giáo trình nhiệt kỹ thuật

1. 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. 1. 1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật + Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật: Nhiệt động học kỹ thuật là môn học khoa học tự nhiên, nghiên cứu những qui luật về biến đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng nhằm tìm ra các biện pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. + Phương pháp nghiên cứu: Nhiệt động học được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai. Nghiên cứu bằng phương pháp giải tích: ứng dụng các định luật vật lý kết hợp với các biến đổi toán học để tìm ra công thức thể hiện qui luật của các hiện tượng, các quá trình nhiệt động.

KHOA ĐỘNG LỰC Phần thứ nhất NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Nhiệt động kỹ thuật là môn học nghi ên cứu những qui luật biến đổi lượng có liên quan đến nhiệt các quá trình nhiệt động, nhằm tìm những phương pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt và Cơ sở nhiệt động đa được xây dựng từ thế kỷ XIX, xuất hiện các động nhiệt Môn nhiệt động được xây dựng sở hai định luật bản: định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai định luật nhiệt động thứ nhất chính là định luật bảo toàn và biến hoá lượng áp dụng lĩnh vực nhiệt, nó cho phép xác định số lượng nhiệt và công trao đổi quá trình chuyển hoá lượng định luật nhiệt động thứ hai xác định diều kiện, mức độ biến đổi nhiệt thành năng, đồng thời xác định chiều hướng của các quá trình xẩy tự nhiên, nó đặc trưng về mặt chất lượng của quá trình biến đổi lượng Những kết quả đạt được lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng sở lí thuyết cho các động nhiệt và tìm phương pháp đạt được công có ích lớn nhất các thiết bị lượng nhiệt HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 124 KHOA ĐỘNG LỰC CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật + Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật: Nhiệt động học kỹ thuật la môn học khoa học tự nhiên, nghiên cứu những qui luật về biến đổi lượng ma chủ yếu la nhiệt va nhằm tìm các biện pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt va + Phương pháp nghiên cứu: Nhiệt động học được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai - Nghiên cứu bằng phương pháp giải tích: ứng dụng các định luật vật lý kết hợp với các biến đổi toán học để tìm công thức thể hiện qui luật của các hiện tượng, các quá trình nhiệt động - Nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm: tiến hanh các thí nghiệm để xác định giá trị các thông số thực nghiệm, từ đó tìm các qui luật va công thức thực nghiệm 1 Hệ nhiệt động 1 Hệ thống thiết bị nhiệt Trong thực tế ta gặp nhiều hệ thống thiết bị nhiệt máy lạnh, máy điều hoa nhiệt độ, các thiết bị sấy, chưng cất, thiết bị nha máy điện , chúng thực hiện việc chuyển tải nhiệt từ vùng đến vùng khác hoặc biến đổi nhiệt công * Hệ thống thiết bị: Máy lạnh, máy điều hoa nhiệt độ tiêu tốn công để chuyển tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp (buồng lạnh) đến vùng có nhiệt độ cao (không khí bên ngoai) Tua bin HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 125 KHOA ĐỘNG LỰC của nha máy nhiệt điện nhận nhiệt từ nguồn nóng (có nhiệt độ cao), nhả nhiệt cho nguồn lạnh để biến đổi nhiệt Để thực hiện được việc đó thì cần có các hệ thống thiết bị nhiệt va môi chất * Môi chất Muốn thực hiện việc truyền tải nhi ệt va chuyển hoá nhiệt hoặc ngược lại các thiết bị nhiệt, phải dùng chất trung gian gọi la môi chất hay chất công tác Trong thực tế, môi chất thường ở thể lỏng, thể hoặc thể khí vì chúng dê dang nén, ép va có khả thay đổi thể tích lớn, thuận lợi cho việc trao đổi công 1 2 Định nghĩa và phân loại hệ nhiệt động Tập hợp tất cả các vật thể liên quan với về mặt va nhiệt được tách để nghiên cứu gọi la hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm hệ nhiệt động gọi la môi trường xung quanh Ranh giới giữa hệ nhiệt động va môi trường có thể la một bề mặt cụ thể, cũng có thể la bề mặt tưởng tượng ta qui ước Ví dụ nghiên cứu quá trình đun nước một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt động la nước va bình, còn môi trường xung quanh la bình va không khí xung quanh Các vật thể nằm hệ có thể trao đổi nhiệt với va với môi trường xung quanh Có thể phân hệ nhiệt động hệ cô lậ p va hệ đoạn nhiệt, hệ kín va hệ hở * Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt Hệ cô lập la hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt va công với môi trường xung quanh Hệ đoạn nhiệt la hệ không trao đổi nhiệt với môi trường Trong thực tế, không có hệ hoan toan cô lập hoặc đoạn nhiệt, ma chỉ gần đúng với sai số có thể cho phép được * Hệ kín và hệ hở: HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 126 KHOA ĐỘNG LỰC Hệ kín la hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh Hệ hở la hệ có trao đổi chất với môi trường xung quanh Ví dụ: Ở tủ lạnh, máy điều hoa nhiệt độ thì lượng môi chất (ga lam lạnh) không thay đổi, đó nó la một hệ kín; ở động xe máy, môi chất chính la lượng khí thay đổi liên tục, đó nó la hệ hở 1 Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động 1 Trạng thái và thông số trạng thái Trạng thái la một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lí của môi chất hay của hệ ở một thời điểm nao đó Các đại lượng vật lí đó được gọi la thông số trạng thái Thông số trạng thái la một ham đơn trị của trạng thái, có vi phân toan phần, đó vật hoặc hệ ở một trạng thái xác định thì các thông số trạng thái cũng có giá trị xác định Nghĩa la độ biến thiên các thông số trạng thái quá trình chỉ phụ thuộc vao điểm đầu va điểm cuối của quá trình ma không phụ thuộc vao đường của quá trình Trong nhiệt động, thường dùng thông số trạng thái có thể đo được trực tiếp la nhiệt độ T, áp suất p va thể tích riêng v (hoặc khối lượng riêng ρ ), còn gọi la các thông số trạng thái bản Ngoai ra, tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác như: nội U, entanpi E va entrôpi S, các thông số không đo được trực tiếp ma được tính toán qua các thông số trạng thái bản Trạng thái cân bằng củ a hệ đơn chất, một pha được xác định biết hai thông số trạng thái độc lập Trên đồ thị trạng thái, trạng thái được biểu diên bằng một điểm Khi thông số trạng thái tại mọi điểm toan bộ thể tích của hệ có trị số đồng nhất va không thay đổi theo thời gian, ta nói hệ ở trạng thái cân bằng Ngược lại không có sự đồng nhất nghĩa la hệ ở trạng thái không cân bằng Chỉ có trạng thái cân bằng mới biểu diên được đồ thị bằng một điểm nao đó, còn trạng thái không cân bằng thì thông số trạng thái tại các điểm khác sẽ khác nhau, đó không biểu diên được đồ thị Trong giáo trình ta chỉ nghiên cứu các trạng thái cân bằng HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 127 KHOA ĐỘNG LỰC * Nhiệt độ tuyệt đối Nhiệt độ la một thông số trạng thái bi ểu thị mức độ nóng lạnh của vật, nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử va nguyên tử Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ của chất khí la đại lượng thống kê, tỉ lệ thuận với động trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử T= mϖ 3k Trong đó: T la nhiệt độ tuyệt đối của vật, m la khối l ượng phân tử, ϖ la vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử, k la hằng số Bonzman, bằng 1, 3805 10-23j/K Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử cang lớn thì nhiệt độ của vật cang cao Trong hệ thống SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ: - Thang nhiệt độ bách phân: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ t, đơn vị đo la độ Censius (0C) - Thang nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ T, đơn vị đo la độ Kenvin (0K) Hai thang đo có quan hệ với bằng biểu thức sau: t (0C) = T (0K) - 273, 15 (1-2) Nghĩa la (0C) tương ứng với 273, 15 0K Giá trị mỗi độ chia hai thang bằng nhau: dT = dt HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 128 KHOA ĐỘNG LỰC Ngoai ra, một số nước Anh, Mỹ còn dùng thang nhiệt độ Farenhet, đơn vị đo la 0F va thang nhiệt độ Renkin, dơn vị đo la 0R Giữa độ C, độ F va độ R có mối quan hệ sau: t 0C = T 0K - 273, 15 = 95(t 0F -32) = 95t 0R -273, 15, (1-3) Để đo nhiệt độ, người ta dùng các dụng cụ khác như: nhiệt kế thuỷ ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hoả quang kế, v v v * Áp suất tuyệt đối: Lực tác dụng của môi chất vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp x c gọi la áp suất tuyệt đối của môi chất Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỉ lệ với động trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử va với số phân tử khí một đơn vị thể tích: P = α n mϖ 3k (1-4) Trong đó: n : la số phân tử khí một đơn vị thể tích, α : la hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vao kích thước bản thân phân tử va lực tương tác giữa các phân tử áp suất cang nhỏ, nhiệt độ cang cao thì … cang gần tới 1; m: la khối lượng phân tử; α : la vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử Đơn vị tiêu chuẩn đo áp suất la Pascal, kí hiệu la Pa: 1Pa = 1N/m2, 1Kpa = 103Pa, 1Mpa = 106Pa (1-5) goai đơn vị tiêu chuẩn trên, hiện các thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo khác như: atmôtphe kỹ thuật at hay kG/cm (1at = 1kG/cm2); bar; milimet cột nước (mmH2O); milimet thuỷ ngân (mmHg), quan hệ giữa ch ng sau: hiệu la p k, HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 129 KHOA ĐỘNG LỰC đo bằng baromet 1Pa = 1N/m = 105 bar = 1 10 −5 at = mmH = mmHg 0,981 0,981 133,32 (1-6) áp suất của không khí ngoai trời (ở mặt đất) gọi la áp suất khí quyển, ký hiệu la pk’ đo bằng baromet Một chất khí chứa bình kín có áp suất tuyệt đối la p Nếu áp suất p lớn áp suất khí quyển Pk thì hiệu giữa chúng được gọi la áp suất dư, ký hiệu la pd, pd = p - pk, được đo bằng manomet Nếu áp suất p nhỏ áp suất khí quyển P k thì hiệu giữa chúng được gọi la độ chân không, ký hiệu la p ck, pck = p - pk, được đo bằng chân không kế Quan hệ giữa các loại áp suất đó được biểu diên hình 1.1 * Thể tích riêng và khối lượng riêng: Một vật có khối lượng G kg va thể tích V m3 thì thể tích riêng của nó la: v= [ V m /kg G ] (1-7) va khối lượng riêng của nó la: v= [ V kg /m G ] (1-8) * Nội Nội của một vất la toan bộ lượng bên vật đó, gồm nội nhiệt va hoá va lượng nguyên tử Trong các quá trình nhiệt động, không xẩy các phản ứng hoá học va phản ứng hạt nhân, nghĩa la lượng các dạng không thay đổi, đó tất cả các thay đổi lượng bên của vật chỉ la thay đổi nội nhiệt Vậy nhiệt động học ta nói nội nghĩa la nội nhiệt Nội bao gồm hai phần: nội động va nội thế Nội động HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 130 KHOA ĐỘNG LỰC la động của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, dao động của các phân tử, nguyên tử; còn nội thế la thế tương tác giữa các phân tử: U = Uđ + Uth (1-9) Chuyển động của các phân tử phụ t huộc vao nhiệt độ của vật, đó nội động la ham của nhiệt độ: Uđ = f(t), còn lực tương tác giữa các phân tử phụ thuộc vao khoảng các giữa ch ng tức la phụ thuộc vao thể tích riêng v của các phân tử, đó nội thế la ham của thể tích: Uth = f(v) Như vậy nội phụ thuộc vao nhiệt độ T va thể tích v, nói cách khác nó la một ham trạng thái: U = f(T, v) Khi vật ở một trạng thái xác định nao đó, có giá trị nhiệt độ T va thể tích v xác định thì sẽ có giá trị nội U xác định Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, đó nội chỉ phụ thuộc vao nhiệt độ T, nghĩa la U = f(T) Trong mọi quá trình, nội được xác định bằng: du = CvdT va u = Cv(T2 - T1) (1-10) Đối với 1kg môi chất, nội ký hiệu la u, đơn vị đo la j/kg; Đối với Gkg ký hiệu la U, đơn vị đo la j Ngoai có thể dùng các đơn vị đo khác như: Kcal; KWh; Btu… Quan hệ giữa các dơn vị đó la: 1kj = 0, 239 kcal = 277, 78 10-6 kwh = 0, 948 Btu (1-11) Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết biến thiên nội ma không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng, đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý ma tại đó nội bằng không Theo qui ước, đối với nươc ta chọn u = tại điểm có nhiệt độ t = 0, 01 0C va áp suất p = 0, 0062 at (điểm thể của nước) * Entanpi: Đối với 1kg, entanpi được ký hiệu la i, đối với Gkg ký hiệu la I, va được định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv; (j/kg) HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT (1-12) Trang 131 KHOA ĐỘNG LỰC I = G i = G (u + pv) = U = pV; (J) (1-13) Entanpi cũng la một thông số trạng thái, không đo được trực tiếp ma được tính toán qua các thông số trạng thái bản u, p va v Vi phân của nó: di = du + d(pv) la vi phân toan phần Đối với hệ hở, pv la lượng đẩy tạo công lưu động để đẩy dòng môi chất dịch chuyển, còn hệ kín tích số pv không mang ý nghĩa lượng đẩy Tương tụ nội năng, entanpi của khí thực phụ thuộc vao nhiệt độ T va thể tích v, nói cách khác nó la một ham trạng thái: i = f(T, v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, đó entanpi chỉ phụ thuộc vao nhiệt độ T, nghĩa la i = f(T) Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng: di = CpdT va i = Cp(T2 - T1) (1-14) Tương tự nội năng, các quá trình nhiệt động ta chỉ cần tính toán độ biến thiên entanpi ma không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi, đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý ma tại đó entanpi bằng không Theo qui ước, đối với nươc ta chọn i = tại điểm có nhiệt độ T = 0K hoặc ở điểm thể của nước * Entropi: Entropi la một thông số trạng thái, được ký hiệu bằng s va có vi phân toan phần bằng: ds dp , J/kg K T (1-15) Entropi được ký hiệu bằng s đối với kgva S đối với G kg Entropi không đo được trực tiếp ma phải tính toán va thường chỉ cần tính toán độ biến thiên s của nó đôí với nội va entanpi Đối với Gkg thì: HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 132 KHOA ĐỘNG LỰC dS = G ds = dQ , j/0K, T (1-16) * Execgi: Trong thực tế, tất cả các dạng lượng (trừ nhiệt năng) đều có thể biến hoan toan công các quá trình thuận nghịch Ngược lại, nhiệt chỉ có thể biến đổi một phần công quá trình thuận nghịch vì ch ng còn bị giới hạn bởi nhiệt độ môi trường Phần lượng có thể biến công các quá trình thuận nghịch được gọi la execgi, kí hiệu la e hoặc E, còn phần lượng không thể biến công được gọi la anecgi, kí hiệu la A hoặc a Q= e + a Trong đó: (1-17) E la execgi, A la anecgi 1 Tính chất của thông số trạng thái - Thông số trạng thái có vi phân toan phần - Thông số trạng thái la ham đơn trị của trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vao điểm đầu va điểm cuối của quá trình ma không phụ thuộc vao đường của quá trình Nhiệt lượng va công trao đổi một quá trình phụ thuộc vao đường của quá trình nên không phải la thông số trạng thái, chúng la ham của quá trình 1 Quá trình và chu trình nhiệt động 1 Quá trình Bất kỳ sự thay đổi trạng thái nao của vật hoặc của hệ gắn liền với những hiện tượng nhiệt gọi la quá trình nhiệt động Nói cách khác, quá trình nhiệt động phải có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi kèm theo sự trao đổi nhiệt hoặc công Khi môi chất hoặc hệ thực hiện một quá trình, nghĩa la chuyển từ trạng thái cân bằng sang trạng thái cân bằng khác thì trạng thái cân bằng trước bị phá huỷ Nếu HỌC PHẦN: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 133 Giá trị Et = 1353 W/ có ý nghĩa rất lớn thiên văn học được gọi la hăng số mặt trời Et chính la cường độ BXMT đến mặt ngoai khí quyển trái đất 11.6.2.2.Cân nhiệt cho vật thu BX ngoài quyễn Phương trình cân băng nhiệt cho vật thu BXMT ngoai khí quyên, lúc ỗn định sẽ có dạng: AetFt = EF đó, A la số hấp thụ F la diện tích xung quanh vật,Ft la diện tích hứng nắng, bằng hình chiếu của F theo hướng tia nắng hay diện tích cái bóng của V, gọi vaT la độ đen va nhiệt dộ cân bằng (lúc ổn định) F phương trình có dạng: A Ft = ԑ F Do đó nhiệt độ cân băng của vật hấp thụ BXMT la: T= ,[K] Nếu V la vật xám hình cầu, = = Nếu: T= ,[K] Nếu không kể đến ảnh hương của quyển, nhiệt độ cân băng của mặt đất la: T = 5672 = 278K = C Đây có thể coi la giá trị trung bình của nhiệt độ toan cầu 11.6.3 Bức xạ mặt trời đến trái đất Trái đất la hanh tinh hiình cầu đường kính d = 1,273 R = 1,495 góc γ = với chu kỳ 33 theo chu kỳ m,quay quanh mặt trời theo quỹ đạo gần tròn bán kính = =365,25 đồng thời quay quanh trục nghiên mặt phăng quỹ đạo = =24h trá đất được bao bọc bởi lớp quyên co áp suất giảm dần với chiều cao theo luật P= KỸ THUẬT NHIỆT Trang 272 Công suất bức xạ mặt trời chiêu xuân trái đất la: Qt = EtFt = Ft = 1353 Qtbăng tổng công suất của lương Qn 5,4 = 1,72 [W] nha máy thuiỷ điên hòa binh ở nước ta Do đó mổn năm trái đất nhận được J tia bức xa Et dến khí quyển một pần nhỏ Et bi phản xạ phần cò lại vao khí quyểnbị hấp thụ va bị táng xạ bởi ozon O3, hơ nước mây bụi khí quyển suất quản đường phần còn lại sau cùng truyền tới mặt đất gọi la tia trực xạ EtD nếu R = thì EtD = (1-A)Et Trong đó A phụ thuật vao = H/sinϕ,P ,T của khí quyển va các yêu tố khác của khí quyển mây bụi vv.Hệ số hấp thụ A=F(φ p T tha phần tính chất khí quyển được đo đạt trực tiếp từng địa phương va lấy trị số trung bình theo mùa ngoai tia tực xạ mỗi điêm M mặt đất còn nhận được thêm một dòng bức xạ táng xạ khí quyên va các vật xung quyanh truỳên tới ET, [W/m2], có trị số khoảng 60 W/m2 trời Như vậy dò nhiệt dòng nhiệt bức xạ đến m2 mặt thu năm ngan mặt đất sẽ bằng : Ed = Et(1 -A)cosϕ + ET, (W/m2), Với φ la góc tới của tia nắng Phương trình cân băng nhiệt cho vật V khí quyên sẽ có dạng: A V EdFt ∆τ = MC∆tV + kF(tF − tf )∆τ,[J] KỸ THUẬT NHIỆT Trang 273 Do chuyển động quay quanh trục va mặt trời với trục nghiên 66, 50 Nhiệt độ mội trường va mặt đất luân thay đổi tuần hoan thheo thời gian τ , la tổng hợp hai dao động nhiệt có chu kỳ τn = 24h va τN = 365,25 24h, có dạng hình H11.6.3d 11.6.4 Thu và sử dụng lượng mặt trời 11.6.4.1 Hiệu ứng lòng kính Hiệu ưng lòng kinh la hiệu ưng tích lũy lượng bức xạ măt trời dưới tấm kính Độ đơn sắt D của tâm kinh la một số chất khí có tinh chất giản dân tăng bước sóng λ bức xạ mặt trới phát xạ từ nhiệt độ T0 Rất cao có lượng tâp trung quanh bước sóng λmo = 0,5 µm xuyên qua kính gần hoan toan bức xạ thư cấp phát từ vật thu co nhiệt độ T khoảng 370K lượng tập trung xung quanh λm = 78 µm hầu nhu được giữ lại bên dưới tấm kính bức xạ >0 được tich lũy bên dưới tâm kinh 11.6.4.2 Thu và sử dụng lượng mặt trời Để thu bức xạ mặt trời một cách hiệu quả người ta thường áp dụng hiệu ưng lòng kính Hộp thu H11.6.4.b gôm mặt thu Ft có A bên dưới Ft la chất cần gia nhiệt xung quanh la lớp cách nhiệt C phía đậy la một tâm kinh đậy K tâm kinh tao hiêu ưng lòng kinh để tích lũy nhiệt hộp đổng thời giảm bớt bức xạ va đối lưu Ft ngoai môi trường Để tang nhiệt độ mặt thu Ft người ta có thể dùng gương phản xạ la những mặt bóng có R lớn để tâp trung lượng bức sxạ đên Ft Gương pgản xạ có thể la gương phẳng , gương nón, gương parabol trụ hoặc parabol tròn xoay để tăng hiệu quả thu nhiệt thực tế người ta còn dùng các thiết bị điêu chỉnh trụ gương luân song song tia Người ta sư dụng nhiệt mặt trời để sấy sưởi chạy máy hấp thu sản xuất diên cug câp nhiệt cho tiêu dung va sản xuất lượng mặt trời la loạn lượng khong co chất thải co săng mội nơi va rẽ tiền với dung lương lớn va lau dai, sẽ la nguồn sữ dụng rông rãi tương lai KỸ THUẬT NHIỆT Trang 274 Chương 12 TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 12.1 TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC HỢP Trao đổi nhiệt phức hợp la hiện tượng TĐN đó có hai hoặc cả phương thức bản cùng xảy Đó la hiện tượng trao đổi nhiệt giữa vật rắn va các môi trường khác ma nó tiếp xúc 12.1.1 TĐN phức hợp vật rắn và các môi trường Nếu vật rắn tiếp xúc môi trường có đặc trưng pga khác nhau: rắn đ, lỏng (l), khí (k) va chân không hoặc môi trường các hạt dưới mức phân tử (c) tại bề mặt Fr , Fl , Fk va Fc thì: - Trong V chỉ xảy hiện tượng dẫn nhiệt đơn thuần ( qλ ) va thay đổi nội ( ρV ∆u ) - Trên Fr chỉ xảy hiện tượng dẫn nhiệt Fr va môi trường rắn ( qλr ) - Trên F1 chỉ xảy hiện tượng tỏa nhiệt giữa F1 va chất lỏng , vì tỏa nhiệt đã bao gồm dẫn nhiệt va bức xạ vao chất lỏng, được lớp chất lỏng gần vách hấp thụ va mang theo dòng đối lưu - Trên F1 chỉ xảy hiện tượng TĐN bức xạ giữa Fc va môi trường ( qε ) - Chỉ Fk mới xảy đồng thời hiện tượng tỏa nhiệt ( qα k ) va TĐN bức xạ ( qε k ) với chất khí Dòng nhiệt mỗi m mặt Fk la: qk = qα k + qε k (12-1) Nếu tính theo nhiệt độ va độ đen Tw, εw của mặt Fk va Tk, εk = của chất khí thì qk sẽ có dạng: qk = α k ( Tw − Tk ) + ε wδ ( TW4 − Tk4 ) (W/m2) (12- 2) Tw4 − Tk4 Với α = α k + ε wδ Tw − Tk (W/m2K) được gọi la hệ số tỏa nhiệt phức hợp 12.1.2 Cân nhiệt cho hệ TĐN phức hợp Nếu qui ước dòng nhiệt q vao hệ V la dương (+), khỏi hệ la (-) thì phương trình cân bằng nhiệt tổng quạt cho hệ V bất kỳ sẽ có dạng: ρV ∆u = τΣQi ( j ) với Qi ∫ q1dF , ( W ) F1 (12-3) Nếu dòng nhiệt q không đổi Fi va có nhiều hình (12.1.1) thì phương trình cân bằng nhiệt cho hệ V sẽ có dạng: ( ) ρVC p Tτ − T0 = τ  qλ r Fr + qε Fc − qα F1 − ( q0 k ) Fk +  Khi vật V ổn định, ∆u = 0, phương trình CBN có dạng ΣQi = Nếu hệ vật V la chất lỏng hay chất khí chứa V thì phương trình CBN có dạng: ρV ∆i = τΣQi với ∆I = iτ − i0 la biến thiên entanpi của chất lỏng hay khí V, sau khoảng thời gian τ Nếu chất lỏng V không chuyển pha va coi mỗi dòng nhiệt qi = const được tính tại nhiệt độ trung bình của mặt F1 la Tw1 = KỸ THUẬT NHIỆT ( Tw − T0 ) thì phương trình CBN có dạng: Trang 275 ρVC p ( Tτ − T0 ) = τ  qλ r Fr + qε Fc − qα F1 − ( q0 k + q0 k FK + )  (12-5) Nhờ phương trình có thể tìm được đại lượng chưa biết nao đó, chẳng hạn nhiệt độ Tτ hoặc thời gian τ có thể xác định tất cả các đại lượng còn lại 12.2 TRUYỀN NHIỆT 12.2.1 Truyền nhiệt và phương trình can nhiệt ổn định nhiệt Truyền nhiệt theo nghĩa hẹp la tên gọi của hiện tượng TĐN phức hợp giữa chất lỏng có nhiệt độ khác nhau, thông qua bề mặt ngăn cách của một vật rắn Hiện tượng thường hay gặp thực tế va các thiết bị TĐN Tùy theo đặc trưng pha của hai chất lỏng, các quá trình TĐN mặt W1, W2 của vật rắn có thể bao gồm hoặc phương thức đối lưu va bức xạ, còn vách chỉ xảy dẫn nhiệt đơn thuần mô tả hình 12.2.1 Khi vách ngăn ổn định nhiệt thì hệ phương trình mô tả lượng nhiệt Q truyền từ chất lỏng nóng (1) đến chất lỏng lạnh (20) sẽ có dạng: Q = Q1ww1 = Qλ + Q2w (12-6) 12.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng 12.2.2.1 Vách phẳng có cánh Bài toán: Tính lượng nhiệt truyền từ chất lỏng nóng có nhiệt độ tf1 đến chất lỏng lạnh có nhiệt độ tf2 thông qua vách phẳng day δc, có mặt F1 = hl phẳng, các mặt F2 gồm n cánh có các thông số hình học (h1, h2, l) hình 12.2.2.1., với các hệ số tỏa nhiệt phức hợp tại F1, F2 la α1 , α cho trước Lời giải: Coi nhiệt lượng δ = δ0 + nl ( h1 + h2 ) 2h Qλ dẫn qua vách la nhiệt lượng qua vách phẳng có chiều day tương đương , coi nhiệt độ tw2 (chưa biết) phân bố đều mặt F2 =  h − n ( h1 − h2 ) + n 412 + ( h1 − h2 )  L, thì phương trình cân bằng nhiệt sẽ có dạng:   λ (12-7) Q = α1 ( t f − t w1 ) F1 = ( t wl − tw ) F1 = α ( t w − t f ) F2 δ Đây la hệ phương trình bậc của ẩn số t w1 , t w1 va có nghiệm Q la: Q= (t −tf ) 1 + + α1F1 λ F1 α F2 f1 (12-8) Nếu tính theo 1m2 bề mặt thì dòng nhiệt q1 sẽ bằng: q1 = ( tf1 − tf ) = k t − t Q = 1c ( f f2) F1 + δ + F1 α1 λ α F2 (12-9) Trong đó: KỸ THUẬT NHIỆT Trang 276 F2 n n = 1+ 412 ( h1 − h2 ) − ( h1 − h2 ) = ε c F1 h h được gọi la hệ số lam cánh, thường ε c = ( ÷ 5) −1 1 δ  ; k1c =  + + ÷ , (w/m2K) la hệ sớ phụ thuộc truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh, phụ thuộc vao  α1 λ α  các thông số: α1 , a2 , ε c , δ , λ Vì có k ε thì thay đổi tw1 va lặp lại các bước từ đến Nếu ε ≤ εq thì coi kết quả la giá trị gần - So sánh q va đúngvới sai số ≤ Sai sớ chọn trước thường la • ε va nếu lấy q = (qα1 + qα2 ) ε = 5% Chú ý: nếu môi trường la chất khí hoặc chân không thì phải tính them dòng nhiệt bức xạ lúc đó ∝ có thể tính theo công thức đã nêu mục (12.1.1) có dạng : λk Nuk Tw4 − Tw4 α= + ε wk δ , (W / m K ) l2 Tw − Tk Phép tính không nên bỏ qua nhiệt độ nóng (Tk hoặc Tw) ≥ 4000K 12.3 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 12.3.1 Định nghĩa và phân loại KỸ THUẬT NHIỆT Trang 280 Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) la thiết bị đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt (TĐN) giữa các chất mang nhiệt, thường la chất lỏng, khí hoặc Theo đặc điểm trao đổi nhiệt, TBTĐN được chia lam loại: loại vách ngăn, loại hồi nhiệt va loại hỗn hợp Trong thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn, chất lỏng nóng (CL1) bị ngăn cách hoan toan với chất lỏng lạnh (CL2) bởi bề mặt vách hoặc ống bằng vật rắn va qua trình TĐN giữa CL1 với CL2 được thực hiện theo kiểu truyền nhiệt đã giới thiệu ở mục (12.2) Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt, vách TĐN được quay để nó tiếp xúc với CL1 va CL2 một cách tuần hoan, khiến cho quá trình trao đổi nhiệt ở chế độ không ổn định, va nhiệt độ vách dao động tuần hoan theo chu kỳ quay Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp, chất lỏng nóng tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng lạnh, khiến cho quá trình trao đổi chất xảy đồng thời với quá trình trao đổi nhiệt giiuwax hai chất Việc cách ly hoan toan chất cần gia công với chất tải nhiệt la yêu cầu phổ biến của nhiều quá trình công nghệ, đó TBTĐN loại vách ngăn được sử dụng rộng rải sản xuất Theo chiều chuyển động của hai chất lỏng, TBTĐN loại vách ngăn được chia hai kiểu chính: kiểu song song va kiểu giao Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu song song véc tơ vận tốc ur uu r chất lỏng song song ( v1 / / v2 ), có thể cùng chiều, ngược chiều hay đổi chiều gọi la song song hỗn hợp Trong TBTĐN kiểu giao nhau, véc tơ ur uu r v1 , v2 giao theo góc φ nao đó khác kπ, thường ( ur uu r π v1 , v2 ) =φ= , có thể giao hay nhiều lần Các sơ đồ chuyển động được giới thiệu ở hình 12.3.1 12.3.2 Các phương trình để tính nhiệt cho TBTĐN Tính nhiệt cho TBTĐN la phép tính xác định mọi thong số cần thiết của TBTĐN để nó thực hiện đúng quá trình TĐN giữa chất lỏng ma công nghệ yêu cầu người ta thường dùng chỉ số va chỉ chất lỏng nóng va chất lỏng lạnh, dấu (‘) va dấu (“) để chỉ thông số vao va khỏi TBTĐN Việc tính nhiệt cho TBTĐN dựa vao phương trình bản sau đây: 12.3.2.1 Phương trình cân nhiệt KỸ THUẬT NHIỆT Trang 281 * Phương trình cân nhiệt tổng quát Phương trình bảo toan lượng hay Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát cho mọi TBTĐN có dạng: ∑ Q = (∆I +∆I + Qm )τ + ∆U = , (J), đó: ∆I1 = G1 (i1" −i1' ) < 0; (W) la biến thiên entanpi của chất lỏng nóng, ∆I = G2 (i2" −i2' ) > 0; Qm = ∑ ki (ti − t f ) Fi (W) la biến thiên entanpi của chất lỏng lạnh, (W) la tổng tổn thất nhiệt môi trường có nhiệt độ tf qua mặt Fi của vỏ TBTĐN, ∆U = ∑ PV I i Ci (tiτ − t0 ); (J) la tổng biến thiên nội của các kết cấu của TBTĐN từ lúc đầu có nhiệt độ t0 đến lúc có nhiệt độ tiτ Trong các thiết bị gia nhiệt Qm < va ∆U > 0, còn các thiết bị lam lạnh Qm < va ∆U < Nếu tính theo khối lượng riêng p, (kg/m3), vận tốc v,m/s va tiết diện dòng chảy f, (m2) thì biểu thức của lưu lượng G (kg/s) sẽ có dạng: G = pωf Phương trình cân bằng tổng quát, lien hệ các thong số nêu sẽ có dạng: ∑ p V C (t I ∑ p V C (t I i i iτ i i iτ − t0 ) + τ ( pI ωI f I (i1" − i1' ) + p2ω2 f (i2" − i2' ) + ∑ ki (ti − t f ) Fi  = − t0 ) + τ ( pI ωI f I (i1" − i1' ) + p2ω2 f (i2" − i2' ) + ∑ ki (ti − t f ) Fi  = Phương trình cho phép tìm được đại lượng nao đó, ví dụ thời gian τ để khởi động thiết bị, có thể xác định tất cả các đại lượng còn lại • Phương trình cân nhiệt ổn định: Trên thực tế người ta tính nhiệt cho TBTĐN nó đã lam việc ổn định, với ∆U = 0, Về lý thuyết, nếu giả thuyết Qm = thì phương trình cân bằng nhiệt có dạng: ∆I1 = ∆I2, hay G1(i1” - i1’) = G2(i2” – i2’), (W) Nếu chất lonhr không chuyển pha thì phương trình CBN có dạng: G1Cp1(t1” – t1’) = G2Cp2(t2”– t2’), (W) Nếu gọi GCp = pωfCp = C la nhiệt dung riêng (hay đương lượng nước) của dòng chất lỏng thì phương trình cố dạng: C1(t1’ – t1”) = C2(t2”– t2’), hay C1δt1 = C2δt2, (W) Ở dạng vi phân, mỗi phân tố diện tích dF của mặt TĐN, thì phương trình CBN có dạng: − C1dt1 = C2dt2, (W) KỸ THUẬT NHIỆT Trang 282 Nếu chất lỏng la hóa nhiệt có Cp11, t1’ vao TBTĐN được lam nguội đến nhiệt độ ngưng tụ ts, ngưng tụ hoan toan va tỏa lượng nhiệt r nước ngưng có nhiệt dung riêng Cp12 rồi giảm nhiệt độ đến t2” > ts có nhiệt dung riêng Cp22 thì phương trình CBN có dạng: G1Cp1(t1’ – t1”) = G2[Cp21(ts – t2’) + r + Cp21(t2” – ts)], (W) Đây la phương trình cân băng nhiệt cho lò hay tuốt bin 12.3.2.2 Phương trình truyền nhiệt Dạng vi phân: Lượng nhiệt δQ truyền từ chất lonhr nóng t1 dến chất lỏng lạnh t2 qua phân bố diện tích dFx của mặt vách có dạng: δQ = k(t1 – t2)dFx = k∆txdFx, (W) đó: k= f(α1, α2,λ,δ), (W/m2K), la hệ số truyền nhiệt qua vách, thường được coi la không đổi toan mặt F, ∆tx = (t1 – t2) la độ chênh lệch nhiệt độ chất lỏng ở hai bên mặt dFx phụ thuộc vao vị trí của dFx, tức la ∆tx = f(Fx) Dạng tích phân: Lượng nhiệt Q truyền qua diện tích F của vách có thể tính: F Q = ∫ k ∆t x dFx = k ∫ ∆t x ( Fx )dFx = kF ∆t , F Với: ∆t = F (W) F ∫∆t x ( Fx )dFx Gọi la độ chênh trung bình mặt F của nhiệt độ hai chất lỏng 12.3.3.Xác định nhiệt độ chênh trung bình ∆t 12.3.3.1 Sơ đồ song song ngược chiều Phương trình CBN va truyền nhiệt qua dFx theo sơ đồ song song ngược chiều đồ thị (t – Fx) ở hình 12.3.3.1 có dạng: δQ =−C1dt1 =−C2 dt  δQ = k ∆t x dFx KỸ THUẬT NHIỆT Trang 283 Từ đó ta có: Hay: Với  1  dt1 = dt1 = −  − ÷.δ Q  C1 C2  d ∆t x = −mk ∆t x dFx  1  m = −  − ÷, ( K / W)  C1 C2  Nếu m va k không đổi thì ∆t x F d ∆t ∫∆t ∆txx = −mk ∫0 dFx , hay ln d ∆t x = − mkdFx , hay∆t x = ∆t0 e − mkdFx ∆t x Theo định nghĩa ∆t ta có: F F ∆t ∆t0 ∆t x = ∫ ∆t x dFx = ∫ e − mkFx dFx = (e − mkFx − 1) F0 F −mkF Thay quan hệ ∆tF = ∆t0e-mkF vao phương trình ta được: Với ∆t0 = t1’ – t2”; ∆tF = t1” – t2’ la độ chênh nhiệt độ tại hai đầu mặt truyền nhiệt 12.3.3.1 Sơ đồ song song cùng chiều Từ hệ phương trình CBN δQ =−C1dt1 =−C2 dt2  δQ = k ∆t x dFx  1  m =  + ÷,  C1 C2  ∆t − ∆t0 ∆t = F ∆t Sẽ được: ln F ∆t0 Biến đổi với Với ∆t0 = t1’ – t2’; ∆tF = t1” – t2” la độ chênh ∆t x tại Fx = va Fx = F 12.3.3.3 Các sơ đồ khác Biểu thức ∆t của các sơ đồ khác (song song hay đổi chiều, giao hay n lần) được tính theo sơ đồ song song ngược chiều rồi nhân với hệ số ε∆t cho từng sơ đồ bởi đồ thị : ε∆t = f(P,R); t2" −t2' δt2 t1' −t1" δt = ;R = " = Trong đó: P = ' ' ' t1 −t ∆tmax t −t2 δt2 12.3.4 Tính nhiệt độ của các chất khỏi TBTĐN KỸ THUẬT NHIỆT Trang 284 Khi tính kiểm tra hoặc tính chọn TBTĐN có sẵn, thường cho biết t1’, t2’ k,C1, C2 va cần tính nhiệt độ t1”, t2” khỏi TBTĐN để xem nhiệt độ có phù hợp với công nghệ hay không Phép tính có thể thực hiện cho các sơ đồ song song không đổi chiều sau: 12.3.4.1 Sơ đồ song song ngược chiều Tại Fx = F, phương trình ∆tx = ∆t0e-mkFx sẽ có dạng: kF C ∆t F t1" − t2' C1 (1− C12 ) − mkFx =e , hay ' " e = e − N (1− N ) ∆t t1 − t2 Với N = kF C ; n = la các thông số thứ nguyên C1 C2 Sau trừ hai vế của dẳng thức cho va khử mẫu số ta được: (t2" − t2' ) − (t1' − t1" ) = [(t1' − t2' ) − (t2" − t1" )][e − N (1− n ) − 1] Nếu gọi δ t1 = (t1' − t1" ), δ t2 =(t2" − t2' ), kết hợp phương trình với phương trình cân bằng nhiệt có hên sau: δ t2 − δ t1 = [(t1' − t1" ) − δ t2 ][e − N (1− n ) − 1]  C1δ t1 = C2δ t2 Đây la hệ phương trình bậc cua ẩn số δ1 va δ2 có nghiệm la  − e −N (1−n ) ' " δ t =(t − t ) = (t1' −t2" ) Z (n, N )  1 −N (1−n ) − ne  δt = (t ' −t " ) nZ (n, N )  2 Nhờ đó tìm được: nếu gọi t1” = t1’ – δt1, t2” = t2’ – δt2 12.3.4.2 Sơ đồ song song cùng chiều Với các ký hiệu N, n, δt1, δt2 va cách chứng minh trên, sẽ thu được hệ phương trình: δt2 +δt1 =(t1' −t2" )[1 −e −N (1−n ) ]  C1δt1 =C2δt2 Các nhiệt độ tính theo δt1, δt2 sẽ có dạng: − e −N (1+n ) t = t −δt1 = t − (t − t ) = t1' − (t1' − t 2' ) P (n, N ) 1+n " ' ' ' ' Khi chất lỏng sôi, ví dụ lò hoặc thiết bị bóc thì t2 C2 = G2Cp2 = ∞ nên n = C1 ” C2 = 0, đó t1 ’ = t2” = t s = t1’ –( t1’- ts)(1 – e-N) 12.3.4.2 So sánh công suất nhiệt của sơ đồ cùng chiều và ngược chiều Tỷ số các công suất nhiệt của TBTĐN theo sơ đồ song song cùng chiều KỸ THUẬT NHIỆT Trang 285 Qp= C1δt1p va ngược chiều Qz= C1δt1z sẽ có dạng: Qp Qz = [1 −e −N (1+n ) ][1 −ne (1 −n)[1 −ne −N (1−n ) −N (1−n ) ]