http://www.ebook.edu.vn Chương III Sunday, November 23, 2008 CÁCH NHIỆT và TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT A. CÁCH NHIỆT I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1.Phạm vi cách nhiệt x 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. x 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 C, các đường ống dẫn nước lạnh hay không khí lạnh, … 3520 o y 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 1 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 2 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 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 3 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 » ¼ º « ¬ ª ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § D O G D O G ¦ tri i ngF CNCN 11 K 1 ' (3-1) Trong đó G’ CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m O CN Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, )K.m / (W D ng , D 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 D O G O G D ¦ (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 Dd (3-4) Nguyễn toàn phong Page 4 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 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 5 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 DS OS DO 2 12 f1f1 r2 1 rrln 2 1 tt RR tt q Nhận xét: khi chiều dày cách nhiệt tăng thì x Nhiệt trở dẫn nhiệt tăng o dòng nhiệt có xu hướng giảm x Nhiệt trở do đối lưu giảm o 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 6 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn đây có bán kính giới hạn D O 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 7 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 O D (3-6) 2 dD ngCN CN G (3-7) Trong đó 0,95 Hệ số dự trữ D ng hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí, )K.m / (W 2 O 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 G 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 8 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 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 D D (3-8) Để tăng cường Q Į , trong trường hợp không thể tăng Į và chỉ còn lại biện pháp là tăng diện tích truyền nhiệt bằng cách gắn thêm các cánh trên bề mặt tỏa nhiệt. fw ttt ' 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 Į nhỏ hơn, ví dụ; không khí, khói Nguyễn toàn phong Page 9 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 http://www.ebook.edu.vn Nguyễn toàn phong Page 11 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt 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 ǻx, cường độ tỏa nhiệt trung bình trên bề mặt là Į, nhiệt độ môi trường xung quanh t f Nguyễn toàn phong Page 12 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn Phương trình cân bằng năng lượng cho phân tố khảo sát: Năng lượng dẫn vào bề mặt x = Năng lượng dẫn ra khỏi bề mặt x + ' x + Năng lượng tỏa ra bằng đối lưu Cánh thường có tiết diện ngang A c nhỏ (so với chiều dài L), vật liệu làm cánh thường có hệ số dẫn nhiệt O lớn, nên xem trường nhiệt độ trong cánh là trường một chiều, các thành phần năng lượng: D ' QQQ xxx (a) với f ttxUQ 'D D (b) Thế vào phương trình trên 0ttU x QQ f xxx D ' ' (c) Lấy giới hạn , ta được: 0x o' 0ttU dx dQ f D O (d) Theo đònh luật Fourier dx dt AQ c O O (e) Thế phương trình e vào d 0ttU dx dt A dx d fc D ¸ ¹ · ¨ © § O (3-9) Nguyễn toàn phong Page 13 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt II. DẪN NHIỆT QUA THANH CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Trường hợp này đặc biệt với giả thuyết D và O thay đổi ít trong khoảng nhiệt độ khảo sát, phương trình 3-9 được viết lại 0tt A U dx td f c 2 2 O D (3-10) đặt ° ¯ ° ® O D T c f A U m thừanhiệtlàgọitt phương trình 3-10 được viết lại: 0m dx d 2 2 2 T T (3-11) Nguyễn toàn phong Page 14 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn Phương trình trên có nghiệm tổng quát mx 2 mx 1 eCeC T (3-12) Hình sau thể hiện sự cân bằng năng lượng Nhiệt lượng trao đổi đối lưu trên thanh bằng nhiệt lượng dẫn qua tại gốc thanh 0x c gốc c dx d AQQ T O (3-13) Hằng số tích phân C 1 và C 2 tìm theo điều kiện biên diễn ra ở đỉnh thanh – cơ sở xác đònh là nhiệt thừa ở đỉnh thanh. x Thanh dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ở đỉnh x Thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh x Thanh dài vô hạn Nguyễn toàn phong Page 15 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt 1.Trường hợp thanh dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ở đỉnh thanh Khi o 0x g T T o Lx LL Lx dx d TD ¸ ¹ · ¨ © § T O Đặt ° ° ¯ ° ° ® O D O D O D U A m n A U m c c Phương trình trường nhiệt độ có dạng: >@ >@ LmshnLmch xLmshnxLmch g T T (3-14) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Lmthn1 Lmthn mAQ gc TO (3-15) Nguyễn toàn phong Page 16 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 2.Trường hợp thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh thanh Khi o 0x g T T o Lx 0 dx d Lx ¸ ¹ · ¨ © § T Phương trình trường nhiệt độ có dạng: >@ Lmch xLmch g T T (3-16) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): LmthmAQ gc TO (3-17) 3.Trường hợp thanh dài vô hạn Khi o 0x g T T o f x 0 T Phương trình trường nhiệt độ có dạng: mx g e T T (3-18) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): gc mAQ TO f (3-19) Nguyễn toàn phong Page 17 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt 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 e, thường gặp là trường hợp c. Như vậy thực tế thường gặp là trường hợp c, nhưng sẽ sử dụng công thức ở trường hợp d do đơn giãn. Nguyễn toàn phong Page 18 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn Phần nhiệt lượng đã bỏ qua có thể được hiệu chỉnh lại như biểu thò ở hình sau U A LL c c (3-20) Nguyễn toàn phong Page 19 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt 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 d Nguyễn toàn phong Page 20 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt [...]... khoảng nhiệt độ khảo sát, phương trình 3- 9 được viết lại d2t D U t t f 0 dx 2 O A c (d) Theo đònh luật Fourier QO dt O A c dx (e) T ° ® °m ¯ đặt Thế phương trình e vào d d § dt · ¨ O A c ¸ D U t t f 0 dx © dx ¹ Nguyễn toàn phong Page 13 of 30 ( 3- 1 0) t t f gọi là nhiệt thừa DU O Ac phương trình 3- 1 0 được viết lại: ( 3- 9 ) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt. .. nhiệt ở đỉnh n th m L 1 n th m L ( 3- 1 5) x Thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh x Thanh dài vô hạn Nguyễn toàn phong Page 15 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 16 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 2 Trường hợp thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh thanh Khi Hình sau thể hiện sự thay đổi nhiệt. .. lượng lượng nhiệt trao đổi x 0 o T Tg x dT L o § · ¨ ¸ © dx ¹ 0 x L Phương trình trường nhiệt độ có dạng: T Tg ch>m L x @ ch m L ( 3- 1 6) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): Q O A c m Tg th m L ( 3- 1 7) 3 Trường hợp thanh dài vô hạn Khi x 0 o T Tg x fo T 0 Phương trình trường nhiệt độ có dạng: Tg e mx T ( 3- 1 8) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng... với phần tỏa nhiệt xung quanh), để bù lượng nhiệt tỏa ra ở đỉnh ta tăng chiều dài cánh thêm 1/2 chiều dày, tức chiều dài tính toán của cánh: Lc Nguyễn toàn phong Page 21 of 30 L G 2 ( 3- 2 4) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong Page 22 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn V CÁNH TRÒN CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Trường nhiệt độ trong... m Tg Page 17 of 30 ( 3- 1 9) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Với diễn tả như hình bên trên, thực tế ta ít khi gặp trường hợp e, thường gặp là trường hợp c Như vậy thực tế thường gặp là trường hợp c, nhưng sẽ sử dụng công thức ở trường hợp d do đơn giãn Nguyễn toàn phong Page 18 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn Phần nhiệt lượng đã bỏ qua... chỉnh lại như biểu thò ở hình sau III DẪN NHIỆT QUA CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Hình bên dưới biểu diễn cánh dạng này Lc Nguyễn toàn phong Page 19 of 30 L Ac U ( 3- 2 0) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt Để tính toán đơn giản, ta thường sử dụng công thức của trường hợp d Nguyễn toàn phong Page 20 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn IV CÁNH... d2T m2 T 2 dx Nguyễn toàn phong Page 14 of 30 0 ( 3- 1 1) Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn 1 Trường hợp thanh dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ở đỉnh thanh Phương trình trên có nghiệm tổng quát T C1 e mx C 2 e mx ( 3- 1 2) x 0 o T Tg Khi Hình sau thể hiện sự cân bằng năng lượng x Qc Q gốc dT O A c dx ( 3- 1 3) x 0 Hằng số tích phân C1 và C2 tìm theo điều... HÌNH THANG Trường nhiệt độ phân bố trong cánh T Tg ch>m L x @ ch m L Nhiệt độ đỉnh cánh ( x TL Tg ( 3- 2 1) Hình dạng và thông số cánh được cho trên hình dưới đây L o T TL ) 1 ch m L Do cánh thẳng mỏng, nên: A c | G W U 2 o | om ® Ac G ¯U | 2 W ( 3- 2 2) DU 2D | O Ac OG Nhiệt lượng dẫn qua cánh được tính: Q O A c m Tg th m L ( 3- 2 3) Lưu ý: Trong thực tế thì có tỏa nhiệt ở đỉnh cánh... đỉnh thanh – cơ sở xác đònh là nhiệt thừa ở đỉnh thanh D L TL x L DU ° m ° O Ac ® D Ac D °n ° m O OU ¯ Đặt Nhiệt lượng trao đổi đối lưu trên thanh bằng nhiệt lượng dẫn qua tại gốc thanh dT L o O § · ¨ ¸ © dx ¹ Phương trình trường nhiệt độ có dạng: T Tg ch>m L x @ n sh>m L x @ ch m L n sh m L ( 3- 1 4) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh):... lượng cho phân tố khảo sát: Năng lượng dẫn ra khỏi bề mặt x+'x Năng lượng dẫn vào bề mặt = x + II DẪN NHIỆT QUA THANH CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI Năng lượng tỏa ra bằng đối lưu Cánh thường có tiết diện ngang Ac nhỏ (so với chiều dài L), vật liệu làm cánh thường có hệ số dẫn nhiệt O lớn, nên xem trường nhiệt độ trong cánh là trường một chiều, các thành phần năng lượng: Q với Q x x 'x QD D U 'x . cách nhiệt, m Nguyễn toàn phong Page 8 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt http://www.ebook.edu.vn B. TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT Dòng nhiệt đối lưu: Nhiệt lượng truyền. nhiệt độ có dạng: mx g e T T ( 3- 1 8) Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh): gc mAQ TO f ( 3- 1 9) Nguyễn toàn phong Page 17 of 30 Chương III – Cách Nhiệt. ° ¿ ° ¾ ½ ° ¯ ° ® K cánhgốcđộnhiệtbằngmặtbềtoànđ nhiệt cótưởnglýcánhquatruyềnlượngNhiệt cánhquatruyềnthựclượngNhiệ t c Biểu thức tương ứng clt c c Q Q K ( 3- 3 1) gcclt FQ TD ( 3- 3 2) F c Diện tích