Đề cương bài giảng kỹ thuật nhiệt (hệ đại học)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MÔN CN CƠ ĐIỆN LẠNH & ĐHKK )***( ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DÙNG CHUNG KỸ THUẬT NHIỆT (Dùng cho SV ngành kỹ thuật - trình độ Đại học) Biên soạn: ThS Phạm Hữu Hưng H-ng yªn, n¨m 2015 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt LỜI NÓI ĐẦU “KỸ THUẬT NHIỆT” môn học nghiên cứu quy luật biến đổi lƣợng (chủ yếu quy luật biến đổi nhiệt năng) quy luật truyền nhiệt vật nói chung thiết bị nhiệt nói riêng Nhiệt dạng lƣợng, có khả dạng lƣợng khác chuyển hóa lẫn truyền từ chỗ đến chỗ khác, từ vật đến vật khác Nhiệt nhận đƣợc từ phản ứng hóa học, phản ứng cháy nhiên liệu hữu nhƣ củi, than, dầu, khí đốt…; từ phản ứng phân hủy tổng hợp hạt nhân, nguyên tử…có thể từ nguồn lƣợng xạ mặt trời, từ nguồn địa nhiệt lòng đất … Nhiệt thƣờng đƣợc chuyển hóa thành động nhiệt nhƣ máy nƣớc, động đốt trong, tua bin hơi, tua bin khí, động phản lực, tên lửa… Các động nhiệt đƣơc dùng làm động lực nhiều máy móc, thiết bị nhƣng đƣợc dùng nhiều để chạy máy phát, chuyển thành điện nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử, nhà máy điện mặt trời nhà máy địa nhiệt… Nhiệt đƣợc dùng phổ biến với mục đích cấp nhiệt phạm vi nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ cao ngành luyện kim, nhiệt độ vừa thấp công nghệ bảo quản, chế biến nông lâm, hải sản, điều hòa không khí, điều kiện khí hậu nóng ẩm nƣớc ta Ngoài thời gian gần bơm nhiệt bắt đầu đƣợc sử dụng có triển vọng phát triển điều kiện khí hậu nƣớc ta Ngoài mặt có lợi nói trên, không trƣờng hợp nhiệt có hại, ảnh hƣởng đến trình công nghệ, làm giảm tuổi thọ, chí phá hủy thiết bị, ảnh hƣởng đến sức khỏe, đến khả làm việc ngƣời Do muốn giải có hiệu vấn đề cần nắm vững môn “Kỹ thuật nhiệt” Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần: Phần “Nhiệt động kỹ thuật” nghiên cứu quy luật chuyển hóa lƣợng có liên quan đến nhiệt Phần “Truyền nhiệt” nghiên cứu quy luật truyền nhiệt vật vật có nhiệt độ khác GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Nhiệt động kỹ thuật môn học nghiên cứu quy luật biến đổi lƣợng có liên quan đến nhiệt trình nhiệt động, nhằm tìm phƣơng pháp biến đổi có lợi nhiệt Do môn “Nhiệt động kỹ thuật” phục vụ rộng rãi cho nhiều ngành khoa học kỹ thuật đại; trƣớc hết phục vụ đắc lực cho ngành lƣợng Hàng năm bình quân đầu ngƣời giới tiêu thụ khoảng nhiên liệu quy ƣớc, 80% phải trải qua lần dƣới dạng nhiệt năng, khoảng nửa nhiện đƣợc chuyển hóa thành điện để dễ dàng truyền tải sử dụng muốn sử dụng lƣợng có hiệu không nắng vững môn “Nhiệt động kỹ thuật” Cơ sở nhiệt động đƣợc xây dựng từ kỷ XIX, lịch sử phát triển môn “Nhiệt động kỹ thuật” có liên quan mật thiết đến trình phát triển thiết bị nhiệt Nhiệt động kỹ thuật đƣợc xây dựng sở ba định luật: định luật nhiệt động thứ không, định luật nhiệt động I định luật nhiệt động II Định luật nhiệt động thứ không xác nhận nhiệt độ hai vật nhiệt độ vật thứ ba nhiệt độ hai vật Định luật nhiệt động I thực chất định luật bảo toàn chuyển hóa lƣợng viết cho chuyển hóa nhiệt công mặt số lƣợng Định luật nhiệt động II xác định điều kiện mức độ chuyển hóa nhiệt thành dạng lƣợng khác GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ thống nhiệt động 1.1.1 Những khái niệm - ĐN: Hệ thống nhiệt động (Hệ nhiệt động hay hệ) hay tập hợp vật thể vĩ mô mà có biến đổi lƣợng lƣợng khối lƣợng Phần bên hệ Hệ thống nhiệt động Biên giới Môi trƣờng đƣợc gọi môi trƣờng Hệ đƣợc giới hạn ngăn cách với môi trƣờng bề mặt gọi bề mặt phân cách (biên giới) Hình 1.1 Chú ý: Bề mặt phân cách thay đổi tùy theo mục đích, yêu cầu xem xét đối tƣợng khảo sát - Phân loại a) Theo biến đổi khối lƣợng: Hệ kín hệ hở  Hệ kín: có tính chất sau: - Có trọng tâm hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc không đáng kể để động bỏ qua; - Không trao đổi khối lƣợng với môi trƣờng  Hệ hở: - Là hệ mà hai tính chất không đƣợc thỏa mãn Trong hệ hở, trọng tâm hệ chuyển động với vận tốc nên cân lƣợng hệ hở có động b) Theo biến đổi lƣợng: Hệ cô lập cô lập đoạn nhiệt - Hệ cô lập: không trao đổi lƣợng khối lƣợng với môi trƣờng - Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt với môi trƣờng 1.1.2 Môi chất - Muốn thực việc chuyển hóa nhiệt với dạng lƣợng khác ta phải dùng chất trung gian gọi môi chất (chất môi giới/ chất công tác) - Theo lý thuyết môi chất vật chất thể rắn, thể lỏng, thể khí nhƣng thƣờng chọn thể khí chúng có khả biến đổi đặc tính vật lý dễ dàng trao đổi lƣợng Chú ý: Khi khảo sát đặc tính nhiệt động hệ thống nhiệt động khảo sát tính chất môi chất Vậy môi chất coi hệ thống nhiệt động 1.1.3 Trạng thái hệ nhiệt động - ĐN: Trạng thái hệ nhiệt động tồn hệ thời điểm định Trạng thái hệ đƣợc xác định đại lƣợng vật lý hệ Các đại lƣợng vật lý gọi thông số trạng thái GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Trạng thái cân trạng thái mà đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hệ đồng điểm nghĩa vật thể hệ nhƣ hệ môi trƣờng tƣơng tác Thực tế trạng thái cân nhiên diễn biến xảy hệ chậm coi hệ trạng thái cân 1.1.4 Thông số trạng thái - ĐN: Thông số trạng thái đại lƣợng vật lý xác định tồn hệ nhiệt động thời điểm - TSTT có nhiều loại có TSTT đo đƣợc trực tiếp, có TSTT không đo đƣợc trực tiếp, có loại có ý nghĩa vật lý rõ rệt, có loại ý nghĩa rõ rệt, có TSTT độc lập với nhƣng có thông số phụ thuộc lẫn v.v… - Trong nhiệt kỹ thuật thƣờng sử dụng thông số đo đƣợc trực tiếp gọi thông số gồm nhiệt độ, áp suất thể tích riêng Các thông số lại gọi hàm trạng thái chúng không đo đƣợc trực tiếp mà phải thông qua thông số trạng thái Để xác định hoàn toàn trạng thái hệ nhiệt động thể khí, cần biết thông số trạng thái nhiệt độ, áp suất thể tích riêng a) Nhiệt độ - Nhiệt độ thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh vật - Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên hệ Nhiệt độ trực tiếp đo đƣợc dựa sở định luật nhiệt động thứ không: “Nếu hai vật (hệ) có nhiệt độ t1 t2 nhiệt độ t3 vật (hệ) thứ ba nhiệt độ hai vật nhau, tức t1 = t2” Để đo nhiệt độ ngƣời ta sử dụng dụng cụ đo goị nhiệt kế Có nhiều loại nhiệt kế với thang đo khác nhƣng ta thƣờng gặp số thang đo nhƣ sau: Thang nhiệt độ bách phân t , 0C Thang nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin T, K T = t + 273,15 (1) Thang nhiệt độ Farenheit 0F t 0C   t F  32 (2) t R  273,15 (3) Thang nhiệt độ Rankin 0R t 0C  Trong thang nhiệt độ bách phân oC ứng với nhiệt độ tan nƣớc đá nguyên chất dƣới áp suất tiêu chuẩn 760 mmHg 100 oC ứng với nhiệt độ sôi nƣớc nguyên chất áp suất tiêu chuẩn Từ 0oC tới 100oC ngƣời ta chia làm 100 phần phần ứng với 1oC GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Chú ý giá trị độ thang nhiệt độ tuyệt đối nhiệt độ bách phân nhƣ ( T  t dT = dt) Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động phân tử Vậy nhiệt độ thấp vật chất nhiệt độ ứng với trạng thái vật chất mà phân tử ngừng chuyển động, nhiệt độ thấp gọi nhiệt độ không tuyệt đối 0K b) Áp suất - Áp suất tổng hợp lực phân tử môi chất tác dụng theo phƣơng vuông góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc - Đơn vị đo áp suất thƣờng dùng là: N/m2 hay gọi Pascal (Pa), bar, mmHg (torr); mmH2O; atm (1atm = 760mmHg); at (1at = 0,981bar); poundal/feet (psf) (lbf/ft2 = 47,88Pa); kG/cm2 (1at = 1kG/cm2); psi (lpf/in2) (1psi = 144 psf)… Quan hệ đơn vị: 1Pa  1N / m2  1 mmH 2O  mmHg  105 bar= 105 at 9,81 133,32 0,981 (4)  Trong thực tế thƣờng gặp khái niệm: áp suất tuyệt đối, áp suất dƣ, độ chân không - Áp suất tuyệt đối (p) thông số trạng thái áp suất thật chất khí, trực tiếp đo đƣợc ví dụ nhƣ áp suất tuyệt đối khí trời (pk) đƣợc đo baromet Tuy nhiên thƣờng hay đo gián tiếp qua áp suất khí trời phần sai khác áp suất khí trời áp suất tuyệt đối - Áp suất dƣ (pd) phần áp suất tuyệt đối lớn áp suất khí trời - Độ chân không (pck) phần áp suất khí trời lớn áp suất tuyệt đối - Quan hệ loại áp suất: Ký hiệu: p, pk, pd, pck- áp suất tuyệt đối, áp suất khí trời, áp suất dƣ độ chân không Khi p > pk p = pk+pd (5) Khi p < pk p = pk- pck (6) Dụng cụ đo áp suất dƣ gọi áp kế hay manomet Dụng cụ đo độ chân không gọi chân không kế hay vacuummet c) Thể tích riêng - Thể tích riêng (v) ba thông số đƣợc định nghĩa thể tích đơn vị khối lƣợng v Trong đó: V G (7) V- Thể tích môi chất, m3 G- Khối lƣợng môi chất, kg v- thể tích riêng, m3/kg - Khối lƣợng riêng hay mật độ (  , kg/m3) khối lƣợng đơn vị thể tích GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt v  (8) 1.1.5 Phương trình trạng thái a) Dạng tổng quát Giữa thông số trạng thái hệ nhiệt động tồn mối quan hệ định lƣợng Và biểu thức mô tả mối quan hệ thông số trạng thái hệ trạng thái cân gọi phƣơng trình trạng thái Đối với hệ khí phƣơng trình trạng thái có dạng tổng quát: F (p, v, T) = (9) T p0 v0 M p0 T0 v p Hình 1.2 (9) phƣơng trình mô tả mặt không gian hệ tọa độ OpvT gọi mặt nhiệt động Một điểm M thuộc mặt nhiệt động biểu diễn trạng thái cân xác định hệ với thông số trạng thái có giá trị p0, T0, v0 b) Phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng  Đặc điểm khí lý tƣởng: - Khí lý tƣởng khí bỏ qua thể tích thân phân tử, chúng lực tƣơng tác biến đổi pha (nghĩa khí lý tƣởng pha lỏng pha rắn)  Phƣơng trình trạng thái - Xét khối khí lý tƣởng khối lƣợng G kg, nhiệt độ tuyệt đối T K, áp suất tuyệt đối p N/m2, thể tích V ,m3 Phƣơng trình trạng thái khối khí đƣợc viết nhƣ sau: pV = GRT (10) đây: R (J/kgK) số khí lý tƣởng đƣợc xác định theo công thức: R 8314  (11)  phân tử lƣợng chất khí VD: Đối với không khí,  = 28,9 nên R  287 J/kgK Đối với khí O2,  = 32 nên R  260 J/kgK - Nếu viết cho l kg khí lý tƣởng, ta có phƣơng trình: GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt pv = RT (12) Ở v thể tích riêng (m3/kg) - Viết cho 1Kmol: p.Vμ = Rμ.T đây: (13) p, N/m2 - áp suất tuyệt đối Vμ, m3/Kmol - thể tích Kmol T , K - nhiệt độ tuyệt đối Rμ , J/Kmol độ- số khí , Rμ = 8314 Phƣơng trình (10), (12), (13) đƣợc gọi phƣơng trình Clapeyron  Mặc dù thực tế không tồn khí lý tƣởng, nhƣng điều kiện nhiệt độ không thấp, áp suất không cao, ta coi cách gần chất khí thông thƣờng (không khí, ôxy, nitơ ) khí lý tƣởng áp dụng phƣơng trình Clapeyron để khảo sát trạng thái chúng c) Phƣơng trình trạng thái khí thực Khí thực khí mà tích phân tử, có lực tƣơng tác chúng có biển đổi pha Để mô tả xác trạng thái khí thực, ngƣời ta đƣa nhiều phƣơng trình khác nhau, phần lớn đƣợc thiết lập phƣơng pháp thực nghiệm Một phƣơng trình trạng thái khí thực thƣờng đƣợc đề cập đến phƣơng trình Van der Waals: (p a )(v  b)  R.T v2 (14) : a, b hệ số đƣợc xác định thực nghiệm a - số hiệu chỉnh kể đến tƣơng tác phân tử chất khí thực; v2 b - số hiệu chỉnh kể đến kích thƣớc riêng phân tử khí thực GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 1.2 Năng lƣợng hệ nhiệt động Ta biết vật chất luôn vận động lƣợng hệ đại lƣợng xác định mức độ vận động vật chất hệ Ở trạng thái, hệ có dạng vận động xác định có lƣợng xác định Khi trạng thái hệ thay đổi lƣợng hệ thay đổi thực nghiệm xác nhận rằng: độ biến thiên lƣợng hệ trình biến đổi phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình biến đổi Nhƣ lƣợng phụ thuộc vào trạng thái hệ, suy lƣợng hàm trạng thái Một vật thể có nhiều dạng lƣợng nhƣng hệ nhiệt động ta quan tâm tới dạng lƣợng sau: 1.2.1 Năng lượng toàn phần hệ nhiệt động Khi ký hiệu lƣợng toàn phần hệ nhiệt động W, J w = W/G, J/kg ta có biểu thức sau: W  U  D  Wd  Wt w  ud 2  gh (1) (2) 1.2.2 Ngoại động Là lƣợng hệ chuyển động tạo thành đƣợc tính bằng: Wd  G 2 ;J (3) Ở đây: G, kg – khối lƣợng vật; ω, m/s – Vận tốc vật - Ngoại động có hệ hở 1.2.3 Ngoại Là lƣợng hệ đặt trƣờng lực tạo thành: trƣờng hấp dẫn, trƣờng điện từ Nếu có trọng trƣờng : Wt  G.g.h ;J (4) Ở đây: h, m – độ cao vật so với mặt đất; g, m/s2 – Gia tốc trọng trƣờng - Trong nhiệt động giá trị đại lƣợng ngoại biến đổi ngoại thƣờng nhỏ so với dạng lƣợng khác nên thƣờng bỏ qua 1.2.4 Nội ĐN: Nội năng lƣợng phần tử vi mô tạo nên hệ (nhƣ phân tử, nguyên tử) Nội gồm nội động Uđ nội Ut Nội động Uđ lƣợng chuyển GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt động phân tử sinh ra: chuyển động quay, dao động… hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ Nội Ut đƣợc sinh tƣơng tác phân tử phụ thuộc vị trí khoảng cách trung bình phân tử, có nghĩa phụ thuộc vào áp suất thể tích hệ nhiệt động Do đó: U = Uđ + Ut = f (T, v) ,J (5) Ở trạng thái xác định, nội U hệ có giá trị xác a định Khi thay đổi trạng thái mới, nội hệ có giá trị xác định Giá trị nhất, thay đổi nội hệ phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối b Hình 1.3 trình không phụ thuộc vào trình Biến thiên nội trạng thái 2: U1a2  U1b2  U2  U1 (6) Vậy nội hàm trạng thái, biến thiên nội không phụ thuộc vào trình Do vi phân U vi phân toàn phần, tức là:  U   U  U  f  T, v   dU    dT    dv  T v  v T (7) Với khí lý tƣởng tƣơng tác phân tử nên nội hàm nhiệt độ: U  f T Nên:  U  (8) dU    T  f T  T v Trong tính toán thƣờng quan tâm tới biến thiên nội U , nên chọn trạng thái thuận tiện làm gốc; thƣờng chọn điểm gốc mà nội không Ví dụ o nƣớc bão hòa ngƣời ta lấy nội điểm ba thể có t  0,01 C ; p  0, 0062at 1.2.5 Năng lượng đẩy Một dòng môi chất (khí lỏng) chuyển động có lƣợng sau: động năng, lƣợng đẩy giúp dòng môi chất chuyển động Biểu thức lƣợng đẩy có dạng: D = pV (9) Vì p v thông số trạng thái nên lƣợng đẩy d = pv thông số trạng thái Năng lƣợng đẩy có hệ hở Hệ kín trọng tâm hệ không chuyển động nên d = 1.2.6 Entanpi I Trong tính toán phân tích nhiệt, thƣờng gặp biểu thức  U  pV  , để đơn giản ngƣời ta đặt I gọi entanpi Biểu thức Entanpi viết cho G kg: GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt - “Tỷ số khả xạ khả hấp thụ vật xám nhiệt độ nhƣ khả xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ đó” - Chứng minh: Xét trao đổi nhiệt hai phẳng song song qua môi trƣờng suốt, có khoảng cách nhỏ nhiều bề rộng Hình Tấm thứ vật đen tuyệt đối có nhiệt độ T0, hệ số hấp thụ A0 = 1, suất xạ E0 Tấm thứ hai vật xám có nhiệt độ T, suất xạ E, hệ số hấp thụ A < (hình 9.3) Vật đen xạ E0 sang vật xám bị vật xám hấp thụ A.E0, phần lại (1-A)E0 phản xạ sang vật đen đƣợc vật đen hấp thụ hoàn toàn Vật xám xạ E sang vật đen hấp thụ hoàn toàn Khi cân hai vật có nhiệt độ nhau, vật lƣợng xạ lƣợng hấp thụ đƣợc Vật xám xạ E, hấp thụ A.E0 tức là: E = A.E0 Từ đó: E  T   E  C0   A  100  (14) Suy rộng cho vật xám khác nhiệt độ đƣợc: E1 E E3     E  f  T  A1 A A3 Vậy: Tỷ số khả xạ khả hấp thụ vật xám nhiệt độ nhƣ khả xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ - Hệ quả: +) Tỷ số E/A không phụ thuộc vào chất vật thể, mà phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ không đổi E/A đại lƣợng không đổi, tức E A tỷ lệ thuận: vật có khả xạ lớn hệ số hấp thụ lớn +) Từ suy A = E/E0, mặt khác có độ đen vật xám: ε = E/E0, Vậy: ε=A (15) 6.3 Trao đổi nhiệt xạ hai phẳng song song Trong khuôn khổ chƣơng trình xem xét toán TĐNBX ổn định hai vật đặt môi trƣờng suốt GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 101 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Hai phẳng rộng vô hạn, đặt song song chắn a) Bài toán: - Xét trao đổi nhiệt hai phẳng song song rộng vô hạn qua môi trƣờng suốt (nhƣ chân không) Giả sử hai có hệ số xuyên qua không (D1 = D2 = 0) - Tấm thứ có nhiệt độ T1 = const, suất xạ riêng (năng suất xạ thân) E1, hệ số hấp thụ A1 - Tấm thứ hai có nhiệt độ T2 = const (T1 > T2), suất xạ riêng (năng suất xạ thân) E2 Hình Trao đổi nhiệt xạ số hấp thụ A2 hai phẳng song song b) Yêu cầu: xác định lƣợng nhiệt trao đổi hai hệ - NX: Vì hai rộng vô hạn đặt môi trƣờng suốt nên toàn nhiệt lƣợng xạ phát chiếu đến ngƣợc lại Khi đó, sơ đồ lƣợng đƣợc biểu diễn nhƣ hình bên, suất xạ hiệu dụng suất xạ tới ngƣợc lại - Gọi suất xạ hiệu dụng E hd1, suất xạ hiệu dụng Ehd2 theo (6) ta có: Ehd1  E1  1  A1  E hd2 Ehd2  E2  1  A2  E hd1 Giải hệ phƣơng trình với hai ẩn số E hd1 Ehd2 ta đƣợc: E hd1  E1  E  A1E A1  A  A1A E hd2  E1  E  A E1 A1  A  A1A Theo giả thiết nhiệt độ T1 > T2 nên nhiệt lƣợng cuối truyền từ sang hai q12 (W/m2) Và nhiệt lƣợng bằng: A E1  A1E q12  E hd1  E hd2  A1  A  A1A 4  T1   T2   T  Thay giá trị tƣơng ứng A = ε E  C0   , E1  1.C0   E   C0   vào  100   100   100  ta đƣợc:  T1 4  T2 4  q12  C      1 100 100         1 1  GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 102 , W/m2 (16) Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Đặt   td ; εtđ gọi độ đen tƣơng đƣơng (Độ đen quy dẫn) hệ thì: 1  1 1   T1 4  T2 4  q12   td C0       100   100   , W/m2 (17) 2.Bức xạ hai phẳng song song có chắn Để giảm lƣợng xạ hai phẳng ngƣời ta đặt hai nhiều chắn VD: làm trần giả… Xét trao đổi nhiệt hai phẳng song song qua môi trƣờng suốt, chúng có chắn mỏng M Tấm thứ có nhiệt độ T 1, độ đen ε1 Tấm thứ hai có nhiệt độ T2, độ đen ε2 Màn chắn có độ đen εM Hình Tách hệ thống thành hai hệ thống Hế thống gồm thứ M, hệ thống thành M thứ hai Áp dụng (16) viết đƣợc dòng nhiệt xạ từ tới M: q1M   T   T   C     M   1    100   100   1  M (a) Dòng nhiệt xạ từ chắn tới thứ hai là: q M2   T   T   C  M      1    100   100   M 2 (b) Khi trình TĐN ổn định q1M = qM2 = q1M2 Áp dụng tính chất tỷ lệ thức ta đƣợc: q1M2   T   T   C       1     100   100   1   M (18) Chứng minh tƣơng tự trƣờng hợp đặt n chắn có độ đen nhƣ nhau, ta có: q1M2   T   T   C0       , W/m2   1  100   100      n   1  1 2  n  (19) So sánh (19) với (16), ta thấy trƣờng hợp có đặt chắn lƣợng nhiệt trao đổi xạ giảm GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 103 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Với giả thiết ε1 = ε2 = εM, ta có: q12M  q12  n  1 Nhƣ lƣợng nhiệt trao đổi hai phẳng đặt n chắn nhỏ (n + 1) lần lƣợng nhiệt không đặt chắn GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 104 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt CHƢƠNG VII: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 7.1 Tăng cƣờng hạn chế truyền nhiệt Trong sống hàng ngày nhƣ kỹ thuật có lúc cần tăng cƣờng nhƣng có lúc cần hạn chế truyền nhiệt Ví dụ mùa hè cần mặc ảo mỏng dùng quạt để tăng cƣờng truyền nhiệt từ thể môi trƣờng, ngƣợc lại mùa đông mặc áo len, áo khoác tránh nơi có gió để hạn chế thể nhiệt 7.1.1 Tăng cường truyền nhiệt Để tăng cƣờng truyền nhiệt, ta cần dựa vào dạng trao đổi nhiệt để tìm biện pháp hiệu Chẳng hạn, muốn tăng cƣờng dẫn nhiệt ta giảm chiều dày vách, dùng vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt lớn, tăng độ chênh nhiệt độ hai bề mặt vách Muốn tăng cƣờng trao đổi nhiệt đối lƣu ta tăng cƣờng nhiễu loạn chuyển động tăng tốc độ chất lỏng v.v… Muốn tăng cƣờng trao đổi nhiệt xạ, ta tăng độ đen nhiệt độ vật trao đổi nhiệt xạ v.v… Tuy nhiên, đồng thời xảy dạng trao đổi nhiệt bản, việc tăng cƣờng truyền nhiệt cách hiệu vấn đề phức tạp Để có giải pháp đắn ta cần phân tích trƣơng hợp cụ thể Ví dụ cần tằng cƣờng truyền nhiệt qua vách phẳng lớp ta có lƣợng nhiệt truyền qua bề mặt đơn vị thời gian đƣợc biểu diễn công thức: Q  kFt Trong đó: (1) k, W/m2độ – Hệ số truyền nhiệt F, m2 – Diện tích bề mặt truyền nhiệt t - Độ chênh nhiệt độ Từ (1) ta thấy tăng lƣợng nhiệt truyền cách tăng k, F, t a) Tăng hệ số truyền nhiệt vách phẳng k 1    1   (2) Thông thƣờng với vách mỏng nên bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt   hệ số truyền nhiệt  gần bằng: k    1 1    1  (3) Do để tăng cƣờng truyền nhiệt tăng 1 ,  1  - Khi 1  2 k  1 - Ngƣợc lại, 1  2 k   GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 105 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Nhƣ gọi αbé giá trị bé hai hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu α α2 hệ số truyền nhiệt k bị giới hạn hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu bé (α bé) hay: k  bé (4) Nhƣ để tăng cƣờng truyền nhiệt nói chung hay hệ số truyền nhiệt k nói riêng cần tìm cách tăng hệ số trao đổi nhiệt dịch thể có hệ số TĐNĐL bé b) Tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F Khi làm thêm cách, gân bề mặt tăng diện tích tiếp xúc với môi trƣờng làm tăng lƣợng nhiệt truyền qua Xét truyền nhiệt qua vách phẳng dày , diện tích mặt trái F1, mặt bên phải có làm thêm cánh diện tích F2 Gọi dòng nhiệt truyền từ môi trƣờng bên trái tới mặt trái Q1 Dòng nhiệt truyền từ mặt bên trái tới mặt phải Q2 Dòng nhiệt truyền từ mặt phải tới môi trƣờng bên phải Q3 t L1  t m1 ; 1F t t  Q2  F1 (t m1  t m2 ) = m1 m2   F1 t t Q3 = 2F2 (tm2 - tL2) = m2 L2 ;  F2 Q1 = 1F1(tL1- tm1) = Q1 Q2 Q3 1 2 cánh F2 F1  Hình Do Q1 = Q2 =Q3 , nên dẫn tới : Q= t L1  t L2    1F1 .F1  F2 (5) Mật độ dòng nhiệt : q= Thấy số hạng Q t L1  t L2 =  F1 F1   1   F2 (6) F1 mẫu giảm F2 > F1 nên mật độ dòng nhiệt q tăng lên  F2 7.1.2 Hạn chế truyền nhiệt Nhƣ nói trên, sống nhƣ kỹ thuật lại cần hạn chế truyền nhiệt Cũng giống tăng cƣờng truyền nhiệt để hạn chế truyền nhiệt cần xem xét tƣợng truyền nhiệt cụ thể để tìm cách hạn chế cách có lợi a) Vách phẳng GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 106 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Từ k    1  ta thấy cho thêm lớp vật liệu có hệ k   1 1      1  1   số dẫn nhiệt λcn bé với chiều dày δ cn lớn nhiệt trở tăng mật độ dòng nhiệt giảm Khi chọn vật liệu cách nhiệt nào, với chiều dày vấn đề kinh tế b) Vách trụ đƣờng kính tới hạn lớp cách nhiệt Nếu bề mặt truyền nhiệt hình trụ vấn đề không đơn giản nhƣ Nhiệt trở vách trụ có thêm lớp cách nhiệt là: R d d 1 1  ln  ln cn  1d1 2 d1 2 cn d  d c (7) d1 đƣờng kính vách d2 là đƣờng kính vách dcn đƣờng kính lớp cách nhiệt Khi bề dày cách nhiệt tăng tức dcn tăng dẫn tới tăng nhƣng d ln cn 2 cn d giảm Vì  .d cn qmax q,R qM qN nhiệt trở toàn phần giảm Do cần phải xét mối quan hệ Rt nhiệt trở toàn phần đƣờng kính Rt = cách nhiệt Ta đạo hàm nhiệt trở d theo đƣờng kính cách nhiệt: d2 d R  1   d  d cn  2 cn d cn  d cn dC * dC' Nhiệt trở toàn phần nhỏ khi: d R  1  nghĩa  0 d  d cn  2 cn d cn  d cn Đƣờng kính cách nhiệt ứng với R nhỏ gọi đƣờng kính cách nhiệt tới hạn d th Đƣờng kính cách nhiệt tới hạn bằng: d th  Hoặc GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 2 cn 2 (8)  d th 2  cn 107 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Ứng với dth tổn thất nhiệt lớn nhất, muốn cách nhiệt phải lƣu ý đến điều kiện trên, nghĩa dcn  d th Từ hình 7.13 ta thấy chọn λcn để d2 > dth việc bọc cách nhiệt dẫn đến giảm q Điều có nghĩa phải chọn vật liệu cách nhiệt đảm bảo điều kiện  cn  GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 108  2d Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 7.2 Thiết bị trao đổi nhiệt Định nghĩa Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) thiết bị thực trình trao đổi nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau, ví dụ thiết bị sấy, bình ngƣng, bình bay v.v… Phân loại: Tùy theo mục đích sử dụng mà thiết bị trao đổi nhiệt có cấu tạo tên gọi khác nhau, nhƣng nguyên lý làm việc chúng đƣợc chia thành loại sau: a) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại này, chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với cách liên tục qua vách ngăn cách Sự trao đổi nhiệt đƣợc thực cách liên tục chế độ ổn định Ví dụ bình ngƣng hơi, nhiệt… b) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt Trong TBTĐN loại này, chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với qua nhận nhiệt trung gian gọi tích nhiệt Bộ tích nhiệt đứng yên hay quay tròn Sự trao đổi nhiệt thiết bị loại đƣợc tiến hành qua hai giai đoạn Giai đoạn đầu cho chất tải nhiệt có nhiệt độ cao qua, chất tải nhiệt nhả nhiệt cho phận tích nhiệt, sau cho chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp qua, chất tải nhiệt nhận nhiệt từ phận tích nhiệt Vậy trao đổi nhiệt có tính chu kỳ không ổn định TBTĐN kiểu thiết bị lò cao, số nhà máy nhiệt điện để đốt nóng dòng không khí nhờ dòng khói có nhiệt độ cao c) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp Trong TBTĐN kiểu hỗn hợp chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với chúng hỗn hợp với Đặc điểm loại trình trao đổi nhiệt xẩy đồng thời với trình trao đổi chất Ví dụ tháp giải nhiệt, thiết bị điều tiết không khí kiểu phun… Các phương trình tính nhiệt Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt tính toán thiết kế hay tính toán kiểm tra Mục đích tính toán thiết kế xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo yêu cầu đề Còn tính toán kiểm tra nhằm mục đích kiểm tra lại chế độ làm việc thiết bị trao đổi nhiệt làm việc sau thời gian, chủ yếu kiểm tra nhiệt độ cuối chất tải nhiệt Tuy nhiệm vụ có khác nhƣng tính toán phải dựa vào hai phƣơng trình phƣơng trình truyền nhiệt phƣơng trình cân nhiệt a) Phương trình truyền nhiệt Q  kFt (1) Ở đây: Q, W – dòng nhiệt (lƣợng nhiệt trao đổi hai chất tải nhiệt đơn vị thời gian) k, W/m2 – Hệ số truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt F¸ m2 – Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 109 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Δt – Độ chênh nhiệt độ trung bình Tùy theo yêu cầu độ xác mà độ chênh nhiệt độ trung bình tính theo phƣơng pháp logarit hay phƣơng pháp số học b) Phương trình cân nhiệt Q  G1  i1'  i1"   G  i'2  i"2  (2) Ở đây: Chỉ số “1” tƣơng ứng với chất tải nhiệt nóng, số “2” tƣơng ứng với chất tải nhiệt lạnh Dấu „ tƣơng ứng với thông số vào thiết bị Dấu “ tƣơng ứng với thông số khỏi thiết bị G – Lƣu lƣợng khối lƣợng¸ kg/s i – entanpi, J/kg Nếu chất tải nhiệt không biến đổi pha có nhiệt dung riêng không đổi phƣơng trình cân nhiệt viết: Q  G1Cp1  t1'  t1''   G 2Cp2  t ''2  t '2  (3) Cp – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp, J/kgK t – Nhiệt độ , oC Ta đặt W  GCp , W/k gọi đƣơng lƣợng nƣớc (hay nhiệt dung toàn phần) Khi Q  W1  t1'  t1''   W2  t ''2  t '2  (4) Từ suy ra: t1'  t1'' t1 W2   t ''2  t '2 t W1 (5) δ1 – thay đổi nhiệt độ chất tải nhiệt nóng δ2 – Sự thay đổi nhiệt độ chất tải nhiệt lạnh Ta thấy thay đổi nhiệt độ chất tải nhiệt tỷ lệ nghịch với nhiệt dung toàn phần chúng Bên cạnh thay đổi nhiệt độ chất tải nhiệt phụ thuộc vào chiều chuyển động chúng Trong thiết bị trao đổi nhiệt, chất tải nhiệt chuyển động theo cách khác nhau: chuyển động song song chiều, chuyển động song song ngƣợc chiều chuyện động cắt Cùng chiều Ngƣợc chiều Hình Tính độ chênh trung bình nhiệt độ hai chất lỏng GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 110 Cắt Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Thiết lập công thức tính độ chênh nhiệt độ trung bình xác thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn cho trƣờng hợp hai dòng dịch thể chuyển động song song chiều Sơ đồ xác định độ chênh nhiệt độ trung bình cho trƣờng hợp dịch thể song song chiều cho hình Hình Phƣơng pháp xác định độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit Xét trình trao đổi nhiệt hai dịch thể hai điểm bề mặt truyền nhiệt F x Fx+dFx Dọc theo phân tố dFx nhiệt độ dịch thể nóng dịch thể lạnh thay đổi lƣợng tƣơng ứng dt1 dt2 Vì phân tố dFx vô nhỏ nên hoàn toàn xem độ chênh nhiệt độ hai dịch thể khoảng dF không đổi Δt x Khi đó, phƣơng trình truyền nhiệt viết cho phân tố bề mặt truyền nhiệt dF bằng: dQ  kdFx t x (6) Theo ký hiệu hình 2, vi phân nhiệt độ dịch thể nóng dt lấy giá trị âm Do đó, nhiệt lƣợng dQ theo phƣơng trình cân nhiệt đƣợc viết dƣới dạng: dt1   dt  dQ W1 (7) dQ W2 (8) Trừ vế hai phƣơng trình (7) (8) cho ta đƣợc: dt1  dt  ( Hay 1  )dQ W1 W2  1  d(t1  t )      dQ  W1 W2  GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 111 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Đặt  1  m    W1 W2  Khi d(t1  t )  mdQ (9) Nhƣ ta nói, phạm vi bề mặt truyền nhiệt vô nhỏ dF ta xem (t - t2) không đổi t x Do đó, thay giá trị dQ biểu thức (6) vào quan hệ ta đƣợc: d  t x   mkdFx t x (10)   Khi tích phân hai vế phƣơng trình (10) với t x biến đổi từ t1  t1'  t '2 với biến số Fx từ đến Fx ta đƣợc:  d  t x  Fx   mkdFx t x Hay ln t x  mkFx t1 Do t x  t1e mkdFx t x t1 (11) Công thức (11) biểu diễn quy luật thay đổi độ chênh nhiệt độ t x theo bề mặt truyền nhiệt Fx Từ quan hệ hàm số t x  f  Fx  dạng (11) dễ dàng tính đƣợc độ chênh nhiệt độ trung bình Theo khái niệm giá trị trung bình hàm số ta có: t1 (e mkF  1) 1  mkFx  t dF   t e dF  x x x F 0 F 0 mkF F t  F  (12)  Mặt khác từ (11) thay t x  t  t1''  t ''2 Fx = F ta đƣợc t  t1.e mkF e mkF  Hay t t1 => mkF  ln (13) t t1 (14) Thay (13) (14) vào (12) ta đƣợc giá trị nhiệt độ trung bình Logarit t  t  Hay    t  t1 t ln t1 t1  t t ln t Trong đó: t1  t1'  t '2 t  t1''  t ''2 GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng (15) (16)  112 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt Nhận xét: Trong trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động song song ngƣợc chiều giá trị m (9) đổi hình dạng:  1  m    W1 W2  Bằng phƣơng pháp tƣơng tự chứng minh đƣợc độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarit trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động song song ngƣợc chiều lấy gần dạng (15) (16) nhƣng t1   t1'  t ''2  t   t1''  t '2  Nhƣ vậy, độ chênh nhiệt độ t1và t hai trƣờng hợp song song chiều song song ngƣợc chiều dẫn đến độ chênh ban đầu vào (F = 0) đầu (F = F) thiết bị dịch thể nóng dịch thể lạnh Vì vậy, để tránh lấy logarit số nhỏ tránh nhầm lẫn khác dùng chung công thức để tính độ chênh nhiệt độ trung bình cho hai trƣờng hợp chiều ngƣợc chiều sử dụng công thức t  t max  t t ln max t (17) Trƣờng hợp biến thiên nhiệt độ chất lỏng dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt tƣơng đối  t max / t  2 dùng độ chênh nhiệt độ trung bình số học thay cho độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit mà sai số không vƣợt 4% Trong trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động cắt nhau, độ chênh nhiệt độ trung bình t cn đƣợc tính theo độ chênh nhiệt độ trung bình hai dịch thể chuyển động ngƣợc chiều t nc với hệ số điều chỉnh  t theo công thức: t cn  t t nc (18) Hệ số hiệu chỉnh  t đƣợc xác định thực nghiệm theo hai tham số P R: P t1'  t1'' t ''2  t '2 R  t ''2  t '2 t1'  t '2 Các trƣờng hợp chuyển động phức tạp khác tính tƣơng tự theo công thức (18) hệ số  t tƣơng ứng xem phụ lục sách chuyên môn GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 113 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN MỘT: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ thống nhiệt động 1.2 Năng lƣợng hệ nhiệt động CHƢƠNG II: QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG - ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC11 2.1 Quá trình nhiệt động, trao đổi lƣợng trình 11 2.2 Định luật nhiệt động học 17 2.3 Các trình nhiệt động khí lý tƣởng 20 2.4 Quá trình nén khí máy nén 27 2.5 Quá trình lƣu động tiết lƣu chất khí 33 CHƢƠNG III: CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG, ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG 41 3.1 Chu trình nhiệt động 41 3.2 Chu trình Carnot 44 3.3 Entropi 46 3.4 Định luật hai nhiệt động 49 3.5 Chu trình Động đốt 50 3.6 Chu trình máy lạnh dùng không khí nén 58 PHẦN HAI: TRUYỀN NHIỆT 61 CHƢƠNG IV: DẪN NHIỆT 62 4.1 Những khái niệm 62 4.2 Phƣơng trình vi phân dẫn nhiệt 65 4.3 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng điều kiện biên loại loại 69 4.4 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ điều kiện biên loại loại 74 CHƢƠNG V: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU 79 5.1 Những khái niệm 79 GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 114 Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 5.2 Hệ phƣơng trình miêu tả TĐNĐL 82 5.3 Khái quát lý thuyết đồng dạng 85 5.4 Một số phƣơng trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt đối lƣu 92 CHƢƠNG VI: TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ 97 6.1 Những khái niệm 97 6.2 Các định luật xạ 99 6.3 Trao đổi nhiệt xạ hai phẳng song song 101 CHƢƠNG VII: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 105 7.1 Tăng cƣờng hạn chế truyền nhiệt 105 7.2 Thiết bị trao đổi nhiệt 109 GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 115 ... nhiệt nghiên cứu quy luật truyền nhiệt vật vật có nhiệt độ khác GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Nhiệt động kỹ thuật môn học nghiên cứu quy luật... vấn đề cần nắm vững môn Kỹ thuật nhiệt Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần: Phần Nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu quy luật chuyển hóa lƣợng có liên quan đến nhiệt Phần “Truyền nhiệt .. .Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt LỜI NÓI ĐẦU “KỸ THUẬT NHIỆT” môn học nghiên cứu quy luật biến đổi lƣợng (chủ yếu quy luật biến đổi nhiệt năng) quy luật truyền nhiệt vật nói chung thiết bị nhiệt