CHƯƠNG 1 TRUYỀN NHIỆT P1

6/28/2017 1.3.1. Khái niệm  Trong trình trao đổi nhiệt đối lưu có kèm nhiệt xạ Ta biết vật có nhiệt độ khác khơng độ tuyệt đối, kết trình dao động điện từ phân tử nguyên tử, có khả xạ lượng  Các dao động điện từ truyền không gian theo hướng gọi sóng điện từ Các sóng điện từ có chất, khác chiều dài bước sóng  Nhiệt độ vật thể cao lượng nhiệt truyền dạng tia lượng lớn Các tia xạ phát khơng gian gặp vật thể khác, bị hấp thụ tồn hay phần để biến thành nhiệt  Trong q trình sóng điện từ đóng vai trò chất tải nhiệt Đó q trình vận chuyển nhiệt xạ 66 28/06/17 6/28/2017 1.3.1. Khái niệm  Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ có đặc điểm riêng: • Ln có chuyển hóa lượng: từ nội thành lượng điện từ xạ ngược lại hấp thụ Không cần tiếp xúc trực tiếp gián tiếp qua môi trường chất trung gian, cần mơi trường truyền sóng điện từ, tốt chân khơng • Có thể thực khoảng cách lớn, thực thiên thể khoảng khơng vũ trụ • Cường độ trao đổi nhiệt xạ không phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà phụ thuộc giá trị tuyệt đối nhiệt độ vật, nghĩa trình tiến hành nhiệt độ cao vai trò trao đổi nhiệt xạ lớn 67 28/06/17 1.3.2. Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua  Nếu có tia sáng có lượng Q chiếu vào vật thể trường hợp tổng qt, phân thành ba thành phần tùy theo tính chất bề mặt vật thể, phần tia lượng bị phản xạ QR, phần lượng bị hấp thụ QA nghĩa biến đổi thành nhiệt phần lượng bị khúc xạ xuyên qua vật thể QD 68 28/06/17 6/28/2017 1.3.2. Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua  Theo định luật bảo tồn lượng lượng xạ toàn phần đập vào vật thể là: Q=QA+QD+QR • A=QA/Q_khả hấp thu, gọi hệ số hấp thu • D=QD/Q_khả khúc xạ, gọi hệ số khúc xạ hay xuyên qua • R=QR/Q_khả phản xạ, gọi hệ số phản xạ A+D+R=1 69 28/06/17 1.3.2. Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua  Giá trị A, R, D (thay đổi từ đến 1) phụ thuộc vào chất vật, phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, nhiệt độ trạng thái bề mặt • Nếu A=1 D=R=0, nghĩa tất tia xạ hấp thu hoàn toàn vật thể, vật thể gọi vật đen tuyệt đối • Nếu R=1 A+D=0, nghĩa tất tia xạ phản xạ hoàn toàn Vật thể gọi vật trắng tuyệt đối • Nếu D=1 A=R=0 nghĩa tất tia xạ đâm xuyên qua vật thể, vật thể gọi vật suốt tuyệt đối 70 28/06/17 6/28/2017 1.3.2. Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xun qua  Các loại khí có số ngun tử phân tử nhỏ xem vật suốt tuyệt tia nhiệt, D=1  Các vật rắn chất lỏng coi D=0 gọi vật đục Đối với vật đục A+R=1, nghĩa vật hấp thụ tốt phản xạ tồi ngược lại  Trong thực tế khơng có vật đen tuyệt đối, vật trắng tuyệt đối, vật suốt tuyệt đối mà có vật thể hấp thụ phần lượng tia sáng có độ dài tia sáng gọi vật xám, vật rắn hấp thụ phần lượng tia sáng có độ dài bước sóng khoảng từ 0÷, khí hấp thu phần lượng tia sáng có bước sóng giới hạn khoảng 71 28/06/17 Phần còn lại của bức xạ nhiệt  Sinh viên tham khảo giáo trình 72 28/06/17 6/28/2017 1.4.1. Khái niệm  Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể sang lưu thể khác qua tường ngăn gọi truyền nhiệt phức tạp, bao gồm dẫn nhiệt, cấp nhiệt xạ nhiệt  Dựa theo nhiệt độ hai lưu thể người ta chia truyền nhiệt đẳng nhiệt truyền nhiệt biến nhiệt • Truyền nhiệt đẳng nhiệt o Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy trường hợp nhiệt độ hai lưu thể khơng thay đổi theo vị trí khơng gian thời gian nghĩa hiệu số nhiệt độ hai lưu thể số vị trí thời gian 74 28/06/17 6/28/2017 1.4.1. Khái niệm • Truyền nhiệt biến nhiệt o Trong trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt người ta chia thành truyền nhiệt biến nhiệt ổn định truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định hiệu số nhiệt độ hai lưu thể biến đổi theo vị trí khơng biến đổi theo thời gian, xảy trình làm việc liên tục Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định trường hợp hiệu số nhiệt độ hai lưu thể biến đổi theo vị trí khơng gian thời gian, xảy trình làm việc gián đoạn, giai đoạn đầu cuối trình làm việc liên tục 75 28/06/17 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Tường phẳng lớp • Giả sử có tường phẳng có thơng số: o Bề mặt truyền nhiệt F, m2 o Chiều dày tường , m o Độ dẫn nhiệt , W/m.K o Nhiệt độ lưu thể nóng t1, oC o Nhiệt độ lưu thể nguội t2, oC o Hệ số cấp nhiệt lưu thể nóng tới bề mặt tường 1, W/m2.K o Hệ số cấp nhiệt tường tới lưu thể nguội 2, W/m2.K 76 28/06/17 6/28/2017 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Tường phẳng lớp • Q trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội gồm ba giai đoạn o Nhiệt cấp từ lưu thể nóng tới tường o Nhiệt dẫn qua tường o Nhiệt cấp từ tường tới lưu thể nguội 77 28/06/17 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng lớp • Nhiệt lượng truyền từ lưu thể đến tường cấp nhiệt W m • Nhiệt lượng truyền qua tường dẫn nhiệt W m • Nhiệt lượng truyền từ tường đến lưu thể cấp nhiệt W m 78 28/06/17 6/28/2017 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng lớp • Nhiệt lượng truyền từ lưu thể đến lưu thể 1 • Do qua trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nên 79 28/06/17 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng lớp • Nếu đặt hệ số K sau W 1 m K • Phương trình truyền nhiệt trở thành Δ • Đây phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng lớp Đại lượng K gọi hệ số truyền nhiệt o Hệ số truyền nhiệt K lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phẳng đơn vị thời gian chênh lệch nhiệt độ hai lưu thể độ 80 28/06/17 6/28/2017 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng lớp • Đại lượng nghịch đảo K gọi nhiệt trở m K 1 W • Khi lưu thể chất lỏng có cặn bẩn có lớp cao bám bề mặt tường trao đổi nhiệt làm tăng nhiệt trở truyền nhiệt • Do tính tốn hệ số truyền nhiệt ta cần ý đến nhiệt trở lớp cặn bẩn Trong trường hợp khơng có số liệu thực nghiệm ta tính chiều dày lớp cặn bẩn khoảng từ 0,1÷0,5mm 81 28/06/17 1.4.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp • Phương trình truyền nhiệt Δ o Trong hệ số truyền nhiệt K tính sau 1 ∑ 82 28/06/17 6/28/2017 1.4.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống  Tường ống lớp • Xét tường hình ống có: o Bán kính r1 o Bán kính ngồi r2 o Chiều dày  o Độ dẫn nhiệt  o Chiều dài tường L • Lưu thể nóng ống có nhiệt độ t1, hệ số cấp nhiệt 1 • Lưu thể nguội ngồi ống có nhiệt độ t2 hệ số cấp nhiệt 2 83 28/06/17 1.4.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống • Lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội phải qua ba giai đoạn: o Cấp nhiệt từ lưu thể nóng tới bề mặt tường ống o Dẫn nhiệt qua tường ống o Cấp nhiệt từ bề mặt tường ống tới lưu thể nguội 84 28/06/17 10 6/28/2017 1.4.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống • Lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội: W 1 • Đặt hệ số Kr sau W 1 m K • Kr gọi hệ số truyền nhiệt tường ống o Hệ số truyền nhiệt Kr lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m chiều dài tường ống đơn vị thời gian chênh lệch nhiệt độ hai lưu thể độ 85 28/06/17 1.4.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống • Lượng nhiệt truyền qua tường ống lớp Δ • Mật độ truyền nhiệt dài W 1 m • Trường hợp tỷ số r2/r1  ta tính gần tường phẳng 86 28/06/17 11 6/28/2017 1.4.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống  Tường ống nhiều lớp • Lượng nhiệt truyền qua tường ống nhiều lớp Δ • Hệ số truyền nhiệt Kr tính sau 1 1 ∑ 87 28/06/17 12 6/28/2017 Khái quát  Trong trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, hiệu số nhiệt độ hai lưu thể biến đổi theo vị trí, khơng biến đổi theo thời gian  Tức tương ứng vị trí bề mặt trao đổi nhiệt hiệu số nhiệt độ hai lưu thể có giá trị khác nhau, ta khơng thể tính lượng nhiệt truyền với t = t1 – t2 trường hợp truyền nhiệt đẳng nhiệt 89 28/06/17 1.5.1. Chiều chuyển động của lưu thể  Trong thực tế bố trí dòng lưu thể nóng lạnh thiết bị trao đổi nhiệt chuyển động theo chiều sau Ngược chiều Cùng chiều Hỗn hợp Hỗn hợp Chéo chiều Hỗn hợp 90 Hỗn hợp 28/06/17 13 6/28/2017 1.5.1. Chiều chuyển động của lưu thể  Trong tất bốn trường hợp trên, nhiệt độ hai lưu thể thay đổi • Lưu thể nóng có nhiệt độ giảm từ t1đ đến t1c • Lưu thể nguội tăng nhiệt độ từ t2đ đến t2c  Do hiệu số nhiệt độ hai lưu thể thay đổi từ điểm đầu đến điểm cuối thiết bị  Đôi thực tế gặp trường hợp khác nhiệt độ lưu thể không thay đổi, nhiệt độ lưu thể không thay đổi Điều xuất tính tốn đến trường hợp truyền nhiệt có chuyển pha (bốc ngưng tụ) 91 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ‐ ống 1‐1 • Quy ước o Nhiệt độ vào dòng nóng: t1đ, t1c o Nhiệt độ vào dòng lạnh: t2đ, t2c o Biến thiên nhiệt độ dòng: t1, t2 • Cân lượng (khơng kể mát nhiệt) Δ Δ • Suy Δ Δ o Với W1, W2 đương lượng nước dòng (W/K) 92 28/06/17 14 6/28/2017 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ‐ ống 1‐1 • Ta biểu diễn định tính biến thiên nhiệt độ dòng sau o W2 > W1 93 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog) o W2 = W1 94 28/06/17 15 6/28/2017 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog) o W2 < W1 95 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog) • Để xác định hiệu số nhiệt độ trung bình cho tồn chiều dài thiết bị ta tính sau: Δ Δ ỏ Δ Δ Δ Δ Δ ln ln Δ Δ ỏ • Trường hợp nhiệt độ chất lỏng dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt thay đổi nhiệt độ chất biến thiên theo quy luật tuyến tính hiệu số nhiệt độ tính theo trung bình số học Δ Δ Δ 96 28/06/17 16 6/28/2017 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo công thức trên, cần thêm hệ số hiệu chỉnh t  Hệ số t thường nhỏ 1, nên hiệu số nhiệt độ trung bình lưu thể chảy chéo dòng nhỏ hiệu số trung bình lưu thể chảy ngược chiều xác định từ đồ thị theo hệ số R S, phụ thuộc vào cách phân bố dòng nóng lạnh đ đ đ đ đ 97 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Một số trường hợp phân bố dòng thiết bị trao đổi nhiệt đây: • Thiết bị trao đổi nhiệt pass dòng phía vỏ hai nhiều pass dòng phía ống 98 28/06/17 17 6/28/2017 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog) • Thiết bị trao đổi nhiệt pass dòng phía vỏ 4 pass dòng phía ống 99 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog) • Thiết bị trao đổi nhiệt pass dòng phía vỏ 6 pass dòng phía ống 100 28/06/17 18 6/28/2017 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Ví dụ 1: thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng bị làm nguội từ 300oC xuống 200oC chất lỏng gia nhiệt từ nhiệt độ 25oC lên 175oC Hãy xác định hiệu số nhiệt độ trung bình trường hợp: chảy xi chiều ngược chiều  Ví dụ 2: Trong thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội 275kg/h chất lỏng nóng từ nhiệt độ 120oC đến 50oC, nhiệt dung riêng chất lỏng 3,04kJ/(kg.oC) Chất lỏng lạnh có lưu lượng 1000kg/h, nhiệt độ vào thiết bị 10oC, nhiệt dung riêng 4,18kJ/(kg.oC) Nếu cho biết hệ số truyền nhiệt thiết bị 1160W/(m2.oC) Tính diện tích truyền nhiệt thiết bị trường hợp: chảy xi chiều ngược chiều 101 28/06/17 1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình (tlog)  Ví dụ 3: Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống để làm nguội dầu với lưu lượng 1,512kg/s, nhiệt dung riêng dầu 2,09kJ/(kg.K) từ nhiệt độ 65,6oC xuống 42,2oC Chất lỏng lạnh nước có lưu lượng 1kg/s, nhiệt độ nước vào thiết bị 26,7oC, hệ số truyền nhiệt thiết bị khoảng 682W/(m2.K) Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết bị trường hợp: chất lỏng phía vỏ pass pass 102 28/06/17 19 6/28/2017 1.5.3. Chọn chiều của lưu thể  Trong trình truyền nhiệt ổn định nhiệt độ hai lưu thể biến thiên theo ba trường hợp sau: • Trường hợp hai lưu thể không biến đổi nhiệt độ theo vị trí theo thời gian, tức trường hợp truyền nhiệt đẳng nhiệt • Trường hợp hai lưu thể không biến đổi nhiệt độ suốt q trình trao đổi nhiệt, lưu thể biến đổi nhiệt độ theo vị trí từ tđ đến tc không biến đổi theo thời gian • Trường hợp hai lưu thể biến đổi nhiệt độ theo vị trí khơng biến đổi theo thời gian 103 28/06/17 1.5.3. Chọn chiều của lưu thể  Trong trường hợp đầu trường hợp thứ hai chiều lưu thể khơng ảnh hưởng đến q trình truyền nhiệt khơng ảnh hưởng đến hiệu số nhiệt độ trung bình lượng chất tải nhiệt Do chọn chiều lưu thể dựa vào điều kiện kỹ thuật cấu tạo thiết bị  Trong trường hợp ba, hai lưu thể biến đổi nhiệt độ, chiều lưu thể ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt, trước tiên ảnh hưởng đến nhiệt độ cuối lưu thể, nhiệt độ cuối thay đổi hiệu số nhiệt độ trung bình ttb lượng chất tải nhiệt thay đổi Do trường hợp ta cần ý tới đến việc chọn chiều lưu thể để cho trình truyền nhiệt tốt 104 28/06/17 20 6/28/2017 1.5.3. Chọn chiều của lưu thể  Với trình truyền nhiệt cần tăng hiệu suất trình truyền nhiệt ta cho hai lưu thể chuyển động ngược chiều  Còn trường hợp số chất dễ gây cháy nổ phân hủy nhiệt độ đầu ta cần làm giảm nhanh nhiệt độ đầu lưu thể nóng xuống cách cho hai lưu thể chuyển đông chiều 105 28/06/17 1.5.4. Nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt  Khi làm việc nhiệt độ chất tải nhiệt biến đổi từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối, ta cần xác định nhiệt độ trung bình  Nếu hai chất tải nhiệt có nhiệt độ khơng đổi suất q trình trao đổi nhiệt, ví dụ nước ngưng tụ chất lỏng sơi cần tính nhiệt độ trung bình chất tải nhiệt lại theo cơng thức: Δ • Trong đó: o t1: nhiệt độ chất tải nhiệt thứ (không biến đổi nhiệt độ) o tlog: hiệu số nhiệt độ trung bình lơgarít o t2tb: nhiệt độ trung bình chất tải nhiệt thứ hai 106 28/06/17 21 6/28/2017 1.5.5. Tổn thất nhiệt  Trong q trình truyền nhiệt nói chung xảy tổn thất nhiệt, tức lượng nhiệt mát thành thiết bị tiếp xúc với môi trường xung quanh, lượng nhiệt truyền đối lưu xạ nhiệt, tính tốn cần phải tính tổng hợp hai q trình 107 28/06/17 22