http://www.ebook.edu.vn Chương VI Wednesday, October 08, 2008 TRUYỀN NHIỆT và THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT § 6.1. Khái Niệm về Thiết Bò Trao Đổi Nhiệt Thiết bò trao đổi nhiệt loại hỗn hợp Thiết bò trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt Thiết bò trao đổi nhiệt loại bề mặt Ng u y ễn toàn p hon g 1 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN § 6.2. Phương Trình Truyền Nhiệt Ta khảo sát trường hợp hai lưu chất nóng và lạnh truyền nhiệt qua một bề mặt vách, nếu nhiệt độ hai lưu chất không thay đổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt, ta có các phương trình trao đổi nhiệt như sau 6.2.1 Trường Hợp Vách Phẳng , W (6-1) F qFQ 2f1fFF ttkq , 2 mW (6-2) 2 n 1i i i 1 F 11 1 k D O G D ¦ , )K.m(W 2 (6-3) 6.2.2 Trường Hợp Vách Trụ , W (6-4) " " qQ 2f1f ttkq "" , dài mW (6-5) 22 n 1i i 1i i11 d 1 d d ln 2 1 d 1 k D ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § O D S ¦ " , )K.m(W dài (6-6) Ng u y ễn toàn p hon g 2 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6.2.3 Trường Hợp Vách Phẳng Làm Cánh Một Phía Khi hệ thống ổn đònh, ta có ba phương trình truyền nhiệt sau ° ° ¯ ° ° ® D G O D D O D QttFQ QttFQ QttFQ 2f2w * 222 2w1w1 1w1f111 (6-7) * 22111 2f1f F 1 F 1 F 1 tt Q D O G D , W (6-8) với ¯ ® K ccoc * 2 coc2 FFF FFF (6-9) 2w t O F 2 1w t G 1f 1 t D F 1 2f 2 t D Ng u y ễn toàn p hon g 3 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Thông thường nhiệt lượng được tính cho một đơn vò diện tích Tính theo một đơn vò diện tích bề mặt không làm cánh 2f1f1 1 1 ttk F Q q , W (6-10) * 2 1 21 1 F F11 1 k D O G D , )K.m(W 2 (6-11) Tính theo một đơn vò diện tích bề mặt có làm cánh 2f1f2 2 2 ttk F Q q , W (6-12) * 2 2 21 2 F F11 1 k D E O G E D , )K.m(W 2 (6-13) với 1 2 F F E là tỷ số làm cánh hay hệ số làm cánh (6-14) Ng u y ễn toàn p hon g 4 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6.2.4 Trường Hợp Vách Trụ Có Cánh Đây là trường hợp đặc biệt của trường hợp vách phẳng có làm cánh, ta tính nhiệt lượng trao đổi ứng với 1m chiều dài ống 1w1ftr1tr ttdq SD (6-15.a) tr ng 2w1w d d ln .2 1 tt q OS O (6-15.b) 2f2w * 22ng ttFq D (6-15.c) với dụnghiệucánhlàmsốhệ)d.(F cánhlàmsốhệ)d.(F FFF FFF ng * 2 * ng2 ccoc * 2 coc2 S E S E K (6-16) d tr F oc F c d ng D 1 t f1 D 2 t f2 O K c Ng u y ễn toàn p hon g 5 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Phương trình 6-15.c được viết lại 2f2w * ng2ng tt).d(q ESD (6 15.d) Trường hợp dẫn nhiệt ổn đònh, ta có , ngtr qqqq O" dài mW (6-15.e) Phương trình 6-15 a, b, d, e cho ta 2f1f ttkq "" , dài mW (6-17) với * ng2tr ng tr1 1 d 1 d d ln 2 1 d 1 k E D O D S " , )K.m(W dài (6-18) Ng u y ễn toàn p hon g 6 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6.2.5 Trường Hợp Trao Đổi Nhiệt Phức Tạp Trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và chất khí, thông thường có kèm theo trao đổi nhiệt bức xạ, do đó , bxđl qqq 2 mW (6-19) với fwbx fw fw 4 f 4 w oqđbx fwđlđl tt TT TT TT q ttq D » ¼ º « ¬ ª VH D Vậy fwbxđlbxđl ttqqq uDD , 2 mW (6-20) Trong đó 2 f 2 wfwoqđ fw 4 f 4 w oqđbx TTTT TT TT VH » ¼ º « ¬ ª VH D , )K.m(W 2 (6-21) với 8 o 10.67,5 V )K.m(W 42 Ng u y ễn toàn p hon g 7 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN § 6.3. Các Ảnh Hưởng Đến Hệ Số Truyền Nhiệt Ta xét trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng, biểu thức 6-3 2 n 1i i i 1 F 11 1 k D O G D ¦ (a) 6.3.1 Xét nh Hưởng của Hệ Số Tỏa Nhiệt Đối Lưu Trường hợp này bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở do dẫn nhiệt, 0 n 1i i i | O G ¦ 21 21 21 0 11 1 k DD DD D D (b) Ta thấy 210 ,Mink DD Đồ thò dưới đây cho ta quan hệ giữa giá trò hệ số truyền nhiệt với các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. Ng u y ễn toàn p hon g 8 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn Nhận xét: Để tăng cường truyền nhiệt (tăng hệ số truyền nhiệt) người ta sẽ tìm cách tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu về phía có giá trò nhỏ hơn. Trong trường hợp không thể tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của chất khí nhỏ hơn rất nhiều so với nước hay quá trình biến đổi pha) thì người ta tăng diện tích trao đổi nhiệt (bằng cách làm thêm cánh) về phía lưu chất có hệ số trao đổi nhiệt nhỏ hơn . Ng u y ễn toàn p hon g 9 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN 6.3.2 Xét nh Hưởng của Nhiệt Trở Dẫn Nhiệt Từ biểu thức a và b cho ta ¦ O G n 1i i i 0 0 F k1 1 k k (6-22) Đồ thò dưới đây cho ta quan hệ ở trên Nhận xét: Đồ thò cho ta sự sai biệt của hệ số truyền nhiệt khi bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt. Cần lưu ý sự tăng nhiệt trở dẫn nhiệt của lớp cáu bẩn trong các thiết bò truyền nhiệt. Đònh kỳ vệ sinh về phía lưu chất có bám bẩn. Ng u y ễn toàn p hon g 10 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn § 6.4. Truyền Nhiệt của Lưu Chất Không Biến Đổi Pha 6.4.1 Các Phương Trình Cơ Bản PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT 222p2111p1 't"tcG"t'tcGQ , kW (6-23) Trong đó Q Nhiệt lượng trao đổi của thiết bò, kW c Ký hiệu cho lưu chất nóng d Ký hiệu cho lưu chất lạnh G 1 , G 2 Lưu lượng khối lượng của lưu chất nóng và lạnh, kg/s c p1 , c p2 Nhiệt dung riêng của lưu chất nóng và lạnh, kJ/(kg.K) t’ 1 , t’ 2 Nhiệt độ của lưu chất nóng và lạnh ở đầu vào, o C t” 1 , t” 2 Nhiệt độ của lưu chất nóng và lạnh ở đầu ra, o C Trong tính toán người ta gọi đại lượng p c.GC là nhiệt dung lưu lượng khối lượng hay đương lượng không khí của chất lỏng. Từ biểu thức 6-23 cho ta 1 2 11 22 2 1 t t 't"t 't"t C C G G (6-24) Ng u y ễn toàn p hon g 11 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT , W (6-25) dFtkdFttkQ F21F ' G Trong đó k F Hệ số truyền nhiệt, )K.m(W 2 Tính theo giá trò trung bình, xem là hằng số trên toàn diện tích trao đổi nhiệt F 21 tt Chênh lệch nhiệt độ giữa lưu chất nóng và lạnh tại bề mặt phân tố dF. Tích phân phương trình 6-25 trên toàn bộ diện tích F ta xác