Cach nhiet va tang cuong nhiet

Chương III Sunday, November 23, 2008 CÁCH NHIỆT TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT A CÁCH NHIỆT I CÁC VẤN ĐỀ CHUNG Phạm vi cách nhiệt  Cách nhiệt để cản trở dòng nhiệt từ hệ thống môi trường bên Trường hợp hệ thống có nhiệt độ lớn nhiệt độ môi trường ví dụ: đường ống dẫn hơi, dẫn nước nóng, vách buồng lửa, …  Nhiệm vụ chọn bề dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt mức độ hợp lý  Khi hệ thống có nhiệt độ thấp nhiệt độ môi trường, ta phải cách nhiệt để cản trở xâm nhập dòng nhiệt bên vào hệ thống ví dụ: kho lạnh cấp trữ đông, nhiệt độ dao động  20  35o C, đường ống dẫn nước lạnh hay không khí lạnh, …  Trong trường hợp nhiệm vụ cách nhiệt, chiều dày lớp cách nhiệt phải đủ dày để đảm bảo không bị đọng sương bề mặt cách nhiệt Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Xác định chiều dày lớp cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Vật liệu chiều dày lớp cách nhiệt lựa chọn sở tối ưu kinh tế Cơ sở ban đầu để xác định chiều dày cách nhiệt dựa vào hệ số truyền nhiệt tối ưu đề nghị khoảng nhiệt độ Kiểm tra đọng sương vách phía có nhiệt độ không khí cao trường hợp cách nhiệt hệ thống lạnh Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt II TRƯỜNG HP VÁCH PHẲNG Hệ số truyền nhiệt tối ưu chọn theo tài liệu chuyên ngành Chiều dày cách nhiệt chọn theo công thức sau    i    'CN   CN       K    F ng i tr    (3-1) Trong ’CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m CN Hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt, W /(m.K) ng, tr Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W /(m K) Vật liệu cách nhiệt thực tế có chiều dày tiêu chuẩn, xác định lại hệ số truyền nhiệt gần với giá trị chọn KF    1  CN   i   ng  CN  i  tr (3-2) Trong trường hợp vách kho lạnh chiều dày lớp cách nhiệt phải đảm bảo điều kiện nhiệt độ vách phía không khí nóng không bị đọng sương t w  t đs (3-3) Điều kiện xác định theo biểu thức sau K F  0,95   ng  Nguyễn toàn phong Page of 30 t ng  t ñs t ng  t tr (3-4) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trong tng, ttr Nhiệt độ lưu chất phía vách nóng vách lạnh tđs Nhiệt độ đọng sương không khí phía vách nóng Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt III TRƯỜNG HP VÁCH TRỤ Việc cách nhiệt vách trụ cần lưu ý Biểu thức xác định nhiệt lượng t1  t f t1  t f q  1 R  R  ln r2 r1   2     r2   Nhận xét: chiều dày cách nhiệt tăng  Nhiệt trở dẫn nhiệt tăng   dòng nhiệt có xu hướng giảm  Nhiệt trở đối lưu giảm  dòng nhiệt có xu hướng tăng Có giới hạn chiều dày lớp cách nhiệt biểu diễn đồ thị sau Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt có bán kính giới hạn rth   CN  (3-5) Nhận xét: Khi bán kính lớp cách nhiệt nhỏ rth việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt làm tăng tổn thất nhiệt Việc cách nhiệt có tác dụng bán kính ống lớn bán kính tới hạn rth Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Thực tế ta thường gặp trường hợp r1  rth Dùng biểu thức sau để xác định chiều dày cách nhiệt trường hợp ống dẫn tác nhân lạnh, nước lạnh, … 0,95  t ng  t ñs t ng  t tr  1  CN   ng  D CN   CN  ln D CN d ng D CN  d ng (3-6) (3-7) Trong 0,95 Hệ số dự trữ ng hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía không khí, W /(m K) CN Hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt, W /(m.K) tng Nhiệt độ không khí bên ttr Nhiệt độ lưu chất chuyển động ống tđs Nhiệt độ đọng sương không khí bên CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m dng Đường kính ống dẫn, m DCN Đường kính lớp cách nhiệt, m Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt B TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT Dòng nhiệt đối lưu: Nhiệt lượng truyền từ bề mặt có nhiệt độ tw đến môi trường lưu chất xung quanh có nhiệt độ tf xác định phương trình theo định luật Newton: Q     F  t w  t f  (3-8) Để tăng cường Qα, trường hợp tăng α t  t w  t f  lại biện pháp tăng diện tích truyền nhiệt cách gắn thêm cánh bề mặt tỏa nhiệt Trường hợp trao đổi nhiệt hai lưu chất qua bề mặt vách, cánh thường gắn phía lưu chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α nhỏ hơn, ví dụ; không khí, khói Nguyễn toàn phong Page of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 10 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường hợp dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ñænh Khi x     g d x  L        dx    L  L xL  U m     Ac  n      A c  m  U Đặt Phương trình trường nhiệt độ có dạng:   g chm  L  x   n  shm  L  x  chm  L   n  shm  L  (3-14) Nhiệt lượng truyền qua (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q    A c  m  g  Nguyễn toàn phong Page 16 of 30 n  thm  L   n  thm  L  (3-15) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường hợp dài hữu hạn tỏa nhiệt đỉnh Khi x     g d x  L     dx  0 xL Phương trình trường nhiệt độ có dạng:   g  chm  L  x  chm  L  (3-16) Nhieät lượng truyền qua (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q    A c  m  g  thm  L  (3-17) Trường hợp dài vô hạn Khi x     g x  0 Phương trình trường nhiệt độ có dạng:   g  e  mx (3-18) Nhiệt lượng truyền qua (bằng nhiệt lượng dẫn qua goác thanh): Q     A c  m  g Nguyễn toàn phong Page 17 of 30 (3-19) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Hình sau thể thay đổi nhiệt độ dọc theo ước lượng lượng nhiệt trao đổi Với diễn tả hình bên trên, thực tế ta gặp trường hợp , thường gặp trường hợp  Như thực tế thường gặp trường hợp , sử dụng công thức trường hợp  đơn giãn Nguyễn toàn phong Page 18 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Phần nhiệt lượng bỏ qua hiệu chỉnh lại biểu thị hình sau Lc  L  Nguyễn toàn phong Page 19 of 30 Ac U (3-20) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt III DẪN NHIỆT QUA CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Hình bên biểu diễn cánh dạng Để tính toán đơn giản, ta thường sử dụng công thức trường hợp  Nguyễn toàn phong Page 20 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường nhiệt độ phân bố caùnh   g  chm  L  x  chm  L  (3-21) Nhiệt độ đỉnh caùnh ( x  L     L ) L  g  chm  L  (3-22) Do cánh thẳng mỏng, nên: A c    W U 2 U m         Ac  Ac  U  W Nhiệt lượng dẫn qua cánh tính: Q    A c  m  g  thm  L  (3-23) Lưu ý: Trong thực tế có tỏa nhiệt đỉnh cánh (không đáng kể so với phần tỏa nhiệt xung quanh), để bù lượng nhiệt tỏa đỉnh ta tăng chiều dài cánh thêm 1/2 chiều dày, tức chiều dài tính toán cánh: Lc  L  Nguyễn toàn phong Page 21 of 30  (3-24) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt IV CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN HÌNH TAM GIÁC HOẶC HÌNH THANG Hình dạng thông số cánh cho hình Nguyễn toàn phong Page 22 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường nhiệt độ cánh có dạng   g  I o S  K1 S2   I1 S2   K o S I o S1   K1 S2   I1 S2   K o S1  với S   z z  (3-26)   x x    tg  tg Trường hợp sử dụng điều kiện bỏ qua tỏa nhiệt đỉnh cánh x  x    g x  x    2 d dx 0 xx2 Nhiệt lượng truyền qua cánh: Q với    g  1  L c z1  tg  (3-27) I1 S1   K1 S2   I1 S2   K1 S1  I o S1   K1 S2   I1 S2   K o S1  Trong Io Hàm biến điệu Bessels cấp không loại Ko Hàm biến điệu Bessels cấp không loại hai I1 Hàm biến điệu Bessels cấp loại K1 Hàm biến điệu Bessels cấp loại hai Nguyễn toàn phong Page 23 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt V CÁNH TRÒN CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Trường nhiệt độ cánh có dạng:   g  I o S  K1 S2   I1 S2   K o S I o S1   K1 S2   I1 S2   K o S1  (3-28) S  mr với (3-29) 2 m  Trường hợp sử dụng điều kiện bỏ qua tỏa nhiệt đỉnh cánh r  r1    g r  r2    2 vaø d dr 0 r  r2 Q        g  m.r1     Nguyễn toàn phong I1 S2   K1 S1   I1 S1   K1 S2  I o S1   K1 S2   I1 S2   K o S1  Page 24 of 30 (3-30) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt VI HIỆU SUẤT CỦA CÁNH Hiệu suất cánh tính theo định nghóa sau Nhiệt lượng thực truyền qua cánh c   Nhiệt lượng truyền qua cánh lý tưởng có     nhiệt độ toàn bề mặt nhiệt độ gốc cánh  Biểu thức tương ứng c  Qc Qclt Qclt  Fc    g (3-31) (3-32) Fc Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cánh g  t g  t f Nhiệt độ thừa gốc cánh Nếu biết hiệu suất cánh ta tính nhiệt lượng truyền qua cánh: Q c  c  Q clt  c  Fc     g Nguyễn toàn phong Page 25 of 30 (3-33) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường hợp cánh thẳng có tiết diện không đổi Vì nhiệt lượng truyền qua đỉnh cánh không đáng kể nên ta thường lấy trường hợp đơn giản bỏ qua tỏa nhiệt đỉnh (có thể bù đắp cách tăng chiều cao thêm chiều dày đỉnh) Q clt  U  L c    g  Q c  g  U      A c  th(m.L c ) th(m.L c ) (3-34)  c   f m.L c  m.L c Thông thường quan hệ hiệu suất c (m.Lc) cho dạng đồ thị để dễ dàng tính toán Nếu cánh mỏng: 12 12  2   2  m.L c     Lc     L3c     L 12  2  32   L c      f p   (3-35) fp  L   Tiết diện cắt ngang cánh dọc trục Lưu ý chiều dài hiệu cánh hiệu suất caùnh Q c   A c  m  g  thm  L c    thm  L c  (3-36) Q   A c  m  g mL 0,1 0,2 0,5 1,5 2,5 Q c Q  0,10 ,197 ,462 ,762 ,905 ,964 ,987 ,995 ,999 1,00 c , % 99,7 98,7 92,4 76,1 60,3 48,2 39,5 33,2 25 Nguyễn toàn phong Page 26 of 30 20 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trường hợp cánh có tiết diện khác Trong trường hợp lại ta có đồ thị tương ứng để tra hiệu suất cánh L3c   (  fp ) 12 Với Nguyễn toàn phong L  t cánh thẳng Lc   L   2 cánh  hình thang  t  L c cánh thẳng   fp       L c caùnh  hình thang   Page 27 of 30 (3-36) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trong trường hợp cánh tròn hiệu suất phụ thuộc vào tỷ số đường kính đỉnh cánh chân cánh L3c   (  fp ) 12 Với Nguyễn toàn phong Lc  L  t r2 c  r1  L c fp  t  L c Page 28 of 30 (3-37) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt VII HIỆU QUẢ LÀM CÁNH c  Nguyễn toàn phong Q c c  Fc     t w  t f  Fc   c  Qo A b    t w  t f  Ab Page 29 of 30 (3-38) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt VIII HIỆU QUẢ TRUNG BÌNH BỀ MẶT LÀM CÁNH Nhiệt lượng truyền từ bề mặt làm cánh đến môi trường xung quanh gồm có hai phần:  Nhiệt lượng truyền qua cánh: Qc  Nhiệt lượng truyền qua bề mặt hai cánh: Qoc Phần bề mặt cánh Foc có nhiệt độ tg nên xem hiệu suất bề mặt 100% Phần có làm cánh, hiệu suất c Hiệu suất trung bình bề mặt làm cánh xét sau: t  F  F  Fc   c  Fc  Foc  c  Fc Hay Nguyễn toàn phong t   Page 30 of 30 Fc  1  c  F (3-39) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt