Giáo trình Nhiệt kĩ thuật được biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập của sinh viên đào tạo đại học các chuyên ngành của nhà trường.Tài liệu gồm 2 phần: Nhiệt động học và truyền nhiệt.Phần 1. Nhiệt động học có 8 chương, trình bày hai định luật cơ bản: Định luật nhiệt động thứ nhất, định luật nhiệt động thứ hai và việc ứng dụng hai định luật này để nghiên cứu các quá trình, các chu trình trong các loại động cơ và máy nhiệt như động cơ đốt trong, tuabin hơi, tuabin khí, động cơ phản lực, máy lạnh.Phần 2. Truyền nhiệt có 4 chương, trình bày các định luật và các dạng trao đổi nhiệt cơ bản: trao đổi nhiệt bằng đối lưu, trao đổi nhiệt bằng bức xạ, trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, và các thiết bị trao đổi nhiệt.Cuốn giáo trình này viết cho sinh viên đào tạo bậc đại học các chuyên ngành của nhà trường. Sau mỗi chương có câu hỏi, bài tập và đáp số để học viên tiện nghiên cứu nâng cao kiến thức.
Phần CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT Chương TRUYỀN NHIỆT BẰNG ĐỐI LƯU 9.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến toả nhiệt đối lưu: Trao đổi nhiệt đối lưu trình trao đổi nhiệt xảy có dòch chuyển khối chất lỏng chất khí từ vùng có nhiệt độ tới vùng có nhiệt độ khác Với khái niệm vậy, thấy trình trao đổi nhiệt đối lưu xảy môi trường chất lỏng chất khí truyền nhiệt lượng luôn gắn liền với chuyển động môi trường, dẫn nhiệt trình truyền nhiệt phần vật vật có nhiệt độ khác tiếp xúc trực tiếp với Như trình trao đổi nhiệt từ bề mặt vật rắn với môi trường chất lỏng thực đồng thời dẫn nhiệt đối lưu, gọi trình trao đổi nhiệt đối lưu toả nhiệt đối lưu Quá trình tỏa nhiệt đối lưu gắn liền với chuyển động chất lỏng nên trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố Sau xét đến số yếu tố ảnh hưởng đến trình tỏa nhiệt đối lưu 9.1.1 Nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng: Có hai loại chuyển động chất lỏng: chuyển động tự nhiên chuyển động cưỡng - Chuyển động tự nhiên: Xảy phần tử chất lỏng có khối lượng riêng khác nhau, mà khác lại chênh lệnh nhiệt độ vùng khối chất lỏng gây nên - Chuyển động cưỡng bức: Là chuyển động chất lỏng có ngoại lực tác dụng (ví dụ bơm, quạt, máy nén …) Quá trình trao đổi nhiệt chất lỏng chuyển động tự nhiên gọi tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên, trình trao đổi nhiệt chất lỏng chuyển động cưỡng gọi tỏa nhiệt đối lưu cưỡng 9.1.2 Chế độ chuyển động chất lỏng: Có hai chế độ chuyển động: chế độ chảy tầng chế độ chảy rối - Chế độ chảy tầng: Xảy phần tử chất lỏng có tốc độ nhỏ chúng chuyển động song song với vách, chế độ chảy tầng nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng dòng chảy dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng chủ yếu (hình 9.1a) 93 Q Q Lớp biên chảy tầng, a) b) Hình 9.1: Chuyển động chất lỏng a) Chế độ chảy tầng b) Chế độ chảy rối - Chế độ chảy rối: Xảy chất lỏng có tốc độ lớn hướng tốc độ phần tử khối chất lỏng không ngừng thay đổi, sát vách có lớp mỏng chất lỏng chảy tầng gọi lớp biên thủy động Nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng chuyển động, thực dẫn nhiệt qua lớp biên chảy tầng sau tăng cường lớp chảy rối bên (hình 9.1b) Vì nhiệt trở lớp biên chảy tầng lớn nhiều so với nhiệt trở lớp chảy rối bên trong, chế độ chảy rối trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt trở lớp biên Tốc độ dòng chảy lớn chiều dày lớp biên mỏng nhiệt trở giảm, truyền nhiệt tốt 9.1.3 Tính chất vật lí chất lỏng: Trong kó thuật thường sử dụng nhiều loại chất lỏng khác không khí, nước, dầu, Frêôn, amôniac …, loại chất lỏng khác có thông số vật lí khác nên cường độ trao đổi nhiệt khác Ngoài ra, loại chất lỏng điều kiện nhiệt độ khác thông số vật lí khác Những thông số vật lí ảnh hưởng nhiều tới trình tỏa nhiệt đối lưu là: - Hệ số dẫn nhiệt (w/m.