đònh được nhiệt lượng truyền qua của thiết bò trao đổi nhiệt. tb F F F tFkdFtkQ ' ' ³ (6-26) tb t' Gọi là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh. Việc xác đònh phụ thuộc vào sơ đồ chuyển động và tỷ số đượng lượng không khí của các lưu chất. Ng u y ễn toàn p hon g 12 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6.4.2 Tính TB TĐN Theo Chênh Lệch Nhiệt Độ PP Chênh Lệch Nhiệt Độ Trung Bình Logarith LMTD Ta xét hai trường hợp lưu động song song cùng chiều và ngược chiều với biến đổi nhiệt độ như hình bên dưới Ng u y ễn toàn p hon g 13 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Ng u y ễn toàn p hon g 14 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 2 2 p1 1 pF dtc.Gdtc.GtdFkQ r ' G # (6-27) Đặt ° ¯ ° ® { { 2 p2 1 p1 c.GC c.GC , KW (6-28) Là đương lượng không khí của lưu chất nóng và lạnh Phương trình 6-27 được viết lại: 2211 dtCdtC # (6-29) Cho đến vò trí F i , nhiệt lượng trao đổi giữa lưu chất nóng và lạnh là Q i theo phương trình sau: Cùng chiều: 22 1 2 1 1 i 11 'tt C C 't C Q 'tt (6-30) Ngược chiều: 22 1 2 1 1 i 11 t"t C C 't C Q 'tt (6-31) Ng u y ễn toàn p hon g 15 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu chất tại vò trí F i : ° ° ¯ ° ° ® ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § ' ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § ' 2 1 2 2 1 2 121ng 2 1 2 2 1 2 121th "t C C t C C 1'tttt 't C C t C C 1'tttt (6-32) Ng u y ễn toàn p hon g 16 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn Hệ phương trình 6-27 cho ta: ° ° ° ° ¯ ° ° ° ° ® » ¼ º « ¬ ª ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » ¼ º « ¬ ª ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § 12 1 2 2 1 2 2 ng 2 F 12 1 2 2 1 2 2 th 2 F 't"t C C t C C 1 dt C dFk 't't C C t C C 1 dt C dFk (6-33) Lấy tích phân 2 vế phương trình trên: >@ ³³ 2 2 " t 't 2 F 0 2 F dt dF C k (6-34) Với giả thuyết (6-35) ° ¯ ° ® | | | constC constC constk 2 1 F Hệ phương trình 6-33 trở thành: ° ° ° ° ° ¯ ° ° ° ° ° ® ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » » » » ¼ º « « « « ¬ ª ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » » » » ¼ º « « « « ¬ ª ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § 1 2 2 F 12 1 2 2 1 2 12 1 2 2 1 2 1 2 2 F 12 1 2 2 1 2 12 1 2 2 1 2 C C 1 C Fk 't"t C C 't C C 1 't"t C C "t C C 1 ln C C 1 C Fk 't't C C 't C C 1 't't C C "t C C 1 ln (6-36.a) Ng u y ễn toàn p hon g 17 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Theo sơ đồ lưu động, ta đặt: chiềungượcnếu 't"tt "t'tt chiềucùngnếu 't'tt "t"tt 21b 21a 21b 21a ¯ ® ' ' ¯ ® ' ' Ng u y ễn toàn p hon g 18 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn Hệ phương trình 6-36.a trở thành: ° ° ¯ ° ° ® ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » ¼ º « ¬ ª ' ' ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » ¼ º « ¬ ª ' ' 12 F a2212 a 12 F b b2212 C 1 C 1 Fk t"t'tCC1 t ln C 1 C 1 Fk t t"t'tCC1 ln (6-36.b) Phương trình 6-24 22 11 1 2 't"t 