Truyền nhiệt CIII Cách nhiệt và tăng cường truyền nhiệt

Nguyễn toàn phong Page 1 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Chương III Friday, September 17, 2010 CÁCH NHIỆT và TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT A. CÁCH NHIỆT I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1. Phạm vi cách nhiệt • Cách nhiệt để cản trở dòng nhiệt từ hệ thống ra môi trường bên ngoài. Trường hợp này hệ thống có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi trường ví du ï: đường ống dẫn hơi, dẫn nước nóng, vách buồng lửa, … ⇒ Nhiệm vụ là chọn bề dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt ở mức độ hợp lý. • Khi hệ thống có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường, thì ta phải cách nhiệt để cản trở sự xâm nhập của dòng nhiệt bên ngoài vào hệ thống ví dụ : các kho lạnh cấp trữ đông, nhiệt độ dao động ( ) C3520 o −÷− , các đường ống dẫn nước lạnh hay không khí lạnh, … ⇒ Trong trường hợp này ngoài nhiệm vụ cách nhiệt, thì chiều dày lớp cách nhiệt phải đủ dày để đảm bảo không bò đọng sương trên bề mặt cách nhiệt. Nguyễn toàn phong Page 2 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 3 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt 2. Xác đònh chiều dày lớp cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Vật liệu và chiều dày lớp cách nhiệt được lựa chọn trên cơ sở tối ưu về kinh tế Cơ sở ban đầu để xác đònh chiều dày cách nhiệt là dựa vào hệ số truyền nhiệt tối ưu được đề nghò ở từng khoảng nhiệt độ. Kiểm tra đọng sương ở vách phía có nhiệt độ không khí cao hơn trong trường hợp cách nhiệt hệ thống lạnh. Nguyễn toàn phong Page 4 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               α + λ δ + α −⋅λ=δ ∑ tri i ngF CNCN 11 K 1 ' (3-1) Trong đó δ’ CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m λ CN Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, )K.m/(W α ng , α tr Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, )K.m/(W 2 Vật liệu cách nhiệt trong thực tế có chiều dày tiêu chuẩn, xác đònh lại hệ số truyền nhiệt gần với giá trò đã chọn ở trên tri i CN CN ng F 11 1 K α + λ δ + λ δ + α = ∑ (3-2) Trong trường hợp vách kho lạnh thì chiều dày lớp cách nhiệt phải đảm bảo điều kiện nhiệt độ vách phía không khí nóng không bò đọng sương đsw tt > (3-3) Điều kiện trên có thể xác đònh theo biểu thức sau trng đsng ngF tt tt 95,0K − − ⋅α⋅≤ (3-4) Nguyễn toàn phong Page 5 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Trong đó t ng , t tr Nhiệt độ lưu chất phía vách nóng và vách lạnh t đs Nhiệt độ đọng sương của không khí phía vách nóng Nguyễn toàn phong Page 6 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 đònh nhiệt lượng ( ) α⋅⋅π +⋅ λ⋅π − = + − = αλ 2 12 f1f1 r2 1 rrln 2 1 tt RR tt q Nhận xét: khi chiều dày cách nhiệt tăng thì • Nhiệt trở dẫn nhiệt tăng → dòng nhiệt có xu hướng giảm • Nhiệt trở do đối lưu giảm → dòng nhiệt có xu hướng tăng Có một giới hạn về chiều dày lớp cách nhiệt biểu diễn như đồ thò sau Nguyễn toàn phong Page 7 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt đây có bán kính giới hạn α λ = CN th r (3-5) Nhận xét: Khi bán kính của lớp cách nhiệt nhỏ hơn r th thì việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt làm tăng tổn thất nhiệt Việc cách nhiệt chỉ có tác dụng khi bán kính ống lớn hơn bán kính tới hạn r th . Nguyễn toàn phong Page 8 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Thực tế ta thường gặp trường hợp th1 rr > . Dùng biểu thức sau để xác đònh chiều dày cách nhiệt trong trường hợp ống dẫn tác nhân lạnh, nước lạnh, … ng CN CN CNng trng đsng d D ln 2 D 1 1 tt tt 95,0 ⋅ λ⋅ ⋅α + = − − ⋅ (3-6) 2 dD ngCN CN − =δ (3-7) Trong đó 0,95 Hệ số dự trữ α ng hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí, )K.m/(W 2 λ CN Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, )K.m/(W t ng Nhiệt độ không khí bên ngoài t tr Nhiệt độ lưu chất chuyển động trong ống t đs Nhiệt độ đọng sương của không khí bên ngoài δ CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m d ng Đường kính ngoài của ống dẫn, m D CN Đường kính của lớp cách nhiệt, m Nguyễn toàn phong Page 9 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 t w đến môi trường lưu chất xung quanh có nhiệt độ t f được xác đònh bởi phương trình theo đònh luật Newton: ( ) fw ttFQ −⋅⋅α= α (3-8) Để tăng cường Q α , trong trường hợp không thể tăng α và ( ) fw ttt −=∆ chỉ còn lại biện pháp là tăng diện tích truyền nhiệt bằng cách gắn thêm các cánh trên bề mặt tỏa nhiệt. Trường hợp trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất qua bề mặt vách, cánh thường được gắn về phía lưu chất có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α nhỏ hơn, ví dụ; không khí, khói Nguyễn toàn phong Page 10 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt [...]...Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 11 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường I PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN Khảo sát một cánh như hình bên dưới Xét một phân tố có khoảng cách đến gốc là x, chiều dày Δx, cường độ tỏa nhiệt trung bình trên bề mặt là α, nhiệt độ môi trường xung quanh tf Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 12 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Phương trình cân bằng năng... phong Truyền Nhiệt Page 19 of 30 Ac U (3-20) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường III DẪN NHIỆT QUA CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Hình bên dưới biểu diễn cánh dạng này Để tính toán đơn giản, ta thường sử dụng công thức của trường hợp  Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 20 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Trường nhiệt độ phân bố trong cánh ch[m ⋅ (L − x )] θ = θg ⋅ ch (m ⋅ L ) (3-21) Nhiệt. .. hoặc hình thang )   2 Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 27 of 30 (3-36) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Trong trường hợp cánh tròn thì hiệu suất còn phụ thuộc vào tỷ số đường kính đỉnh cánh và chân cánh L3c 2 ⋅ [α (λ ⋅ fp )] 12 Với Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Lc = L + t 2 r2 c = r1 + L c fp = t ⋅ L c Page 28 of 30 (3-37) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường VII HIỆU QUẢ LÀM CÁNH εc = Q c (ηc... toàn phong Truyền Nhiệt Page 24 of 30 (3-30) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường VI HIỆU SUẤT CỦA CÁNH Hiệu suất của cánh được tính theo đònh nghóa sau Nhiệt lượng thực truyền qua cánh ηc =  Nhiệt lượng truyền qua cánh lý tưởng có        nhiệt độ toàn bề mặt bằng nhiệt độ gốc cánh   Biểu thức tương ứng ηc = Qc Q clt Q clt = Fc ⋅ α ⋅ θg (3-31) (3-32) Fc Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của... Qo A b ⋅ α ⋅ (t w − t f ) Ab Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 29 of 30 (3-38) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường 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 giữa hai cánh: Qoc Phần bề mặt không có cánh Foc có nhiệt độ tg nên xem hiệu suất bề mặt là 100%... (3-16) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q = λ ⋅ A c ⋅ m ⋅ θg ⋅ th(m ⋅ L ) (3-17) 3 Trường hợp thanh dài vô hạn Khi x = 0 → θ = θg x=∞ → θ=0 Phương trình trường nhiệt độ có dạng: θ = θg ⋅ e − mx (3-18) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q ∞ = λ ⋅ A c ⋅ m ⋅ θg Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 17 of 30 (3-19) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng. .. cánh θg = t g − t f Nhiệt độ thừa ở gốc cánh Nếu biết hiệu suất cánh ta sẽ tính được nhiệt lượng truyền qua cánh: Q c = ηc ⋅ Q clt = ηc ⋅ Fc ⋅ α ⋅ θ g Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 25 of 30 (3-33) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường 1 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 là bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh (có... trình e vào d d  dt  λ ⋅ A c ⋅  − α ⋅ U ⋅ (t − t f ) = 0  dx  dx  Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 13 of 30 (3-9) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường II DẪN NHIỆT QUA THANH CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Trường hợp này đặc biệt với giả thuyết α và λ thay đổi ít trong khoảng nhiệt độ khảo sát, phương trình 3-9 được viết lại d 2t α ⋅ U ⋅ (t − t f ) = 0 − 2 dx λ ⋅ A c (3-10) θ = (t − t f ) − gọi là nhiệt. .. Cách Nhiệt & Tăng Cường Hình sau thể hiện sự thay đổi nhiệt độ dọc theo thanh và ước lượng lượng nhiệt trao đổi Với diễn tả như hình bên trên, thực tế ta ít khi gặp trường hợp , thường gặp là trường hợp  Như vậy thực tế thường gặp là trường hợp , nhưng sẽ sử dụng công thức ở trường hợp  do đơn giãn Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 18 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Phần nhiệt lượng đã... L ) + n ⋅ sh(m ⋅ L ) (3-14) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q = λ ⋅ A c ⋅ m ⋅ θg ⋅ Nguyễn toàn phong Truyền Nhiệt Page 16 of 30 n + th(m ⋅ L ) 1 + n ⋅ th(m ⋅ L ) (3-15) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường 2 Trường hợp thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh thanh Khi x = 0 → θ = θg dθ x=L →      dx  =0 x=L Phương trình trường nhiệt độ có dạng: θ = θg ⋅ ch[m . – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Chương III Friday, September 17, 2010 CÁCH NHIỆT và TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT A. CÁCH NHIỆT I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1. Phạm vi cách nhiệt • Cách. 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 t w đến môi trường lưu chất xung quanh có nhiệt độ. mặt cách nhiệt. Nguyễn toàn phong Page 2 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 3 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền