Nhiệt động lực học và Truyền nhiệt ThS. Hoàng Thị Nam Hương ĐH Bách Khoa TPHCM

Chương 1: Những khái niệm CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Nền tảng môn học đònh luật nhiệt động thứ thứ hai  Đònh luật nhiệt động thứ nhất: đònh luật bảo toàn lượng phát biểu theo nhiệt động lực học  Đònh luật nhiệt động thứ hai: biến đổi lượng nhiệt động hệ Các kiến thức nhiệt động lực học kỹ thuật cần thiết cho lónh vực sau:  Điều hòa không khí  Nhà máy nhiệt điện  Trong nhà máy đông lạnh  Bảo quản nông sản  … GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm 1.1 Hệ nhiệt động 1.1.1 Nhiệt lượng cơng - Nhiệt lượng Kí hiệu: q (J/kg, kJ/kg) Q (J, kJ) Qui ước dấu: (+): vật nhận nhiệt (-): vật nhả nhiệt - Công Kí hiệu: l, w (J/kg, kJ/kg) L, W (J, kJ) Qui ước dấu: (+): vật sinh cơng (-): vật nhận cơng Nhiệt lượng Q công L dạng lượng, thể mức độ truyền lượng đề cập đến có trình truyền lượng, công nhiệt lượng có đơn vò đo, số đơn vò đo thường gặp kỹ thuật: Theo hệ SI: Jun [J] = N.m = 107 erg kJ = 103 J MJ = 106 J cal = 4,18 J kcal = 103 cal Ngoài dùng đơn vò khác: Btu = 1055 J = 252 cal Wh = 3,413 Btu (1 kWh = 3413 Btu) GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm Năng lượng tính ứng với đơn vò thời gian gọi công suất: W = J/s kW = kJ/s 4,18  10 J kcal/h =  1,164 W 3600 s Btu/h = 0,2931 W HP (mã lực) = 745,7 W 1.1.2 Hệ nhiệt động Đối tượng tách để nghiên cứu (quá trình chuyển biến nhiệt lượng công), lại  môi trường xung quanh  Môi trường: không gian trực tiếp bao xung quanh hệ thống  đặc điểm môi trường nhiệt độ giữ ổn đònh cho dù có trao đổi lượng với hệä thống  thông thường, môi trường hai nguồn nhiệt hệ thống nhiệt động  Bề mặt ranh giới: mặt ngăn cách hệ thống môi trường GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm  mặt thật hay mặt tưởng tượng Hệ nhiệt động phân thành hệ sau: a Hệ kín Trong trình làm việc chất môi giới không xuyên qua bề mặt ranh giới b Hệ hở Trong trình làm việc chất môi giới xuyên qua bề mặt ranh giới, chất môi giới hệ luôn biến đổi GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm c Hệ đoạn nhiệt Trong trình hoạt động, chất môi giới môi trường trao đổi nhiệt lượng d Hệ cô lập Không có trao đổi nhiệt lượng công với môi trường 1.1.3 Chất mơi giới Là chất trung gian thực biến đổi chuyển hóa lượng hệ thống nhiệt động Chất mơi giới hệ thống lạnh  tác nhân lạnh, lãnh chất Chất môi giới hệ thống sấy  tác nhân sấy … Một hệ thống nhiệt động có hay nhiều chất môi giới Ví dụ: R22, NH3 máy lạnh có máy nén Dung dòch H2O-LiBr, NH3-H2O hệ thống máy lạnh hấp thụ 1.2 Thông số trạng thái  Tập hợp thông số dùng để xác đònh trạng thái chất môi giới (tại thời điểm, vò trí hệ) Để xác đònh trạng thái chất môi giới cần phải biết hai thông số trạng thái độc lập Các thông số trạng thái bao gồm: GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm  Nhiệt độ  p suất  Thể tích riêng  Nội  Entanpi  Entropi  Exergy Trong thông số đầu gọi thông số trạng thái trực tiếp dùng dụng cụ đo để xác đònh Nhiệt độ Là thông số biểu thò mức độ nóng lạnh vật  Dụng cụ đo: nhiệt kế  Đơn vò: Trong hệ thống đơn vò SI (System International) GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm a Thang nhiệt độ bách phân Celcius t(oC) Thang đo xây dựng sở điểm mốc: điểm nước đá tan điểm nước sôi điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,32kPa), nhiệt độ tương ứng điểm chọn 0oC 100oC Trong khoảng từ 0oC đến 100oC chia làm 100 vạch, vạch ứng với 1oC b Thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin T(K) Giới hạn thấp nhiệt độ không độ nhiệt giai Kelvin Trong hệ thống đơn vò IS (Imperial system hay English System) a Thang nhiệt độ Fahrenheit t(oF) Nhiệt độ điểm mốc tương ứng 32oF 212oF chia làm 180 vạch, vạch ứng với 1oF b Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine T(R) Tương tự thang đo tuyệt đối Kelvin, sở tính toán nhiệt động hệ IS GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm Lưu ý: có nhiệt độ tuyệt đối thông số trạng thái  Quan hệ thang đo nhiệt ñoä:   t o C  TK   273,15 TR   1,8  TK    t  F   1,8  t  C  32 t o F  TR   459,67 o o  t  o C  TK  t  o F   TR  TR   1,8  TK  t  o F   1,8  t  o C Aùp suaát p suất áp lực tác dụng lên đơn vò diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt 1- Áp suất khí trời pkt (pb), dụng cụ đo gọi barometer 2- Áp suất lớn áp suất khí trời: p > pkt  áp suất dư pd, dụng cụ đo gọi manometer (trong kỹ thuật thường gọi áp kế) 3- Áp suất nhỏ áp suất khí trời: p < pkt  áp suất chân không pck, dụng cụ đo gọi vacumeter (hoặc chân không kế), pv 4- Áp suất tuyệt đối ptđ: áp suất so với điều kiện chân không tuyệt đối (ptđ = 0), áp suất tuyệt đối không đo trực tiếp mà phải tính qua kết đo pd (bằng manometer), pck (bằng vacumeter) pkt (bằng baromater) p > pkt  ptñ = pd + pkt p < pkt  ptđ = pkt – pck Lưu ý: có áp suất tuyệt đối thông số trạng thái GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm Sơ đồ thể mối quan hệ loại áp suất Dụng cụ đo áp suất GV: Hoàng Thò Nam Hương Chương 1: Những khái niệm  Đơn vò: số đơn vò thường dùng đo áp suất Pa = N/m2 bar = 105 N/m2 (= 105 Pa) = 750 mmHg kPa = 103 Pa MPa = 106 Pa at = 9,81  104 Pa (= 0,981 bar) = 735,6 mmHg = 10m H2O mmHg = 133,3 N/m2 mmH2O = 9,81 N/m2 psi = 6894,76 N/m2 Thể tích riêng v Thể tích riêng thể tích ứng với đơn vò khối lượng v V , m / kg G Trong V: thể tích bình chứa, m3 G: khối lượng chất khí, kg   , (kg/m3) : khối lượng riêng v Lưu ý: tích riêng thông số trạng thái 1.3 Phương trình trạng thái chất khí Là phương trình thể quan hệ thông số trạng thái bản: f p, v, T  1.3.1 Khí lý tưởng Phương trình trạng thái khí lý tưởng: kg: GV: Hoàng Thò Nam Hương pv  RT 10 Chương 7: TĐN BX  T1   T2   Q12  1 F1Co       100   100    độ đen 2 không ảnh hưởng đến tính Q12  Khi F1  F2 ( F1 F2  ) 4 Co F  T1   T2   Q12       1 100 100        1  1 2  TĐNBX phẳng đặt song song Ví dụ: Một đoạn ống dẫn chiều dài ống l = m, đường kính d = 100 mm, nhiệt độ bề mặt ống t1 = 200oC, độ đen bề mặt ε = 0,84 đặt phòng rộng có nhiệt độ t2 = 20oC Tính tổn thất nhiệt xạ đoạn ống Q Hướng dẫn:  T1   T2   Q12  1 F1Co      100    100    ε1 = ε, F1 = dL, Co  5,67 W m2  K , T1, T2 (K) Bài tập: Một đường ống dẫn có đường kính d =150 mm đặt nằm ngang phòng rộng Cho biết nhiệt độ phòng tf = 35oC, nhiệt độ bề mặt ống tw = 45oC , độ đen bề mặt ống ε = 0,7 Chiều dài ống l = 50 m - Hãy xác đònh tổn thất nhiệt đường ống CBGD: Hồng Thị Nam Hương Chương 7: TĐN BX (Q = Qñl + Qbx , Qñl: xem lại tốn đối lưu tự nhiên khơng gian rộng) 7.6 Màng chắn: Để ngăn ngừa ảnh hưởng xạ nhiệt  sử dụng màng chắn Hình 7.9 q 1c = qc2 = q12c  T1   T2   Co       100   100   q12   1   1   1  (W/m )     2        1    c    2  q12  E01  E02 R1  R c  R (W/m ) Ví dụ: CBGD: Hoàng Thị Nam Hương Chương 7: TĐN BX Co ù phẳng đặt song song, t1= 327oC, t2= 127 oC, độ đen ε1 = ε2 = ε = 0,8 Giữa có màng chắn εc = 0,05 - Tính mật độ dòng nhiệt TĐN BX tc Hướng dẫn:  T1   T2   Co       100   100   q12   1  1  1     2        1    c    2   T1   Tc   Co o q12     Tc (K)  tc ( C)    1    100   100   1 c (t2 < tc < t1) Bài tập Hai vách phẳng đặt song song Vách I nhiệt độ t1 = 150oC, độ đen  = 0,4 Vách II nhiệt độ t2 = 40oC, độ đen  = 0,6 a/ Xác đònh mật độ dòng nhiệt xạ hai vách b/ Nếu đặt hai vách màng chắn có độ đen ε = 0,8; ε = 0,05 Xác đònh mật độ dòng nhiệt BX TH nhiệt độ màng chắn CBGD: Hồng Thị Nam Hương Chương 8: TB TĐN CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 8.1 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Về nguyên lý làm việc, TB TĐN phân thành ba dạng chính: - TB TĐN loại vách ngăn cách - TB TĐN loại hồi nhiệt - TB TĐN loại hỗn hợp TB TĐN loại vách ngăn cách Các chất tải nhiệt chuyển động không gian cách biệt vách ngăn bề mặt truyền nhiệt TBTĐN loại vỏ bọc chùm ống Trong thiết bò chất lỏng chuyển động ống chất lỏng chuyển động ống Ống (1) Ống vào vỏ (2) Tấm chắn Nắp Chùm ống Vỏ bọc Ống vỏ (2) Ống vào (1) Chất lỏng lạnh Chất lỏng nóng vào Chất lỏng lạnh vào Hình 8.1 TBTĐN dạng vỏ bọc ống CBGD: Hồng Thị Nam Hương Chương 8: TB TĐN a) TBTĐN dạng vỏ bọc chùm ống nằm ngang b) TBTĐN dạng ống lồng ống Dựa vào bố trí dòng chất lỏng nóng chất lỏng lạnh: Hình 8.2 Các dạng bố trí chuyển động chất lỏng TBTĐN a) Lưu động thuận chiều b) Lưu động ngược chiều c) Lưu động cắt d) Lưu động phức tạp TBTĐN loại có cánh  làm cánh phía chất lỏng có  bé (quá trình TĐN khí chất lỏng giọt, cánh làm phía chất khí) Hình 8.3 TBTĐN loại có cánh TBTĐN loại gợn sóng CBGD: Hồng Thị Nam Hương Chương 8: TB TĐN (1) (2) Hình 8.4 TBTĐN loại gợn sóng (hai chất lỏng không xáo trộn) 8.2 CÁC PTCB TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA TB TĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁCH Tính toán nhiệt thiết bò trao đổi nhiệt thường có hai yêu cầu đặt là: - Thiết kế thiết bò trao đổi nhiệt - Tính toán kiểm tra khả làm việc thiết bò có sẵn thiết bò trao đổi nhiệt Phương trình cân nhiệt Q  G1cp1 t1  t1   G2cp2 t2  t2  , W đó: Q - nhiệt lượng truyền thiết bò trao đổi nhiệt, W kg/s G1, G2 - lưu lượng khối lượng chất lỏng nóng lạnh, cp1, cp2 - nhiệt dung riêng chất lỏng nóng lạnh, kJ/kg.oC o t1 , t2 - nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh đầu vào, C t1 , t2 - nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh đầu ra, oC C= Gcp  nhiệt dung lưu lượng khối lượng (đương lượng không khí chất lỏng) CBGD: Hồng Thị Nam Hương Chương 8: TB TĐN Phương trình truyền nhiệt Q  kFt t : độ chênh nhiệt độ trung bình chất lỏng nóng lạnh C1>C2 t1’ t1’ t2” t1” t” C1>C2 t1” t2’ t2’ O t1’ t2’ F C1