't"t C C Từ 6-36.b và 6-24 cho ta: ° ° ° ° ¯ ° ° ° ° ® ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » » » » ¼ º « « « « ¬ ª ' ' ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » » » ¼ º « « « ¬ ª ' ' '' '' 12 F a tt 1122 a 12 F b b tt 1122 C 1 C 1 Fk t't"t"t't t ln C 1 C 1 Fk t t't"t"t't ln ab ba hay ° ° ¯ ° ° ® ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » ¼ º « ¬ ª ' ' ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § » ¼ º « ¬ ª ' ' 12 F b a 12 F b a C 1 C 1 Fk t t ln C 1 C 1 Fk t t ln (6.36-c) Ng u y ễn toàn p hon g 19 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN Từ phương trình 6-23 ta cũng có: ° ° ¯ ° ° ® Q "t't C 1 Q 't"t C 1 11 1 22 2 (6-37) Thế 6-37 vào 6-36.c, cả hai phương trình đều cho cùng một kết quả: ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § '' '' ba ba F ttln tt FkQ (6-38) Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarithmic LMTD là: b a ba tb t t ln tt t ' ' '' ' (6-39) Hay min max minmax tb t t ln tt t ' ' '' ' (6-40) với >@ >@ ¯ ® '' ' '' ' bamax bamin t,tMaxt t,tMint Ng u y ễn toàn p hon g 20 of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN [...]... hiệu dụng 5 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 6 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6. 2.5 Trường Hợp Trao Đổi Nhiệt Phức Tạp § 6. 3 Các Ảnh Hưởng Đến Hệ Số Truyền Nhiệt Trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và chất khí, thông thường có kèm theo trao đổi nhiệt bức xạ, do đó Ta xét trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng, biểu thức 6- 3 q đl q... dài ( 6- 1 7) với k" qO q tr Phương trình 6- 1 5 a, b, d, e cho ta dng q tr (6 .-1 5.d) Trường hợp dẫn nhiệt ổn đònh, ta có Foc D1 tf1 D 2 (S d ng ).E* t w 2 t f 2 S , W (m dài K ) d ng 1 1 1 1 ln D1 d tr 2 O d tr D 2 d ng E* ( 6- 1 8) ( 6- 1 5.a) t w1 t w 2 d 1 ln ng 2.S O d tr ( 6- 1 5.b) D 2 F2* t w 2 t f 2 ( 6- 1 5.c) với F2 Foc Fc F2* Foc Kc Fc E E* Nguyễn toàn phong ( 6- 1 6) ... nhiệt (bằng cách làm thêm cánh) về phía lưu chất có hệ số trao đổi nhiệt nhỏ hơn Nhận xét: Đồ thò cho ta sự sai biệt của hệ số truyền nhiệt khi bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt Cần lưu ý sự tăng nhiệt trở dẫn nhiệt của lớp cáu bẩn trong các thiết bò truyền nhiệt Đònh kỳ vệ sinh về phía lưu chất có bám bẩn Nguyễn toàn phong 9 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 10 of 36 Chương VI – Truyền ... Nguyễn toàn phong 13 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 14 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn GQ k F dF 't Đặt # G.c p 1 dt 1 r G.c p 2 dt 2 °C1 { G.cp 1 ,WK ® °C2 { G.cp 2 ¯ ( 6- 2 7) ( 6- 2 8) Là đương lượng không khí của lưu chất nóng và lạnh Phương trình 6- 2 7 được viết lại: # C1 dt 1 C 2 dt 2 ( 6- 2 9) Cho đến vò trí Fi, nhiệt lượng trao đổi... Từ biểu thức 6- 2 3 cho ta C1 C2 Nguyễn toàn phong t"2 t '2 t"1 t '1 11 of 36 Gt 2 Gt1 ( 6- 2 4) Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 12 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6. 