tiếp xúc với dịch thể lạnh có nhiệt độ tf2 không đổi Giả sử hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dịch thể nóng với mặt phẳng α1 (W/m2K) mặt phẳng với dịch thể lạnh α2 (W/m2K) biết, tính mật độ dịng nhiệt q(W/m2) truyền từ dịch thể nóng cho dịch thể lạnh qua vách Do định luật bảo toàn lượng nên nhiệt lượng dịch thể nóng truyền cho bề mặt vách nhờ trao đổi nhiệt đối lưu nhiệt lượng dẫn nhiệt từ mặt đến mặt vách cuối nhiệt lượng bề mặt vách truyền cho dịch thể lạnh đối lưu Do đó, gọi tw1 tw2 nhiệt độ hai bề mặt vách viết mật độ dòng nhiệt q sau 66 - Mật độ dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu phía dịch thể nóng: Theo cơng thức Newton ta có: q  1 (t f  tw1 )  t f  t w1 (6.34) 1 - Mật độ dòng nhiệt dẫn nhiệt từ mặt đến mặt vách: Theo công thức ( ) ta có: q (t  t  (t w1  tw 2)  w1 w 2)    (6.35) - Mật độ dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu vách dịch thể lạnh: tương tự theo công thức Newton ( ) trường hợp mật độ dòng nhiệt bằng: q   (t w1  t f 2)  (tw2  t f 2) (6.36) 2 Sử dụng tính chất phân số nhau, tổng tử số với tử số mẫu số với mẫu số đẳng thức (6.34) (6.36) ta thu cơng thức tính mật độ dịng nhiệt q (W/m2K) truyền từ dịch thể nóng cho dịch thể lạnh qua vách lớp q tf1 tf 1     2  tf1 tf R  k (t f  t f ) (6.37) Trong R (m2K/W) nhiệt trở truyền nhiệt vách phẳng lớp R 1     2 (6.38) Giá trị nghịch đảo R gọi hệ số truyền nhiệt k (W/m2K) vách phẳng lớp k 1  R   1 (6.39)  2 67 Trong thực tế vách phẳng nhiều lớp, chẳng hạn n lớp có chiều dày hệ số dẫn nhiệt tương ứng δi λi , (i   n) Chứng minh tương ứng thu mật độ dòng nhiệt q (W/m2K) truyền từ dịch thể nóng có nhiệt độ tf1 khơng đổi cho dịch thể lạnh có nhiệt độ tf2 không đổi qua vách phẳng n lớp q tf1 tf n   i  1 i 1 i   tf1 tf R  k (t f  t f ) (6.40) Ở R (m2K/W) nhiệt trở truyền nhiệt vách phẳng n lớp 6.5.2 Truyền nhiệt qua vách trụ Giả sử có vách trụ có đường kính d2/d1 với hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) Phía có dịch thể nóng chuyển động có nhiệt độ tf1 khơng đổi thực q trình trao đổi nhiệt đối lưu với vách Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trình α1(W/m2K) biết Phía ngồi vách trụ có dịch thể lạnh chuyển động có nhiệt độ tf2 khơng đổi (tf2 < tf1) Mặt vách dịch thể thực trình trao đổi nhiệt đối lưu cho với hệ số α2(W/m2K) biết Hãy xác định mật độ dòng nhiệt trao đổi nhiệt 1m chiều dài vách truyền từ dịch thể nóng sang dịch thể lạnh qua vách trụ Cũng vách phẳng định luật bảo toàn lượng có quan hệ: mật độ dịng nhiệt truyền đối lưu 1m chiều dài q1 (W/m) từ dịch thể nóng cho vách mật độ dịng nhiệt truyền dẫn nhiệt 1m chiều dài từ mặt đến mặt vách, mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài mà mặt vách trao đổi đối lưu cho dịch thể lạnh Do đó, ký hiệu nhiệt độ hai vách tương ứng tw1 tw2 Mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài đối lưu dịch thể nóng vách theo định luật Newton khái niệm mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài q1  ( d1.1)1 (t f  t w1 )  t f  tw1  d11 (6.41) Mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài dẫn nhiệt từ mặt có nhiệt độ tw1 đến mật ngồi có nhiệt độ tw2 ta có: q1  tw1  tw d 1n 2 d1 (6.42) Mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài trao đổi nhiệt đối lưu mặt với dịch thể lạnh tương tự phía dịch thể nóng 68 q1  ( d 1)1 (tw1  tf )  t w  tf 1  d 2 (6.43) Sử dụng tính chất phân số (6.41) đến (6.43) ta dễ dàng thu cơng thức tính mật độ dịng nhiệt 1m chiều dài sau q1  Đặt t f  tf2 1 d  1n   d11 2 d1  d 2 R1  d 1  1n   d11 2 d1  d 2 (6.44) (6.45) R1(mK/W) gọi nhiệt trở truyền nhiệt vách trụ lớp Giá trị nghịch đảo R1 hệ số truyền nhiệt vách trụ lớp k1 (W/mK) k1   R1 d 1  1n   d11 2 d1  d 2 Khi cơng thức có dạng q1  tf1 tf R1  k1 (t f  t f ) (6.46) (6.47) Xét toán truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp Giả sử có vách trụ n lớp với đường kính d1, d2, dn+1 với vật liệu khác có hệ số dẫn nhiệt tương ứng λ1, λ2, λn Bằng phương pháp tương tự rút cơng thức tính mật độ dịng nhiệt truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp, dễ dàng chứng minh mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài vách trụ n lớp q1 (W/m) tính theo công thức (6.47) đố hệ số truyền nhiệt k1(W/mK) k1  (6.48) n d 1  1n i 1   d11 i 1 2i di  d n 1 6.5.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh Trong thiết bị truyền nhiệt người ta làm cánh phía bên dịch thể có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bé Chẳng hạn thiết bị trao đổi nhiệt dịch thể sơi ngưng với khơng khí giàn ngưng thiết bị lạnh, thiết bị đốt nóng khơng khí nhờ nước bão hồ người ta làm cánh phía khơng khí để tăng cường 69 hệ số truyền nhiệt Vì vậy, phần nghiên cứu tốn truyền nhiệt qua vách có cánh, cụ thể vách phẳng có cánh Xét toán truyền nhiệt hai dịch thể qua vách có chiều dày δ (m) vơi phía có cánh hình làm từ vật liệu đồng có hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) Giả sử phía khơng làm cánh có diện tích F1 (m2) có dịch thể với nhiệt độ tf1 không đổi thực trình trao đổi nhiệt đối lưu với hệ số α1 (W/m2K) biết Phía vách làm cánh có diện tích F2 (m2) có dịch thể khác có nhiệt độ tf2 khơng đổi thực trao đổi nhiệt đối lưu với hệ số α2 (W/m2K) biết (tf1 > tf2) Hãy xác định dòng nhiệt truyền qua vách Q(W) Giả sử nhiệt độ hai mặt vách tương ứng tw1 tw2 chưa biết xác định sau xác định dòng nhiệt Q Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu phía khơng làm cánh theo định luật Newton bắng Q  1 F1 (t f  t w1 )  t f  tw1 1 F1 (6.49) Dịng nhiệt dẫn nhiệt qua vách có chiều dày δ, ta có Q t t  F1 (tw1  tw2 )  w1 w2    F1 (6.50) Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu phía làm cánh, theo định luật Newton Q   F2 (tw2  tf2 )  tw2  tf2  F2 (6.51) Tương tự, sử dụng tính chất phân số nhau, cộng tử số với tử số mẫu số với mẫu số (6.49) đến (6.51) ta Q Đặt kc  tf1  tf2 (6.52)    1F1  F1  F2 1    1 F1  F1  F2 (6.53) Kc gọi hệ số truyền nhiệt qua vách có cánh Khi 70 (6.54) Q  kc (t f  tf2 ) Như vậy, dòng nhiệt Q xác định theo (6.54) nhiệt độ hai bề mặt vách tw1 tw2 tính theo cơng thức (6.50) đến (6.52) Khi tw1  t f  Hoặc Q 1.F1 (6.55) tw  t f  Q  F2 (6.56) tw  tw1  Q 1.F1 (6.57) Mật độ dòng nhiệt phía khơng cánh q1 (W/m2) phía có cánh q2 (W/m2) tương ứng q1  Đặt Khi đó: tf1 tf Q  F1    F1 1   F2 kc1  (6.58) Q  F1    F1 1   F2 (6.59) (6.60) q1  kc1 (t f  t f ) tf1 tf Q  F2 (   ) F2  1  F1  q2  Tương tự q2  kc (t f  t f ) Trong kc  (6.61) (6.62) (6.63)  F (  ) 2 1  F1  Tỷ số F2/F1 gọi hệ số làm cánh Dễ dàng thấy nhiệt độ tw1 tw2 tính theos q1 q2 công thức sau: tw1  t f  q1 (6.64) 1 71 tw  t f  Hoặc tw  tw1  q2 (6.65) 2 q1 (6.66)  Mục đích làm cánh tăng cường truyền nhiệt dịch thể nóng dịch thể lạnh qua vách ngăn Do đó, để thấy rõ hiệu làm cánh so sánh hai mật độ dịng nhiệt khơng làm cánh q có làm cánh q1 Nói cách khác, so sánh hai cơng thức (6.37) với (6.58) Có thể thấy, với độ chênh lệch nhiệt độ (tf1 – tf2) nhau, mật độ dòng nhiệt lớn hệ số truyền nhiệt lớn Khi không làm cánh, hệ số truyền nhiệt k k (6.67)    1   Khi phía có làm cánh hệ số truyền nhiệt kc1  (6.68)  F1   1   F2 Rõ ràng, làm cánh tỷ số F1/F2 k Vì vậy, độ chênh nhiệt độ (tf1 – tf2) mật độ dịng nhiệt bên làm cánh q1 lớn độ dòng nhiệt không làm cánh q, hay q1 > q 72 ... học kiến thức chu trình nhiệt động máy lạnh, loại động nhiệt khả truyền nhiệt Để cung cấp cho sinh viên tài liệu học tập, nghiên cứu biên soạn giáo trình ? ?Kỹ thuật nhiệt? ??, giáo trình sử dụng làm... áp với nhiệt dung riêng C p , phương trình trình : p  const - Khi n  trình đẳng nhiệt với nhiệt dung riêng CT   , phương trình trình: pv  const - Khi n  k trình đoạn nhiệt với nhiệt dung... q trình đẳng nhiệt (vì ta có k  ) 3.4 Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt q trình xảy khơng có trao đổi nhiệt hệ (mơi chất) môi trường: q  0; dq  30 Hình 3.4 Quá trình đoạn nhiệt Nhiệt