độ) - Nhiệt dung riêng cp (kJ/kg.độ) - Khối lượng riêng (kg/m3) - Hệ số dẫn nhiệt độ a (m2/s) - Độ nhớt động học (m2/s) - Nhiệt độ chất lỏng tf (độ) - Nhiệt độ bề mặt vách tw (độ) 9.1.4 Hình dáng, kích thước cách bố trí bề mặt trao đổi nhiệt: Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc nhiều vào hình dáng, kích thước vò trí bề mặt trao đổi nhiệt Ví dụ trường hợp tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên vách ống tròn ống đặt thẳng đứng nằm ngang cường độ trao đổi nhiệt khác nhiều, tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy dọc ống chảy ngang bên ống khác khả tỏa nhiệt 94 9.2 Công thức Niu-tơn: Khi tính toán nhiệt lượng tỏa từ bề mặt vật rắn tới chất lỏng ngược lại thường sử dụng công thức Niutơn: Q = .F.(tw - tf) Trong đó: Q-lượng nhiệt tỏa bề mặt trao đổi nhiệt đơn vò thời gian(w) - hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt tới môi trường (w/m2.độ) tw - nhiệt độ bề mặt vách trao đổi nhiệt (độ) tf - nhiệt độ môi trường chất lỏng (độ) F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) Công thức Niu-tơn hình thức đơn giản biết , F t dễ dàng xác đònh lượng nhiệt tỏa Q Diện tích F độ chênh lệch nhiệt độ t xác đònh không khó khăn, khó khăn toán tỏa nhiệt đối lưu tập trung vào việc xác đònh hệ số tỏa nhiệt Q Ft w t f 9.3 Lí thuyết đồng dạng: Để giải toán trao đổi nhiệt đối lưu, xác đònh trò số phải kết hợp lí thuyết (giải tích) với thực nghiệm Cầu nối líù thuyết thực nghiệm lí thuyết đồng dạng Khái niệm đồng dạng đồng dạng hình học, mà khái niệm đồng dạng tượng vật lí, dựa đònh líù sau: Đònh lí đồng dạng thứ nhất: Những tượng vật lí đồng dạng với số tiêu chuẩn đồng dạng tên phải Đònh lí quy đònh ràng buộc số đồng dạng đặt sở cho việc thiết lập tiêu chẩn đồng dạng, rõ bố trí thí nghiệm cần phải đo lường đại lượng vật lí Đònh lí đồng dạng thứ hai: Nếu tượng vật lí mô tả dạng phương trình vi phân, luôn tồn khả mô tả dạng phương trình tiêu chuẩn Hay nói cách khác: Tích phân phương trình vi phân (hoặc hệ phương trình vi phân) xem hàm tiêu chuẩn đồng dạng phương trình vi phân Qua đònh lí thấy toán tử tích phân không làm thay đổi dạng tiêu chuẩn đồng dạng Đối với số phương trình vi phân khó giải trực tiếp dùng kết thực nghiệm chỉnh lí thành tiêu chuẩn đồng dạng Đònh lý đồng dạng thứ ba: 95 Những tượng vật lí có điều kiện đơn trò đồng dạng với tiêu chuẩn xác đònh tên đồng dạng với Thực chất đònh lí đònh lí đảo đònh lí thứ Như để thay việc giải hệ phương trình vi phân trên, người ta tiến hành thực nghiệm để đưa công thức, sau chuẩn hoá thành phương trình đồng dạng để tính toán trình trao đổi nhiệt đối lưu Các tiêu chuẩn đồng dạng sử dụng trình tính toán trình trao đổi nhiệt đối lưu đóù tiêu chuẩn Nu, Pr, Gr, Re Trong tiêu chuẩn tiêu chuẩn đầu tiêu chuẩn chưa xác đònh tiêu chuẩn có thông số mà cần phải xác đònh , tiêu chuẩn sau tiêu chuẩn xác đònh hoàn toàn xác đònh tiêu chuẩn sở xác đònh thông số vật lí để tính toán tiêu chuẩn Người ta thường biểu diễn hàm tiêu chuẩn trình tính toán trao đổi nhiệt đối lưu sau: Nu=f(Gr,Pr,Re) Sau xác đònh tiêu chuẩn xác đònh như: Gr, Pr, Re xác đònh giá trò tiêu chuẩn Nu sau xác đònh * Số tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt: l .Nu Nu l Trong đó: W - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, m độ l – kích thước xác đònh bề mặt vách rắn, m W - hệ số dẫn nhiệt chất lỏng, m.độ Nu đặc trưng cho trao đổi nhiệt vách rắn chất lỏng Trong toán trao đổi nhiệt đối lưu, muốn xác đònh Q theo công thức Niu-tơn phải xác đònh , muốn phải xác đònh Nu * Số tiêu chuẩn đồng dạng Reynold: .l Re Trong đó: - tốc độ, m/s - độ nhớt động học, m2/s Re thể mức độ chuyển động cưỡng dòng chảy công thức có Re < 2.103: thuộc chế độ chảy tầng 2.103 Re 104: thuộc chế độ chuyển tiếp hay độ 96 Re > 104: thuộc chế độ chảy rối * Số tiêu chuẩn đồng dạng Grashoff: .t.g.l Gr 2 Trong đó: g – gia tốc trọng trường, m/s2 – hệ số giãn nở nhiệt chất lỏng, 1/độ t – chênh lệch nhiệt độ vách rắn chất lỏng Gr thể mức độ chuyển động tự nhiên dòng chảy công thức có t Khi vai trò chuyển động tự nhiên không đáng kể, mà chủ yếu chuyển động cưỡng bỏ qua Gr * Số tiêu chuẩn Prant: Pr a Trong đó: a – hệ số dẫn nhiệt độ chất lỏng Pr thể tính chất vật lí chất lỏng Nếu tính chất vật lí chất lỏng không thay đổi bỏ qua Pr 9.4 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên: 9.4.1 Trong không gian vô hạn: Không gian vô hạn không gian chứa chất lỏng có kích thước đủ lớn dòng chất lỏng chuyển động tự nhiên không bò cản trở vật khác dòng chất lỏng chuyển động tự nhiên khác Ví dụ: ống hay vách phẳng thẳng đứng có chiều cao h Theo chiều cao h có ba đoạn có tính chất Chảy rối chuyển động khác nhau: đoạn chất lỏng chảy tầng, đoạn h chuyển tiếp, đoạn chảy rối Chuyển tiếp (hình 9.2) t = tw - tf Trong đó: Chảy tầng tw : nhiệt độ vách rắn tf : nhiệt độ khí t h lớn đoạn chảy rối Hình 9.2: Tỏa nhiệt đối lưu không gian vô hạn dài Trò số thay đổi: lớn nhất, đoạn chảy tầng giảm tăng, đoạn chuyển tiếp tăng dần đoạn chảy rối không 97 đổi Đối với ống đặt nằm ngang đường kính d khi: 103 < (Gr.Pr)f,d < 108 , 25 Pr Nu f ,d 0,5.Gr Pr f Prw Đối với ống đặt thẳng đứng chiều cao l khi: - Chảy taàng: 103 < (Gr.Pr)f,l < 109 Pr f Prw Pr f Prw , 25 f ,d Nu f ,l 0,76.Gr Pr , 25 f ,l , 25 - Chaûy roái: (Gr.Pr)f,l > 109 Nu f ,l 0,15Gr Pr 0, 33 f ,l , 25 Trong đó: tf - Nhiệt độ khí, độ d - Đường kính ống, m l - Chiều cao vách đứng chiều dài ống, m Prf - Tiêu chuẩn Pr chất lỏng công tác chọn theo nhiệt độ trung bình chất lỏng tf Prw - Tiêu chuẩn Pr chất lỏng công tác chọn theo nhiệt độ bề mặt vách tw 9.4.2 Trong không gian hạn chế: Khi trình toả nhiệt đối lưu tự nhiên phát sinh không gian nhỏ kín khe hẹp vấn đề phức tạp tính chất chuyển động chất lỏng phụ thuộc vào vò trí tương hỗ hai bề mặt nóng lạnh, độ chênh lệch nhiệt độ t=(tw1 – tw2), hình dáng kích thước không gian (hình 9.3) Để thuận tiện tính toán, kó thuật người ta thường thay trình truyền nhiệt từ vách nóng qua chất lỏng tới vách lạnh trình dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng với hệ số dẫn nhiệt tw1 tw2 tương đương td xác đònh công thức sau: td td Trò số td gọi hệ số đối lưu, thực chất hàm hai tiêu chuẩn đồng dạng Gr Pr trường hợp chuyển động tự nhiên: td = f(Gr.Pr) Hình 9.3: Tỏa nhiệt đối lưu không gian hạn chế Trong phương trình tiêu chuẩn nhiệt độ tính toán chọn t = 0,5(tw1 – tw2), kích thước tính toán dùng 98 chiều rộng có khe hẹp tiêu chuẩn Gr tính sau: g2 t w1 t w Gr 2 Kết tổng hợp nhiều số liệu thực nghiệm cho thấy td có giá trò gần sau: td 0,18.Gr.Pr f 0,25 9.5 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức: Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng trình trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt vật rắn chất lỏng chất lỏng chuyển động cưỡng Dưới giới hạn nghiên cứu trường hợp chất lỏng chuyển động ống ngang qua bên ống 9.5.1 Chất lỏng chuyển động ống: Giả sử có chất lỏng chuyển động bên ống, nhiệt độ vách ống khác với nhiệt độ chất lỏng xảy tượng tỏa nhiệt vách ống chất lỏng Để thuận tiện vấn đề tính toán cường độ tỏa nhiệt người ta phân trình thành giai đoạn sau: Ref < 2300: chế độ chảy tầng Ref > 104: chất lỏng hoàn toàn chảy rối 2300 Ref 104: chất lỏng chảy chuyển tiếp từ chế độ chảy tầng sang chảy rối (chảy độ) Thực nghiệm cho thấy trò số thay đổi theo chiều dài ống: lúc vào ống có trò số lớn nhất, sau giảm dần, lt trở không đổi Thường lt=50d (hình 9.4) l lt Hình 9.4: Sự thay đổi hệ số tỏa nhiệt cục theo chiều dài ống Ngoài ảnh hưởng chủ yếu trình tỏa nhiệt đối lưu cưỡng ống chế độ chuyển động, chòu số ảnh hưởng phụ khác ảnh hưởng toả nhiệt đối lưu tự nhiên a) Toả nhiệt chất lỏng chảy tầng (Ref 50 l =1, điều cho thấy đoạn ống dài ảnh hưởng đoạn x0d hệ số tỏa nhiệt trung bình không cần quan tâm đến, ống ngắn phải ý Bảng 9.2: Các giá trò l=f(l/d) l/d l 1,90 1,70 1,44 10 1,28 15 1,18 20 1,13 30 1,05 40 1,02 50 Riêng chất khí trò số Pr thay đổi theo nhiệt độ nên gần chuyển toàn giá trò Pr hệ số C phía trước để dễ sử dụng, phương trình tiêu chuẩn có dạng đơn giản hơn: Nu f CRef0,33 Grf0,1.l Ref < 2300: Riêng không khí phương trình có dạng: Nu f 0,13.Ref0,34 Grf0,1.l b) Toả nhiệt chất lỏng chảy rối (Ref > 104): Khi chất lỏng chảy rối truyền nhiệt lượng phần dòng chủ yếu xáo trộn hỗn hợp lõi chảy rối, nhiệt độ dòng chất lỏng gần phân bố đồng đều, thay đổi mãnh liệt lớp sát thành Do tốc độ chuyển động cưỡng lúc lớn nên ảnh hưởng đối lưu tự nhiên khôn g đáng kể bỏ qua Phương trình tiêu chẩn trường hợp chảy rối có 100 dạng: Nuf =f(Re, Pr) Kết tổng hợp số liệu thí nghiệm với nhiều điều kiện khác cho ta tìm phương trình tiêu chuẩn cụ thể sau: 0,25 Pr Ref > 10 : Nu f 0,021.Ref Prf f l R (9-2) Pr w l – Hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng đoạn đầu ống, nói chung l=f(l/d, Re), kết cho bảng 9.3 Bảng 9.3: Các giá trò l=f(l/d,Re) l/d Ref 10 15 20 30 40 50 0,8 0,43 104 1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03 10 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 10 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 10 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 10 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 Công thức (9.2) thiết lập với trường hợp ống thẳng, trường hợp ống bò uốn cong ảnh hưởng lực li tâm nên phân bố tốc độ dòng có thay đổi, điều ảnh hưởng đến hệ số toả nhiệt (hình 9.5) Để xét ảnh hưởng trường hợp chảy rối (khi chảy tầng tốc độ dòng chảy bé nên ảnh hưởng lực li d tâm không đáng kể bỏ qua), người ta dùng hệ số hiệu chænh R: d R 1,77 R R Trong đó: d – đường kính ống, m R – bán kính cong đoạn ống, m Hình 9.5: Chất lỏng chuyển động bên Đối với không khí, để dễ dàng sử dụng ống cong sử dụng công thức sau thay cho công thức (9-2) Nuf = 0,018.Ref0,8 9.5.2 Chất lỏng chuyển động ngang qua bên ống: Trong nhiều trường hợp thiết bò chất lỏng chảy ống mà chảy ngang qua bên ống, phần xét trường hợp toả nhiệt đối lưu dòng chất lỏng chảy cắt ngang ống đơn chùm ống Khi xét, phân làm hai trường hợp: chất lỏng chảy ngang ống chùm ống a) Dòng chảy cắt ngang ống: 101 Khi dòng chảy cắt ngang bên ống tròn tượng tỏa nhiệt phụ thuộc nhiều vào va đập dòng bề mặt ống Thực nghiệm cho thấy dòng có tốc độ nhỏ (Re < 5) dòng chảy điều hoà quanh ống (hình 9.6a) vật lúc không trở thành chướng ngại lớn dòng nên phía sau vật tượng xoáy Khi Re>5 không dòng chảy điều hoà quanh ống mà phía sau ống bắt đầu có tượng tạo xoáy (hình 9.6b) Sở dó có tượng xoáy phía sau ống áp lực phía sau lớn phía trước Khi Re>103 tách dòng tạo xoáy phía sau xảy cách có chu kì Hình 9.6: Dòng chảy cắt ngang ống a) Chất lỏng chảy không tách khỏi hình trụ b) Sự tách li lớp biên tạo xoáy Qua kết thực nghiệm nhiều loại chất lỏng giọt, khí khác nhau, với loại ống tròn có đường kính từ nhỏ đến lớn, nhà nghiên cứu tìm công thức thực nghiệm có dạng sau: Khi Ref=5 ÷ 103 Nu f 0,5.Ref 0,5 Prf 0,38 Pr f Prw 0,25 0,25 (9-3) Pr Khi Ref = 10 ÷ 2.10 : Nu f 0, 25.Ref Prf f (9-4) Prw Đối với không khí công thức (9-2) (9-4) có dạng đơn giản hơn: Khi Ref = ÷ 103: Nuf = 0,43.Ref0,5. Khi Ref = 103 ÷ 2.105: Nuf = 0,216.Ref0,6. Trong công thức trên, nhiệt độ xác đònh tf (là nhiệt độ trung bình dòng chất lỏng trước sau ống), kích thước xác đònh đường kính ống d Các công thức thiết lập dòng chảy vuông góc với trục ống, tức 90o, dth), đường ống đường kính bé, tượng xảy nên phải quan tâm đến Đối với kó sư thiết kế, chế tạo dây điện, muốn cho dây vừa cách điện vừa có khả làm nguội tốt cần phải ý đến tượng Ngoài sử dụng vật liệu cách nhiệt cần phải ý tới độ đen bề mặt hệ số toả nhiệt bề mặt =(dl bx) đònh, bx tỉ lệ với độ đen CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 11 Câu hỏi: Mặt đẳng nhiệt Gradien nhiệt độ Đònh luật Furie Thế điều kiện biên loại 1, loại 2, loại Giải toán dẫn nhiệt ổn đònh chiều qua vách phẳng vách trụ với điều kiện biên loại Giải toán dẫn nhiệt ổn đònh chiều qua vách phẳng vách trụ với điều kiện biên loại 131 Tại tính toán qua vách phẳng người ta tính q (w/m2), qua vách trụ người ta tính ql (w/m) Các biện pháp tăng cường hạn chế truyền nhiệt Bài tập: Vách buồng sấy xây lớp gạch đỏ dày 1= 250 mm lớp nỉ xây dựng bọc Nhiệt độ mặt lớp gạch tw1 = 110oC Nhiệt độ mặt lớp nỉ tw3 = 25oC Hệ số dẫn nhiệt gạch đỏ nỉ xây dựng λ = 0,7W/mđộ; λ = 0,0465W/mđộ Xác đònh nhiệt độ mặt tiếp xúc bề dày lớp nỉ để tổn thất nhiệt qua vách buồng sấy không vượt 110W/m2 ĐS: tw2 = 70,70C; 2 = 19 mm Tường lò gồm hai lớp, lớp gạch chòu lửa, lớp gạch cách nhiệt Chiều dày lớp gạch chòu lửa 200mm, hệ số dẫn nhiệt λ 1=1,8W/mđộ Hệ số dẫn nhiệt gạch cách nhiệt λ = 0,054(1+0,0024t) W/mđộ Nhiệt độ mặt vách tw1=800oC Xác đònh bề dày lớp gạch cách nhiệt để tổn thất nhiệt qua tường không 1100W/m2 nhiệt độ mặt tường không vượt 50oC ĐS: 2 = 58mm Tường buồng lò xây hai lớp: lớp gạch samôt bọt dày 1=125mm lớp vạch đỏ dày 2 = 500mm Nhiệt độ mặt mặt tường tw1=1100oC, tw3 = 50oC Hệ số dẫn nhiệt gạch samôt bọt λ = 0,28 + 0,00023t W/mđộ, gạch đỏ λ = 0,7 W/mđộ Xác đònh tổn thất nhiệt qua 1m2 tường buồng lửa nhiệt độ mặt tiếp xúc hai lớp ĐS: tw2 = 828oC; q = 1090W/m2 Vách phẳng thùng có diện tích F = 5m2 phủ hai lớp cách nhiệt Vách thùng thép dày 1 = 8mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 46,5W/mđộ Lớp cách nhiệt thứ dày 2 = 50mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,144 + 0,00014tW/mđộ Lớp cách nhiệt thứ hai dày 3 = 10mm, hệ số dẫn nhiệt λ 3=0,698W/mđộ Nhiệt độ mặt vách tw1 = 250oC, nhiệt độ mặt lớp cách nhiệt thứ hai tw4=500C Hãy tính nhiệt lượng truyền qua vách nhiệt độ mặt tiếp xúc lớp vách ĐS: Q = 2920W; tw2 = 250oC; tw3 = 58,35oC Một nhiệt chế tạo ống thép, đường kính d1/d2=32/42mm, hệ số dẫn nhiệt thép λ =14W/mđộ Nhiệt độ mặt ống tw2=580oC, nhiệt độ mặt tw1 = 450oC Tính mật độ dòng nhiệt đơn vò chiều dài ống ĐS: ql = 42100W/m 132 Một ống dẫn thép, đường kính ống d1/d2 = 100/110mm phủ lớp cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt thép λ = 55W/mđộ; hệ số dẫn nhiệt chất cách nhiệt λ = 0,09W/mđộ Nhiệt độ mặt vách ống tw1=200oC, nhiệt độ mặt cách nhiệt tw3 = 50oC Để tổn thất nhiệt không ql = 300W/m bề dày lớp cách nhiệt phải bao nhiêu? ĐS: 2 = 18,75mm Một ống thép đường kính d1/d2 = 100/110 mm, hệ số dẫn nhiệt λ 1=50W/mđộ Ống phủ hai lớp cách nhiệt có bề dày 2=3=50mm (hình vẽ) Nhiệt độ mặt ống tw1 = 250oC mặt lớp cách nhiệt thứ hai tw4 = 50oC Hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt thứ thứ hai bằng: λ = 0,06 W/mđộ, λ = 0,12 W/mđộ a) Xác đònh tổn thất nhiệt qua 1m ống nhiệt độ mặt tiếp xúc lớp cách nhiệt b) Nếu đổi vò trí hai lớp cách nhiệt cho tổn thất nhiệt 1m ống nhiệt độ hai lớp cách nhiệt thay đổi nào? ĐS: a) ql = 89,5W/m; tw3 = 97 oC b) ql = 105,5W/m; tw3 = 159 oC Tính nhiệt lượng truyền từ phòng qua tường, biết nhiệt độ không khí phòng tf1 = 25oC, nhiệt độ không khí trời tf2 = 8oC Tường xây gạch dày δ = 250mm, có hệ số dẫn nhiệt λ = 0,5W/mđộ Hệ số toả nhiệt bề mặt 1 = 23 W/m2độ bề mặt ống 2 = W/m2độ ĐS: q = 28,3 W/m2 Một vách lò làm thép dày 20mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 58W/mđộ, nhiệt độ khí lò tf1 = 1000oC, nhiệt độ nước lò nhiệt độ bão hoà nước áp suất p=33,48bar Hệ số toả nhiệt khí lò tới vách α 1=116W/m2độ hệ số toả nhiệt từ vách nồi tới nước α 2=2320W/m2độ Tính mật độ dòng nhiệt truyền qua q nhiệt độ bề mặt tw1 tw2 ĐS: q = 80900 W/m2; tw1 = 304oC; tw2 = 278oC Một tường lò bên gạch chòu lủa có chiều dày 1 = 250mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,348W/mđộ, bên lớp gạch đỏ dày 2 = 250mm có hệ số dẫn nhiệt λ = 0,695W/mđộ Nếu khói lò có nhiệt độ tf1 =1300oC, nhiệt độ không khí xung quanh tf2 = 30oC, hệ số toả nhiệt từ khói đến gạch α 1=34,8W/m2độ từ gạch đỏ đến mội trường không khí xung quanh α 2=11,6W/m2độ Tìm mật độ dòng nhiệt truyền qua q nhiệt độ bề mặt tiếp xúc hai lớp ĐS: q = 1150 W/m2; tw = 4400C 10 Một ống dẫn làm thép có hệ số dẫn nhiệt λ = 46,44W/mđộ đường kính 200/216mm, bọc lớp cách nhiệt dày 120mm có hệ số dẫn nhiệt λ = 0,116W/mđộ Nhiệt độ tf1 = 300oC, nhiệt độ không khí xung 133 quanh tf2 = 25oC Hệ số toả nhiệt đến bề mặt α = 116W/m2độ hệ số toả nhiệt từ bề mặt đến không khí α = 9,86W/m2độ Tìm nhiệt lượng tổn thất 1m chiều dài ống đơn vò thời gian nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt ĐS: q1 = 248,24W/m; tw2 = 42,5oC 11 Trong thiết bò trao đổi nhiệt, chất lỏng nóng làm nguội từ nhiệt ’ độ t = 300oC đến t’’1 = 200oC chất lỏng lạnh gia nhiệt từ nhiệt độ t’2=25oC đến t’’2 = 175oC Tính độ chênh nhiệt độ trung bình trường hợp: a) Chất lỏng chuyển động chiều b) Chuyển động ngược chiều c) Chuyển động giao ÑS: a) tth = 104oC b) tng = 149oC c) tc = 134oC 134 Chương 12 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 12.1 Phân loại thiết bò trao đổi nhiệt: 12.1.1 Khái niệm: Thiết bò trao đổi nhiệt thiết bò thực trình trao đổi nhiệt chất tải nhiệt Trong kó thuật thiết bò trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi giữ vai trò quan trọng, ví dụ lò để sản sinh nước, thiết bò sấy, thiết bò chưng cất, thiết bò hấp, thiết bò gia nhiệt … 12.1.2 Phân loại: Tuỳ theo công dụng mà thiết bò trao đổi nhiệt có nhiều dạng khác nhau, nhiên nguyên lí làm việc, thiết bò trao đổi nhiệt phân làm loại: a) Loại vách ngăn: Các chất tải nhiệt thực trình trao đổi nhiệt qua vách ngăn b) Loại hồi nhiệt: Đặc tính làm việc bề mặt mang tính chu kì, nghóa khoảng thời gian đònh bề mặt tiếp xúc với chất lỏng nóng chất lỏng nóng truyền nhiệt cho, nửa chu kì sau bề mặt đốt nóng lại nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh chảy ngang qua chúng Như thực trình trao đổi nhiệt không ổn đònh có chu kì c) Loại hỗn hợp: Các chất lỏng nóng lạnh trao đổi nhiệt cho chúng hỗn hợp với nhau, đặc điểm loại thiết bò trình trao đổi nhiệt tiến hành đồng thời với trình trao đổi chất, ví dụ tháp làm lạnh nước tuầ n hoàn số nhà máy nhiệt điện 12.2 Phương trình cân nhiệt: Đây dạng đònh luật bảo toàn lượng, nhiệt lượng chất lỏng nóng nhả nhiệt lượng chất lỏng lạnh thu vào (nếu bỏ qua tổn thất nhiệt xung quanh) Các chất lỏng nóng lạnh chuyển động thiết bò trao đổi nhiệt có nhiều dạng khác Nếu chất lỏng nóng chất lỏng lạnh chuyển động song song chiều gọi sơ đồ chiều, chúng chuyển động ngược chiều gọi sơ đồ ngược chiều, có dạng chuyển động khác chuyển động cắt chuyển động theo sơ đồ hỗn hợp (hình 12.1) Ví dụ: thiết bò trao đổi nhiệt loại ngăn cách chiều (hình 12.2) Ta có: Q1 = Q = Q Q1 = G1.cp1.(t1’ – t1’’) Q2 = G2.cp2.(t2’’ – t2’) 135 1 2 1 2 Hình 12.1: Một số dạng sơ đồ chuyển động chất lỏng thiết bò trao đổi nhiệt Trong đó: G1, G2 – lưu lượng khối lượng chất lỏng nóng chất lỏng lạnh thiết bò (kg/giây) cp1, cp2 – nhiệt dung riêng chất lỏng nóng chất lỏng lạnh (J/kg.độ) t – nhiệt độ chất lỏng, số “1” chất lỏng nóng số “2” chất lỏng lạnh, kí hiệu (’) thông số đầu vào (’’) thông số đầu dòng lạnh (vào), t2’ dòng nóng (ra),t1” dòng nóng (vào), t1’ dòng lạnh (ra),t2” Hình 12.2: Thiết bò trao đổi nhiệt loại ngăn cách chiều Đặt: G.cp = W làø đương lượng nước dòng (W/độ) t1 = t1’ – t1’’ độ giảm nhiệt độ dòng nóng t2 = t2’’ – t2’ độ tăng nhiệt độ dòng lạnh W1.t1 = W2.t2 t1 W2 t W1 12.2.1 Trường hợp chất lỏng có đương lượng không khí không nhau: 136 Khi dòng nóng dòng lạnh chiều thì: W1 < W2 t1 > t2 hình 12.4 a W1 > W2 t1 < t2 hình 12.4b t, oC t, oC t1’ t1’ t1 t1” t2” t1 t1” t2” t2 t2 t2’ t2’ b) a) Hình 12.4: Sự phân bố nhiệt độ chất lỏng sơ đồ chiều a) Trường hợp W1 < W2 b) Trường hợp W1 < W2 Khi dòng nóng dòng lạnh ngược chiều thì: W1 < W2 t1 < t2 hình 12.5a W1 > W2 t1 > t2 Hình 12.5b t, oC t1’ t1’ t2 t2 ” t2 t2” t2” t1 t2” t, oC t2 t2’ ’ a) b) Hình 12.5: Sự phân bố nhiệt độ chất lỏng sơ đồ ngược chiều a) Trường hợp W1 W2 137 t1 12.2.2 Trường hợp chất lỏng có đương lượng không khí nhau: Khi dòng nóng dòng lạnh chiều thì: W1 = W2 t1 = t2 hình 12.6a Khi dòng nóng dòng lạnh ngược chiều thì: W1 = W2 t1 = t2 hình 12.6b t, oC t, oC t1’ t1’ t1” t1 t2” t2 t2” t’ t1” t2” t2’ F a) t’’ t2 F b) Hình 12.6: Sự phân bố nhiệt độ chất lỏng sơ đồ a) Cùng chiều W1 = W2 b) Ngược chiều W1 = W2 12.2.3 Trường hợp chất lỏng có đương lượng không khí vô lớn : Nếu W1 = (t1 = const), hình 12.7a Nếu W2 = (t2 = const), hình 12.7b So sánh sơ đồ chiều ngược chiều: t, oC t, oC t1 = const t1’ t1” t2” t2 = const t2’ a) F b) F Hình 12.7: Sự phân bố nhiệt độ chất lỏng sơ đồ a) Khi W1 = b) Khi W2 = Để xác đònh tính ưu việt loại sơ đồ chuyển động chất lỏng, kó thuật nhiệt người ta thường so sánh nhiệt lượng truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt có số điều kiện đònh Trên hình 12.8 biểu thò quan hệ 138 haøm: W kF Qcc f , Qnc W2 W1 Trong đó: Qcc – nhiệt lượng truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt loại sơ đồ chiều Qnc - nhiệt lượng truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt loại sơ đồ ngược chiều Từ đồ thò 1,0 nhận thấy sơ 0,5 đồ chiều 0,9 ngược chiều có giá 1,0 trò 0,8 trường hợp sau 2,0 0,7 đây: Khi W1/W2 bé 0,6 lớn, tức C1/C2 thiết bò trao đổi nhiệt có 0,5 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 10 20 chất lỏng mà nhiệt độ Hình 12.8: Quan hệ hàm Q cc = f W1 , kF thay đổi không Q nc W2 W1 đáng kể (W2 = , t2 = const hoaëc W1=, t1 = const) - Khi kF/W1 bé, trường hợp sảy lúc độ chênh nhiệt độ chất lỏng lớn so với thay đổi nhiệt độ chất lỏng Ngoài trường hợp đặc biệt nói sơ đồ ngược chiều có hiệu truyền nhiệt cao sơ đồ chiều Điều giải thích hầu hết thiết bò trao đổi nhiệt, người ta thường dùng sơ đồ ngược chiều Tuy nhiên trừ số trường hợp thiết bò trao đổi nhiệt làm việc điều kiện nhiệt độ cao, người ta dùng sơ đồ chiều dùng sơ đồ ngược chiều đưa đến tác hại bề mặt trao đổi nhiệt phải làm việc điều kiện nặng nề không an toàn cho thiết bò 139 12.3 Tính toán thiết bò trao đổi nhiệt: 12.3.1 Tính toán thiết kế: Dùng để chế tạo thiết bò, nội dung chủ yếu để xác đònh bề mặt trao đổi nhiệt Nếu chế độ nhiệt ổn đònh không kể đến tổn thất nhiệt nhiệt lượng Q dòng nóng truyền cho dòng lạnh lượng nhiệt truyền qua vách rắn: Q = K.F.ttb Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt vách, W/m2.độ F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 ttb – chênh lệch nhiệt độ trung bình dòng nóng dòng lạnh Q , m2 F K.t tb Xác đònh ttb: - Trường hợp chiều, hình 12.8a - Trường hợp ngược chiều, hình 12.8b t1’ t1” t1’ tmin tmin tmax t2” t 1” t2” a) tmax b) t2’ Hình 12.8: Chênh lệch nhiệt độ dòng nóng dòng lạnh a) Trường hợp chiều b) Trường hợp ngược chiều t tb Trường hợp thì: t2’ t max t t ln max t t max < hoaëc nhiệt độ t1 t2 thay đổi theo quy luật tuyến tính t t t t tb max 12.3.2 Tính toán kiểm tra: Nếu thiết bò có sẵn nội dung tính toán nhiệt xác đònh lượng nhiệt Q, 140 nhiệt độ cuối dòng nóng (t1”) dòng lạnh (t2”) Các thông số biết: - Diện tích trao đổi nhiệt F - Hệ số truyền nhiệt K - Các đương lượng nước W1, W2 - Các nhiệt độ đầu dòng nóng (t1’) dòng lạnh (t2’) Các đại lượng cần xác đònh: - Lượng nhiệt trao đổi Q - Nhiệt độ cuối dòng nóng (t1”) dòng lạnh (t2”) Gần coi lượng nhiệt tỏa dòng nóng là: Q Q = W1(t1’ – t1”) t1” = t1’W1 (12-1) Nếu có tượng ngưng tụ phải kể thêm nhiệt tỏa ngưng tụ Lượng nhiệt dòng lạnh nhận lượng nhiệt dòng nóng nhả ra: Q Q = W2(t2” – t2’) t2” = t2’+ (12-2) W2 Nếu coi: t tb t Q = K.F.ttb ' t1'' t '2 t ''2 t = K.F ' t1'' t '2 t ''2 (12-3) Thế (12-1) (12-2) vào (12-3), ta có: t1' t '2 ,W Q 1 K.F 2.W1 2.W2 Sau tính Q, thay vào (12-1) (12-2) tính t1” t2” CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 12 Nêu số ví dụ loại thiết bò trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt, loại hỗn hợp, loại vách ngăn, loại có điều giống nhau, khác nhau? Đặc điểm cần ý loại Nêu nội dung, ý nghóa toán thiết kế toán kiểm tra 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Quế Kỳ, Hoàng Đình Tín Nhiệt kó thuật Trường Đại học Bách khoa T.p HCM, 1989 Nguyễn Hà Thanh, Hoàng Đình Tín Cơ sở truyền nhiệt NXB ĐH THCN Hà nội, 1972 Hoàng Đình Tín, Bùi Hải Bài tập Nhiệt kó thuật Trường Đại học Bách khoa T.p HCM, 1993 Đặng Quốc Phú, Phạm Lê Dần Bài tập sở Kó thuật nhiệt NXB Giáo dục, 1998 142 ... hai có T2, A2 Giả sử T1 > T2 lượng trao đổi nhiệt xạ hai là: q 12 = E 12 = Ehd1 – Ehd2 (10-1) Trong đó: Ehd1 = E1 + (1-A1).Ehd2 (10 -2) Ehd2 = E2 + (1-A2).Ehd1 (10-3) 110 E1 T1 T2 Ehd1 A1 A2 (1 –... xác đònh suất xạ Giả thiết T1 > T2 : E 12 = Ehd1 – Ehd2 , W/m2 Q 12 = E 12 F , W Nếu hai vật có diện tích xạ khác nhau: Q 12 = Qhd1 - Qhd2 Qhd1 = Ehd1.F1 Qhd2 = Ehd2.F2 10.3.1 Trao đổi nhiệt hai phẳng... đen 1 Nếu A1 = A2 = Ai thì: C12M C 12 ; E12M E 12 2 Tổng quát: Nếu có n chắn có hệ số hấp thụ A i A1 = A2 = Ai hệ số xạ hệ giảm n+1 lần, ta có: C E C12M 12 ; E12M 12 n 1 n 1 CÂU HỎI