4.2 Tính TB TĐN Theo Chênh Lệch Nhiệt Độ PP Chênh Lệch Nhiệt Độ Trung Bình Logarith LMTD Ta xét hai trường hợp lưu động song song cùng chiều và ngược chiều với biến đổi nhiệt độ như... Hệ Số Tỏa Nhiệt Đối Lưu D bx t w t f Vậy q 1 1 G 1 ¦ i D1 i 1 O i D 2 n ( 6- 2 1) 1 1 1 D1 D 2 D1 D 2 D1 D 2 (b) k 0 Min D1 , D 2 Đồ thò dưới đây cho ta quan hệ giữa giá trò hệ số truyền nhiệt với các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 5 ,67 .10 8 W (m 2 K 4 ) 7 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 8 of 36 Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn 6. 3.2 Xét... Chương VI – Truyền Nhiệt & TBTĐN http://www.ebook.edu.vn PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT § 6. 4 Truyền Nhiệt của Lưu Chất Không Biến Đổi Pha GQ 6. 4.1 Các Phương Trình Cơ Bản k F t 1 t 2 dF k F 't dF , W ( 6- 2 5) Trong đó PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT Q G1 c p1 t '1 t"1 G 2 c p 2 t"2 t'2 , kW kF ( 6- 2 3) Trong đó Q t1 t 2 Chênh lệch nhiệt độ giữa lưu chất nóng và lạnh tại Nhiệt lượng trao... http://www.ebook.edu.vn 6. 3.2 Xét nh Hưởng của Nhiệt Trở Dẫn Nhiệt Từ biểu thức a và b cho ta kF k0 1 G 1 k0 ¦ i i 1 Oi n ( 6- 2 2) Đồ thò dưới đây cho ta quan hệ ở trên Nhận xét: Để tăng cường truyền nhiệt (tăng hệ số truyền nhiệt) người ta sẽ tìm cách tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu về phía có giá trò nhỏ hơn Trong trường hợp không thể tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của chất khí nhỏ... bò, kW c d Hệ số truyền nhiệt, W (m 2 K ) Tính theo giá trò trung bình, xem là hằng số trên toàn diện tích trao đổi nhiệt F Ký hiệu cho lưu chất nóng bề mặt phân tố dF Tích phân phương trình 6- 2 5 trên toàn bộ diện tích F ta xác đònh được nhiệt lượng truyền qua của thiết bò trao đổi nhiệt Ký hiệu cho lưu chất lạnh G1, G2 Lưu lượng khối lượng của lưu chất nóng và lạnh, kg/s cp1, cp2 Nhiệt dung riêng... m 2 q với kF ( 6- 1 9) D đl t w t f ª T 4 Tf 4 º H qđ V o « w » Tw Tf Tw Tf ¼ ¬ q đl q bx q đl q bx D đl D bx u t w t f , W m 2 Trường hợp này bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở do dẫn nhiệt, G ¦ Oi | 0 i 1 i n k0 ( 6- 2 0) Trong đó D bx ª T 4 Tf 4 º H qđ V o « w » ¬ Tw Tf ¼ Ta thấy H qđ V o Tw Tf T T 2 w với Nguyễn toàn phong Vo 2 f , W (m 2 K) (a) 6. 3.1 Xét nh . H ( 6- 4 5.c) Trong đó: >@ > ¯ ® @ 12max 12min C,CMaxC C,CMinC ( 6- 4 6) Phương trình 6- 4 5.c được viết lại: 21min 't'tCQ H ( 6- 4 7) Hiệu quả truyền nhiệt H. Q "t't C 1 Q 't"t C 1 11 1 22 2 ( 6- 3 7) Thế 6- 3 7 vào 6- 3 6. c, cả hai phương trình đều cho cùng một kết quả: ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § '' '' ba ba F ttln tt FkQ ( 6- 3 8) Vậy độ chênh lệch nhiệt độ. of 36 Chươn g VI – Tru y ềnï Nhiệt & TBTĐN 6. 4.3 Tính TB TĐN Theo PP Hiệu Suất H -NTU Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bò đượctruyềnnhấtlớnlượngNhiệt bòthiếtquatruyềntếthựclượngNhiệt