Giáo trình môn học Kĩ Thuật Nhiệt trường ĐH CN TPHCM, Bài giảng gồm 10 chương.Chương 1: tổng quanChương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNGChương 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH ĐẶC BIỆT CỦA KHÍ VÀ HƠIChương 4: Hơi nướcCHương 5:MỘT SỐ QUÁ TRÌNH ĐẶC BIỆT CỦA KHÍ VÀ HƠIChương 6: Không khí ẩmChương 7: CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN KHÍChương 9: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TRUYỀN NHIỆT Chương 10: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DẪN NHIỆT VÀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT CỦA VẬT RẮN
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1.1.1 Định nghĩa Hệ thống nhiệt động tập hợp vật thể vĩ mô, xảy trao đổi lượng lượng khối lượng Nhiệt động lực học cần cho lĩnh vực: - Bơm máy nén - Hệ thống điều hòa không khí, máy lạnh, bơm nhiệt, thông gió - Công nghệ tách khí hóa lỏng - Các lọai động turbine, động đốt trong, động phản lực - Các thiết bị sử dụng nước Biên giới HTND Môi trường Biên giới Biên giới Môi trường 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.2.1 Hệ thống nhiệt động Hệ thống hoạt động phải có đầy đủ ba yếu tố: chất môi giới, nguồn nóng nguồn lạnh Chất môi giới môi chất trung gian dùng thiết bị nhiệt để thực trình trao đổi lượng với bên Yêu cầu chất công tác: có khả biến đổi đặc tính vật lý dễ dàng trao đổi lượng → chất khí Hệ thống nhiệt động phân nhiều loại: • Hệ kín hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh • Hệ hở hệ có trao đổi chất với môi trường xung quanh • Hệ đoạn nhiệt hệ không trao đổi nhiệt với môi trường Trong thực tế, hệ hoàn toàn cô lập đoạn nhiệt, mà gần với sai số cho phép • Hệ cô lập hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt công với môi trường xung quanh 1.2.2 Động nhiệt, bơm nhiệt máy lạnh 1.2.2.1 Động nhiệt: Là loại máy nhận nhiệt dùng để sinh công Các máy làm việc theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng giãn nở để biến phần nhiệt thành công sau nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh Ví dụ: Động đốt trong, động phản lực, máy nước 1.2.2.2 Bơm nhiệt máy lạnh: Về nguyên lý bơm nhiệt máy làm lạnh giống Các máy nhận công từ bên để chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ thấp đến môi trường có nhiệt độ cao Về phạm vi hoạt động khác 1.2.3 Nguồn nhiệt: Là nơi cung cấp nhận nhiệt chất môi giới chu trình Trong chu trình phải có nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt độ T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2) 1.2.4 Chất môi giới Là chất trung gian dùng để thực trình biến đổi giữa nhiệt công hệ thống nhiệt động Chất môi giới trạng thái rắn, lỏng, khí Trong máy nhiệt thường gặp dạng khí, thể khí có khả thay đổi thể tích lớn có khả sinh công lớn 1.2.5 Công nhiệt lượng Thực công của vật vật kia: Lúc lượng của vật tăng lên lượng bằng lượng của vật mất Công nhiệt động kỹ thuật ký hiệu L quy ước công vật sinh dương ngược lại công vật nhận âm Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh chúng tiếp xúc với nhau: Năng lượng trao đổi dạng gọi nhiệt lượng Nhiệt lượng nhiệt động kỹ thuật ký hiệu Q quy ước nhiệt lượng vật nhận dương vật thải âm Calo = 4,1868 J 1.2.6 Quá trình thuận nghịch không thuận nghịch Quá trình thuận nghịch trình cân biến đổi trạng thái từ sang ngược lại từ sang theo trạng thái trung gian chất môi giới giữa điểm mà không làm thay đổi trạng thái hệ thống môi trường bên hay không gây tổn thất lượng (Nghĩa là: không bị ma sát, sức cản trình chuyển động) Ngược lại những trình không thỏa mãn điều kiện gọi trình không thuận nghịch Nghĩa trình quay về trạng thái ban đầu, muốn trở về phải cung cấp lượng 10.3.2.2 Vách trụ nhiều lớp: Tương tự vách phẳng nhiều lớp, vách trụ nhiều lớp tạo nên nhiều lớp vật liệu khác nhau, dòng nhiệt truyền qua vách xác định tỷ số giữa độ chênh lệch nhiệt độ toàn phần tổng nhiệt trở Giả sử vách trụ gồm lớp bán kính tương ứng r1, r2, r3, r4, hệ số dẫn nhiệt lớp λ1, λ2, λ3 hằng số, nhiệt độ mặt cùng tw1 bề mặt cùng tw4 không thay đổi (tw1 > tw4 ), nhiệt độ lớp tiếp xúc chưa biết gọi tw2 , tw3 Mật độ dòng nhiệt đơn vị độ dài qua vách trụ nhiều lớp: π (t w[W/m] − t w4 ) qL = d3 d2 d4 1 ln + ln + ln 2λ1 d1 2λ2 d 2λ3 d Tổng quát cho vách có n lớp: Trong đó: π (t w1 − t w( n+1) ) q L = i =n d i +1 ln có đơn vị [m độ/W] gọi nhiệt trở đường của mỗi∑ lớp di i =1 2λi d i +1gọi nhiệt trở đường toàn phần của vách nhiều lớp ln λ i độ cácd lớp i tiếp xúc tính sau: 2Nhiệt i =n d i +1 ∑ 2λ ln d [°C] i =1 i i q L n d i+1 t w(i+1) = t w1 − ∑ ln π i =1 2λi d i [W/m] Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên quá trình trao đổi nhiệt đối lưu vách rắn chất lỏng chuyển động tự nhiên Chuyển động tự nhiên của chất lỏng dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt dẫn đến việc thay đổi tỷ trọng của nó, tạo chuyển động Thường nhiệt độ của chất lỏng thay đổi lớp gần sát bề mặt trao đổi nhiệt 11.1.1 Toả nhiệt đối lưu không gian vô hạn Khi chất lỏng chuyển động đối lưu tự nhiên chuyển động đối lưu cưỡng bức, đều có hai chế độ chuyển động bản: chảy tầng chảy rối Chế độ chuyển động chất lỏng ảnh hưởng lớn đến cường độ tỏa nhiệt Dạng phương trình tiêu chuẩn chỉnh lý sau: đó: Nu = C (Gr Pr) nm = C.Ramn tiêu chuẩn Nusselt αl Nu = λ gọi tiêu chuẩn Rayleigh Ra = (Gr.Pr) - Các thông số vật lý chọn theo nhiệt độ tính toán tm - Nhiệt độ xác định (tm) chọn nhiệt độ trung bình của vách (tw)và môi trường (tf) tm = 0,5(tf + tw) Đối với ống nằm ngang, thì kích thước xác định đường kính ống: L = D - Đối với ống đứng vách đặt đứng thì kích thước xác định chiều cao: L = H - Ký hiệu (m) tiêu chuẩn chọn theo nhiệt độ tm Các đại lượng C, n hệ số thực nghiệm Tùy thuộc vào giá trị (Gr.Pr)m mà C n có giá trị theo bảng Trạng thái chuyển động Chảy màng (Gr.Pr)m C n < 10 –3 0.5 Quá độ màng sang tầng 10 -3 – 5.10² 1.18 1/8 Chảy tầng 5.10² – 2.107 0.54 1/4 Chảy rối 2.107 – 1013 0.135 1/3 - Tấm hẹp, dài: chọn cạnh bé làm kích thước xác định - Đối với phẳng đặt nằm ngang, kích thước tính toán chọn theo chiều hẹp, trị số C n chọn theo bảng C n Ra Bề mặt nóng hướng lên Bề mặt nóng hướng xuống < 0,001 0,65 0,35 0,001 ÷ 500 1,53 0,83 1/8 500 ÷ x 107 0,70 0,38 1/4 x 107 ÷ 1013 0,176 0,095 1/3 Ngoài chất lỏng chất khí, toả nhiệt đối lưu tự nhiên quanh ống ngang, dùng công thức sau: 1/ Đối với không Nukhíf : = 0,5.Gr 1/ f Pr 1/ f Nu f = 0,46.Gr Pr f Prw 1/ f 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian hữu hạn 11.2 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC 11.2.1 Toả nhiệt chất lỏng chảy tầng (Ref < 2200) Khi trị số Re < 2200 chất lỏng chảy tầng đó: Pr f 0.33 0.43 0.1 Nu f = 0.15 Re f Pr f Gr f Prw - Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf - Prf – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf - Prw – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ vách ống tw - Kích thước xác định tính theo đường kính d 0, 25 ε l Bảng 11.3: εl = f(l/d) l/d 10 15 20 30 40 ≥ 50 εl - trị số hiệu chỉnh ảnh hưởng đoạn đầu ống, phụ thuộc vào trị số Re l/d (εl = f(Re, l/d) 1.7 dài 1.44 1.28 kính 1.18trong 1.13 1.05[m]1.02 l,εdl lần 1.9 lượt chiều đường ống + Nếu l/d > 50 εl = Nếu l/d < 50 εl tra bảng Đối với không khí phương trình tiêu chuẩn sẽ có dạng đơn giản sau: Nu f = 0,13 Re 0f ,33 Gr f0,1ε l 11.2.2 Tỏa nhiệt chất lỏng chảy rối (Ref > 104) Khi chảy rối, truyền lượng giữa phần tử chất lỏng hỗn hợp thân chất lỏng Trong chế độ chảy rối mãnh liệt Re > 104, trình xáo trộn mạnh, làm cho nhiệt độ lõi chảy rối không thay đổi, có lớp đệm tầng xuất sư biến thiên nhiệt độ cách rõ ràng Phương trình tiêu chuẩn sau: Pr f ,80 , 43 Nu f = 0,021(Re f Pr f ) đó: Prw Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf Prf – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf Prw – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ vách ống tw , 25 ε l ε R - εl - trị số hiệu chỉnh ảnh hưởng đoạn đầu ống, phụ thuộc vào trị số Re l/d (εl = f(Re, l/d) - l, d chiều dài đường kính ống [m] + Nếu l/d > 50 εl = + Nếu l/d < 50 εl tra bảng Bảng εl = f(Ref, l/d) l/d Ref 10 15 20 30 40 50 1÷104 1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03 2÷104 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 5÷104 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 1÷105 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1÷106 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 11.2.3 Tỏa nhiệt ở trạng thái quá độ (2200 < Re < 104 ) Khi trị số 2200 < Re < 104 chất lỏng sẽ chảy độ Khi phương trình tiêu chuẩn có dạng: Nu = K ο Pr , 43 Pr f .ε l Prw trị số K0 = f(Ref) tra bảng εl - chọn theo trường hợp chảy tầng Ref 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 103 K0 1,9 3,2 4,0 6,8 9,5 11 16 19 24 27 30 10 33 ... lập đoạn nhiệt, mà gần với sai số cho phép • Hệ cô lập hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt công với môi trường xung quanh 1.2.2 Động nhiệt, bơm nhiệt máy lạnh 1.2.2.1 Động nhiệt: Là... nước 1.2.2.2 Bơm nhiệt máy lạnh: Về nguyên lý bơm nhiệt máy làm lạnh giống Các máy nhận công từ bên để chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ thấp đến môi trường có nhiệt độ cao Về... hoạt động khác 1.2.3 Nguồn nhiệt: Là nơi cung cấp nhận nhiệt chất môi giới chu trình Trong chu trình phải có nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt độ T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2) 1.2.4