Tổng hợp công thức kỹ thuật nhiệt

Tổng hợp tài liệu kỹ thuật nhiệt Tổng hợp công thức môn kỹ thuật nhiệt Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật nhiệt

MÔN KỸ THUẬT NHIỆT

Chương 7: Trao đổi nhiệt đối lưu

Chương 8: Trao đối nhiệt bức xạ

Thông số trạng thái Thông số năng lượng

- Khối lượng riêng:𝜌 = 𝐺

thì ta có hỗn hợp bình hòa trộn với nhau

Các công thức sau hòa trộn

Nhiệt độ sau hòa trộn

2 hoặc nhiều dòng môi chất gặp nhau và được hòa trộn Lúc đó ta có hỗn hợp theo dòng

Các công thức sau hòa trộn

Nhiệt độ sau hòa trộn

Lưu lượng thể tích sau hòa trộn có thể xác định theo công thức khí lý tưởng

Nhiệt độ sau hòa trộn

Áp suất sau hòa trộn xác định theo công thức khí lý tưởng

𝑝𝑉 = 𝐺𝑅𝑇

h

2

5 4

Trạng thái

1: Lỏng chưa sôi 2: Lỏng sôi (lỏng bão hòa) 3: Hơi bao hòa ẩm

4: Hơi bão hòa khô 5: Hơi quá nhiệt

Kí hiệu

Lỏng bão hòa : x=0

Hơi bão hòa khô : x=1

- Bảng 3: Nước và hơi nước bão hòa (theo nhiệt độ) - bảng 1 thông số

- Bảng 4: Nước và hơi nước bão hòa (theo áp suất) – bảng 1 thông số

Vùng lỏng

chưa sôi Vùng hơi bão hòa ẩm Vùng hơi quá nhiệt

1

CÁC QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ THỰCHỗn hợp theo thể tích đã cho Hỗn hợp theo dòng Hỗn hợp nạp và thể tích cho trước

Cân bằng năng lượng

Cân bằng khối lượng

Cân bằng năng lượng

Cân bằng năng lượng

𝑈 = 𝑚𝑖 𝑢𝑖 + ෍

𝑖=1 𝑛

𝑚𝑖ℎ𝑖

Không khí ẩm Không khí khô

N2

O2

H2O

Không khí ẩm = Hơi nước (H2O) + Không khí khô (N2,O2)

Không khí ẩm cũng có thể được coi là khí lý tưởng

PHÂN LOẠI KHÔNG KHÍ ẨM

(dựa trên trạng thái hơi nước có trong không khí)

Không khí ẩm chưa bão hòa: Khi hơi nước trong không khí ẩm

ở trạng thái hơi quá nhiệt (điểm A) Không khí ẩm chưa bão hòa

có thể nhận thêm hơi nước

Không khí ẩm bão hòa: Khi hơi nước trong không khí ẩm ở

trạng thái hơi bão hòa (điểm B) Không khí ẩm bão hòa không

thể nhận thêm hơi nước

Không khí ẩm quá bão hòa: Khi hơi nước trong không khí ẩm

ở trạng thái hơi bão hòa ẩm (điểm D) Không khí ẩm quá bão

hòa sẽ không bền vững và có xu hướng quay trở lại không khí

ẩm bão hòa

Cách để đưa không khí ẩm chưa bão hòa về không khí ẩm bão hòa

Cách 1: Giữ nguyên nhiệt độ, phun thêm ẩm, phân áp suất tăng từ ph lên phbh tương ứng nhiệt độ t Quá trình AB

Cách 2: Giảm nhiệt độ, giữ nguyên ph, cho đến khi t phù hợp với ph thì dừng Quá trình AC

Độ ẩm tuyệt đối: Khối lượng hơi nước có trong 1m 3 không khí ẩm được gọi là độ ẩm tuyệt đối

𝜌ℎ = 𝑚ℎ

𝑉

𝐾𝑔

𝑚3

Độ ẩm tương đối: Là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm (ρh) và độ ẩm tuyệt đối của

không khí ẩm bão hòa có cùng nhiệt độ (ρhbh) Đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước của

Đường đẳng thể tích riêng là đườngmàu xanh lá cây hướng chéo xuống

Nhiệt độ bầu ướt: là nhiệt độ khi lượng hơi nước trong không khí ẩm là bão hòaTra tại đường độ ẩm tương đối = 100%

Đường đẳng độ chứa hơi là đường thẳng vuông góc với trục hoành

Đường đẳng enthalpy là các đường màu đen chéo xuống

Đường đẳng độ ẩm tương đối là các đường cong màu xanh đậm

Đường đẳng nhiệt độ là các đường thẳng màu

đỏ gần như nằm ngang

Nhiệt độ bầu ướt được ghi cùng giá trị enthalpy

Đồ thị I-d

Quá trình gia nhiệt

m1,d1,t1,i1,φ1 Q m2,d2,t2,i2,φ2

Đặc điểm:

• Lượng hơi nước trong khí không thay đổi (d = const)

• Nhiệt độ, Enthalpy của không khí tăng

• Độ ẩm tương đối giảm

• Nhiệt lượng q = i2 – i1 (kJ/kg kkk)

• Ngược lại quá trình gia nhiệt

• Nhiệt độ, enthalpy giảm

• Độ ẩm tương đối tăng

• Nhiệt lượng lấy đi

q = i1- i2 (kJ/kg kkk)

Nhiệt độ dàn lạnh nhỏ nhiệt độ đọng sương

Đặc điểm:

• Nhiệt độ, enthalpy giảm

• Độ ẩm tương đối tang

• Có nước tách ra từ dàn

Δd = d1– d2 (kg /kg kkk)

• Nhiệt lượng lấy đi

q = i1- i2 (kJ/kg kkk)

Quá trình tăng ẩm đoạn nhiệt

m1,d1,t1,i1,φ1 m2,d2,t2,i2,φ2

Đặc điểm:

• Cách nhiệt môi trường bên ngoài

• Nhiệt độ bay hơi nước được lấy từ chính không khí → nhiệt độ không khí giảm

• Độ ẩm tương đối tăng

• Enthalpy không đổi

• Lượng hơi nước thêm vào Δd = d2 – d1 (kg/kg kkk)

CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KHÔNG KHÍ ẨM

Quá trình sấy

Quá trình sấy gồm 2 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Không khí được cấp nhiệt giảm độ ẩm tương đối

• Giai đoạn 2: Không khí sau khi được làm khô sẽ được đưa vào buồng sấy

Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy 𝑞12 = 𝑖2 − 𝑖1 𝑘𝐽

NÉN ĐẲNG NHIỆT NÉN ĐOẠN NHIỆT NÉN ĐA BIẾN

− 1

𝐿𝑚𝑛 = 𝑛

𝑛 − 1𝐺𝑅 𝑇1 − 𝑇2

Nhược điểm của máy nén 1 cấp là tỷ số nén hạn chế , nhiệt độ cuối tầm nén cao

4 – b : quá trình đẩy khí vào bình chứa

Do cuối quá trình nén nhiệt độ khí cao

Làm mát trung gian sử dụng không khí môi trường để làm mát

T3 = T1

p2 không quá cao so với p1

Đối với máy có m cấp và tỷ số nén của các cấp là như nhau

phần này sẽ chỉ nghiên cứu quá trình lưu động đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường)

Phân loại các loại ống lưu động

Ống tăng tốc Ống tăng áp

Tốc độ sau khi qua ống được tăng lên nhưng áp suất giảm đi

Áp suất sau đi ra khỏi ống tăng lên nhưng vận tốc giảm đi 𝛽 = 𝑝2

𝑝1

Khi vận tốc khí hoặc hơi trong ống ω = a → Dòng môi chất đạt vận tốc tới hạn hay trạng thái tới hạn

Tốc độ tại miệng ra (cửa ra)

Khí vào được coi là khí lý tưởng 𝜔2 =

𝜔𝑘 = 2 𝑖1 − 𝑖𝑘 𝑚

𝑠LƯU LƯỢNG

Nếu tỷ số β < βk : Quá trình lưu động đạt tới trạng thái tới hạn 𝜔2 = 𝜔𝑘 𝐺 = 𝐺𝑚𝑎𝑥

Nếu tỷ số β > βk : Quá trình lưu động chưa đạt tới trạng thái tới hạn ω2 theo công thức và G theo công thức

CHU TRÌNH CACNO THUẬN CHIỀU

Nhiệt trao đổi ở nguồn nóng: 𝒒𝑯 = 𝑞𝐴𝐵 = 𝑻𝑯 (𝒔𝑩 − 𝒔𝑨)

Nhiệt trao đổi ở nguồn lạnh: 𝒒𝑪 = 𝑞𝐶𝐷 = 𝑇𝑐 𝑠𝐷 − 𝑠𝐶 = −𝑻𝑪 (𝒔𝑪 − 𝒔𝑫)

𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 (𝑠𝐵 − 𝑠𝐴)

𝑇 (𝑠 − 𝑠 ) =

𝑻𝑯 − 𝑻𝑪𝑻

Các quá trình

B-A: Thải nhiệt đẳng nhiệt ra nguồn nóngC-B: Nén đoạn nhiệt – Nhận công

D-C: Nhận nhiệt đẳng nhiệt từ nguồn lạnh

A-D: Giãn nở đoạn nhiệt

Công thức tính toán

Nhiệt trao đổi ở nguồn nóng: 𝒒𝑯 = 𝑞𝐵𝐴 = 𝑻𝑯 𝒔𝑨 − 𝒔𝑩 = −𝑻𝑯 (𝒔𝑩 − 𝒔𝑨)

Nhiệt trao đổi ở nguồn lạnh: 𝒒𝑪 = 𝑞𝐷𝐶 = 𝑇𝑐 𝑠𝐶 − 𝑠𝐷

Các quá trình: 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt ( s = const)

2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích (v = const)3-4: Quá trình giãn nở sinh công (s = const)4-1: Quá trình thải nhiệt đẳng tích (v = const)

Các đại lượng

Tỷ số nén 𝜀 = 𝑣1

𝑝2Nhiệt cấp 𝑞𝑖𝑛 = 𝑞23 = 𝑐𝑣 (𝑇3 − 𝑇2)

Nhiệt thải |𝑞𝑜𝑢𝑡| = |𝑞41| = 𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1)

Công thực hiện 𝑙 = 𝑞𝑖𝑛 − |𝑞𝑜𝑢𝑡|

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt ( s = const) 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp (p = const)3-4: Quá trình giãn nở sinh công (s = const)4-1: Quá trình thải nhiệt đẳng tích (v = const)

Tỷ số nén 𝜀 = 𝑣1

𝑣2

Hệ số giãn nở sớm 𝜌 = 𝑣3

𝑣2Nhiệt cấp 𝑞𝑖𝑛 = 𝑞23 = 𝑐𝑝 (𝑇3 − 𝑇2)

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt ( s = const) 2-3’: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích (v = const)

3’’-4: Quá trình giãn nở sinh công (s = const)4-1: Quá trình thải nhiệt đẳng tích (v = const)3’-3’’: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp (p = const)

Nhiệt thải |𝑞𝑜𝑢𝑡| = |𝑞41| = 𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1)

Công thực hiện 𝑙 = 𝑞𝑖𝑛 − |𝑞𝑜𝑢𝑡|

Các quá trình:

Các đại lượng

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt ( s = const)

3-4: Quá trình giãn nở sinh công (s = const) 4-1: Quá trình thải nhiệt đẳng áp (p = const) 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp (p = const)

|𝑞𝑜𝑢𝑡| = |𝑞41| = 𝑐𝑝 (𝑇4 − 𝑇1) Nhiệt thải

Các quá trình trong chu trình

1 – 2 : Quá trình nhận công đẳng entropy (s1 = s2)

2 – 3 : Quá trình nhận nhiệt đẳng áp khi qua lò hơi (p2 = p3)

3 – 4 : Quá trình sinh công đẳng entropy khi qua tuabin (s3 = s4)

4 – 1 : Quá trình thải nhiệt đẳng áp khi qua bình ngưng (p4 = p1)

Do công bơm thường nhỏ hơn rất nhiều so với công của tuabin nên bỏ qua công bơm ➔ h1 = h2

Lượng nhiệt nhận ở lò hơi 𝑄23 = 𝐺 ℎ3 − ℎ2Lượng thải ra ở bình ngưng 𝑄41 = 𝐺 ℎ4 − ℎ1

Hiệu suất của chu trình 𝜂 = 𝐿𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑛

Các quá trình trong chu trình

1 – 2 : Quá trình nhận công đẳng entropy (s1 = s2)

2 – 3 : Quá trình thải nhiệt đẳng áp khi qua dàn ngưng tụ (p2 = p3)

3 – 4 : Quá trình đẳng enthalpy khi qua van tiết lưu (h3 = h4)

4 – 1 : Quá trình nhận nhiệt đẳng áp khi qua dàn bay hơi (p4 = p1)Lượng nhiệt nhận ở dàn bay hơi

𝑄23 = 𝐺 ℎ3 − ℎ2Lượng thải ra ở dàn ngưng tụ

• Các mặt đẳng nhiệt vuông góc với trục x

• Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao xuống thấp

• Hệ số dẫn là hằng số

Mật độ dòng nhiệtR

𝑞 = 𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2

𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2

𝛿 𝜆

Dẫn nhiệt qua vách trụ 1 lớp

Nhận xét:

• Vách trụ có chiều dài l, bán kính trong r1 và ngoài r2

• Các mặt đẳng nhiệt vuông góc với trục x

• Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao xuống thấp

2 𝜋 𝜆 𝑙𝑛

𝑟2

𝑟1

𝑊 𝑚

Trường nhiệt độ theo bán kính 𝑡 = 𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2

Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp

Mật độ dòng nhiệt theo chiều dài qua vách trụ 1:

Mật độ dòng nhiệt theo chiều dài qua vách trụ 2:

Mật độ dòng nhiệt tổng qua vách

𝑞𝑙 = Δ𝑡

𝑅1 + 𝑅2 =

𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤31

Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn

Công thức tiêu chuẩn

Bề mặt nóng quay lên trên thì α tăng 30%

Bề mặt nóng quay lên xuống thì α tăng 30%

tf

tw

d

δỐng nằm ngang: d

Kích thước xác định là đường kính trong của ống

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong ống

𝑁𝑢𝑓 = 0,018 𝑅𝑒𝑓0.8 𝜀𝑙 𝜀𝑅

𝜀𝑅 Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ cong ống tới hệ số tỏa nhiệt

𝜀𝑅 = 1 + 1,77 𝑑

𝑅

𝜀𝑙 Hệ số hiệu chỉnh theo chiều dài ống

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong ống

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua ống

Chảy ngang qua 1 ống

Với không khí 𝑁𝑢𝑓 = 0,216 𝑅𝑒𝑓0.6 𝜀𝜑

Kích thước xác định là đường kính ngoài của ống

εϕ- hệ số hiệu chỉnh góc của dòng chảy ( Tra đồ thị bên cạnh )

Chảy ngang qua chùm ống

𝑁𝑢𝑓 = 0,41 𝑅𝑒𝑓0,6 𝑃𝑟𝑓0,33 𝑃𝑟𝑓

𝑃𝑟𝑤

0,25

𝜀𝑠 𝜀𝜑Với không khí 𝑁𝑢𝑓 = 0,37 𝑅𝑒𝑓0,6 𝜀𝑠 𝜀𝜑

Phương trình tiêu chuẩn tính cho hàng ống thứ 3 trở đi 10 3 < Re f <10 5

Hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của bước ống εs 𝜀𝑆 = 𝑠2

𝜀𝑆 = 1,12

Tốc độ là tốc độ qua tiết diện hẹp nhất của chùm ống

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua ống

Xác định hệ số tỏa nhiệt trung bình của cả chùm ống

Chảy ngang qua chùm ống

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua ống

Định luật Stefan – Boltzman

Vật đen tuyệt đối (A=1) 𝐸𝑜 = 𝜎𝑜 𝑇4 = 𝐶𝑜 𝑇

Trong đó: σo = 5,67.10-8 ( W/m2K4) – hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

Co = 5,67 (W/m2K4) – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

Độ đen quy dẫn

Độ đen quy dẫn

Vật 1 có diện tích F1Vật 2 có diện tích F2

Lượng nhiệt trao đổi bức xạ giữa vật 1 và vật 2

𝑄12 = 𝜀𝑞𝑑 𝜎0 𝐹1 𝑇14 − 𝑇24 = 𝜀𝑞𝑑 𝐶𝑜 𝐹1 𝑇1

100

4

− 𝑇2100

Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng

Truyền nhiệt qua vách trụ

Hệ số truyền nhiệt

Truyền nhiệt qua vách có cánh

𝑞1 = 𝑄

𝐹1 =

𝑡𝑓1 − 𝑡𝑓21

Mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh

Mật độ dòng nhiệt phía làm cánh

Hệ số làm cánh 𝜀 = 𝐹2

𝐹1

G1,G2 – lưu lượng lưu chất nóng và lưu chất lạnh (kg/s)

Q nhiệt lượng trao đổi giữa hai môi trường – thiết bị [W]

F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt [m2]

k hệ số truyền nhiệt [W/m2K]

∆t độ chênh nhiệt độ trung bình (oC)

Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp [J/kgK]

t’1 , t’’1 – Nhiệt độ của lưu chất nóng ở đầu vào và đầu ra (oC)

t’2 , t’’2 – Nhiệt độ của lưu chất lạnh ở đầu vào và đầu ra (oC)

i1’,i1’’ - enthalpy của lưu chất nóng vào và ra (kJ/kg)

i2’,i2’’ – enthalpy của lưu chất lạnh vào và ra (kJ/kg)

Nhiệt lượng Q

Nhiệt của lưu chất nóng tỏa ra

Nhiệt của lưu chất lạnh tỏa ra

𝑄1 = 𝐺1𝐶𝑝1 𝑡1′ − 𝑡1′′ = 𝐺1 𝑖1′ − 𝑖1′′

𝑄2 = 𝐺2𝐶𝑝2 𝑡2′′ − 𝑡2′ = 𝐺2 𝑖2′′ − 𝑖2′

Nhiệt độ ra của chất tải nóng

Nhiệt độ ra của chất tải lạnh

Nếu có biến đổi pha thì nhiệt độ của lưu chất biến đổi pha luôn không đổi và bằng

nhiệt độ sôi tại áp suất xác định

Nhiệt lượng trao đổi